MVR蒸汽罗茨风机性能对比分析.pdf

1 5 5 0 化 工 进 展 C H E MI C A L I N DUS T R Y A ND E NGI N E E R I NG P RO G R ES S 2 0 1 5年第 3 4卷第 6期 MVR蒸汽罗茨风机性能对 比分析 张琳 蒋枫 陆凯杰 徐晨 崔腾飞 赵枫 纪加超 常州大学机械工 程学院 江苏 常州 2 1 3 1 6 4 摘要 为了探究机械式蒸汽再压缩 MV R 系统中蒸汽罗茨风机的运行性能 采用计算流体动力学 F l u e n t 软件 在设计S 况条件下对空冷和逆流冷却三叶渐开线型罗茨风机设计的内部流场 出口流量 压力 温度的脉动性 能进行了研究 同时 对逆流冷却罗茨风机在不同升压 不同转速变工况下的脉动特性进行了分析 研究表明 逆流冷却罗茨风机可避免蒸汽回流 降低 了气动力噪声 流场均匀性和脉动性能均优于空冷罗茨风机 出口温 度和压力能很好地满足 MV R系统的工艺设计需求 在升压 6 4 1 9 2 k P a范围内 其绝热效率比空冷罗茨风机高 1 2 1 7 综合性能更优 逆流冷却罗茨风机在不同升压 不同转速变工况下运行时 有着良好的稳定性 出口流量和温度可以各 自调节满足生产需要 通过调节变频电机转速可实现流量调节 通过调节预进气蒸Y h J 度可实现蒸汽出口温度调节 逆流冷却罗茨风机的出口温度模拟值与实验值吻合较好 关键词 机械蒸汽再压缩 MV R 罗茨风机 计算流体力学 数值模拟 稳定性 中图分类号 T K 1 2 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 5 0 6 1 5 5 0 0 7 Do I 1 0 1 6 0 8 5 i s s n 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 5 0 6 0 0 8 Co m pa r is o n a nd a na l y s is o f t he pe r f o r m a nce s in M VR s t e a m Ro o t s bl o we r Z H A NGL i n J I A NGf e n g L UK a i j ie XU C h e n CU I T e n g f e i Z HA 0 F e n g J I J i a ch a o S ch o o l o f Me ch a n i ca l E n g i n e e r in g Ch a n g z h o u Un i v e r s i t y Ch a n g z h o u 2 1 3 1 6 4 J i a n g s u Ch in a Abs t r act This r e s e a r ch in ve s t iga t e d t h e pe r f o r ma nce s o f Roo t s bl o we r i n me ch a nica l va po r r e co mp r e s s io n MVR p r o ce s s b y u s in g F l u e n t s o f t wa r e T h e t h r e e d ime n s io n a l u n s t e a d y co m p r e s s i b l e flo w fi e l d a n d fl u ct u a t io n p e r f o r ma n ce o f o u t l e t flo w p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e f o r in v o l u t e t y p e t h r e e l o be Ro o t s bl o we r s wi t h a i r co o l ing a nd co un t e r cur r e nt co o l in g a nd t h e fluctu a t i o n pe r f o r ma n ce o f co u n t e r cu r r e n t co o l in g Ro o t s b l o we r s u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e a n d r o t a t io n a l s p e e d in t h e MVR s y s t e m we r e n u me r ica l l y in v e s t ig a t e d Th e r e s u l t s s h o we d t h a t co u n t e r cu r r e n t co o l i n g Ro o t s b l o we r co u l d a v o id t h e b a ck fl o w a n d r e d u ce g a s d y n a mic n o is e T h e flo w fi e l d u n if o rm it y a n d fl u ctua t io n p e r f o rm a n ce o f o u t l e t fl o w p r e s s u r e a n d t e mp e r a tur e o f co u n t e r cu r r e n t co o l in g we r e b e t t e r t h a n t h a t o f a i r co o l i n g T h e o u t l e t