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1、核电厂桶外水泥固化工艺搅拌功率研究及试验验证 刘国彪 王兵臣 石兵 中国核电工程有限公司核设备所堆本体与非标设备室 中国核电工程有限公司核设备所设备结构分析室 摘 要： 本文主要论述了通过对核电厂固体废物处理系统桶外工艺 200L 混合器搅拌功率的实测, 然后根据 200L 混合器实测功率数据, 推导计算出结构相似的 400L 混合器搅拌功率, 并对一些影响等比放大功率计算的关键因素进行了分析计算, 对计算出的 400L 混合器搅拌功率进行了搅拌试验验证, 在搅拌介质一致和搅拌转速相近的情况下, 其推导计算结果与实测结果非常相近。通过验证表明, 对本文所论述的搅拌桨结构, 今后在搅拌介质与配方
2、一致时, 进行比拟放大或缩小设计系列化产品, 均可按照上述推导公式进行搅拌功率设计计算。关键词： 混合器; 搅拌桨; 水泥搅拌; 固体废物处理; 试验验证; 作者简介：刘国彪 (1979.7) , 男, 内蒙古呼和浩特人;中国核电工程有限公司核设备所堆本体与非标设备室高级工程师;研究方向:核电站固体废物处理系统工艺、设备设计及研发作者简介：王兵臣 (1983.8) , 男, 河北人;中国核电工程有限公司核设备所设备结构分析室高级工程师;研究方向:核电站非标设备的力学分析计算作者简介：石兵 (1970.6) , 男, 山东人;中国核电工程有限公司核设备所堆本体与非标设备室高级工程师;研究方向:核
3、电站固体废物处理系统工艺、设备设计及研发一、引言由于水泥具有优良的物理、化学及力学性能, 且价格低来源广泛等优点, 目前国内核电或核设施中低放浓缩液、废树脂、废活性炭以及废过滤器芯子主要采用水泥固化和固定的方式进行处置。目前国内核电厂固体废物处理系统主要采用桶内水泥固化工艺, 即将搅拌桨在废物包装容器内完成搅拌。本文所述工艺为桶外水泥搅拌工艺, 即在搅拌容器内利用搅拌桨完成废液和水泥干混料的搅拌混合, 然后排入废物包装容器内。桶外混合器整个搅拌过程, 实际上为搅拌桨对流体介质做功并使之发生流动, 这时需要搅拌器具有一定功率来驱动流体介质连续运转, 但被搅拌的水泥浆介质实际上是含硼和多种化学成分
4、的废液与水泥干混料以及多种添加剂的混合物, 其成分十分复杂。搅拌过程实际上除了完成水泥干混料与废液的混合外, 还是一个复杂的化学反应过程, 在搅拌过程中物料的特性除了与物料的化学成分和水灰比有关外, 还会随着搅拌时间、搅拌速度以及介质温度等变化而变化。因此不同的搅拌过程、不同物料特性和物料量在完成其搅拌过程时需要的动力也不同, 搅拌作业功率实际上与物料的物性参数、物料量、搅拌桨的几何参数、搅拌桶体的几何参数、搅拌速度等均有关系。很显然过小的搅拌器功率会使搅拌无法完成或延长搅拌过程, 过大的搅拌器功率会造成浪费动力, 但是目前还没有一个比较准确的办法来计算搅拌器功率。目前搅拌器功率计算方法基本上
5、是对常用的一定形状搅拌器进行一系列试验, 在试验基础上得到试验曲线, 整理出算图, 或从理论推出了与实验基本吻合的数学关系式, 但是试验和公式均有限定条件, 应用时必须是桨型相同而且符合算图或公式所限定的几何相似条件。二、400L 混合器功率等比放大计算分析(一) 等比放大计算试验装置简介。由于搅拌器功率与流体介质在搅拌器内的流动状态有关, 所以凡是影响流动状态的因素必然也是影响搅拌器功率的因素。影响流动状态的因素主要有搅拌桨的几何参数与运转参数、桶体的几何参数、流体介质物性参数等。因此在后续利用现有的试验或理论公式计算时, 需要对限定条件逐一进行分析, 确保计算结果相对准确。本文主要是通过前
6、期 200L 桶外混合器试验过程中的实测功率, 在搅拌介质和水泥固化配方基本相似的情况下, 对 400L 混合器搅拌功率进行等比放大的推导计算和试验验证。在完成 200L 混合器研制和试验研究后, 400L 混合器的搅拌桨结构与 200L 混合器的搅拌桨结构相同, 尺寸进行了等比放大, 后续将利用200L 混合器搅拌试验实测功率确定 400L 混合器搅拌功率, 200L/400L 桶外混合器的主要结构示意图, 如图 1 所示。图 1 200L/400L 桶外混合器结构示意图 下载原图由图 1 可知, 200L 混合器搅拌桨除了直径、方向、尺寸不同外, 其余均相似, 即几何相似、运动相似、动力相
