南方泵业
推广 热搜: 离心泵    水泵  隔膜泵  泵业  渣浆泵  电机  计量泵  上海  双向 

5种泵停留时间分布实验研究

   日期:2018-03-23     浏览:804    
核心提示:采用脉冲示踪法对轴流泵、单级离心泵、多级离心泵、液压隔膜泵、三柱塞计量泵的停留时间分布(RTD)进行了实验研究。实验结果表明:轴流泵RTD呈单峰分布,无死区,返混程度与等径空管接近;离心泵RTD呈单峰分布,有死区,多级离心泵返混程度大于单级,单级大于等径空管;隔膜泵R…

王修纲1,吴凤超2,田冰虎2,沈阳2,吴剑华12

1、天津大学化工学院,天津 300072;

2、沈阳化工大学化学工程学院,辽宁沈阳 110142


摘要:采用脉冲示踪法对轴流泵、单级离心泵、多级离心泵、液压隔膜泵、三柱塞计量泵的停留时间分布(RTD)进行了实验研究。实验结果表明:轴流泵RTD呈单峰分布,无死区,返混程度与等径空管接近;离心泵RTD呈单峰分布,有死区,多级离心泵返混程度大于单级,单级大于等径空管;隔膜泵RTD呈单峰分布,三柱塞泵呈三峰分布,二者都有死区存在;各类泵RTD特征均由其机械结构和运转方式决定;各类泵的返混均受流量影响,其返混程度随流量的减小而增大,叶片式泵较容积式泵更明显;各类泵的平均停留时间均与流量成反比,并与空时吻合较好;各类泵中,轴流泵返混最小,其他4种泵均存在一定死区,流型介于平推流和全混流之间。

关键词:停留时间分布;脉冲示踪法;泵;轴流泵;离心泵;往复泵;三柱塞泵;隔膜泵

Residence time distribution of five pumps

WANG Xiu-gang1,WU Feng-chao2,TIAN Bing-hu2,SHEN Yang2,WU Jian-hua1,2

1.School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China;

2.School of Chemical Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,Liaoning Province,China

Abstract:The residence time distribution (RTD) of five pumps,axial flow pump (AFP),single-stage centrifugalpump (SSCP),multiple-stage centrifugal pump (MSCP),diaphragm pump (DP) and three-plunger pump (TPP)was investigated based on pulse tracer method. According to the experimental results,the RTDcurve of AFP showsunimodal distribution without dead zone. The back-mixing of AFP is close to the blank pipe with equal diameterand volume.The RTDof centrifugal pump acts as unimodal distribution with dead zone. The back-mixing of MSCPis greater than SSCP,and SSCP is greater than the blank pipe. The RTDcurve of DP is single-peak but TPP istrimodal,dead zone is found in both of them. The RTDis determined by its mechanical structure and operatingmode.The back-mixing of five pumps is all affected by the flow rate,which increases with the flow rate declining. The back-mixing of vane pumps is affected more obviously than volumetric pumps by the flow rate. The meanresidence time of five pumps is all in inverse proportion to the flow rate,and all in good agreement with the spacetime. The back-mixing of AFP is the lowest in five pumps. The flow patterns of other four pumps are all betweenplug flow and complete mixing flow,and the dead zone exists in them.

Key words:residence time distribution;pulse tracer method;pump;axial flow pump;centrifugal pump;reciprocating pump;three-plunger pump;diaphragm pump

泵是将电能或者机械能转换成被输送液体的动能和压力势能的设备,在化工、机械、能源、食品以及其他各类过程工业中均扮演着不可或缺的角色。泵作为流体输送设备,它的动力性能和效率始终受到研究者的关注。近年来,随着计算流体力学(CFD)技术和粒子成像测速法(PIV)、相位多普勒法(PDPA)等先进的实验流体力学技术的发展,学者们通过获得泵内详细流场,对离心泵1、轴流泵2-3、柱塞泵4的性能预测、结构优化提供了全新的视角。然而,作为过程工业中重要的流体设备,泵的停留时间分布(RTD)却很少被关注。

