選粉機(jī)氣流壓損分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙 欣，歐 劍

（綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 綿陽(yáng) 621000）

工藝與裝備

選粉機(jī)氣流壓損分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙 欣，歐 劍

（綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 綿陽(yáng) 621000）

根據(jù)選粉機(jī)構(gòu)造與流形將選粉機(jī)的流體腔劃分為6個(gè)子腔體，并采用數(shù)值模擬的方法得到各腔體的壓損比例，發(fā)現(xiàn)送料筒腔體、出口腔體與內(nèi)腔體這三個(gè)腔體的壓損之和達(dá)到了整機(jī)壓損的86.66%。針對(duì)送料筒腔體的氣流對(duì)沖損耗，設(shè)計(jì)了側(cè)環(huán)面風(fēng)口結(jié)構(gòu)。針對(duì)內(nèi)腔體內(nèi)的旋流損耗和出口腔體內(nèi)轉(zhuǎn)向損耗，設(shè)計(jì)了渦流打散錐結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)不影響選粉機(jī)的分級(jí)性能，且能有效的降低選粉機(jī)氣流壓損，節(jié)能比例在14.30%～19.80%之間，節(jié)能效果良好。

選粉機(jī)；壓損；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

選粉機(jī)工作過程中，風(fēng)機(jī)的抽吸作用使得氣流得以流動(dòng)，即風(fēng)機(jī)給氣流提供了機(jī)械能[1]。氣流機(jī)械能在氣流的運(yùn)動(dòng)過程中不斷耗散，直接體現(xiàn)為氣流壓強(qiáng)的改變。選粉機(jī)進(jìn)出口壓強(qiáng)的差值為選粉機(jī)氣流壓損，它是選粉機(jī)能耗的重要指標(biāo)，與系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的選型有著直接關(guān)系[2]。隨著國(guó)家政策的調(diào)控，企業(yè)需要進(jìn)行節(jié)能減排工作，其中選用低壓損的選粉機(jī)便是其中一項(xiàng)重要的節(jié)能措施。但當(dāng)前絕大部分選粉機(jī)的研究都是關(guān)于選粉機(jī)分級(jí)性能的，對(duì)于選粉機(jī)氣流壓損的研究文獻(xiàn)較少，且基于壓損的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施也幾乎處于空白狀態(tài)。本研究針對(duì)選粉機(jī)氣流壓損進(jìn)行分析，探尋選粉機(jī)腔體中壓損較高的部位，然后對(duì)該部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 選粉機(jī)的腔體劃分

本研究以綿陽(yáng)某公司研發(fā)的SLK系列選粉機(jī)[3]為研究對(duì)象，該選粉機(jī)相對(duì)于以O(shè)-Sepa[2]為典型代表的第三代其他機(jī)型而言，該選粉機(jī)以其優(yōu)良的分選精度與分選效率在水泥、粉煤灰、鋰礦渣等粉體分選領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如圖1（a）所示。

圖1 SLK型分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)和外觀Fig.1 Structure and exterior appearance of SLK classifier

SLK型分級(jí)機(jī)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)9、分級(jí)裝置（包括件7、10、11、12、13等）、喂料分散結(jié)構(gòu)（包括件2、3、4、5、16等）和粗粉流化清洗裝置1組成，其外觀如圖1（b）所示[1]。

當(dāng)前對(duì)于選粉機(jī)壓損常用的方法是選粉機(jī)的壓力云圖分析[2]和整機(jī)氣流壓力分析[2,4]，這兩種方法都難以探尋選粉機(jī)腔體中壓損較高的部位。為了獲得選粉機(jī)各部位的氣流壓損結(jié)果，根據(jù)選粉機(jī)構(gòu)造與流形將選粉機(jī)的流體腔劃分為6個(gè)子腔體：送料筒腔體、下錐腔體、外腔體、葉片腔體，轉(zhuǎn)子內(nèi)腔、出口腔體。其形狀如圖2所示。在模擬過程中，提取各子腔體進(jìn)出口面的總壓數(shù)據(jù)。該子腔體的入口總壓減去出口總壓即為壓損。

