汪建峰，王廣全，操偉偉，計(jì)建炳（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

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折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的初步研究

汪建峰，王廣全，操偉偉，計(jì)建炳
（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

摘要：折流式旋轉(zhuǎn)床是一種新型的同心圈式超重力設(shè)備，電機(jī)功率消耗是折流式旋轉(zhuǎn)床設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。本文對(duì)折流式旋轉(zhuǎn)床的有效功耗進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究，并提出了一種新的有效功耗計(jì)算方法，為旋轉(zhuǎn)設(shè)備功耗研究和折流式旋轉(zhuǎn)床工業(yè)應(yīng)用提供了一定基礎(chǔ)。折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗可以分成兩部分，即分散液體功耗和加速液體功耗。通過(guò)理論分析，得到了折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的計(jì)算模型。實(shí)驗(yàn)以水為介質(zhì)，在不同液量和轉(zhuǎn)速下測(cè)得有效功耗。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速一定時(shí)，有效功耗隨著液量的增加近似呈線(xiàn)性增加，且轉(zhuǎn)速越大，有效功耗隨液量增加越快。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸，得到單個(gè)同心圈轉(zhuǎn)子有效功耗的計(jì)算模型，實(shí)驗(yàn)值與回歸計(jì)算值相對(duì)偏差基本在20％以?xún)?nèi)。通過(guò)對(duì)包含4個(gè)同心圈轉(zhuǎn)子的折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的驗(yàn)證結(jié)果可知，4個(gè)動(dòng)圈有效功耗計(jì)算值的總和比實(shí)驗(yàn)測(cè)量值高20％左右，對(duì)折流式旋轉(zhuǎn)床的工程放大有一定意義。

關(guān)鍵詞：折流式旋轉(zhuǎn)床；有效功耗；計(jì)算模型

第一作者：汪建峰（1990—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：王廣全，博士，副教授，研究方向?yàn)閭髻|(zhì)與分離技術(shù)。E-mail wanggq@zjut.edu.cn。

超重力技術(shù)是一種有效的過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，是強(qiáng)化三傳一反的有效途徑，該技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[1-3]。超重力旋轉(zhuǎn)床利用離心力場(chǎng)來(lái)代替重力場(chǎng)，是實(shí)現(xiàn)超重力場(chǎng)下兩相流體接觸的設(shè)備，轉(zhuǎn)子是超重力旋轉(zhuǎn)床的主要部件。目前，已有文獻(xiàn)報(bào)道的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有填料式[4]、螺旋式[5]、多級(jí)霧化式[6]、同心環(huán)碟片式[7]、撞擊流式[8]、折流式[9]等。與傳統(tǒng)的兩相流體接觸設(shè)備相比，超重力旋轉(zhuǎn)床增加了電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)床功耗是旋轉(zhuǎn)設(shè)備總功耗中不可忽略的部分，對(duì)其的理論與實(shí)驗(yàn)研究是旋轉(zhuǎn)床應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)分析的雙重需要。諸多研究者對(duì)旋轉(zhuǎn)床的功耗進(jìn)行了研究[10-14]。柳松年等[11]認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)床功耗包括有效功耗、氣相功耗以及軸承摩擦功耗。有效功耗包括加速液體功耗和分散液體功耗；氣相功耗主要為液相在轉(zhuǎn)子內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到氣相摩擦阻力的功耗以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與空氣摩擦的功耗；軸承摩擦功耗主要是轉(zhuǎn)子軸承與旋轉(zhuǎn)床之間的摩擦功耗。賀國(guó)等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，液相受到的氣相摩擦阻力幾乎為零；柳松年等[11]通過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與空氣摩擦功耗和軸承摩擦功耗所占總功耗比例均不到1％。因此，旋轉(zhuǎn)床功耗主要為有效功耗，研究旋轉(zhuǎn)床的有效功耗意義重大。尋找既能滿(mǎn)足精度要求又易于應(yīng)用的功耗計(jì)算模型對(duì)折流式旋轉(zhuǎn)床功耗研究具有重大意義。本文對(duì)折流式旋轉(zhuǎn)床的有效功耗進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)半理論的計(jì)算模型。

