汪建峰，王廣全，操偉偉，計建炳（浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江 杭州 310014）

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折流式旋轉床有效功耗的初步研究

汪建峰，王廣全，操偉偉，計建炳
（浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江 杭州 310014）

摘要：折流式旋轉床是一種新型的同心圈式超重力設備，電機功率消耗是折流式旋轉床設計時需要考慮的重要因素。本文對折流式旋轉床的有效功耗進行了初步的實驗研究，并提出了一種新的有效功耗計算方法，為旋轉設備功耗研究和折流式旋轉床工業(yè)應用提供了一定基礎。折流式旋轉床有效功耗可以分成兩部分，即分散液體功耗和加速液體功耗。通過理論分析，得到了折流式旋轉床有效功耗的計算模型。實驗以水為介質，在不同液量和轉速下測得有效功耗。結果表明，轉速一定時，有效功耗隨著液量的增加近似呈線性增加，且轉速越大，有效功耗隨液量增加越快。通過對實驗數據的回歸，得到單個同心圈轉子有效功耗的計算模型，實驗值與回歸計算值相對偏差基本在20％以內。通過對包含4個同心圈轉子的折流式旋轉床有效功耗的驗證結果可知，4個動圈有效功耗計算值的總和比實驗測量值高20％左右，對折流式旋轉床的工程放大有一定意義。

關鍵詞：折流式旋轉床；有效功耗；計算模型

第一作者：汪建峰（1990—），男，碩士研究生。聯系人：王廣全，博士，副教授，研究方向為傳質與分離技術。E-mail wanggq@zjut.edu.cn。

超重力技術是一種有效的過程強化技術，是強化三傳一反的有效途徑，該技術已在多個領域實現產業(yè)化應用[1-3]。超重力旋轉床利用離心力場來代替重力場，是實現超重力場下兩相流體接觸的設備，轉子是超重力旋轉床的主要部件。目前，已有文獻報道的轉子結構主要有填料式[4]、螺旋式[5]、多級霧化式[6]、同心環(huán)碟片式[7]、撞擊流式[8]、折流式[9]等。與傳統(tǒng)的兩相流體接觸設備相比，超重力旋轉床增加了電動機。旋轉床功耗是旋轉設備總功耗中不可忽略的部分，對其的理論與實驗研究是旋轉床應用與經濟分析的雙重需要。諸多研究者對旋轉床的功耗進行了研究[10-14]。柳松年等[11]認為，旋轉床功耗包括有效功耗、氣相功耗以及軸承摩擦功耗。有效功耗包括加速液體功耗和分散液體功耗；氣相功耗主要為液相在轉子內運動時受到氣相摩擦阻力的功耗以及轉子轉動時與空氣摩擦的功耗；軸承摩擦功耗主要是轉子軸承與旋轉床之間的摩擦功耗。賀國等[13]通過實驗測定發(fā)現，液相受到的氣相摩擦阻力幾乎為零；柳松年等[11]通過測定發(fā)現轉子與空氣摩擦功耗和軸承摩擦功耗所占總功耗比例均不到1％。因此，旋轉床功耗主要為有效功耗，研究旋轉床的有效功耗意義重大。尋找既能滿足精度要求又易于應用的功耗計算模型對折流式旋轉床功耗研究具有重大意義。本文對折流式旋轉床的有效功耗進行了理論和實驗研究，在理論分析的基礎上，結合實驗數據，提出了一個半經驗半理論的計算模型。

1　理論分析

折流式旋轉床主要由折流式轉子和殼體組成。轉子是折流式旋轉床核心部件，為動靜組合式結構。動部件為動盤和動圈，靜部件為靜盤和靜圈，動、靜部件之間的縫隙提供了氣液流動的折流式通道，如圖1所示。

操作過程中，氣相由氣體進口切向進入，在壓差作用下，從轉子外緣沿著折流式通道向轉子中心逐圈流動，經氣體出口離開旋轉床；液相由進液管進入動盤中心，在離心力的作用下沿著動盤底部向動圈底部聚集，并逐漸向動圈開孔區(qū)爬升，經小孔分散成液滴或液絲甩向靜圈。液滴在重力作用下從靜圈上落到動盤上。液相在轉子內重復聚集、爬升、分散、滴落的過程，最后經液體出口排出，如圖2所示。

