導流錐對新型動態(tài)氣流分級機內(nèi)流場的影響研究

李 強，方 瑩,2，牟信良

1南京工業(yè)大學材料科學與工程學院 江蘇南京 211816

2江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇南京 211816

渦流空氣分級機作為粉體材料制備的重要設備，廣泛應用于礦物分選、化工、醫(yī)藥、食品加工等領域[1-2]。隨著粉體產(chǎn)能需求的激增，由于結構限制，渦流空氣分級機的工業(yè)應用出現(xiàn)了諸多問題[3-4]。首先，物料分級主要集中在環(huán)形區(qū)，若無法及時分離物料，則環(huán)形區(qū)內(nèi)的粉塵濃度會很高，這將增加顆粒碰撞的概率，并降低分級精度。其次，隨著產(chǎn)能需求的增加，若只增加撒料盤上的物料量，會導致物料在撒料板上分布不均勻，在環(huán)形區(qū)形成厚料幕，不利于物料分級。有些廠家通過增加進料口數(shù)量來解決此問題，雖然也取得一些效果，但是不能從根本上解決這個問題。另外，由于分級機結構的不對稱和氣流供給的不對稱，進風口處的風速過大，導致此處的導風葉片受到顆粒撞擊磨損嚴重。

針對這些問題，筆者設計了一種由動態(tài)氣流分級機與靜態(tài)分級機構成的三分離組合式氣流分級機，取代渦流空氣分級機。靜態(tài)分級機通過對物料的預分級和預分散，可以有效降低粗顆粒含量，降低分級室內(nèi)的粉塵濃度。同時，進料采用氣流輸送，使物料在分級機中充分分散。與傳統(tǒng)渦流空氣分級機相比，動態(tài)分級機無導風葉片，減小了風阻；動態(tài)分級機的傳動軸只需驅動轉籠旋轉，不需要分散物料，有效降低了能耗。

分級機結構決定了分級性能。結構優(yōu)化的目的是改善分級機內(nèi)部流場分布，從而提高分級性能。目前結構研究主要包括關鍵部件與輔助部件，關鍵部件一直都是研究的熱點，它主要包括轉籠與導風葉片等[5-9]；輔助部件在分級機中同樣起重要作用。WU S B 等人[10]設計了一種雙層撒料盤，這種結構可以改善物料在分級機內(nèi)的分散性，從而提高分級效果。王立剛等人[11]采用數(shù)值模擬方法對比了有無擾流錐對分級流場和分級性能的影響，發(fā)現(xiàn)擾流錐的存在減小了環(huán)形區(qū)和轉籠葉片間的速度波動，同時減少了淘洗區(qū)筒體內(nèi)高頻脈動湍渦數(shù)量，從而提高了分級效果。孫占朋等人[12-13]在臥式分級機中增加了導流裝置，發(fā)現(xiàn)增設導流裝置可以提高物料的分散性，使流場更加穩(wěn)定。M.Betz 等人[14]在轉籠內(nèi)部安裝了若干導流板，并模擬了導流板對分級流場的影響，結果表明，導流板的存在降低了分級機壓降，同時在高轉速下具有較好的分級性能。

導流錐作為新型動態(tài)分級機的輔助部件之一，對新型動態(tài)氣流分級機的流場分布起著重要作用。但是導流錐在分級機中的作用機理以及作用效果尚未清楚。針對這兩個問題，筆者利用數(shù)值模擬方法研究了導流錐對新型動態(tài)氣流分級機的影響，對比了有無導流錐結構的流場分布特點和物料分級試驗結果。

1 設備與計算模型描述

1.1 分級機結構及其分級原理

由動態(tài)氣流分級機與靜態(tài)分級機構成的三分離組合式氣流分級機如圖 1(a) 所示，新型動態(tài)氣流分級機結構如圖 1(b) 所示。新型動態(tài)氣流分級機的分級原理：物料經(jīng)過預分級與預分散后隨著氣流進入動態(tài)氣流分級機；物料與氣體由分級機底部進口進入，氣流經(jīng)過導流錐時，部分粗顆粒由于慣性作用與導流錐相撞失去速度下落被收集，從粗粉出口排出，其余物料隨氣流進入分級室；氣流經(jīng)導流錐后進入轉籠，其氣流路徑有較大偏折，大部分粗顆粒由于慣性作用繼續(xù)向上運動，從而撞擊上部筒壁失去速度，沿著筒壁下落經(jīng)過錐體被收集為粗粉，剩余物料隨氣流進入轉籠的分級區(qū)；氣流和在氣流中分散的顆粒與轉籠一起高速旋轉，此時顆粒主要受到重力、離心力和氣流曳力3 種力的作用，粗顆粒由于所受的離心力大于氣流曳力，向筒壁運動并撞擊筒壁而失去動能，在重力作用下下落被收集為粗粉，而細顆粒所受的離心力小于氣流曳力，被氣流攜帶進入轉籠，并通過出風口經(jīng)過旋風筒被收集為細粉。

