孫樹峰，王文博，呂 嫣

（1.沈陽飛機研究所粉體公司，遼寧 沈陽 110035；2.沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

渦流空氣分級機轉(zhuǎn)速特性研究

孫樹峰1，王文博1，呂 嫣2

（1.沈陽飛機研究所粉體公司，遼寧 沈陽 110035；2.沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

通過試驗，對影響渦流分級機性能的主要因素——轉(zhuǎn)速進行了研究。發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加，分級粒徑變小，分級效率先增加后減小。試驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，不同的物料對設(shè)備的要求是不一樣的，同一參數(shù)對不同物料的影響也是不一樣的。因而在設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，要根據(jù)不同的物料特性做出相應(yīng)的調(diào)整。通過理論推導(dǎo)，得到了與試驗結(jié)果一致的結(jié)論。利用流體力學(xué)計算軟件進行了數(shù)值模擬，得到渦流分級機隨著轉(zhuǎn)速的增加，流場的渦流現(xiàn)象增強，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定的程度時，出現(xiàn)了反流現(xiàn)象，使已經(jīng)分離出的細粒又返回到分級區(qū)，從而影響分級機的分級效率。

渦流分級機；分級效率；分級理論； 分級過程

1 試驗部分

1.1 渦流分級機結(jié)構(gòu)

渦流分級機結(jié)構(gòu)特征詳見圖1、圖2。

圖1 渦流分級機結(jié)構(gòu)示意

1.2 渦流分級機的工作原理

圖2 分級室內(nèi)物料受力示意

分級的物料由入料口進入分級機內(nèi)，經(jīng)分散盤分散均勻后，獲得一定速度，又經(jīng)緩沖板撞擊，得以松散均勻，落入環(huán)形區(qū)域，與導(dǎo)流后的氣流匯合，得到混合均勻的氣料流。

在環(huán)形區(qū)域的物料顆粒受3個力的作用(如圖2所示)，即轉(zhuǎn)子內(nèi)的風(fēng)機產(chǎn)生的抽吸作用力Fv、轉(zhuǎn)子離心力Fr和重力Fw作用，其中的粗細顆粒在轉(zhuǎn)子的外邊緣處分離，細粒隨氣流進入轉(zhuǎn)子中心。在3個力的作用下，由于物料顆粒大小不同，所受力的大小不同，從而產(chǎn)生顆粒的分離，完成了分級作業(yè)。細粒隨氣流進入轉(zhuǎn)子，排出機外，進入細粉收集系統(tǒng)。

1.3 試驗過程

選用兩種不同的物料，一種為重鈣，另一種為石英。這兩種物料在特性上有所區(qū)別。先將這兩種物料進行粉碎，粉碎后的粒度分布如表1所示。

設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為2 800、3 000、3 200、3 500r/min的條件下，對兩種原料進行分級試驗。通過測試，得到粗細粉體的粒度分布，詳見表2和表3。

1.4 數(shù)據(jù)的計算與分析

分級效率的公式：

表1 原料的粒度分布

表2 不同轉(zhuǎn)速下得到的細粉的粒度分布

表3 不同轉(zhuǎn)速下得到的粗粉的粒度分布

式中：xf為原料中細顆粒的百分含量；xu為細粉中細顆粒的百分含量；x0為粗粉中細顆粒的百分含量。

利用上面的試驗數(shù)據(jù)和質(zhì)效率的公式計算各樣品的分級效率。粒徑在-10μm時的分級效率，計算結(jié)果見表4。

通過數(shù)據(jù)對比做出轉(zhuǎn)速對分級效率影響的趨勢分析(圖3)和轉(zhuǎn)速對粒徑d50和d90影響的趨勢分析(圖4)。

2 數(shù)值模擬計算

利用流體力學(xué)計算軟件進行數(shù)值模擬計算。

2.1 模型選取

本文把CF-φ315型強制渦流分級機的轉(zhuǎn)子作為研究對象，圖5為其轉(zhuǎn)子運動示意圖。它由轉(zhuǎn)子底盤—環(huán)盤—葉片構(gòu)成，120片葉片徑向均勻分布在底盤和環(huán)盤之間，超細粉體顆粒及空氣組成的混合氣體從轉(zhuǎn)子外部引入，在葉片組成的寬度為H的分級區(qū)域，由于受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力和風(fēng)機產(chǎn)生的軸向抽吸力作用，其中的粗細顆粒在轉(zhuǎn)子的外邊緣處分離，細粒隨氣流進入轉(zhuǎn)子中心，進入細粉捕集器中，當(dāng)分級機在額定工況下工作，轉(zhuǎn)子達到穩(wěn)定后，混合氣體流動規(guī)律及湍流特性假定沿葉片切向呈周期性分布，因此，選取兩葉片的間隙作為模擬區(qū)域，通過分析兩葉片之間的流動規(guī)律，可推測整個轉(zhuǎn)子分級區(qū)的流動規(guī)律。