停留时间分布是描述流体系统内流动状态的重要宏观特征,是分析连续流动反应器(流体系统)的有力工具5-7。停留时间分布数据一般采用示踪实验获得。根据流体设备的结构特点和流体相态的不同,所选的工作流体、示踪剂及检测器亦有所差异。对于液相流体设备,一般采用“水-电解质溶液-电导检测器”的实验方法8-9,对于气相反应器,一般采用“气体A-气体B-气相色谱”的方法10。非均相流体系统的RTD实验相对困难,如气固颗粒流可采用“气固二相-荧光-荧光检测器”方法11。近年来,逐渐形成了采用CFD的非定常模拟获取停留时间分布的新方法12。CFD方法几乎适合各类反应器和各种流体相态,特别是采用实验方法难以获得理想数据时,如微型反应器13、非均相反应器14流体系统的RTD测定。实际生产中,各类泵主要用于液相均相物料的输送,故本文将采用最典型的“水-电解质溶液-电导检测器”脉冲示踪法获取RTD数据,并采用平均停留时间、量纲一方差对轴流泵、离心泵、往复泵3类(5种)常用泵设备的RTD进行分析和比较。

1 实验

1.1 实验方法

本文采用脉冲示踪法对5种泵的停留时间分布进行测定。实验以自来水为工作流体,饱和KCl溶液为示踪剂,在室温(约25℃)下完成。

1.2 实验流程

如图1所示,自来水从水槽出发,经调节阀调节流量后进入泵,从泵打出的自来水经流量计计量后排入废水槽。泵的入口处装有示踪剂进样口,出口处装有电导率电极。示踪实验开始前,将泵流量调至所需,实验记录仪器开启。待流量稳定后,用注射器将0.5 mL饱和KCl溶液通过内径2 mm钢管从进样口瞬间注入,并记录为0时刻,进样完毕。示踪实验过程中,电导率电极将产生变化信号,并传输给计算机进行显示和记录。直到某一时刻t,仪器检测信号回到进样前的水平,停止信号记录,0-t时间段内即可得到一次有效的RTD原始数据。

示踪剂的检测由一台电化学工作站(CHI660D,上海辰华仪器有限公司)及电导率电极完成。其工作原理为,电化学工作站给电极两端加0.1 V恒定直流电压,并实时检测闭合电极回路中的电流。当经过电导率电极处溶液浓度发生变化时,电导率电极间的溶液电导率也发生变化,电化学工作站检测的电流也同时发生变化,此三者的变化皆为线性关系。因此,可以直接用电流变化代替浓度变化去归一化获得停留时间密度函数。电化学工作站检测最小电流为10-12A,最小采样间隔1μs,全量程内电流测量偏差为0.003%。

图1 实验流程

Fig.1 Schematic of experiment setup

各实验设备采用内壁光滑的PVC管连接,管路的连接方式有法兰连接、螺纹连接、PVC粘接,各连接方式均以接口光滑、密闭良好为目标。实验所用的流量计均是涡轮流量计,流量范围为0.2-1.2m3/h,1.6-6 m3/h,2.5-25 m3/h,精度均为1.0级。为确保测量结果准确,流量计安装在等径长直管路上,使用前进行标定。

1.3 研究对象

本文选取了工业生产中具有代表性的几种泵作为研究对象,如表1所示。其中,轴流泵的特点是流量大、扬程低、比转速高的叶片式泵。本文所用的轴流泵是自制的,主要设计参数如下:叶轮直径为37mm,叶片数为3,导叶叶片数为4,叶顶单边间隙为0.5 mm。轴流泵由0.6 kW伺服电机驱动,转速在0-15 000 r/min范围内调节。最优工况下流量为14.5 m3/h,扬程为7.8 m。离心泵属叶片式泵,具有性能范围广泛、流量均匀、结构简单、运转可靠和维修方便等诸多优点,因此离心泵在工业生产中应用最为广泛。本文选取级和多级2台离心泵(卧式)作为研究对象。往复泵属容积式泵,其特点是排压很大,且流量与压力无关,吸入性能好,效率较高。本文选取液压单隔膜计量泵(简称隔膜泵)和三柱塞计量泵(简称三柱塞泵)作为代表。

