设计参数对涡流二极管泵性能影响的试验研究 焦磊.doc

中国工程热物理学会 流体机械 2009年学术会议论文 编号：097071 设计参数对涡流二极管泵性能影响的试验研究 焦磊, 王乐勤, 王循明, 尹俊连 （浙江大学 化工机械研究所，浙江 杭州 310027） TEL Email：hj_wlq4@zju.edu.cn 摘 要：涡流二极管流体泵输送系统是一种新型的用于高危流体输送的无运动部件免维修输送系统，为了得到该系统包括操作条件在内的最优设计方法，建立了无运动部件的涡流二极管流体泵输送系统试验装置，对气源压力、供液槽液位及气液换能筒内液位变化行程等关键设计参数系列变化条件下系统的水力性能进行了系列研究。试验结果表明，涡流二极管泵系统的时均排液量、容积效率及脉冲周期等性能参数对气源压力、供液槽液位及气液换能筒内液位变化行程等设计参数的变化具有高度敏感性，可以通过调节上述设计参数获得实际需要的系统性能参数。 关键词：设计参数；免维修；涡流二极管；性能参数；试验装置 引 言 涡流二极管泵装置是一种不含任何运动部件的免维修输送系统[1]，具有很多现有输送系统没有的优点。该系统于20世纪70年代由英国核燃料公司与Sheffield、Cardiff大学合作研究，充分利用涡流二极管在不同流向条件下因内流特征不同而呈现出巨大阻力差异的特性，开发了气液脉冲式涡流二极管流体输送系统，用于核工业后处理过程乏燃料输送[2]。近十年来，我国由于核电方面的大力发展，出于核电工业持续、健康发展的全面考虑，同样有发展该类型流体泵的需要。一方面，随着我国核电装机容量的增大，核乏燃料的产生量将大幅度增长，预计到2020年，我国将产生约900吨/年的乏燃料，相当于之前15年产生的乏燃料总和 试验装置和试验方法 2.1 试验装置 试验装置按实际模型1：1比例进行搭建，如图1所示，试验装置系统主要包括脉冲气体驱动装置、气液换能筒、两个涡流二极管、供液罐、回收罐以及输送管线等，其中脉冲气体驱动装置由稳压气罐、电磁阀、压缩喷射器和真空喷射器及相应管路连接而成，是系统的动力供用单元；气液换能筒可以看作一个没有运动部件的气液活塞筒，它以气液交界面取代传统刚性活塞将驱动气体能量传递给待输送的液体；两个涡流二极管成对布置，是完成液体输送的关键控制单元，在系统中作为阻力元件，且假定单一流向下阻力系数保持恒定；供液罐为圆筒形开口容器，罐内液位可以调节；回收罐则采取管路与液面悬空的方式，并可通过管路直接回流到供液罐中，也可回流至量筒等称量装置。输出管在不同高度设立多个输出控制阀，从而可进行不同输送高度时系统的性能测试。 图 1 涡流二极管泵试验装置示意图 1 涡流二极管；2回收罐；3 供液槽； 4气液换能筒；5 脉冲气体驱动装置 2.2 试验方法 试验过程中，采用自行设计的试验测控系统完成电磁阀的自动开关切换和试验数据的记录存储，其中流量由电磁流量计测量，包括总管、排液支管及供液支管流量(Qh，Qo，Qs)，压力采用压力变送器采集，包括真空喷射器工作压力(Pv)，压缩喷射器工作压力(Pp)，气液换能筒进、出口工作压力(Pg，Pl)、排液支管二极管泵进出口压力(Poi，Poo)，供液支管流二极管泵进出口压力(Psi，Pso)，液位探测器反应能量置换筒内液位变化数据，所有测量仪表均可输出标准电压信号，通过智能A/D板卡转换成计算机直接处理的信号，同时板卡可以输出数字量驱动电磁阀控制真空喷射器以及压缩喷射器的开闭，真空喷射器以及压缩喷射器共用同一个压缩气源。 因乏燃料溶液的物理特性与水很相似，因此试验用水为介质，试验前先由补水泵向供液槽供水，并使供水槽液位保持在设定高度，之后打开试验测试系统进行设备参数设定，主要包括供液槽液位、涡流二极管泵及换能筒的结构参数和安装位置，再进行自动控制过程设定，启动方式设置为先吸后压，整个系统的工作过程分为三个阶段，即反吸-压冲-排气，三个阶段通过两个电磁阀的启闭控制，具体切换控制过程如下：⑴反吸-压冲：试验开始时为反吸过程，真空喷射器前电磁阀（简称真空阀）打开，压缩喷射器前电磁阀（简称压喷阀）关闭，气液换能筒内液位上升至设定上限液位时，真空阀关闭，压喷阀打开，压冲过程开始；⑵压冲-排气：气液换能筒内液位被压冲至设定下限液位时，压喷阀及真空阀均关闭，进入自然排气过程；⑶排气-反吸：排气至气液换能筒内压力降至设定值时，压喷阀继续关闭，真空阀打开，又开始反吸过程，如此循环构成整个试验系统的工作过程，其中气液换