遲 媛 陳博超 劉 聰 王海嶺 趙梓為 遲玉杰

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130025;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院, 哈爾濱 150030)

0 引言

課題組前期針對(duì)蛋殼和蛋膜的回收利用研制了雞蛋殼膜分選裝置,并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,達(dá)到了較好的分選效果,實(shí)現(xiàn)了廢棄蛋殼膜分離后的分別收集[1-2]。為了使研究結(jié)果具有普遍適用性,滿足廠家的不同需求,設(shè)計(jì)分選裝置,提出分選裝置的相似設(shè)計(jì)方法;同時(shí)為進(jìn)一步方便用戶運(yùn)用該方法,對(duì)軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),可自行設(shè)計(jì)出圖紙并制造分選裝置,既縮短設(shè)計(jì)周期,又降低生產(chǎn)成本。

相似理論在裝置相似設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3-5]。研究結(jié)果顯示[6-7],雞蛋殼膜分選裝置的相似設(shè)計(jì)中,旋風(fēng)分離器及其內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)為主要研究?jī)?nèi)容。文獻(xiàn)[8-9]在流動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)兩方面分析了旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的相似?；?文獻(xiàn)[10]基于相似理論研究了用于石油化工領(lǐng)域的新型旋風(fēng)分離器,對(duì)旋風(fēng)分離器中的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了模化分析;文獻(xiàn)[11]對(duì)入口處不同顆粒分布的旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了相似分析。目前研究?jī)H針對(duì)旋風(fēng)分離器中含有單種固相的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了模化分析,而雞蛋殼膜分選裝置的旋風(fēng)分離器中含有兩種固相,且分選的是兩種固相,尚未有針對(duì)此種旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)進(jìn)行相似理論的研究和相似設(shè)計(jì)。

本文基于相似理論,以已研制的雞蛋殼膜分選裝置為模型,根據(jù)方程分析法獲得相似準(zhǔn)則。通過(guò)仿真與試驗(yàn),對(duì)相似準(zhǔn)則進(jìn)行?；治?探究臨界垂直風(fēng)速及其測(cè)量點(diǎn)、顆粒參數(shù)等單值性條件,建立分選裝置相似設(shè)計(jì)方法。通過(guò)耦合仿真和原型試驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性。采用VB語(yǔ)言對(duì)CATIA、AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),編寫(xiě)雞蛋殼膜分選裝置的相似設(shè)計(jì)程序。

1 雞蛋殼膜分選裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

雞蛋殼膜分選裝置由負(fù)壓風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)分離器及喂料裝置等組成(圖1)。旋風(fēng)分離器由喂料入口、上錐筒、直筒段和下錐筒組成,通過(guò)二次旋流方式對(duì)蛋殼膜進(jìn)行分選,蛋膜從上出口經(jīng)管道輸送到負(fù)壓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口并收集,蛋殼在下出口直接收集[1]。

圖1 雞蛋殼膜分選裝置Fig.1 Device collecting eggshells and eggshell membranes respectively1.負(fù)壓風(fēng)機(jī) 2.喂料裝置 3.運(yùn)輸管道 4.旋風(fēng)分離器 5.機(jī)架

1.2 工作原理

負(fù)壓風(fēng)機(jī)連接旋風(fēng)分離器上出口,喂料裝置連接旋風(fēng)分離器入口,使旋風(fēng)分離器內(nèi)部生成雙層旋流,內(nèi)側(cè)為中心高速上行氣流,外側(cè)為沿壁低速下行旋流。已經(jīng)分離的蛋殼和蛋膜混合物經(jīng)喂料裝置進(jìn)入旋風(fēng)分離器,部分蛋膜受負(fù)壓風(fēng)機(jī)影響從旋風(fēng)分離器上出口排出;蛋殼和其余蛋膜隨外側(cè)旋流向下運(yùn)動(dòng)至下錐筒段,逐漸接近中心旋流;因?yàn)榈澳さ钠∷俣刃∮谥行男黠L(fēng)速,蛋殼的漂浮速度大于中心旋流風(fēng)速,所以蛋膜隨內(nèi)側(cè)上升氣流從上出口排出,蛋殼掉落至下出口排出。

