CN104933221B - Kenics HEV静态混合器效率和压降的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Kenics HEV静态混合器效率和压降的计算方法，该方法包括：利用式Ⅰ计算静态混合器出口处混合效率η，利用式Ⅱ计算静态混合器中轴线上的静压降p：本发明提供的方法，建立了静态混合器各参数和混合效率、中轴线压力降之间的关系式，再很短时间内能够较准确的得到在不同的翼片类型、翼片倾角和具体的工艺条件下，静态混合器出口处混合效率和中轴线上静压力降值，有效避免了实际工程中的反复调试问题，有很好的实用性和可行性。

Description

Kenics HEV静态混合器效率和压降的计算方法

技术领域

本发明属于水处理设备工程领域，具体涉及一种Kenics HEV静态混合器在实际工程中效率和压降的计算方法。

背景技术

水处理过程中经常会碰到流体混合问题，由于机械搅拌设备体积庞大、使用效率低下、操作繁琐、能耗高等诸多缺点，人们积极寻找能够有条件的替代机械搅拌的设备。而作为混合用的静态混合器就应运而生，目前广泛应用的“管式(Kenics HEV)静态混合器”就是其中的混合设备之一。它是一种在线混合方式，流体和药剂按照一定的比例不间断地流进混合器，经过均匀混合后仍不间断的流向下一道工序。该技术广泛运用于化工、制药、食品、环保等行业，与传统的搅拌混合设备相比，静态混合器具有使用可靠、过流能力大、适应性强、投资少、管理维修方便等优点。

我国对混合器的研究始于1977年，目前上海化工研究院、清华大学、大连石化公司、江苏启东混合器厂在从事混合器的研究和制造工作。但是研究内容也都局限在国外的产品的性能特点上，研究方法多采用实验手段。

而针对某一具体工艺过程计算静态混合器效率和压降时，目前国内采取的方法大多是需要借助基础研究和实际经验，做半经验半理论的估算，这样容易导致结果不准确等问题，而目前国内还没有出现任何一种成型的技术方法能进行简单、快速、有效的计算。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种简单、快速、有效的KenicsHEV静态混合器效率和压降的计算方法。该方法通过建立静态混合器各参数和出口处效率、中轴线上静压降之间的关系式，实现对静态混合器效率和压降的较准确计算。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

Kenics HEV静态混合器效率和压降的计算方法，其特征在于，该方法包括：利用式Ⅰ计算静态混合器出口处混合效率η，利用式Ⅱ计算静态混合器中轴线上的静压降p：

式中：

U为Kenics HEV静态混合器入口处流体速度，m/s；

D为Kenics HEV静态混合器入口当量直径，m；

ρ为流体的密度，取1×10³，kg/m³；

ν为流体的运动黏性系数，取1×10^-6，m²/s；

a、b、c、d均为常数，-2≤a≤2，-2≤b≤2，-2≤c≤2，-2≤d≤2。

对于翼片类型为细长翼片，翼片安装倾斜角度为60度，两组叶片，每组4片的Kenics HEV静态混合器：

a＝1.195，b＝-0.023，c＝-1.86，d＝0.0626。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的方法，建立了静态混合器各参数和混合效率、中轴线压力降之间的关系式，再很短时间内能够较准确的得到在不同的翼片类型、翼片倾角和具体的工艺条件下，静态混合器出口处混合效率和中轴线上静压力降值，有效避免了实际工程中的反复调试问题，有很好的实用性和可行性。