1　理論分析

折流式旋轉(zhuǎn)床主要由折流式轉(zhuǎn)子和殼體組成。轉(zhuǎn)子是折流式旋轉(zhuǎn)床核心部件，為動(dòng)靜組合式結(jié)構(gòu)。動(dòng)部件為動(dòng)盤(pán)和動(dòng)圈，靜部件為靜盤(pán)和靜圈，動(dòng)、靜部件之間的縫隙提供了氣液流動(dòng)的折流式通道，如圖1所示。

操作過(guò)程中，氣相由氣體進(jìn)口切向進(jìn)入，在壓差作用下，從轉(zhuǎn)子外緣沿著折流式通道向轉(zhuǎn)子中心逐圈流動(dòng)，經(jīng)氣體出口離開(kāi)旋轉(zhuǎn)床；液相由進(jìn)液管進(jìn)入動(dòng)盤(pán)中心，在離心力的作用下沿著動(dòng)盤(pán)底部向動(dòng)圈底部聚集，并逐漸向動(dòng)圈開(kāi)孔區(qū)爬升，經(jīng)小孔分散成液滴或液絲甩向靜圈。液滴在重力作用下從靜圈上落到動(dòng)盤(pán)上。液相在轉(zhuǎn)子內(nèi)重復(fù)聚集、爬升、分散、滴落的過(guò)程，最后經(jīng)液體出口排出，如圖2所示。

由于液相在每個(gè)同心圈上運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，因此為了研究方便，本文以單個(gè)動(dòng)圈單排液孔的轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)測(cè)定旋轉(zhuǎn)床液相流量為零時(shí)的功耗得到空載功耗；通過(guò)測(cè)定旋轉(zhuǎn)床液量不為零時(shí)的功耗得到旋轉(zhuǎn)床總功耗。旋轉(zhuǎn)床總功耗與空載功耗均由電表測(cè)得的電機(jī)功耗乘以電機(jī)效率ηm和傳遞效率ηt[14]得到，兩者之差即為旋轉(zhuǎn)床有效功耗。根據(jù)前文分析，有效功耗分為兩個(gè)部分，即分散液體功耗和加速液體功耗。這兩部分功耗又可通過(guò)理論分析得到。

圖1　折流式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)圖

圖2　折流式旋轉(zhuǎn)床氣液流動(dòng)圖

1.1分散液體功耗

折流式旋轉(zhuǎn)床中，液相在離心力場(chǎng)的作用下由轉(zhuǎn)子中心向轉(zhuǎn)子外沿運(yùn)動(dòng)，經(jīng)動(dòng)圈上的圓孔被分散成極小的液滴，此過(guò)程克服表面張力需要消耗一定功率。單位時(shí)間內(nèi)克服表面張力耗能計(jì)算式如式(1)。

式中，As為分散后液滴總表面積。

若液滴作為球形顆粒處理，則分散后液滴總表面積可根據(jù)式(2)得到。

式中，液滴直徑d可仿照重力場(chǎng)下液體經(jīng)細(xì)圓管滴落時(shí)液滴直徑計(jì)算式得到。在重力場(chǎng)下，液體經(jīng)細(xì)圓管滴落時(shí)，液滴直徑如式(3)[15]。

考慮到離心力場(chǎng)遠(yuǎn)大于重力場(chǎng)，液滴之間相互作用劇烈，運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，液滴直徑也更難以預(yù)測(cè)，引入系數(shù)B加以修正液滴直徑，得到離心力場(chǎng)下液滴直徑計(jì)算式如式(4)。