2 相似準(zhǔn)則

2.1 描述方程與單值性條件

旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相為空氣,馬赫數(shù)表示氣體宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與氣體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能比,是判斷氣體可壓縮性的依據(jù),公式為[12]

(1)

式中Ma——馬赫數(shù)

v——流體速度,m/s

c——聲速,m/s

當(dāng)Ma≤0.3時(shí),氣體所受壓力不足以壓縮氣體,流場(chǎng)為不可壓縮流場(chǎng)。根據(jù)分析與計(jì)算,雞蛋殼膜分選裝置中最大風(fēng)速為16.9 m/s,馬赫數(shù)最大為0.049 7,因此分選裝置內(nèi)的空氣為粘性不可壓縮流體。分選過(guò)程符合質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[13],即滿足

divV=0

(2)

(3)

div(λgradT)=ρgg(V,grad(CpT))

(4)

式中p——壓應(yīng)力平均值,Pa

μ——?dú)庀鄤?dòng)力粘度,Pa·s

V——?dú)庀嗨俣仁噶?m/s

g——重力加速度,m/s2

ρg——?dú)庀嗝芏?kg/m3

ux、uy、uz——?dú)庀嗨俣?m/s

λ——?dú)庀鄬?dǎo)熱系數(shù)

T——工作溫度,K

Cp——?dú)庀啾葻嵯禂?shù)

蛋殼膜分選過(guò)程中,氣相的單值性條件為氣相密度、動(dòng)力粘度、比熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及分選裝置工作參數(shù)。

固相為蛋殼和蛋膜顆粒,在進(jìn)入旋風(fēng)分離器后,隨氣流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),受質(zhì)量力、空氣阻力和曳力的影響,符合由牛頓第二定律所得的顆粒運(yùn)動(dòng)方程

(5)

式中us——固相顆粒速度矢量,m/s

C——阻力系數(shù)

K——與顆粒形狀有關(guān)的系數(shù),球體取0.5

n——指數(shù)變量

ms——固相顆粒質(zhì)量,kg

ρs——固相顆粒密度,kg/m3

fs——固相顆粒迎風(fēng)面積,m2

Vr——固相與氣相相對(duì)速度矢量,m/s

Res——固相顆粒雷諾數(shù)

固相的單值性條件為蛋殼和蛋膜的粒徑及密度、顆粒濃度以及入口處顆粒速度與氣流速度比值。

旋風(fēng)分離器一般從氣相中分選單種固相或液相。在分選雞蛋殼膜混合物時(shí),旋風(fēng)分離器內(nèi)空氣與蛋殼顆粒的運(yùn)動(dòng)與單固相的氣固兩相流動(dòng)類似,不同的是蛋膜顆粒會(huì)隨氣流在旋風(fēng)分離器內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

在旋風(fēng)分離器中,蛋殼垂直方向受力為重力及氣流對(duì)其作用力,為使蛋殼能下落至下出口排出,蛋殼顆粒所受垂直方向合力向下,即垂直向上氣流速度應(yīng)小于蛋殼顆粒漂浮速度。然而蛋膜顆粒需隨雙層旋流進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng),原型中的流場(chǎng)及蛋膜運(yùn)動(dòng)與模型相似,才可完成蛋膜的分選。

因此本文在保證蛋殼分選條件的基礎(chǔ)上,分析旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)及蛋膜顆粒運(yùn)動(dòng)的相似準(zhǔn)則。

2.2 分選裝置相似準(zhǔn)則

雞蛋殼膜分選過(guò)程的描述方程為連續(xù)性方程、實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)微分方程、導(dǎo)熱方程和顆粒運(yùn)動(dòng)方程。由于原型與模型相似,原型也符合模型的描述方程,通過(guò)方程分析法得雞蛋殼膜分選過(guò)程的基本相似準(zhǔn)則[14-16]