由于液相在每個同心圈上運動規(guī)律相同，因此為了研究方便，本文以單個動圈單排液孔的轉子為研究對象。實驗時，通過測定旋轉床液相流量為零時的功耗得到空載功耗；通過測定旋轉床液量不為零時的功耗得到旋轉床總功耗。旋轉床總功耗與空載功耗均由電表測得的電機功耗乘以電機效率ηm和傳遞效率ηt[14]得到，兩者之差即為旋轉床有效功耗。根據前文分析，有效功耗分為兩個部分，即分散液體功耗和加速液體功耗。這兩部分功耗又可通過理論分析得到。

圖1　折流式旋轉床結構圖

圖2　折流式旋轉床氣液流動圖

1.1分散液體功耗

折流式旋轉床中，液相在離心力場的作用下由轉子中心向轉子外沿運動，經動圈上的圓孔被分散成極小的液滴，此過程克服表面張力需要消耗一定功率。單位時間內克服表面張力耗能計算式如式(1)。

式中，As為分散后液滴總表面積。

若液滴作為球形顆粒處理，則分散后液滴總表面積可根據式(2)得到。

式中，液滴直徑d可仿照重力場下液體經細圓管滴落時液滴直徑計算式得到。在重力場下，液體經細圓管滴落時，液滴直徑如式(3)[15]。

考慮到離心力場遠大于重力場，液滴之間相互作用劇烈，運動更加復雜，液滴直徑也更難以預測，引入系數B加以修正液滴直徑，得到離心力場下液滴直徑計算式如式(4)。

這樣便可得到單位時間液相克服表面張力耗能的計算如式(5)。

式中，ω為角速度，可由式(6)得到。

將式(6)代入式(5)得到式(7)。

1.2加速液體功耗

液相被引入轉子中心后，被高速旋轉的動盤和動圈逐漸加速，最終以一定速度離開動圈。假定液滴離開動圈所獲得速度為u，進行矢量分解，得到切向速度ut和徑向速度ur。由于液相被引入轉子后形成液膜的初動能遠小于液滴離開動圈時的動能，為了計算方便，忽略液膜初動能。液滴切向速度ut根據動圈圓周速度求得；徑向速度ur本應嚴格按照伯努利方程推導得到的孔流流速計算方法計算，但為了計算方便，采用液量Q與開孔面積A的比值來計算。引入動能修正系數K修正忽略液膜初動能和簡化液滴徑向速度計算式所引起的偏差，則單位時間內液滴離開動圈獲得動能ΔE如式(8)。

代入液滴切向速度和徑向速度計算式可得式(9)。

將式(6)代入并整理得式(10)。

結合分散液體功耗和加速液體功耗計算式便可得到有效功耗計算式如式(11)。

2　實驗部分

本文實驗采用水為介質，主要由兩部分組成，分別為單動圈轉子實驗和多動圈轉子實驗。

由于靜圈在折流式旋轉床中只起到了阻擋液滴的作用，對有效功耗沒有影響，所以第一步實驗所用的轉子也只包含一個動圈，動圈直徑235mm，高度70mm。動圈上有一排孔，孔數243，孔徑1.6mm，開孔位置距離底盤30mm。實驗流程如圖3所示，水由進液管引入轉子中心，最終由殼體收集經出口排出。

圖3　折流式旋轉床功耗測定實驗流程

實驗的主要目的是測得折流式旋轉床的有效功耗，因此并未通入氣體。實驗時，轉速通過轉速測量儀測量，通過調頻器調節(jié)，液量通過進液管上的轉子流量計測量，旋轉床功耗由三相功率表和秒表測量。首先固定轉速不變，液相流量為零時，得到旋轉床空載功耗；接著改變液量大小，便可得到同一轉速不同液量下旋轉床總功耗?？偣呐c空載功耗之差即折流式旋轉床有效功耗。最后改變轉速，重復實驗，最終得到不同轉速、不同液量下折流式旋轉床的有效功耗。