圖2 各子腔體圖Fig.2 All cavity graph in classifier

2 子腔體氣流壓損比例

以SLK50機(jī)型為具體的研究對(duì)象，按照其具體尺寸進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分，最后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到各子腔體的壓損值。在正常工作情況下，送料筒腔體、下錐下腔體、外腔體、轉(zhuǎn)子內(nèi)腔體、出口腔體的能量都處于減少狀態(tài)，葉片腔體由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)賦予的能量處于增加狀態(tài)。計(jì)算壓損比例的方法為：以各子腔體分別除以轉(zhuǎn)子腔外的5個(gè)腔體壓損的總值，即可得到該部位的壓損比例。

工況為轉(zhuǎn)速1 000 r/min、風(fēng)量50 m3/min、喂料1 kg/s時(shí)，各腔體氣流壓損比例分布情況如圖3所示。圖中負(fù)值表示能量損耗，正值表示能量增加。此狀態(tài)下送風(fēng)筒腔體內(nèi)壓損所占比例最大，達(dá)到了43.79%，最低的則是外腔體，僅 5.66%。各子腔體按照其壓損利排列從大到小依次是：送料筒腔體、出口腔體、內(nèi)腔體、下錐腔體、外腔體、葉片腔體，其壓損比例依次是-43.79%、-22.67%、20.20%、-7.58%、-5.66%、+8.56%。可以看出送料筒腔體、出口腔體與內(nèi)腔體這三個(gè)腔體的能量消耗最大，其三者壓損之和達(dá)到了86.66%。因此對(duì)這三個(gè)子腔體的氣流壓損進(jìn)行深入分析，以提出相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)來降低選粉機(jī)壓損。

圖3 選粉機(jī)各子腔體的氣流壓損比例Fig.3 Air pressure loss ratio of each cavity in classifier

3 選粉機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 內(nèi)腔體的氣流壓損分析與側(cè)環(huán)面風(fēng)口的設(shè)計(jì)

送料筒腔體內(nèi)氣流能量損耗主要有對(duì)沖損耗、摩擦損耗以及顆粒加速損耗等。其中摩擦損耗是應(yīng)為氣流與腔體壁面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是不可避免的。顆粒加速損耗則是由于氣流對(duì)于顆粒的輸送引起的，想要改變也很困難。對(duì)沖損耗則是由于兩個(gè)入口氣流的在腔體底部發(fā)生了對(duì)沖碰撞，這個(gè)過程中，損耗了相當(dāng)大的能量，因此可以考慮是否能夠降低該部分的損耗。

將原來的風(fēng)口擴(kuò)展到整個(gè)側(cè)環(huán)面，即以環(huán)面作為進(jìn)風(fēng)口。該新型風(fēng)口形式成為側(cè)環(huán)面風(fēng)口[5]。該風(fēng)口可以使得氣流入口速度降低到最小，從而將對(duì)沖損耗降到最低。該新型結(jié)構(gòu)既可滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，又能滿足了其功能需求。圖4為優(yōu)化后的側(cè)環(huán)面風(fēng)口結(jié)構(gòu)。

圖4 側(cè)環(huán)面風(fēng)口結(jié)構(gòu)Fig.4 The side ring surface tuyere structure

如圖4所示，側(cè)環(huán)面風(fēng)口4有主要由上封板7與下封板9，以及連接它們之間的肋條8組成，上封板7與下封板9均為圓環(huán)，與送風(fēng)筒2的筒壁6焊接在一起，肋條8在上封板7與下封板9之間的徑向上成圓周等間距分布，根據(jù)不同的情況，肋條8的數(shù)目一般不少于6根，俯視圖為6根肋條時(shí)的排列示意圖。

3.2 內(nèi)腔體與出口腔體的壓損分析與渦流打散錐設(shè)計(jì)

