不同叶数MVR蒸汽罗茨风机的设计与分析张琳;杨罡;范学成【摘要】为了探究不同叶数罗茨风机在MVR系统中的运行性能,对蒸发负荷为200kg/h的二叶、三叶、四叶渐开线型MVR蒸汽罗茨风机进行了热力学设计及叶轮型线设计.采用CFD数值模拟的方法,结合动网格技术,分别对这三个模型的内部流场进行了非定常可压缩数值模拟,得到了多变压缩功率、绝热效率及EER性能曲线并与理论值进行了对比;同时探讨了其出口脉动情况.结果表明:模拟值与理论值变化趋势一致,表明模型设计合理;升压的选择对风机以及整个MVR系统的性能有着重要的影响;通过对比分析最终选择三叶罗茨风机作为MVR系统的蒸汽压缩设备.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】5页(P98-101,106)【关键词】机械蒸汽再压缩(MVR);罗茨风机;计算流体力学;数值模拟;性能【作者】张琳;杨罡;范学成【作者单位】常州大学机械工程学院,江苏常州213164;常州大学机械工程学院,江苏常州213164;常州大学机械工程学院,江苏常州213164【正文语种】中文【中图分类】TH16机械蒸汽再压缩技术（mechanical vapor recompression，简称MVR）相对于传统多效蒸发技术具有经济效益好、节能效果显著、成本低、易操作等优点，广泛应用于食品行业、废水处理工艺、制盐和制碱工艺等，在未来具有广阔的发展空间[1]。
其中，蒸汽压缩机是MVR系统中的关键设备之一，目前常用的蒸汽压缩机主要有罗茨风机或离心风机。
虽然离心风机具有流量大，噪声低等优点，但是离心风机在高速旋转的时候对水蒸气中的水滴非常敏感。
此外，离心风机在运行过程容易出现喘振现象。
而罗茨风机作为双回转容积式机械，具有结构简单，效率高，对蒸汽中的水滴敏感度不高，腔内无需油密封和润滑可减少油对蒸汽的污染等优点[2]。
在蒸发负荷较小的工况下，国内某些中小企业选用罗茨风机作为蒸汽压缩设备取得了良好的经济效益[3]，因此采用罗茨风机驱动MVR系统在国内的应用具有一定的现实意义。
目前，国内对于罗茨鼓风机内部流场进行数值模拟研究方面的文献不多，尤其是应用于MVR工艺系统方面还鲜有研究。
文献[4]对罗茨鼓风机的二维模型进行了数值模拟研究，数值模拟结果与理论计算结果较为吻合，表明了采用二维计算模型已满足流场分析的要求；文献[5]只是从理论推理的角度对比分析了二叶和三叶罗茨鼓风机的性能，没有给出定量的分析；文献[6]对四叶罗茨风机进行了数值模拟研究，对流场分布和静压场分布云图进行了简单的分析，研究内容较为简单。
由此可见，对于罗茨鼓风机还有很多方面需要做基础性研究工作。
CFD技术已经日益成为研究叶轮机械等复杂旋转流动的有效手段，数值模拟的方法能较真实的反映叶轮机械内部的复杂流动[7]。
因此，为了对比分析不同叶数MVR蒸汽罗茨风机的性能，课题组对蒸汽流量为200kg/h的罗茨风机进行了热力学设计及叶型参数设计，构建了二叶、三叶及四叶蒸汽罗茨风机的几何模型，同时采用数值模拟的方法对这三个模型在MVR工艺中的性能进行了对比分析。
以蒸发负荷为200kg/h的MVR蒸发节能系统为工程设计案。
不同叶数MVR蒸汽罗茨风机的条件，如表1所示。
设计结果，如表2所示。
其中，对三叶罗茨风机的渐开线叶型进行了优化设计[8]，有效的提高了面积利用系数。
3.1 计算模型及网格划分根据风机设计结果，采用AutoCAD软件进行了二维模型设计，同时采用GAMBIT软件对模型进行网格划分，为了便于实现动网格计算，风机网格划分采用三角形非结构化网格一体生成。
