（流体机械及工程专业论文）中高浓纸浆泵及湍流发生器的设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前造纸业中，通常进行低浓度纸浆工业加工，即先将浆池中的 高浓纸浆加水稀释到低浓度后再进行输送，然后再进行脱水到下一个 工艺过程。这样一个“稀释一输送一脱水”的环节，大大增加了投资 资金、水资源和能量的浪费。中高浓纸浆输送技术在中高浓条件下输 送、处理纸浆可以很好地缓解上述问题。中高浓纸浆泵是实现中高浓 输送的关键设备之一。 本文在研究中高浓纸浆的特性的基础上，对中高浓纸浆泵进行了 设计，同时对流体化装置湍流发生器进行了设计和验证。本文的主要 工作如下： 1 对纸浆悬浮液的流体特性进行了研究，并对中高浓纸浆的流 体动力学特性进行了分析，确定了中高浓纸浆流体化的临界条件，为 实现中高浓纸浆的流体化提供理论依据。 2 在现有国内外中高浓浆泵产品的基础上，根据纸浆的流动特 性及输送要求，提出中高浓纸浆泵的总体结构设计方案，并提出中高 浓纸浆泵湍流发生器，泵送装置以及气体分离装置的具体结构形式。 3 详细研究了湍流发生器的设计原理，并通过流体化的设计参 数，计算临界转速和剪切扭矩的大小，确定湍流发生器的结构形式和 尺寸。 4 通过扭矩、湍流临界剪切应力、悬浮液表观粘度的计算以及 对强度和能耗方面的考核，确定湍流发生器结构的合理性。 关键字：中高浓纸浆泵，湍流发生器，流体化，结构设计。 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep a p e rm a k i n gi n d u s t r y , l o wc o n s i s t e n c yp u l pi su s e dg e n e r a l l y i np u l pp r o c e s s ，s oa l lt h eh i g h - m e d i u mc o n s i s t e n c yp u l pm u s tb ed i l u t e d , a n dt h e nb e e v a p o r a t e d t oo t h e r p r o c e d u r e t h i s “d i l u t i o n - - t r a n s p o r t a t i o n - - e v a p o r a t i o n p r o c e s se n o r m o u s l y i n c r e a s et h e i n v e s t m e n tc o s ta n dw a s t el a r g ea m o u n to fw a t e rr e s o u r c ea n de n e r g y t h ei m p r o v e m e n t si nt h e t e c h n o l o g y o ft r a n s p o r t i n gh i g h m e d i u m c o n s i s t e n c yp u l pc a ng r e a t l yl i g h t e na b o v ep r o b l e m s a n da m o n gt h e m ， t h eh i g h m e d i u mc o n s i s t e n c yp u l pp u m pi st h ek e ye q u i p m e n t ，w h i c h n e e df u r t h e rd e v e l o p m e n t b a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g h m e d i u mc o n s i s t e n c yp u l p ，t h e d e s i g n o fh i g h - m e d i u m c o n s i s t e n c yp u l pp u m p w a s p r e s e n t e d m e a n w h i l e ，t h ef l u i d i z a t i o ne q u i p m e n tw a sd e s i g n e da n dv a l i d a t e d t h e m a i nw o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o ni so u t l i n e da sf o l l o w i n g ： 1 t h e l i q u i d c h a r a c t e r i s t i c so ff i b e r s u s p e n s i o n a n dt h e h y d r o k i n e t i c sc h a r a c t e r i s t i c so fh i l 曲一m e d i u mc o n s i s t e n c yp u l pw e r e s t u d i e d ，a n dt h e ne n s u r et h ec r i t i c a lf l u