基于壓載水的除沙旋流器設(shè)計及實驗研究

王 軍, 應(yīng) 勝， 陳 寧

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.中國船級社 浙江分社，浙江 臺州 318000)

基于壓載水的除沙旋流器設(shè)計及實驗研究

王 軍1, 應(yīng) 勝2， 陳 寧1

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.中國船級社 浙江分社，浙江 臺州 318000)

為滿足IMO對“壓載水管理公約第D-2條規(guī)定”的要求,設(shè)計了一套可用于去除海水中不同直徑顆粒泥沙的旋流器.應(yīng)用FLUENT軟件對旋流器內(nèi)的切向速度、靜壓進(jìn)行了分析,并模擬了不同直徑顆粒的運動跡線,指出了內(nèi)、外旋流對分離效率的影響,模擬結(jié)果顯示,該旋流器對40μm以上顆粒去除率達(dá)100%.實驗結(jié)果也表明了旋流器對40μm以上直徑的泥沙分離率達(dá)到100%;對10～40μm直徑范圍的泥沙分離率達(dá)到90%以上;對0～10μm直徑范圍內(nèi)的泥沙分離率在60%～70%,總體過濾性能達(dá)到90.43%.從而能有效減少壓載水的含沙量,減少能源消耗.

D-2;壓載水;除沙;旋流器

壓載水管理公約第D-2條規(guī)定,每立方米排放水中所含的最小尺寸大于或等于50μm的活性有機物少于10個,這一規(guī)定對壓載水中顆粒物粒徑范圍及含量做出了明確的規(guī)定.此外,從“新船能效設(shè)計指數(shù)(EEDI指數(shù))[1]”角度考慮,對EEDI指數(shù)影響最大的裝備為主機EEDIm,其計算式為:

(1)

式中:P為主機功率(kW),CF為主機功率系數(shù)(無因次常數(shù));SFC為主機燃油消耗率(g/(kW·h));Wc為船舶額定營運載貨量(t);v為船舶航速(kn).當(dāng)船舶額定載貨量、航速及主機功率系數(shù)不變時,降低油耗和主機功率即能降低EEDIm.減少壓載水中的泥沙含量,在保持壓載總量不變時,可增加船舶實際營運載貨量,在保持相同經(jīng)濟航速的同時,可提高船舶營運經(jīng)濟性,減少CO2的排放[2],并達(dá)到降低EEDI指數(shù)的目的.采用水力旋流器可以實現(xiàn)液體中不同粒徑顆粒分離,國內(nèi)外對旋流器的研發(fā)、使用都取得了很好的效果,文獻(xiàn)[3]研究了溢流管插入深度和分離效率關(guān)系,得出了在合適的溢流管插入深度時,對15～27.2μm粒徑顆粒的分離效率達(dá)92.5%以上;文獻(xiàn)[4]對高含沙量的黃河水采用初級旋流分離技術(shù),使泥沙去除率達(dá)到70%以上；文獻(xiàn)[5]用數(shù)值模擬法研究了錐角、入口形式對能耗及分離效率的影響；文獻(xiàn)[6]的研究表明水力旋流器的錐形壁面的錐度改變會影響旋流器的軸向速度、切向速度以及壓降等分離性能,從而對分離效果產(chǎn)生比較重要的影響；文獻(xiàn)[7]研究說明在一定程度上增大旋流筒錐度會提高分離效率.

基于上述研究,文中設(shè)計了一套可用于船舶壓載水固體顆粒物旋流分離的旋流器設(shè)備,分析了旋流器內(nèi)的流場特性,模擬了不同直徑等級的顆粒分離時的追隨特征,并實驗測試了除沙分離效果,達(dá)到D-2規(guī)則提出的對壓載水中固體顆粒物含量要求.

