一種新型水力旋流器的設(shè)計

劉 坤

（青島科技大學機電工程學院）

旋流器的基本原理是將具有一定密度差的液-液、液-固及液-氣等兩相或多相混合物在離心力的作用下進行分離［1］。現(xiàn)有的水力旋流器存在兩個問題：切線形進料管直接向旋流器內(nèi)進料容易造成進料口處流體的擾動和湍動，由于流體的轉(zhuǎn)向損失和渦流損失引起局部能量損耗較大；溢流管深入分離腔長度固定，無法根據(jù)不同待分離流體的屬性調(diào)節(jié)以達到最佳分離效果，使用靈活性較差。針對上述兩個技術(shù)問題，設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)的雙螺旋進水路水力旋流器。

1 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)

該新型水力旋流器的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，在原有的錐形體上部開口處插入一導流器，導流器與上端蓋和下部錐形體通過法蘭連接，上端蓋的側(cè)壁上連接著進料管。導流器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其外壁上對稱設(shè)有使待分離流體從上部容腔進入錐形體內(nèi)腔的兩個螺旋狀導流槽，導流器的中心處設(shè)有溢流管插孔，插孔下部的內(nèi)壁和溢流管下部的外壁上設(shè)有可相互連接的螺紋，溢流管上部外壁標有刻度，可根據(jù)分離要求旋轉(zhuǎn)溢流管改變深入錐形體內(nèi)腔的長度。此外還可以拆卸更換另外的相同外徑但不同壁厚（不同內(nèi)徑）的溢流管，以達到所需的分離效果。

圖1 新型水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 導流器與溢流管結(jié)構(gòu)

2 水力旋流器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 柱段筒體尺寸

水力旋流器柱段筒體的直徑與其處理量成正比，且影響待分離流體的向心流速和固相分離粒度［2］。一般在對粗顆粒進行分級時采用大直徑筒體旋流器，反之則使用小直徑筒體旋流器獲得細溢流，但易發(fā)生堵塞。所以在相同的工藝指標下，優(yōu)先使用大直徑的水力旋流器［3］；現(xiàn)階段關(guān)于柱段筒體長度對水力旋流器性能影響的研究較少，文獻［4］指出隨著柱段筒體長度的增加，旋流器內(nèi)腔變大，流體在其內(nèi)部停留的時間變長，這將提高旋流器的分離效率和生產(chǎn)能力，并降低能耗。文獻［5］推薦的柱段筒體長度H為（0.7～2.0）D，其中D為旋流器直徑，用于固液分離的水力旋流器柱段筒體長度應(yīng)適當取大值。

2.2 進料口直徑

增加進料口直徑會提高水力旋流器的生產(chǎn)能力并增大分離粒度，還可能減少磨損，文獻［6］給出的標準固液水力旋流器進料口直徑de為（0.13～0.29）D。

2.3 溢流口直徑

溢流管是水力旋流器實現(xiàn)分離的重要通道，其管口直徑影響旋流器的分離性能，包括分流比、入口進液量和溢流口處的能量損失。其結(jié)構(gòu)形式一般有薄壁直圓管、厚壁直圓管、帶錐角的漸擴管及虹吸式薄壁直圓管等［7］。一般情況下，溢流口直徑越大，分離粒度越大，生產(chǎn)能力增加，但分級效率有所降低。溢流口的直徑應(yīng)稍大于進料口直徑，一般取do為（1～2）de［8］。

2.4 底流口直徑

隨著底流口直徑的增大［9］，水力旋流器的壓降也隨之增大，這會使底流口流體濃度降低。行業(yè)標準規(guī)定的底流口直徑du為（0.15～0.25）D［10］。底流口直徑應(yīng)小于溢流口直徑，前后兩者比值即排口比是影響水力旋流器性能的重要參數(shù)之一，它可以改變分流比和固相分離效率。排口比的范圍應(yīng)在0.15～1.00之間，如果僅考慮分離效率的要求，則分離效率最大時所對應(yīng)的最佳排口比范圍一般在0.35～0.60之間。

2.5 水力旋流器錐角

旋流器的錐角影響待分離流體向下流動的阻力和分級自由面的高度，小的錐角更有利于壁面上的粗顆粒向下進入底流管，但錐角過小容易引起底流口的磨損與堵塞［11］。推薦固液分離用水力旋流器采用小錐角，即α≤15°［12］。

