陸凱杰，趙 越，楊 罡，張 琳，杜明照

(常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213016)

0 前言

針對阿斯巴甜工業(yè)生產(chǎn)過程中高含鹽有機廢水，采用傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)技術濃縮過程中蒸汽消耗大、能耗高的問題，提出了機械蒸汽再壓縮(MVR)蒸發(fā)節(jié)能技術新工藝，利用離心風機將蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的二次蒸汽進行壓縮，提高其熱焓作為蒸發(fā)器廢水蒸發(fā)濃縮的熱源，可以節(jié)約生蒸汽，降低能耗，節(jié)能節(jié)水效果非常顯著［1－2］。同時作為一種高效節(jié)能的蒸發(fā)技術越來越被人關注。國外MVR 技術的研究開展早且研究深入，特別在海水脫鹽方面已經(jīng)得到廣泛應用［3－4］。國內(nèi)MVR 研究起步較晚，發(fā)展也比較緩慢，而蒸汽離心風機作為MVR 系統(tǒng)中的關鍵核心設備，其高效運行對整個MVR 系統(tǒng)的節(jié)能起著非常重要的作用。

離心風機廣泛應用于國民生產(chǎn)的各個領域，李紅星等［5］闡述了離心風機在燃煤電廠煙氣脫硫工藝節(jié)能改造中的應用，相比羅茨鼓風機可以實現(xiàn)節(jié)能、減少噪聲。陳階亮等［6］將羅茨風機與離心風機在污泥焚燒循環(huán)流化床中的應用進行了對比分析，相比之下，離心風機出口風量波動大，供風量與壓力波動呈反向關系。因此，提高離心風機的運行效率和穩(wěn)定性對節(jié)能降耗有著非常重要的意義，很多學者通過對離心風機的結構進行優(yōu)化［7－9］來提高其效率和性能。而國內(nèi)對于離心風機應用于機械蒸汽再壓縮系統(tǒng)的研究還比較少。為了更加清晰地了解蒸汽在MVR 離心風機內(nèi)部流動狀況，探討設計流量工況及變流量工況下離心風機的運行效率和內(nèi)部流場，采用Fluent 軟件對MVR 蒸汽離心風機設計流量工況和變流量工況下的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬研究［10］，其研究結果可為離心風機在MVR 系統(tǒng)中的應用提供參考依據(jù)。

1 MVR 蒸汽離心風機參數(shù)

表1 風機工藝設計參數(shù)及結果

以蒸發(fā)負荷為15 t/h 的MVR 蒸發(fā)節(jié)能系統(tǒng)為工程設計案例［11］，從蒸發(fā)器出來的蒸汽進入MVR蒸汽離心風機的二次蒸汽溫度為70℃，要求風機壓縮后蒸汽出口溫度為78℃，以提供蒸發(fā)器物料繼續(xù)蒸發(fā)的熱源。

離心風機的工藝設計參數(shù)及結果如表1 所示。

2 數(shù)值模擬方法

2．1 網(wǎng)格劃分

采用前處理軟件Gambit 對離心風機三維模型進行網(wǎng)格劃分。劃分時把風機分為三個部分:進口段、葉輪和蝸殼，如圖1 所示。其中進口段和蝸殼結構較為簡單，選用結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為90 160個、512 453 個，葉輪部分結構較為復雜，且流場變化較大，選用非結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為1 465 166 個，網(wǎng)格總數(shù)為2 067 779 個。

2．2 湍流模型

蒸汽在流動過程中滿足湍流N － S 運動方程組。文獻［12］采用RNGk －ε 湍流模型成功的對旋轉流進行了數(shù)值模擬，且模擬結果與實驗結果吻合。本文湍流模型亦選用RNGk －ε 模型，連續(xù)性方程、動量方程及能量方程的求解采用SIMPLEC 算法，壓力項采用PRESTO 格式離散，其余項均采用二階迎風格式離散。

2．4 邊界條件

進口邊界:采用速度進口條件，進口質(zhì)量流量為15 t/h，換算成速度為21 m/s，湍流指定方法選擇強度和水力直徑指定方法。其中，湍流強度I =0．16×Re(－1/8)=3．2%。

出口邊界:采用壓力出口條件，壓力為絕對壓力43 650 Pa。

壁面條件:風機固定壁面采用無滑移的固定壁面，葉輪采用無滑移的移動壁面，鑒于離心風機內(nèi)部動區(qū)域與靜區(qū)域相互干擾作用不是特別強烈，使用多重參考系模型求解轉動區(qū)域問題，給定葉輪轉速為4 400 r/min。

3 數(shù)值模擬結果分析

3．1 風機性能曲線

圖1、圖2、圖3 分別為風機效率、功率及全壓數(shù)值模擬結果與理論公式計算值的對比曲線圖。由圖1、圖2、圖3 可以看出:數(shù)值模擬值與理論值變化趨勢基本一致，但是存在一些誤差，其中效率、功率、全壓的平均誤差分別為2．7%、5．3%、8．9%;最大誤差分別為7．1%、7．6%、11．2%。誤差產(chǎn)生的原因:一是建模時對風機進行了適當簡化;二是網(wǎng)格粗細的劃分及所采用算法的影響。

