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| 高根樹， 用一種新型的針輪轉(zhuǎn)子取代傳統(tǒng)的滾筒轉(zhuǎn)子來啟動離心場進(jìn)行物相分離，通過對顆粒磨損動量的合理布局可充分解決磨損問題，在結(jié)構(gòu)簡化、能耗降低的同時，地完成多相分離。這是一項新型、經(jīng)濟(jì)的沉降離心機(jī)技術(shù)。 1 轉(zhuǎn)鼓沉降離心機(jī)存在問題 轉(zhuǎn)鼓沉降離心機(jī)特別是碟式離心機(jī)的分離效率是很高的，但同時也存在一些問題。首先，轉(zhuǎn)鼓笨重，對動平衡要求*，維持轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)消耗的能量很大，轉(zhuǎn)鼓啟動時間更長達(dá)半小時；其次，是自軸心喂?jié){形成的動密封問題；其三，轉(zhuǎn)鼓液流層出現(xiàn)波浪影響轉(zhuǎn)鼓的動平衡，設(shè)備噪聲增大，壽命縮短；其四，轉(zhuǎn)鼓是外旋轉(zhuǎn)子，從技術(shù)上限制了離心機(jī)的卸料方式并與高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓形成沖突；其五，轉(zhuǎn)鼓磨損問題突出，必須采用材料。 可見諸多的問題皆出于轉(zhuǎn)鼓，因此改變轉(zhuǎn)鼓啟旋是離心機(jī)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。 2 軸流式沉降離心機(jī)的分離效率 在一個軸對稱強(qiáng)度為ω的強(qiáng)制渦旋場內(nèi)，顆粒自ri 以外的斷面以一定的速度進(jìn)入旋流場，在離心力的作用下通過一定的軸向距離，這個過程中有的顆?？梢缘竭_(dá)強(qiáng)制渦旋場外部邊界ra，有的則不能。 離心機(jī)對同等粒徑重相顆粒的分級分離效率hT為高根樹 hT=1－[exp（－ l2k/nz ）] r2a －r2i exp（l 2k/nz）/ r 2a －r2（1） k =——（rK－rA ）n2d2 2?29h （2） 式中 l——離心腔強(qiáng)制渦旋場的某一軸向延伸長度，m； nz——離心腔內(nèi)液流的軸向流速，m/s； d ——球形重相顆粒的直徑，m； ri——重相顆粒進(jìn)入離心場的截面zui小半徑, m； ra ——強(qiáng)制渦旋場的某一設(shè)定范圍，m； n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/s； rK ——重相顆粒物密度，kg/m3； rA ——液相密度，kg/m3； h ——液體的動力黏度系數(shù)，kg/（m·s）。 從式（1）、式（2）可以看出，離心機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大、離心腔延伸長度越大、腔內(nèi)液流的軸向速度越小、重相顆粒直徑和密度越大、重相顆粒進(jìn)入離心腔的位置半徑越大，分級分離效率就越高。 對設(shè)計有重要指導(dǎo)意義的一個簡單推論是只要顆粒進(jìn)入離心腔的位置半徑足夠大，在一定經(jīng)濟(jì)的路徑上，離心機(jī)就可以達(dá)到100 % 的分級效率。 3 針輪轉(zhuǎn)子沉降離心機(jī)的結(jié)構(gòu) 針輪轉(zhuǎn)子沉降離心機(jī)包括傳動裝置、針輪轉(zhuǎn)子、殼體、錐形離心筒、水動力分離器、卸料出漿組件等 零部件，如圖1 所示。  在殼體與離心筒之間有預(yù)分離區(qū)，離心筒上部進(jìn)漿孔環(huán)周分布，大部分大顆粒物可以提前在低速區(qū)域分離沉降。 內(nèi)旋轉(zhuǎn)子針輪可以由U字形線材環(huán)周掛苗均勻密集的排列組合在輪轂上組成，見圖2。 水動力分離器為錐形，壁上有孔，或采用局部覆蓋濾料。  4 針輪轉(zhuǎn)子沉降離心機(jī)的設(shè)計原理 4.1 針輪啟旋與強(qiáng)制渦旋場的形成 4.1.1 針輪的動平衡 針輪針苗密度大，啟旋能力強(qiáng)。其針苗末端自由，在輪轂一端為鉸支座約束，故而在環(huán)向能夠隨受力擺動和變形，在軸向也可以有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動和變形。針輪在轉(zhuǎn)動中能夠自我調(diào)整動平衡。動平衡等級高，可以適應(yīng)轉(zhuǎn)速在1000 r/min以上的轉(zhuǎn)動。 4.1.2 針輪的啟動阻力 針輪針苗的能量傳遞方式以剪切為主，針苗排列層之間有間隙，采用局部分部啟動。