專利名稱:拉伐爾噴管氣液摻混器設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及氣液摻混器技術(shù)領(lǐng)域,更具體的說(shuō),涉及一種利用拉伐爾噴管原理的拉伐爾噴管氣液摻混器設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù):
在石油、化工等領(lǐng)域,氣體和液體摻混后以兩相流的形式通過(guò)管道運(yùn)輸。此類混輸工藝大致可以分為兩類1氣液分離后利用多相泵加壓輸送,2氣液分離后分別用氣泵和液泵加壓,摻混后輸送?;燧斶^(guò)程中多相流進(jìn)口摻混狀態(tài)對(duì)上、下游設(shè)備和管線的運(yùn)行有一定影響,特別是出現(xiàn)大規(guī)模氣態(tài)斷塞流時(shí)容易對(duì)泵造成損壞,并會(huì)引起混輸管道的大幅振動(dòng),導(dǎo)致管道破損。因此,摻混器作為混輸過(guò)程中的關(guān)鍵部位,應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大規(guī)模氣態(tài)斷塞。
目前常見的氣液摻混器進(jìn)氣段靜壓超過(guò)進(jìn)液端液體總壓時(shí),摻混器將出現(xiàn)氣態(tài)斷塞。而采用拉伐爾噴管的氣液摻混器,通過(guò)將進(jìn)氣端氣動(dòng)堵塞點(diǎn)設(shè)計(jì)在額定氣液摻混比附近,主動(dòng)限制進(jìn)氣端氣體壓力升高時(shí)的氣體流量,從而保證在進(jìn)氣壓力發(fā)生大幅度波動(dòng)時(shí)摻混器的正常工作,從根本上避免大規(guī)模斷塞流的出現(xiàn)。通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)堵塞點(diǎn)參數(shù),這種類型的摻混器還可以根據(jù)需要進(jìn)行氣液兩相流流態(tài)控制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明提供的拉伐爾噴管氣液摻混器設(shè)計(jì)方法,包括如下步驟(1)給定進(jìn)入摻混器的氣體、液體壓力波動(dòng)范圍;(2)給定摻混器氣液兩相流排出口管道直徑;
(3)給定進(jìn)入摻混器的液體流量;(4)給定或根據(jù)流型圖計(jì)算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比,并結(jié)合步驟(1)中的參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的氣體質(zhì)量流量;(5)根據(jù)步驟(4)中得到的氣液體積比,計(jì)算出摻混器中摻混截面處氣體通流面積與液體通流面積之比;(6)根據(jù)步驟(1)和(3)中的各參數(shù)計(jì)算出拉伐爾噴管喉道面積及半徑;(7)根據(jù)步驟(2)、(5)和(6)中的各參數(shù),采用簡(jiǎn)單分段曲線生成摻混器的內(nèi)部型面。
所述的拉伐爾摻混器設(shè)計(jì)方法,拉伐爾噴管流量及喉道參數(shù)計(jì)算,還包括對(duì)對(duì)步驟(6)中的摻混器內(nèi)部型面的造型。
所述的氣液摻混器設(shè)計(jì)方法,,在步驟(4)中所述的根據(jù)流型圖計(jì)算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比方法是在垂直下降管流型圖、垂直上升管流型圖、水平管流型圖(如泰特爾流型圖、貝克流型圖或曼德漢流型圖)等氣液兩相流流型圖上確定摻混后氣液兩相流的流動(dòng)狀態(tài)點(diǎn),根據(jù)步驟(1)、(2)和(3)中的各參數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的氣體流量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)能夠防止摻混過(guò)程發(fā)生氣態(tài)斷塞。
2)可以對(duì)下游管道中的氣液兩相流流型進(jìn)行控制。
圖1是利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計(jì)流程圖;圖2摻混腔設(shè)計(jì)圖;圖3摻混頭采用雙圓錐直管喉道造型法的設(shè)計(jì)圖;圖4摻混頭采用雙圓錐圓弧喉道造型法的設(shè)計(jì)圖;圖5采用雙圓錐直管喉道造型法設(shè)計(jì)的一個(gè)摻混器示意圖;圖6流量隨氣液壓差變化的計(jì)算結(jié)果圖;圖7摻混器氣進(jìn)氣端、進(jìn)液端壓力變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖;