這樣便可得到單位時(shí)間液相克服表面張力耗能的計(jì)算如式(5)。

式中，ω為角速度，可由式(6)得到。

將式(6)代入式(5)得到式(7)。

1.2加速液體功耗

液相被引入轉(zhuǎn)子中心后，被高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)盤(pán)和動(dòng)圈逐漸加速，最終以一定速度離開(kāi)動(dòng)圈。假定液滴離開(kāi)動(dòng)圈所獲得速度為u，進(jìn)行矢量分解，得到切向速度ut和徑向速度ur。由于液相被引入轉(zhuǎn)子后形成液膜的初動(dòng)能遠(yuǎn)小于液滴離開(kāi)動(dòng)圈時(shí)的動(dòng)能，為了計(jì)算方便，忽略液膜初動(dòng)能。液滴切向速度ut根據(jù)動(dòng)圈圓周速度求得；徑向速度ur本應(yīng)嚴(yán)格按照伯努利方程推導(dǎo)得到的孔流流速計(jì)算方法計(jì)算，但為了計(jì)算方便，采用液量Q與開(kāi)孔面積A的比值來(lái)計(jì)算。引入動(dòng)能修正系數(shù)K修正忽略液膜初動(dòng)能和簡(jiǎn)化液滴徑向速度計(jì)算式所引起的偏差，則單位時(shí)間內(nèi)液滴離開(kāi)動(dòng)圈獲得動(dòng)能ΔE如式(8)。

代入液滴切向速度和徑向速度計(jì)算式可得式(9)。

將式(6)代入并整理得式(10)。

結(jié)合分散液體功耗和加速液體功耗計(jì)算式便可得到有效功耗計(jì)算式如式(11)。

2　實(shí)驗(yàn)部分

本文實(shí)驗(yàn)采用水為介質(zhì)，主要由兩部分組成，分別為單動(dòng)圈轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)和多動(dòng)圈轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)。

由于靜圈在折流式旋轉(zhuǎn)床中只起到了阻擋液滴的作用，對(duì)有效功耗沒(méi)有影響，所以第一步實(shí)驗(yàn)所用的轉(zhuǎn)子也只包含一個(gè)動(dòng)圈，動(dòng)圈直徑235mm，高度70mm。動(dòng)圈上有一排孔，孔數(shù)243，孔徑1.6mm，開(kāi)孔位置距離底盤(pán)30mm。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示，水由進(jìn)液管引入轉(zhuǎn)子中心，最終由殼體收集經(jīng)出口排出。

圖3　折流式旋轉(zhuǎn)床功耗測(cè)定實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)得折流式旋轉(zhuǎn)床的有效功耗，因此并未通入氣體。實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速通過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x測(cè)量，通過(guò)調(diào)頻器調(diào)節(jié)，液量通過(guò)進(jìn)液管上的轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，旋轉(zhuǎn)床功耗由三相功率表和秒表測(cè)量。首先固定轉(zhuǎn)速不變，液相流量為零時(shí)，得到旋轉(zhuǎn)床空載功耗；接著改變液量大小，便可得到同一轉(zhuǎn)速不同液量下旋轉(zhuǎn)床總功耗?？偣呐c空載功耗之差即折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗。最后改變轉(zhuǎn)速，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終得到不同轉(zhuǎn)速、不同液量下折流式旋轉(zhuǎn)床的有效功耗。

根據(jù)單動(dòng)圈轉(zhuǎn)子的折流式旋轉(zhuǎn)床的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到有效功耗的關(guān)聯(lián)式并驗(yàn)證之后，再次通過(guò)多圈轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子包含4個(gè)動(dòng)圈，直徑分別為165.8mm、102.8mm、234.8mm、265.8mm，動(dòng)圈上有一排圓孔，孔徑1.6mm，孔個(gè)數(shù)分別為203、240、282、316，實(shí)驗(yàn)步驟與單動(dòng)圈轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)步驟相同。

