气波制冷机变工况出口参数的计算求解

林 涛

(中国石油大连石化分公司，大连，116032)

气波制冷机工作时没有转动部件，运行可靠、结构简单、维修方便，因此在天然气脱水、轻烃及工厂尾气回收等方面已发挥越来越重要的作用。对气波制冷机的研究也日益深入，邹久朋等人^[3，4]对气波制冷机的结构进行了改进，取得了很好的制冷效果；蒋洪^[5]从理论上对气波制冷机效率等问题进行了探讨，提出了估算效率的有效办法。但都没有对计算气体分配器出口参数做进一步的研究，而这些参数对气波制冷机的设计、结构及工艺流程都有重要的指导意义。特别是气波机的工况发生变化时，更要了解分配器出口参数的各种变化，这对于气波制冷机的安全、高效运行至关重要。

1 数学模型的建立

气体分配器实际是一旋转的渐缩喷管，影响分配器内流体流动的因素很多，主要有截面的连续变化、粘性摩擦、能量效应（与外界换热、相变）、由相变引起的分子量的变化和比热的变化、由于温度的下降所引起的相平衡的变化等，见图1所示。由于喷管尺寸短小，流速很高，流体在喷管内流动时所形成的边界层很薄，粘性摩擦对流体状态的影响较小；流体与管壁接触的时间很短，热交换占总能量的比例也很小，示意图如图2。基于以上考虑，在计算分配器出口参数时，做了如下假设：(1)流体在喷管内的流动为一维定常变截面可压缩流；(2)忽略摩擦和换热的影响，喷管中的流体流动按绝热等熵流处理；(3)喷管内的气流咱实际气体进行考虑；(4)考虑流体流动时相变对体积的影响；(5)喷管内的流动状态为临界流动。

 2 数学模型的解法

目前，气波机的工作物质大多为天然烃类混合物，常伴有N₂、CO₂等，在低温下常常是汽液混合物。在以往的设计计算中，一般是采用压缩因子校正的实际气体状态方程来求气体分配器出口参数的，但由于这种方法本身具有很大的局限性，只能对设计结果进行粗略的估计，理论计算所得的参数与实际参数有很大的出入。BWRS多参数状态方程具有如下特点：(1)计算精度较高。对烃类物质的初步计算证明，对汽相和液相的平均误差都小于2%，对烃类气体、CO₂、H₂S和N₂的容积性质进行计算，其误差范围在0.5～2.0% 之间； (2)适合于计算机计算。BWRS方程的十一个常数可由组分的临界参数关联计算得出，因此特别适合利用计算机进行求解；(3)一个方程可以同时适用于汽相和液相，且计算的精度相当好。

3 气波机设计参数及计算方法

3.1 喷管出口的气流参数和流量

分配器的出口参数计算是以气体动力学一维定常变截面可压缩流动理论为基础，结合了实际气体热力学性质来进行计算的。如图2所示，由能量方程可得：

 ，及喷管出口处的流速、质量流量：            （1）

式中，、为喷管出口处的流体密度及流体速度，若要求质量流量，关键在于先求出密度。在设计气波机结构时，通常是按气体在分配器出口处的流速达到临界值来计算的，这样，气流在渐缩喷管出口达到临界状态以后，出口流速和管内流量不再增加了，也达到了最大值。

3.2 实际气体的汽液平衡计算

在汽液相平衡时，各相温度、压力相等，各组分在气相的逸度和在液相的逸度相等，即：，，，上标代表汽相，代表液相，而混合物汽液平衡应满足下式：

                                                            （2）

式中，— 组分的摩尔百分比；— 组分的汽液平衡比或相平衡常数； —汽化率；

—汽液平衡时的温度；—汽液平衡时的压力。

3.3 汽液混合物密度的计算

    在已知烃类混合物的压力和温度后，BWRS方程可改写为下列形式：

   （3）

满足此式的值有多个，但只有最大值和最小值有物理意义，即在已知的、下汽相和液相的密度，其初值的选取为：

汽相时，，；                                                         （4）

液相时，若，， kg/m³；若，， kg/m³。      （5）

4 气波制冷机变工况的讨论

气波制冷机在实际工作时，气体分配器进口混合物组成、压力及温度是经常变化的。当设计工况和实际工况不同时，对其流量及出口温度的影响是必须要考虑的，这对于气波制冷机的合理操作、稳定运行有着重要的意义。本文利用编制的求解程序，对气波制冷机分配器出口参数进行了计算求解，讨论了气体分配器进口气体组成、压力及温度变化对气波制冷机设计参数和出口温降的影响。