圖8為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖;圖9為摻混頭結(jié)構(gòu)圖;圖10為摻混腔結(jié)構(gòu)圖。
附圖中參數(shù)如下(1)雙圓錐直管喉道造型法摻混器出口管徑Dmix;摻混器內(nèi)管(進(jìn)氣管)直徑Dg;摻混器內(nèi)管收縮角α1;摻混器內(nèi)管擴(kuò)張角α2;摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr;摻混器內(nèi)管喉道長(zhǎng)度lcr;摻混器氣體噴嘴出口直徑d1;摻混腔收縮角β1;摻混腔擴(kuò)張角β2;摻混腔喉道直徑dm;摻混器外管(進(jìn)液環(huán)管外環(huán))直徑Dmix;(2)雙圓錐圓弧喉道造型法摻混器出口管徑Dmix;摻混器內(nèi)管(進(jìn)氣管)直徑Dg;摻混器內(nèi)管收縮角α1;摻混器內(nèi)管擴(kuò)張角α2;摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr;摻混器內(nèi)管喉道過(guò)渡圓半徑長(zhǎng)度rc;摻混器氣體噴嘴出口直徑d1;摻混腔收縮角β1;摻混腔擴(kuò)張角β2;摻混腔喉道直徑dm;摻混器外管(進(jìn)液環(huán)管外環(huán))直徑Dmix;
(3)bezier曲線造型法摻混器出口管徑Dmix;摻混器內(nèi)管(進(jìn)氣管)直徑Dg;摻混器內(nèi)管收縮角α1;摻混器內(nèi)管擴(kuò)張角α2;摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr;摻混器氣體噴嘴出口直徑d1;摻混腔收縮角β1;摻混腔擴(kuò)張角β2;摻混腔喉道直徑dm;摻混器外管(進(jìn)液環(huán)管外環(huán))直徑Dmix;具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
(1)圖1給出了利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計(jì)流程圖。如圖1所示,在設(shè)計(jì)的第一步必須給定進(jìn)入摻混器的氣體壓力波動(dòng)范圍Pg-min-Pg-max、液體壓力波動(dòng)范圍Pl-min-Pl-max。Pg-min、Pg-max、Pl-min、Pl-max這幾個(gè)參數(shù)是根據(jù)摻混器的實(shí)際工作狀態(tài)由設(shè)計(jì)者給出的數(shù)值,可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得。一般情況下,如果摻混器上游安裝了氣泵和液泵,Pg-min、Pg-max可按氣泵說(shuō)明書中工作特性線對(duì)應(yīng)的最小壓力、最大壓力值減去泵出口到摻混器入口的管道壓力損失獲得,Pl-min、Pl-max按液泵說(shuō)明書中工作特性線對(duì)應(yīng)的最小壓力、最大壓力值減去泵出口到摻混器入口的管道壓力損失獲得。如果進(jìn)入摻混器的氣體和液體沒(méi)有經(jīng)過(guò)氣泵、液泵的加壓,而是直接來(lái)自分離罐或氣罐、液罐。則Pg-min、Pg-max、Pl-min、Pl-max分別對(duì)應(yīng)分離罐或氣罐、液罐中儲(chǔ)存氣體、液體的最大壓力值和最小壓力值。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,摻混器進(jìn)氣口壓力Pg取Pg-max,進(jìn)液口壓力Pl取Pl-min。
(2)氣液兩相流排出口管道直徑Dmix取下游氣液兩相流混輸管道的直徑。
(3)如果液體由液泵加壓后進(jìn)入摻混器,則進(jìn)入流量Ql取液泵的額定流量。如果進(jìn)入摻混器的液體沒(méi)有經(jīng)過(guò)液泵,則Ql值由計(jì)算或?qū)嶒?yàn)的方式獲得,或直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出估計(jì)值;(4)摻混器中摻混后的兩相流流體壓力與摻混器進(jìn)液壓力差別很小,因此混合流體的壓力Pmix在設(shè)計(jì)中取摻混器進(jìn)液口壓力Pl。
