李 強(qiáng)，方 瑩,2，牟信良

1南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇南京 211816

2江蘇先進(jìn)生物與化學(xué)制造協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇南京 211816

渦流空氣分級(jí)機(jī)作為粉體材料制備的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦物分選、化工、醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域[1-2]。隨著粉體產(chǎn)能需求的激增，由于結(jié)構(gòu)限制，渦流空氣分級(jí)機(jī)的工業(yè)應(yīng)用出現(xiàn)了諸多問(wèn)題[3-4]。首先，物料分級(jí)主要集中在環(huán)形區(qū)，若無(wú)法及時(shí)分離物料，則環(huán)形區(qū)內(nèi)的粉塵濃度會(huì)很高，這將增加顆粒碰撞的概率，并降低分級(jí)精度。其次，隨著產(chǎn)能需求的增加，若只增加撒料盤上的物料量，會(huì)導(dǎo)致物料在撒料板上分布不均勻，在環(huán)形區(qū)形成厚料幕，不利于物料分級(jí)。有些廠家通過(guò)增加進(jìn)料口數(shù)量來(lái)解決此問(wèn)題，雖然也取得一些效果，但是不能從根本上解決這個(gè)問(wèn)題。另外，由于分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱和氣流供給的不對(duì)稱，進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速過(guò)大，導(dǎo)致此處的導(dǎo)風(fēng)葉片受到顆粒撞擊磨損嚴(yán)重。

針對(duì)這些問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種由動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)與靜態(tài)分級(jí)機(jī)構(gòu)成的三分離組合式氣流分級(jí)機(jī)，取代渦流空氣分級(jí)機(jī)。靜態(tài)分級(jí)機(jī)通過(guò)對(duì)物料的預(yù)分級(jí)和預(yù)分散，可以有效降低粗顆粒含量，降低分級(jí)室內(nèi)的粉塵濃度。同時(shí)，進(jìn)料采用氣流輸送，使物料在分級(jí)機(jī)中充分分散。與傳統(tǒng)渦流空氣分級(jí)機(jī)相比，動(dòng)態(tài)分級(jí)機(jī)無(wú)導(dǎo)風(fēng)葉片，減小了風(fēng)阻；動(dòng)態(tài)分級(jí)機(jī)的傳動(dòng)軸只需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)，不需要分散物料，有效降低了能耗。

分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)決定了分級(jí)性能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是改善分級(jí)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布，從而提高分級(jí)性能。目前結(jié)構(gòu)研究主要包括關(guān)鍵部件與輔助部件，關(guān)鍵部件一直都是研究的熱點(diǎn)，它主要包括轉(zhuǎn)籠與導(dǎo)風(fēng)葉片等[5-9]；輔助部件在分級(jí)機(jī)中同樣起重要作用。WU S B 等人[10]設(shè)計(jì)了一種雙層撒料盤，這種結(jié)構(gòu)可以改善物料在分級(jí)機(jī)內(nèi)的分散性，從而提高分級(jí)效果。王立剛等人[11]采用數(shù)值模擬方法對(duì)比了有無(wú)擾流錐對(duì)分級(jí)流場(chǎng)和分級(jí)性能的影響，發(fā)現(xiàn)擾流錐的存在減小了環(huán)形區(qū)和轉(zhuǎn)籠葉片間的速度波動(dòng)，同時(shí)減少了淘洗區(qū)筒體內(nèi)高頻脈動(dòng)湍渦數(shù)量，從而提高了分級(jí)效果。孫占朋等人[12-13]在臥式分級(jí)機(jī)中增加了導(dǎo)流裝置，發(fā)現(xiàn)增設(shè)導(dǎo)流裝置可以提高物料的分散性，使流場(chǎng)更加穩(wěn)定。M.Betz 等人[14]在轉(zhuǎn)籠內(nèi)部安裝了若干導(dǎo)流板，并模擬了導(dǎo)流板對(duì)分級(jí)流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，導(dǎo)流板的存在降低了分級(jí)機(jī)壓降，同時(shí)在高轉(zhuǎn)速下具有較好的分級(jí)性能。

導(dǎo)流錐作為新型動(dòng)態(tài)分級(jí)機(jī)的輔助部件之一，對(duì)新型動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)的流場(chǎng)分布起著重要作用。但是導(dǎo)流錐在分級(jí)機(jī)中的作用機(jī)理以及作用效果尚未清楚。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，筆者利用數(shù)值模擬方法研究了導(dǎo)流錐對(duì)新型動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)的影響，對(duì)比了有無(wú)導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布特點(diǎn)和物料分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果。