內(nèi)腔體主要損耗主要包括摩擦損耗、加速損耗。其中摩擦損耗中氣流與氣流間的摩擦損耗是由于旋流引起的。根據(jù)分選理論，顆粒分選主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片外緣以及葉片間。該部分氣流并不直接的參與顆粒的分選工作，轉(zhuǎn)子內(nèi)腔的氣流旋轉(zhuǎn)對(duì)于分選是沒有貢獻(xiàn)的。因此在內(nèi)腔體中，氣流是不需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。

出口腔體內(nèi)，高速旋轉(zhuǎn)的氣流會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向。這個(gè)轉(zhuǎn)向過程中，氣流能量消耗是巨大的。氣流旋轉(zhuǎn)速度越大，所消耗的能量越大。如果能夠有效降低其旋轉(zhuǎn)速度，那么其壓損也會(huì)有一定程度的降低。

為減小或消除旋流帶來的不必要的氣流能量損耗，在原來導(dǎo)流錐的基礎(chǔ)上優(yōu)化器錐體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了渦流打散錐。該新型錐體可以有效的改變轉(zhuǎn)子內(nèi)腔體內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)形態(tài)，降低氣流旋轉(zhuǎn)速度，即能降低內(nèi)腔體內(nèi)部的氣流與氣流間的摩擦損耗，又能降低出口腔體內(nèi)的轉(zhuǎn)向氣流損耗。

圖5為渦流打散錐的結(jié)構(gòu)圖。在錐體3的周圍均勻焊接若干片整流葉片 4。該整流葉片可以為多種形式，如矩形，三角形等。本文采用三角形的葉片結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究分析。錐體和整流葉片都固定在支撐軸5上，而支撐軸5又由固定在粗粉錐內(nèi)壁上的支撐葉片8進(jìn)行固定。渦流打散錐的錐體底板6與錐體3底部有一圈采用凹凸間隙配合，以防止粉塵顆?；烊脲F體內(nèi)部。渦流打散錐的錐體底板 6與支撐軸間采用軸承7進(jìn)行連接，以保證轉(zhuǎn)子的正常轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐軸的穩(wěn)固。旋轉(zhuǎn)氣流進(jìn)入內(nèi)腔體時(shí)，將與整流葉片發(fā)生碰撞和隔離，將原來的大渦旋流變成多個(gè)小渦旋流，氣流損耗降低。同時(shí)由于碰撞后的氣流其切向速度降低，即旋轉(zhuǎn)速度降低，出口腔體內(nèi)消耗的轉(zhuǎn)向能量也將會(huì)相應(yīng)的減小。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)分選性能與氣流壓損的影響

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時(shí)候，首先要考慮的是該結(jié)構(gòu)的改變是否影響了選粉機(jī)原有的分級(jí)性能。

圖5 渦流打散錐結(jié)構(gòu)Fig.5 The diversion cone

因?yàn)槿绻Y(jié)構(gòu)的改變嚴(yán)重降低選粉機(jī)的分級(jí)性能，這時(shí)氣流壓損的降低就變得沒有意義了。因此必須通過實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)前后的選粉機(jī)進(jìn)行壓損和分級(jí)性能進(jìn)行對(duì)比分析，看結(jié)構(gòu)優(yōu)化是否降低了選粉機(jī)分級(jí)性能，是否降低了選粉機(jī)氣流壓損。實(shí)驗(yàn)中，用成品45 μm篩余量[1]作為選粉機(jī)作為分級(jí)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為開路分級(jí)系統(tǒng)，主要由料倉(cāng)、剛性葉輪喂料器、SLK選粉機(jī)、旋風(fēng)收塵器、脈沖式布袋收塵器、離心風(fēng)機(jī)，連接各個(gè)設(shè)備間的管道以及設(shè)備支架組成[5]。采用 S型皮托管與U型壓力計(jì)測(cè)量選粉機(jī)出口動(dòng)壓和選粉機(jī)進(jìn)出口的總壓。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Experimental platform

