石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,特別是高壓不銹鋼反應(yīng)釜中常用的端面密封裝置,其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間產(chǎn)生的流體動(dòng)壓來分離動(dòng)、靜環(huán),從而實(shí)現(xiàn)了端面的非接觸性密封。在運(yùn)行過程中,因動(dòng)、靜環(huán)產(chǎn)生的機(jī)械變形和摩擦產(chǎn)生的熱變形,引起端面密封介質(zhì)的泄漏,造成環(huán)境污染。密封裝置的特性直接受泄漏量大小的影響,在石油化工行業(yè)要求無污染、無泄漏,特別是對易燃、易爆、高溫、高壓、有毒和腐蝕的介質(zhì),尤其嚴(yán)格。為此對端面密封的泄漏問題備受關(guān)注。在這方面國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作,如文獻(xiàn)所示:[1]對機(jī)械密封流場和熱行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。[2]利用fluid軟件對機(jī)械密封腔內(nèi)流場和溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬;[3]用CFD軟件對一元流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬;[4]提出機(jī)械密封的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的表達(dá)式和計(jì)算方法。本文用有限元軟件ANSYS對端面密封的壓力場和速度場進(jìn)行了研究分析,計(jì)算了泄露量。通過現(xiàn)場考證,對不銹鋼反應(yīng)釜端面密封的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程操作具有現(xiàn)實(shí)意義。
一、端面密封間隙流動(dòng)的邊界問題
1.較優(yōu)微分方程式的控制
由于動(dòng)靜環(huán)之間(即端面間隙)發(fā)生的變形屬于楔形間隙,分析得知:可假設(shè)層間流體流動(dòng)的控制方程是在以下幾點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立的
(1)動(dòng)靜環(huán)之間的流動(dòng)為層流;
(2)符合牛頓粘性定律,所以屬于牛頓流體;
(3)據(jù)壓力和粘性力相比,流體的慣性力可忽略不計(jì);
(4)可設(shè)定粘度和壓力沿層間膜厚方向固定,即∂p/∂y=00,∂u(5)流動(dòng)過程假定穩(wěn)態(tài)。
根據(jù)上述假定可以得出楔形間隙中流體流動(dòng)的二維方程:
雷諾方程:∂ρh3∂p/【∂x(μ∂x)】+∂ρh3∂p/【∂z(μ∂z)】=6U∂(ρh)/∂x
2.計(jì)算楔形間隙中的泄漏量
根據(jù)(2)式計(jì)算得:Q=vA(2)
式中:A——楔形出口的橫截面積
v——楔形出口端流體的速度
二、求解邊值的數(shù)值
1.劃分網(wǎng)格,根據(jù)假定條件建立模型,用大型軟件ANSYS處理程序PREP7,選擇單元類型,確定層間流體參數(shù),建立楔形間隙流動(dòng)場的有限元模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用2D.fluid141單元類型自下向上建立模型,節(jié)點(diǎn)共有368點(diǎn)和270個(gè)單元。因?qū)娱g液膜厚度很薄,為了清楚描述建模,將楔形膜厚擴(kuò)大12倍。得到圖1所示有限元網(wǎng)格模型圖:
2.設(shè)定載荷并求解
通過分析選項(xiàng)、定義類型、加載數(shù)據(jù)和加載步選項(xiàng),較后進(jìn)行有限元求解。當(dāng)全部添加了載荷數(shù)據(jù)后利用有限元軟件自動(dòng)求解,將所得速度、壓力等結(jié)果存入文件中并做后處理。
4.處理結(jié)果通過圖形界面得到計(jì)算結(jié)果,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算包括速度和壓力等,輸出形式有兩種,即數(shù)據(jù)列表和圖形顯示。處理數(shù)據(jù)的方法是:通過后處理器POST1復(fù)查整個(gè)模型的某一部分特定數(shù)據(jù)集的結(jié)果;時(shí)間歷程后處理器POST28,可跨多個(gè)數(shù)據(jù)集復(fù)查選擇的部分模型數(shù)據(jù)。因本文計(jì)算分析是層流穩(wěn)態(tài)流場,因此可采用后處理器POST1復(fù)查整個(gè)模型的某一部分中任意一個(gè)特定數(shù)據(jù)集的后處理方法。
三、案例計(jì)算分析
端面楔形液膜長L=6mm,寬度b=0.02mm,B=0.05mm,試驗(yàn)介質(zhì)為常溫水,設(shè)定粘度為0.001Pa.s,密度1000kg/m3,設(shè)端面楔形進(jìn)口壓強(qiáng)為0.2MPa,出口壓強(qiáng)0.1MPa。
1.計(jì)算分析壓力場
用ANSYS求解過程中,加壓力載荷,采用后處理器post1。即可獲得各節(jié)點(diǎn)的壓力分布圖,如圖2所示,單位為MPa。從圖得知:壓力的變化隨液膜沿楔形長度方向減小,呈不規(guī)則分布,出口較小,進(jìn)口較大,沿橫截面壓力分布比較規(guī)則。
2.計(jì)算分析速度場
節(jié)點(diǎn)的速度數(shù)據(jù)是本案例的基本計(jì)算數(shù)據(jù)。因過程分析屬于穩(wěn)態(tài)的速度場,所以后處理可用POST1進(jìn)行。由此可得到速度矢量圖,如圖3所示。X向速度場分布圖4和Y向速度場分布圖5,速度單位m/s。
從圖得知:速度的變化隨液膜沿楔形長度方向不規(guī)則分布,在出口處和進(jìn)口處都有Y向較小和較大的速度值,速度較大值在出口X方向呈非線性分布,中間部分速度變化較平穩(wěn),在出進(jìn)口處速度變化較大。
3.計(jì)算泄漏量
據(jù)公式(2)Q=vA,將出口液體的速度和出口端面的橫截面積代入可得如下數(shù)據(jù):Q=0.000404ml/min,
通過分析比較與實(shí)際運(yùn)行過程中的測量結(jié)果基本相同。
結(jié)論
分析釜式反應(yīng)器端面楔形密封面間隙內(nèi)的流場變化,且難以觀察的楔形層流間的場內(nèi)變化,可利用大型有限元軟件ANSYS8.0進(jìn)行數(shù)值模擬,并可實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程的可視化,從而可得速度場和壓力場云圖。云圖上可清楚看出壓力和速度的分布情況,為研究設(shè)計(jì)減少端面密封楔形間隙的泄漏量提供了理論依據(jù)。對確保系統(tǒng)的長期運(yùn)轉(zhuǎn),特別是高壓釜式反應(yīng)器端面密封的可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。
從楔形間隙泄漏量的計(jì)算結(jié)果看,影響泄漏量的關(guān)鍵因素速度和變形量。所以在設(shè)計(jì)釜式反應(yīng)器端面密封和系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)操作過程中,要盡可能控制變形量,已達(dá)到較終控制泄漏量的目的。