渦流空氣分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速特性研究

孫樹(shù)峰，王文博，呂 嫣

（1.沈陽(yáng)飛機(jī)研究所粉體公司，遼寧 沈陽(yáng) 110035；2.沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

渦流空氣分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速特性研究

孫樹(shù)峰1，王文博1，呂 嫣2

（1.沈陽(yáng)飛機(jī)研究所粉體公司，遼寧 沈陽(yáng) 110035；2.沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)影響渦流分級(jí)機(jī)性能的主要因素——轉(zhuǎn)速進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加，分級(jí)粒徑變小，分級(jí)效率先增加后減小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，不同的物料對(duì)設(shè)備的要求是不一樣的，同一參數(shù)對(duì)不同物料的影響也是不一樣的。因而在設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要根據(jù)不同的物料特性做出相應(yīng)的調(diào)整。通過(guò)理論推導(dǎo)，得到了與試驗(yàn)結(jié)果一致的結(jié)論。利用流體力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到渦流分級(jí)機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的增加，流場(chǎng)的渦流現(xiàn)象增強(qiáng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定的程度時(shí)，出現(xiàn)了反流現(xiàn)象，使已經(jīng)分離出的細(xì)粒又返回到分級(jí)區(qū)，從而影響分級(jí)機(jī)的分級(jí)效率。

渦流分級(jí)機(jī)；分級(jí)效率；分級(jí)理論； 分級(jí)過(guò)程

1 試驗(yàn)部分

1.1 渦流分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)

渦流分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)特征詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 渦流分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.2 渦流分級(jí)機(jī)的工作原理

圖2 分級(jí)室內(nèi)物料受力示意

分級(jí)的物料由入料口進(jìn)入分級(jí)機(jī)內(nèi)，經(jīng)分散盤(pán)分散均勻后，獲得一定速度，又經(jīng)緩沖板撞擊，得以松散均勻，落入環(huán)形區(qū)域，與導(dǎo)流后的氣流匯合，得到混合均勻的氣料流。

在環(huán)形區(qū)域的物料顆粒受3個(gè)力的作用(如圖2所示)，即轉(zhuǎn)子內(nèi)的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的抽吸作用力Fv、轉(zhuǎn)子離心力Fr和重力Fw作用，其中的粗細(xì)顆粒在轉(zhuǎn)子的外邊緣處分離，細(xì)粒隨氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心。在3個(gè)力的作用下，由于物料顆粒大小不同，所受力的大小不同，從而產(chǎn)生顆粒的分離，完成了分級(jí)作業(yè)。細(xì)粒隨氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)子，排出機(jī)外，進(jìn)入細(xì)粉收集系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

選用兩種不同的物料，一種為重鈣，另一種為石英。這兩種物料在特性上有所區(qū)別。先將這兩種物料進(jìn)行粉碎，粉碎后的粒度分布如表1所示。

設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為2 800、3 000、3 200、3 500r/min的條件下，對(duì)兩種原料進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試，得到粗細(xì)粉體的粒度分布，詳見(jiàn)表2和表3。

1.4 數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析

分級(jí)效率的公式：

表1 原料的粒度分布

表2 不同轉(zhuǎn)速下得到的細(xì)粉的粒度分布

表3 不同轉(zhuǎn)速下得到的粗粉的粒度分布

式中：xf為原料中細(xì)顆粒的百分含量；xu為細(xì)粉中細(xì)顆粒的百分含量；x0為粗粉中細(xì)顆粒的百分含量。

利用上面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和質(zhì)效率的公式計(jì)算各樣品的分級(jí)效率。粒徑在-10μm時(shí)的分級(jí)效率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比做出轉(zhuǎn)速對(duì)分級(jí)效率影響的趨勢(shì)分析(圖3)和轉(zhuǎn)速對(duì)粒徑d50和d90影響的趨勢(shì)分析(圖4)。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

利用流體力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2.1 模型選取

本文把CF-φ315型強(qiáng)制渦流分級(jí)機(jī)的轉(zhuǎn)子作為研究對(duì)象，圖5為其轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)示意圖。它由轉(zhuǎn)子底盤(pán)—環(huán)盤(pán)—葉片構(gòu)成，120片葉片徑向均勻分布在底盤(pán)和環(huán)盤(pán)之間，超細(xì)粉體顆粒及空氣組成的混合氣體從轉(zhuǎn)子外部引入，在葉片組成的寬度為H的分級(jí)區(qū)域，由于受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的軸向抽吸力作用，其中的粗細(xì)顆粒在轉(zhuǎn)子的外邊緣處分離，細(xì)粒隨氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心，進(jìn)入細(xì)粉捕集器中，當(dāng)分級(jí)機(jī)在額定工況下工作，轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定后，混合氣體流動(dòng)規(guī)律及湍流特性假定沿葉片切向呈周期性分布，因此，選取兩葉片的間隙作為模擬區(qū)域，通過(guò)分析兩葉片之間的流動(dòng)規(guī)律，可推測(cè)整個(gè)轉(zhuǎn)子分級(jí)區(qū)的流動(dòng)規(guī)律。

表4 不同轉(zhuǎn)速的分級(jí)效率

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)分級(jí)效率的影響

圖4 轉(zhuǎn)速對(duì)粉體粒度分布d50和d90的影響

圖5 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)示意

2.2 邊界條件

(1) 網(wǎng)格劃分。

編制FORTRAN程序生成與兩葉片間隙空間相一致的貼體網(wǎng)格模型如圖6所示，X軸為葉片的切向方向，Y軸為轉(zhuǎn)子的徑向方向，Z軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，旋轉(zhuǎn)方向符合右手定則。X、Y、Z方向的網(wǎng)格數(shù)分別為10，20，40。