2.6 溢流管深入長度

在一般的水力旋流器中，溢流管要深入到進料口底部平面以下的范圍，否則將會出現(xiàn)嚴重的短路現(xiàn)象。深入長度過大會在溢流管附近形成大面積的湍流現(xiàn)象，進而影響等密度曲線的分布；隨著深入長度的減小旋流器的生產(chǎn)能力會有所增大，分離粒度變小，推薦的最佳溢流管深入長度l為（0.33～0.50）D［13］。需要注意的是，旋流器工作時會有一部分底流口流體往旋流中心處聚集并向上運動（在上升時會再次進行分選），這便會使旋流器內(nèi)部產(chǎn)生自下而上的閉環(huán)式渦流，渦流的一部分會進入溢流管污染溢流［14］。

2.7 溢流管壁厚

有研究表明增加溢流管的壁厚可降低水力旋流器內(nèi)部的能量損失，并且能在一定程度上提高分離效率和生產(chǎn)能力。故設(shè)計時可以適當增加溢流管的壁厚，溢流管外徑只要不大于D-2de即可。將溢流管外壁做成環(huán)齒形還有助于提高旋流器的分離精度［15］。

3 水力旋流器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 水力旋流器開口計算

要求預處理廢切削液量為1.5m3，查閱資料擬使用FX-75水力旋流器的規(guī)格標準［10］進行計算。

若D=75mm，則無導流器時柱段筒體長度可取1.5D，即為75×1.5=112.5mm。設(shè)計導流器長27mm，結(jié)合上述計算將旋流器柱段筒體總長度設(shè)計為142mm，導流器上方35mm，下方80mm。旋流器進料口直徑范圍為（0.13～0.29）D，即9.75～21.75mm?？紤]到所用316L不銹鋼無縫管的規(guī)格尺寸，先暫定取18mm，結(jié)合之前尺寸要求，假定溢流口直徑為25mm。底流口直徑范圍為（0.15～0.25）D，即11.25～18.75mm，考慮到排口比要求，取14mm。

3.2 水力旋流器處理能力

評價一個水力旋流器處理能力Q最常用的判斷標準是其體積流量，即水力旋流器單位時間內(nèi)處理的物料體積量。質(zhì)量流量是指水力旋流器單位時間內(nèi)處理物料的質(zhì)量，一般使用較少［16］。處理能力計算式如下：

其中：

式中 D——旋流器直徑，cm；

de——進料口直徑，cm；

do——溢流口直徑，cm；

KD——旋流器直徑系數(shù)；

Kα——旋流器錐角系數(shù)；

Pe——進口壓力，MPa；

α——旋流器錐角，（°）。

標準規(guī)定FX-75水力旋流器的計算處理能力范圍是5～10m3/h，并且所有用于分級、濃縮或脫泥的水力旋流器在進料口處的流速一般在5～12m/s范圍內(nèi)，由此可知以上各設(shè)計數(shù)據(jù)選用合理。

4 固液三相流場的數(shù)值模擬

使用UG建立本次水力旋流器內(nèi)部流體三維模型，如圖3所示，導出為Parasolid文本文件，之后用ICEM進行網(wǎng)格的劃分。因為本次要研究水力旋流器內(nèi)部的流場，且流體為多相介質(zhì)耦合，所以選用Fluent進行計算［17］。在Fluent中設(shè)定邊界條件與各相參數(shù)并進行模擬。

圖3 設(shè)備內(nèi)部流體三維模型

湍流模型選用k-epsilon（2 eqn），并選用RNG子模型，勾選Swirl Dominated Flow（旋流）項。工程上一般使用雷諾應(yīng)力（RSM）模型計算水力旋流器，但本次只研究水力旋流器在不同溢流管結(jié)構(gòu)參數(shù)下對同種物料的分離效果，因此標準kepsilon（2 eqn）模型中的RNG子模型完全可以勝任本次研究工作。

所需分離流體為水-油-固體雜質(zhì)顆粒三相耦合，油的體積分數(shù)為10%，要求進料口流量為100L/min，可得入口流速為6.5m/s，根據(jù)某公司提供的實驗數(shù)據(jù)，固體雜質(zhì)顆粒最小直徑為4μm，最大直徑為42μm，平均直徑為16.2μm。