(5)如果對(duì)摻混器出口氣液比有具體要求時(shí),按給定的氣液比λ及液體流量Ql計(jì)算出Pmix壓力下的氣體體積流量Qg(Qg=Ql×λ),然后根據(jù)Pmix下氣體的密度ρ計(jì)算出氣體的質(zhì)量流量 (m·g=ρ×Qg);]]>(6)如果對(duì)摻混器出口氣液兩相流流態(tài)有具體要求時(shí),根據(jù)流態(tài)要求在流型圖上估計(jì)工況點(diǎn),并計(jì)算出相應(yīng)的摻混后兩相流體的氣液體積比λ,參照(5)中的計(jì)算方法算出相應(yīng)的氣體質(zhì)量流量 (7)根據(jù)拉伐爾噴管發(fā)生氣動(dòng)堵塞時(shí),堵塞流量 與拉伐爾噴管喉口面積σ*之間有如下關(guān)系m·max=Kp0T0σ*]]>其中K是與氣體相關(guān)的系數(shù),系數(shù)K=(γR)12(2γ+1)γ+12(γ-1)]]>,式中γ為氣體熱容比,R為氣體常數(shù)??諝猞茫?.4,R=287J/(kg K),因此空氣發(fā)生壅塞時(shí)的系數(shù)K值為0.04042,當(dāng)摻混器上游為分離罐時(shí),p0、T0為上游氣體總溫、總壓。在設(shè)計(jì)中,P0取值為Pg-max,T0可之間取進(jìn)入摻混器的氣體平均溫度。依照此關(guān)系式,摻混器氣體氣體摻混頭噴嘴的喉道直徑dcr為dcr=4m·gT0πKP0]]>(8)將氣液體積比λ定為摻混器中摻混截面處氣體通流面積與液體通流面積之比。摻混器中的氣體摻混頭噴嘴出口截面位于摻混面上,其半徑為rg-ex,相應(yīng)的氣體通流面積為Ag-mix=πrg-ex2。設(shè)在摻混面處摻混腔的半徑為rm,則液體通流面積為Al-mix=π(rm2-rg-ex2),且滿足Ag-mix/Ag-mix=λ;(9)摻混腔的作用是提高摻混后短距離內(nèi)的摻混均勻程度。如圖2所示,摻混腔為簡(jiǎn)單文氏管形,由兩個(gè)錐面構(gòu)成。A-A截面為摻混面,即摻混腔喉道,其半徑為rm,對(duì)應(yīng)的直徑為dm。摻混腔收縮角β1,摻混腔擴(kuò)張角β2,摻混器外管(進(jìn)液環(huán)管外環(huán))直徑Dl,摻混器出口直徑Dmix。在設(shè)計(jì)過(guò)程如下確定摻混腔收縮角β1。β1的推薦范圍為30°~60°。
確定dm,dm的大小決定了摻混腔面積收縮率,將影響摻混器出口一段距離之內(nèi)的摻混均勻程度,dm取值越小,摻混均勻程度越好,但流動(dòng)阻力越大。dm推薦范圍為0.4~0.7Dl。
確定摻混腔擴(kuò)張角β2,β2的推薦范圍為15°~30°。
摻混腔收縮段長(zhǎng)度L1=Dl-dm2tg(0.5β1)]]>,混腔擴(kuò)張段長(zhǎng)度L2=Dl-dm2tg(0.5β2)]]>總長(zhǎng)度Lmix=L1+L2(10)摻混器氣體噴嘴外形如圖3所示。其氣體出口截面在安裝過(guò)程中必須與摻混腔摻混腔喉道A-A在同一平面上,氣體出口截面半徑rg-ex為安裝步驟(8)中給定的方法計(jì)算出的數(shù)值,dg-ex為相應(yīng)的直徑。噴嘴外部收縮面為錐面,長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,即摻混腔收縮段長(zhǎng)度,dg2為摻混器進(jìn)氣管道外直徑。
(11)采用雙圓錐直管喉道造型法設(shè)計(jì)的氣體摻混頭內(nèi)腔剖面如圖4所示。
采用雙圓錐直管喉道造型法設(shè)計(jì)的氣體摻混頭內(nèi)腔表面為軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)面,由兩個(gè)圓錐面和一段直管段構(gòu)成。摻混器氣體噴嘴內(nèi)管收縮角α1推薦值范圍為60°~90°,擴(kuò)張角α2推薦值范圍為20°~40°,在具體選值時(shí)可根據(jù)摻混頭氣嘴的總長(zhǎng)度要求或其他工藝要求適當(dāng)調(diào)整。摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr為步驟(7)中的計(jì)算值,喉道長(zhǎng)度lcr為1~3mm??紤]到出口修圓的需要,摻混器氣體噴嘴出口直徑d1比噴嘴出口外直徑dg-ex小1~2mm。
收縮段長(zhǎng)度LA=Dg-dcr2tg(0.5α1)]]>,混腔擴(kuò)張段長(zhǎng)度LB=dl-dcr2tg(0.5α2).]]>
(12)采用雙圓錐圓弧喉道造型法設(shè)計(jì)氣體摻混頭內(nèi)腔剖面如圖5所示;采用雙圓錐圓弧喉道造型法設(shè)計(jì)的氣體摻混頭內(nèi)腔表面為對(duì)稱旋轉(zhuǎn)面,其母線由兩段直線和一段圓弧構(gòu)成。摻混器內(nèi)管收縮角α1推薦值范圍為60°~90°,擴(kuò)張角α2推薦值范圍為20°~40°,在具體選值時(shí)可根據(jù)實(shí)際要求適當(dāng)調(diào)整。摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr為步驟(7)中的計(jì)算值。考慮到出口修圓的需要,摻混器氣體噴嘴出口直徑d1比噴嘴出口外直徑dg-ex小1~2mm。
