真空滤油机流场的数值模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)重庆工商大学 作者:陈 彬

  为了获取真空滤油机蒸发脱水的动态特性,考虑了油水汽三相流、水滴蒸发相变等因素,建立了真空滤油机的流场的RSM模型以及水滴运动蒸发的相变方程;分析了滤油机内部的蒸汽体积浓度分布、压力分布以及轴向和径向速度分布的规律,结果表明滤油机内部分离塔板上部的中心附近压力梯度较大,而靠近壁面附近压力梯度较小,有助于蒸汽有向壁面运移的趋势,,实现液汽分离;分离塔板内部压力梯度趋缓,增大了油水在塔板内的停留时间;油水混合液的最大径向速度面把滤油机内部的流场分为了准强制涡和准自由涡;而其轴向速度呈对称分布;进一步揭示了油水分离的特性,并计算了滤油机的蒸发效率,计算值与实测值吻合较好,验证了该模型的有效性,对深入研究真空滤油机的油水分离机理奠定前期基础。

  润滑油在使用的过程中,会因为种种原因混入水分,加速油液乳化、劣化,使其理化性能发生变化等问题,因而有效地脱除油中的水分一直是工业用油的研究热点之一。迄今油水乳化液的处理方法有添加化学破乳剂、pH调和、重力或离心沉降、电破乳、谐波破乳、真空分离法等。而真空分离是在一定真空条件下,利用油、水的不同沸点而进行脱水、脱气的,真空滤油机就是利用这种方法来实现乳化液脱水、脱气的一种装置,其操作简便,脱水效率较高,处理速度快,成功应用在工业、农业和电力等行业用油设备的脱水处理上。但真空滤油机的脱水率的高低主要受真空度、温度、油膜蒸发表面积、蒸发表面的更新、蒸发持续时间等几个因素影响。马红麟认为真空滤油机的净化效率主要取决于真空和油温,对需要作深度脱水、脱气处理的超高压设备用变压器油至关重要,适当提高油温和降低油粘度,

  可以加速传质过程,提高净化效率。但油温不宜过高,一般控制在60℃以下,最高不超过80℃,以防油质氧化或引起油中抗氧化剂的挥发损耗。郭蕾等采用了密集式喷嘴和特制网眼板相结合的脱气、脱水结构,在不影响真空室内空气流动性的前提下,尽可能增大油液在真空室内所呈现的总体表面积,延长油液在真空室内的滞留时间,从而提高了油液在真空分离室中的脱气、脱水效率。黄福胜分析现有真空滤油机脱水效率低的原因,提出采用全真空系统、立式多延时分层真空分离、活动真空分离罐和压缩机制冷等方法提高真空滤油机的脱水效率并取得较好效果。

  本文从理论上深入分析影响滤油机脱水效率的关键因素。首先针对典型的真空滤油机进行了非定常数值模拟,揭示滤油机油水混合液在一定真空条件下的油、水、汽的三相流体动力学特征。

1、数值计算模型

  真空滤油机的典型结构示意图如图1所示。真空抽气口连接真空泵,向滤油机内部提供一定的真空,具有一定温度的油水混合液在标准大气压的作用下从滤油机顶部进口管经过流体分配器喷射进入圆形罐体;在罐体中部设置有分离塔板,混合液在孔板中具有曲折复杂的路径,油中水分得到充分的蒸发,其蒸汽向上通过真空抽气口排出罐体,除去水分的油液沉降在罐体底部由出油口排出系统。可见,真空滤油机内涉及到3种流体:油、水和蒸汽,是一个传质和相变相互耦合的复杂分离系统。

真空滤油机的典型结构示意图

图1 真空滤油机的典型结构示意图

  1.1、控制方程

  1.1.1、雷诺应力模型

  雷诺应力模型(RSM)是求解雷诺应力张量的各个分量的输运方程,完全摒弃了基于各向同性涡粘性的Boussinesq假设,包含了更多的物理过程影响,考虑了湍流各向异性效应,特别是旋转效应、浮力效应、曲率效应等。真空滤油机内部三相流是复杂的湍流运动,因而选择雷诺应力模型的湍流模型使方程组封闭。

3、结论

  (1)利用RSM模型和蒸发模型,建立了真空滤油机内油水汽三相动力学方程组,通过设定边界条件,对滤油机内部的复杂的三相湍流和相变运动进行了数值模拟,计算了其蒸发效率,并将水相沿轴向的体积浓度分布曲线与实测值比较,验证了该模型的有效性。

  (2)分析了滤油机内部压力沿径向的分布规律,分离塔板上部区域滤油机中心附近压力梯度较大,靠近壁面附近压力梯度较小,有助于蒸汽有向壁面运移的趋势,实现液汽分离;分离塔板内部压力趋缓,使蒸汽的径向运动和轴向运动变慢,增大了在塔板内的停留时间。

  (3)数值模拟较准确地模拟了经向速度的分布规律,经向速度最大的面把滤油机内部的流场分为了准强制涡和准自由涡,在外部的准自由涡内,经向速度随半径的减小而增大,对蒸汽的携带作用减弱,有利于蒸汽在壁面附近被捕集;在中心区域的准强制涡内,经向速度随半径的减小而减小,有利于将蒸汽甩向外部。

  (4)轴向速度呈轴对称分布,由滤油机壁面向内,随着半径的减小,轴向速度逐渐增大,利于蒸汽排出真空抽气口;在到达最大值之后又随半径的减小而减小,将滤油机通过分离塔板分为分离区和蒸发区。

  (5)分析了不同区域截面的汽相沿径向的体积浓度分布,蒸发区的各个截面的体积浓度分布都随着半径的增加而增加,在壁面附近浓度较高;分离区的两个截面的体积浓度随径向增加而减小,与相应压力和径向速度的分析一致。

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