表1 5种泵主要技术参数

Table.1 Main technical parameters of five pumps

名称

流量Q/

(m3·h-1)

扬程H/m

接口尺寸

功率P/W

转速n/

(r·min-1)

流量调

节方式

生产厂家

型号

轴流泵

14.5

7.8

DN32

600

15000

转速

自制

单级离心泵

15

12

DN40

750

2860

阀门

台州金龙泵业有限公司

1.5DK-20

多级离心泵

14

22

DN32

750

2950

转速

威乐(中国)水泵系统有限公司

MHI802

隔膜泵

0.3

100

DN20

1100

1 400

转速

上海申贝泵业制造有限公司

JZM300/1.0

三柱塞泵

0.26

250

DN20

750

1 400

转速

淮安鹏程化工特殊泵有限公司

3DJ-260/2.5

1.4 数据处理

实验最初可获得曲线,由式(1)可得E(t)-t曲线,即为停留时间分布密度函数。

1)

式中:c(t)为不同时刻示踪剂浓度,mol/L;t为时间,s;E(t)为停留时间分布密度函数,s-1。对RTD进行分析,经常借助以下几个特征参数。

2)

3)

4)

式中:tm为平均停留时间;为停留时间方差;是将量纲一化所得的量纲一方差,理想平推流的,理想全混流的值越大,表明返混程度越大;为量纲一时间。

由下列2式可将E(t)-t量纲一化,得到曲线,即量纲一停留时间分布曲线。

5)

6)

式中:为量纲一停留时间密度函数;量纲一化消除了不同平均停留时间对RTD的影响,使得结构不同的反应器(流体装置)的停留时间分布密度函数及其方差具有可比性。

2 实验结果与讨论

2.1 轴流泵

2.1.1 停留时间分布特征

图2为轴流泵的典型量纲一停留时间分布曲线。由图可知,轴流泵的RTD曲线呈单峰分布。最大峰高出现在处,且无“拖尾”现象,表明轴流泵内无死区存在。随着雷诺数的变化,RTD峰形有一定变化,与层流下的峰形相比,湍流时的峰高更高、峰宽更窄,表明轴流泵在湍流下返混程度比层流小。

图2 轴流泵停留时间分布

Fig.2 NormalizedRTD for axial flow pump

图3 轴流泵与空管RTD对比

Fig.3 Comparison of normalized RTD between axialflow pump and blank pipe

为了充分研究轴流泵的返混特征,选取了与轴流泵接口等径(内径为35.5 mm)、腔体体积相同的PVC管路作为对比。图3为流量1.1 m3/h时,轴流泵和空管的量纲一停留时间分布曲线。由图3可以看出,轴流泵与空管的量纲一停留时间分布曲线非常接近,2条曲线几乎重合。表明轴流泵的返混与等径空管接近。

2.1.2 平均停留时间

图4给出了轴流泵的平均停留时间(tm)和空时(τ)随流量的变化关系。其中,平均停留时间是轴流泵在不同流量下获得的RTD数据经式(2)计算所得。空时是通过量取轴流泵腔体体积,并由式(7)计算所得。

7)

由于轴流泵腔体体积恒定,实验流体又不可压缩,所以理论上应有tm=τ。由图4可以看出,采用脉冲示踪法所得的平均停留时间与空时十分接近,相对误差在5%以内,说明本文所得的实验数据可靠。另外,图4的数据也表明平均停留时间与流量成反比这一物理本质。

图4 平均停留时间与空时的对比

Fig.4 Comparison between mean residence time and space time

2.1.3 量纲一方差

为了进一步揭示轴流泵的返混特征,将不同流量下所得的RTD曲线由式(2)、(3)和(4)处理,得到量纲一方差与流量(Re)的变化关系,如图5所示。由图可知,轴流泵的量纲一方差受流量影响,随流量减小量纲一方差显著增大,层流区域(Re<2 000)量纲一方差随Re的变化率较大,而湍流区域(Re>4 000)变化率较小。从量纲一方差数值上看,湍流区域内的量纲一方差在0.16-0.20之间,表明湍流下的轴流泵返混程度相对较小,比较靠近平推流。