通过多次的对比，选定二叶罗茨风机初始网格数为167816，最大扭曲率为0.53，三叶罗茨风机的初始网格数为200648，最大扭曲率为0.52，四叶罗茨风机的初始网格数为215368，最大扭曲率为0.57。
计算模型，如图1所示。
三个模型均为上端口进气，下端口排气，左叶轮逆时针旋转，右叶轮顺时针旋转。
3.2 计算方法采用FLUENT软件对不同叶数MVR蒸汽罗茨风机的内部流场进行非定常可压缩数值模拟，蒸汽在流动过程中满足湍流N-S运动方程组。
由于蒸汽在风机内部的流动为复杂的旋转流动，而RNGk-ε湍流模型相比于标准k-ε湍流模型考虑了各向异性，因此更加适合用来研究叶轮机械内部的流动特性。
文献[9]采用RNGk-ε湍流模型成功的对旋转流进行了数值模拟，且模拟结果与实验结果吻合。
湍流模型亦选用RNGk-ε模型，压力-速度耦合选用基于压力求解器的隐式coupled算法，压力项采用PRESTO格式离散，其余项均采用二阶迎风格式离散。
3.3 边界条件进口边界：物料在70℃进行减压蒸馏，对应的饱和蒸汽压为32000Pa，因此采用压力进口边界，压力为32000Pa（绝压），温度为343K；湍流定义方式选择湍流强度和水力直径方式。
其中，湍流强度I=0.16（ReDH）-1/8=3.5，DH为水力直径。
出口边界：采用压力出口边界条件，压力为绝对压力57500Pa。
工作介质为蒸汽，属性按可压缩理想气体进行设置，计算中忽略重力对流场的影响。
叶轮设置为动边界，转速和旋转方向采用profile函数进行定义，壁面采用无滑移的固定壁面，近壁区域采用标准壁面函数。
4.1 风机性能曲线4.1.1 多变压缩功率蒸汽在风机内的压缩过程是一个多变过程，因此将数值模拟得到的相关数据代入到多变压缩功率公式进行计算，并与理论值进行了对比，如图2所示。
由图2可知，不同叶数蒸汽罗茨风机的多变压缩功率模拟值与理论值的变化趋势一致，都随着升压的增大呈线性递增，，但数值模拟值与理论值存在一定的误差，其中二叶罗茨风机的误差最大，误差为10.3%；三叶罗茨风机次之，误差为6.6%；四叶罗茨风机最小，误差为3.6%，产生误差的主要原因是；（1）所采用的数值方法对FLUENT计算精度的影响；（2）理论计算公式没有考虑到风机内部存在的各项损失。
4.1.2 绝热效率绝热效率表征的是风机内部压缩过程与等熵绝热压缩过程的完善程度，在一定程度上也可以表征风机内部损失的大小，绝热效率高，风机内部的损失小。
不同叶数蒸汽罗茨风机绝热效率曲线图，如图3所示。
从图3中可以看出，三个模型的绝热效率变化趋势与理论值一致，随着升压的增大而减小，这是因为升压的增大导致基元容积内与排气口处的压差越大，内泄漏越严重，高压蒸汽回流造成的冲击损失也越大，等熵绝热压缩过程更不完善。
此外，不管在何种升压条件下四叶罗茨风机的绝热效率最高，三叶罗茨风机次之，二叶罗茨风机的绝热效率最低；这说明二叶罗茨风机的内部流场存在较多的损失，也是二叶罗茨风机的功率与理论计算值误差最大的主要原因。
4.1.3 能效比能效比（EER）表征的是换热量（饱和温度下蒸汽和水的焓差与质量流量的乘积）与多变压缩功率的比值。
如图4所示，不同叶数蒸汽罗茨风机之间的能效比相差很小，且与理论值的变化趋势一致，随着升压的增大先急剧下降，然后逐渐趋于平缓，这是因为随着升压的增大多变压缩功率呈线性增大，而换热量在升压较小的时候变化很小，当升压达到一定程度时，换热量才开始急剧增大，直到换热量增加到某一数值时，能效比停止下降。
