一種新型水力旋流器的設(shè)計

劉 坤

（青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院）

旋流器的基本原理是將具有一定密度差的液-液、液-固及液-氣等兩相或多相混合物在離心力的作用下進(jìn)行分離［1］。現(xiàn)有的水力旋流器存在兩個問題：切線形進(jìn)料管直接向旋流器內(nèi)進(jìn)料容易造成進(jìn)料口處流體的擾動和湍動，由于流體的轉(zhuǎn)向損失和渦流損失引起局部能量損耗較大；溢流管深入分離腔長度固定，無法根據(jù)不同待分離流體的屬性調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳分離效果，使用靈活性較差。針對上述兩個技術(shù)問題，設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)的雙螺旋進(jìn)水路水力旋流器。

1 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)

該新型水力旋流器的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，在原有的錐形體上部開口處插入一導(dǎo)流器，導(dǎo)流器與上端蓋和下部錐形體通過法蘭連接，上端蓋的側(cè)壁上連接著進(jìn)料管。導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其外壁上對稱設(shè)有使待分離流體從上部容腔進(jìn)入錐形體內(nèi)腔的兩個螺旋狀導(dǎo)流槽，導(dǎo)流器的中心處設(shè)有溢流管插孔，插孔下部的內(nèi)壁和溢流管下部的外壁上設(shè)有可相互連接的螺紋，溢流管上部外壁標(biāo)有刻度，可根據(jù)分離要求旋轉(zhuǎn)溢流管改變深入錐形體內(nèi)腔的長度。此外還可以拆卸更換另外的相同外徑但不同壁厚（不同內(nèi)徑）的溢流管，以達(dá)到所需的分離效果。

圖1 新型水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 導(dǎo)流器與溢流管結(jié)構(gòu)

2 水力旋流器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 柱段筒體尺寸

水力旋流器柱段筒體的直徑與其處理量成正比，且影響待分離流體的向心流速和固相分離粒度［2］。一般在對粗顆粒進(jìn)行分級時采用大直徑筒體旋流器，反之則使用小直徑筒體旋流器獲得細(xì)溢流，但易發(fā)生堵塞。所以在相同的工藝指標(biāo)下，優(yōu)先使用大直徑的水力旋流器［3］；現(xiàn)階段關(guān)于柱段筒體長度對水力旋流器性能影響的研究較少，文獻(xiàn)［4］指出隨著柱段筒體長度的增加，旋流器內(nèi)腔變大，流體在其內(nèi)部停留的時間變長，這將提高旋流器的分離效率和生產(chǎn)能力，并降低能耗。文獻(xiàn)［5］推薦的柱段筒體長度H為（0.7～2.0）D，其中D為旋流器直徑，用于固液分離的水力旋流器柱段筒體長度應(yīng)適當(dāng)取大值。

2.2 進(jìn)料口直徑

增加進(jìn)料口直徑會提高水力旋流器的生產(chǎn)能力并增大分離粒度，還可能減少磨損，文獻(xiàn)［6］給出的標(biāo)準(zhǔn)固液水力旋流器進(jìn)料口直徑de為（0.13～0.29）D。

2.3 溢流口直徑

溢流管是水力旋流器實現(xiàn)分離的重要通道，其管口直徑影響旋流器的分離性能，包括分流比、入口進(jìn)液量和溢流口處的能量損失。其結(jié)構(gòu)形式一般有薄壁直圓管、厚壁直圓管、帶錐角的漸擴管及虹吸式薄壁直圓管等［7］。一般情況下，溢流口直徑越大，分離粒度越大，生產(chǎn)能力增加，但分級效率有所降低。溢流口的直徑應(yīng)稍大于進(jìn)料口直徑，一般取do為（1～2）de［8］。

2.4 底流口直徑

隨著底流口直徑的增大［9］，水力旋流器的壓降也隨之增大，這會使底流口流體濃度降低。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的底流口直徑du為（0.15～0.25）D［10］。底流口直徑應(yīng)小于溢流口直徑，前后兩者比值即排口比是影響水力旋流器性能的重要參數(shù)之一，它可以改變分流比和固相分離效率。排口比的范圍應(yīng)在0.15～1.00之間，如果僅考慮分離效率的要求，則分離效率最大時所對應(yīng)的最佳排口比范圍一般在0.35～0.60之間。

2.5 水力旋流器錐角

旋流器的錐角影響待分離流體向下流動的阻力和分級自由面的高度，小的錐角更有利于壁面上的粗顆粒向下進(jìn)入底流管，但錐角過小容易引起底流口的磨損與堵塞［11］。推薦固液分離用水力旋流器采用小錐角，即α≤15°［12］。