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中u——?dú)庀嗨俣?m/s

ds——固相顆粒粒徑,m

l——結(jié)構(gòu)尺寸,m

Fr、Re、Eu、A1、Stk、Pe為定值。

2.3 模化分析

2.3.1裝置幾何相似分析

旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸包括上出口、直筒段及下出口的直徑和高度等,為保證幾何相似,原型的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)與模型相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸呈嚴(yán)格的比例關(guān)系。模型旋風(fēng)分離器尺寸如表1所示。

表1 已研制的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Parameters of developed cyclone separator mm

2.3.2氣相單值性條件模化分析

空氣密度、粘度系數(shù)、比熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)主要受溫度與壓力影響,在分選裝置的工作環(huán)境下,溫度和壓力的變化對(duì)這些氣相參數(shù)影響極小,可認(rèn)為這4個(gè)單值性條件為定值。

工作參數(shù)為裝置運(yùn)行時(shí)的入口水平風(fēng)速和上出口垂直風(fēng)速。由CFD-DEM耦合仿真和正交試驗(yàn)可得,最優(yōu)參數(shù)組合為入口水平風(fēng)速5.0 m/s、上出口垂直風(fēng)速15.8 m/s。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),旋風(fēng)分離器上出口垂直風(fēng)速隨裝置尺寸增大呈反比例趨勢(shì)變化,應(yīng)用至相似設(shè)計(jì)的仿真及試驗(yàn)中無(wú)法分選蛋殼和蛋膜,需引入新的單值性條件,完善相似準(zhǔn)則。

通過(guò)前期研究結(jié)果,觀察旋風(fēng)分離器中蛋殼膜顆粒的運(yùn)動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)截面A(經(jīng)入口幾何中心的水平橫截面)附近存在明顯分選現(xiàn)象,因此截面A的垂直風(fēng)速是影響分選效果的主要參數(shù)。截面A示意圖如圖2所示。

圖2 截面A示意圖Fig.2 Schematic of section A

通過(guò)試驗(yàn)與仿真對(duì)截面A具體分析,發(fā)現(xiàn)點(diǎn)C1、D1、E1、F1存在明顯的分選現(xiàn)象;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)截面A內(nèi)壁附近存在分選現(xiàn)象,通過(guò)等距法選取點(diǎn)B、C、D、E、F為測(cè)量點(diǎn)。因此選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)B、C、C1、D、D1、E、E1、F、F1,如圖3所示。

圖3 截面A測(cè)量點(diǎn)Fig.3 Measuring points of section A

確定測(cè)量點(diǎn)的方法:通過(guò)已研制的分選裝置進(jìn)行模擬仿真與試驗(yàn),其中試驗(yàn)工作參數(shù)與仿真邊界條件相同。當(dāng)上出口垂直風(fēng)速為14.6～17.0 m/s時(shí),調(diào)節(jié)入口水平風(fēng)速,使蛋殼和蛋膜在短時(shí)間內(nèi)能夠完成分選。獲取1/2仿真進(jìn)程時(shí)的各測(cè)量點(diǎn)垂直風(fēng)速,并在試驗(yàn)中測(cè)量對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的垂直風(fēng)速。仿真與試驗(yàn)所得各點(diǎn)垂直風(fēng)速如圖4所示。

圖4 各測(cè)量點(diǎn)垂直風(fēng)速Fig.4 Vertical air velocities of measuring points

判定標(biāo)準(zhǔn):在不同工況下,根據(jù)各測(cè)量點(diǎn)垂直風(fēng)速是否處于蛋膜最大飄浮速度與蛋殼最小飄浮速度之間,選取最終測(cè)量點(diǎn)。

