不同填料旋转床功耗与气体压降特性对比研究

不同填料旋转床功耗与气体压降特性对比研究贺国，汪宏伟（海军工程大学船舶与动力学院，武汉430033）耗及气体压降进行了对比实验分析。功耗特性对比结果表明，当液流量不变，旋转床转速低于38rad/s时，丝网填料旋转床吸收器消耗的功率大于碟片填料旋转床吸收器消耗的功率；转速高于38md/s时则相反。气体压降特性对比结果表明，在液流量和旋转床转速不变的操作条件下，碟片填料旋转床的气体压降要大于丝网填料旋转床的气体压降约50Pa；在气流量和转速不变的操作条件下，当液流量较小时，丝网填料旋转床的气体压降大于碟片填料旋转床的气体压降；当液流量较大时则相反。在相同气流量和液流量下，碟片旋转床气体压降要大于丝网填料旋转床气体压降。研究结果为AIP系统旋转床吸收器的填料优选及全系统的优化设计提供了重要的依据。0717；修回日期贺国（1966），男，副教授，博士。不依赖空气动力装置（AIP）是当前常规潜艇水下动力的发展方向，而AIP废气处理技术是其关键技术之一。综合资料，一般认为，较理想的AIP废气处理方法是：用旋转床作为吸收器，用水吸收废气并配以相应的水管理系统（WMS）将吸收了CO2的海水排至舷外。综合的研究成果，采用何种填料的旋转床为较佳方案仍在进一步探索之中。旋转场可用碟片填料、丝网填料、泡沫陶瓷填料、旋转型转鼓填料、压延0环等12种填料，研究表明，较适合潜艇AIP系统采用的填料是碟片填料和丝网填料。本文对同一外形尺寸的AIP系统旋转床，采用碟片填料和丝网填料进行各种工况下的功耗及气体压降特性实验研究，以期为AIP系统旋转床吸收器的填料优选及全系统的优化设计提供必要的数据。1实验装置1.1AIP系统旋转床吸收器流体力学特性实验装置中试AIP系统旋转床吸收器流体力学特性实验装置见。实验测量表明：旋转床吸收器稳定工作时，其转速办与驱动电机输入频率f之比约为填料的特性参数碟片填料特性参数：空隙率比表面积相邻2个波纹之间距离为4mm；波纹深度为2mm，碟片数量为52；相邻2个碟片间的距离为3.丝网填料特性参数：空隙率比表面积装填密度为填料丝径d=0. 225mm，材料密度P=7 2两种填料旋转床流体力学特性实验结果与对比分析2.1两种填料旋转床功耗特性对比当旋转床转速一定时，对碟片填料旋转床和丝网填料旋转床消耗的功率情况进行分析表明：两种填料的旋转床消耗的功率均随着液流量的增大而呈线性增大。比较而言，碟片填料旋转床消耗的功率随液流量增大得更快。/h时，相同液流量下，碟片填料旋转床消耗的功率大于丝网填料旋转床消耗的功率。/h，气流量为35m3 /h时，碟片填料旋转床和丝网填料旋转床消耗的功率随旋转床转速变化的情况。由可见：在液流量不变时，旋转床消耗的功率随转速的增大而增大。液流量不变时的功耗对比当旋转床转速低于38rad/s时，相同转速下，丝网填料旋转床消耗的功率略大于碟片填料旋转床消耗的功率；当旋转床转速高于38rad/s时，相同转速下，碟片填料旋转床消耗的功率略大于丝网填料旋转床消耗的功率。2两种填料旋转床气体压降特性对比当液流量和转速均固定时，对碟片填料旋转床与丝网填料旋转床的气体压降对比分析表明：在相同液流量和相同旋转床转速的操作条件下，在本实验研究的范围内，碟片填料旋转床的气体压降高于丝网填料旋转床的气体压降约50Pa.