圖1 分級機結構Fig.1 Structure of classifier

新型動態(tài)氣流分級機所能分級的粒度范圍需要根據(jù)工藝要求，通過操作參數(shù)與結構參數(shù)進行調(diào)節(jié)。根據(jù)原料的物理性質及成品細度的工藝要求，在設計分級機時加以優(yōu)化，即結構參數(shù)調(diào)節(jié)；設備在運行時，對轉籠轉速與進口風量進行優(yōu)化，即操作參數(shù)調(diào)節(jié)。在工業(yè)應用中，該動態(tài)氣流分級機可實現(xiàn) 0.15～0.23 mm 粒度的分級。

1.2 模型描述與條件設定

使用 SolidWorks 軟件對動態(tài)氣流分級機的主要結構進行幾何建模，建模時簡化了分級機內(nèi)部復雜結構，幾何模型與其主體參數(shù)如圖 2(a) 所示。轉籠葉片長 20 mm，厚 2 mm，高 150 mm，沿轉籠外緣均勻分布。有、無導流錐的分級機的主要尺寸相同，有導流錐的分級機其導流錐高度為 103 mm，錐底直徑為 234 mm。為了方便表達，將有導流錐結構和無導流錐結構分別用 Type-A 與 Type-B 表示。

圖2 動態(tài)氣流分級機的模型和網(wǎng)格劃分Fig.2 Model and grid division of dynamic air classifier

網(wǎng)格劃分由 ICEM 軟件完成，將計算模型分為6 個區(qū)域：進料區(qū)域、錐體區(qū)域、粗粉出口區(qū)域、分級室區(qū)域、轉籠區(qū)域與細粉出口區(qū)域。如圖 2(b) 所示，除了粗粉出口區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，其余部分由于其結構規(guī)整，所以采用六面體網(wǎng)格。Type-A 與Type-B 結構的模型網(wǎng)格只有在錐體部分不同，其余部分完全相同?？紤]到計算時間和計算精度，網(wǎng)格劃分后需要進行網(wǎng)格獨立性驗證。在相同條件下，以分級機入口和出口之間的平均靜壓降為標準，對 710 000、1 270 000、1 800 000、2 340 000 和 2 840 000 個 5種網(wǎng)格數(shù)量進行了檢查。結果表明：當網(wǎng)格數(shù)超過1 800 000 個時，進出口壓降差小于 1%。最終模型網(wǎng)格數(shù)量選擇了 1 800 000 個。

結合動態(tài)氣流分級機的結構特點和流場特點，湍流模型選擇 RSM (雷諾應力模型)。該模型考慮了各向異性效應，更適用于模擬強渦流運動以及各向異性較強的流動問題[15-16]。壁邊界采用無滑移邊界條件，近壁面采用標準壁函數(shù)處理。壓力-速度耦合采用 SIMPLEC 算法，對流擴散采用 QUICK 差分格式，殘差精度設為 10-4。模擬工況設定：風速為 14 m/s，轉速為 500 r/min；入口定義為 velocity-inlet (速度入口)，出口定義為 outflow (出口流動邊界)；采用 MRF(多參考坐標系模型) 模擬分級室內(nèi)轉籠的旋轉運動，旋轉方向為順時針。