3　結(jié)果與討論

對(duì)于同一個(gè)同心圈，折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗與液量和轉(zhuǎn)速有關(guān)。利用式(11)對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的不同轉(zhuǎn)速、不同液量下轉(zhuǎn)子有效功耗的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到有效功耗計(jì)算式中動(dòng)能修正系數(shù)K為1.9，液滴直徑修正系數(shù)B為0.05，從而得到實(shí)驗(yàn)所用轉(zhuǎn)子有效功耗關(guān)于液量和轉(zhuǎn)速的計(jì)算式。理論推導(dǎo)液滴直徑計(jì)算式時(shí)，對(duì)液滴作了大小一致的球體處理，而實(shí)際液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于液滴相互之間的碰撞，液滴形狀大小不一。液滴直徑修正系數(shù)B遠(yuǎn)小于1，表明液滴之間相互碰撞劇烈，實(shí)際液滴直徑遠(yuǎn)小于對(duì)液滴做大小一致的球體處理后計(jì)算得到的直徑；液滴動(dòng)能修正系數(shù)K大于1，表明液滴實(shí)際獲得的動(dòng)能大于理論計(jì)算得到的動(dòng)能。這是因?yàn)樵陔x心力的作用下，動(dòng)圈圓孔處與液面表面壓差極大，使得液相并未充滿(mǎn)所有圓孔，因此根據(jù)液量與開(kāi)孔面積的比值計(jì)算得到的徑向速度偏小，液相總動(dòng)能偏小。

將不同轉(zhuǎn)速代入，便可得到不同轉(zhuǎn)速下有效功耗關(guān)于液量的計(jì)算式。同理，將不同液量代、便可得到不同液量下有效功耗關(guān)于轉(zhuǎn)速的計(jì)算式。有效功耗計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值關(guān)系如圖4和圖5所示。

由圖可知，折流式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速一定時(shí)，有效功耗隨著液量的增加近似呈線(xiàn)性增加。液量增加，一方面，被分散的液體總量增加，則分散液體功耗增加；另一方面，液量增加，加速液體功耗增加。液量一定時(shí)，有效功耗隨轉(zhuǎn)速增加而增加，且轉(zhuǎn)速越大增加速度越快?；貧w結(jié)果的相對(duì)偏差如圖6所示。由圖6可知，有效功耗的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與回歸計(jì)算值的相對(duì)偏差基本在20％以?xún)?nèi)。

圖4　有效功耗與液量關(guān)系圖

圖5　有效功耗與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖6　有效功耗回歸結(jié)果相對(duì)偏差圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與回歸計(jì)算值存在偏差，原因主要有3個(gè)方面：一方面，推導(dǎo)克服表面張力功耗的計(jì)算式時(shí)，忽略了液膜表面積初值；另一方面，動(dòng)圈上的開(kāi)孔并未全部充滿(mǎn)液體，則實(shí)際液滴徑向速度ur大于Q/A。另外，同一轉(zhuǎn)速下，引入液相之后，轉(zhuǎn)軸摩擦功耗可能發(fā)生變化，而本文實(shí)驗(yàn)是在假定轉(zhuǎn)軸摩擦功耗不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

使用回歸計(jì)算式分別得到4個(gè)動(dòng)圈的有效功耗，加和后得到有效功耗的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7　多圈轉(zhuǎn)子有效功耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差圖

由圖7可知，有效功耗計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)測(cè)量值高20％左右。這是因?yàn)?，液相在離心力的作用下從動(dòng)盤(pán)底部向開(kāi)孔區(qū)域爬升，部分液相甚至直接爬升至動(dòng)圈頂部甩出，而并非經(jīng)由圓孔分散甩出。這部分液體按照被圓孔完全分散計(jì)算得到的分散液體功耗ΔW必然大于實(shí)際分散液體功耗，以致總的液相有效功耗的計(jì)算值大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

4　結(jié)論

本文提出了一種折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的計(jì)算方法，運(yùn)用此方法得到的單圈有效功耗的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差基本在20％以?xún)?nèi)，為工程研究及應(yīng)用提供了一定基礎(chǔ)。

本文實(shí)驗(yàn)研究只是對(duì)有效功耗的初步研究，單個(gè)動(dòng)圈有效功耗的規(guī)律反映了整個(gè)折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的規(guī)律，是折流式旋轉(zhuǎn)床功耗研究的核心部分。理論上說(shuō)，整個(gè)折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗是多個(gè)動(dòng)圈有效功耗的疊加。通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，多圈轉(zhuǎn)子的有效功耗計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值高20％左右，對(duì)該研究的實(shí)際應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

