參數(shù)變化對水力旋流器流場的影響

郭丹丹

（山西焦煤霍州煤電三交河煤礦， 山西 洪洞 031400）

0 引言

選煤廠是對原煤進(jìn)行處理加工的場所，可對原煤的等級進(jìn)行劃分，從而實現(xiàn)了對煤炭資源的充分利用。旋流器、振動篩等均為選煤廠的核心設(shè)備。其中，旋流器包括水力旋流器和重介質(zhì)旋流器。水力旋流器由于其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便以及成本低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。但是，當(dāng)前對水力旋流器的理論研究較少，對其生產(chǎn)時的流場特性掌握不充分。基于此，將重點研究水力旋流器的流場特性，為今后水力旋流器的分選效果、分級效果以及濃縮等效果參數(shù)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 水力旋流器概述

水力旋流器主要對兩種或多種密度不等的液相在流體壓強(qiáng)的作用下進(jìn)行分離。鑒于水力旋流器的離心加速度遠(yuǎn)大于待分選物料的重力加速度；因此，水力旋流器的分選效果遠(yuǎn)高于重力旋流器，水力旋流器的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水力旋流器基本結(jié)構(gòu)示意圖

從理論上講，水力旋流器的分選效果與其本身的參數(shù)相關(guān)，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)以及物性參數(shù)等[1]。本文重點對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)下水力旋流器的流程進(jìn)行分析，為確定最佳工藝參數(shù)提供支撐。其中，操作參數(shù)主要指水力旋流器的給入流量、分散相濃度和安裝角度。結(jié)構(gòu)參數(shù)重點指水力旋流器的入口結(jié)構(gòu)尺寸、柱段結(jié)構(gòu)尺寸、溢流管結(jié)構(gòu)尺寸、錐段結(jié)構(gòu)尺寸、沉砂管結(jié)構(gòu)尺寸等[2]。

2 參數(shù)變化對水力旋流器流場的影響

2.1 給入流量對水力旋流器流場的影響

本節(jié)對水力旋流器給入流量為5 L/min、15 L/min、25 L/min、35 L/min 以及45 L/min 五種情況下其內(nèi)部流場的變化進(jìn)行分析。

2.1.1 給入流量對空氣柱的影響

給入流量參數(shù)直接反映為水力旋流器中的礦壓強(qiáng)。當(dāng)給入流量越大時，在水力旋流器內(nèi)部形成空氣柱所需的時間越短，其內(nèi)部流場越快達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)；而且不同給入流量對應(yīng)最終所形成空氣柱的直徑也存在明顯的差異。對上述兩種情況進(jìn)行定量仿真分析，仿真結(jié)果如表1 和圖2 所示[3-4]。

表1 不同給入流量對應(yīng)空氣柱成型所需時間

圖2 不同給入流量對應(yīng)所成型空氣柱的直徑

如表1 所示，隨著給入流量的增加，水力旋流器內(nèi)部空氣柱的成型所需時間減小；不同的是，當(dāng)給入流量為25 L/min 時，繼續(xù)增大給水流量，空氣柱成型所需時間減少幅度減小。

如圖2 所示，空氣直徑最大對應(yīng)的給入流量為5 L/min，其次為15 L/min；從給入流量為25 L/min 開始所形成的空氣柱的直徑大致相同。

單從對不同給入流量對空氣柱的影響來看，應(yīng)將給入流量設(shè)定在25～45 L/min 之間。

2.1.2 給入流量對水力旋流器分離比和壓強(qiáng)降的影響

通過上述研究，重點對給入流量為25 L/min、35 L/min 以及45 L/min 時對水力旋流器分離比壓強(qiáng)降的影響仿真分析，通過仿真分析得出不同給入流量下對應(yīng)水力旋流器內(nèi)部沉砂分流比和總壓降結(jié)果如表2所示。

表2 不同給入流量下水力旋流器的壓降和分流比對比

如表2 所示，隨著給入流量的增加，水力旋流器中沉砂分流比減??；對應(yīng)的水力旋流器中總壓降增大。水力旋流器分選的動力源為通過壓強(qiáng)實現(xiàn)物料的分選。因此，當(dāng)壓降過大時，會直接影響物料的分選效果。

綜上對于水力旋流器而言，為保證分選效果應(yīng)將給入流量設(shè)定為25 L/min 為最佳。

2.2 柱高度對水力旋流器流場的影響

本節(jié)對水力旋流器給柱高度為50 mm、72 mm、85 mm 以及100 mm 四種情況下其內(nèi)部流場的變化進(jìn)行分析。

2.2.1 柱高度對空氣柱的影響

柱高度屬于水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)柱高度越大時，在水力旋流器內(nèi)部形成空氣柱所需的時間越長，其達(dá)到內(nèi)部流場動態(tài)平衡狀態(tài)所需時間也越長；而且不同柱高度對應(yīng)最終所形成空氣柱的直徑也存在明顯的差異。對上述兩種情況進(jìn)行定量仿真分析，仿真結(jié)果如表3 和圖3 所示。

表3 不同柱高度對應(yīng)空氣柱成型所需時間

圖3 不同柱高度對應(yīng)所成型空氣柱的直徑

如表3 所示，隨著柱高度的增加，水力旋流器內(nèi)部空氣柱的成型所需時間延長；不同的是，當(dāng)柱高度為72 mm 時，持續(xù)增加柱高度對應(yīng)空氣柱成型的時間相近，與100 mm 柱高度僅差0.1 s[5]。

如圖3 所示，隨著柱高度的增加對應(yīng)所形成空氣柱的直徑減??；而且當(dāng)柱高度為100 mm 時，空氣柱還存在中斷的趨勢。單從對不同給柱高度對空氣柱的影響來看，應(yīng)將柱高度設(shè)定在72～85 mm 之間合理。

2.2.2 柱高度對水力旋流器分離比和壓強(qiáng)降的影響

對柱高度為50 mm、72 mm、85 mm 以及100 mm對水力旋流器分離比壓強(qiáng)降的影響仿真分析，通過仿真分析得出不同柱高度下對應(yīng)水力旋流器內(nèi)部沉砂分流比和總壓降結(jié)果如表4 所示。

表4 不同柱高度下水力旋流器的壓降和分流比對比

如表4 所示，隨著柱高度的增加，水力旋流器中沉砂分流比先增大后減小，且在柱高度為85 mm 時對應(yīng)的沉砂分流比最高；對應(yīng)旋流器總壓降減小。

因此，綜合比較不同柱高度對水力旋流器內(nèi)部成型空氣柱達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間和總壓降、沉砂分流比，將柱高度設(shè)定在85 mm 為最佳。

3 結(jié)論

水力旋流器為選煤廠的分選設(shè)備之一，其依靠設(shè)備內(nèi)部壓強(qiáng)以及離心加速度實現(xiàn)對物料的分離，與傳統(tǒng)重介質(zhì)旋流器相比具有分選效果好、成本低以及操作簡單的優(yōu)勢。水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)是影響最終分選效果的關(guān)鍵參數(shù)。本文通過試驗仿真重點對結(jié)構(gòu)參數(shù)中的柱高度和操作參數(shù)中的給入流量對水力旋流器流場的影響展開研究，并總結(jié)如下：

1）對于操作參數(shù)的給入流量而言，當(dāng)給入流量為25 L/min 時，對應(yīng)空氣柱成型達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定的時間、總壓降等方面最佳，有利于對物料的分選。

2）對于結(jié)構(gòu)參數(shù)的柱高度而言，當(dāng)柱高度為85 mm 時，對應(yīng)空氣柱成型達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定的時間、總壓降等方面最佳，有利于對物料的分選。