一種旋轉密封送料閥氮氣置換仿真分析

1、 一種旋轉密封送料閥氮氣置換仿真分析 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)中旋轉密封送料閥是系統(tǒng)內(nèi)外的主要漏點。文章采用充氮方式對旋轉閥進行氮氣置換保障隔氧效果，并對該過程進行了仿真分析，考察了不同充氮量下的氮氣隔氧效果。結果表明：在旋轉閥通入氮氣流量為60m3/h時，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，滿足氮氣置換要求，采用氮氣置換進行系統(tǒng)隔氧的技術措施有效而且可行。Key：旋轉閥；氮氣置換；仿真模擬；Fluent：TE973 文獻標志碼：A ：2095-2945（2018）07-0059-04Abstract： A vacuum c

2、losed 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

3、 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 nitro

4、gen 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； Fluent1 概述旋轉送料閥是一種廣泛應用于送料的裝置，主要輸送煙絲、糧食等散狀物料1，2。旋轉閥一般不具備密封功能，但經(jīng)過特殊設計和加工后，可以實現(xiàn)密封

5、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閥實現(xiàn)連續(xù)出料。為保障系統(tǒng)氧濃度達到規(guī)定要求，本文采用對旋轉閥進行氮氣置換的措施，保障在旋轉閥運動過程中，外界大氣與系統(tǒng)內(nèi)氛圍的隔絕。氮氣置換氧氣是在輸油管道、化工合成生產(chǎn)中常用的一種安全措施3，4，但對旋轉閥進行氮氣置換的研究較少，無法準確得知旋轉閥采取氮氣置換措施是否能夠達到較好的隔氧效果以及合理的氮氣用量。因此，本文通過計算流體力學的方法開展旋轉密封送料閥氮氣隔氧的仿真模擬，確定合理的氮氣用量，為氮氣置換措施提供依據(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)頂端的罐式設備

6、處理后，經(jīng)過兩級的暫存裝置后落入進口旋轉閥內(nèi)，物料經(jīng)過入口旋轉閥的輸送進入腔體內(nèi)，在腔體內(nèi)經(jīng)過進一步處理后從出料旋轉閥輸出。在系統(tǒng)腔體內(nèi)部，因為物料的特殊性，需要保持系統(tǒng)內(nèi)氧氣濃度低于8%，操作中采用氮氣置換的方式保持系統(tǒng)內(nèi)氧氣濃度不超標。系統(tǒng)與外界大氣唯一聯(lián)通的位置為出口旋轉閥，為保障外界大氣不通過旋轉閥進入系統(tǒng)內(nèi)，本文采用氮氣封的方式對旋轉閥進行隔氧，充氮位置如圖1中F1管路所示。3 數(shù)值模擬設置本文采用ANSYS FLUENT 15.0開展數(shù)值模擬工作。3.1 幾何模型及網(wǎng)格設置本文采用ANSYS 15.0的WORKBENCH模塊進行三維建模和網(wǎng)格劃分。為減小數(shù)值建模及計算工作量，選取正

7、在置換氮氣的一個葉片容腔進行數(shù)值仿真，并假定葉片不旋轉，這樣計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，不對壁面進行網(wǎng)格細化，網(wǎng)格總數(shù)約為35萬。網(wǎng)格質量采用Skwness（偏斜度）方法進行考察，網(wǎng)格質量報告見圖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)格質量較好，可以滿足工程計算要求。旋轉閥本模擬過程是與時間相關的非穩(wěn)態(tài)過程，計算采用非穩(wěn)態(tài)計算。時間步長為0.05s，計算選取PISO算法。3.2 邊界條件（1）進口邊界條件進口為3個氮氣氣體入口。進口溫度均為293。湍流強度未知，均假定為0.03，并輸入各截面水力學直徑。計算采用的入口氮氣流量

8、分別按40m3/h和60m3/h進行了氧氣濃度的模擬計算。（2）出口邊界條件出口設置為壓力出口，出口壓力101kPa。4 計算結果與討論本文分別開展了氮氣流量為40m3/h和60m3/h下旋轉閥內(nèi)的流場變化，分別截取了旋轉閥中截面的氧濃度云圖，列于圖5和圖6。旋轉閥結構為8片閥芯，旋轉閥的轉速為3r/min，每個閥瓣的在經(jīng)過充氮口的停留時間約2.5s。從圖5中可以看出，當通入氮氣后約2.5s后，旋轉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；而當通入氮氣5秒后，旋轉閥葉片空腔內(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的氮氣流量下，在閥瓣

9、經(jīng)過充氮口的停留時間內(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為氮氣流量60m3/h的條件的氧氣濃度云圖。從圖6中可以看出，當通入氮氣后約1.5s后，旋轉閥葉片的氧氣濃度已經(jīng)低于系統(tǒng)要求的8%；而當通入氮氣2s后，旋轉閥葉片的氧氣濃度基本長區(qū)域0。這說明在氮氣流量60m3/h的條件下，在閥瓣經(jīng)過充氮口的停留時間內(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。上述結果說明，為保障旋轉閥氮氣置換過程中，閥芯內(nèi)氮氣濃度快速降低到規(guī)定的濃度以下，氮氣流量需要達到60m3/h。系統(tǒng)制氮機組的流量為132Nm3/h，完全可滿足氮氣封的需要。因此，可以認為采用氮氣封的技術措施是有效的。5 結束語本文采用技術流體力學方法，對某系統(tǒng)用旋轉閥采用充氮進行氮氣置換的措施進行了仿真模擬，結論如下：（1）在旋轉閥通入氮氣流量為60m3/h時，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，滿足氮氣置換要求。而氮氣流量40m3/h時，氮氣置換速率過低，達不到有效隔氧的目的。（2）系統(tǒng)制氮機組的流量為132Nm3/h，完全可滿足氮氣封的流量需求，采用氮氣封的技術措施有效而且可行。Reference：1穆洪彪，孫迎波.聚酯樹脂新型給料系統(tǒng)的設計J.化工裝備技術，2015，36（06）：23-25+36.