由于實(shí)驗(yàn)采用水為介質(zhì)，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中往往是其他液體，其物性與水有很大不同；同時(shí)，工業(yè)應(yīng)用中的折流式旋轉(zhuǎn)床氣液并存，液相克服氣體摩擦也會(huì)損耗一定功耗。因此，實(shí)際應(yīng)用中的折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗可根據(jù)本文模型進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行適當(dāng)放大，進(jìn)而選擇合適的電動(dòng)機(jī)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

參考文獻(xiàn)

[1]陳建峰. 超重力技術(shù)及應(yīng)用：新一代反應(yīng)與分離技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

[2]劉有智. 超重力化工過(guò)程與技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009

[3]Ramshaw C，Mallinson R H. Mass transfer apparatus and its use：EP 0002568[P]. 1979.

[4]Keyvani M. Operating characteristics of rotating beds[J]. Chemical Engineering Progress，1989，85（5）：48-52.

[5]陳昭瓊，熊雙喜，伍極光. 螺旋型旋轉(zhuǎn)吸收器[J]. 化工學(xué)報(bào)，1995，46（3）：388-392.

[6]潘朝群，張亞君，鄧先和，等. 多級(jí)霧化超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（3）：67-71.

[7]簡(jiǎn)棄非，鄧先和，鄧頌九. 碟片旋轉(zhuǎn)床氣液傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 化學(xué)工程，1998，26（2）：11-14.

[8]李俊華. 撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床合成納米硫化鋅研究[J]. 中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（3）：297-305.

[9]WANG G Q，XU Z C，JI J B. Progress on Higee distillation——introduction to a new device and its industrial applications[J]. Chemical Engineering Research and Design，2011，89：1434-1442.

[10]潘朝群，張燕青，鄧先和. 多級(jí)霧化超重力旋轉(zhuǎn)床能耗的建模及實(shí)驗(yàn)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（10）：48-51.

[11]柳松年，郭鍇，宋云華. 超重力場(chǎng)分離機(jī)的功率分析[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，24（1）：51-56.

[12]焦建雄，陳海輝. 旋轉(zhuǎn)填料床的功率實(shí)驗(yàn)分析[J]. 株洲工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，18（2）：74-77.

[13]賀國(guó)，汪宏偉. AIP系統(tǒng)絲網(wǎng)填料旋轉(zhuǎn)床功耗研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（8）：16-18.

[14]李育敏，折流式旋轉(zhuǎn)床液相功耗數(shù)學(xué)模型[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2010，24（2）：203-207.

[15]LIU H M. Science and engineering of droplets：fundamentals and applications[M]. New York：William Andrew Publishing，LLC Norwich，2000：121-192.

Preliminary studies on the effective power consumption of rotating zigzag bed

WANG Jianfeng，WANG Guangquan，CAO Weiwei，JI Jianbing
（College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Abstract：Rotating zigzag bed（RZB） is a novel kind of HIGEE equipment with concentric rings. Motor power consumption is an important factor to be considered when researchers design RZB. In this paper，experimental studies on the effective power consumption of RZB were preliminarily carried out. A new calculation method was proposed，which provided basis for studies on power consumption of rotating equipments and industrial applications of RZB. The effective power consumption of RZB could be divided into two parts：power consumption to disperse liquid and to accelerate liquid. The calculation model of the effective power consumption of RZB was achieved by theoretical analysis. Using water as test system，the effective power consumption was experimentally measured. According to the experimental data，the effective power consumption approximately linearly increased with liquid flowrate when rotating speed was constant. The higher rotating speed was，the more rapidly effective power consumption increased. Based on the experimental data，the model of effective power consumption with liquid flowrate and rotating speed for rotor with single concentric ring could be achieved. The relative deviation between the experimental data and the calculated values was within 20％. The calculated effective power consumption of RZB with four concentric rings is about 20％ higher than the measured values，which is of certain significance for scale-up of RZB.

Key words：rotating zigzag bed；effective power consumption；calculation model

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 018

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）04–1022–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.009

收稿日期：2015-09-23；修改稿日期：2015-11-28。