2 模擬結果與分析

2.1 氣流路徑分布

在轉速為 500 r/min、進口風速為 14 m/s 的工況下，模擬 Type-A 與 Type-B 的氣流路徑，如圖 3 所示。

從圖 3 可以看出，導流錐的存在明顯改變了氣體的流動路徑。如圖 3(a) 所示，在 Type-A 中，氣流經(jīng)過導流錐進入分級室，然后沿著轉籠底部向上運動，接著以較小的入射角進入轉籠；氣流在轉籠底部形成渦流 (渦流中心在轉籠內(nèi)) 阻礙了氣流進入，這是結構原因無法避免；同時氣流在筒壁附近形成速度小的渦流，有利于對粗粉的淘洗[17]，提高分級精度。在圖3(b) 中，Type-B 結構由于沒有導流錐的導流作用，氣流直接沖擊轉籠底部，轉籠底部提供了巨大的橫向導流作用，氣流沿著轉籠底部橫向向筒壁運動，隨后在筒壁附近向上運動，遇到上筒壁后發(fā)生轉折從轉籠上部進入轉籠。從局部流線圖可以看到，氣流在分級室與轉籠處形成了較大范圍的渦流，充斥在分級室內(nèi)，并且占據(jù)了轉籠約 2/3 的高度，嚴重阻礙了氣流進入，降低了轉籠有效分級高度。

圖3 導流錐對氣流路徑與軸向速度的影響Fig.3 Influence of guide cone on airflow path and axial velocity

以截面z=-37.5 mm 為例，模擬導流錐對軸向速度分布的影響，如圖 3(c) 所示。負號代表氣流向下運動，即與氣流出口方向相反。Type-A 中，從近筒壁處到轉籠中心的速度都是正值，且逐漸增大，在轉籠附近的速度分布平緩，速度保持在 3 m/s 左右，有利于細粉的快速排出。Type-B 中，軸向速度分布的波動遠大于 Type-A，筒壁附近的速度最高為 8 m/s，然后急劇減小，在轉籠附近都是負值，且在轉籠葉片間速度達 -3.5 m/s，影響細粉的排出。此外，Type-B近筒壁的軸向速度達到了 8 m/s，不利于粗粉的下落排出，容易把已經(jīng)分選的粗顆粒重新帶回轉籠，造成切割粒徑增大；而 Type-A 的筒壁附近有較小速度的負值，即在近壁面有向下運動的氣流，速度約為 0.8 m/s，有利于粗粉的收集。

2.2 對徑向速度與切向速度的影響

顆粒分級主要發(fā)生在轉籠外表面附近的區(qū)域。在分級區(qū)域中的切割粒徑 (D50) 可通過以下公式得到：

式中：CD為阻力系數(shù)；ρg為氣體密度；R為轉籠半徑；vr為徑向速度；ρp為顆粒密度；vt為切向速度。

從式 (1) 可以得到，當徑向速度與切向速度在合理范圍內(nèi)且分布均勻時，在分級面內(nèi)能得到恒定的切割粒徑。故有必要對分級室與轉籠區(qū)域的徑向速度與切向速度進行分析。

2.2.1 徑向速度

徑向速度分布云圖如圖 4 所示。如圖 4(a)、(b)所示，氣流從 Type-A 轉籠中上部進入轉籠，徑向速度較為均勻，而在 Type-B 中，氣流在分級室與轉籠上部都有較大徑向速度。

圖4 導流錐對徑向速度的影響Fig.4 Influence of guide cone on radial velocity

轉籠外表面是氣流進入轉籠的必經(jīng)之地，在轉籠入口處沿軸向取點獲得氣流的徑向速度分布圖，如圖 4(c) 所示。在 Type-B 中，從轉籠頂部到底部的徑向速度變化較大，速度變化量達 20 m/s；在轉籠上部的徑向速度均在 10 m/s 以上，尤其在頂部的速度達到了 15 m/s。如此過大的速度易使粗顆粒被氣流帶入轉籠，收集為細粉，降低了分級精度，增大了切割粒徑。同時，在轉籠高度為 94 mm 時，徑向速度開始變?yōu)檎担从袣饬鲝霓D籠中流出，Type-B 的轉籠有效分級高度即為 94 mm。在 Type-A 中，在轉籠高度為 110 mm 時，徑向速度出現(xiàn)較小的正值，則 Type-A型的轉籠有效分級高度為 110 mm，相對于 Type-B 提高了 17%。在 0～110 mm，即轉籠有效分級高度內(nèi)，徑向速度分布較為均勻，大部分區(qū)域的徑向速度保持在 6 m/s 左右。