根據(jù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):在仿真中,當(dāng)上出口垂直風(fēng)速為14.6 m/s和15.5 m/s時(shí),測(cè)量點(diǎn)C1的垂直風(fēng)速不符合判定標(biāo)準(zhǔn),其余仿真條件的測(cè)量點(diǎn)C1垂直風(fēng)速均處于蛋膜最大飄浮速度與蛋殼最小飄浮速度之間;測(cè)量點(diǎn)D1和E1的垂直風(fēng)速,在上出口垂直風(fēng)速較小時(shí),部分垂直風(fēng)速滿足條件,其他測(cè)量點(diǎn)的垂直風(fēng)速均不滿足要求。在試驗(yàn)中,測(cè)量點(diǎn)C1垂直風(fēng)速均處于蛋膜最大飄浮速度與蛋殼最小飄浮速度之間。原因是截取的風(fēng)速為進(jìn)行1/2仿真進(jìn)程時(shí)的風(fēng)速,而不是平均風(fēng)速,在整體仿真進(jìn)程中有個(gè)別時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)速會(huì)超出判定范圍;而試驗(yàn)中,認(rèn)定在風(fēng)速儀顯示屏中持續(xù)或多次出現(xiàn)的示數(shù)為測(cè)量風(fēng)速。在同一仿真中,截取1/4和1/3進(jìn)程時(shí)的點(diǎn)C1垂直風(fēng)速,均在判定范圍內(nèi)。

因此選取點(diǎn)C1垂直風(fēng)速uc為新的氣相單值性條件。當(dāng)入口水平風(fēng)速為5.0 m/s,上出口垂直風(fēng)速為15.8 m/s時(shí),點(diǎn)C1臨界垂直風(fēng)速為3.1 m/s。

2.3.3固相單值性條件

為實(shí)現(xiàn)相似設(shè)計(jì),使相似準(zhǔn)則滿足實(shí)際情況,需代入固相顆粒的物理參數(shù),通過(guò)測(cè)定試驗(yàn)得固相顆粒物理參數(shù)如表2所示。

表2 固相顆粒物理參數(shù)Tab.2 Physical parameters of solid phase particles

固相顆粒粒徑相似,不僅需要相似的顆粒粒徑范圍,還要使顆粒粒徑分布相似,即顆粒粒徑中位數(shù)dm和均方差σ相似。

本文所述的分選裝置僅用于分選雞蛋蛋殼和蛋膜,因此固相密度為定值。

顆粒質(zhì)量濃度計(jì)算公式為

(12)

式中cs——顆粒質(zhì)量濃度,kg/m3

mas——混入顆粒質(zhì)量,kg

Vag——混入空氣體積,m3

ω——固體負(fù)荷率,kg/s

ui——入口水平風(fēng)速,m/s

a——入口段寬度,m

b——入口段高度,m

其中固體負(fù)荷率決定了單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)旋風(fēng)分離器入口段的蛋殼膜顆粒數(shù)量,固相濃度相似,即原型和模型中顆粒濃度相等。入口處顆粒速度與氣流速度比值的相似比較容易實(shí)現(xiàn),只需進(jìn)料裝置具有足夠長(zhǎng)的進(jìn)料管,蛋殼和蛋膜在管中充分加速,這一單值性條件即可相似。

2.3.4相似準(zhǔn)則?；治?/p>

當(dāng)應(yīng)用雷諾準(zhǔn)則(式(7))和佩克萊準(zhǔn)則(式(11))進(jìn)行相似設(shè)計(jì)時(shí),得到的工作參數(shù)僅能使蛋殼從下出口排出收集,而無(wú)法保證蛋膜從上出口排出,無(wú)法實(shí)現(xiàn)雞蛋殼膜分選裝置的相似設(shè)計(jì),因此不考慮雷諾準(zhǔn)則和佩克萊準(zhǔn)則。