图5 轴流泵的量纲一方差随雷诺数的变化关系

Fig.5Relationship between dimension one variance ofaxial flow pump and Reynolds number

2.2 离心泵

2.2.1 停留时间分布特征

图6为单级离心泵、多级离心泵和空管在Re=55 000下的量纲一停留时间分布密度函数图像。由图可知,单级离心泵和多级离心泵的停留时间分布曲线呈单峰分布。最大峰高出现在之前,且有“拖尾”现象,表明离心泵内存在死区,多级离心泵的最大峰高更加靠前,表明多级离心泵比单级离心泵死区更严重。从图中可以看出,在相同雷诺数下,两离心泵的峰高低于空管,多级离心泵低于单级离心泵,两离心泵的峰宽宽于空管,多级离心泵宽于单级离心泵,表明相同雷诺数下,离心泵的返混大于空管,多级离心泵的返混大于单级离心泵。

图6 单级离心泵、多级离心泵与空管RTD对比

Fig.6 Comparison of normalized RTD between single-stage centrifugalpump(SSCP),multiple-stage centrifugal pump(MSCP) and blank pipe

2.2.2 平均停留时间

与轴流泵类似,本文采用脉冲示踪法所得的离心泵的平均停留时间与空时相当接近,单级离心泵平均停留时间与空时的相对误差不大于4%,多级离心泵不大于5%,说明本文所得离心泵的停留时间分布数据可靠。

2.2.3 量纲一方差

图7为两离心泵RTD的量纲一方差与雷诺数的变化关系。由于单级离心泵流量由阀门调节,实验中难以调节出层流对应的流量,因此图7中单级离心泵只有湍流范围内的数据。由图可知,两离心泵的量纲一方差均受流量影响,随着流量减小量纲一方差增大,层流区域(Re<2 000)量纲一方差随Re的变化率较大,而湍流区域(Re>4 000)变化率较小。从量纲一方差数值上看,单级离心泵的量纲一方差在0.33-0.40之间,多级离心泵在0.38-0.61之间,表明离心泵的返混程度介于平推流和全混流之间,既不靠近平推流,也不靠近全混流。另外,相同雷诺数下,多级离心泵的量纲一方差大于单级离心泵,再次说明多级离心泵的返混程度大于单级离心泵。

图7 离心泵的量纲一方差随雷诺数的变化关系

Fig.7Relationship between dimension one variance ofcentrifugal pump and Reynolds number

2.3 往复泵

2.3.1 隔膜泵的停留时间分布特征

图8为不同雷诺数下隔膜泵的量纲一停留时间分布曲线。

图8 隔膜泵停留时间分布

Fig.8 Normalized RTD for diaphragm pump

由图可知,单级隔膜泵停留时间曲线峰形为单峰,最大峰高明显前移,且“拖尾”严重,表明单级隔膜泵内死区严重。曲线有明显阶梯式上升和下降,表明隔膜泵流量不连续,以一定频率脉动。另外,随着雷诺数的变化RTD曲线变化较小,表明流量对隔膜泵返混影响较小。

2.3.2 三柱塞计量泵的停留时间分布特征

图9为不同雷诺数下三柱塞计量泵的量纲一停留时间分布曲线。由图可知,与其他泵明显不同,三柱塞计量泵的RTD曲线出现3个峰,这是由串联的三柱塞造成的。最大峰高仍出现在 处,且有一定“拖尾”,表明三柱塞泵亦有死区存在。

图9 三柱塞泵停留时间分布

Fig.9 Normalized RTD for three-plunger pump

2.3.3 量纲一方差与平均停留时间

图10为隔膜泵和三柱塞计量泵的RTD量纲一方差与雷诺数的变化关系。由图可知,量纲一方差随流量减小而增大,但变化幅度很小。两泵相比,隔膜泵的量纲一方差较大。隔膜泵和三柱塞泵的平均停留时间也与其流量成反比,二者的平均停留时间与空时均吻合较好,相对误差不大于5%。

图10 往复泵的量纲一方差随雷诺数的变化关系

Fig.10Relationship between dimension one variance ofreciprocating pump andReynolds number

