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    高速气体离心机取料器能耗试验研究

    互联网2008年3月18日 17:04 点击:2153

    中图分类号 TQ051 8+4   文献标识码 A   文章编号 0254 6094(2004)03 0125 05
        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?#31034;?#23450;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?#26412;?#22686;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?#27426;?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?#30001;?#20102;磁钢,通过对内?#37319;?#31471;盖的磁拉力?#23545;?#36716;筒部分重力。为减小内筒外壁的摩?#20102;?#32791;,外筒内壁上部开?#26032;?#26059;槽。当内筒旋转时,带动两?#24067;?#38553;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?#21462;?#24453;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?#30001;?#25972;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Wm;c.转?#37319;稀?#19979;端盖摩擦阻力损耗Wg;
        d.轴?#24515;?#25830;阻力损耗Wb;e.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?#20202;帷?#37325;组分取料器所起的作用并不相同,要分别研究。基于此,?#25910;?#25552;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?#24515;?#32791;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?#37995;?#36716;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?#24067;?#27668;体压力很低,处于分子流与粘性流之间的过渡流区,对此,参?#21152;?#20851;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?#24615;?#21608;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?#36153;?#21147;pw为6.25kPa,轻组分管?#36153;?#21147;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?#30528;?#25968;的管流中,根据下游的压力和流量可以唯一确定上?#25991;?#19968;位置的压力,保证测点压力一致和流量的一?#24405;?#21487;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?#24515;?#32791;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?#37995;?#23450;、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?#27426;?#30340;?#24067;??#27425;?#20449;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?#25163;?#35843;到849Hz,当转筒与发生器同频时,开?#25216;?#26102;,然后再将信号发生器的频?#25163;?#35843;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?#21496;?#37327;减小系统误差,所有试验利用同一个外套筒、同一套针轴、轴?#23567;?#21516;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?#25216;?#20540;。
        参考文献
        1 维拉尼S.同位素分离(中译本).?#26412;?原子能出版社,1983
        2 张存镇.离心分离理论.?#26412;?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
    (来源: 互联网 )


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