設(shè)坐標(biāo)系原點(diǎn)為噴嘴出口截面圓心,x軸為旋轉(zhuǎn)軸(即管道中軸線),中間圓弧段BD的半徑為rc,rc推薦值范圍為0.2~0.3Dg,圓弧段BD的定點(diǎn)為C,其y坐標(biāo)為yc=-0.5dcr,圓弧對(duì)應(yīng)的圓心O的y坐標(biāo)為yo=-(0.5dcr+rc)。
E點(diǎn)y坐標(biāo)為yE=-0.5d1E點(diǎn)x坐標(biāo)為xE=0D點(diǎn)y坐標(biāo)為yD=y(tǒng)O+rcctg(0.5α2)D點(diǎn)x坐標(biāo)為xD=(0.5d1-yB)/ctg(0.5α2)O點(diǎn)x坐標(biāo)為xO=xB-rctg(0.5α2)C點(diǎn)x坐標(biāo)與O點(diǎn)相同xc=xOB點(diǎn)y坐標(biāo)為yB=y(tǒng)O+rcctg(0.5α1)B點(diǎn)x坐標(biāo)為xB=xO-rctg(0.5α1)A點(diǎn)y坐標(biāo)為yA=-0.5DgA點(diǎn)x坐標(biāo)為xA=xB-(yB-yA)/tg(0.5α1)因此,收縮段圓錐軸向長(zhǎng)度LA=|xB-xA|,擴(kuò)張段圓錐軸向長(zhǎng)度LB=|xE-xD|。
(13)氣體摻混頭內(nèi)腔剖面還可以采用其他通用拉伐爾噴管設(shè)計(jì)方法,但必須保證喉道直徑dcr。
(14)圖6為一個(gè)采用雙圓錐直管喉道造型法設(shè)計(jì)的拉伐爾噴管摻混器。圖7顯示了噴嘴氣體流量與摻混器進(jìn)氣壓力的關(guān)系曲線。從曲線中可以看出,當(dāng)出現(xiàn)氣動(dòng)堵塞之后,氣體流量隨壓力升高的增長(zhǎng)曲線得到了極大的遏制。圖8為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖,圖中氣體壓力變化曲線,液體壓力變化曲線,混合后流體壓力變化曲線,氣端壓力與進(jìn)液端壓力的差值變化曲線。從圖中可以看出,出現(xiàn)氣動(dòng)堵塞之后,摻混腔壓力隨摻混器進(jìn)氣壓力的升高而變化的趨勢(shì)不明顯,摻混器在進(jìn)氣壓力遠(yuǎn)高于進(jìn)液壓力時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)斷塞現(xiàn)象。
示例為了對(duì)本發(fā)明的使用做進(jìn)一步的闡述,現(xiàn)舉例如下問(wèn)題描述上游儲(chǔ)氣罐中氣體為空氣,壓力的額定壓力為表壓2.5bar,工作時(shí)的壓力波動(dòng)范圍為表壓2-4bar,輸氣管道內(nèi)徑為35毫米。上游液泵的最大揚(yáng)程為25米,約合表壓2.5bar,流量為每小時(shí)2立方米,液體在管道內(nèi)最低壓力為表壓2.0bar,輸液管道內(nèi)徑為50毫米。摻混后混輸管道的內(nèi)徑為50毫米,要求摻混后的氣液體積比約為1∶1,氣體體積占混合流體體積的百分比不能超過(guò)70%。流體摻混前后的溫度均為室溫,按25攝氏度計(jì)算。
根據(jù)問(wèn)題要求,可以確定的設(shè)計(jì)參數(shù)為Pg-min=3.0×105Pa(絕壓)Pg=3.5×105Pa(絕壓)Pg-max=5.0×105Pa(絕壓)Pl-min=3.0×105Pa(絕壓)Pmix=Pl-min=3.0×105Pa(絕壓)Dmix=50mmDgas_in=35mmDliquid_in=50mmQl=2m3/hour=5.56×10-4m3/s額定工況下混合流體氣液比λ=1,最大允許值為λ=70%/30%=2.33T0=T=273+25=298K(上游氣罐總溫T0與管道內(nèi)溫度T均視為25攝氏度,合絕對(duì)溫標(biāo)298K)在額定工況下Qg=Ql=5.56×10-4m3/s最大允許值為Qg_max=2.33Ql=1.30×10-3m3/s
25攝氏度的空氣在Pmix(2.0×105Pa)下的密度ρg約為3.87kg/m3在額定工況下空氣質(zhì)量流量m·g=ρg×Qg=2.15×10-3kg/s]]>空氣質(zhì)量流量最大允許值為m·g_max=ρg×Qg_max=5.01×10-3kg/s]]>發(fā)生壅塞現(xiàn)象時(shí),系數(shù)K=(γR)12(2γ+1)γ+12(γ-1)]]>,將空氣的γ、R值帶入計(jì)算得K=0.04042。