1 壓載水除沙旋流器設(shè)計及數(shù)值模擬

海洋水體中的懸浮顆粒物的平均濃度為10～20μg/kg,粒級范圍直徑通常1～10μm,生物顆粒1～1000μm之間,懸浮顆粒物主要包括了粗粉砂、粘土、微生物等,其中,粒徑4～8 μm的極細(xì)砂和粒徑小于4μm的粘土粒徑含量較多,在長江口外灘海區(qū),這兩種粒徑含量達(dá)到70%左右,且其濃度以近岸和底部區(qū)域較高.在我國沿海地區(qū),長江、黃河水質(zhì)的變差,每年均會攜帶較多的泥沙抵達(dá)入?？诹饔蚣捌涓浇劭?特別是我國東部沿海地區(qū)水域的含沙量高、顆粒度小、海岸帶長、受潮汐及洋流環(huán)境影響大.以一艘30萬噸的VLCC為例,液貨艙原油卸載后,為保持平衡和穩(wěn)性需將7～10萬噸的壓載水打入壓載艙,如上海入?？诘貐^(qū)的海水含沙量約為1.5%左右[8],由此可見,該船壓載水中的含沙量能達(dá)到1000～1500t.

目前所有入級在建船舶按IMO要求均安裝了壓載水過濾裝置,用以減少泥沙含量,如采用濾器,但濾器裝置價格昂貴,且濾網(wǎng)容易臟堵,大大影響過濾效果,因此采用旋流器去除壓載水泥沙,是近兩年剛剛興起的新手段.旋流器是一種利用切向入口的高速射流作用,在圓柱形旋流腔內(nèi)產(chǎn)生高速旋流場,對不同密度的介質(zhì)進(jìn)行超重力場的物理分離.其基本結(jié)構(gòu)如圖1,由切向進(jìn)口、溢流管、圓柱段旋流腔、錐段與底流口組成.溢流管在圓柱形旋流腔的上端與頂蓋連接,切向進(jìn)口在圓柱形旋流腔上部沿側(cè)面切向進(jìn)入旋流腔內(nèi).水力旋流器的錐體角度與分離粒度成正比,工業(yè)上對于粗粒分離的錐角一般為20°～45°.但船舶壓載水中的泥沙屬于細(xì)粒度,應(yīng)選擇錐角較小的旋流器,一般為10°～15°錐角.同時,壓載水進(jìn)入旋流器的進(jìn)口壓力是重要的性能指標(biāo),粗級分離進(jìn)口壓力一般為0.05～0.1MPa,對細(xì)級或泥質(zhì)分離則需要0.1～0.3MPa,文中設(shè)計壓力為0.25MPa.旋流器的直徑是影響產(chǎn)能的關(guān)鍵參數(shù),按經(jīng)驗公式有:

(2)

式中:D為水力旋流器基本直徑(cm);δ為固相密度(t/m3),取1.03;Δpm為入口壓力(MPa),取0.25;qn為旋流器的生產(chǎn)能力(t/h),取設(shè)計流量50m3/h;cw為混合百分比,按含沙量1.5%,取0.015.代入(2)式中,得D=19.5cm,實取D=20cm.其他主要尺寸可按:溢流口直徑Do=(0.2～0.4)D;底流口直徑B=(0.25～0.5)D;溢流管插入深度S=(0.2～0.5)D;柱體高度H=(3.5～5)D.

圖1 基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure diagram

綜上可得,旋流器設(shè)計錐角為10°,處理流量為50m3/h,屬于長錐形、小錐角、溢流管淺插入型旋流器.基本參數(shù)如下:a=95mm,b=38 mm,h=193mm,B=72.5mm,D=200mm,Do=64mm,H=760mm,S=95mm,T=55mm.

用GAMBIT建模,對旋流器的多連通區(qū)域采用多塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分(圖2).應(yīng)用FLUENT軟件對其內(nèi)部流場進(jìn)行了分析,湍流模型采用雷諾應(yīng)力模型(RSM模型).邊界條件設(shè)定為:入口邊界采用速度入口,流速為12m/s;出口邊界為充分發(fā)展?fàn)顟B(tài);壁面邊界為壁面無滲漏,采用無滑移邊界.由于其流場復(fù)雜,所做的分析對象較多,這里僅列舉影響分離的關(guān)鍵流場特征:切向速度分布和靜壓分布,并對不同顆粒直徑進(jìn)行跡線模擬.

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Mesh divided map

1.1 切向速度

在旋流器的速度場中,最重要的速度是切向速度.在數(shù)值上,切向速度要遠(yuǎn)大于軸向速度和徑向速度,而且切向速度是分離的離心力場產(chǎn)生的主要動力[9],是決定旋流分離和控制內(nèi)部流動穩(wěn)定性的決定因素,同時又關(guān)系到旋流器的效率和阻力.