圖6 網(wǎng)格示意

(2) 邊界條件。

分級(jí)區(qū)內(nèi)的氣—固兩相流主要是超細(xì)粉體和空氣的混合流動(dòng)，給定空氣密度為1.29kg/m3，顆粒密度為2 120kg/m3，顆粒平均粒徑的d50=5μm；排風(fēng)機(jī)風(fēng)量為6 000m3/h。

進(jìn)口處：流體在進(jìn)口處為固定質(zhì)量流，取顆粒在入口處具有與氣體相同的徑向初始速度V1=V2=-20m/s，同時(shí)給定氣相與顆粒相在入口處的體積分?jǐn)?shù)分別為r1=0.99；r2=0.01。

出口處：設(shè)流體在出口處為充分發(fā)散，出口壓力恒定，取P=0作為參考?jí)毫Α?/p>

邊壁處：氣固兩相流體在固體邊壁都滿(mǎn)足無(wú)滑移和不可穿透條件，即其相對(duì)于壁面的速度值都為零。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

(1) 求解方法。

對(duì)上述統(tǒng)一方程組采用IPSA算法求解，用交錯(cuò)的計(jì)算網(wǎng)格，首先將各微分方程離散化，然后運(yùn)用預(yù)估—校正的迭代法求解，直到全場(chǎng)上所有的變量收斂為止。

(2) 顆粒相的速度矢量圖。

顆粒直徑都小于10μm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為1 000、2 000、3 000r/min時(shí)，得到IZ=20處X-Y平面上顆粒相的速度矢量圖(圖7)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低n=1 000r/min時(shí)，顆粒流可以均勻地從進(jìn)口流向出口， 幾乎沒(méi)有出現(xiàn)粒子的反流現(xiàn)象。

當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到n=2 000r/min時(shí)，流場(chǎng)中出現(xiàn)了渦流，顆粒的運(yùn)動(dòng)受到干擾，粒子產(chǎn)生了反流現(xiàn)象。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到n=3 000r/min時(shí)，流場(chǎng)產(chǎn)生了比較強(qiáng)烈的渦流。 粒子的反流現(xiàn)象更加明顯，使已經(jīng)分離出的細(xì)粒又回到分級(jí)區(qū)，嚴(yán)重影響分級(jí)機(jī)的分級(jí)效率。

3 結(jié)論

隨著轉(zhuǎn)速的提高，分級(jí)粒度變細(xì)。轉(zhuǎn)速對(duì)d50和d90的影響都比較明顯。說(shuō)明轉(zhuǎn)速是控制粒度的主要因素。但是轉(zhuǎn)速對(duì)物料的中細(xì)粉的控制具有局限性，轉(zhuǎn)速超過(guò)一定范圍，會(huì)出現(xiàn)細(xì)粉返流的現(xiàn)象。

圖7 速度矢量圖

通過(guò)兩種物料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)同一分級(jí)機(jī)相對(duì)不同的物料，分級(jí)結(jié)果有很大的差異性，因此在分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一定要充考慮物料的物理特性和工藝條件。

從理論上分析了轉(zhuǎn)速對(duì)細(xì)粉粒度的影響。通過(guò)利用流體力學(xué)軟件對(duì)分級(jí)轉(zhuǎn)子的氣固兩相流進(jìn)行模擬，說(shuō)明隨著轉(zhuǎn)速的提高，流場(chǎng)產(chǎn)生了比較強(qiáng)烈的渦流，粒子的反流現(xiàn)象更加明顯，使已經(jīng)分離出的細(xì)粒又回到分級(jí)區(qū)，將嚴(yán)重影響分級(jí)機(jī)的分級(jí)效率。

[1]劉家祥.渦流空氣分級(jí)機(jī)分級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和進(jìn)口風(fēng)速對(duì)物料分散效果和分級(jí)精度的影響[J].有色金屬,2005,57(3):81-85.

[2]杜嚴(yán)臣.顆粒在渦輪式分級(jí)機(jī)分級(jí)轉(zhuǎn)子中的運(yùn)動(dòng)軌跡[J].化學(xué)通報(bào),2005,65(5):825-828.

[3]梅芳,陸厚根.渦流式氣流分級(jí)機(jī)分級(jí)效率數(shù)學(xué)模型研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,24(3):293-297.

[4]盧壽慈.工業(yè)浮選液[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:113.

[5]錢(qián)海燕.離心氣力分級(jí)機(jī)的流場(chǎng)分析和性能研究[J].硅酸鹽通報(bào),2002(5):33-36.

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[8]周力行.多相湍流反應(yīng)流體力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

Research on Classification Characteristic of the Turbo Air Classifier

SUN Shu-feng1, WANG Wen-bo1, LU Yan2
(1. Shenyang Aircraft Research Institute Powder Company, Shenyang 110035, China;2. Physical Science and Technical College, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

By the research ,the rotate speed of the classifying wheel, the conclusion was drawn. It was that with the rotate speed increasing, the granularity diameter would be fine, and the classification efficiency would increase first and then decrease. By analyzing the testing data, it showed that the equipment for different material would be different; and the effect of the same parameters to different material is different. So the structure design would be adjusted according to the material characteristic. Deducing from the theory, it could draw a conclusion which is the same with the test result. The all-purpose CFD code is used to simulate it numerically.When the rotate speed increases to certain extent, the countercurrent phenomenon of the particles appears. The separated granules come back to the classification district and influence the classification efficiency.

turbo air classifier; classification efficiency; classification theory; classification process

TD454

A

1007-9386(2012)04-0036-03

2012-01-09