程潮+鄧若飛

摘 要：某真空密閉系統(tǒng)要求系統(tǒng)內(nèi)氧氣濃度低于一定值（8%），系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)密封送料閥是系統(tǒng)內(nèi)外的主要漏點(diǎn)。文章采用充氮方式對旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行氮?dú)庵脫Q保障隔氧效果，并對該過程進(jìn)行了仿真分析，考察了不同充氮量下的氮?dú)飧粞跣Ч＝Y(jié)果表明：在旋轉(zhuǎn)閥通入氮?dú)饬髁繛?0m3/h時(shí)，可以在2s以內(nèi)可以將葉片空腔的氧氣濃度降低到8%以下，滿足氮?dú)庵脫Q要求，采用氮?dú)庵脫Q進(jìn)行系統(tǒng)隔氧的技術(shù)措施有效而且可行。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)閥；氮?dú)庵脫Q；仿真模擬；Fluent

中圖分類號(hào)：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）07-0059-04

Abstract： A vacuum closed system requires that the oxygen concentration in the system be lower than a certain value （8%）， and the rotary seal feeding valve is the main leakage point inside and outside the system. In this paper， nitrogen replacement is used to ensure the oxygen insulation effect of rotary valve， and the simulation analysis of the process is carried out， and the effect of nitrogen gas oxygen insulation under different nitrogen filling amount is investigated. The results show that the oxygen concentration in the blade cavity can be reduced to less than 8% within 2 seconds when the flow rate of nitrogen is 60m3/h， which can meet the requirement of nitrogen replacement. The technical measure of oxygen insulation by nitrogen replacement is effective and feasible.

Keywords： rotary valve； nitrogen replacement； simulation； Fluent

1 概述

旋轉(zhuǎn)送料閥是一種廣泛應(yīng)用于送料的裝置，主要輸送煙絲、糧食等散狀物料[1，2]。旋轉(zhuǎn)閥一般不具備密封功能，但經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)和加工后，可以實(shí)現(xiàn)密封送料功能。在某物料輸送系統(tǒng)中，因物料的特殊性，需要系統(tǒng)內(nèi)氧氣濃度低于一定值（8%），出料采用帶密封功能的旋轉(zhuǎn)閥實(shí)現(xiàn)連續(xù)出料。為保障系統(tǒng)氧濃度達(dá)到規(guī)定要求，本文采用對旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行氮?dú)庵脫Q的措施，保障在旋轉(zhuǎn)閥運(yùn)動(dòng)過程中，外界大氣與系統(tǒng)內(nèi)氛圍的隔絕。

氮?dú)庵脫Q氧氣是在輸油管道、化工合成生產(chǎn)中常用的一種安全措施[3，4]，但對旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行氮?dú)庵脫Q的研究較少，無法準(zhǔn)確得知旋轉(zhuǎn)閥采取氮?dú)庵脫Q措施是否能夠達(dá)到較好的隔氧效果以及合理的氮?dú)庥昧?。因此，本文通過計(jì)算流體力學(xué)的方法開展旋轉(zhuǎn)密封送料閥氮?dú)飧粞醯姆抡婺M，確定合理的氮?dú)庥昧?，為氮?dú)庵脫Q措施提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)簡介

某物料輸送系統(tǒng)如圖1所示。物料經(jīng)過系統(tǒng)頂端的罐式設(shè)備處理后，經(jīng)過兩級(jí)的暫存裝置后落入進(jìn)口旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)，物料經(jīng)過入口旋轉(zhuǎn)閥的輸送進(jìn)入腔體內(nèi)，在腔體內(nèi)經(jīng)過進(jìn)一步處理后從出料旋轉(zhuǎn)閥輸出。在系統(tǒng)腔體內(nèi)部，因?yàn)槲锪系奶厥庑?，需要保持系統(tǒng)內(nèi)氧氣濃度低于8%，操作中采用氮?dú)庵脫Q的方式保持系統(tǒng)內(nèi)氧氣濃度不超標(biāo)。系統(tǒng)與外界大氣唯一聯(lián)通的位置為出口旋轉(zhuǎn)閥，為保障外界大氣不通過旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，本文采用氮?dú)夥獾姆绞綄πD(zhuǎn)閥進(jìn)行隔氧，充氮位置如圖1中F1管路所示。

