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高速气体离心机取料器能耗试验研究

 用离心法进行不同分子量气体分离的概念,是Lindemann和Aston在1919年首先提出来的。由于技术上的原因,直到1936~1937年,Beams和同事们用CCl4分离氯同位素时,试验才获得首次成功[1]。数十年后,气体离心机开始从实验室走向工业化应用,同时也产生了一门专门研究强旋流场中分离效应的物理学分支———离心分离理论。根据离心分离理论,气体离心机的分离效率决定于转筒转速、取料器形式和温度等多个因素,特别是与转筒边壁线速度的平方成正比,因而气体离心机设计转速都很高,这导致转筒内取料器能耗急剧增加,能耗的增加反过来又影响分离效率和离心机寿命[2]。由于取料器能耗直接影响离心机的经济性,对它的研究一直是离心流体力学的研究重点。本文将对Y 1型气体离心机取料器的能耗进行试验研究,这为强旋流场理论模型的修正以及对流场计算提供了必要的参考。

    1 Y 1型气体离心机的原理及能耗构成

      图1是Y 1型气体离心机的结构示意图。离心机外套筒静止不动,内筒也就是转筒,在感应电机的驱动下高速旋转,并带动筒内的混合气体一同转动。为减小轴承的支撑力,维持转筒的稳定性,在套筒顶部加设了磁钢,通过对内筒上端盖的磁拉力卸载转筒部分重力。为减小内筒外壁的摩擦损耗,外筒内壁上部开有螺旋槽。当内筒旋转时,带动两筒间隙内气体一起旋转,在螺旋槽的作用下,气体被排到顶部,最后流入转筒中心随物料一起抽走,因而内筒与外筒之间维持着很高的真空度。待分离的混合气体由供料管进入转筒中心。由于摩尔质量不同,轻、重组分在转筒内沿径向分布发生变化。被分离后的气体由静止的轻、重组分取料器分别取出。为梳理流型,以提高分离效率,在转筒两端加设整流板,整流板与转筒粘接在一起。

                  

                           图1 Y 1型气体离心机的结构示意图

    离心机整机能耗是表征离心机耗能程度的一个重要指标,主要由下列几项组成(按能耗产生的对应部位划分):

    a.外套筒摩擦阻力损耗Wt

    b.螺旋槽摩擦阻力损耗Wmc.转筒上、下端盖摩擦阻力损耗Wg

    d.轴承摩擦阻力损耗Wbe.取料器摩擦阻力损耗Ws。

    2 单回路试验法的提出高速气体离心机中,取料器不仅负责取料,其能耗还直接影响筒内流型,进而影响分离效率,而取料器能耗不能直接测定,能直接进行测量的只是离心机摩擦总能耗,要确定取料器能耗,常规方法是无法做到的,而且轻、重组分取料器所起的作用并不相同,要分别研究。基于此,笔者提出了单回路试验法的概念,即在转筒中只装一个取料器,物料的流动为供料—重(或轻)料管路,故称单回路。其主要思路是以单回路模拟双回路进行能耗研究,以分离出单个取料器的能耗。下面是分离取料器能耗的过程。根据前面的分析,在机器空载(未通料)时,有:

      Wc0=Wt0+Wm0+Wb+Wg0(1)

     Wc0为离心机空载总能耗,可直接测得(下标0代表空载工况)。Wt0、Wg0、Wm0可以通过解析式计算,然后由式(1)计算出Wb。因为转筒内的物料重量仅为转筒重量的0.5%以下,可以认为对于某一台机器,针轴的支撑力空、负载时不变,因而Wb也不变。

     负载时有:

     Wcf=Wsf+Wtf+Wmf+Wb+Wgf(2)

     Wcf为离心机负载总能耗,可由试验测得(下标f代表负载工况)。同样,Wtf、Wgf、Wmf可通过解析式计算,Wb已由空载能耗关系式导出,这样,通过式(2)便可求得取料器能耗Wsf。对于单回路机器,Wsf为单个取料器能耗,对于双回路机器,Ws为两个取料器能耗之和。

