硝酸鉀結(jié)晶器蒸汽噴射增壓器的設(shè)計(jì)與CFD分析

，，，國亮，

(湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭 411105)

目前，噴射器廣泛應(yīng)用在石油、化工等行業(yè)[1]。中國工業(yè)硝酸鉀的制取主要采用硝酸銨與氯化鉀復(fù)分解反應(yīng)制得粗硝酸鉀[2]，粗硝酸鉀再經(jīng)過進(jìn)一步處理才能得到工業(yè)硝酸鉀，其中就需要蒸汽噴射增壓器。蒸汽噴射增壓器吸入閃蒸器內(nèi)連續(xù)不斷產(chǎn)生的水蒸氣，與工作蒸汽混合后排出送入其他工序循環(huán)利用。由此，可以看出蒸汽噴射增壓器是關(guān)鍵性設(shè)備。蒸汽噴射增壓器結(jié)構(gòu)簡單，但其設(shè)計(jì)方法復(fù)雜。目前，噴射器的理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法[3-9]、氣體動(dòng)力函數(shù)法[10]和經(jīng)典熱力學(xué)法[11]。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法是利用實(shí)驗(yàn)圖表和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來確定噴射器各部分尺寸,使用起來簡單；氣體動(dòng)力函數(shù)法是建立在氣體動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，經(jīng)理論推導(dǎo)及經(jīng)驗(yàn)修正完善起來的一種方法；經(jīng)典熱力學(xué)法直接根據(jù)噴射器的熱力過程進(jìn)行計(jì)算，并采用經(jīng)驗(yàn)方法來處理關(guān)鍵幾何尺寸，如噴嘴長度、擴(kuò)散器直徑和長度等。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，采用CFD技術(shù)對噴射器進(jìn)行研究開始涌現(xiàn)[9-14]。筆者選擇經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行蒸汽噴射增壓器的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行CFD技術(shù)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 硝酸鉀結(jié)晶器蒸汽噴射增壓器設(shè)計(jì)

1.1 蒸汽噴射增壓器工作原理

圖1顯示了蒸汽噴射增壓器基本結(jié)構(gòu)。蒸汽噴射增壓器的結(jié)構(gòu)主要包括工作噴嘴、吸收室、混合室和擴(kuò)壓室4個(gè)部分。其工作原理是利用壓力較高的工作蒸汽載工作流體，經(jīng)噴嘴膨脹形成高速射流，在吸入室形成低壓并引射低壓飽和水蒸氣。由于引射流體(飽和水蒸氣)壓力比工作蒸汽壓力低，因此被吸入到吸收室形成混合流體。混合流體進(jìn)入混合室經(jīng)擴(kuò)壓段之后，提高了混合飽和水蒸氣的壓力和溫度，排出的混合蒸汽可以送入冷凝器進(jìn)入二次循環(huán)利用。

圖1 蒸汽噴射增壓器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 蒸汽噴射增壓器主要尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算

1.2.1 已知條件

工作流體為飽和水蒸氣，壓力pP=0.6 MPa，工作蒸汽消耗量GP=1 404 kg/h；吸入飽和水蒸氣壓力pH=0.075 MPa，抽氣量GH=2 430 kg/h；飽和水蒸氣的排出壓力pC=0.11 MPa。水蒸氣氣體常數(shù)R=461.5 J/(kg·K)，飽和水蒸氣絕熱指數(shù)k=1.13。蒸汽噴射增壓器的噴射系數(shù)u=GH/GP，蒸汽噴射增壓器的膨脹比E=pP/pH，根據(jù)壓縮比β=pC/pH，查修正系數(shù)φ。工作蒸汽壓力與吸入壓力的相對壓力ΠPH=pH/pP，由氣體動(dòng)力函數(shù)表查qPH。

1.2.2 蒸汽噴射增壓器幾何尺寸

結(jié)合文獻(xiàn)[3-8]，將已知條件代入相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，得到蒸汽噴射增壓器主要相關(guān)尺寸：工作噴嘴喉部直徑為0.025 m；工作噴嘴入口直徑為0.075 m；工作噴嘴出口直徑為0.04 m；圓柱形混合室喉部直徑為0.1 m；吸收室入口截面直徑為0.15 m；擴(kuò)壓室出口截面直徑為0.18 m。

2 CFD模型的建立

2.1 物理模型及控制方程

蒸汽噴射增壓器物理模型見圖1，主要相關(guān)尺寸見1.2.2節(jié)。蒸汽噴射增壓器內(nèi)部流體流動(dòng)復(fù)雜，做出如下假設(shè)[14]：1)蒸汽噴射增壓器內(nèi)部流體流動(dòng)過程為穩(wěn)態(tài)可壓縮軸對稱流動(dòng)；2)忽略飽和水蒸氣重力的影響；3)工作蒸汽在噴嘴中的流動(dòng)過程為等熵流動(dòng)，且整個(gè)過程的流動(dòng)與外界隔熱；4)噴嘴出口截面處工作飽和水蒸氣和引射飽和水蒸氣互不混合，但流動(dòng)緊密；5)此工況下的流體可認(rèn)為壓力、流量等不隨時(shí)間變化，即認(rèn)為是定常流動(dòng)。

