＊賈新亮 張昊 郭曉方 邢泊陽 王廣開 吳廣碩

（1.中國核電工程有限公司 北京 100840 2.北京化工大學化學工程學院 北京 100029）

用于放射性流體輸送與控制的設備是保證核化工流程安全和長期穩(wěn)定運行的基礎[1-5]。計量輪裝置是一種用于高放料液定量輸送的關鍵設備，在核化工領域流量相對較小的液體定量輸送場合中應用[6-9]。

為了充分理解計量輪裝置的水力學原理，本文實驗研究了不同轉速、液位高度下計量輪裝置的運轉規(guī)律、取液現(xiàn)象和取液量，為設計和優(yōu)化計量輪裝置提供基礎數(shù)據(jù)和指導。

1.實驗裝置及方法

(1)計量輪裝置原理

上游設備將供料槽內液體抽送至計量輪裝置儲液槽，儲液槽一側設有溢流口，通過不斷供料與溢流，儲液槽內液面高度保持恒定。計量輪裝置不斷轉動，計量輪每轉一周收集一定量的液體并送至集液漏斗，利用重力自流至下游接收槽，如圖1所示?？刂朴嬃枯嗈D速最終可實現(xiàn)流量的準確計量[10-11]。

圖1 計量輪裝置原理示意圖

(2)實驗裝置

本實驗搭建了如圖2所示的實驗裝置。采用電機與減速機相連，驅動計量輪轉動。通過控制器實現(xiàn)對計量輪轉速的精準控制。取液勺下方放置一水槽，水槽一側設有溢流口，另一側通過一進水管不斷向水槽內注入去離子水，以保證液面相對水槽恒定。過量的水經(jīng)過溢流口流向蓄水桶，桶內水經(jīng)離心泵重新輸送至水槽，進而形成一套循環(huán)系統(tǒng)。水槽下方設有升降臺，以實現(xiàn)液位高度的無級調節(jié)。

圖2 實驗裝置示意圖

實驗前，通過調節(jié)升降臺將液面調整至所需高度。通過調整控制器，設置計量輪轉速及旋轉角度。實驗時，啟動電機，觀察計量輪取液情況。等待計量輪旋轉完成指定的角度后，并采用量筒量取本次實驗計量輪取出液體的體積。對相同實驗條件進行3次重復實驗，取平均數(shù)據(jù)為最終實驗結果。

本實驗采用3D打印技術加工制造計量輪，并應用透明樹脂材質以便于觀察[12]，其結構及部分關鍵參數(shù)如圖3所示。計量輪外圓半徑R=25mm，內圓半徑r=5mm，寬度d=32mm，計量輪開口徑向方向與豎直方向夾角θ=30°，計量輪內圓中心距計量輪旋轉中心距離為77.5mm，計量輪厚度δ=2mm。利用三維建模軟件對實驗中關鍵水力學部件進行建模分析，得到計量輪的理論取液量為23.67ml。

圖3 計量輪結構示意圖

(3)實驗方法

①計量輪旋轉圈數(shù)敏感性檢驗

在正式實驗開始前，我們開展了計量輪旋轉圈數(shù)對取液量測量值影響敏感性的實驗。設定液位高度為75mm，轉速為1rpm、10rpm和20rpm，圈數(shù)分別為1圈、3圈、6圈、9圈，進而計算平均每圈取液量，如圖4所示。從圖中可以看出，相同轉速下平均每圈取液量隨圈數(shù)波動較小。為提高量筒測量準確性同時減少偶然誤差，最終各實驗均設定計量輪旋轉3圈計算平均取液量。

圖4 計量輪平均每圈取液量與旋轉圈數(shù)和轉速的關系圖

②高速攝像技術

隨著科學技術的發(fā)展，高速攝像技術的應用范圍也越來越廣[13]。本實驗中，利用高速攝像技術對不同轉速下計量輪取液過程進行記錄，進而分析轉速對計量輪取液過程的影響規(guī)律。