根據單動圈轉子的折流式旋轉床的實驗結果，得到有效功耗的關聯式并驗證之后，再次通過多圈轉子實驗結果進一步驗證。實驗轉子包含4個動圈，直徑分別為165.8mm、102.8mm、234.8mm、265.8mm，動圈上有一排圓孔，孔徑1.6mm，孔個數分別為203、240、282、316，實驗步驟與單動圈轉子實驗步驟相同。

3　結果與討論

對于同一個同心圈，折流式旋轉床有效功耗與液量和轉速有關。利用式(11)對實驗得到的不同轉速、不同液量下轉子有效功耗的實驗數據進行回歸，得到有效功耗計算式中動能修正系數K為1.9，液滴直徑修正系數B為0.05，從而得到實驗所用轉子有效功耗關于液量和轉速的計算式。理論推導液滴直徑計算式時，對液滴作了大小一致的球體處理，而實際液滴運動過程中，由于液滴相互之間的碰撞，液滴形狀大小不一。液滴直徑修正系數B遠小于1，表明液滴之間相互碰撞劇烈，實際液滴直徑遠小于對液滴做大小一致的球體處理后計算得到的直徑；液滴動能修正系數K大于1，表明液滴實際獲得的動能大于理論計算得到的動能。這是因為在離心力的作用下，動圈圓孔處與液面表面壓差極大，使得液相并未充滿所有圓孔，因此根據液量與開孔面積的比值計算得到的徑向速度偏小，液相總動能偏小。

將不同轉速代入，便可得到不同轉速下有效功耗關于液量的計算式。同理，將不同液量代、便可得到不同液量下有效功耗關于轉速的計算式。有效功耗計算值與實驗值關系如圖4和圖5所示。

由圖可知，折流式旋轉床轉速一定時，有效功耗隨著液量的增加近似呈線性增加。液量增加，一方面，被分散的液體總量增加，則分散液體功耗增加；另一方面，液量增加，加速液體功耗增加。液量一定時，有效功耗隨轉速增加而增加，且轉速越大增加速度越快?；貧w結果的相對偏差如圖6所示。由圖6可知，有效功耗的實驗測量值與回歸計算值的相對偏差基本在20％以內。

圖4　有效功耗與液量關系圖

圖5　有效功耗與轉速關系圖

圖6　有效功耗回歸結果相對偏差圖

實驗測量值與回歸計算值存在偏差，原因主要有3個方面：一方面，推導克服表面張力功耗的計算式時，忽略了液膜表面積初值；另一方面，動圈上的開孔并未全部充滿液體，則實際液滴徑向速度ur大于Q/A。另外，同一轉速下，引入液相之后，轉軸摩擦功耗可能發(fā)生變化，而本文實驗是在假定轉軸摩擦功耗不變的基礎上進行的。

使用回歸計算式分別得到4個動圈的有效功耗，加和后得到有效功耗的計算值與實驗測量值進行對比，結果如圖7所示。

圖7　多圈轉子有效功耗實驗結果相對偏差圖

由圖7可知，有效功耗計算值比實驗測量值高20％左右。這是因為，液相在離心力的作用下從動盤底部向開孔區(qū)域爬升，部分液相甚至直接爬升至動圈頂部甩出，而并非經由圓孔分散甩出。這部分液體按照被圓孔完全分散計算得到的分散液體功耗ΔW必然大于實際分散液體功耗，以致總的液相有效功耗的計算值大于實驗測量值。

4　結論

本文提出了一種折流式旋轉床有效功耗的計算方法，運用此方法得到的單圈有效功耗的計算值與實驗值的相對偏差基本在20％以內，為工程研究及應用提供了一定基礎。

本文實驗研究只是對有效功耗的初步研究，單個動圈有效功耗的規(guī)律反映了整個折流式旋轉床有效功耗的規(guī)律，是折流式旋轉床功耗研究的核心部分。理論上說，整個折流式旋轉床有效功耗是多個動圈有效功耗的疊加。通過進一步的實驗驗證可知，多圈轉子的有效功耗計算值比實驗值高20％左右，對該研究的實際應用有一定的參考價值。