这可能是因为碟片填料的空隙率小于丝网填料的空隙率，使碟片填料阻碍气体流动的摩擦阻力较丝网填料大，从而导致气体通过碟片填料的气体压降大于丝网填料。当气流量和转速不变时，对碟片填料旋转床与丝网填料旋转床的气体压降对比分析表明：对于丝网填料旋转床，随液流量的增大，气体压降反而下降。本文认为：当液体从其分布器喷出到达填料层时，由于填料对液体的加速作用，使液体向外甩出时在液体的后方形成低压区，内腔气体迅速补充这一低压区使得通过填料的气体压降有所减小。据报道，丝网填料旋转床这一减小值在液流量达到某一极值点后将有所减小，这是由于随着液流量的继续增大，液体阻塞气体流道的作用变得显著，从而使得气体流经旋转床的气体压降有所增大。但在本实验研究中，结果未出现报道的极值点情况，可能是本实验研究中液流量没有达到液体产生阻塞效应的门槛值，这也说明丝网填料特别适用于大液流量的AIP废气处理系统。碟片旋转床气体压降随液流量的增大而增大。这是因为：虽然碟片填料内缘也存在与丝网填料内缘一样的低压区，但由于结构不同的原因，当液流量增大时，液体通过旋转床的径向速度增大，因而使得气液两相径向相对速度增大，摩擦阻力增大较丝网填料旋转床显著得多，从而使得气体流经旋转床的总气体压降增大。由于（1）和（2）中所述的原因，在气流量和转速不变的操作条件下，当液流量小于6.8m3/h时，相同液流量下，丝网填料旋转床的气体压降大于碟片填料旋转床的气体压降；当液流量大于6.8m3/h时则相反。/h）不变时碟片填料旋转床与丝网填料旋转床的气体压降对比图。由可见：在气流量和液流量均不变的操作条件下，相同转速时，碟片旋转床气体压降大于丝网填料旋转床气体压降。对于碟片填料旋转床，当其转速低于60rad/s时，填料层气体压降相对于进、出口气体压降很小，因而气体通过旋转床的气体压降等于进、出口气体压降，其值基本保持不变。当旋转床的转速大于60rad/s时，碟片旋转床气体压降随转速增大急剧增大，这是因为此时气体流经填料的气体压降随转速明显增大，使得总气体压降也明显增大。但对于丝网填料旋转床，由于主体气体压降在实验范围内随转速的变化接近线性关系，故其总气体压降增长较为平稳。3理论模型计算值与实验值的对比分析3.1功耗理论模型计算值与实验值的对比1碟片填料旋转床功耗理论模型1.2丝网填料旋转床功耗理论模型3功耗模型计算值与实验值的误差情况对碟片填料和丝网填料旋转床理论值与实验值的对比分析表明：理论值与实验值吻合较好，其相对误差分别在±15%和±5%以内。3.2气体压降理论模型计算值与实验值的对比2.1碟片填料旋转床气体压降理论模型根据，计算碟片填料旋转床气体压降的半经验公式为：旋转床内的径向流速。2丝网填料旋转床气体压降理论模型根据，计算丝网填料旋转床气体压降的半经验公式为：余各符号的意义与式（3）相同。3气体压降模型计算值与实验值的误差情况对碟片填料和丝网填料旋转床气体压降理论值与实验值的对比分析表明：理论值与实验值吻合较好，相对误差分别小于20%和10%. 4结束语在液流量和旋转床转速不变的操作条件下，碟片填料旋转床的气体压降大于丝网填料旋转床的气体压降约50Pa在气流量和转速不变的操作条件下，当液流量小于6. /h时，相同液流量下，丝网填料旋转床的气体压降大于碟片填料旋转床；当液流量大于6. /h时，相同液流量下，丝网填料旋转床气体压降小于碟片填料旋转床。在气流量和液流量不变的操作条件下，相同转速下碟片旋转床气体压降大于丝网填料旋转床气体压降。