針苗在徑向可以通過擺動、彎曲來化解啟動阻力沿徑向增大的影響。 4.1.3 針輪發(fā)動渦旋場的有效性 渦旋場內(nèi)有針苗，故湍流廣泛存在，湍流分離有效性的影響，實際上可歸結(jié)到渦旋場內(nèi)針苗對顆粒運動或目標(biāo)物相移動的影響。針苗的徑向延伸，并不妨礙物相的徑向運動，顯然這一點是有利于分離的。針苗軸向分層迭置，形成一定的軸向阻力，但并非不能穿透。 針苗形成的湍流與針苗的相對尺寸、形狀有關(guān)，也與其相對目標(biāo)物相的速度有關(guān)。只要截面尺寸相對于旋流場的尺寸足夠小，湍流的程度就會削弱，對有效分離的影響就可以忽略。 針苗與漿液的相對速度在不同位置可能有所不同，但是，如果把初入離心腔的漿液加速安置在針輪外周的自由渦旋區(qū)內(nèi)，則強(qiáng)制渦旋區(qū)內(nèi)的針苗與漿液的相對速度就幾乎可以達(dá)到零，從而消除湍流的影響。 4.1.4 針輪的極限尺寸 斷面為圓形，直徑為d，自r0延伸至ra的針苗，以強(qiáng)度w旋轉(zhuǎn)，其應(yīng)力集中發(fā)生在r0 處，為拉應(yīng)力。該 zui大拉應(yīng)力s max 的大小為 s max=2?2rn2（r2a－r20） （3） 式中 r——針苗材料容重，N/m3； n——轉(zhuǎn)速，r/min。 從式（3）看，針苗極限尺寸與轉(zhuǎn)速的關(guān)系zui大，與延伸長度（ra－r0）的關(guān)系次之。 4.2 進(jìn)漿的初始位置 針輪轉(zhuǎn)子沉降離心機(jī)可選擇多種進(jìn)料位置，這要依據(jù)主要分離對象而定。 如果分離的重點對象是重相顆粒，針輪轉(zhuǎn)子沉降離心機(jī)就可以自周邊進(jìn)料，側(cè)重于輕相的向心運動。這時，重相顆粒進(jìn)入強(qiáng)制渦旋場的初始位置ri大于出口半徑ra，在理論上意味著離心機(jī)只要分離因數(shù)大到可以平衡向心流的慣量，就可以分離任意大小的顆粒。這是針輪轉(zhuǎn)子降離心機(jī)比轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)或碟式離心機(jī)具有更巨大的分離潛力的理論基礎(chǔ)。 如果分離的重點對象是輕相顆粒，針輪轉(zhuǎn)子沉降離心機(jī)就可以自小于轉(zhuǎn)子半徑的位置進(jìn)料，側(cè)重于重相的離心運動。 4.3 磨損動量分布 在預(yù)分離區(qū)域，在水力慣性的作用下，大部分大顆粒物不能穿過與其慣性方向鈍角相交的進(jìn)漿孔，從而提前在低速區(qū)域分離沉降，能夠穿過孔進(jìn)入離心腔的顆粒都是比較細(xì)小的顆粒。料漿從離心腔zui大半徑 的位置進(jìn)入轉(zhuǎn)子與離心腔之間的間隙區(qū)域。結(jié)果是，越大的固體顆粒物越傾向于在間隙區(qū)域內(nèi)低速旋轉(zhuǎn)， 其磨損動量不大，離心腔的磨損問題得到顯著改善。 4.4 水動力分離 水動力分離器有規(guī)律地沿柱面或錐面分配出漿，其壁孔方向與微細(xì)顆粒的離心動量鈍角相交，不適宜 通過顆粒。 4.5 加速沉降 離心筒為錐形，顆粒在壁面上獲得一個比重力大得多的離心力分量，幫助顆粒物加速向料斗移動。這 與碟式離心機(jī)碟片的作用相同。 5 針輪轉(zhuǎn)子沉降離心機(jī)的特點 （1） 分離效率高，低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時可以作為除砂器使用，高速運轉(zhuǎn)時具有超越碟式離心機(jī)的分離性能； （2） 可以無壓自流進(jìn)漿，省去泥沙泵； （3） 產(chǎn)品啟動時間短，穩(wěn)定性強(qiáng)，噪聲比轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)低得多； （4） 輕便，安裝要求低，可以船載、車載遠(yuǎn)程作業(yè)，有望應(yīng)用在海洋油輪泄漏事故中用來消除海洋污染，同時可經(jīng)濟(jì)地回收資源； （5） 結(jié)構(gòu)可調(diào)整的余地很大，可以根據(jù)不同的工況和安裝要求設(shè)計出多種形式。 6 結(jié) 論 針輪轉(zhuǎn)子沉降離心機(jī)采用了*的內(nèi)旋針輪轉(zhuǎn)子，有效地優(yōu)化了邊界條件的軸對稱性，削弱了向心湍流對顆粒離心的擾動，縮短了顆粒沉降的路徑和時間，耦合了水動力分離、過濾技術(shù)，在理論和實踐上都有著的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價值。 |
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