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沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 附錄
物理參數(shù)對氣體離心機分離效率的影響
應純同 張存鎮(zhèn) 傅瑞峰 魏錦華
清華大學工程物理系 北京100084
摘要：
提高氣體離心機的分離效率是鈾同位素分離的主要目標之一。鈾同位素的分離對離心機的效率的提高可以提供很大的幫助。氣體離心機的分離效率受許多參數(shù)影響。一些物理參數(shù)，例如在離心機氣缸筒壁上的超濾壓力、垃圾鏟的位置、離心機氣缸筒壁上的溫度分布、進入氣體離心機的物料的方向等都被選定為變量來優(yōu)化氣體離心機的分離效率。優(yōu)化是基于分析和實驗結果進行的。局部分離效率的分布對于描述氣體離心機的分離現(xiàn)象是一個很好的方法。
關鍵詞：局部分離效率；氣體離心機；優(yōu)化。
引言：
目前迫切需要提高氣體離心機對于鈾同位素分離的分離效率。分析氣體離心機局部分離效率分布是解釋分離性的功率密度的損失的有效方法，并且能確定提高分離效率的方向。這篇文章給出了一些例子說明局部分離效率等高線圖。這些等高線圖可以解釋分離現(xiàn)象。
一些物理參數(shù)，例如在離心機氣缸筒壁上的超濾壓力，垃圾鏟的位置，離心機氣缸筒壁上的溫度分布，和進入氣體離心機的物料的方向都被研究過了。離心機的優(yōu)化設計基于這些參數(shù)進行解析和實驗研究。增加的氣體離心分離效率是非常重要的，能夠提供很大的好處。
1. 氣體離心機的局部分離效率
假設有一個氣體離心機它以一個非常高的轉數(shù)繞著垂直軸旋轉。應用圓柱坐標（r,z）。
氣體離心機分離能力的概念是K.Cohen引進的。在圓柱坐標（r,z）上離心功率表示為
（1）
在這里C是理想同位素含量，在鈾同位素分離的情況下，它代表的濃度。J是的擴散通量向量。根據(jù)動力學理論
(2)
這里是混合密度，D是自擴散系數(shù)，M是混合物的分子質量，△m是兩個同位素質量差，P是壓力。當忽視熱擴散時方程（2）是正確的。
存在一個分離性的功率密度最大值
29
(3)
這里是角速度，R是氣體常數(shù)。T是溫度。
氣體離心機的局部分離效率是應純同確立的：
(4)
這里在圓柱坐標中是實際分離性的功率密度根據(jù)這個公式可以得到下面的表達式
(5)
其中是流函數(shù)，是配置的效率，是流通效率，是非理想的效率。是離心機的圓柱半徑和
(6)
; ;
其中是角速度，是氣體混合物的軸向速度，是在z方向的混合物凈流量，是在z方向的光同位素的凈流量，2L是內部流動的規(guī)模不考慮軸向速度的標志，m是流通數(shù)量，并且是一個關于r和z的函數(shù)，,和是關于z的函數(shù)。
氣體離心機的分離效率E是：
(7)
其中是氣體離心機的分離功率，它是由計算或實驗獲得，是氣體離心機理論上的最大分離性能力氣體離心機的局部分離效率和分離效率的關系是
30
(8)
其中Z是氣體離心機的長度。
氣體離心機的理論最大分離能力
(9)
氣體離心機中的流場，必須了解的分配來劃分局部分離效率的等高線。數(shù)值模擬和分析方法已被用于解決流場的控制方程。分析方法便于優(yōu)化物理參數(shù)。魏錦華用和Wood相似的方法，用一些例子計算流場。從上面列出的表達式可知，在知道在氣體離心機流場后，可以得到局部分離效率和氣體離心機分離效率。
這有幾個驅動器，能介紹氣體離心逆流循環(huán)。為簡單起見考慮三個驅動器。它們是墻體熱驅動器，端蓋的熱驅動器和舀驅動器?？紤]一個邊緣速度大約為500m/s的氣體離心機。
1） 墻體熱驅動器
只考慮墻熱驅動器，并假設在墻壁上溫度分布是一個軸向位置的線性函數(shù)，局部分離的優(yōu)化設計效率等高線如圖1所示，在圖中的橫坐標是相對徑向位置，垂直坐標相對軸的位置。驅動器的幅度可能會更改，以獲取最大的氣體離心分離。對于墻體熱驅動器氣體離心機的最高分離效率E等于23.6%。
圖1. 墻體熱驅動器局部分離效率等高線
2） 端蓋的熱驅動器