定?？蓧嚎sN-S方程[15]：

式中：u、v、w是速度分量；φ為通變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)；ρ是密度。

2.2 計(jì)算模型的建立

由于蒸汽噴射增壓器的引射飽和水蒸氣的入口速度與工作飽和水蒸氣的速度相比很小，固將引射流體的側(cè)向入口簡化成軸向環(huán)形入口，從而將蒸汽噴射增壓器的模型簡化為二維流動(dòng)軸對稱模型。為了增加數(shù)值計(jì)算的精度，選擇了雙精度求解器；再有，工作蒸汽與引射流體的壓力梯度比較大，所以選取Spalart-Allmaras湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算；流體屬性選取Water-vapor，其密度和黏度分別按Ideal-gas、Power-law形式計(jì)算；工作蒸汽和引射蒸汽進(jìn)口邊界用 PRESSURE_INLET邊界,混合蒸汽出口用PRESSURE_OUTLET邊界；計(jì)算域的下邊界用AXIS邊界；固體壁面按默認(rèn)邊界；動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率、能量的離散格式都采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

蒸汽噴射增壓器的結(jié)構(gòu)簡單，但內(nèi)部流體流動(dòng)比較復(fù)雜，在模擬計(jì)算時(shí)對網(wǎng)格的要求比較高。采用多塊網(wǎng)格技術(shù)，將蒸汽噴射增壓器分為14塊(第2塊為吸入飽和水蒸氣入口)，都劃分為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示，其中對蒸汽噴射增壓器噴嘴喉部到吸收室處的網(wǎng)格適當(dāng)加密。用Gambit 2.2.30參數(shù)化建模，用Fluent6.3對蒸汽噴射增壓器進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖2 蒸汽噴射增壓器結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

3 計(jì)算模擬結(jié)果及分析

在這組模擬計(jì)算中，共采用了9種不同的X(噴嘴出口到吸收室入口的距離)值，尺寸分別為0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08 m，模擬計(jì)算的軸向速度如圖3～圖5所示。從圖3～圖5可以看出，軸向速度都有兩個(gè)峰值，并且過了第一個(gè)峰值后，其蒸汽速度都是超音速的，下面用3個(gè)階段來分析說明。

第一階段：工作蒸汽進(jìn)入速度是平緩的，接著就出現(xiàn)第一個(gè)峰值，工作飽和水蒸氣由低速蒸汽流經(jīng)工作噴嘴后變成超音速蒸汽流進(jìn)入吸收室與引射飽和水蒸氣混合，速度最大出現(xiàn)在噴嘴的出口處，這也就是圖3～圖5中的第一峰值。在該過程中，混合蒸汽壓力減小。由理想氣體狀態(tài)方程可以得知溫度隨之降低，此時(shí)吸入室入口周圍處于低壓區(qū)，從而使得引射蒸汽順利被吸入。

第二階段：經(jīng)過第一個(gè)峰值軸向速度有一個(gè)下滑階段，在達(dá)到第二峰值前的這個(gè)階段，是工作蒸汽與引射蒸汽在吸入室與混合室內(nèi)相互混合的過程。由能量守恒定律可以得知，工作蒸汽將部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能傳遞給引射蒸汽，自然而然地其工作蒸汽的流速減小，引射蒸汽的流速增加，最終達(dá)到流速相等。

第三階段：從圖3～圖5可以看出第二個(gè)軸向速度峰值，特別是X為0.02、0.03、0.08 m。這是由于工作飽和水蒸氣與被吸飽和水蒸氣的速度達(dá)到了一致，因此在擴(kuò)壓器喉部某處兩者速度達(dá)到一致，并產(chǎn)生激波，從而得到了速度的峰值。

4 結(jié)論

蒸汽噴射增壓器是硝酸鉀結(jié)晶器的核心部件之一，其工作性能的好壞直接影響整個(gè)生產(chǎn)。利用CFD模擬，可以看出飽和水蒸氣通過噴嘴和擴(kuò)壓器的變截面時(shí)極易形成激波，激波會(huì)引起總壓的耗損和速度突變，甚至導(dǎo)致蒸汽噴射增壓器工作性能惡化，對比圖3～圖5可知，取X=0.01 m時(shí)結(jié)果到達(dá)最優(yōu)值。用CFD模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)蒸汽噴射增壓器既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，它可以指導(dǎo)蒸汽噴射增壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到降低實(shí)際生產(chǎn)成本的目的。

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