2.結果與討論

(1)計量輪取液的瞬態(tài)特性

通過高速攝像技術對透明計量輪進行拍攝分析，以提高對計量輪取液規(guī)律的認識。如圖5（a）所示，當轉速較低時可清晰觀察到由于表面張力作用，在計量輪中心開孔最低處上方，仍形成一層具有一定厚度的液膜，這導致實際測得的取液量較理論值偏大。同時，表面張力的作用還存在于計量輪剛入水狀態(tài)，如圖5（b）所示，即當計量輪前沿旋轉至液面下時，由于表面張力的作用水仍會在計量輪前沿維持一定高度，阻礙液體進入計量輪內部。

圖5 表面張力對取液量的影響

為便于觀察取液勺內液面波動情況，在計量輪外表面刻畫一條直線。當直線處于水平狀態(tài)時，不同轉速下計量輪內液面情況如圖6所示。由圖6可知，當轉速較低時，取液勺內液面較為平穩(wěn)，可維持在水平狀態(tài)（即與取液勺外側直線平行）。隨轉速逐漸增加，取液勺內液面及水槽內液面均開始出現(xiàn)波動，計量輪內右側液面高于左側液面，計量輪中心開孔最低處出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，且轉速越高，上述現(xiàn)象越明顯。這是由于轉速較高時，取液勺內液體受離心力影響較大，同時使得取液勺內液體具有了一定的速度，導致取液勺內液面波動。此外，相同液位下，由計量輪入水至計量輪外側直線水平時所旋轉角度相同，因此，轉速越高，計量輪內液體經(jīng)歷的穩(wěn)定時間越短，溢流現(xiàn)象越嚴重。

圖6 不同轉速下取液勺內液面波動圖

(2)液位和轉速對計量輪取液量的影響規(guī)律

利用三維建模軟件分析，理論上當計量輪內圓與液面相切且取液勺口外沿與液面重合時，此時若繼續(xù)增加液面高度，計量輪的取液量不會隨液位高度的升高而變化。因此，將此時的液位高度定義為臨界液位，如圖7所示。

圖7 臨界液位及無因次液位高度示意圖

為了使實驗規(guī)律更具有普適性，分析時對液面與軸心距離和取液量進行無因次處理。選取計量輪豎直狀態(tài)時液面距取液勺內壁最低處的距離為h，取液勺截面特征高度為D，定義無因次液位高度為h/D，如圖7所示。

通過對不同液位高度、不同轉速條件進行實驗，得到不同操作條件下計量輪裝置的取液量，對液位高度及取液量進行無因次化處理，如圖8所示。由圖8可知，當無因次液位高度大于1.27時，計量輪取液量隨轉速波動較小，但仍呈現(xiàn)出小幅增加趨勢；當無因次液位高度低于1.27時，計量輪取液量隨轉速波動劇烈，呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的趨勢，且拐點隨著無因次液位的降低逐漸向低轉速方向移動。

圖8 無因次取液量與轉速及無因次液位高度關系

結合實驗現(xiàn)象分析，當無因次液位高度大于1.27時，隨著轉速提高，取液勺內波動增大，計量輪由入水至取液勺內液體進入收集斗時間減短，導致計量輪內圓中心處溢流不充分，計量輪取液量增大。當無因次液位高度低于1.27時，隨著轉速小幅增加，取液勺內液面開始由穩(wěn)定變?yōu)椴▌?，導致計量輪取液量增大；進一步提高轉速后，當計量輪入水時，取液勺口附近區(qū)域在表面張力作用下形成具有一定厚度的液膜，并且隨轉速增加，計量輪由入水至出水時間變短，槽內液體不能完全充滿計量輪，導致取液量小幅減小；當轉速繼續(xù)提高時，計量輪對水面沖擊增大，槽內液面開始波動，表面張力維持的液膜被破壞，取液量又會小幅增加。

3.結束語

本文利用高速攝像技術對不同液位和轉速條件下計量輪裝置的取液過程、取液量、以及力學因素進行了實驗研究。

當無因次液位高度大于1.27時，計量輪裝置的取液量隨轉速波動不大，但仍受表面張力和離心力影響，致使其取液量有輕微的增加趨勢。當無因次液位高度低于1.27時，計量輪裝置的取液量受液位高度及轉速影響較大。因此建議計量輪裝置運行時，無因次液位高度大于1.27，此時計量輪裝置的取液量波動較小。

表面張力與兩相材料關系密切，本實驗采用的計量輪材料為高分子樹脂，液相為去離子水。若工程實際應用中，材料發(fā)生變化，需要對表面張力效應進行修正。