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(shè)備，廣泛應用于礦物分選、化工、醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域[1-2]。隨著粉體產(chǎn)能需求的激增，由于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計了一種由動態(tài)氣流分級機與靜態(tài)分級機構(gòu)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(qū)動轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)，不需要分散物料，有效降低了能耗。

分級機結(jié)構(gòu)決定了分級性能。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)研究主要包括關(guān)鍵部件與輔助部件，關(guān)鍵部件一直都是研究的熱點，它主要包括轉(zhuǎn)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(shè)計了一種雙層撒料盤，這種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(jié)果表明，導流板的存在降低了分級機壓降，同時在高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的流場分布特點和物料分級試驗結(jié)果。

1 設(shè)備與計算模型描述

1.1 分級機結(jié)構(gòu)及其分級原理

由動態(tài)氣流分級機與靜態(tài)分級機構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)籠的分級區(qū)；氣流和在氣流中分散的顆粒與轉(zhuǎn)籠一起高速旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)節(jié)。根據(jù)原料的物理性質(zhì)及成品細度的工藝要求，在設(shè)計分級機時加以優(yōu)化，即結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)；設(shè)備在運行時，對轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)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(shè)定

使用 SolidWorks 軟件對動態(tài)氣流分級機的主要結(jié)構(gòu)進行幾何建模，建模時簡化了分級機內(nèi)部復雜結(jié)構(gòu)，幾何模型與其主體參數(shù)如圖 2(a) 所示。轉(zhuǎn)籠葉片長 20 mm，厚 2 mm，高 150 mm，沿轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和無導流錐結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)規(guī)整，所以采用六面體網(wǎng)格。Type-A 與Type-B 結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)合動態(tài)氣流分級機的結(jié)構(gòu)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(shè)為 10-4。模擬工況設(shè)定：風速為 14 m/s，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)方向為順時針。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 氣流路徑分布

在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠底部向上運動，接著以較小的入射角進入轉(zhuǎn)籠；氣流在轉(zhuǎn)籠底部形成渦流 (渦流中心在轉(zhuǎn)籠內(nèi)) 阻礙了氣流進入，這是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由于沒有導流錐的導流作用，氣流直接沖擊轉(zhuǎn)籠底部，轉(zhuǎn)籠底部提供了巨大的橫向?qū)Я髯饔?，氣流沿著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折從轉(zhuǎn)籠上部進入轉(zhuǎn)籠。從局部流線圖可以看到，氣流在分級室與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠約 2/3 的高度，嚴重阻礙了氣流進入，降低了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠中心的速度都是正值，且逐漸增大，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠附近都是負值，且在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)籠中上部進入轉(zhuǎn)籠，徑向速度較為均勻，而在 Type-B 中，氣流在分級室與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠外表面是氣流進入轉(zhuǎn)籠的必經(jīng)之地，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)籠，收集為細粉，降低了分級精度，增大了切割粒徑。同時，在轉(zhuǎn)籠高度為 94 mm 時，徑向速度開始變?yōu)檎?，即有氣流從轉(zhuǎn)籠中流出，Type-B 的轉(zhuǎn)籠有效分級高度即為 94 mm。在 Type-A 中，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)籠外表面切向速度分布圖，負號代表與轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)方向相同。

在圖 5(a)、(b) 中，在錐體區(qū)域與轉(zhuǎn)籠內(nèi)部兩種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的渦流所造成的。

由圖 5(c) 可以看到，兩者在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠底部達到最大值。不同的是，Type-A 的切向速度是在轉(zhuǎn)籠下部突然增大，這是受到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)籠外邊緣線速度

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

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

圖6 所示為 Type-A 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為500 r/min，下同。由圖 6 可以看到，隨著氣流進入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(cè)為 5 μm 顆粒，右側(cè)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(zhuǎn)籠底部，然后沿著筒壁向上運動，最后在轉(zhuǎn)籠頂部近乎水平進入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠中上部斜向上進入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)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(shè)計預想。而在 Type-B 中，盡管粒徑與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠頂部徑向速度過大，導致絕大部分顆粒都從轉(zhuǎn)籠頂部進入轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速增大了，被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)籠進行分選，導致粗粉被氣流帶入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)論

通過數(shù)值模擬的方法，對有無導流錐結(jié)構(gòu)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(jié)論。

(1) 導流錐可以極大改善氣流路徑，增加轉(zhuǎn)籠有效分級高度。在無導流錐的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)籠的有效分級高度，大于無導流錐的結(jié)構(gòu)。

(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(jié)構(gòu)，有導流錐結(jié)構(gòu)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(jié)果相吻合，證明了數(shù)值模擬方法在分級機結(jié)構(gòu)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。