1 設(shè)備與計(jì)算模型描述

1.1 分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)及其分級(jí)原理

由動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)與靜態(tài)分級(jí)機(jī)構(gòu)成的三分離組合式氣流分級(jí)機(jī)如圖 1(a) 所示，新型動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1(b) 所示。新型動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)的分級(jí)原理：物料經(jīng)過(guò)預(yù)分級(jí)與預(yù)分散后隨著氣流進(jìn)入動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)；物料與氣體由分級(jí)機(jī)底部進(jìn)口進(jìn)入，氣流經(jīng)過(guò)導(dǎo)流錐時(shí)，部分粗顆粒由于慣性作用與導(dǎo)流錐相撞失去速度下落被收集，從粗粉出口排出，其余物料隨氣流進(jìn)入分級(jí)室；氣流經(jīng)導(dǎo)流錐后進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，其氣流路徑有較大偏折，大部分粗顆粒由于慣性作用繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，從而撞擊上部筒壁失去速度，沿著筒壁下落經(jīng)過(guò)錐體被收集為粗粉，剩余物料隨氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)籠的分級(jí)區(qū)；氣流和在氣流中分散的顆粒與轉(zhuǎn)籠一起高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)顆粒主要受到重力、離心力和氣流曳力3 種力的作用，粗顆粒由于所受的離心力大于氣流曳力，向筒壁運(yùn)動(dòng)并撞擊筒壁而失去動(dòng)能，在重力作用下下落被收集為粗粉，而細(xì)顆粒所受的離心力小于氣流曳力，被氣流攜帶進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，并通過(guò)出風(fēng)口經(jīng)過(guò)旋風(fēng)筒被收集為細(xì)粉。

圖1 分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of classifier

新型動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)所能分級(jí)的粒度范圍需要根據(jù)工藝要求，通過(guò)操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)原料的物理性質(zhì)及成品細(xì)度的工藝要求，在設(shè)計(jì)分級(jí)機(jī)時(shí)加以優(yōu)化，即結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)；設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速與進(jìn)口風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化，即操作參數(shù)調(diào)節(jié)。在工業(yè)應(yīng)用中，該動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)可實(shí)現(xiàn) 0.15～0.23 mm 粒度的分級(jí)。

1.2 模型描述與條件設(shè)定

使用 SolidWorks 軟件對(duì)動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，建模時(shí)簡(jiǎn)化了分級(jí)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，幾何模型與其主體參數(shù)如圖 2(a) 所示。轉(zhuǎn)籠葉片長(zhǎng) 20 mm，厚 2 mm，高 150 mm，沿轉(zhuǎn)籠外緣均勻分布。有、無(wú)導(dǎo)流錐的分級(jí)機(jī)的主要尺寸相同，有導(dǎo)流錐的分級(jí)機(jī)其導(dǎo)流錐高度為 103 mm，錐底直徑為 234 mm。為了方便表達(dá)，將有導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)和無(wú)導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)分別用 Type-A 與 Type-B 表示。

圖2 動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)的模型和網(wǎng)格劃分Fig.2 Model and grid division of dynamic air classifier

網(wǎng)格劃分由 ICEM 軟件完成，將計(jì)算模型分為6 個(gè)區(qū)域：進(jìn)料區(qū)域、錐體區(qū)域、粗粉出口區(qū)域、分級(jí)室區(qū)域、轉(zhuǎn)籠區(qū)域與細(xì)粉出口區(qū)域。如圖 2(b) 所示，除了粗粉出口區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，其余部分由于其結(jié)構(gòu)規(guī)整，所以采用六面體網(wǎng)格。Type-A 與Type-B 結(jié)構(gòu)的模型網(wǎng)格只有在錐體部分不同，其余部分完全相同?？紤]到計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分后需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。在相同條件下，以分級(jí)機(jī)入口和出口之間的平均靜壓降為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì) 710 000、1 270 000、1 800 000、2 340 000 和 2 840 000 個(gè) 5種網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行了檢查。結(jié)果表明：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)1 800 000 個(gè)時(shí)，進(jìn)出口壓降差小于 1%。最終模型網(wǎng)格數(shù)量選擇了 1 800 000 個(gè)。

