水力旋流器溢流余能回收技術探究

2021-11-19 12:36:06韓岳桐樊民強張興芳

中國礦業 2021年11期

韓岳桐，樊民強，張興芳

(1.太原理工大學化學化工學院，山西太原 030024；2.太原理工大學礦業工程學院，山西太原 030024)

水力旋流器是一種將流體從一維轉變為三維旋轉流動，從而在離心力場中實現對物料的分級或分選的設備，大多被應用于石油、化工、煤炭等工程領域[1-4]。崔寶玉[5]和許研霞等[6-8]利用CFD軟件對旋流器進行流場模擬得出靜壓、切向速度、軸向速度和徑向速度分布規律，并通過粒子圖像測速技術(PIV)[9-11]驗證了模擬結果的可靠性，直觀地表明了旋流器溢流漿體速度較大，即含有較大動能，而在旋流器的工業應用中這部分動能往往耗散浪費。

動能回收利用在傳統意義上主要依靠動能水力發電技術，即通過渦輪機將水能轉化為電能。該技術在各行各業都有體現：在建筑行業中，高層建筑中的低樓層用戶有大量給水余壓能被浪費，童軍杰[12]、庒浩等[13]發明了小型余壓能動力發電裝置，能在保證用戶正常用水的前提下有效利用水力余能；樊萬柏[14]、劉世浩等[15]和孟維文[16]設計小型雙葉輪水力發電機的重力勢能回收裝置，采用雙葉輪大速比驅動實現水能向電能的高效率轉化，實現對家用水龍頭水流余能的回收；在化工行業，冷卻水在通過高位換熱器前需要調壓閥加壓來防止高位換熱器回水管道出現負壓而影響系統安全，但由于閥門開度較小，導致回水塔頂端壓力較大，這部分能量被浪費的同時還可能影響工況；肖禮報[17]發明了一種循環水回水余壓發電系統，該系統能夠有效解決回水余壓較大問題，被山西陽煤集團采用并投入生產[18]。

水力發電中最主要的工作結構就是水輪機，它能把水流的能量轉化為旋轉機械能，主要分為沖擊式和反擊式兩種類型，一般包括引水結構、導水結構、工作結構和出水結構四部分[19]。其中軸流式水輪機是水流到達葉輪的方向與水流出水口的方向均為軸向的一種反擊式水輪機，該水輪機具有安裝維修方便、占地面積小等優點[20-22]。通過將旋流器溢流管結構，溢流水力情況和水輪機工作原理結合并設計一套針對旋流器溢流余能二次利用的溢流余能回收裝置，申請了國家發明專利并已公開(公開號：[CN110201806A])，本文將通過試驗驗證該裝置能否有效回收溢流余能，并探究其在0.14 MPa入料壓力時對旋流器分級效果的影響。

1 溢流余能回收技術研究

溢流余能回收技術的研究包括余能回收裝置的設計加工、試驗平臺的搭建、余能回收試驗和試驗結果分析。

1.1 溢流余能回收裝置設計

該裝置是通過借鑒軸流式水輪機結構模型，結合試驗所用150 mm內徑旋流器的結構特點以及其溢流漿體水力條件，運用機械設計原理設計的，設計簡圖與現場安裝圖如圖1所示。

圖1 溢流余能回收裝置結構圖

溢流余能回收裝置主要包含引水結構、導水結構、工作結構和出水結構，其中引水結構為旋流器，煤漿經過旋流器入料口切向入料，在經過旋流器后，經由溢流口攜帶動能進入變徑管，即導水結構，煤漿由此被導入工作結構，工作結構主要包含余能回收葉輪和漿體帶動葉輪高速轉動，一方面礦漿推動回收葉輪轉動同時帶動中心轉軸轉動，動能得以轉化成機械能，旋流器溢流余能得以回收再利用，失去動能的漿體進入到溢流室，通過溢流口排出，即出水結構。在中心軸上安裝轉速儀感應片利用轉速儀測得其轉速直觀的表征動能利用情況。其中回收葉輪尺寸及結構示意圖以20°葉片角葉輪為例，見表1和圖2。

表1 葉輪結構參數

圖2 葉輪CAD主視圖、俯視圖與葉輪實裝圖

1.2 溢流余能回收試驗方案

1.2.1 清水試驗方案

為驗證溢流余能回收技術的可行性，在溢流余能回收試驗平臺進行以清水為介質的余能回收試驗，試驗變量包括入料壓力、溢流管直徑和葉輪葉片角。通過記錄不同試驗變量下中心轉軸轉速，整理統計繪制入料壓力與轉軸轉速關系圖，并對溢流余能回收效率定性分析。其中，各變量的變化范圍見表2。其中，葉片角20°與160°、40°與140°、60°與120°、80°與100°分別關于直角坐標Y軸對稱，特此說明。

表2 清水試驗試驗變量

1.2.2 發電驗證試驗方案

為探究溢流余能回收裝置能否將轉化而來的機械能有效利用，在回收裝置中心轉軸頂端安裝發電驗證試驗電路，電路主要包含微型發電機、定值電阻、整流橋、電壓表和交流燈泡五部分，電路圖如圖3所示。發電驗證電路主要分兩種，電路圖(a)通過電燈泡發光與否驗證余能回收轉化效果；電路圖(b)用于定量測量余能回收發電電路中電壓與功率。其中各電路元件的主要參數見表3。