i d i z a t i o nc o n d i t i o no f h i g h - m e d i u mc o n s i s t e n c yp u l p ，w h i c h o f f e rt h e o r y s u p p o r t f o rt h e f l u i d i z a t i o no f h i g h - m e d i u mc o n s i s t e n c yp u l p 2 b a s eo nt h ef o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp a p e rp u l pa n dt h er e q u e s t o ft r a n s p o r t a t i o n ，a n do nt h eb a s eo fp r e s e n tp a p e rp u l pp u m pp r o d u c t i o n ， t h ed e t a i l e ds t r u c t u r ed e s i g ns t y l eo ft h et r a n s p o r t i n gp u m p ，f l u i d i z a t i o n e q u i p m e n ta n da i rs e p a r a t i n ge q u i p m e n tw e r ea l lg i v e n 3 t h ed e s i g np r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ff l u i d i z a t i o ne q u i p m e n t 江苏大学硕士学位论文 w e r ei n t r o d u c e d ；a n dt h ec r i t i c a lr o t a r ys p e e da n ds h e a rt o r q u ew e r e c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ef l u i d i z a t i o n d e s i g np a r a m e t e r s ，s ot h e s t r u c t u r ed i m e n s i o no ff l u i d i z a t i o ne q u i p m e n tc a r lb eo b t a i n e d 4 t h r o u g hc a l c u l a t i n gt h et o r q u e ，c r i t i c a lt u r b u l e n c es h e a rs t r e s s ， a p p a r e n tv i s c i d i t y o fs u s p e n s i o n ，i n t e n s i t y , e n e r g y d i s s i p a t i o n ，t h e r a t i o n a l i t yo f s t r u c t u r ed e s i g no f t h ef l u i d i z a t i o ne q u i p m e n tw a sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：h i g h - m e d i u mc o n s i s t e n c y p u l pp u m p ，f l u i d i z a t i o n e q u i p m e n t ，f l u i d i z a t i o n ，s t r u c t u r ed e s i g n i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：砂辛包形 词年 f 月j 日 指导教师签名： m 们年月i1 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：劝宦拖， 日期：硎年f 月日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外造纸业和中高浓纸浆技术的发展 1 1 1 国内外造纸业的发展 随着科学技术和社会生产力的发展，造纸业也得到了突飞猛进的发展。但同 时，也造成了用水量、用电量、化学药品用量等的增加，引起了环境的污染以及 能源的过渡浪费等问题。 在造纸业中，主要的工业污染源是蒸煮废液和漂白废水，能耗是淡水的耗费 量。目前国内的许多造纸厂还是在纸浆浓度比较低的情况下工作，利用氯或氯化 物作为漂白剂进行纸浆浆料的漂白。这种生产工艺既造成了大量水资源的浪费， 增加了有害物质的排放，大大污染了环境。相比之下，先进国家的造纸技术就生 产规模、产品质量、经济效益、环境保护、节能节水等方面都比我们国家先进。 根据中国造纸工程2 0 0 3 年度报告【1 】：2 0 0 2 年造纸及纸制品行业废水排放量为3 1 9 亿吨，占全国工业总排放量的1 7 4 ，其中达标量2 6 9 亿吨，达标率8 4 3 ， 化学需氧量c o d 排放量1 6 3 9 万吨，占全国工业废水污染物排放量的3 5 3 。 