附图说明

图1为翼片的几何参数定义示意图。

图2为静态混合器几何模型。

图3为计算网格翼片表面网格图。

图4为计算网格进口网格图。

图5为计算网络出口网络图。

图6为细长翼片60度倾角下效率与直径关系图。

图7为细长翼片60度倾角下效率与速度关系图。

图8为细长翼片60度倾角下中轴线上静压降与直径关系图。

图9为细长翼片60度倾角下中轴线上静压降与速度关系图。

图10为效率与直径拟合关系曲线及模拟曲线对比图(入口速度为0.5m/s)。

图11为效率与速度拟合关系曲线及模拟曲线对比图(直径为200mm)。

图12为中轴线上静压降与速度拟合关系曲线及模拟曲线对比图(直径为200mm)。

图13为中轴线上静压降与直径拟合关系曲线及模拟曲线对比图(入口速度为0.5m/s)。

其中，各标号的含义为：H1为翼片顶宽、H2为翼片底宽、H3为翼片顶端中点到翼片底端弧面最低点的高度；D-静态混合器直径；Q-水量。

以下结合附图和实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

本申请通过数值模拟和散点拟合等过程达到本发明的目的，具体过程如下：

数值模拟：

1、假定混合器内无化学反应发生，流动属于双组分单一液相流，在相同的条件(投药方式采用同心圆式，流体采用水，混凝剂与水混合比9:91，管道长度为5倍的管道直径)下选取某种翼片类型、翼片倾角、以同种型号五中不同管道直径D1、D2、D3、D4和D5的静态混合器为计算模型，确定进口段长度，确定投料时同心圆的半径r。效率和压降的测量点为从第二组叶片根部起计算5D处。翼片在混合器内安装时，分为2组或3组，每组翼片可选个数为4片、6片和8片，组与组之间以混合器直径为间距等距分布，每组翼纵向等距均匀分布。投药口流速与静态混合器进口速度相等。

以上参数及条件确定后，采取算法模型及边界条件，建立模型；

所述的算法模型及边界条件主要是采用标准k-ε双方程模型，算法采用SIMPLE算法，对流项差分格式采用二阶迎分格式，近壁面采用壁面函数法处理。

模型建立采用的控制方程主要有连续性方程、动量方程、浓度方程、湍动能k方程、耗散率ε方程。

2、利用Fluent软件对1中得到的模型进行模拟计算，最终得到大翼片在60、45和30度倾角下，五种不同混合器直径及不同入口速度所分别对应的静态混合器出口处混合效率和中轴线上静压降参数值及细长翼片在45和30度倾角下，五种不同混合器直径及不同入口速度所分别对应的静态混合器出口处混合效率和中轴线上静压降参数值。

推导公式(1)和(2)：

根据2中模拟出的真实值，给定某种翼片类型、某个倾角，在绘图软件中分别做出效率η与直径D、效率η与入口速度U的曲线，根据点的走势并结合量纲一致性原理，假设效率公式为公式(1)。

根据2中模拟出的真实值，给定某种翼片类型、某个倾角，在绘图软件中分别做出中轴线上静压降p与直径D、中轴线上静压降p与入口速度速度U的关系图，根据点的走势并结合量纲一致性原理和效率公式，假设该中轴线上静压降为公式(2)。公式(1)和(2)中包含未知数a、b、c、d，与给定翼片类型、具体顷角有关。

其中，U为Kenics HEV静态混合器入口速度，m/s；

D为Kenics HEV静态混合器当量直径，m；

ρ为流体的密度，10³，kg/m³；

ν为流体的运动黏性系数，取1×10-6，m2/s；

a、b、c、d均为常数。

出口处混合效率的定义：定义不均匀系数：

其中

σ—样本方差 —次相样本平均浓度

c_1,n—次相样本某点浓度 Q₁、Q₂—次相与主相的浓度

定义出口处出口处混合效率为：η＝1-COV

n：样本数量，取值[0，N]；N：样本总数。

数值拟合确定(1)和(2)中a、b、c、d值：

本发明中a、b、c、d均为常数，与不同翼片类型和倾角有关。

根据上述假设的混合器出口处混合效率η表达式(1)和中轴线上静压力降p表达式(2)，结合2中Fluent软件模拟计算结果，应用散点拟合方法最终可以得到：细长翼片在45和30度倾角下，混合器出口处混合效率和混合器中轴线上静压降计算公式；大翼片在60、45和30度倾角下，混合器出口处混合效率和混合器中轴线上静压降计算公式，即确定出不同条件下的a、b、c、d的值。对最后确定的具体公式赋值，即能得到不同翼片类型、不同倾角下，静态混合器在实际工程条件下的出口处混合效率值和中轴线上压力降值，即实现了对效率和压降的较准确计算。最后，将公式计算所得出口处混合效率和中轴线上静压降值与模拟值相比较，证明公式正确性。

遵从上述技术方案，以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

实施例：

1、模型及参数：

翼片类型：细长翼片，倾斜角度：60度，两组叶片，每组4片。

对建模过程进行具体说明：

图1为所建立的计算模型示意图，该模型的建立基于实际工程中进口静态混合器，主要技术参数：

实际静态混合器(待设计静态混合器)型号63HEV-2；

根据实际静态混合器的结构参数，以D1＝200mm、D2＝500mm、D3＝1000mm、D4＝1600mm、D5＝2000mm五种不同当量直径的静态混合器为计算模型，以下以D4＝1600mm当量直径的静态混合器为例。