3 數(shù)值模擬設(shè)置

本文采用ANSYS FLUENT 15.0開展數(shù)值模擬工作。

3.1 幾何模型及網(wǎng)格設(shè)置

本文采用ANSYS 15.0的WORKBENCH模塊進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分。為減小數(shù)值建模及計(jì)算工作量，選取正在置換氮?dú)獾囊粋€(gè)葉片容腔進(jìn)行數(shù)值仿真，并假定葉片不旋轉(zhuǎn)，這樣計(jì)算的氧氣濃度是偏保守的全部采用四面體網(wǎng)格，不考慮壁面的邊界層流動(dòng)，不對壁面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格總數(shù)約為35萬。網(wǎng)格質(zhì)量采用Skwness（偏斜度）方法進(jìn)行考察，網(wǎng)格質(zhì)量報(bào)告見圖16。從圖16中可以看出，絕大多數(shù)網(wǎng)格的偏斜度落在0-0.6之間，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以滿足工程計(jì)算要求。

旋轉(zhuǎn)閥本模擬過程是與時(shí)間相關(guān)的非穩(wěn)態(tài)過程，計(jì)算采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。時(shí)間步長為0.05s，計(jì)算選取PISO算法。

3.2 邊界條件

（1）進(jìn)口邊界條件

進(jìn)口為3個(gè)氮?dú)鈿怏w入口。進(jìn)口溫度均為293℃。湍流強(qiáng)度未知，均假定為0.03，并輸入各截面水力學(xué)直徑。計(jì)算采用的入口氮?dú)饬髁糠謩e按40m3/h和60m3/h進(jìn)行了氧氣濃度的模擬計(jì)算。

（2）出口邊界條件

出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力101kPa。

4 計(jì)算結(jié)果與討論

本文分別開展了氮?dú)饬髁繛?0m3/h和60m3/h下旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)的流場變化，分別截取了旋轉(zhuǎn)閥中截面的氧濃度云圖，列于圖5和圖6。

旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)為8片閥芯，旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速為3r/min，每個(gè)閥瓣的在經(jīng)過充氮口的停留時(shí)間約2.5s。從圖5中可以看出，當(dāng)通入氮?dú)夂蠹s2.5s后，旋轉(zhuǎn)閥葉片的出口位置的氧氣濃度還具有較高的摩爾濃度，約15%左右；而當(dāng)通入氮?dú)?秒后，旋轉(zhuǎn)閥葉片空腔內(nèi)的氧氣濃度可以降低到5%以下，低于系統(tǒng)控氧濃度8%的要求。這說明，在40m3/h的氮?dú)饬髁肯拢陂y瓣經(jīng)過充氮口的停留時(shí)間內(nèi)，不能完全將閥瓣內(nèi)的氧氣置換到要求的濃度以下。

圖6為氮?dú)饬髁?0m3/h的條件的氧氣濃度云圖。從圖6中可以看出，當(dāng)通入氮?dú)夂蠹s1.5s后，旋轉(zhuǎn)閥葉片的氧氣濃度已經(jīng)低于系統(tǒng)要求的8%；而當(dāng)通入氮?dú)?s后，旋轉(zhuǎn)閥葉片的氧氣濃度基本長區(qū)域0。這說明在氮?dú)饬髁?0m3/h的條件下，在閥瓣經(jīng)過充氮口的停留時(shí)間內(nèi)，可以很好地將閥瓣內(nèi)的氧氣置換到要求的濃度以下，滿足系統(tǒng)要求。

上述結(jié)果說明，為保障旋轉(zhuǎn)閥氮?dú)庵脫Q過程中，閥芯內(nèi)氮?dú)鉂舛瓤焖俳档偷揭?guī)定的濃度以下，氮?dú)饬髁啃枰_(dá)到60m3/h。系統(tǒng)制氮機(jī)組的流量為132Nm3/h，完全可滿足氮?dú)夥獾男枰?。因此，可以認(rèn)為采用氮?dú)夥獾募夹g(shù)措施是有效的。

5 結(jié)束語

本文采用技術(shù)流體力學(xué)方法，對某系統(tǒng)用旋轉(zhuǎn)閥采用充氮進(jìn)行氮?dú)庵脫Q的措施進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)論如下：

（1）在旋轉(zhuǎn)閥通入氮?dú)饬髁繛?0m3/h時(shí)，可以在2s以內(nèi)可以將葉片空腔的氧氣濃度降低到8%以下，滿足氮?dú)庵脫Q要求。而氮?dú)饬髁?0m3/h時(shí)，氮?dú)庵脫Q速率過低，達(dá)不到有效隔氧的目的。

（2）系統(tǒng)制氮機(jī)組的流量為132Nm3/h，完全可滿足氮?dú)夥獾牧髁啃枨?，采用氮?dú)夥獾募夹g(shù)措施有效而且可行。

參考文獻(xiàn)：

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