4.1 组成变化对气波制冷机流量的影响

本文以甲烷-丙烷、甲烷-己烷二元混合物系为例，在进气压力为1.8MPa、进气温度为-25℃时，分别计算了组份变化所对应的分配器出口参数。

由表知，当组份中的轻组份增加时，气体分配器出口的流体临界速度增大、质量流量减少，但摩尔流量却是增加的。

4.2 组成变化对气波制冷机出口温降的影响

影响气波制冷机出口温降的因素是多方面的。为讨论组成变化对气波制冷机出口温度的影响，在计算时将其效率固定为60%，出口压力固定为0.8MPa。在同样的制冷效率下，轻组份有利于出口温降的增加。也就是说，不同组份的混合物制冷温降会相差很大，轻组份越多，气波制冷机出口温度也越低。

4.3 进气压力变化的影响

    计算条件：甲烷-丙烷、甲烷-己烷二元混合物系，混合物系中甲烷的体积百分比均为95%，在进气压力1.6～2MPa、进气温度为-25℃的情况下，分别计算了各物系压力变化对分配器出口参数的影响。结果表明：气波制冷机入口压力增加时，虽然气体分配器出口的流体临界速度略微减少，但由于临界密度的增加幅度较大，因此质量流量是随入口压力增加而增大的，摩尔流量同质量流量的变化趋势相一致。

4.4 进气温度变化对气波制冷机出口温降的影响

计算条件：甲烷-乙烷、甲烷-丙烷及甲烷-己烷二元混合物系，其中甲烷的体积百分比均为95%，进气压力1.8MPa、进气温度-35～-25℃，分别考察了进气温度变化对气波制冷机出口温降的影响。计算表明：随着进气温度的降低，气波制冷机的进出口温差也随之降低，组份越轻，温差也越大。

5 结论

    利用编制的气波制冷机设计参数计算程序对气体分配器出口参数进行了计算，所得计算结果与文献所给的计算数据及实验数据符合的较好。进气组成中，轻组份越多，分配器出口的临界速度越大，流体的质量流量相应减少，但摩尔流量是增加的；不同组份的混合物，在相同的进气条件下，制冷温降相差较大；进气压力增加，分配器的质量流量和摩尔流量均增加；同样的制冷效率下，进气组成中轻组份多时温降大，重组份多时温降小。

LG-2/130型管道式旋转喷射泵的研制

徐秀生 左长志 王玉霞     

引言

旋转喷射泵简称旋喷泵又称为滞止冲压泵，是美国贝克公司根据航天冲压发动机的滞止冲压的原理，于二十世纪八十年代初期首先研究成功的新型泵。事实上，二十世纪五十年代就有学者提出了旋转喷射泵的原理设想，七十年代出现了相关专利技术，八十年代初期美国贝克公司突破技术瓶颈，成功研制出旋转喷射泵并投放市场。旋转喷射泵主要应用于石化、食品、造纸、锅炉给水等行业中部分代替旋涡泵、高速泵和往复泵。我国对旋转喷射泵的研究是从九十年代开始的，初期阶段主要是研究国外的样机，通过样机的试制和反复试验摸索出一些经验和设计方法。目前，旋转喷射泵的研究尚处于摸索阶段，其产品在国内还没有真正形成市场和规模。

旋转喷射泵属于高扬程、小流量泵。过流部件和结构形状与一般离心泵不同，它仅有两个部件----旋转体转子和接收管，是一种结构十分简单的泵。国外称之为世界上结构最简单的泵。2002年，山东长志泵业有限公司开始研制LG-2/130型管道式旋喷泵，历经二年多时间的反复试验和多次结构改进，取得了成功。本文将介绍泵的原理、结构特点、设计计算、研究试制以及结构改进等情况，以供读者参考。

工作原理和特性

旋转喷射泵是基于离心增压和滞止冲压两个物理作用而实现对流体作功的原理。离心增压的过程是由一个高速旋转的叶轮，把流体从轴心入口吸入，在离心升力作用下甩到叶轮外缘的径向出口，使流体压力得以升高。而滞止冲压的过程是通过离心增压升高的流体在包容叶轮的一个转子内，继续高速旋转时被一个接收管滞止，其旋转速度的动能被进一步转化为流体的压力---滞止冲压作用。因为接收管口径小，所以泵的流量可以设计很小，而扬程却很高。

在旋转喷射泵中，流体在旋转体叶轮外周以u₂ 的速度旋转，只有在接收管入口处才有一部分流体输出去，其余大部分流体仍在环形空间中旋转。而一般离心泵从叶轮流出的流体全部流到压水室的扩散管中输出，所以这种泵也称为分流泵（有部分流体流出）。

流量---扬程特性

因为旋转喷射泵叶轮出口角β=90°，所以理论扬程—流量曲线为一直线。旋转喷射泵的接收管喷嘴的截面积A 对泵的特性有重要影响，先后设计试验了接收管喷嘴直径有φ12、φ9、φ7.5和φ5共四种，试验结果见图二 接收管喷嘴与泵流量、扬程关系曲线。    试验表明，当流体流过喷嘴的速度Q/A等于流体的旋转速度u₂时，泵的流量保持不变，扬程急剧下降到零，这种特性称为流量切断特性^（3）。假设不改变孔嘴的面积A，增加流量，则孔嘴内流体的速度大于流体的旋转速度，破坏了液流的连续性，这就不会产生扬程。流量切断点主要是由集流管喷嘴的截面积决定的，改变A可得到不同的切断流量点。