3 结论

(1)各类泵停留时间分布特征(返混特征)均由其机械结构和运转方式决定。其特征如下:轴流泵RTD呈单峰分布,无死区,返混程度与空管接近;离心泵RTD呈单峰分布,有死区,返混程度多级大于单级,单级大于空管;隔膜泵RTD呈单峰分布,三柱塞泵呈三峰分布,二者均有死区存在。

(2)各类泵的停留时间分布(返混)均受流量影响,其返混随着流量(Re)的减小而增大;叶片式泵的量纲一方差随流量减小显著增加,容积式泵量纲一方差随流量减小仅有较小变化。

(3)各类泵的平均停留时间均与流量成反比,并与空时吻合较好,符合其物理本质。

(4)各类泵中,轴流泵返混最小,其他4种泵均存在一定死区,流型介于平推流和全混流之间,既不靠近平推流,也不靠近全混流。

参考文献:

[1]崔宝玲,许文静,朱祖超,等.低比转速复合叶轮离心泵内的非定常流动特性[J].化工学报,2011,62(11) :3093-3100.

[2]张德胜,潘大志,施卫东,等.轴流泵叶顶区的空化流场与叶片载荷分布特性[J].化工学报,2014,65(2) :501-507.

[3]王珏星,杨爱玲,李国平,等.非均匀叶顶间隙对轴流泵流动激励力的影响分析[J].工程热物理学报,2014,35(10) : 1973-1978.

[4]石丽娜,陈志平,章序文,等.基于动网格的高压煤浆输送泵内部流场数值模拟优化研究[J].高校化学工程学报,2012,26(3) : 402-411.

[5]DANCKWETS P V.Continuous flow systems-distributionof residence times[J].Chemical Engineering Science,1953,2(1) : 2-13.

[6]NAUMAN E BResidence time theory[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2008,47 (10) :3752-3766.

[7]MAO Zaisha,YANG Chao.Perspective to study on macromixingin chemical reactors[J].CIESC Journal,2015,66(8) : 2795-2804.

[8]张会书,袁希钢,KALBASSI Mohammad Ali.表面张力对规整填料内停留时间的影响[J].化学工程,2015,43(7) : 12-15.

[9]MOULLEC Y L,POTIERO,GENTRIC C,et al.Flowfield and residence time distribution simulation of a crossflowgas-liquid wastewater treatment reactor using CFD

[J].Chemical Engineering Science,2008,63 (9) :2436-2449.

[10]MAHMOUDI S,SEVILLE J P K,BAEYENS J.The residencetime distribution and mixing of the gas phase in theriser of a circulating fluidized bed[J].Powder Technology 2010,203(2) : 322-330.

[11]魏飞,陈卫,金涌,等.循环流化床提升管中固体颗粒停留时间的分布[J].高校化学工程学报,1996,10

( 3) : 264-270.[12]KHONGPROM P,AIMDILOKWONG A,LIMTRAKUL S,et al.Axial gas and solids mixing in a down flow circulatingfluidized bed reactor based on CFD simulation [J].Chemical Engineering Science,2012,73: 8-19.

[13]TAMHANE T V,JOSHI J B,PATIL RN.Performanceof annular centrifugal extractors: CFD simulation of flowpattern,axial mixing and extraction with chemical reaction

[J].Chemical Engineering Science,2014,110:134-143.

[14]LIU Yingjie,LAN Xingying,XU Chunming,et al.CFDsimulation of gas and solids mixing in FCC strippers[J].Aiche Journal,2012,58( 4) :1119-1132.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51406125)

作者简介:

王修纲(1986—),男,博士研究生,从事化工过程强化的研究,E-mail:xgwang@tju.Edu.cn;

吴剑华,通信联系人,从事化工过程强化的研究,E-mail:jianhuawu@163.com。


 
打赏
 
更多>同类泵阀技术

推荐图文
推荐泵阀技术
点击排行
网站首页  |  关于我们  |  联系方式  |  使用协议  |  版权隐私  |  网站地图  |  排名推广  |  广告服务  |  积分换礼  |  网站留言  |  RSS订阅  |  违规举报  |  辽ICP备13012307号-4
Powered By DESTOON