真空濾油機(jī)流場的數(shù)值模擬
為了獲取真空濾油機(jī)蒸發(fā)脫水的動(dòng)態(tài)特性，考慮了油水汽三相流、水滴蒸發(fā)相變等因素，建立了真空濾油機(jī)的流場的RSM模型以及水滴運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)的相變方程;分析了濾油機(jī)內(nèi)部的蒸汽體積濃度分布、壓力分布以及軸向和徑向速度分布的規(guī)律，結(jié)果表明濾油機(jī)內(nèi)部分離塔板上部的中心附近壓力梯度較大，而靠近壁面附近壓力梯度較小，有助于蒸汽有向壁面運(yùn)移的趨勢，，實(shí)現(xiàn)液汽分離;分離塔板內(nèi)部壓力梯度趨緩，增大了油水在塔板內(nèi)的停留時(shí)間;油水混合液的最大徑向速度面把濾油機(jī)內(nèi)部的流場分為了準(zhǔn)強(qiáng)制渦和準(zhǔn)自由渦;而其軸向速度呈對(duì)稱分布;進(jìn)一步揭示了油水分離的特性，并計(jì)算了濾油機(jī)的蒸發(fā)效率，計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好，驗(yàn)證了該模型的有效性，對(duì)深入研究真空濾油機(jī)的油水分離機(jī)理奠定前期基礎(chǔ)。
潤滑油在使用的過程中，會(huì)因?yàn)榉N種原因混入水分，加速油液乳化、劣化，使其理化性能發(fā)生變化等問題，因而有效地脫除油中的水分一直是工業(yè)用油的研究熱點(diǎn)之一。迄今油水乳化液的處理方法有添加化學(xué)破乳劑、pH調(diào)和、重力或離心沉降、電破乳、諧波破乳、真空分離法等。而真空分離是在一定真空條件下，利用油、水的不同沸點(diǎn)而進(jìn)行脫水、脫氣的，真空濾油機(jī)就是利用這種方法來實(shí)現(xiàn)乳化液脫水、脫氣的一種裝置，其操作簡便，脫水效率較高，處理速度快，成功應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和電力等行業(yè)用油設(shè)備的脫水處理上。但真空濾油機(jī)的脫水率的高低主要受真空度、溫度、油膜蒸發(fā)表面積、蒸發(fā)表面的更新、蒸發(fā)持續(xù)時(shí)間等幾個(gè)因素影響。馬紅麟認(rèn)為真空濾油機(jī)的凈化效率主要取決于真空和油溫，對(duì)需要作深度脫水、脫氣處理的超高壓設(shè)備用變壓器油至關(guān)重要，適當(dāng)提高油溫和降低油粘度，
可以加速傳質(zhì)過程，提高凈化效率。但油溫不宜過高，一般控制在60℃以下，最高不超過80℃，以防油質(zhì)氧化或引起油中抗氧化劑的揮發(fā)損耗。郭蕾等采用了密集式噴嘴和特制網(wǎng)眼板相結(jié)合的脫氣、脫水結(jié)構(gòu)，在不影響真空室內(nèi)空氣流動(dòng)性的前提下，盡可能增大油液在真空室內(nèi)所呈現(xiàn)的總體表面積，延長油液在真空室內(nèi)的滯留時(shí)間，從而提高了油液在真空分離室中的脫氣、脫水效率。黃福勝分析現(xiàn)有真空濾油機(jī)脫水效率低的原因，提出采用全真空系統(tǒng)、立式多延時(shí)分層真空分離、活動(dòng)真空分離罐和壓縮機(jī)制冷等方法提高真空濾油機(jī)的脫水效率并取得較好效果。
本文從理論上深入分析影響濾油機(jī)脫水效率的關(guān)鍵因素。首先針對(duì)典型的真空濾油機(jī)進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬，揭示濾油機(jī)油水混合液在一定真空條件下的油、水、汽的三相流體動(dòng)力學(xué)特征。
1、數(shù)值計(jì)算模型