結(jié)合動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和流場(chǎng)特點(diǎn)，湍流模型選擇 RSM (雷諾應(yīng)力模型)。該模型考慮了各向異性效應(yīng)，更適用于模擬強(qiáng)渦流運(yùn)動(dòng)以及各向異性較強(qiáng)的流動(dòng)問(wèn)題[15-16]。壁邊界采用無(wú)滑移邊界條件，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)處理。壓力-速度耦合采用 SIMPLEC 算法，對(duì)流擴(kuò)散采用 QUICK 差分格式，殘差精度設(shè)為 10-4。模擬工況設(shè)定：風(fēng)速為 14 m/s，轉(zhuǎn)速為 500 r/min；入口定義為 velocity-inlet (速度入口)，出口定義為 outflow (出口流動(dòng)邊界)；采用 MRF(多參考坐標(biāo)系模型) 模擬分級(jí)室內(nèi)轉(zhuǎn)籠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 氣流路徑分布

在轉(zhuǎn)速為 500 r/min、進(jìn)口風(fēng)速為 14 m/s 的工況下，模擬 Type-A 與 Type-B 的氣流路徑，如圖 3 所示。

從圖 3 可以看出，導(dǎo)流錐的存在明顯改變了氣體的流動(dòng)路徑。如圖 3(a) 所示，在 Type-A 中，氣流經(jīng)過(guò)導(dǎo)流錐進(jìn)入分級(jí)室，然后沿著轉(zhuǎn)籠底部向上運(yùn)動(dòng)，接著以較小的入射角進(jìn)入轉(zhuǎn)籠；氣流在轉(zhuǎn)籠底部形成渦流 (渦流中心在轉(zhuǎn)籠內(nèi)) 阻礙了氣流進(jìn)入，這是結(jié)構(gòu)原因無(wú)法避免；同時(shí)氣流在筒壁附近形成速度小的渦流，有利于對(duì)粗粉的淘洗[17]，提高分級(jí)精度。在圖3(b) 中，Type-B 結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有導(dǎo)流錐的導(dǎo)流作用，氣流直接沖擊轉(zhuǎn)籠底部，轉(zhuǎn)籠底部提供了巨大的橫向?qū)Я髯饔?，氣流沿著轉(zhuǎn)籠底部橫向向筒壁運(yùn)動(dòng)，隨后在筒壁附近向上運(yùn)動(dòng)，遇到上筒壁后發(fā)生轉(zhuǎn)折從轉(zhuǎn)籠上部進(jìn)入轉(zhuǎn)籠。從局部流線圖可以看到，氣流在分級(jí)室與轉(zhuǎn)籠處形成了較大范圍的渦流，充斥在分級(jí)室內(nèi)，并且占據(jù)了轉(zhuǎn)籠約 2/3 的高度，嚴(yán)重阻礙了氣流進(jìn)入，降低了轉(zhuǎn)籠有效分級(jí)高度。

圖3 導(dǎo)流錐對(duì)氣流路徑與軸向速度的影響Fig.3 Influence of guide cone on airflow path and axial velocity

以截面z=-37.5 mm 為例，模擬導(dǎo)流錐對(duì)軸向速度分布的影響，如圖 3(c) 所示。負(fù)號(hào)代表氣流向下運(yùn)動(dòng)，即與氣流出口方向相反。Type-A 中，從近筒壁處到轉(zhuǎn)籠中心的速度都是正值，且逐漸增大，在轉(zhuǎn)籠附近的速度分布平緩，速度保持在 3 m/s 左右，有利于細(xì)粉的快速排出。Type-B 中，軸向速度分布的波動(dòng)遠(yuǎn)大于 Type-A，筒壁附近的速度最高為 8 m/s，然后急劇減小，在轉(zhuǎn)籠附近都是負(fù)值，且在轉(zhuǎn)籠葉片間速度達(dá) -3.5 m/s，影響細(xì)粉的排出。此外，Type-B近筒壁的軸向速度達(dá)到了 8 m/s，不利于粗粉的下落排出，容易把已經(jīng)分選的粗顆粒重新帶回轉(zhuǎn)籠，造成切割粒徑增大；而 Type-A 的筒壁附近有較小速度的負(fù)值，即在近壁面有向下運(yùn)動(dòng)的氣流，速度約為 0.8 m/s，有利于粗粉的收集。