4.2 實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)采用粉煤灰[1]作為實(shí)驗(yàn)原料。每次實(shí)驗(yàn)前先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)氣密性檢測(cè)與清灰操作。實(shí)驗(yàn)時(shí)先開啟風(fēng)機(jī)，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)，再開啟選粉機(jī)的調(diào)速電機(jī)并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，通過喂料器將喂料倉(cāng)內(nèi)的物料均勻的輸送到選粉機(jī)料管，直到喂料完成，然后關(guān)機(jī)。將每次試驗(yàn)的操作參數(shù)(風(fēng)量、轉(zhuǎn)速、喂料量)[6,7]、成品篩余、和整機(jī)壓損的數(shù)值記錄在表1中。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在選粉機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，成品的篩余并沒有明顯變化，前后波動(dòng)范圍很小?？梢岳斫鉃榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化并沒有明顯影響選粉機(jī)的分級(jí)性能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，選粉機(jī)氣流的壓損有了明顯降低，且其節(jié)能比例較高，在14.30%～19.80%之間變化。這主要是由于優(yōu)化前送料筒腔體內(nèi)的壓損較高，采用對(duì)側(cè)進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)后，壓損降低較為明顯。如果僅采用側(cè)環(huán)面風(fēng)口結(jié)構(gòu)，而不用對(duì)側(cè)進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)的話，其節(jié)能比例應(yīng)該在3%左右。通過該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以知道，本研究對(duì)于選粉機(jī)壓損的分析是有道理的，所設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以有效的降低選粉機(jī)氣流壓損，且選粉機(jī)的分級(jí)性能不受影響。

表1 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Data comparison before and after optimization

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)選粉機(jī)構(gòu)造與流形將選粉機(jī)的流體腔劃分為6個(gè)子腔體：送料筒腔體、下錐腔體、外腔體、葉片腔體，轉(zhuǎn)子內(nèi)腔、出口腔體，這樣有助于壓損的深入研究。

（2）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)各子腔體壓損排列從大到小依次是：送料筒腔體、出口腔體、內(nèi)腔體、下錐腔體、外腔體、葉片腔體，同時(shí)送料筒腔體、出口腔體與內(nèi)腔體這三個(gè)腔體的壓損之和達(dá)到了整機(jī)壓損的86.66%。

（3）通過分析發(fā)現(xiàn)送料筒腔體內(nèi)高壓損的原因在于氣流對(duì)沖，損耗了大量能量，為此設(shè)計(jì)了側(cè)環(huán)面風(fēng)口結(jié)構(gòu)。通過分析內(nèi)腔體和出口腔體內(nèi)高壓損的根本原因在于氣流的高速旋轉(zhuǎn)，為此設(shè)計(jì)了渦流打散錐結(jié)構(gòu)，可以有效的降低旋流損耗和轉(zhuǎn)向損耗。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)不影響選粉機(jī)的分級(jí)性能，且能有效的降低選粉機(jī)氣流壓損，節(jié)能效果良好。

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Analysis on Pressure Loss in the Classifier and Structure Optimization

ZHAO Xin，OU Jian
（Mianyang Vocational and Technical College, Sichuan Mianyang 621010，China）

According to the classifier structure and manifold，the flow cavity of the classifier was divided into 6 cavities, and the pressure loss of each cavity was researched by numerical simulation. The results show that the pressure loss of feeding tube cavity, outlet cavity and inner cavity is up to 86.66% in the whole machine. The side ring surface tuyere structure was designed by flow hedging losses in the feeding tube cavity. Eddy break-up cone structure was designed by vortex loss of the inner cavity body and turning loss of the outlet cavity. The experimental result shows that the optimization structure does not affect the classifier classification performance, and can effectively reduce the pressure loss of the classifier air, energy saving ratio is in the range of 14.30% ～ 19.80%, energy-saving effect is good.

Classifier；Pressure loss；Structure optimization

TB 44

A

1671-0460（2014）11-2310-04

科技重大專項(xiàng)：2011ZX04014-041。

2014-04-28

趙欣（1963-），女，重慶人，副教授，碩士，2006年畢業(yè)于重慶大學(xué)電氣工程專業(yè)。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣工程，工業(yè)自動(dòng)控制。E-mail：1367102397@qq.com。