弗勞德準(zhǔn)則(式(6))表示顆粒沉降運(yùn)動(dòng),歐拉準(zhǔn)則(式(8))表示容器內(nèi)的氣體壓降,其中截面平均風(fēng)速、壓降為氣相運(yùn)動(dòng)對(duì)分選效果的主要影響參數(shù),但難以測(cè)量,點(diǎn)C1垂直風(fēng)速的測(cè)量方法簡(jiǎn)便,且更能反映氣相運(yùn)動(dòng)對(duì)分選效果的影響,因此由點(diǎn)C1垂直風(fēng)速代替歐拉準(zhǔn)則和弗勞德準(zhǔn)則。

斯托克斯準(zhǔn)則代表固相顆粒在旋風(fēng)分離器中的運(yùn)動(dòng),與顆粒慣性力和風(fēng)阻有關(guān),因此其中速度u為入口風(fēng)速ui,尺寸l為旋風(fēng)分離器直筒段直徑D0。為反映慣性場(chǎng)與顆粒尺寸之間的影響,引入新的準(zhǔn)則粒徑中位數(shù)與旋風(fēng)分離筒直筒段直徑比dm/D0[17]。同時(shí),當(dāng)固相顆粒的粒徑相似時(shí),斯托克斯準(zhǔn)則中指數(shù)變量n為1。

經(jīng)分析得雞蛋殼膜分選運(yùn)動(dòng)的相似準(zhǔn)則及單值性條件,公式為

(13)

(14)

(15)

σ=A4

(16)

(17)

c=A6

(18)

uc=A7

(19)

式中c——顆粒濃度

uc——點(diǎn)C1垂直風(fēng)速

A2、A3、A4、A5、A6、A7為定值。

3 分選裝置設(shè)計(jì)方法

在雞蛋殼膜分選裝置的相似設(shè)計(jì)中,入口水平風(fēng)速和點(diǎn)C1垂直風(fēng)速為工作參數(shù),固體負(fù)荷率為需求參數(shù)。通過(guò)需求參數(shù)和相似準(zhǔn)則計(jì)算得入口水平風(fēng)速,點(diǎn)C1垂直風(fēng)速取在3.1 m/s附近,機(jī)架和負(fù)壓風(fēng)機(jī)根據(jù)場(chǎng)地等實(shí)際因素搭建。設(shè)計(jì)方法及步驟如下:

首先,根據(jù)式(13),可知斯托克斯準(zhǔn)則數(shù)為定值,入口水平風(fēng)速與旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸成比例,得到入口水平風(fēng)速與旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸的比例關(guān)系。

其次,根據(jù)式(18),可知顆粒濃度為定值,固體負(fù)荷率為已知量,由式(12)得旋風(fēng)分離器的喂料入口尺寸。

最后,原型旋風(fēng)分離器的各尺寸與模型對(duì)應(yīng)尺寸比值相同,通過(guò)入口段尺寸得到旋風(fēng)分離器的全部尺寸,并根據(jù)喂料裝置和負(fù)壓風(fēng)機(jī)的型號(hào)尺寸等實(shí)際因素設(shè)計(jì)機(jī)架;并由式(13)得到入口水平風(fēng)速。

3.1 基于仿真的設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證相似設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性,針對(duì)固體負(fù)荷率為6、12、18、24 kg/s的情況,根據(jù)上文提出的設(shè)計(jì)方法,計(jì)算仿真參數(shù)和旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸并建立仿真模型。設(shè)置監(jiān)測(cè)面,通過(guò)CFD-DEM耦合仿真[18-22],觀察蛋殼和蛋膜顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡,獲取顆粒通過(guò)監(jiān)測(cè)面的數(shù)量并計(jì)算蛋殼膜顆粒捕獲率,進(jìn)行驗(yàn)證。

當(dāng)固體負(fù)荷率為6 kg/s時(shí),直筒段直徑為 690 mm,其他尺寸等比例放大,入口水平風(fēng)速為 9.1 m/s,點(diǎn)C1垂直風(fēng)速為3.1 m/s。蛋殼和蛋膜軌跡如圖5 所示。