邊界條件設(shè)置如下：

a.入口邊界條件類型為velocity-inlet（速度入口），速度大小根據(jù)流量計算得出，油的體積分數(shù)為10%，在Multiphase中設(shè)置Volume Fraction（入口體積分數(shù)）為0.1；

b.將溢流面、底流面的邊界條件類型均設(shè)置為pressure-outlet，不編輯數(shù)值；

c.壁面邊界條件，流體流動邊界設(shè)為無滑移固壁條件，并使用標準壁面函數(shù)法計算流體在固壁附近的流動。

首先在相同條件下對無導流器和有導流器的兩個水力旋流器進行水流試驗，進口速度取6.5m/s，內(nèi)部流場截面壓力分布如圖4所示。

由圖4可以看出，水流通過進料管進入旋流器后產(chǎn)生了旋流。對比圖4a、b可以看出導流器可以使內(nèi)部流場更加穩(wěn)定，旋流效果更好。

圖4 相同條件下有、無導流器內(nèi)部流場截面壓力分布

在同種邊界條件下，對溢流管深入長度不同的水力旋流器內(nèi)部流場進行模擬分析，內(nèi)部流場截面速度分布如圖5所示。

由圖5可以看出，當溢流管深入長度為0.9倍柱段（導流器下方）長時，附近形成了較大面積的湍流現(xiàn)象；隨著溢流管深入長度的減小，達到0.7倍柱段長時，旋流器內(nèi)部流場下方有些許擾動，總體趨于穩(wěn)定；達到0.5倍柱段長時，內(nèi)部流場最為穩(wěn)定；而再減小至0.3倍柱段長時，旋流器內(nèi)部流場出現(xiàn)明顯擾動。究其原因，增大溢流管的深入長度可以有效減少短路流，并有利于內(nèi)部流體的旋流，但溢流管深入過長會增強旋流腔的縱向渦流循環(huán)，造成能量的過多損耗。

圖5 不同溢流管深入長度內(nèi)部流場截面速度分布

由之前分析可知，溢流管深入長度的增加會使流向溢流管口處的固相雜質(zhì)增多且粒度變大，生產(chǎn)能力也會有所下降，這不利于達到分離要求；然而減小溢流管的深入長度又會使溢流管內(nèi)油相濃度降低。綜合考慮Fluent的模擬結(jié)果，在本次待分離流體的屬性條件和分離要求下，將溢流管深入長度調(diào)節(jié)到0.5倍柱段長時，分離效果最佳，能量損耗較少的同時又能保證生產(chǎn)能力。

在Fluent中的results模型樹中查看流體顆粒的流動分布情況，具體如圖6所示。

由圖6可以清楚地看出水力旋流器內(nèi)部流體分離的過程為：物料液進入旋流器后經(jīng)過導流器導流繞軸線自上而下形成旋轉(zhuǎn)場，固相顆粒因受到離心力和液體阻力的作用沿徑向拋向壁面，并向下運動聚集在底流口形成粘稠液排出；澄清液體則向中心聚集沿軸線上旋從溢流口排出，有少部分比較細小的顆粒跟隨澄清液上旋從溢流口排出。

5 結(jié)束語

筆者主要對可調(diào)節(jié)雙螺旋進水路水力旋流器的各重要部件進行了設(shè)計計算和內(nèi)部流場分析。該新型固液分離用水力旋流器結(jié)構(gòu)緊湊、組裝方便，采用螺旋狀的導流槽避免了切線形進料管直接向旋流器內(nèi)進料時造成的進口處流體擾動和湍動，減小了局部能耗，提高了旋流器的效率；導流器和溢流管通過螺紋連接，可根據(jù)需求旋轉(zhuǎn)溢流管，改變溢流管深入錐形體內(nèi)腔的長度以達到最佳分離效果，還可以更換不同內(nèi)徑的溢流管，適合對各種比重的混合液進行分離，使用靈活方便；同時，溢流管外壁上的螺紋齒在一定程度上減少了短路流，提高了旋流器的分離精度。這些特點使得該新型水力旋流器在對廢切削液、廢堿洗液等混合液的預處理方面具有實用性和可靠性，并具有廣闊的應(yīng)用前景。