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探究不锈钢反应釜端面密封间隙内流动特性

发布日期:[ 2014年8月28日 ] 共阅[ 4859 ]次

石油化工产品的生产过程中,特别是高压不锈钢反应釜中常用的端面密封装置,其原理是利用高速旋转的动环和静环之间产生的流体动压来分离动、静环,从而实现了端面的非接触性密封。在运行过程中,因动、静环产生的机械变形和摩擦产生的热变形,引起端面密封介质的泄漏,造成环境污染。密封装置的特性直接受泄漏量大小的影响,在石油化工行业要求无污染、无泄漏,特别是对易燃、易爆、高温、高压、有毒和腐蚀的介质,尤其严格。为此对端面密封的泄漏问题备受关注。在这方面国内外学者做了大量工作,如文献所示:[1]对机械密封流场和热行为进行了实验研究。[2]利用fluid软件对机械密封腔内流场和温度场进行了数值模拟;[3]用CFD软件对一元流动进行了数值模拟;[4]提出机械密封的动态特性参数的表达式和计算方法。本文用有限元软件ANSYS对端面密封的压力场和速度场进行了研究分析,计算了泄露量。通过现场考证,对不锈钢反应釜端面密封的设计和运行过程操作具有现实意义。

一、端面密封间隙流动的边界问题

1.最优微分方程式的控制

由于动静环之间(即端面间隙)发生的变形属于楔形间隙,分析得知:可假设层间流体流动的控制方程是在以下几点的基础上建立的

(1)动静环之间的流动为层流;

(2)符合牛顿粘性定律,所以属于牛顿流体;

(3)据压力和粘性力相比,流体的惯性力可忽略不计;

(4)可设定粘度和压力沿层间膜厚方向固定,即∂p/∂y=00,∂u(5)流动过程假定稳态。

根据上述假定可以得出楔形间隙中流体流动的二维方程:

雷诺方程:∂ρh3∂p/【∂x(μ∂x)】+∂ρh3∂p/【∂z(μ∂z)】=6U∂(ρh)/∂x

2.计算楔形间隙中的泄漏量

根据(2)式计算得:Q=vA(2)

式中:A——楔形出口的横截面积

v——楔形出口端流体的速度

二、求解边值的数值

1.划分网格,根据假定条件建立模型,用大型软件ANSYS处理程序PREP7,选择单元类型,确定层间流体参数,建立楔形间隙流动场的有限元模型,并进行网格划分。采用2D.fluid141单元类型自下向上建立模型,节点共有368点和270个单元。因层间液膜厚度极薄,为了清楚描述建模,将楔形膜厚扩大12倍。得到图1所示有限元网格模型图:

2.设定载荷并求解

通过分析选项、定义类型、加载数据和加载步选项,最后进行有限元求解。当全部添加了载荷数据后利用有限元软件自动求解,将所得速度、压力等结果存入文件中并做后处理。

4.处理结果通过图形界面得到计算结果,并对数据进行分析计算包括速度和压力等,输出形式有两种,即数据列表和图形显示。处理数据的方法是:通过后处理器POST1复查整个模型的某一部分特定数据集的结果;时间历程后处理器POST28,可跨多个数据集复查选择的部分模型数据。因本文计算分析是层流稳态流场,因此可采用后处理器POST1复查整个模型的某一部分中任意一个特定数据集的后处理方法。

三、案例计算分析

端面楔形液膜长L=6mm,宽度b=0.02mm,B=0.05mm,试验介质为常温水,设定粘度为0.001Pa.s,密度1000kg/m3,设端面楔形进口压强为0.2MPa,出口压强0.1MPa。

1.计算分析压力场

用ANSYS求解过程中,加压力载荷,采用后处理器post1。即可获得各节点的压力分布图,如图2所示,单位为MPa。从图得知:压力的变化随液膜沿楔形长度方向减小,呈不规则分布,出口最小,进口最大,沿横截面压力分布比较规则。
图2

2.计算分析速度场

节点的速度数据是本案例的基本计算数据。因过程分析属于稳态的速度场,所以后处理可用POST1进行。由此可得到速度矢量图,如图3所示。X向速度场分布图4和Y向速度场分布图5,速度单位m/s。
图3
图4
图5

从图得知:速度的变化随液膜沿楔形长度方向不规则分布,在出口处和进口处都有Y向最小和最大的速度值,速度最大值在出口X方向呈非线性分布,中间部分速度变化较平稳,在出进口处速度变化较大。

3.计算泄漏量

据公式(2)Q=vA,将出口液体的速度和出口端面的横截面积代入可得如下数据:Q=0.000404ml/min,

通过分析比较与实际运行过程中的测量结果基本相同。

结论

分析釜式反应器端面楔形密封面间隙内的流场变化,且难以观察的楔形层流间的场内变化,可利用大型有限元软件ANSYS8.0进行数值模拟,并可实现计算过程的可视化,从而可得速度场和压力场云图。云图上可清楚看出压力和速度的分布情况,为研究设计减少端面密封楔形间隙的泄漏量提供了理论依据。对确保系统的长期运转,特别是高压釜式反应器端面密封的可靠性具有现实意义。

从楔形间隙泄漏量的计算结果看,影响泄漏量的关键因素速度和变形量。所以在设计釜式反应器端面密封和系统运转操作过程中,要尽可能控制变形量,已达到最终控制泄漏量的目的。

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