2.6 溢流管深入長度

在一般的水力旋流器中，溢流管要深入到進(jìn)料口底部平面以下的范圍，否則將會出現(xiàn)嚴(yán)重的短路現(xiàn)象。深入長度過大會在溢流管附近形成大面積的湍流現(xiàn)象，進(jìn)而影響等密度曲線的分布；隨著深入長度的減小旋流器的生產(chǎn)能力會有所增大，分離粒度變小，推薦的最佳溢流管深入長度l為（0.33～0.50）D［13］。需要注意的是，旋流器工作時會有一部分底流口流體往旋流中心處聚集并向上運動（在上升時會再次進(jìn)行分選），這便會使旋流器內(nèi)部產(chǎn)生自下而上的閉環(huán)式渦流，渦流的一部分會進(jìn)入溢流管污染溢流［14］。

2.7 溢流管壁厚

有研究表明增加溢流管的壁厚可降低水力旋流器內(nèi)部的能量損失，并且能在一定程度上提高分離效率和生產(chǎn)能力。故設(shè)計時可以適當(dāng)增加溢流管的壁厚，溢流管外徑只要不大于D-2de即可。將溢流管外壁做成環(huán)齒形還有助于提高旋流器的分離精度［15］。

3 水力旋流器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 水力旋流器開口計算

要求預(yù)處理廢切削液量為1.5m3，查閱資料擬使用FX-75水力旋流器的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)［10］進(jìn)行計算。

若D=75mm，則無導(dǎo)流器時柱段筒體長度可取1.5D，即為75×1.5=112.5mm。設(shè)計導(dǎo)流器長27mm，結(jié)合上述計算將旋流器柱段筒體總長度設(shè)計為142mm，導(dǎo)流器上方35mm，下方80mm。旋流器進(jìn)料口直徑范圍為（0.13～0.29）D，即9.75～21.75mm。考慮到所用316L不銹鋼無縫管的規(guī)格尺寸，先暫定取18mm，結(jié)合之前尺寸要求，假定溢流口直徑為25mm。底流口直徑范圍為（0.15～0.25）D，即11.25～18.75mm，考慮到排口比要求，取14mm。

3.2 水力旋流器處理能力

評價一個水力旋流器處理能力Q最常用的判斷標(biāo)準(zhǔn)是其體積流量，即水力旋流器單位時間內(nèi)處理的物料體積量。質(zhì)量流量是指水力旋流器單位時間內(nèi)處理物料的質(zhì)量，一般使用較少［16］。處理能力計算式如下：

其中：

式中 D——旋流器直徑，cm；

de——進(jìn)料口直徑，cm；

do——溢流口直徑，cm；

KD——旋流器直徑系數(shù)；

Kα——旋流器錐角系數(shù)；

Pe——進(jìn)口壓力，MPa；

α——旋流器錐角，（°）。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定FX-75水力旋流器的計算處理能力范圍是5～10m3/h，并且所有用于分級、濃縮或脫泥的水力旋流器在進(jìn)料口處的流速一般在5～12m/s范圍內(nèi)，由此可知以上各設(shè)計數(shù)據(jù)選用合理。

4 固液三相流場的數(shù)值模擬

使用UG建立本次水力旋流器內(nèi)部流體三維模型，如圖3所示，導(dǎo)出為Parasolid文本文件，之后用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。因為本次要研究水力旋流器內(nèi)部的流場，且流體為多相介質(zhì)耦合，所以選用Fluent進(jìn)行計算［17］。在Fluent中設(shè)定邊界條件與各相參數(shù)并進(jìn)行模擬。

圖3 設(shè)備內(nèi)部流體三維模型

湍流模型選用k-epsilon（2 eqn），并選用RNG子模型，勾選Swirl Dominated Flow（旋流）項。工程上一般使用雷諾應(yīng)力（RSM）模型計算水力旋流器，但本次只研究水力旋流器在不同溢流管結(jié)構(gòu)參數(shù)下對同種物料的分離效果，因此標(biāo)準(zhǔn)kepsilon（2 eqn）模型中的RNG子模型完全可以勝任本次研究工作。

所需分離流體為水-油-固體雜質(zhì)顆粒三相耦合，油的體積分?jǐn)?shù)為10%，要求進(jìn)料口流量為100L/min，可得入口流速為6.5m/s，根據(jù)某公司提供的實驗數(shù)據(jù)，固體雜質(zhì)顆粒最小直徑為4μm，最大直徑為42μm，平均直徑為16.2μm。

