一种旋转密封送料阀氮气置换仿真分析

1 概述

旋转送料阀是一种广泛应用于送料的装置，主要输送烟丝、粮食等散状物料[1，2]。旋转阀一般不具备密封功能，但经过特殊设计和加工后，可以实现密封送料功能。在某物料输送系统中，因物料的特殊性，需要系统内氧气浓度低于一定值（8%），出料采用带密封功能的旋转阀实现连续出料。为保障系统氧浓度达到规定要求，本文采用对旋转阀进行氮气置换的措施，保障在旋转阀运动过程中，外界大气与系统内氛围的隔绝。

氮气置换氧气是在输油管道、化工合成生产中常用的一种安全措施[3，4]，但对旋转阀进行氮气置换的研究较少，无法准确得知旋转阀采取氮气置换措施是否能够达到较好的隔氧效果以及合理的氮气用量。因此，本文通过计算流体力学的方法开展旋转密封送料阀氮气隔氧的仿真模拟，确定合理的氮气用量，为氮气置换措施提供依据。

2 系统简介

某物料输送系统如图1所示。物料经过系统顶端的罐式设备处理后，经过两级的暂存装置后落入进口旋转阀内，物料经过入口旋转阀的输送进入腔体内，在腔体内经过进一步处理后从出料旋转阀输出。在系统腔体内部，因为物料的特殊性，需要保持系统内氧气浓度低于8%，操作中采用氮气置换的方式保持系统内氧气浓度不超标。系统与外界大气唯一联通的位置为出口旋转阀，为保障外界大气不通过旋转阀进入系统内，本文采用氮气封的方式对旋转阀进行隔氧，充氮位置如图1中F1管路所示。

3 数值模拟设置

本文采用ANSYS FLUENT 15.0开展数值模拟工作。

图1 系统简介

3.1 几何模型及网格设置

本文采用ANSYS 15.0的WORKBENCH模块进行三维建模和网格划分。为减小数值建模及计算工作量，选取正在置换氮气的一个叶片容腔进行数值仿真，并假定叶片不旋转，这样计算的氧气浓度是偏保守的全部采用四面体网格，不考虑壁面的边界层流动，不对壁面进行网格细化，网格总数约为35万。网格质量采用Skwness（偏斜度）方法进行考察，网格质量报告见图16。从图16中可以看出，绝大多数网格的偏斜度落在0－0.6之间，网格质量较好，可以满足工程计算要求。

旋转阀本模拟过程是与时间相关的非稳态过程，计算采用非稳态计算。时间步长为0.05s，计算选取PISO算法。

3.2 边界条件

图2 氮气封几何模型

图3 整体网格划分

图4 网格质量检查

4 计算结果与讨论

本文分别开展了氮气流量为40m3/h和60m3/h下旋转阀内的流场变化，分别截取了旋转阀中截面的氧浓度云图，列于图5和图6。

（1）进口边界条件
进口为3个氮气气体入口。进口温度均为293℃。湍流强度未知，均假定为0.03，并输入各截面水力学直径。计算采用的入口氮气流量分别按40m3/h和60m3/h进行了氧气浓度的模拟计算。
（2）出口边界条件
出口设置为压力出口，出口压力101kPa。

图5 氮气流量60m3/h下的氧气浓度云图

图6 氧气浓度云图

旋转阀结构为8片阀芯，旋转阀的转速为3r/min，每个阀瓣的在经过充氮口的停留时间约2.5s。从图5中可以看出，当通入氮气后约2.5s后，旋转阀叶片的出口位置的氧气浓度还具有较高的摩尔浓度，约15%左右；而当通入氮气5秒后，旋转阀叶片空腔内的氧气浓度可以降低到5%以下，低于系统控氧浓度8%的要求。这说明，在40m3/h的氮气流量下，在阀瓣经过充氮口的停留时间内，不能完全将阀瓣内的氧气置换到要求的浓度以下。

图6为氮气流量60m3/h的条件的氧气浓度云图。从图6中可以看出，当通入氮气后约1.5s后，旋转阀叶片的氧气浓度已经低于系统要求的8%；而当通入氮气2s后，旋转阀叶片的氧气浓度基本长区域0。这说明在氮气流量60m3/h的条件下，在阀瓣经过充氮口的停留时间内，可以很好地将阀瓣内的氧气置换到要求的浓度以下，满足系统要求。

上述结果说明，为保障旋转阀氮气置换过程中，阀芯内氮气浓度快速降低到规定的浓度以下，氮气流量需要达到60m3/h。系统制氮机组的流量为132Nm3/h，完全可满足氮气封的需要。因此，可以认为采用氮气封的技术措施是有效的。

5 结束语

本文采用技术流体力学方法，对某系统用旋转阀采用充氮进行氮气置换的措施进行了仿真模拟，结论如下：

（1）在旋转阀通入氮气流量为60m3/h时，可以在2s以内可以将叶片空腔的氧气浓度降低到8%以下，满足氮气置换要求。而氮气流量40m3/h时，氮气置换速率过低，达不到有效隔氧的目的。

（2）系统制氮机组的流量为132Nm3/h，完全可满足氮气封的流量需求，采用氮气封的技术措施有效而且可行。