O－sepa 選粉機(jī)葉片結(jié)構(gòu)對分級區(qū)流場影響研究?

姜大志，陶 冉

（1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

O－sepa選粉機(jī)是我國成功引進(jìn)的一種較為先進(jìn)的空氣選粉機(jī)，廣泛應(yīng)用在水泥圈流粉磨系統(tǒng)中。籠型轉(zhuǎn)子是選粉機(jī)最核心的部分，轉(zhuǎn)籠葉片的結(jié)構(gòu)、數(shù)量的變化會對選粉機(jī)內(nèi)部流場產(chǎn)生很大影響［1，2］。本文采用3種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)籠葉片進(jìn)行流場分析，模擬觀察了不同結(jié)構(gòu)葉片分級區(qū)域內(nèi)速度梯度、軸向速度、切向速度的變化，旨在從理論上對最優(yōu)轉(zhuǎn)籠葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索性研究。

1 顆粒的受力與分級粒徑

O－sepa選粉機(jī)內(nèi)部顆粒的受力比較復(fù)雜，除了受到離心力、氣流作用力、重力以外，還有浮力、巴賽特力、馬格納斯力等等。盡管作用在顆粒上的力比較復(fù)雜，但在轉(zhuǎn)籠葉片間的分級區(qū)中，氣流作用力FD和顆粒所受離心力F占據(jù)絕對主導(dǎo)作用，決定顆粒的運(yùn)動軌跡，其他作用力可以忽略［3］。簡化后的顆粒受力如圖1所示。

圖1 分級區(qū)內(nèi)顆粒受力情況

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律，顆粒的運(yùn)動方程如下：

其中：M為顆粒質(zhì)量；du／dt為顆粒的加速度。粒徑較小的顆粒受到的氣流作用力大于離心力，會隨著氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)籠內(nèi)最后作為成品輸出。粗顆粒受到的離心力大于氣流作用力被向外拋，最后撞向?qū)蛉~片后落到錐形灰斗排出。當(dāng)離心力F與氣流作用力FD相等時，可求得顆粒的理論分級粒徑。

其中：dp為顆粒的分級粒徑；ρp為顆粒密度；ρ為空氣密度；ut為氣流切向速度；ur為氣流徑向速度；r為顆粒旋轉(zhuǎn)半徑；ξ為阻力系數(shù)。假設(shè)顆粒處于Stokes區(qū)域，通過計(jì)算可以得出，轉(zhuǎn)子葉片間的理論分級粒徑為：

其中：ω為轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速；R為轉(zhuǎn)籠半徑；Q為進(jìn)風(fēng)量；μ為空氣黏性阻力系數(shù)；h為分級區(qū)高度［4］。

2 基于不同葉片結(jié)構(gòu)的選粉機(jī)的建模

2.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

O－sepa選粉機(jī)的工作原理為：氣流由一、二次風(fēng)入口經(jīng)過導(dǎo)向葉片形成渦流，顆粒從入料口進(jìn)入選粉機(jī)，與水平渦流充分混合后通過轉(zhuǎn)籠葉片的間隙進(jìn)入籠型轉(zhuǎn)子內(nèi)部，最后到達(dá)成品出口完成分選，粗顆粒則沿著錐形灰斗排出。為了研究轉(zhuǎn)籠葉片結(jié)構(gòu)對選粉機(jī)分級效果的影響，本文使用了3種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)籠葉片進(jìn)行流場分析，即直線型葉片、流線型葉片以及平行四邊形葉片（簡稱四邊形葉片），葉片結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照O－sepa N1000型選粉機(jī)的參數(shù)進(jìn)行建模，使用Gambit建模以及網(wǎng)格劃分，由于模型比較復(fù)雜，故使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型，并對轉(zhuǎn)子部分的網(wǎng)格進(jìn)行著重劃分，以便提高計(jì)算結(jié)果的精度。模型及網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 3種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)籠葉片

圖3 選粉機(jī)模型和網(wǎng)格劃分

2.2 參數(shù)設(shè)置

將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到Fluent求解器進(jìn)行計(jì)算，求解方式采用Pressure Based／Implicit，Steady，湍流黏度模型為標(biāo)準(zhǔn)模型。流體密度、黏度等參數(shù)保持默認(rèn)值，一、二次進(jìn)風(fēng)口定義為速度入口。采用動態(tài)MRF模型來模擬轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)，同時設(shè)置殘差標(biāo)準(zhǔn)為10－3，經(jīng)迭代計(jì)算300多次后達(dá)到收斂。