圖5 固體負(fù)荷率為6 kg/s時(shí)蛋殼膜仿真軌跡Fig.5 Simulation tracks of eggshells and eggshell membranes when solid load was 6 kg/s

當(dāng)固體負(fù)荷率為12 kg/s時(shí),直筒段直徑為 870 mm,其他尺寸等比例放大,入口風(fēng)速為11.4 m/s,點(diǎn)C1垂直風(fēng)速為3.1 m/s。蛋殼和蛋膜軌跡如圖6所示。

圖6 固體負(fù)荷率為12 kg/s時(shí)蛋殼膜仿真軌跡Fig.6 Simulation tracks of eggshells and eggshell membranes when solid load was 12 kg/s

當(dāng)固體負(fù)荷率為18 kg/s時(shí),直筒段直徑為 996 mm,其他尺寸等比例放大,入口風(fēng)速為13.1 m/s,點(diǎn)C1垂直風(fēng)速為3.1 m/s。蛋殼和蛋膜軌跡如圖7所示。

圖7 固體負(fù)荷率為18 kg/s時(shí)蛋殼膜仿真軌跡Fig.7 Simulation tracks of eggshells and eggshell membranes when solid load was 18 kg/s

當(dāng)固體負(fù)荷率為24 kg/s時(shí),直筒段直徑為1 096 mm,其他尺寸等比例放大,入口風(fēng)速為 14.4 m/s,點(diǎn)C1垂直風(fēng)速為3.1 m/s。蛋殼和蛋膜軌跡如圖8所示。

圖8 固體負(fù)荷率為24 kg/s時(shí)蛋殼膜仿真軌跡Fig.8 Simulation tracks of eggshells and eggshell membranes when solid load was 24 kg/s

仿真前,在旋風(fēng)分離器上、下兩出口設(shè)置監(jiān)測(cè)面,上出口監(jiān)測(cè)面用于監(jiān)測(cè)蛋膜顆粒移除情況,下出口監(jiān)測(cè)面用于監(jiān)測(cè)蛋殼顆粒移除情況,計(jì)算得蛋殼和蛋膜顆粒的捕獲率,以上4種固體負(fù)荷率情況下的蛋殼和蛋膜顆粒捕獲率如表3所示。

表3 蛋殼和蛋膜顆粒捕獲率Tab.3 Capture rate of eggshell and eggshell membrane particles

根據(jù)仿真得出,在4種固體負(fù)荷率的情況下,極大部分蛋殼顆粒從下出口移除收集,大多數(shù)蛋膜顆粒從上出口移除收集,其余蛋膜顆粒隨蛋殼顆粒由下出口移除;隨著固體負(fù)荷率增長(zhǎng),蛋膜顆粒捕獲率會(huì)較小程度地下降,原因是在耦合仿真中設(shè)置了顆粒間相互作用,蛋殼顆粒遠(yuǎn)多于蛋膜顆粒,隨著固體負(fù)荷率提高,顆粒數(shù)量差進(jìn)一步增大,使得更多的蛋膜顆粒被迫隨蛋殼顆粒由下出口排出。同時(shí)驗(yàn)證得:通過(guò)上文設(shè)計(jì)方法得出的工作參數(shù)和旋風(fēng)分離器,可用于蛋殼和蛋膜的分選。

3.2 基于臺(tái)架試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證

選取固體負(fù)荷率為2.592 kg/s、入口水平風(fēng)速為6 m/s、點(diǎn)C1垂直風(fēng)速3.1 m/s為試驗(yàn)條件,搭建放大為1.2倍的雞蛋殼膜分選裝置試驗(yàn)臺(tái),如圖9所示。