进口段长度为0.5D＝800mm，

投药方式采用同心圆式，投料时同心圆的半径为r＝253mm，R为静态混合器模型的半径，与实际静态混合器当量直径D的一半相等，即等于0.5D，(R/r)²＝10；流体混合效率和中轴线上压降的测量点为从第二组叶片根部起计算5D＝8000mm处。共两组细长翼片，每组4片，翼片安装角度为60度，两组翼片之间间距为D＝1600mm；同一组翼片径向上均匀等距分布。投药口流速与静态混合器进口速度相等，则混合浓度为10％，与条件相符。表1给出了细长翼片的几何参数。

表1翼片类型及几何参数

利用Fluent软件对所述细长翼片60度倾角下的计算模型进行数值模拟，表2给出了细长翼片60度倾角下的数值模拟的计算结果，列出了细长翼片60度倾角下出口处混合器效率及中轴线上静压降值。

表2细长翼片60度偏角下数值模拟计算结果表(两组翼片)

2、公式推导及函数拟合：

出口处混合效率和中轴线上静压降分别与不同翼片倾角、不同翼片类型、不同入口速度、不同当量直径有关，现根据表2中的模拟数据值，分别作出在细长翼片60度倾角下效率与直径、入口速度和中轴线上静压降与直径、入口速度的关系图，如图6-9所示。

由图6和图7可以看出，效率与直径及效率与速度有相同的走势关系，基本符合对数函数曲线形状，再结合量纲一致性原理，在效率公式中引入入口速度和当量直径等参量，假设出口处通用效率关系式再进行公式的反向论证，证明公式的正确性。

最后，结合效率公式(2)和表2中的模拟数值，通过散点数值拟合即可直接确定式中a＝1.195，b＝-0.023，即

同理，由图8和图9可以看出，中轴线上静压降与直径和速度有相同的走势关系，基本符合对数函数曲线形状，且压降和效率相关，再结合量纲一致性原理，在中轴线静压降公式中引入入口速度、直径和密度等参量，假设中轴线上通用静压降关系式为：再进行公式的反向论证，证明公式的正确性。最后，结合压降公式(3)和表2中的模拟数值，通过数值拟合可直接确定式中c＝-1.86，d＝0.0626，即：

3、公式验证：

验证方法1：图10-图13为细长翼片60度倾角下效率与直径、入口速度和中轴线上静压降与直径、入口速度的拟合图和模拟点对比图，由于可以看出，拟合曲线与模拟点之间具有很高的一致性。说明公式的正确性。

验证方法2：将数据直径D＝1600mm，入口速度U＝0.5m/s，运动粘度ν＝10^-6m²/s带入公式可计算出效率为0.8824与表2中相同条件下的效率值0.875759基本一致。同理可验证中轴线上静压降计算值与表2中也基本一致。

4、公式运用：

条件：细长翼片，倾角60度，叶片组数2组，管道直径D＝1600mm，入口速度U＝0.5m/s。

效率计算：

实施例中已确定出细长翼片及倾角60度条件下混合器出口处混合效率计算公式

代入直径D、入口速度U、运动粘度ν得到出口处混合效率值：

压降计算：

实施例中已确定出细长翼片及倾角60度条件下中轴线上静压降计算公式

代入直径D、入口速度U、运动粘度ν得到中轴线上静压降值：

即12.87mm水柱。

Claims (2)

1.Kenics HEV静态混合器效率和压降的计算方法，其特征在于：该方法包括：利用式Ⅰ计算静态混合器出口处混合效率η，利用式Ⅱ计算静态混合器中轴线上的静压降p：

式中：

U为Kenics HEV静态混合器入口处流体速度，m/s；

D为Kenics HEV静态混合器入口当量直径，m；

ρ为流体的密度，kg/m³；

ν为流体的运动黏性系数，m²/s；

a、b、c、d均为常数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：对于翼片类型为细长翼片，翼片安装倾斜角度为60度，两组叶片，每组4片的Kenics HEV静态混合器：

a＝1.195，b＝-0.023，c＝-1.86，d＝0.0626。