综上所述，风机性能曲线变化趋势与理论值一致，表明模型设计合理，数值模拟较为可靠。
此外，升压的选择对罗茨风机以及整个工艺系统的性能有着至关重要的影响，升压越小罗茨风机的综合性能越好，运行也越稳定，但是升压过小，对应出口压力下饱和蒸汽温度低，与料液的有效传热温差小，导致蒸发管换热性能下降，影响料液的蒸发与浓缩，而升压太大会导致风机的性能不断下降。
4.2 出口脉动曲线4.2.1 出口压力脉动曲线二叶、三叶、四叶罗茨风机一个旋转周期内蒸汽出口压力脉动曲线，如图5所示。
从图5中可以看出，由于工作腔容积周期性的变化，蒸汽流动受到周期性的扰动，曲线也都呈现出周期性的变化。
压力脉动幅度都比较大，主要是由于高压气体回流所导致。
相比之下，四叶罗茨风机的排气脉动幅度最大，频率最高，脉动幅度为（57500～57950）Pa，这是因为在一个旋转周期内，二叶轮是四次进、排气过程，三叶轮是六次进、排气过程，四叶轮是八次进、排气过程，因此随着叶数的增加，进、排气速率越来越快，回流次数增多，从图中体现出来的是脉动幅度频率增加。
从理论上来讲，二叶罗茨风机在一个旋转周期内有四次回流，就有四个脉动幅值，间隔90°左右；而在实际运行过程中，由于回流漩涡对蒸汽出口流动的影响，会导致出现多个脉动峰值；同样地，三叶和四叶罗茨风机存在着相同的现象，在一个旋转周期内存在着多个脉动峰值。
4.2.2 出口温度脉动曲线分别为二叶、三叶及四叶罗茨风机在一个旋转周期内出口温度脉动曲线，如图6所示。
由图6可知，不管是二叶、三叶还是四叶罗茨风机的出口温度都比理论计算值略大，这主要是因为理论计算公式没有考虑到风机的湍流耗散对蒸汽的加热作用。
在不考虑风机与外界的热量交换的情况下，根据理论排气温度计算公式可知，影响温升的主要因素有升压比、绝热指数、容积效率以及进气温度，而在进行数值计算的时候这些参数都设为定值，因此从理论上来讲不同叶数罗茨风机之间的出口温度应该没有很大的差异，但是从图中可以看出，二叶罗茨风机的蒸汽出口温度最高，四叶罗茨风机的蒸汽出口温度最低，这主要是由于不同叶数罗茨风机内部蒸汽流动的损失程度不一样，湍流耗散对蒸汽的加热程度也就不一样；也从另一方面说明了二叶罗茨风机内部的蒸汽流动最为复杂，存在着更多的损失。
在MVR工艺中，蒸汽出口温度是非常重要的参数之一，其直接影响后续蒸发器的换热效率；而不管是二叶、三叶还是四叶罗茨风机，其出口温度都很高，出口蒸汽为过热蒸汽，因此需要采取有效的冷却措施来消除过热，保证出口蒸汽处于饱和状态或微过热状态。
（1）通过对风机性能曲线和出口脉动曲线的分析可知风机模型设计合理，数值模拟较为可靠。
从功率和绝热效率曲线来看，四叶罗茨风机的功率消耗少，绝热效率较高，三叶罗茨风机次之；但是从EER性能曲线来看，三个模型之间的能效比相差很小，且四叶罗茨风机出口压力脉动幅度和频率较大、面积利用系数低。
因此，综合考虑选择三叶罗茨风机作为MVR系统的蒸汽压缩设备。
（2）升压的选择对MVR系统具有重要的影响。
升压越小罗茨风机的综合性能越好，运行也越稳定，但是升压过小，对应出口压力下饱和蒸汽温度低，与料液的有效传热温差小，导致蒸发器换热性能下降，影响料液的蒸发与浓缩；而升压太大会导致风机的性能急剧下降。
因此，在MVR工艺中风机的压力比一般选择在（1.8～2.0）左右较为适宜。
（3）罗茨风机的出口蒸汽温度过高，需要采取水冷或逆流冷却等冷却措施，消除过热。
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