為使試驗(yàn)結(jié)果不受蛋殼和蛋膜分離率的影響,分選材料應(yīng)為純凈蛋殼和蛋膜的混合物[1]。將分離的混合物喂入雞蛋殼膜分選裝置中,調(diào)節(jié)上出口風(fēng)速小于正常分選風(fēng)速臨界值,在上出口收集得到純凈的蛋膜,并多次分選保證蛋膜純凈度;調(diào)節(jié)上出口風(fēng)速大于正常分選風(fēng)速臨界值,在下出口得到純凈的蛋殼,多次分選保證蛋殼純凈度。單個(gè)雞蛋的蛋殼與蛋膜質(zhì)量比為96.657∶3.343[2],將純凈的蛋殼和蛋膜以該質(zhì)量比進(jìn)行混合作為試驗(yàn)材料。

進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn),驗(yàn)證雞蛋殼膜分選裝置設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性,分選所得蛋殼和蛋膜如圖10所示,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Verification test results

圖10 分選所得蛋殼和蛋膜Fig.10 Eggshell and eggshell membrane collected respectively

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)固體負(fù)荷率為2.592 kg/s、入口水平風(fēng)速為6.0 m/s、點(diǎn)C1垂直風(fēng)速為3.1 m/s時(shí),蛋殼回收率為95.33%,蛋膜回收率為91.84%,蛋膜純度為95.13%。蛋殼膜回收率和蛋膜純度較好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果分析

以仿真所得蛋殼和蛋膜顆粒捕獲率平均值為基準(zhǔn),對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)各組蛋殼和蛋膜回收率,對(duì)比數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of simulation and test results

對(duì)比發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)中蛋殼回收率均遠(yuǎn)低于仿真中的蛋殼捕獲率,而試驗(yàn)中蛋膜回收率與仿真中蛋膜捕獲率相近。其原因與蛋殼顆粒質(zhì)地較脆這一性質(zhì)相關(guān),在試驗(yàn)中蛋殼顆粒與送料葉片和管道內(nèi)壁碰撞,顆粒間也存在相互作用,使得更多蛋殼顆粒呈粉末狀,從各出口排出后無(wú)法被收集,而蛋膜韌性高,不易粉碎,損失小;在仿真中僅考慮顆粒與顆粒、顆粒與裝置材料的相互作用,而無(wú)法設(shè)置蛋殼膜顆粒粉碎情況,因此蛋膜回收率與捕獲率相近,仿真中的蛋殼捕獲率相對(duì)較高,且接近100%,而試驗(yàn)中蛋殼回收率平均值為95.33%。

4 雞蛋殼膜分選裝置設(shè)計(jì)程序

Visual Basic 6.0是一款可視的編程軟件,可設(shè)置操作界面,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;CATIA是當(dāng)前最為常見(jiàn)且便捷的建模軟件之一,AutoCAD是應(yīng)用廣泛的制圖軟件,均自帶宏功能且具有與Visual Basic 6.0相通的編程語(yǔ)言[23-25]。為更加便捷地應(yīng)用本文提出的相似設(shè)計(jì)方法,利用Visual Basic 6.0 對(duì)CATIA、AutoCAD二次開(kāi)發(fā),編寫(xiě)分選裝置的相似設(shè)計(jì)程序,實(shí)現(xiàn)雞蛋殼膜分選裝置的快速設(shè)計(jì)。

開(kāi)發(fā)過(guò)程包括開(kāi)發(fā)前準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面、啟動(dòng)CATIA/AutoCAD、計(jì)算輸出參數(shù)、創(chuàng)建三維模型和繪制二維圖紙。為了在編寫(xiě)程序時(shí)可直接調(diào)用CATIA、AutoCAD的相關(guān)功能,在編寫(xiě)程序前需引用Visual Basic 6.0中與CATIA、AutoCAD相關(guān)的全部工程。

(1)人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面(圖12)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合模塊化、一對(duì)一的設(shè)計(jì)理念,因此將數(shù)據(jù)分為輸入?yún)?shù)、工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)3個(gè)模塊,其中工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)均為輸出參數(shù)。輸入固體負(fù)荷率和蛋膜粒徑中位數(shù)后,計(jì)算得到雞蛋殼膜分選裝置中旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù);點(diǎn)擊啟動(dòng)鍵,啟動(dòng)CATIA和AutoCAD;待軟件開(kāi)啟后點(diǎn)擊生成模型鍵即可得到旋風(fēng)分離器的三維模型和二維圖紙。