以底流口中心為Z軸起點,取切向入口并距底流口Z=720mm的位置為典型截面,該截面處切向速度(V)分布如圖3.

圖3 Z=720 mm高度切向速度分布

Fig.3TangentialvelocitydistributionattheheightofZ=720mm

從圖3可以看出,旋流器內(nèi)切向速度的基本趨勢是器壁處的切向速度最小,沿徑向方向由器壁向中心區(qū)隨著半徑的減小,不斷增大至最大值后又逐漸減小,接近旋流器中心軸線處又降到較小的低速區(qū),這表明旋流器中心軸線附近為切向速度低速區(qū),形成了旋渦,其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)典型的雙渦結(jié)構(gòu),這與實際情況是相一致的.在旋流器中心區(qū)域表現(xiàn)為強制渦，器壁附近表現(xiàn)為自由渦,雙渦交界位置處的切向速度最大,在r=50mm附近取得.內(nèi)、外旋流的存在一方面表明了原液經(jīng)旋轉(zhuǎn)后與后續(xù)進(jìn)入的液體發(fā)生了碰撞、匯合等能量損失;另一方面外旋流的增大會使得密度較大、顆粒度較大的泥沙能夠沿軸向被擠壓到底流口,從底部排出,這也是旋流器在分離時需要一定的工作壓力以產(chǎn)生足夠大的旋流流場的原因.

1.2 靜壓

圖4為旋流器內(nèi)不同截面位置的靜壓分布圖.從圖4中X=0剖面可以看出,靜壓沿軸向由頂蓋向底流口,在中心附近沿軸線方向,壓力變化不明顯,等壓位置幾乎和軸線平行,可以認(rèn)為壓力受軸向位置的影響不大;從圖中其他幾個截面靜壓分布云圖可見,沿著徑向方向,靜壓隨著半徑的減小而急劇降低,近壁處的壓力為最高,中心軸線位置附近壓力最低,這與理論上在旋流器內(nèi)中心軸線附近易形成低壓空氣柱相一致.這一低壓區(qū)的存在會使得顆粒度小、密度小的介質(zhì)沒來得及充分分離,就隨內(nèi)旋流一起從溢流口排出,從而降低了分離效率.

圖4 不同截面靜壓分布云圖Fig.4 Static pressure contours distribution atdifferent sections

1.3 不同直徑顆粒物跡線模擬

采用離散相模型進(jìn)行顆粒運動軌跡的仿真模擬,設(shè)定3組不同粒徑泥沙,分別為10，25，40μm,泥沙密度為2600kg/m3,每組顆粒的質(zhì)量流率設(shè)為0.05kg/s.運用三維單精度模式,創(chuàng)建顆粒噴射源,設(shè)最大步長為2500,其模擬結(jié)果如圖5.

從圖5可以看出,直徑為10μm的顆粒由于其重量輕,慣性小,沙粒隨液流旋轉(zhuǎn)向下運動,大部分顆粒在外旋流作用下一起到達(dá)底流口排出,小部分沙粒到達(dá)錐段或者底流口后,會隨中心區(qū)的內(nèi)旋流螺旋上升,進(jìn)入溢流口,并從溢流口排出,降低了分離效率.對比25μm和40μm的沙粒跡線圖,由于顆粒直徑變大,質(zhì)量增大,受到較大離心力后被甩向壁面,沿壁面在外旋流推擠作用下,直接從底流口排出.圖5c)顯示出40μm的顆粒慣性更大,更容易保持原來的運動軌跡,順著外旋流螺旋下降,直接進(jìn)入底流口,幾乎沒有從溢流口排出大顆粒，這也表明了旋流器對40μm以上直徑顆粒的分離效率非常高.