试验证明，旋转喷射泵的最高效率点在切断流量点附近。

特点

可以输送含颗粒的流体  旋转喷射泵的旋转体叶轮是开式的，接收管是静止不动的。因此，运转中不会产生轴向力；如图1所示，旋转喷射泵不需要密封环，无密封环泄漏问题。另外，这种泵没有间隙特性，因为一般离心泵，采用开式叶轮，叶轮和壳体的间隙必须很小，而旋转喷射泵的接收管喷嘴是静止不动的，旋转体叶轮与接收管的间隙很大，对泵的性能无大的影响。所以这种泵可以输送含颗粒的流体。

可以输送怕破乳的流质食品  旋转喷射泵的接收管是静止不动的，流体是通过接收管喷嘴直接排出，没有剪切，因此消除了破乳现象。因此，很适合于怕破乳的流质食品的输送。

系列化及维护简单  因泵中水力部件只有两个，改变泵转速或接收管喷嘴孔口的尺寸，就可以得到不同的扬程和流量，因此，系列化非常容易，而且水力部件少，维护十分简单。

结构

1.旋转体叶轮与电机轴直联，接收管是静止和固定不动的；

2. 旋转体叶轮是由转子和转子盖组成，吸入口与旋转体叶轮连通，接收管的喷嘴是呈蜗壳状的螺旋扩压通道与泵的出口相通。

3.泵的吸入和排出口布置在同一直线上；

4.泵的压水室为环形，压水室内有1个接收管，接收管进口设有喷嘴，喷嘴的尺寸对泵的性能有很大影响。

5. 接收管采用17-4PH特殊材料，可以保证耐冲刷和工作寿命。

设计计算

1.扬程的确定^（1）

扬程主要是流体离心增压后，再滞止冲压，最终形成实际扬程。

1.1离心增压扬程

取决于旋转体叶轮的外圆速度u₂

H₁= ψu₂²/g  (m)               -------------------------(1)

式中  H₁-----泵的扬程

u₂-----旋转体叶轮的外圆速度

ψ------扬程系数  取0.8--0.9

  已知：旋转体叶轮转子盖外圆D₂=0.215m,

泵转速n=2950r/min, 离心增压和滞止冲压

则u₂=33.2m/s

  取ψ=0.9   g =9.81

则H=0.9×33.2²/9.81=101m

1.2滞止冲压扬程

H₂= H₁/ΨD.10^-2     (m)               -------------------------(2)

式中  H₂-----泵的扬程

D-----接收管喷嘴的直径

ψ------扬程系数  取0.9—1.1

取D=7.5mm, ψ=1则H₂=134m

2.流量的确定

流量取决于接收管喷嘴的面积A和喷嘴孔口的流速v,

即Q=A×v×η          ---------------(3)

喷嘴孔口的流速是设计的主要参数, 经试验表明, 喷嘴孔口的流速v取(1/2—3/5) u₂与试验数据比较接近。且流量不切断，泵效率最高。

取喷嘴孔口的直径为φ7.5, 流速v=33.2×1/2=16.6m/s

则流量Q=A×v×3600×η=4.4×10^-5×16.6×3600×0.8=2.1m³/h

试验及应用情况

2002年10月，研制出LG-2/130型旋喷泵样机2台，经过试验台严格的反复测试，各项数据见图三 LG-2/130型旋喷泵试验曲线。

2002年12月，山东海化集团订购了10台流量Q=2m³/h,H=130m，n=2950r/min,配用功率5.5KW，型号为LG-2/130型旋喷泵。用于输送激冷水。自2003年3月投入使用以来，作者进行了长期跟踪,截止到2005年7月,已累计运行20000h以上，运行平稳，可靠，各项性能指标达到设计要求。

结束语

旋转喷射泵是一种十分简单的新型泵。和往复泵相比较，省去了活塞、阀门等易损件。在输送含有少量固体颗粒如碳黑等介质时，可以长期可靠地工作，寿命长，无须维修。和离心泵相比较，一个旋转体可相当于常速离心泵的数个叶轮。和高速离心泵相比较，不需要增速齿轮、高速轴承和高速密封。适用于石油、化工等行业的小流量、高扬程介质的输送。经山东海化集团等单位长期使用证明，运行平稳，可靠，各项性能指标达到设计要求。是一种具有发展前途的新型工业管道用泵。本文作者提出的有关泵的设计计算方法，仅供读者参考。而旋转喷射泵的理论研究，尚需进一步完善。