邊界條件設(shè)置如下：

a.入口邊界條件類型為velocity-inlet（速度入口），速度大小根據(jù)流量計算得出，油的體積分?jǐn)?shù)為10%，在Multiphase中設(shè)置Volume Fraction（入口體積分?jǐn)?shù)）為0.1；

b.將溢流面、底流面的邊界條件類型均設(shè)置為pressure-outlet，不編輯數(shù)值；

c.壁面邊界條件，流體流動邊界設(shè)為無滑移固壁條件，并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法計算流體在固壁附近的流動。

首先在相同條件下對無導(dǎo)流器和有導(dǎo)流器的兩個水力旋流器進(jìn)行水流試驗，進(jìn)口速度取6.5m/s，內(nèi)部流場截面壓力分布如圖4所示。

由圖4可以看出，水流通過進(jìn)料管進(jìn)入旋流器后產(chǎn)生了旋流。對比圖4a、b可以看出導(dǎo)流器可以使內(nèi)部流場更加穩(wěn)定，旋流效果更好。

圖4 相同條件下有、無導(dǎo)流器內(nèi)部流場截面壓力分布

在同種邊界條件下，對溢流管深入長度不同的水力旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬分析，內(nèi)部流場截面速度分布如圖5所示。

由圖5可以看出，當(dāng)溢流管深入長度為0.9倍柱段（導(dǎo)流器下方）長時，附近形成了較大面積的湍流現(xiàn)象；隨著溢流管深入長度的減小，達(dá)到0.7倍柱段長時，旋流器內(nèi)部流場下方有些許擾動，總體趨于穩(wěn)定；達(dá)到0.5倍柱段長時，內(nèi)部流場最為穩(wěn)定；而再減小至0.3倍柱段長時，旋流器內(nèi)部流場出現(xiàn)明顯擾動。究其原因，增大溢流管的深入長度可以有效減少短路流，并有利于內(nèi)部流體的旋流，但溢流管深入過長會增強旋流腔的縱向渦流循環(huán)，造成能量的過多損耗。

圖5 不同溢流管深入長度內(nèi)部流場截面速度分布

由之前分析可知，溢流管深入長度的增加會使流向溢流管口處的固相雜質(zhì)增多且粒度變大，生產(chǎn)能力也會有所下降，這不利于達(dá)到分離要求；然而減小溢流管的深入長度又會使溢流管內(nèi)油相濃度降低。綜合考慮Fluent的模擬結(jié)果，在本次待分離流體的屬性條件和分離要求下，將溢流管深入長度調(diào)節(jié)到0.5倍柱段長時，分離效果最佳，能量損耗較少的同時又能保證生產(chǎn)能力。

在Fluent中的results模型樹中查看流體顆粒的流動分布情況，具體如圖6所示。

由圖6可以清楚地看出水力旋流器內(nèi)部流體分離的過程為：物料液進(jìn)入旋流器后經(jīng)過導(dǎo)流器導(dǎo)流繞軸線自上而下形成旋轉(zhuǎn)場，固相顆粒因受到離心力和液體阻力的作用沿徑向拋向壁面，并向下運動聚集在底流口形成粘稠液排出；澄清液體則向中心聚集沿軸線上旋從溢流口排出，有少部分比較細(xì)小的顆粒跟隨澄清液上旋從溢流口排出。

5 結(jié)束語

筆者主要對可調(diào)節(jié)雙螺旋進(jìn)水路水力旋流器的各重要部件進(jìn)行了設(shè)計計算和內(nèi)部流場分析。該新型固液分離用水力旋流器結(jié)構(gòu)緊湊、組裝方便，采用螺旋狀的導(dǎo)流槽避免了切線形進(jìn)料管直接向旋流器內(nèi)進(jìn)料時造成的進(jìn)口處流體擾動和湍動，減小了局部能耗，提高了旋流器的效率；導(dǎo)流器和溢流管通過螺紋連接，可根據(jù)需求旋轉(zhuǎn)溢流管，改變溢流管深入錐形體內(nèi)腔的長度以達(dá)到最佳分離效果，還可以更換不同內(nèi)徑的溢流管，適合對各種比重的混合液進(jìn)行分離，使用靈活方便；同時，溢流管外壁上的螺紋齒在一定程度上減少了短路流，提高了旋流器的分離精度。這些特點使得該新型水力旋流器在對廢切削液、廢堿洗液等混合液的預(yù)處理方面具有實用性和可靠性，并具有廣闊的應(yīng)用前景。