3 模擬結(jié)果與分析

迭代完成后，設(shè)置離散相模型來模擬顆粒軌跡，設(shè)定顆粒是煤粉，密度為1 500kg／m3。沿著環(huán)形區(qū)豎直方向設(shè)定5組顆粒來觀察顆粒運(yùn)動軌跡［5］。顆粒的運(yùn)動軌跡會隨著顆粒粒徑的變化而變化，圖4為粒徑為46μm的顆粒在不同結(jié)構(gòu)葉片下的運(yùn)動軌跡圖，可以看出四邊形葉片轉(zhuǎn)籠下所有顆粒都能被當(dāng)做細(xì)粉被收集，而直線型葉片轉(zhuǎn)籠只能收集部分顆粒，流線型葉片轉(zhuǎn)籠則不能收集顆粒。不能被收集的顆粒會沿著轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動直到失去動能被排出。因此在相同條件下流線型葉片分選精度最高，直線型葉片次之，四邊形葉片精度最低。

圖4 不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)籠葉片顆粒運(yùn)動軌跡圖

采用Tecplot后處理軟件從理論上對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，取環(huán)形區(qū)內(nèi)水平和豎直的兩條直線做研究對象來分析流場特性。

由前文知顆粒在分級區(qū)域內(nèi)離心力和氣流作用力占據(jù)主導(dǎo)作用。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，氣流的速度梯度過大會產(chǎn)生與速度方向相反的黏性力作用在粉體顆粒上，從而改變顆粒受力，影響分級精度，速度梯度越大產(chǎn)生的黏性力也越大。圖5為葉片分級區(qū)域及其兩側(cè)的速度線圖，可以看出四邊形葉片速度梯度最大，對顆粒分級精度的影響也最大，流線型葉片的速度梯度略優(yōu)于直線型葉片，產(chǎn)生的黏性力也最小。

圖6為O－sepa選粉機(jī)環(huán)形區(qū)的軸向速度分布線圖。環(huán)形區(qū)內(nèi)氣流軸向速度過大會使顆粒聚集在環(huán)形區(qū)頂部，使顆粒不能充分分散，粉體顆粒間相互干擾，進(jìn)而降低分級精度［6］；同時軸向速度過大會削弱環(huán)形區(qū)的離心力，提高分級粒徑。因此環(huán)形區(qū)的軸向速度越小，速度分布越均勻，顆粒的分選效果越好。由圖6可以看出：流線型葉片軸向速度最低，分布也相對均勻，直線型葉片的軸向速度則最大。

圖5 不同葉片分級區(qū)域速度分布線圖

圖6 不同葉片環(huán)形區(qū)軸向速度分布線圖

圖7為環(huán)形區(qū)水平方向切向速度分布線圖。環(huán)形區(qū)域的徑向速度和切向速度大小主要取決于環(huán)形區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和進(jìn)風(fēng)量，與葉片結(jié)構(gòu)沒有實(shí)質(zhì)性的關(guān)系。但是轉(zhuǎn)籠葉片結(jié)構(gòu)在一定程度上仍會對環(huán)形區(qū)內(nèi)的切向速度產(chǎn)生一定的影響。切向速度增加會提高氣流攜帶物料顆粒的能力，有效降低顆粒的分級粒徑，提高分級精度［7］。由圖7可以看出：四邊形葉片切向速度最大，但速度波動大，不利于分級；流線型葉片切向速度略大于直線型葉片，且速度分布均勻，分選效果最好。

圖7 不同葉片環(huán)形區(qū)水平方向切向速度分布線圖

4 結(jié)論

（1）通過離散相模型分析結(jié)果可以看出，分級區(qū)域速度梯度過大會降低選粉機(jī)的精度，速度梯度變化越大，影響就越明顯。

（2）由環(huán)形區(qū)流場分析的結(jié)果得出，在進(jìn)口風(fēng)量和轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速相同的前提下，流線型葉片的分選效果優(yōu)于直線型葉片，四邊形葉片分級效率最低。在工廠生產(chǎn)中，建議轉(zhuǎn)籠葉片結(jié)構(gòu)采用流線型。

［1］ 張佑林.粉體的流體分級技術(shù)與設(shè)備［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［2］ Galk J，Peuker W，Krahnen J.Industrial classification in a new impeller wheel classifier［J］.Powder Technology，1999，105（1）：186－189.

［3］ 童聰，李雙躍.立磨選粉機(jī)葉片結(jié)構(gòu)對分級區(qū)速度場影響分析［J］.化工進(jìn)展，2012，31（4）：778－783.

［4］ 黃億輝.O－sepa選粉機(jī)結(jié)構(gòu)及流場特性的研究［D］.無錫：江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2011：17－20.

［5］ 馮勁梅.流體力學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

［6］ 姜大志，韓晶.轉(zhuǎn)籠葉片間距對柱面籠形粉體分級機(jī)流場的影響［J］.礦山機(jī)械，2013，41（5）：91－95.

［7］ 牟春宇.基于CFD的旋風(fēng)除塵器分離效率的數(shù)值模型研究［D］.無錫：江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2008：27.