模擬結(jié)果顯示,設(shè)計的旋流器對較大顆粒直徑的泥沙能有較好的分離效果,特別是40μm以上達(dá)到100%分離,這對于減少船舶壓載水中的泥沙等大顆粒物的含量是有效的,所分離的泥沙量越多,船舶總噸就會減少,EEDI指數(shù)就會降低.

a)10μm

b)25μm

c)40μm

2 實驗及分析

本實驗樣品分析由國內(nèi)某科學(xué)研究中心分析處理(甲級資質(zhì)).實驗?zāi)康?鑒定旋流器對樣品的除沙效率、樣品的含沙量以及主要粒徑成分.利用量筒、量杯、漏斗、濾紙、DHG-901A型恒溫鼓風(fēng)干燥箱、FA2104N型電子天平等儀器進(jìn)行含沙量分析實驗,利用馬爾文MS2000型粒度儀、KQ250DA型數(shù)控超聲波震蕩儀、玻璃棒、酒精燈、鐵架臺、燒杯、石棉網(wǎng)、雙氧水、六偏磷酸鈉溶液進(jìn)行粒徑級配分析.實驗參照國家技術(shù)監(jiān)督局GB 50159-92《河流懸疑質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》以及水利部SL42-92《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》相關(guān)規(guī)定.實驗系統(tǒng)如圖6.

實驗時,采用離心沙漿泵將含有不同粒度的原液沿切向入口打入旋流器進(jìn)行分離,對溢流口和底流口分離產(chǎn)物進(jìn)行取樣進(jìn)行顆粒度檢測,并在干燥后稱重測定含量.因?qū)嶒灁?shù)據(jù)量較多,以其中一組實驗數(shù)據(jù)(表1)為例. 由表1實驗數(shù)據(jù)可見,當(dāng)壓力大于1kgf/cm2時,旋流器對40μm以上直徑的泥沙分離率達(dá)到100%,對10～40μm直徑范圍的泥沙分離率達(dá)到90%以上,對0～10μm直徑范圍內(nèi)的泥沙分離率在60%～70%左右.總體過濾性能達(dá)到90.43%.

圖6 實驗系統(tǒng)Fig.6 Experimental system

這與仿真模擬所得結(jié)論是一致的,細(xì)顆粒度直徑泥沙由于其質(zhì)量微小,與海水的密度差也小,能較長時間懸浮在海水中,在旋流分離時,這部分小直徑的泥沙在旋流時很容易會隨著中心區(qū)的內(nèi)旋流從溢流口隨海水一起排出,導(dǎo)致該組分的分離效率降低.稍大顆粒的泥沙由于其質(zhì)量的增加,在分離時追隨能力強,能隨外旋流直接到達(dá)底流口排出,因而分離效率高.事實上,本旋流器不但可以去除海水中的泥沙,也可以去除海水中與泥沙同級顆粒直徑的藻類或水生物,因此可將旋流器安裝在壓載水處理系統(tǒng)的前道處理環(huán)節(jié),實驗數(shù)據(jù)也顯示了分離效果達(dá)到了壓載水管理的D-2標(biāo)準(zhǔn).

表1 實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

3 結(jié)論

旋流器在分離時基本不受重力影響,安裝靈活,可在現(xiàn)有船舶任意船體空間內(nèi)安置(立式、臥式、舷側(cè)傾斜安裝均可),提高了已造船的可改裝性.實際運用時可根據(jù)船舶壓載水總量需要進(jìn)行多組并聯(lián)安裝,增加了處理量和縮短壓載水處理時間.且設(shè)備運行能量消耗低,內(nèi)部無運動部件,幾乎終身免維護(hù),大大降低船舶營運成本,提高經(jīng)濟性.

文中旋流器除沙效率能達(dá)到90%以上,以一艘船的壓載水總量約占總噸的1/3計算,即能減少的泥沙量約占船舶總噸的0.45%.實驗中設(shè)定的海水泥沙含量濃度取值于我國東海地區(qū)最為嚴(yán)重區(qū)域,考慮到不同海域的含沙量差異性,旋流器在處理不同海域壓載水的總體分離效果因而也會有變化.降低EEDI指數(shù)是一個多目標(biāo)函數(shù)[10],將更多的能效因素納入到綜合考慮體系,才能適應(yīng)IMO越來越嚴(yán)格的EEDI要求.