表3 電路元件主要參數

圖3 發電試驗電路

1.2.3 煤泥分級試驗

為探究溢流余能回收裝置對旋流器分級效果的影響，在試驗平臺進行煤泥分級試驗，試驗煤樣取山西焦煤集團公司屯蘭選煤廠入洗原煤，使用1 mm篩進行篩分后選用粒級小于1 mm煤樣，其中原煤粒度組成見表4。

表4 試驗所用煤樣顆粒組成

旋流器溢流管直徑隨機取定為40 mm，由于工業應用中入料壓力一般大于0.10 MPa，故取入料壓力為0.14 MPa，試驗變量為葉輪葉片角。通過試驗繪制的煤泥粒度分級曲線探究溢流余能回收裝置對旋流器分級效果的影響，其中試驗變量變化范圍見表5。

表5 煤泥分級試驗變量

2 清水試驗結果與分析

2.1 清水試驗P-n圖

圖4～圖6為清水試驗下，溢流直徑分別為40 mm、45 mm和50 mm時，試驗所得轉軸轉速與入料壓力關系圖。

圖4 40 mm溢流管轉軸轉速與入料壓力關系圖

圖5 45 mm溢流管轉軸轉速與入料壓力關系圖

圖6 50 mm溢流管轉軸轉速與入料壓力關系圖

在任意葉輪相同溢流管徑下，中心轉軸的轉速隨著壓力的增大而增大，即系統輸入能量越大回收裝置能夠回收越多的溢流余能，二者呈正相關。

由清水試驗數據可知，葉輪最佳葉片角為20°，當入料壓力為0.095 MPa，溢流管直徑為50 mm時，該葉輪轉速達到最快為1 550 r/min左右；當葉輪葉片角為10°和15°時，由于葉片角較小，葉輪受溢流漿體軸向推力較大，當入料壓力較大時，葉輪被水流沖離工作區域，同時中心轉軸脫離軸心處，故無法準確試驗數據，不做統計；葉片角在60°～140°范圍內的葉輪轉速在各種條件下轉速均較低，其中120°效果最差，在溢流管直徑為40 mm與45 mm時甚至無法轉動。

當入料壓力相同時，轉軸轉速與溢流管直徑相關關系隨著葉輪角度的變化而變化，當葉輪角度為15°和20°時，葉輪轉速隨著溢流管直徑的增大而變大，當葉輪葉片角度為10°和25°時，葉輪轉速隨著溢流管直徑的變大而減小。

2.2 發電驗證結果與分析

通過清水試驗可知，在清水工況中葉輪最佳葉片角為20°，該葉輪在溢流管直徑為50 mm時轉速最優，故在該條件下按照圖4所示電路圖安裝發電試驗電路，分別得到試驗現象與試驗數據見表6。

表6 電路圖(b)試驗數據

由試驗中電燈在旋流器啟動后發光，可直觀地看到溢流余能轉化為電能的效果；再通過表6試驗數據可知，葉片角為20°，溢流管直徑為50 mm，電阻兩端電壓與發電機功率都隨著入料壓力的增大而增大，在入料壓力為0.146 MPa時，電阻兩端電壓為69.4 V，發電機功率達到48.2 W。由此得出溢流余能回收裝置在安裝發電機后能有效將溢流余能轉化而來的機械能轉變成電能再利用的功能。

3 煤泥分級試驗

3.1 溢流余能回收效果

根據清水試驗結果可知，葉輪葉片角為10°～20°時葉片轉速較快，故為縮減煤泥分級試驗工作量，使用轉速較好的葉輪，即片角為10°、15°和20°的葉輪進行試驗，通過測量記錄轉軸轉速。由此得出煤漿條件下，溢流管直徑為40 mm時轉軸轉速見表7。由表7可知，當回收裝置安裝葉片角為10°、15°和20°的葉輪時，葉輪依然能夠保持較高轉速旋轉，且在這種工況下葉輪最佳葉片角為15°，與清水試驗中的20°有所不同，說明礦漿濃度對葉輪最佳葉片角有影響。通過煤泥分選試驗的轉速表可知溢流余能回收效果隨著壓力的增大而變大，同時證明溢流余能回收裝置的適用性不僅局限于清水工況，為余能回收裝置的工業應用提供理論依據。

表7 40 mm溢流管直徑轉軸轉速

3.2 余能回收裝置對煤泥分級的影響

為探究余能回收裝置對旋流器分級效果的影響，通過煤泥分級試驗，得到旋流器分別在無葉輪、10°葉輪、15°葉輪和20°葉輪四種條件下入料壓0.14 MPa時的煤泥分級曲線，如圖7所示。由圖7可知，當入料壓力為0.14 MPa時，四種條件的粒度分配曲線基本重合，即當溢流管直徑為40 mm，入料壓力為0.14 MPa時，溢流余能回收裝置對旋流器的分級效果基本無影響。