    正常工作时,两筒间气体压力很低,处于分子流与粘性流之间的过渡流区,对此,参考有关文献[3]给出了各部分能耗计算的解析式。

    2.1 转筒外壁摩擦能耗计算

                     

                    

       pout———螺旋槽出口压力,

          Pa   m———介质(空气)摩尔质量,

          kg/mol    ω———转筒角速度,rad/s。

    2.3 上、下端盖摩擦能耗

    计算端盖摩擦作用可以简化为旋转盘在封闭圆筒中的情况。边界认为是滑动的层流情况,假设此处气体只有圆周方向的速度分量,其轴向分布是线性的。这样,可得到端盖摩擦阻力能耗:

                    

    这样,根据Y 1机的几何参数和试验中测定的相关参数,即可计算各部分能耗。

    3 试验

    本试验在Y 1型离心机上完成,该机额定转速850r/s,额定供料量62.3g/s,重组分管路压力pw为6.25kPa,轻组分管路压力ph为2.15kPa。

    用单回路准确模拟双回路的关键是保证单、双回路机器对应取料器周围流场一致,也就是要保证取料器附近气体的速度分布、压力分布和温度分布一致。这依靠安装工艺的一致性和控制外参量(冷却水温、室温、取料管压力和流量)一致来保证。

    根据流体力学,在小雷诺数的管流中,根据下游的压力和流量可以唯一确定上游某一位置的压力,保证测点压力一致和流量的一致即可保证取料室内压力的一致至于温度,以端盖的温度近似于取料室(整流板与端盖之间部分)内温度,根据专门测温试验,端盖的温度可由取料器压力、室温和冷却水温唯一确定而转筒转速相同,则保证了速度分布的一致。由此,控制对应取料器尺寸及外参量一致,就可用单回路来准确模拟双回路进行能耗研究。

    试验的另一个关键是能耗的准确测量。离心机转筒旋转时,满足力矩平衡方程:

                     

    将转速传感器的输入接到示波器的X端,信号发生器的信号输入接到示波器的Y端,同时在信号发生器上接一个高精度的频率表(±0.1Hz)。当X、Y端输入的信号同频时,两信号耦合出一个稳定、规则的图形显示在示波器上。惰转时,离心机输入到X端的信号是随时改变的,信号发生器输入到Y端的信号是可调的,当示波器图形静止不动的瞬间,即为信号同频。测量时,为避免50Hz工频电倍频的干扰,将信号发生器的频率值调到849Hz,当转筒与发生器同频时,开始计时,然后再将信号发生器的频率值调到844Hz,当与机器同频,结束计时,便可计算能耗。

    4 试验结果及分析

    试验中所用介质为C7F14,先进行双回路机器试验,全面记录有关参数,作为单回路机器试验的参数控制依据。随后停机,再分别拆下轻、重取料器,进行试验。为了尽量减小系统误差,所有试验利用同一个外套筒、同一套针轴、轴承、同一套取料器在同一试验台上进行。表1为本次试验数据及处理结果。

     从表1可见,额定工况下,双回路机器取料器能耗为35.5W,相应工况单回路机器的轻/重取料器能耗分别为13.1W/23.6W,加在一起为36.7W。

    为检验测量数据的可信性,下面进行误差分析离心机摩擦能耗测量公式为:

                 

                 

                  

    经计算,取料器能耗标准差分别为0.4W(双)、0.6W(重)、0.6W(轻)。可见,试验结果是可信的,采用单回路法进行取料器能耗测量是可行的。

    5 结束语

    单回路试验法成功地解决了气体离心机中取料器能耗测量的难题,这为转筒内流场的研究、理论模型的修正,取料器的优化设计工作提供了必要的依据。必须指出的是,单回路法只针对能耗的研究而提出,不涉及分离,但该试验方法的思路对其他类型的离心机很有参考价值。

    参考文献

    1 维拉尼S.同位素分离(中译本).北京:原子能出版社,1983

    2 张存镇.离心分离理论.北京:原子能出版社,1987

    3 金兆熊.高速气体离心机的功率损耗计算.清华大学 1988
日期:2008-1-31 阅读:7878次
 

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