References)

[1] 李路, 芮曉松.論能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)現(xiàn)階段強制實施的合理性 [J].船舶設(shè)計通訊,2010,126(4):11-14.Li Lu, Rui Xiaosong.Comments to the mandatory implementation of EEDI for the present[J].JournalofShipDesign, 2010,126(4):11-14.(in Chinese)

[2] 譚祖勝,沈漢峰,王曉東.基于碳排放強度的經(jīng)濟型EEDI預(yù)估模式研究[J].中國造船,2013,62(2):153-155.Tan Zusheng, Shen Hanfeng,Wang Xiaodong.Study of prediction mode based on economical EEDI carbon emissions intensity[J].ShipbuildingofChina, 2013,62(2):153-155.(in Chinese)

[3] 李慧,張發(fā)廳.基于水力旋流器三維數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].山西建筑, 2011, 37(8):225-226.Li Hui, Zhang Fating.Research on the structural parameter based on three-dimensional numerical simulation of the hydrocyclone[J].ShanxiArchitecture, 2011, 37(8):225-226.(in Chinese)

[4] 晉軍水.用于黃河水質(zhì)監(jiān)測的高含沙量前處理系統(tǒng)[J].中國防汛抗旱, 2011, 21(4):83-84.Jin Junshui.For high sediment concentration in the Yellow River water quality monitoring and processing system[J].ChinaFlood&DroughtManagement,2011, 21(4):83-84.(in Chinese)

[5] 蔣明虎,劉道友,趙立新.錐角對水力旋流器壓力場和速度場的影響[J].化工機械, 2011, 38(5):572-575.Jiang Minghu,Liu Daoyou,Zhao Lixin.Cone angle effect on hydrocyclone pressure and velocity fields [J].ChemicalEngineering&Machinery,2011, 38(5):572-575.(in Chinese)

[6] Chuah T G,Gimbun Jolius,Choong Thomas S Y.A CFD study of the effect of cone dimensions on sampling aerocyclones performance and hydrodynamics[J].PowderTechnology,2006, 162(2):126-132.

[7] Xiang R,Park S H,Lee K W .Effects of cone dimension on cyclone performance[J].JournalofAerosolScience,2001, 32(4):549-561.

[8] 李玉平.防泥沙型船開發(fā)迫在眉睫[J].中國船檢,2010,46(2):46-48.Li Yuping.To develop anti-sediment vessel form is critical [J].ChinaShipSurvey,2010,46(2):46-48．(in Chinese)

[9] 王軍,陳寧.旋流器流場模擬及特性分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,26(4): 366-369.Wang Jun, Chen Ning.Hydrocyclone flow field simulation and characteristic analysis [J].JournalofJiangsuUniversity:NaturalScienceEdition,2012, 26(4): 366-369.(in Chinese)

[10] 胡瓊, 陳凱, 孫權(quán).新船能效設(shè)計指數(shù)及應(yīng)對策略分析[J].中國造船,2011, 52(z1):27-31.Hu Qiong,Chen Kai,Sun Quan.Energy efficiency design index (EEDI)for new ships and coping strategies analysis[J].ShipbuildingofChina,2011, 52(z1):27-31.(in Chinese)

(責(zé)任編輯：曹 莉)

Designandexperimentalstudyofhydrocycloneforremovingsandfromballastwater

Wang Jun1, Ying Sheng2, Chen Ning1

(1.School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003, China)(2.Zhejiang Branch,China Classification Society,Taizhou Zhejiang 318000,China)

In order to meet the IMO requirements of “ballast water management provisions of article D-2”, a hydrocyclone is designed for the removal of sediment particles of different diameters in seawater.FLUENT software is applied to the analysis of the tangential velocity and the static pressure in the cyclone.Trajectories of the particles are simulated, and inner and outer vortex effects on separation are pointed out.The simulation results show that the cyclone removal rate is 100% for particles with diameter greater than 40μm.Experimental results show that the sediment separation rate in hydrocyclone for particles of such size reaches 100%, silt separation rate is above 90% in the 10～40μm particle diameter range,silt separation rate is 60%～70% in the 0～10μm particle diameter range, and the overall filter performance reached 90.43%.It can effectively reduce the silt concentration of ballast water and energy consumption.

D-2;ballast water;silt removal;hydrocyclone

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.06.008

2014-04-30

王 軍(1978-),講師,研究方向為船舶設(shè)備性能、船舶數(shù)字化設(shè)計及仿真等.E-mail:ecsi-wj@163.com

U664.9;X52

A

1673-4807(2014)06-0552-05