劉春雨,孫占朋,楊 光

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊050018)

1 引言

微粉是電子、礦物、食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的重要基礎(chǔ)材料,近些年,均勻化、窄分布粒徑的顆粒需求逐漸增加,顆粒分級技術(shù)也獲得了較大發(fā)展[1]。渦流空氣分級機(jī)主要利用轉(zhuǎn)籠形成的強(qiáng)制渦進(jìn)行顆粒分級,其中立式渦流空氣分級機(jī)的研究較多,主要集中在旋渦運(yùn)動(dòng)特征[2]、顆粒運(yùn)動(dòng)過程[3,4]、分級機(jī)理[5]及流場設(shè)計(jì)[6,7]等方面。立式渦流空氣分級機(jī)的轉(zhuǎn)籠常采用懸臂梁支撐,單臺(tái)設(shè)備難以勝任超細(xì)粉體大規(guī)模加工,這是由于:①超細(xì)粉體分級時(shí)轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速高,單個(gè)大尺寸轉(zhuǎn)籠長周期運(yùn)轉(zhuǎn)將面臨動(dòng)平衡失效、密封泄漏等難題[8];②受機(jī)械結(jié)構(gòu)和流場布局等限制,分級室內(nèi)難以安裝多個(gè)小尺寸轉(zhuǎn)籠。并聯(lián)多臺(tái)小型分級機(jī)雖可提高超細(xì)粉體產(chǎn)量,但工藝復(fù)雜性增加。

臥式渦流空氣分級機(jī)的轉(zhuǎn)籠水平安裝,尺寸也較小,易于實(shí)現(xiàn)兩端支撐,轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速上限高。在分級室內(nèi)安裝多個(gè)小尺寸轉(zhuǎn)籠,單臺(tái)設(shè)備可用于超細(xì)粉體大規(guī)模加工,典型設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示,臥式多轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)的流場構(gòu)成復(fù)雜,由轉(zhuǎn)籠形成的水平旋渦和切向進(jìn)風(fēng)口形成的豎直旋渦正交耦合而成,但當(dāng)前對多轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)內(nèi)流場研究報(bào)道很少。本文在前期研究基礎(chǔ)上[9,10],以三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)為研究示例,利用數(shù)值模擬和顆粒分級試驗(yàn)對其復(fù)雜流場和分級性能進(jìn)行研究,研究結(jié)果不僅可揭示多正交旋渦耦合作用規(guī)律,還可為多轉(zhuǎn)籠分級機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

圖1 三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)模型

2.1 分級機(jī)結(jié)構(gòu)與尺寸

三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示,矩形切向進(jìn)氣口設(shè)于錐體下端,3個(gè)轉(zhuǎn)籠對稱布置在直徑為350mm的上部筒體內(nèi),轉(zhuǎn)籠軸線間夾角為120°,轉(zhuǎn)籠內(nèi)緣和外緣直徑分別為70mm和100mm,轉(zhuǎn)籠水平長度為88mm。數(shù)值模擬中分級機(jī)模型尺寸與試驗(yàn)中設(shè)備尺寸一致。

2.2 數(shù)值模擬

利用Fluent軟件開展流場分析,假定分級機(jī)內(nèi)為不可壓縮空氣,將空氣運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度(u)分解為平均速度(v)和脈動(dòng)速度(v′),則流體運(yùn)動(dòng)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程如下

(1)

(2)

湍流模型選擇雷諾應(yīng)力模型(RSM),雷諾應(yīng)力方程如下

(3)

式(3)中右側(cè)各項(xiàng)分別為應(yīng)力擴(kuò)散項(xiàng)、應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)、壓力應(yīng)變項(xiàng)和壓力耗散項(xiàng),各項(xiàng)求解方程如下

湍流耗散率的輸運(yùn)方程如下:

(4)

式(4)中σε、Cε1和Cε2分別為1.3、1.44和1.92。

求解設(shè)置中,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,壓力梯度項(xiàng)插補(bǔ)格式采用PRESTO,各方程對流項(xiàng)均采用QUICK差分格式,壁面條件采用無滑移及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。進(jìn)氣口采用速度入口邊界,入口速度分別為10m/s、15m/s和20m/s,入口水力直徑DH為25mm,湍流強(qiáng)度根據(jù)公式(IT=0.16(ρDHv/μ)-0.125)計(jì)算,細(xì)粉出口為自由出流邊界。

使用Gambit軟件對分級機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示,前期試算采用4種網(wǎng)格數(shù)量,分別為86672、269324、531566和885176。表1給出了不同入口速度和網(wǎng)格數(shù)量下壓降測量值與模擬值,分析可知,隨入口氣速增加,分級機(jī)壓降逐漸升高;網(wǎng)格數(shù)為531566時(shí),壓降模擬值與測量值誤差小于5.5%,此外,分級試驗(yàn)中顆粒加入后壓降試驗(yàn)值變化很小,因此認(rèn)為數(shù)值計(jì)算方法可信。