2.2.2 切向速度

氣流的切向速度是產(chǎn)生旋流和顆粒離心力的主要原因。圖 5 所示為切向速度分布云圖和轉籠外表面切向速度分布圖，負號代表與轉籠旋轉方向相同。

在圖 5(a)、(b) 中，在錐體區(qū)域與轉籠內(nèi)部兩種結構的切向速度分布幾乎一樣。但在 Type-B 中，在分級室內(nèi)有較大切向速度，其所在范圍與圖 3(b) 中渦流位置基本吻合，可以推測切向速度大是由分級室內(nèi)高速旋轉的渦流所造成的。

由圖 5(c) 可以看到，兩者在轉籠入口處的切向速度總體上呈增大趨勢，其速度變化量在 4 m/s 左右，并都在轉籠底部達到最大值。不同的是，Type-A 的切向速度是在轉籠下部突然增大，這是受到轉籠底部渦流的影響，而渦流是不可避免的，這與上面分析一致；但是在轉籠中上部主要分級區(qū)域內(nèi)的切向速度變化平穩(wěn)，變化量基本保持在 1.5 m/s 左右。而 Type-B的切向速度一直增大，并且在轉籠有效分級高度內(nèi)的速度梯度大，速度變化量達 2.5 m/s。

圖5 導流錐對切向速度的影響Fig.5 Influence of guide cone one tangential velocity

Type-B 內(nèi)的渦流強度與范圍均大于 Type-A，導致 Type-B 的切向速度均大于 Type-A，而且此渦流是豎直的，產(chǎn)生的切向速度方向也是豎直的。而分級所需要的離心力是由水平氣流旋轉而產(chǎn)生的，雖然Type-B 擁有較大的切向速度，但這是無意義的。轉籠外邊緣線速度

式中：R為轉籠半徑；n為轉籠轉速。將數(shù)值代入公式可得vi=6.7 m/s。

顯然，轉籠入口處氣流的切向速度小于轉籠線速度，這是因為氣流的切向速度主要由轉子保持架的旋轉產(chǎn)生，而氣流由于黏度小而運動滯后。

圖6 所示為 Type-A 轉籠通道內(nèi)不同位置 (軸向) 的切向速度分布。為便于表述，采用進風口風速 (v，m/s)-轉籠轉速 (n，r/min) 來表示操作參數(shù)工況，如圖 6 中 14-500 即為風速為 14 m/s、轉速為500 r/min，下同。由圖 6 可以看到，隨著氣流進入轉籠通道，切向速度逐漸增加，并保持軸向上的穩(wěn)定。另外，隨著轉籠轉速增加，整體切向速度增加，從而可以分離更小粒度的顆粒。

圖6 轉籠通道內(nèi)不同位置的切向速度Fig.6 Tangential velocity at various position inside channel of rotary cage

綜合以上分析可以得出，導流錐的存在，極大地改善了分級室與轉籠附近的徑向速度與切向速度的分布，使其速度變化平穩(wěn)，流場分布均勻，有利于獲得高分級精度和低切割粒徑的產(chǎn)品[18-19]。

2.3 離散相模擬

采用 DPM (離散相模型) 模擬了顆粒在 Type-A和 Type-B 中的運動軌跡。密度為 2 750 kg/m3的顆粒由進氣口進入分級機，模擬了 5 μm 和 30 μm 2 種粒徑的顆粒在不同工況下的運動軌跡，30 μm 顆粒為分級機設計的目標切割粒徑。每組模擬中顆粒數(shù)量均為20 個。采用 DRW (隨機游走模型) 增加顆粒在氣流中運動的隨機性。不同工況下，顆粒進入分級機后的運動軌跡如圖 7 所示。每組圖中，左側為 5 μm 顆粒，右側為 30 μm 顆粒。

圖7 顆粒運動軌跡Fig.7 Particle trajectory

從圖 7 可以看到，在 Type-B 中，不同工況下的顆粒進入分級機后都先沖擊轉籠底部，然后沿著筒壁向上運動，最后在轉籠頂部近乎水平進入轉籠內(nèi)部。在 Type-A 中，顆粒沿著導流錐向上進入分級室，細顆粒在轉籠中上部斜向上進入轉籠內(nèi)部，被收集為細粉；粗顆粒被甩向筒壁，失去速度沿筒壁下落，收集為粗粉。