圖12 人機(jī)交互界面Fig.12 Human-computer interaction interface

(2)CATIA、AutoCAD啟動(dòng)

基于Visual Basic 6.0對(duì)CATIA、AutoCAD二次開(kāi)發(fā)是進(jìn)程外應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)方式,利用命令按鈕獲取并啟動(dòng)CATIA、AutoCAD,軟件部分啟動(dòng)代碼如圖13所示。

圖13 啟動(dòng)代碼Fig.13 Startup code

(3)輸出參數(shù)、三維模型和二維圖紙

設(shè)定固體負(fù)荷率為輸入?yún)?shù),根據(jù)設(shè)計(jì)方法計(jì)算入口水平風(fēng)速、測(cè)量點(diǎn)C1垂直風(fēng)速和旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù),各參數(shù)間關(guān)系如圖14所示。為使所得參數(shù)更準(zhǔn)確,同時(shí)設(shè)定蛋膜粒徑中位數(shù)為輸入?yún)?shù)。

通過(guò)編程指令調(diào)動(dòng)CATIA及AutoCAD的繪制操作,構(gòu)建旋風(fēng)分離器模型。

構(gòu)建模型編程順序?yàn)?①根據(jù)尺寸參數(shù),繪制上出口、上錐筒、直筒段和下錐筒的草圖,設(shè)置中心線并構(gòu)建旋轉(zhuǎn)體,旋轉(zhuǎn)角度為180°。②以草圖中直筒段上邊及右邊為定位基準(zhǔn),繪制入口草圖,構(gòu)建凸臺(tái)。③選定上出口上表面及入口外表面,進(jìn)行抽殼操作。

當(dāng)編寫(xiě)入口約束條件的順序不正確時(shí),旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)在達(dá)到某一臨界值后會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的入口定位。若入口約束編程順序不正確,當(dāng)尺寸參數(shù)未達(dá)到模型出錯(cuò)的臨界值,生成的模型如圖15a所示;當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)超過(guò)模型出錯(cuò)的臨界值,生成的模型如圖15b所示。

圖15 自動(dòng)生成的模型Fig.15 Automatically generated models

繪制二維圖紙的操作包括圖框繪制、實(shí)體線繪制、虛線繪制、劃分圖層。以直筒段為例,自動(dòng)生成二維圖紙,如圖16所示。

圖16 自動(dòng)生成的圖紙F(tuán)ig.16 Automatically generated drawing

5 結(jié)論

(1)通過(guò)相似理論建立了雞蛋殼膜分選過(guò)程的基本相似準(zhǔn)則;經(jīng)模化分析,得到點(diǎn)C1垂直風(fēng)速、粒徑中位數(shù)及均方差等單值性條件,確立了分選裝置的設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)雞蛋殼膜分選裝置的相似設(shè)計(jì)。通過(guò)耦合仿真與驗(yàn)證試驗(yàn),驗(yàn)證了雞蛋殼膜分選裝置相似設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性。

(2)利用Visual Basic 6.0對(duì)CATIA、AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),編寫(xiě)了相似設(shè)計(jì)程序,具有計(jì)算工作參數(shù)及尺寸、啟動(dòng)建模軟件、自動(dòng)生成三維模型和繪制二維圖紙的功能,實(shí)現(xiàn)了雞蛋殼膜分選裝置的快速設(shè)計(jì)。

(3)通過(guò)本文的相似設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)程序,可根據(jù)工廠的不同需求快速設(shè)計(jì)雞蛋殼膜分選裝置,并得到工作參數(shù),促進(jìn)了裝置的工廠化應(yīng)用。同時(shí)也可為旋風(fēng)分選其他兩種固相的研究提供參考。