7、似、流体介质相同, 满足相似理论相似条件。搅拌桨在运转过程中, 搅拌轴承受的扭矩载荷主要来自于搅拌桨旋转过程中克服流体阻力和流体介质作用在桶壁的摩擦力而做功。但通过定性分析认为流体介质作用在桶壁的摩擦力矩二者区别较小。(二) 桶壁摩擦力分析计算。为了进一步分析验证 400L 与 200L 混合器因流体介质作用在桶壁上的摩擦力矩大小不同而引起功率的差异, 对作用在桶壁的摩擦力矩进行计算。物料在混合器内搅拌流场可近似看作库塔双圆筒流场, 根据流体力学理论可知, 库塔双圆筒实验装置中粘性流体的流动可视为两同轴旋转圆筒间的粘性流体的周向定常流动, 外筒静止, 内筒 (搅拌轴) 以等恒定角速度旋转, 如
8、图 2 所示。图 2 库塔双圆筒模型 下载原图假设流体运动只限于旋转平面内而无沿旋转轴方向的运动, 即轴向速度。可得到如下边界条件:由于几何条件和边界条件的轴对称性质且流场中没有源或汇, 所以对于定常流动必有 ur=0。因此, u 和压力 p 都只是 r 的函数, 从而有如下关系式:考虑柱坐标系下粘性不可压缩流体的连续性方程和动量方程:显然上述边界条件以及速度与压力的函数满足连续性方程。若忽略重力的影响, 对于定常不可压缩流体的粘性流动, 最终可推导出单位时间内克服作用在单位高度上的内外圆筒上摩擦力矩而消耗的功率为:根据上述计算公式分别求出 400L 混合器和 200L 混合器内流体克服混合器
9、桶体摩擦力矩而消耗的功率, 在 0180r/min 的转速下, 其二者分别因克服作用在桶壁的摩擦力矩而消耗的功率对比分别如图 3 所示。比拟放大后二者因克服作用在桶壁上的摩擦力矩而消耗的功率相对总功率而言相差极小, 故可忽略二者因克服作用在桶壁上的摩擦力矩而消耗功率的差异。图 3 桶壁摩擦力矩消耗的功率对比图 下载原图(三) 驱动搅拌介质做功分析计算。通过上述分析计算, 搅拌轴承受的主要扭矩载荷为来自于搅拌桨在流体中旋转克服流体阻力而做功, 桨叶叶片主要受到垂直于叶片表面的流体阻力作用, 假设垂直于桨叶叶片表面单位面积上流体作用力 f 只与速度相关, 且成线性关系 (忽略粘度随流体介质运动速度
10、而变化的影响) , 垂直于桨叶叶片表面的流体作用面积为 s。简化搅拌桨后的纵向截面及其流体阻力分布如图 4 所示。搅拌桨流体阻力作用微元面积为:对应微元面积上的流体阻力为:图 4 搅拌桨截面及其流体阻力分布 下载原图搅拌轴在转动时的扭矩为:对于 200L 混合器搅拌轴承受的扭矩:对于 400L 混合器搅拌轴承受的扭矩:搅拌作业扭矩实测值与计算值应满足如下关系:通过上述公式结合 200L 混合器的试验实测功率, 推导计算出在介质相似时400L 混合器搅拌功率。三、400L 混合器搅拌功率试验验证后期在 400L 混合器的搅拌试验中进行了与 200L 搅拌试验相近水灰比的功率测试, 本文抽取了常用
11、的三组 200L 混合器搅拌的实测功率, 然后利用上述推导公式计算出比拟放大后的 400L 搅拌作业功率, 最后实测 400L 混合器的搅拌功率。测试条件为下料结束, 搅拌过程趋于稳定, 选取 200L 和 400L 混合器搅拌相近的水灰比, 在对应相近转速下测试, 通过实测的 200L 混合器功率计算出比拟放大 400L 搅拌功率, 在与 400L 实测功率进行对比分析。试验一实测及计算对比结果如图 5 所示。图 5 试验一实测功率与比拟放大计算功率对比图 下载原图试验二实测及计算对比结果如图 6 所示。图 6 试验二实测功率与比拟放大计算功率对比图 下载原图试验三实测及计算对比结果如图 7
12、 所示。图 7 试验三实测功率与比拟放大计算功率对比图 下载原图由上述对比图发现, 400L 混合器等比放大计算结果与实测功率变化趋势非常一致, 计算结果差距非常小, 采用本文所用的等比放大计算方法是可行的。四、结语通过上述推导计算出的 400L 搅拌功率与实测功率对比验证分析发现, 在搅拌介质一致且测试转速以及时间相近的情况下, 其推导计算结果与实测结果变化趋势一致, 结果非常接近, 说明针对本文所述的搅拌桨结构, 按照 200L 混合器在试验基础上进行 400L 混合器推导功率计算公式是可行的。而针对个别测量点的功率存在微小偏差, 分析认为有可能是由于二者试验的水灰比、对应每个测量点的转速以及每个测量的时间点存在微小偏差造成的。因此, 对本文所论述的搅拌桨结构, 今后进行比拟放大或缩小设计时, 均可按照上述推导公式进行搅拌作业功率的设计计算, 同时为后续该搅拌桨的规格扩展提供了一定数据积累和理论支撑。参考文献1王兵臣, 刘国彪, 石兵.基于 FLUENT6.3 的搅拌器搅拌流场的三维数值分析J.核工程研究与设计, 2009, 76 (增刊) :442435 2刘国彪, 石兵, 王兵臣, 房柯, 张海春.基于 solidworks 的圆柱形搅拌器关键零部件设计分析J.核工程研究与设计, 2009, 75 (2) :106110