圖2所示端蓋的熱驅動器等高線情況。物理參數(shù)，如周邊速度，物料流速等等與圖1是相同的。只有驅動器與在前一個例子中用的墻體熱驅動器是不同的。對于端蓋的熱驅動器氣體離心機的最高分離效率E等于27.5%。高于墻體熱驅動器。
圖2. 端蓋的熱驅動器局部分離效率等高線
對于墻體熱驅動器，輪廓線比端蓋的熱驅動器的情況更接近墻。原因是為隔離墻熱驅動下軸向速度分布接近墻，邊緣分離效率較低。對于這兩種情況下邊緣分離效率的軸向函數(shù)如圖3和圖4所示。在圖4中表明端蓋的熱驅動器的邊緣分離效率是40%左右。圖3表明墻體熱驅動器的邊緣分離效率大約是30%。
圖3. 墻體熱驅動器的氣體離心機的分離效率分配
EF--邊緣效率 EC--流通效率
EI--非理想 EZ--截面效率
圖4. 端蓋熱驅動器的氣體離心機的分離效率分配
3） 所有驅動器存在的模式
為優(yōu)化設計，如果所有驅動方式被認為是分離效率輪廓。 圖5和圖6所示墻體熱驅動器，端蓋的熱驅動器，舀驅動器。圖5所示局部分離效率的等高線圖。圖6表示分離效率分配。氣體離心機的分離效率E.是46.8%。如圖5所示，等高線移向氣體離心機的核心。除了非理想情況的所有的效率都高于例1）和例2）情況（參見圖6和圖3圖4比較）。
圖5. 例3）的等高線圖
2. 一些物理參數(shù) 對分離效率的影響
在氣體離心機中有許多參數(shù)。我們的目標是增加氣體離心分離效率。然而，有許多參數(shù)影響分離效率。一些參數(shù)的變化對分離效率的影響已被調查分析和實驗研究。
圖6. 例3)中氣體離心機分離效率分配
1） 壁壓力
壁壓力對于提高分離效率是一個重要的參數(shù)。由于給定壁壓力，驅動器參數(shù)優(yōu)化給氣體離心機提供了分離效率的最佳值。圖7所示是氣體離心機中壁壓力和優(yōu)化的分離效率的關系。
圖7. 分離效率對壁壓力的依賴性
圖8. 分離效率對廢物位置的依賴性
氣體離心機的最佳分離效率。由于壁壓力分離效率為43.0%，當壁壓力是8kpa時，壓強為4kpa并且提高48.0%，實驗數(shù)據(jù)表明，趨勢是正確的。越高的壁壓力越能提高分離效率。
2）垃圾鏟的位置
垃圾鏟的徑向位置是另一個重要的參數(shù)。圖8中表示了分離效率和垃圾鏟的位置的關系。由于所給的垃圾鏟的徑向位置，驅動器參數(shù)優(yōu)化提供給氣體離心機分離效率的最佳值。當垃圾鏟的徑向位置從0.90變到0.85時，分離效率由42.2%提高到46.6%。圖9和圖10分別表示了徑向位置等于0.90和0.85的等高線圖。注意等于0.85的圖，等高線移向核心。特別是在右下角物料以下的領域。
圖9.廢棄物徑向位置的等高線圖
圖10. 廢棄物徑向位置的等高線圖
3 )墻壁溫度分布
離心機筒壁上的溫度分布也影響分離效率。對于筒壁的線性溫度分布，最佳分離效率為46.8％。由于軸向溫度分布沒有任何限制，最佳的溫度分布提供了一個更高的分離效率為48.3％。
最佳溫度分布，圖11所示是非線性的。由于較高的溫度略低于在氣體離心機中心的物料點。較高的溫度應低于饋點，以增加在該地區(qū)的流通時，通常會如下。
圖11.優(yōu)化溫度分布
4） 空心直徑產(chǎn)品擋板
空心直徑產(chǎn)品擋板該產(chǎn)品擋板有兩個功能：防止產(chǎn)品舀引起循環(huán)趨勢和提供足夠的產(chǎn)品流量?？斩吹闹睆綉M可能小。在我們的例子中，參數(shù)應該近似為8（）。分離效率可能會增加大約5％。實驗數(shù)據(jù)顯示，氣體離心分離效率隨著空心直徑的減少而增加。
5） 進入氣體離心機的物料流動方向
物料流動方向也是一個重要的參數(shù)。通過確定最佳的方向，分離效率實驗性地增加了5％，當然，如果氣體離心機比較短，物料流動方向將會更加影響分離效率。
3 總結
1） 局部分離效率的概念是有助于理解氣體離心分離現(xiàn)象。
2） 物理參數(shù)優(yōu)化可顯著提高分離效率，很容易提供良好的利潤。
參考文獻
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