將以上條件帶入公式dcr=4m·gT0πKPg]]>,計(jì)算得喉道直徑dcr=2.8×10-3m=2.8mm,對(duì)應(yīng)喉道面積σ*=6.11×10-6m2將Pg-min、Pg-max帶入公式m·max=Kp0T0σ*]]>,計(jì)算得Pg-min下噴管氣體最大質(zhì)量流量為4.3×10-3kg/s,此時(shí)混合后流體的體積含氣率為46%。Pg-max下噴管氣體最大質(zhì)量流量為7.2×10-3kg/s,此時(shí)混合后流體的體積含氣率為59%。結(jié)果表明,喉道尺寸完全滿足要求。
由于喉道直徑只有2.8mm,考慮到加工問(wèn)題,摻混器氣體噴嘴形式采用采用雙圓錐直管喉道造型法。
摻混腔面積收縮率定為2∶1,即dm=0.7Dl。
剩余的其他設(shè)計(jì)步驟按“具體實(shí)施方式
”中介紹的步驟進(jìn)行,最終設(shè)計(jì)出的摻混器尺寸如圖9、圖10所示,其中圖9為摻混頭,圖10為摻混腔,完整的摻混器組合圖如圖6所示,圖中摻混頭與摻混腔之間的連接法蘭有約4mm寬的距離,這是保留給密封墊的厚度。
權(quán)利要求
1.一種利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計(jì)方法,包括如下步驟(1)給定進(jìn)入摻混器的氣體、液體壓力波動(dòng)范圍;(2)給定摻混器氣液兩相流排出口管道直徑;(3)給定進(jìn)入摻混器的液體流量;(4)給定或根據(jù)流型圖計(jì)算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比,并結(jié)合步驟(1)中的參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的氣體質(zhì)量流量;(5)根據(jù)步驟(4)中得到的氣液體積比,計(jì)算出摻混器中摻混截面處氣體通流面積與液體通流面積之比;(6)根據(jù)步驟(1)和(3)中的各參數(shù)計(jì)算出拉伐爾噴管喉道面積及半徑;(7)根據(jù)步驟(2)、(5)和(6)中的各參數(shù),采用簡(jiǎn)單分段曲線生成摻混器的內(nèi)部型面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉伐爾摻混器設(shè)計(jì)方法,其特征在于,拉伐爾噴管流量及喉道參數(shù)計(jì)算,還包括對(duì)對(duì)步驟(6)中的摻混器內(nèi)部型面的造型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液摻混器設(shè)計(jì)方法,其特征在于,在步驟(4)中所述的根據(jù)流型圖計(jì)算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比方法是在垂直下降管流型圖、垂直上升管流型圖、水平管流型圖氣液兩相流流型圖上確定摻混后氣液兩相流的流動(dòng)狀態(tài)點(diǎn),根據(jù)步驟(1)、(2)和(3)中的各參數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的氣體流量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計(jì)方法,包括如下步驟給定進(jìn)入摻混器的氣體、液體壓力波動(dòng)范圍;給定進(jìn)入摻混器的進(jìn)氣口、進(jìn)液口及氣液兩相流排出口管道直徑;給定進(jìn)入摻混器的液體流量,給定或根據(jù)流型圖計(jì)算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比,并計(jì)算出相應(yīng)的氣體質(zhì)量流量;計(jì)算出拉伐爾噴管喉道面積及半徑;根據(jù)給定的管道直徑及拉伐爾噴管喉道直徑,采用簡(jiǎn)單分段曲線生成摻混器的內(nèi)部型面。本發(fā)明氣體質(zhì)量流量可以由人為給定或根據(jù)流型圖計(jì)算獲得。本發(fā)明可以避免在液氣摻混過(guò)程中發(fā)生大規(guī)模氣態(tài)斷塞,并且可以根據(jù)要求控制摻混后流體的流態(tài),對(duì)改進(jìn)氣液混輸狀況有非常積極的作用。
文檔編號(hào)B01F15/04GK1958138SQ200510086740
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者肖翔, 趙曉路, 李清平, 安維杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所, 中海石油研究中心, 中國(guó)海洋石油總公司