2.2 對(duì)徑向速度與切向速度的影響

顆粒分級(jí)主要發(fā)生在轉(zhuǎn)籠外表面附近的區(qū)域。在分級(jí)區(qū)域中的切割粒徑 (D50) 可通過(guò)以下公式得到：

式中：CD為阻力系數(shù)；ρg為氣體密度；R為轉(zhuǎn)籠半徑；vr為徑向速度；ρp為顆粒密度；vt為切向速度。

從式 (1) 可以得到，當(dāng)徑向速度與切向速度在合理范圍內(nèi)且分布均勻時(shí)，在分級(jí)面內(nèi)能得到恒定的切割粒徑。故有必要對(duì)分級(jí)室與轉(zhuǎn)籠區(qū)域的徑向速度與切向速度進(jìn)行分析。

2.2.1 徑向速度

徑向速度分布云圖如圖 4 所示。如圖 4(a)、(b)所示，氣流從 Type-A 轉(zhuǎn)籠中上部進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，徑向速度較為均勻，而在 Type-B 中，氣流在分級(jí)室與轉(zhuǎn)籠上部都有較大徑向速度。

圖4 導(dǎo)流錐對(duì)徑向速度的影響Fig.4 Influence of guide cone on radial velocity

轉(zhuǎn)籠外表面是氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)籠的必經(jīng)之地，在轉(zhuǎn)籠入口處沿軸向取點(diǎn)獲得氣流的徑向速度分布圖，如圖 4(c) 所示。在 Type-B 中，從轉(zhuǎn)籠頂部到底部的徑向速度變化較大，速度變化量達(dá) 20 m/s；在轉(zhuǎn)籠上部的徑向速度均在 10 m/s 以上，尤其在頂部的速度達(dá)到了 15 m/s。如此過(guò)大的速度易使粗顆粒被氣流帶入轉(zhuǎn)籠，收集為細(xì)粉，降低了分級(jí)精度，增大了切割粒徑。同時(shí)，在轉(zhuǎn)籠高度為 94 mm 時(shí)，徑向速度開始變?yōu)檎?，即有氣流從轉(zhuǎn)籠中流出，Type-B 的轉(zhuǎn)籠有效分級(jí)高度即為 94 mm。在 Type-A 中，在轉(zhuǎn)籠高度為 110 mm 時(shí)，徑向速度出現(xiàn)較小的正值，則 Type-A型的轉(zhuǎn)籠有效分級(jí)高度為 110 mm，相對(duì)于 Type-B 提高了 17%。在 0～110 mm，即轉(zhuǎn)籠有效分級(jí)高度內(nèi)，徑向速度分布較為均勻，大部分區(qū)域的徑向速度保持在 6 m/s 左右。

2.2.2 切向速度

氣流的切向速度是產(chǎn)生旋流和顆粒離心力的主要原因。圖 5 所示為切向速度分布云圖和轉(zhuǎn)籠外表面切向速度分布圖，負(fù)號(hào)代表與轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)方向相同。

在圖 5(a)、(b) 中，在錐體區(qū)域與轉(zhuǎn)籠內(nèi)部?jī)煞N結(jié)構(gòu)的切向速度分布幾乎一樣。但在 Type-B 中，在分級(jí)室內(nèi)有較大切向速度，其所在范圍與圖 3(b) 中渦流位置基本吻合，可以推測(cè)切向速度大是由分級(jí)室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的渦流所造成的。

由圖 5(c) 可以看到，兩者在轉(zhuǎn)籠入口處的切向速度總體上呈增大趨勢(shì)，其速度變化量在 4 m/s 左右，并都在轉(zhuǎn)籠底部達(dá)到最大值。不同的是，Type-A 的切向速度是在轉(zhuǎn)籠下部突然增大，這是受到轉(zhuǎn)籠底部渦流的影響，而渦流是不可避免的，這與上面分析一致；但是在轉(zhuǎn)籠中上部主要分級(jí)區(qū)域內(nèi)的切向速度變化平穩(wěn)，變化量基本保持在 1.5 m/s 左右。而 Type-B的切向速度一直增大，并且在轉(zhuǎn)籠有效分級(jí)高度內(nèi)的速度梯度大，速度變化量達(dá) 2.5 m/s。

圖5 導(dǎo)流錐對(duì)切向速度的影響Fig.5 Influence of guide cone one tangential velocity

Type-B 內(nèi)的渦流強(qiáng)度與范圍均大于 Type-A，導(dǎo)致 Type-B 的切向速度均大于 Type-A，而且此渦流是豎直的，產(chǎn)生的切向速度方向也是豎直的。而分級(jí)所需要的離心力是由水平氣流旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，雖然Type-B 擁有較大的切向速度，但這是無(wú)意義的。轉(zhuǎn)籠外邊緣線速度