表4 不同轉(zhuǎn)速的分級效率

圖3 轉(zhuǎn)速對分級效率的影響

圖4 轉(zhuǎn)速對粉體粒度分布d50和d90的影響

圖5 轉(zhuǎn)子運動示意

2.2 邊界條件

(1) 網(wǎng)格劃分。

編制FORTRAN程序生成與兩葉片間隙空間相一致的貼體網(wǎng)格模型如圖6所示，X軸為葉片的切向方向，Y軸為轉(zhuǎn)子的徑向方向，Z軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，旋轉(zhuǎn)方向符合右手定則。X、Y、Z方向的網(wǎng)格數(shù)分別為10，20，40。

圖6 網(wǎng)格示意

(2) 邊界條件。

分級區(qū)內(nèi)的氣—固兩相流主要是超細粉體和空氣的混合流動，給定空氣密度為1.29kg/m3，顆粒密度為2 120kg/m3，顆粒平均粒徑的d50=5μm；排風(fēng)機風(fēng)量為6 000m3/h。

進口處：流體在進口處為固定質(zhì)量流，取顆粒在入口處具有與氣體相同的徑向初始速度V1=V2=-20m/s，同時給定氣相與顆粒相在入口處的體積分數(shù)分別為r1=0.99；r2=0.01。

出口處：設(shè)流體在出口處為充分發(fā)散，出口壓力恒定，取P=0作為參考壓力。

邊壁處：氣固兩相流體在固體邊壁都滿足無滑移和不可穿透條件，即其相對于壁面的速度值都為零。

2.3 計算結(jié)果與分析

(1) 求解方法。

對上述統(tǒng)一方程組采用IPSA算法求解，用交錯的計算網(wǎng)格，首先將各微分方程離散化，然后運用預(yù)估—校正的迭代法求解，直到全場上所有的變量收斂為止。

(2) 顆粒相的速度矢量圖。

顆粒直徑都小于10μm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為1 000、2 000、3 000r/min時，得到IZ=20處X-Y平面上顆粒相的速度矢量圖(圖7)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低n=1 000r/min時，顆粒流可以均勻地從進口流向出口， 幾乎沒有出現(xiàn)粒子的反流現(xiàn)象。

當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到n=2 000r/min時，流場中出現(xiàn)了渦流，顆粒的運動受到干擾，粒子產(chǎn)生了反流現(xiàn)象。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達到n=3 000r/min時，流場產(chǎn)生了比較強烈的渦流。 粒子的反流現(xiàn)象更加明顯，使已經(jīng)分離出的細粒又回到分級區(qū)，嚴重影響分級機的分級效率。

3 結(jié)論

隨著轉(zhuǎn)速的提高，分級粒度變細。轉(zhuǎn)速對d50和d90的影響都比較明顯。說明轉(zhuǎn)速是控制粒度的主要因素。但是轉(zhuǎn)速對物料的中細粉的控制具有局限性，轉(zhuǎn)速超過一定范圍，會出現(xiàn)細粉返流的現(xiàn)象。

圖7 速度矢量圖

通過兩種物料的試驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)同一分級機相對不同的物料，分級結(jié)果有很大的差異性，因此在分級機設(shè)計的過程中，一定要充考慮物料的物理特性和工藝條件。

從理論上分析了轉(zhuǎn)速對細粉粒度的影響。通過利用流體力學(xué)軟件對分級轉(zhuǎn)子的氣固兩相流進行模擬，說明隨著轉(zhuǎn)速的提高，流場產(chǎn)生了比較強烈的渦流，粒子的反流現(xiàn)象更加明顯，使已經(jīng)分離出的細粒又回到分級區(qū)，將嚴重影響分級機的分級效率。

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Research on Classification Characteristic of the Turbo Air Classifier

SUN Shu-feng1, WANG Wen-bo1, LU Yan2
(1. Shenyang Aircraft Research Institute Powder Company, Shenyang 110035, China;2. Physical Science and Technical College, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

By the research ,the rotate speed of the classifying wheel, the conclusion was drawn. It was that with the rotate speed increasing, the granularity diameter would be fine, and the classification efficiency would increase first and then decrease. By analyzing the testing data, it showed that the equipment for different material would be different; and the effect of the same parameters to different material is different. So the structure design would be adjusted according to the material characteristic. Deducing from the theory, it could draw a conclusion which is the same with the test result. The all-purpose CFD code is used to simulate it numerically.When the rotate speed increases to certain extent, the countercurrent phenomenon of the particles appears. The separated granules come back to the classification district and influence the classification efficiency.

turbo air classifier; classification efficiency; classification theory; classification process

TD454

A

1007-9386(2012)04-0036-03

2012-01-09