表1 壓降試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值對比

圖2 三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)網(wǎng)格示意圖

2.3 顆粒分級試驗(yàn)

試驗(yàn)原料為硅微粉,其體積中位粒徑約34μm。變頻器及進(jìn)氣口管路閥門分別控制轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量,分級機(jī)內(nèi)顆粒濃度恒為0.2kg/m3。切向進(jìn)氣口和頂部排氣管上均設(shè)計(jì)壓力測點(diǎn),分級機(jī)壓降為兩位置測點(diǎn)處靜壓差,利用U型管壓差計(jì)讀取。

每組分級試驗(yàn)完成后,粗組分從分級機(jī)底部排出,細(xì)組分被布袋過濾器收集,分別對收集的粗、細(xì)組分進(jìn)行稱重并取樣,利用BT-9300S型激光粒度儀對樣品進(jìn)行粒度分析。使用分級精度指數(shù)K和分級后粗、細(xì)組分粒徑分布曲線進(jìn)行分級性能評價(jià),分級精度指數(shù)K計(jì)算法參見文獻(xiàn)[9]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1 耦合流場分布特征

圖3給出了分級機(jī)內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)軌跡。分析可知,空氣從切向進(jìn)氣口進(jìn)入后形成豎直旋渦,靠近筒、錐體器壁和中心處氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度大,為粉末原料提供了分散、預(yù)分級離心流場。氣流升至分級室,在水平轉(zhuǎn)籠的作用下,豎直旋渦和水平旋渦相互作用,豎直旋渦被破壞而形成不規(guī)則的流場,為粗、細(xì)顆粒實(shí)現(xiàn)分離的主要場所。氣流穿過轉(zhuǎn)籠葉片匯入細(xì)粉出口,并在出口管內(nèi)形成旋流,這造成了部分能量損失。

圖3 三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)軌跡

圖4給出了分級機(jī)內(nèi)壓力和速度分布規(guī)律。分析圖4a可知,轉(zhuǎn)籠下部空間靜壓呈邊壁高、中心低的特點(diǎn),即分級機(jī)中心出現(xiàn)低壓區(qū)。從圖4b可看出,轉(zhuǎn)籠水平截面上氣流速度分布較均勻,轉(zhuǎn)籠附近出現(xiàn)速度最大值,細(xì)粉排出管內(nèi)速度呈螺旋三角形分布。從圖4c可看出,轉(zhuǎn)籠葉片間存在強(qiáng)度不等的慣性反旋渦,這將引起轉(zhuǎn)籠區(qū)域流場不均勻、不穩(wěn)定,同時(shí)加劇了轉(zhuǎn)籠葉片間的顆粒返混,對粗、細(xì)顆粒的定向分離產(chǎn)生不利影響。

3.2 轉(zhuǎn)速對流場的影響

圖5給出了Y=0.35m截面上切向速度隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。分析可知,轉(zhuǎn)速從1000r/min增大到3000r/min,分級室下部區(qū)域氣流切向速度分布特征不變,從器壁至中心,切向速度先變大后減小,呈偏心的蘭金渦分布。最大切向速度出現(xiàn)在器壁附近,最大切向速度值基本不隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的增加而變化,最大切向速度值在12m/s左右。以上分析說明,轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速對其下部筒、錐體內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)影響很小,即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)籠對分級室下部的顆粒預(yù)分散、分級流場基本不產(chǎn)生影響。

圖5 Y=0.35m截面上切向速度隨轉(zhuǎn)速的變化

分析圖6轉(zhuǎn)籠區(qū)域內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)速度變化可知,隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速增加,氣流運(yùn)動(dòng)速度顯著增加,轉(zhuǎn)籠內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)中心從靠近下部葉片逐漸向軸中心移動(dòng),流場分布均勻性改善。同時(shí)也發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)籠區(qū)域的外側(cè),氣流運(yùn)動(dòng)速度幾乎不隨轉(zhuǎn)速變化。結(jié)合圖5和圖6分析可知,轉(zhuǎn)籠主要控制葉片區(qū)域流場,轉(zhuǎn)籠區(qū)氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和顆粒碰撞頻率均影響分級粒徑和分級精度。

圖6 轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)籠區(qū)域氣體流動(dòng)的影響

3.3 進(jìn)口氣速對流場的影響

圖7給出了Y=0.35m截面上切向速度隨進(jìn)口氣速的變化規(guī)律。分析可知,隨進(jìn)口氣速的增加,切向速度最大值逐漸增加,豎直旋渦強(qiáng)度增加,切向速度分布的均勻性和對稱性也有所改善。當(dāng)進(jìn)口氣速達(dá)到20m/s,切向速度基本呈對稱蘭金渦分布,切向速度最大值到達(dá)14m/s。粉末原料進(jìn)入后,在豎直渦旋轉(zhuǎn)氣流的剪切、沖刷作用下被分散,并在離心力和氣流曳力的共同作用下實(shí)現(xiàn)初步分級。