t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e me t t h e d e s ig n d e ma n d o f MVR s y s t e m I n t h e r a n g e O f 6 4 1 9 2 k Pa t h e a d ia b a t ic e ffi cie n cy o f co u n t e r cu rre n t co o l in g Ro o t s b l o we r wa s 1 2 一 1 7 h ig h e r t h a n a ir co o l i n g a n d t h e co mp r e h e n s iv e p e r f o rm a n ce s I n a d d it io n co u n t e r cu r r e n t co o l in g Ro o t s b l o we r wa s mo r e s t a b l e u n d e r d if f e r e n t p r e s s ure s a n d r o t a t io n a l s p e e d s T h e o u t l e t fl o w a n d t e mp e r a t u r e co u l d b e a d j u s t e d t o me e t o p e r a t io n n e e d s T h e fl o w wa s a d j u s t e d b y ch a n g in g t h e f r e q u e n cie s o f co n v e r s io n mo t o r s p e e d T h e o u t l e t s t e a m t e mp e r a t u r e wa s a d j u s t e d b y ch a n g i n g t h e 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 2 5 修改稿日期 2 0 1 4 1 2 2 4 基金项 目 江苏省科技厅计划项 目 B Y2 0 1 2 1 0 2 及江苏省环保厅科 研课 题 2 0 1 2 0 0 3 第一作者及联系人 张琳 1 9 6 9 一 女 教授 研究方向为过程强 化与节能环保装备技术 E ma i l z 3 2 8 1 3 1 5 y e a h n e t 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 化 工 进 展 2 0 1 5年第 3 4卷 周期性 本文罗茨风机为三叶叶轮 一个叶轮旋转 一 周有 3次排气过程 两个相互啮合 的叶轮旋转一 周共有 6次排气过程 前后相差 6 0 左右 所以对 应的两个周期 内会有 1 2次脉动峰值 且空冷 比逆流 冷却的脉动幅度大 由图 7中可看出 空冷罗茨风 机存在严重的回流现象 蒸汽 出口流量脉动幅值超 过零 随着流量 出现脉动 压力也出现对应的脉动 排气速度最大处对应的蒸汽压力为最小 两者有着 对应 的关系 而逆流冷却罗茨风机的流量脉动幅度 小 没有 出现回流现象 对应的压力脉动 曲线也比 较稳定 起到了削弱 回流冲击的效果 降低了气动 力噪声 与图 2 图 5 所示的流场分析结果一致 图 8 为空冷和逆流冷却罗茨风机旋转两周蒸汽 出口温度脉动对 比曲线 起初空冷罗茨风机 出口温 度脉动幅度较大 随着叶轮的继续旋转 脉动幅度 趋于稳定 理论排气温度计算见式 1 式中 为进气温度 K 乃为排气温度 K 根据式 1 计算得到空冷罗茨风机理论出口温 度为 4 1 3 K 而数值模 拟温度 脉动值逐渐 趋近于 4 1 0 K 旋转第二周开始排气温度在 4 1 0 4 2 0 K 波 动 理论计算值与模拟值较吻合 但 出口温度过高 会影响到风机的正常运行 且远远超过 了工艺温度 35 8 K 相比之下 逆流冷却罗茨风机 的温度变化幅度 较小 通过预进气 口导入 的冷却蒸汽与基元容积 内 蒸汽混合后 显著降低了排气温度 如 图 8 所示 冷却气温度计算见式 2 二 2 占 一1 7 k 一 k r v 死 式中 k为绝热指数 压力比 为容积效 率 从图 8中可 以得到逆流冷却罗茨风机排气温度 越 赠 口 吾 l j 平均值为 3 6 3 K 满足 MV R系统工艺要求的排气温 度 3 5 8 K 此外 由式 2 可知 在升压不变的情 况下 通过调节冷却蒸汽的温度 可 以对蒸汽 出口 温度进行有效的调节 如图 9所示 模拟值与理论 值非常接近 温度模拟值偏高的原因是模拟过程中 没有考虑到机体与外界的热量交换及理论计算公式 中没 有考 虑 到风机 内部 的湍 流耗 散转 化 为蒸 汽 热焓 3 1 3 绝热效率 从图 1 0中可看 出 绝热效率随着升压的增大而 降低 这是因为升压越大 内泄漏越严重 容积效 率低 等熵绝热压缩过程更不完善 在设计工况下 升压为 2 5 6 k P a 空冷与逆流冷却绝热效率之间 几乎没有差别 在升压为 6 4 1 9 2 k P a 范围内 逆 流冷却罗茨风机绝热效率高 1 2 1 7 且逆流冷 却罗茨风机能减少甚至避免高压蒸汽 的回流 减少 气动力噪声 气流稳定性优于空冷罗茨风机 因此 在 MV R 工艺系统中选择逆流冷却罗茨风机作为蒸 汽压缩设备更为合适 3 2 模型验证 为了保证罗茨风机性能预测的数值模拟研究的 可靠性 本文作者课题组与某公司合作 进行 了 瑙 赠 口 珀 确 图 9 不同预进气温度下蒸汽出口温度 图8 空冷和逆流冷却蒸汽出口温度脉动对比曲线 图 1 0 空冷与逆流冷却绝热效率曲线 秘瘊 