在圖 7(a)、(c) 中，Type-A 中 30 μm 的顆粒被收集為細粉的概率小于 5 μm 顆粒，尤其在 14-600工況下，只有少數(shù)顆粒被收集為細粉。這是由于在Type-A 中，顆粒粒徑與轉籠轉速越大，顆粒所受離心力就越大，更容易被甩出分級區(qū)，沿筒壁下落收集為粗粉。由此可見，Type-A 對 30 μm 顆粒分級效果較好，對 5 μm 顆粒的分級效果不明顯，這符合分級機的設計預想。而在 Type-B 中，盡管粒徑與轉速得到增加，但是由于在筒壁附近具有較大軸向速度，而且轉籠頂部徑向速度過大，導致絕大部分顆粒都從轉籠頂部進入轉籠，被收集為細粉，從而使分級性能大幅下降。

從離散相模擬結果來看，Type-A 與 Type-B中，顆粒運動軌跡截然不同，Type-A 中顆粒的運動軌跡更為合理，因而擁有更好的分級能力，這與氣相流場分析一致。

3 物料分級試驗

為了驗證以上分析，以碳酸鈣為原料進行分級試驗，原料粒度分布如表 1 所列，試驗裝置系統(tǒng)如圖 8所示。

圖8 試驗用分級系統(tǒng)Fig.8 Classification system for test

表1 原料粒度分布Tab.1 Distribution of particle size of raw material

原料進入靜態(tài)分級機進行預分級和預分散，然后隨氣流進入動態(tài)氣流分級機進行分級，細粉被旋風筒收集，粗粉被分級機粗粉出口收集。原料經(jīng)過分級后進行稱重取樣，用激光粒度儀對原料以及收集到的粗粉與細粉進行粒度分析。分級性能以切割粒徑 (D50)和分級精度 (K) 作為評判指標，D50是指部分分級效率為 50% 時的粒徑，其值越小，表示分級性能越好；K以部分分級效率為 25% 和 75% 的顆粒粒徑之比表示，其值越大，表示分級性能越好。D50和K的計算結果如表 2 所列。

表2 切割粒徑 (D50) 和分級精度 (K) 的對比Tab.2 Comparison of cutting size (D50)and classification precision (K)

在4 種工況下，Type-A 的D50相比于 Type-B 有很大降低，平均降低了 31.3%，這是由于 Type-B 在轉籠上部有較大的徑向速度所導致；尤其在 16-600工況下，D50降低了 39.1%，原因是雖然轉籠轉速增大了，被轉籠分選出來的粗粉增多，但是由于筒壁附近有較大的正向軸向速度，被分選的粗粉又被氣流帶回轉籠進行分選，導致粗粉被氣流帶入轉籠中，從而增大D50。相反，Type-A 中，在筒壁附近的軸向速度小，有利于粗粉的下落收集，故而有較低的D50。對比工況 16-500 與 16-600，可以看到，轉速提高，Type-A 的D50減小明顯，而 Type-B 的D50幾乎不變；Type-A 的K值也均大于 Type-B，K值平均提高了 45%，其主要原因是有導流錐結構的徑向速度與切向速度分布更加合理和均勻，而且 Type-B 的“跑粗”現(xiàn)象嚴重。

4 結論

通過數(shù)值模擬的方法，對有無導流錐結構的新型動態(tài)氣流分級機進行全流場對比分析，并且通過物料試驗加以驗證，得到以下結論。

(1) 導流錐可以極大改善氣流路徑，增加轉籠有效分級高度。在無導流錐的結構中，氣流沿筒壁向上運動，產(chǎn)生較大軸向速度，嚴重影響粗粉下落；在有導流錐結構中，氣流路徑合理，在筒壁附近有較小的反向軸向速度，有利于粗粉的下落。離散相模擬驗證了上述氣相流場分析。由于分級室內(nèi)渦流影響范圍的不同，有導流錐的轉籠的有效分級高度，大于無導流錐的結構。

(2) 導流錐能夠改善分級機內(nèi)氣流徑向速度與切向速度分布。相比于無導流錐結構，有導流錐結構的徑向速度與切向速度分布均勻，減少了“跑粗”現(xiàn)象，從而提高分級性能。

(3) 在以碳酸鈣為原料的分級試驗中，導流錐的存在使分級精度平均提高了 45%，切割粒徑降低了31.3%。物料分級試驗與數(shù)值模擬結果相吻合，證明了數(shù)值模擬方法在分級機結構改進中的可靠性。

(4) 模擬與試驗證明了導流錐在新型動態(tài)氣流分級機的重要性。下一步，將探究導流錐尺寸對流場的影響規(guī)律，從而找到最佳的導流錐高度與半徑。