圖7 Y=0.35m截面上切向速度隨進(jìn)口氣速的變化

分析圖8中轉(zhuǎn)籠區(qū)域氣流運(yùn)動(dòng)變化可知,進(jìn)口氣速對流場強(qiáng)度及分布情況均有重要影響。進(jìn)口氣速較小,氣體旋轉(zhuǎn)中心靠近轉(zhuǎn)籠下方葉片,流場分布均勻性較差。進(jìn)口氣速增加為20m/s后,氣體旋轉(zhuǎn)中心向轉(zhuǎn)籠中心移動(dòng),流場分布逐漸均勻。此外,隨進(jìn)口氣速增加,轉(zhuǎn)籠區(qū)域氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度也增大。結(jié)合圖7和圖8可知,進(jìn)口氣速對大部分區(qū)域內(nèi)離心力場都有重要作用,進(jìn)口氣速為分級機(jī)設(shè)計(jì)的首要確定參數(shù),而后通過匹配轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高顆粒分級效果。

圖8 進(jìn)口氣速對轉(zhuǎn)籠區(qū)域氣體流動(dòng)的影響

4 分級試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 分級精度變化規(guī)律

分析圖9中顆粒分級精度變化規(guī)律可知,轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和進(jìn)口氣速均對分級精度有重要影響。轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速固定,進(jìn)口氣速在10～25m/s變化,分級精度值先減小后增大。以上分析說明,進(jìn)口氣速過大將引起粗顆粒所受氣流曳力迅速增加,造成粗顆粒跑損量增大,顆粒分級效果變差。

圖9 轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和進(jìn)口氣速對分級精度指數(shù)的影響

進(jìn)口氣速分別為10m/s和15m/s時(shí),分級精度值隨轉(zhuǎn)速的增加先減小后逐漸變大,分級精度最小值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別為2000r/min和3000r/min。進(jìn)口氣速繼續(xù)增大為20m/s和25m/s,分級精度最小值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也變大。試驗(yàn)操作參數(shù)下,分級精度最小值為2.63,此時(shí)分級機(jī)處于較好的工作狀態(tài)。從分級精度數(shù)值看,三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)的分級效果仍需改善,可從以下方面進(jìn)行:1、粉末原料進(jìn)入分級機(jī)前進(jìn)行預(yù)分散;2、優(yōu)化分級機(jī)結(jié)構(gòu),改善分級流場分布,使轉(zhuǎn)籠區(qū)域的分級力場穩(wěn)定均勻分布。

4.2 粗、細(xì)組分粒徑分布

圖10為分級后粗、細(xì)組分的粒徑分布曲線(n=4000r/min,V=20m/s)。分析可知,細(xì)組分的粒徑范圍為0～29.3μm,體積平均徑為6.9μm。粗組分的體積平均徑為88.2μm,29.3μm以下的顆粒含量為16.5%?？梢?三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)可獲得超細(xì)粉末,但分級后粗、細(xì)組分的粒徑范圍部分重合,粗組分中仍夾帶較多的細(xì)顆粒。

圖10 分級后粗、細(xì)組分粒徑分布

5 結(jié)論

以典型的多轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一種臥式三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī),利用數(shù)值模擬和硅粉分級試驗(yàn)對其流場特性和顆粒分級性能進(jìn)行了研究,得到如下結(jié)論:

1)三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)內(nèi)多個(gè)正交旋渦耦合作用后,轉(zhuǎn)籠區(qū)域流場分布不均勻,轉(zhuǎn)籠葉片間存在明顯的慣性反旋渦,氣流在錐體段形成偏心旋渦,優(yōu)化該分級機(jī)結(jié)構(gòu)以改善其流場分布十分必要。

2)轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速主要控制葉片區(qū)域流場,較高的轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速有利于提高葉片區(qū)流場強(qiáng)度,改善流場分布均勻性。進(jìn)口氣速設(shè)備內(nèi)對各區(qū)域流場均有較大影響,進(jìn)口氣速越大,錐體段顆粒預(yù)分級流場和轉(zhuǎn)籠區(qū)域強(qiáng)制分級流場的強(qiáng)度也變大。

3)分級試驗(yàn)表明,轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和進(jìn)口氣速均對分級效果有重要影響,進(jìn)口氣速越大,與之匹配的轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速越高。試驗(yàn)中三轉(zhuǎn)籠渦流空氣分級機(jī)的分級精度最小值為2.63,可獲得體積平均徑為6.9μm的細(xì)組分。