圖1 風機效率特性曲線圖

圖2 風機功率特性曲線圖

圖3 風機全壓特性曲線圖

3．2 變工況下風機內(nèi)部流場分析

圖4 為流量為15 t/h 的風機流線圖。由圖可知:在設計工況15 t/h 時，氣流入口角與葉片安裝角基本一致，氣流不會沖擊葉道，沒有出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，流線在這個風機內(nèi)分布合理，沒有出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，說明風機的設計合理。

圖4 15 t/h 流量下風機流線圖

圖5 7．2 t/h 流量下風機流線圖

隨著流量的進一步降低至7．2 t/h 時，沖角進一步增大，分離區(qū)進一步擴大，蝸舌附近兩個葉道已被渦流占據(jù)整個葉道，氣流不能通過葉道，局部氣流出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，而在蝸舌上游的兩個葉道內(nèi)，氣流也已經(jīng)發(fā)生部分分離，如圖5 所示，風機已不能正常運轉，說明風機已發(fā)生失速現(xiàn)象，風機的效率急劇降低。

當流量繼續(xù)降低至3．6 t/h 時，風機流道內(nèi)的分離現(xiàn)象更加嚴重，大部分葉道都已發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，并且在葉道的進口、出口都出現(xiàn)較大的渦流，如圖6 所示。風機已發(fā)生喘振現(xiàn)象，流動性狀況急速惡化。當風機發(fā)生喘振時，風機將產(chǎn)生強烈振動，葉輪以及固定部件都將經(jīng)受較大的交變應力，進而可能導致葉輪及固定部件的損壞，因此風機要采用一定的防喘措施，以防止喘振的發(fā)生。

圖6 3．6 t/h 流量下風機流線圖

圖7 25．22 t/h 流量下風機流線圖

圖7 為流量為25．22 t/h 風機流線圖，由圖可以看出，在大流量工況下，風機內(nèi)部流線合理，未出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，但隨著流量的增加，葉片氣流速度增加，流動損失增大。此外，高速氣流將直接沖擊蝸殼，造成沖擊損失增大，因此整個風機的效率與全壓都隨流量的增加而降低。

4 結論

(1)不同工況下離心風機的效率、功率、全壓的數(shù)值模擬值與理論計算值較為吻合，效率、功率、全壓平均誤差分別為2．7%、5．3%、8．9%，表明數(shù)值模擬可靠。

(2)MVR 蒸汽離心風機在偏離設計工況點運行時，效率都會有所下降;在小流量工況下邊界層分離是風機發(fā)生喘振現(xiàn)象的根本原因，且當工作流量在10．8 ～21． 6 t/h 之間，風機會有比較高的效率71.3% ～76．6%，運行也比較穩(wěn)定，滿足MVR 的變工況要求。因此，保證風機處在設計工況附近工作，能使得整個系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、高效、節(jié)能。

［1］高麗麗，張琳，杜明照．MVR 蒸發(fā)與多效蒸發(fā)技術的能效對比分析［J］．現(xiàn)代化工，2012，32(10):84 －86．

［2］張琳，高麗麗，崔磊，等． MVR 蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬［J］．化工進展，2013，32(3):543 －548．

［3］Lara J R，Noyes G，Holtzapple M T．An investigation of high operating temperatures in mechanical vapor － compression desalination［J］．Desalination，2008(227):217 －232．

［4］Christopher Enweremadu，Adekojo Waheed，Jeremiah Ojediran．Parametric study of an ethanol–water distillation column with direct vapour recompression heat pump［J］．Energy for Sustainable Development，2009(13):96 －105．

［5］李紅星，陳活虎，俞基宏，等． 單級高速離心風機在350 MW 燃煤電廠煙氣脫硫工藝節(jié)能改造中的應用［J］．環(huán)境工程，2013，31(3):40 －43．

［6］陳階亮，朱建國． 羅茨風機與離心風機在污泥焚燒循環(huán)流化床中應用的對比分析［J］． 城市道橋與防洪．2012(12):111 －113．

［7］陳升，董帆，王鵬亮，等． 純奧氏體不銹鋼離心風機葉輪結構優(yōu)化和流場分析［J］．風機技術，2013(1):40 －43．

［8］錢勇，黃文俊，李明時．離心鼓風機焊接機殼結構設計與優(yōu)化［J］．風機技術，2014(1):47 －50．

［9］張偉，宮武旗，樊孝華，等． 高速離心風機葉片擴壓器前緣傾角對其性能影響的實驗研究［J］．工程熱物理學報，2009，30(8):1306 －1308．

［10］陳海生，譚春青．葉輪機械內(nèi)部流動研究進展［J］．機械工程學報，2007，43(2):1 －12．

［11］成心德．離心式風機［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2006:44 －45．

［12］張琳，錢紅衛(wèi)，宣益民，等．內(nèi)置扭帶換熱管三維流動與傳熱數(shù)值模擬［J］．機械工程學報，2005，41(7):66 －70．