渦流空氣分級機轉速特性研究

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.沈陽師范大學物理科學與技術學院，遼寧 沈陽 110034）

渦流空氣分級機轉速特性研究

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.沈陽師范大學物理科學與技術學院，遼寧 沈陽 110034）

通過試驗，對影響渦流分級機性能的主要因素——轉速進行了研究。發現隨著轉速的增加，分級粒徑變小，分級效率先增加后減小。試驗數據的分析結果表明，不同的物料對設備的要求是不一樣的，同一參數對不同物料的影響也是不一樣的。因而在設備的結構設計上，要根據不同的物料特性做出相應的調整。通過理論推導，得到了與試驗結果一致的結論。利用流體力學計算軟件進行了數值模擬，得到渦流分級機隨著轉速的增加，流場的渦流現象增強，當轉速增加到一定的程度時，出現了反流現象，使已經分離出的細粒又返回到分級區，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 渦流分級機結構

渦流分級機結構特征詳見圖1、圖2。

圖1 渦流分級機結構示意

1.2 渦流分級機的工作原理

圖2 分級室內物料受力示意

分級的物料由入料口進入分級機內，經分散盤分散均勻后，獲得一定速度，又經緩沖板撞擊，得以松散均勻，落入環形區域，與導流后的氣流匯合，得到混合均勻的氣料流。

在環形區域的物料顆粒受3個力的作用(如圖2所示)，即轉子內的風機產生的抽吸作用力Fv、轉子離心力Fr和重力Fw作用，其中的粗細顆粒在轉子的外邊緣處分離，細粒隨氣流進入轉子中心。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，從而產生顆粒的分離，完成了分級作業。細粒隨氣流進入轉子，排出機外，進入細粉收集系統。

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。

設定轉子轉速分別為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 數據的計算與分析

分級效率的公式：

表1 原料的粒度分布

表2 不同轉速下得到的細粉的粒度分布

表3 不同轉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。

利用上面的試驗數據和質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，計算結果見表4。

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

2 數值模擬計算

利用流體力學計算軟件進行數值模擬計算。

2.1 模型選取

本文把CF-φ315型強制渦流分級機的轉子作為研究對象，圖5為其轉子運動示意圖。它由轉子底盤—環盤—葉片構成，120片葉片徑向均勻分布在底盤和環盤之間，超細粉體顆粒及空氣組成的混合氣體從轉子外部引入，在葉片組成的寬度為H的分級區域，由于受到轉子高速旋轉形成的離心力和風機產生的軸向抽吸力作用，其中的粗細顆粒在轉子的外邊緣處分離，細粒隨氣流進入轉子中心，進入細粉捕集器中，當分級機在額定工況下工作，轉子達到穩定后，混合氣體流動規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域，通過分析兩葉片之間的流動規律，可推測整個轉子分級區的流動規律。

表4 不同轉速的分級效率

圖3 轉速對分級效率的影響

圖4 轉速對粉體粒度分布d50和d90的影響

圖5 轉子運動示意

2.2 邊界條件

(1) 網格劃分。

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

圖6 網格示意

(2) 邊界條件。

分級區內的氣—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；排風機風量為6 000m3/h。

進口處：流體在進口處為固定質量流，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分別為r1=0.99；r2=0.01。

出口處：設流體在出口處為充分發散，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 計算結果與分析

(1) 求解方法。

對上述統一方程組采用IPSA算法求解，用交錯的計算網格，首先將各微分方程離散化，然后運用預估—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，轉子轉速分別為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)。

當轉子轉速較低n=1 000r/min時，顆粒流可以均勻地從進口流向出口， 幾乎沒有出現粒子的反流現象。

當轉速增大到n=2 000r/min時，流場中出現了渦流，顆粒的運動受到干擾，粒子產生了反流現象。

當轉速達到n=3 000r/min時，流場產生了比較強烈的渦流。 粒子的反流現象更加明顯，使已經分離出的細粒又回到分級區，嚴重影響分級機的分級效率。

3 結論

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

圖7 速度矢量圖

通過兩種物料的試驗數據對比，發現同一分級機相對不同的物料，分級結果有很大的差異性，因此在分級機設計的過程中，一定要充考慮物料的物理特性和工藝條件。

從理論上分析了轉速對細粉粒度的影響。通過利用流體力學軟件對分級轉子的氣固兩相流進行模擬，說明隨著轉速的提高，流場產生了比較強烈的渦流，粒子的反流現象更加明顯，使已經分離出的細粒又回到分級區，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