真空濾油機(jī)的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。真空抽氣口連接真空泵，向?yàn)V油機(jī)內(nèi)部提供一定的真空，具有一定溫度的油水混合液在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的作用下從濾油機(jī)頂部進(jìn)口管經(jīng)過流體分配器噴射進(jìn)入圓形罐體;在罐體中部設(shè)置有分離塔板，混合液在孔板中具有曲折復(fù)雜的路徑，油中水分得到充分的蒸發(fā)，其蒸汽向上通過真空抽氣口排出罐體，除去水分的油液沉降在罐體底部由出油口排出系統(tǒng)。可見，真空濾油機(jī)內(nèi)涉及到3種流體:油、水和蒸汽，是一個(gè)傳質(zhì)和相變相互耦合的復(fù)雜分離系統(tǒng)。
圖1 真空濾油機(jī)的典型結(jié)構(gòu)示意圖
1.1、控制方程
1.1.1、雷諾應(yīng)力模型
雷諾應(yīng)力模型(RSM)是求解雷諾應(yīng)力張量的各個(gè)分量的輸運(yùn)方程，完全摒棄了基于各向同性渦粘性的Boussinesq假設(shè)，包含了更多的物理過程影響，考慮了湍流各向異性效應(yīng)，特別是旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、浮力效應(yīng)、曲率效應(yīng)等。真空濾油機(jī)內(nèi)部三相流是復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，因而選擇雷諾應(yīng)力模型的湍流模型使方程組封閉。
3、結(jié)論
(1)利用RSM模型和蒸發(fā)模型，建立了真空濾油機(jī)內(nèi)油水汽三相動(dòng)力學(xué)方程組，通過設(shè)定邊界條件，對(duì)濾油機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜的三相湍流和相變運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了其蒸發(fā)效率，并將水相沿軸向的體積濃度分布曲線與實(shí)測值比較，驗(yàn)證了該模型的有效性。
(2)分析了濾油機(jī)內(nèi)部壓力沿徑向的分布規(guī)律，分離塔板上部區(qū)域?yàn)V油機(jī)中心附近壓力梯度較大，靠近壁面附近壓力梯度較小，有助于蒸汽有向壁面運(yùn)移的趨勢，實(shí)現(xiàn)液汽分離;分離塔板內(nèi)部壓力趨緩，使蒸汽的徑向運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)變慢，增大了在塔板內(nèi)的停留時(shí)間。
(3)數(shù)值模擬較準(zhǔn)確地模擬了經(jīng)向速度的分布規(guī)律，經(jīng)向速度最大的面把濾油機(jī)內(nèi)部的流場分為了準(zhǔn)強(qiáng)制渦和準(zhǔn)自由渦，在外部的準(zhǔn)自由渦內(nèi)，經(jīng)向速度隨半徑的減小而增大，對(duì)蒸汽的攜帶作用減弱，有利于蒸汽在壁面附近被捕集;在中心區(qū)域的準(zhǔn)強(qiáng)制渦內(nèi)，經(jīng)向速度隨半徑的減小而減小，有利于將蒸汽甩向外部。
(4)軸向速度呈軸對(duì)稱分布，由濾油機(jī)壁面向內(nèi)，隨著半徑的減小，軸向速度逐漸增大，利于蒸汽排出真空抽氣口;在到達(dá)最大值之后又隨半徑的減小而減小，將濾油機(jī)通過分離塔板分為分離區(qū)和蒸發(fā)區(qū)。
(5)分析了不同區(qū)域截面的汽相沿徑向的體積濃度分布，蒸發(fā)區(qū)的各個(gè)截面的體積濃度分布都隨著半徑的增加而增加，在壁面附近濃度較高;分離區(qū)的兩個(gè)截面的體積濃度隨徑向增加而減小，與相應(yīng)壓力和徑向速度的分析一致。