式中：R為轉(zhuǎn)籠半徑；n為轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速。將數(shù)值代入公式可得vi=6.7 m/s。

顯然，轉(zhuǎn)籠入口處氣流的切向速度小于轉(zhuǎn)籠線速度，這是因?yàn)闅饬鞯那邢蛩俣戎饕赊D(zhuǎn)子保持架的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，而氣流由于黏度小而運(yùn)動(dòng)滯后。

圖6 所示為 Type-A 轉(zhuǎn)籠通道內(nèi)不同位置 (軸向) 的切向速度分布。為便于表述，采用進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速 (v，m/s)-轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速 (n，r/min) 來(lái)表示操作參數(shù)工況，如圖 6 中 14-500 即為風(fēng)速為 14 m/s、轉(zhuǎn)速為500 r/min，下同。由圖 6 可以看到，隨著氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)籠通道，切向速度逐漸增加，并保持軸向上的穩(wěn)定。另外，隨著轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速增加，整體切向速度增加，從而可以分離更小粒度的顆粒。

圖6 轉(zhuǎn)籠通道內(nèi)不同位置的切向速度Fig.6 Tangential velocity at various position inside channel of rotary cage

綜合以上分析可以得出，導(dǎo)流錐的存在，極大地改善了分級(jí)室與轉(zhuǎn)籠附近的徑向速度與切向速度的分布，使其速度變化平穩(wěn)，流場(chǎng)分布均勻，有利于獲得高分級(jí)精度和低切割粒徑的產(chǎn)品[18-19]。

2.3 離散相模擬

采用 DPM (離散相模型) 模擬了顆粒在 Type-A和 Type-B 中的運(yùn)動(dòng)軌跡。密度為 2 750 kg/m3的顆粒由進(jìn)氣口進(jìn)入分級(jí)機(jī)，模擬了 5 μm 和 30 μm 2 種粒徑的顆粒在不同工況下的運(yùn)動(dòng)軌跡，30 μm 顆粒為分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)的目標(biāo)切割粒徑。每組模擬中顆粒數(shù)量均為20 個(gè)。采用 DRW (隨機(jī)游走模型) 增加顆粒在氣流中運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性。不同工況下，顆粒進(jìn)入分級(jí)機(jī)后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 7 所示。每組圖中，左側(cè)為 5 μm 顆粒，右側(cè)為 30 μm 顆粒。

圖7 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Particle trajectory

從圖 7 可以看到，在 Type-B 中，不同工況下的顆粒進(jìn)入分級(jí)機(jī)后都先沖擊轉(zhuǎn)籠底部，然后沿著筒壁向上運(yùn)動(dòng)，最后在轉(zhuǎn)籠頂部近乎水平進(jìn)入轉(zhuǎn)籠內(nèi)部。在 Type-A 中，顆粒沿著導(dǎo)流錐向上進(jìn)入分級(jí)室，細(xì)顆粒在轉(zhuǎn)籠中上部斜向上進(jìn)入轉(zhuǎn)籠內(nèi)部，被收集為細(xì)粉；粗顆粒被甩向筒壁，失去速度沿筒壁下落，收集為粗粉。

在圖 7(a)、(c) 中，Type-A 中 30 μm 的顆粒被收集為細(xì)粉的概率小于 5 μm 顆粒，尤其在 14-600工況下，只有少數(shù)顆粒被收集為細(xì)粉。這是由于在Type-A 中，顆粒粒徑與轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速越大，顆粒所受離心力就越大，更容易被甩出分級(jí)區(qū)，沿筒壁下落收集為粗粉。由此可見，Type-A 對(duì) 30 μm 顆粒分級(jí)效果較好，對(duì) 5 μm 顆粒的分級(jí)效果不明顯，這符合分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)預(yù)想。而在 Type-B 中，盡管粒徑與轉(zhuǎn)速得到增加，但是由于在筒壁附近具有較大軸向速度，而且轉(zhuǎn)籠頂部徑向速度過(guò)大，導(dǎo)致絕大部分顆粒都從轉(zhuǎn)籠頂部進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，被收集為細(xì)粉，從而使分級(jí)性能大幅下降。

從離散相模擬結(jié)果來(lái)看，Type-A 與 Type-B中，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡截然不同，Type-A 中顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡更為合理，因而擁有更好的分級(jí)能力，這與氣相流場(chǎng)分析一致。