同时我国生产每吨纸浆的用水量是发达国家的6 1 0 倍，能耗量是世界水平的 1 5 2 倍。 目前我国的用纸总量还比较少，随着需求的不断增长，造纸业将成为一种颇 具发展潜力的产业。据出版印刷、商品包装、生活用纸等相关部门的统计：2 0 0 5 年纸制品消费总量4 5 0 0 万吨，比2 0 0 0 年增加9 0 0 1 0 0 0 万吨，年均增长5 左 右；并且预计2 0 1 0 年消费总量将达到6 0 0 0 万吨，比2 0 0 5 年增加1 5 0 0 万吨，年 均递增约6 ；到2 0 1 5 年消费总量将达到8 0 0 0 万吨左右，人均消费量将达5 6 千克，基本达到目前世界用纸量的平均水平。 当今市场经济发展的一个重要趋势就是经济和环境协调发展。在商品经济生 产过程中，逐渐降低能源、资源、财力的投入，减少浪费，保护环境已经成为企 业富有持续竞争力，整个社会经济综合发展所追求的重要目标。为了快速稳定的 实现这个目标，我们必须高瞻远瞩，采用既提高经济效益又改善生环效益的新技 术、新工艺，才能在激烈的竞争中可持续发展。 江苏大学硕士学位论文 目前广泛推广普及和研制的先进节能技术中，中高浓制浆造纸技术占有着极 为重要的地位。中高浓技术可以大大减少制浆过程中水资源的用量，减少造纸废 水的排放量，同时在中高浓条件下用对环境友好的物质作为漂白剂，取代了低浓 纸浆氯化漂白和次氯酸盐漂白方法，可以大大减少对环境的污染。当前广泛应用 的中高浓纸浆技术有：中高浓输送技术、洗涤技术、筛选技术、打浆技术以及抄 纸技术等。 1 1 2 中高浓纸浆技术的发展 由于纸浆是以水为主的液相和以植物纤维为主的固相组成的特殊悬浮状流 体，浓度是影响其输送的主要因素。浓度在5 以下的浆液具有流动性，当浓度 达到7 2 1 时，浆液本身已完全失去流动性。过去生产工艺中通常先将浆池中的 高浓纸浆加水稀释到大约4 的低浓度后再进行输送，然后再进行脱水到下一个 工艺过程。这样一个“稀释一输送一脱水3 】”的环节大大增加了投资资金、水资 源和能量的浪费。如果除去中间环节，直接输送中高浓纸浆，便可以大大改善生 产工艺。 国外自7 0 年代以来一直进行着中高浓制浆技术的研究和试验。中高浓制浆 技术就是使制浆过程的输送、混合、漂白、洗涤、筛选和贮存等都在中高浓度范 围内进行。从而克服低浓制浆工艺的重复性和复杂性，简化工艺流程，降低能源 消耗，减少环境污染。 8 0 年代初，国外中高浓制浆技术取得了一定的成绩。要实现制浆技术的中 高浓化，纸浆的输送设备中高浓纸浆泵是研究的第一步。中高浓纸浆泵和其 他中高浓输送设备的配套使用可以实现整个中高浓操作过程。由于中高浓纸浆技 术良好的经济效益和生态环境效益，越来越多的造纸厂在改造或扩建时也更多地 考虑引进中高浓纸浆技术装置，进行扩大生产。 我国因受社会和经济条件的影响，中高浓造纸技术的研究起步比较晚。进入 2 1 世纪以后，初步取得一些成果。如中高浓打浆技术、中高浓输送技术、中高 浓漂白技术等，这些研究成果的研制和使用，牵制了引进国外中高浓造纸技术装 置的昂贵价格，打破了发达国家研制生产中高浓造纸技术的垄断地位。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 中高浓纸浆泵发展的现实意义和发展现状 1 2 1 中高浓纸浆泵的现实意义 中高浓浆泵是中高浓输送装置的重要支柱之一，它的使用可以大大减少用水 量、用电量、化学药品用量、减少废水污染、节省厂房空间等，具有不可估量的 发展潜力和优势。综合环境保护，经济效益以及减少能源消耗三方面考虑，发展 中高浓技术，研制新型高效的中高浓浆泵刻不容缓。 1 2 2 中高浓纸浆泵的发展现状 一直以来，泵类产品是造纸业不可或缺的设备。一个现代化的造纸厂至少安 装有1 5 0 台泵，而一个小型造纸厂也有5 0 台左右的泵【4 】。如此大数量的泵应用 在生产中，泵运转的可靠性、运行效率等对企业的顺利生产和企业效益有着决定 性的作用。由于纸浆浓度的不同，承担输送不同浓度纸浆任务的纸浆泵也截然不 同。根据纸浆的流动特点和综合考虑浆泵的输送能力，目前国内使用最多的是低 浓度离心式纸浆泵，即输送纸浆浓度低于7 的低浓纸浆泵。 随着科学技术的发展。中高浓造纸技术已成为造纸行业发展的主要部分。加 列切森( g u l l i c h s e n ) 等人发现：中高浓纸浆受到高剪切力场作用时其流动特性 具有类似于水流特性且出现“阻力减小”的现象。这一技术对于中高浓纸浆输送 装置的研发有着举足轻重的地位。国外在中高浓浆泵研制初期，就有数百台中高 浓浆泵应用在各造纸厂中。 由于受经济因素的影响，国内的研究起步较晚。直到2 0 世纪9 0 年代，许多 造纸厂由于环境污染问题濒临关闭，这时人们才开始将改革的眼光投向发展中高 浓纸浆技术。广西的南宁造纸厂、广州的造纸厂、福建的将乐造纸厂等先后引进 了中高浓技术装置。事实证明，中高浓造纸技术有着无穷的发展潜力。随着中高 浓技术的进一步发展与成熟，中高浓浆泵必然会成为造纸行业不可缺少的装置之 一。然而从国外引进中高浓浆泵装置的耗资一般需要8 0 万元人民币左右，如果 工艺要求特殊，价格则更高，而且进口的中高浓浆泵维修费用也很高。