由于實驗采用水為介質，實際工業(yè)應用中往往是其他液體，其物性與水有很大不同；同時，工業(yè)應用中的折流式旋轉床氣液并存，液相克服氣體摩擦也會損耗一定功耗。因此，實際應用中的折流式旋轉床有效功耗可根據本文模型進行計算，并結合實際工況進行適當放大，進而選擇合適的電動機。

符 號 說 明

參考文獻

[1]陳建峰. 超重力技術及應用：新一代反應與分離技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2002

[2]劉有智. 超重力化工過程與技術[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2009

[3]Ramshaw C，Mallinson R H. Mass transfer apparatus and its use：EP 0002568[P]. 1979.

[4]Keyvani M. Operating characteristics of rotating beds[J]. Chemical Engineering Progress，1989，85（5）：48-52.

[5]陳昭瓊，熊雙喜，伍極光. 螺旋型旋轉吸收器[J]. 化工學報，1995，46（3）：388-392.

[6]潘朝群，張亞君，鄧先和，等. 多級霧化超重力旋轉床中氣液傳質實驗研究[J]. 華南理工大學學報，2006，34（3）：67-71.

[7]簡棄非，鄧先和，鄧頌九. 碟片旋轉床氣液傳質實驗研究[J]. 化學工程，1998，26（2）：11-14.

[8]李俊華. 撞擊流-旋轉填料床合成納米硫化鋅研究[J]. 中北大學學報，2013，34（3）：297-305.

[9]WANG G Q，XU Z C，JI J B. Progress on Higee distillation——introduction to a new device and its industrial applications[J]. Chemical Engineering Research and Design，2011，89：1434-1442.

[10]潘朝群，張燕青，鄧先和. 多級霧化超重力旋轉床能耗的建模及實驗[J]. 華南理工大學學報，2005，33（10）：48-51.

[11]柳松年，郭鍇，宋云華. 超重力場分離機的功率分析[J]. 北京化工大學學報，1997，24（1）：51-56.

[12]焦建雄，陳海輝. 旋轉填料床的功率實驗分析[J]. 株洲工學院學報，2004，18（2）：74-77.

[13]賀國，汪宏偉. AIP系統(tǒng)絲網填料旋轉床功耗研究[J]. 華中科技大學學報，2005，33（8）：16-18.

[14]李育敏，折流式旋轉床液相功耗數學模型[J]. 高?；瘜W工程學報，2010，24（2）：203-207.

[15]LIU H M. Science and engineering of droplets：fundamentals and applications[M]. New York：William Andrew Publishing，LLC Norwich，2000：121-192.

Preliminary studies on the effective power consumption of rotating zigzag bed

WANG Jianfeng，WANG Guangquan，CAO Weiwei，JI Jianbing
（College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Abstract：Rotating zigzag bed（RZB） is a novel kind of HIGEE equipment with concentric rings. Motor power consumption is an important factor to be considered when researchers design RZB. In this paper，experimental studies on the effective power consumption of RZB were preliminarily carried out. A new calculation method was proposed，which provided basis for studies on power consumption of rotating equipments and industrial applications of RZB. The effective power consumption of RZB could be divided into two parts：power consumption to disperse liquid and to accelerate liquid. The calculation model of the effective power consumption of RZB was achieved by theoretical analysis. Using water as test system，the effective power consumption was experimentally measured. According to the experimental data，the effective power consumption approximately linearly increased with liquid flowrate when rotating speed was constant. The higher rotating speed was，the more rapidly effective power consumption increased. Based on the experimental data，the model of effective power consumption with liquid flowrate and rotating speed for rotor with single concentric ring could be achieved. The relative deviation between the experimental data and the calculated values was within 20％. The calculated effective power consumption of RZB with four concentric rings is about 20％ higher than the measured values，which is of certain significance for scale-up of RZB.

Key words：rotating zigzag bed；effective power consumption；calculation model

中圖分類號：TQ 018

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1022–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.009

收稿日期：2015-09-23；修改稿日期：2015-11-28。