3 物料分級(jí)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上分析，以碳酸鈣為原料進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)，原料粒度分布如表 1 所列，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖 8所示。

圖8 試驗(yàn)用分級(jí)系統(tǒng)Fig.8 Classification system for test

表1 原料粒度分布Tab.1 Distribution of particle size of raw material

原料進(jìn)入靜態(tài)分級(jí)機(jī)進(jìn)行預(yù)分級(jí)和預(yù)分散，然后隨氣流進(jìn)入動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)進(jìn)行分級(jí)，細(xì)粉被旋風(fēng)筒收集，粗粉被分級(jí)機(jī)粗粉出口收集。原料經(jīng)過(guò)分級(jí)后進(jìn)行稱重取樣，用激光粒度儀對(duì)原料以及收集到的粗粉與細(xì)粉進(jìn)行粒度分析。分級(jí)性能以切割粒徑 (D50)和分級(jí)精度 (K) 作為評(píng)判指標(biāo)，D50是指部分分級(jí)效率為 50% 時(shí)的粒徑，其值越小，表示分級(jí)性能越好；K以部分分級(jí)效率為 25% 和 75% 的顆粒粒徑之比表示，其值越大，表示分級(jí)性能越好。D50和K的計(jì)算結(jié)果如表 2 所列。

表2 切割粒徑 (D50) 和分級(jí)精度 (K) 的對(duì)比Tab.2 Comparison of cutting size (D50)and classification precision (K)

在4 種工況下，Type-A 的D50相比于 Type-B 有很大降低，平均降低了 31.3%，這是由于 Type-B 在轉(zhuǎn)籠上部有較大的徑向速度所導(dǎo)致；尤其在 16-600工況下，D50降低了 39.1%，原因是雖然轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速增大了，被轉(zhuǎn)籠分選出來(lái)的粗粉增多，但是由于筒壁附近有較大的正向軸向速度，被分選的粗粉又被氣流帶回轉(zhuǎn)籠進(jìn)行分選，導(dǎo)致粗粉被氣流帶入轉(zhuǎn)籠中，從而增大D50。相反，Type-A 中，在筒壁附近的軸向速度小，有利于粗粉的下落收集，故而有較低的D50。對(duì)比工況 16-500 與 16-600，可以看到，轉(zhuǎn)速提高，Type-A 的D50減小明顯，而 Type-B 的D50幾乎不變；Type-A 的K值也均大于 Type-B，K值平均提高了 45%，其主要原因是有導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)的徑向速度與切向速度分布更加合理和均勻，而且 Type-B 的“跑粗”現(xiàn)象嚴(yán)重。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)有無(wú)導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)的新型動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)進(jìn)行全流場(chǎng)對(duì)比分析，并且通過(guò)物料試驗(yàn)加以驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

(1) 導(dǎo)流錐可以極大改善氣流路徑，增加轉(zhuǎn)籠有效分級(jí)高度。在無(wú)導(dǎo)流錐的結(jié)構(gòu)中，氣流沿筒壁向上運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生較大軸向速度，嚴(yán)重影響粗粉下落；在有導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)中，氣流路徑合理，在筒壁附近有較小的反向軸向速度，有利于粗粉的下落。離散相模擬驗(yàn)證了上述氣相流場(chǎng)分析。由于分級(jí)室內(nèi)渦流影響范圍的不同，有導(dǎo)流錐的轉(zhuǎn)籠的有效分級(jí)高度，大于無(wú)導(dǎo)流錐的結(jié)構(gòu)。

(2) 導(dǎo)流錐能夠改善分級(jí)機(jī)內(nèi)氣流徑向速度與切向速度分布。相比于無(wú)導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)，有導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)的徑向速度與切向速度分布均勻，減少了“跑粗”現(xiàn)象，從而提高分級(jí)性能。

(3) 在以碳酸鈣為原料的分級(jí)試驗(yàn)中，導(dǎo)流錐的存在使分級(jí)精度平均提高了 45%，切割粒徑降低了31.3%。物料分級(jí)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，證明了數(shù)值模擬方法在分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的可靠性。

(4) 模擬與試驗(yàn)證明了導(dǎo)流錐在新型動(dòng)態(tài)氣流分級(jí)機(jī)的重要性。下一步，將探究導(dǎo)流錐尺寸對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律，從而找到最佳的導(dǎo)流錐高度與半徑。