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 6期 张琳等 MV R蒸汽罗茨风机性能对比分析 MVR 中试试验 实验系统主要由料罐 进料泵 预热器 蒸发器 分离器 罗茨风机等组成 本次 实验方法为精母淡相 含 Na C I及氨基酸液体 在 温度为 3 4 3 K 下进行减压蒸发 实验原料为精母淡 相 6 5 t 原料进料量 3 0 0 L l 1 料液需经过板式换热 器进行预热再进入 MV R 蒸发器 第一桶原料加热 至 3 4 3 K 而后每桶只需加热至 3 0 8 K 实验共运行 了 3 9 h 实验过程 中风机 出口蒸汽温度数据 曲线如 图 1 1 所示 不考虑初始不稳定阶段的数据 蒸汽温 度实验数据平均值为 3 5 6 K 由图 8可知 逆流冷却 罗茨风机 的出 口温度模拟数据平均值为 3 6 3 K 试验 数据与模拟数据较为吻合 误差为 2 表 明所采 用的数值模拟方法较为可靠 模型设计合理 模拟 值偏高的原因是模拟过程中没有考虑到机体与外界 的热量交换 以及所采用的算法对 F l u e n t 计算精度 的 影响 3 3 逆流冷却罗茨风机变工况下 出口脉动分析 上述研究表明 在设计工况下采用逆流冷却技 术能很好地满足 MV R 蒸发系统的工艺要求 实现 蒸汽的可持续压缩循环利用 因此选用逆流冷却罗 茨风机作为研究对象 探讨其在变工况下的出 口脉 动性能 图 l 2为不同升压下蒸汽出 口流量的脉动对 比 曲线 一般来说 随着升压 的增大 风机的内泄漏 越严重 出 口质量流量会有所减少 但是从 图 1 2 中可看出 风机运行开始阶段流量脉动幅度较大 随着风机继续运行 脉动幅度逐渐减小 慢慢趋于 稳定 脉动幅度很小 出口流量并没有随着升压的 增大而有明显的减小的趋势 由此可知升压的改变 对于风机的出口流量和运行稳定性影响较小 图 1 3为不 同转速下蒸汽出口流量的脉动对 比 曲线 从图 1 3中可看出 转速的变化会导致出口流 量发生较大 的变化 这是 因为在风机其他参数不变 善 眢 羽 蛹 图 1 1 蒸汽 出口温度实验数据 图 删 口 号 蛹 叶轮转角 图 1 2 不同升压下蒸汽出口流量脉动曲线 图 1 3 不 同转速下蒸汽出 口流量脉动对 比曲线 的情况下 风机转速和流量呈正比关系 同时脉动 幅度也呈现 出增大的趋势 但总体来说 比较平稳 脉动幅值没有超过零 说 明没有出现回流的现象 图 1 4为不同转速下蒸汽 出口压力的脉动对 比 曲线 从 图 1 4中可看出 转速的增加会导致蒸汽出 口压力增加 脉动幅度也随之增大 但是出口压力 值增加的幅度很小 压力比讥 乎没有变化 因此对 于蒸汽出口温度几乎没有影响 综上所述 逆流冷却罗茨风机在变工况下有着 良好 的稳定性 改变罗茨风机的转速 即改变流量对 出口压力值影响较小 但是出口脉动幅度增加 所 一 匙 出 口 铂 蛹 图 1 4 不同转速下出口压力脉动对比曲线 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 5 5 6 化 工 进 展 2 0 1 5年第 3 4卷 以在小范围内可以通过变频器调节电动机转速进而 调节流量 而升压几乎不受影响 由公式 2 可知 其温升也不会有很大的变化 如要调节蒸汽出口温 度 可通过改变预进气的温度来调节 流量和温度 可 以各 自调节 4 结论 1 空冷和逆流冷却罗茨风机的涡流与脉动流 动瞬态特性对 比研究表明 逆流冷却罗茨风机能有 效避免蒸汽回流 降低气体动力性噪声 综合性能 优于空冷 出口温度和压力能很好地满足 MV R 系 统的工艺设计需求 2 当逆流冷却罗茨风机在不同升压和不同转 速变工况下运行时 有着 良好的稳定性 蒸汽出口 压力和流量脉动都较小 相比之下 改变转速对 出 口脉动影响较大 在小范围内通过变频器调节 电动 机转速实现流量调节 而蒸汽出口压力和温度几乎 不变 通过调节预进气蒸汽温度实现蒸汽 出口温度 调节 同时蒸汽 出口流量不变 3 通过将蒸汽 出口温度数值模拟值与实验数 据对 比 表明了MV R蒸汽罗茨风机数值模拟可靠 本文的研究工作可为 MVR蒸发节能系统中罗茨风 机的高效运行提供理论参考依据 参考文献 1 赵博 马国远 许树学 水蒸气再压缩热泵系统的性能分析 J 制 冷技术 2 0 1 2 3 2 2 2 9 3 2 2 朱文强 罗茨鼓风机在 MV R 技术中的应用 J 风机技术 2 0 1 1 2 3 8 3 7 3 王孚懋 李勇 郭晓斌 等 低噪声罗茨鼓风机的结构设计与内 流数值模拟研究 J 山东科技大学学报 2 0 1 0 2 9 6 5 5 6 0 4 张顾钟 王发展 渐扩缝隙罗茨鼓风机内部流场的数值分析 J 机 械设计 2 0 1 1 2 8 4 8 4 8 8 5 L i u Z h e n g x ia n Wa n g D o u X u L i a n h u a n Nu me r i ca l s i mu l a t i o n o f u ns t e a d y d is c h a r g e fl o w wit h flu ct u a t io n in p o s it iv e d is ch arg e b l o we r J C h i n e s e J o u r n a l o f Me ch a n i ca l E n g i n e e r i n g 2 0 0 9 2 2 2 21 4 2 2 0 6 陈霞 王发展 王博 等 基于 F l u e n t的三叶罗茨鼓风机 内部流 场数值分析 J 机械设计 2 0 1 2 2 9 1 1 7 1 7 4 7 刘瑞韬 徐忠 离心压气机实际蒸汽三维粘性流场分析 J 西安交 通大学学报 2