一種旋轉密封送料閥氮氣置換仿真分析

程潮+鄧若飛

摘 要：某真空密閉系統要求系統內氧氣濃度低于一定值（8%），系統中旋轉密封送料閥是系統內外的主要漏點。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隔氧的技術措施有效而且可行。

關鍵詞：旋轉閥；氮氣置換；仿真模擬；Fluent

中圖分類號：TE973 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0059-04

Abstract： A vacuum closed 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 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 nitrogen 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； Fluent

1 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，但經過特殊設計和加工后，可以實現密封送料功能。在某物料輸送系統中，因物料的特殊性，需要系統內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連續出料。為保障系統氧濃度達到規定要求，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，外界大氣與系統內氛圍的隔絕。

氮氣置換氧氣是在輸油管道、化工合成生產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。

2 系統簡介

某物料輸送系統如圖1所示。物料經過系統頂端的罐式設備處理后，經過兩級的暫存裝置后落入進口旋轉閥內，物料經過入口旋轉閥的輸送進入腔體內，在腔體內經過進一步處理后從出料旋轉閥輸出。在系統腔體內部，因為物料的特殊性，需要保持系統內氧氣濃度低于8%，操作中采用氮氣置換的方式保持系統內氧氣濃度不超標。系統與外界大氣唯一聯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內，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 數值模擬設置

本文采用ANSYS FLUENT 15.0開展數值模擬工作。

3.1 幾何模型及網格設置

本文采用ANSYS 15.0的WORKBENCH模塊進行三維建模和網格劃分。為減小數值建模及計算工作量，選取正在置換氮氣的一個葉片容腔進行數值仿真，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格，不考慮壁面的邊界層流動，不對壁面進行網格細化，網格總數約為35萬。網格質量采用Skwness（偏斜度）方法進行考察，網格質量報告見圖16。從圖16中可以看出，絕大多數網格的偏斜度落在0-0.6之間，網格質量較好，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態過程，計算采用非穩態計算。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，旋轉閥葉片空腔內的氧氣濃度可以降低到5%以下，低于系統控氧濃度8%的要求。這說明，在40m3/h的氮氣流量下，在閥瓣經過充氮口的停留時間內，不能完全將閥瓣內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低于系統要求的8%；而當通入氮氣2s后，旋轉閥葉片的氧氣濃度基本長區域0。這說明在氮氣流量60m3/h的條件下，在閥瓣經過充氮口的停留時間內，可以很好地將閥瓣內的氧氣置換到要求的濃度以下，滿足系統要求。

上述結果說明，為保障旋轉閥氮氣置換過程中，閥芯內氮氣濃度快速降低到規定的濃度以下，氮氣流量需要達到60m3/h。系統制氮機組的流量為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。

參考文獻：

[1]穆洪彪，孫迎波.聚酯樹脂新型給料系統的設計[J].化工裝備技術，2015，36（06）：23-25+36.

[2]周艷.旋轉閥的特點及應用趨勢[J].氯堿工業，2004（09）：41-44.

[3]李來源，劉云楷.氮氣置換抽放采空區瓦斯技術研究[J].中國煤炭工業，2009（11）：50-51.

[4]曹學文，付春麗.海底輸氣管道投產氮氣用量計算方法研究[J].中國海上油氣，2010，22（06）：417-419.endprint