离心脱气泵的设计与脱气性能研究

摘要

在食品工业中，果汁饮料在榨汁和搅拌的过程中，会混入较多的空气。生产中常常需要脱除液体中的这些气体以防止液体氧化并延长存储期。本文研究旨在开发一种能够同时分离溶液中的气体并实现流体输送的离心脱气泵，完成脱气泵结构设计并且通过数值模拟和试验分析其脱气性能和水力性能，以期达到离心脱气泵具有结构紧凑且气液分离效果好的特点。
　　本文提出了背部抽气式和前置转鼓式的脱气泵结构形式，首先介绍了这两种脱气泵的结构和脱气原理。背部抽气式脱气泵采用气液预分离结构实现初步气液分流，气体通过主叶轮上的排气孔进入除气系统后排出，液体通过叶轮加压后排出。前置转鼓式脱气泵采用前置脱气转鼓和前置抽气方式实现气液分离操作，依靠流体旋转产生的离心力和转鼓中心的真空环境将溶解在液体中的气体析出和分离，并有离心式叶轮将液体排出。
　　基于数值模拟对背部抽气式脱气泵进行了性能预测。对比了不同运行条件下脱气泵的气液分离能力，讨论了入口含气率、抽气压力和入口流量等因素对脱气效果的影响。模拟结果表明该泵适用于较大含气率下的气液两相流体的初步分离，对于低含气率的流体分离效果较差，且水中溶解的气体析出困难，无法满足设计要求。
　　针对背部抽气式结构脱气能力不足的问题，从气液分离原理及结构、真空室的布置与抽气方式和脱气转鼓设计等方面对脱气泵进行了分析，提出一种前置转鼓式脱气泵的结构。对该脱气泵的气液两相流场进行数值模拟分析，研究了气泡在脱气泵内部的分布规律，对比了不同运行条件下脱气泵的气液分离能力。结果表明前置转鼓式脱气泵能够很好地分离不同含气率流体中的游离气泡。同时，分析脱气转鼓内液环的平均静压和液环厚度可知，降低泵的入口压力能够提高泵对液体中溶解气体的脱除效果。
　　为了研究脱气泵的性能，开发了脱气泵性能试验台，分别对两种结构形式的脱气泵进行脱气性能测试。对背部抽气式脱气泵的测试结果表明，该脱气泵能够脱除混合流体中的气体，但对水中溶解气体的分离能力不足。前置转鼓式脱气泵样机的实验室测试和生产线测试的结果表明，入口压力、流量和抽气压力对脱气性能有着显著影响，并且验证了脱气泵在实际生产中具有明显的脱气效果。前置转鼓式脱气泵能够完全分离液体中游离的气体且在较大程度上分离液体中溶解的气体，脱气后的溶液中溶氧量降低到5ppm以下，满足生产需求。
　　前置转鼓式脱气泵能够在输送气液两相流体的同时实现流体中游离气体的完全分离，并显著脱除液体中的溶解气体。在一定程度上扩展了现有的气液两相流体输送过程中的气液分离技术，在气液分离和液体脱气场合有较好的应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表

符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 气液分离技术及研究现状

1．2．1 气液分离技术及应用

1．2．2 气液两相流的理论模型

1．3 溶解氧脱除技术及研究现状

1．3．1 传统除氧技术

1．3．2 膜分离除氧技术

1．4 多相流泵的设计及研究现状

1．4．1 中浓纸浆泵

1．4．2 气液两相流泵

1．5 泵内部流动的数值模拟方法

1．5．1 内部流动模拟的湍流模型

1．5．2 两相流模拟方法

1．5．3 气液两相的相间作用力

1．5．4 群体平衡方法

1．6 本文研究内容

2 脱气泵原理与结构设计

2．1 概述

2．2 背部抽气式脱气泵

2．2．1 气液预分离机构

2．2．2 离心式叶轮和蜗壳

2．2．3 除气机构

2．3 前置转鼓式脱气泵

2．3．1 气液分离机构

2．3．2 叶轮和蜗壳

2．4 本章小结

3．1 概述

3．2 模型与单相数值模拟

3．2．1 物理模型

3．2．2 网格无关性

3．2．3 背部抽气式脱气泵的性能预测

3．3 气液两相模拟及脱气性能分析

3．3．1 两相流场分析

3．3．2 入口含气率的影响

3．3．3 抽气压力的影响

3．3．4 脱气泵流量的影响

3．4 本章小结

4．1 概述

4．2 脱气泵的结构优化

4．2．1 前置气液旋流分离结构

4．2．2 前置抽气结构

4．2．3 前置转鼓的尺寸设计

4．3 前置转鼓式脱气泵性能分析

4．3．1 物理模型与水力性能分析

4．3．2 两相流场分析

4．3．3 气泡直径的影响

4．3．4 入口含气率的影响

4．3．5 入口压力的影响

4．3．6 脱气泵流量的影响

4．4 本章小结

5 脱气泵性能的试验

5．1 概述

5．2 测试系统与试验方案

5．2．1 实验室测试

5．2．2 生产线脱气效果测试

5．3 背部抽气式脱气泵试验结果

5．4 前置转鼓式脱气泵试验结果

5．4．1 实验室测试结果

5．4．2 生产线脱气效果测试结果

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介