如果由厂 家自己设计加工一台中高浓浆泵大概l o 万元人民币就够了。因此进一步加强中 高浓浆泵的研究力度，提高我国中高浓浆泵的技术含量，研制和推广适合我国经 济发展的中高浓浆泵装置，是我们亟待解决的重要问题。 江苏大学硕士学位论文 就泵型来说，容积式泵可以输送中高浓度的纸浆悬浮液，但其流量小、易堵 塞、维修不便等，很难在工业上得到广泛推广应用。相对而言，离心泵是一种理 想的泵型，但是普通的离心泵输送浓度不能超过7 。根据实验发现影响泵输送 浓度的主要因素有：泵的抽吸能力和中高浓纤维浆液中的气体含量。因此要设计 符合要求的中高浓纸浆泵必须从上述两方面考虑：设计搅拌装置使没有流动性的 纤维悬浮液产生湍流流动；同时降低悬浮液中的气体含量。 目前中高浓纸浆泵还未完全应用于生产过程中，已使用的中浓纸浆泵的主要 的结构有旋流式离心泵和螺旋式离心泵两种： 旋流式叶轮一般置于压水室的泵腔内，叶轮与泵体之间没有配合间隙，防堵 塞性能较好，能输送大颗粒物质，运行平稳可靠。它的含气输送能力较好，可输 送含气率达8 的浆料。但它存在以下缺陷：无损性差，对输送物料破坏作用 大，容易使浆料发生性能变化；不适合输送含长纤维物质的浆料；流量扬 程性能曲线较平坦；由于循环流的存在，水力损失较大，泵的效率较低。 螺旋离心式叶轮是离心式叶轮和容积式叶轮的组合，一般由1 片或2 片大包 角开式扭曲叶片组成。由于其结构独特，通过性能好，可以输送含大颗粒、长纤 维物质的液体，输送浆料运行平稳，对浆料破坏性小，无损性好，具有陡降的流 量扬程性能曲线和平坦的功率曲线，泵的效率高，并且含气输送能力好，可输 送含气率达1 5 的浆料。基本上可以满足中高浓纸浆泵的输送要求。但是螺旋式 叶轮结构比较复杂，制造和加工工艺比较困难，也很难得到广泛推广。 通常根据纸浆的浓度，对纸浆泵作如下划分：浆料浓度c 7 时，浆料具 有自身流动性能，浆料中的空气含量根据料浆种类的不同而不同，一般在1 0 以下，此时的输送浆泵被称为低浓浆泵；浆料浓度7 c - = 矿吖唧 1 式中： r 剪切应力； fr 一屈服剪切应力； r 矿一流体剪切应力； r 一最大屈服剪切应力。 中高浓纸浆泵在管路中稳定流动时所受到的剪切应力可以分为两部分，一部 分是管路直接与纤维摩擦，纤维所受到的剪切应力，用屈服剪切应力r ，表示； 另一部分就是水环中的液体所受到的剪切应力，用流体剪切应力r w 表示。它们 的表达式分别如下所示： 7 y = f a ( 2 2 ) 其中： f _ 管壁对纸浆纤维的摩擦力； 4 纤维网络塞体的表面积； t w = 一p _ d u( 层流) ( 2 3 ) t w = 一( | i + e ) 粤( 湍流) ( 2 4 ) 其中： j i 纸浆粘度； p 湍流粘度； 拿剪切速率； 由上式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可知不管是层流剪切应力，还是湍流剪切应力，都随 着流速的增大而增大。 江苏大学硕士学位论文 纸浆粘度掣可以按库尼兹( k u n i t z ) 方程进行计算【1 7 】： 丝：1 + 0 5 0 ( 2 5 ) ( 1 一o ) 4 式中： s 一纸浆粘度( 任意粘度单位) ； 口广一液体粘度( 任意粘度单位) ； 中纸浆的体积浓度。 在纸浆流动的开始阶段，网络塞体受到的摩擦剪切力最大，随着流速的增大， 水环的厚度增大，水环中和管壁与纤维的摩擦力都在减少，f 值不断减少，ry 也就逐渐减少。当水环和整个管路中的纸浆达到湍流状态时，ry 值接近于0 ， 纸浆在整个管路中只受到流体剪切应力的作用。这就是纸浆在管路中由塞体状态 过渡到湍流状态的受力过程。 2 3 压力损失的计算 根据中高浓纸浆在管路中的流动状态的不同，中高浓纸浆所受到的剪切应力 的数学模型也不同嘲。一般可以将在管路中稳定流动的中高浓纸浆分为两部分， 如图2 4 所示：一个是r o r r 区域，即水环部分，纸浆作粘性流动；另一部 分是o r r 。区域，纸浆的网络塞体部分，纸浆处于塞流状态，其中足为管道半 径，r 口为网络塞体半径。 d 1 一f r 0 一u 图2 - 4 中高浓纸浆在管路中的流动分区 纸浆流动的压头损失为： z l h ：竺：旦f ( 2 6 ) p gp g d 式中： 尸一管道两截面的压力差( m 水柱1 0 0 m 管长) ； 1 2 江苏大学硕士学住论文 p 一纸浆密度； 三一管道两截面的距离( 姗) ； d 一管道半径( n 皿) 。 又因为r = r y + f w ，所以： a h = 盖( 秒+ 们 ( 2 7 ) 对于同种纸浆，纸浆密度、纸浆粘度都于纸浆的浓度有关，而屈服剪切应 力与流体剪切应力不仅与纸浆的浓度有关，还与管路中纸浆的流速有很大的关 系。影响纸浆在管道中压力损失的主要因素是纸浆的浓度，管路直径，以及纸浆 在管路中的流速n 钔。 一般来说，在管路中输送中高浓纸浆比输送低浓度的纸浆压头损失要大的 多，特别是在较长管路中，中高浓纸浆的压头损失就会更大。对于中高浓纸浆在 管路中的压头损失值的计算公式大多数是一些经验公式，例如达菲( d u f f y g ) 从卡米尔( k a m y r ) 公司提供的说明书有关数据归纳出下列公式： 竽_ 2 6 _ 6 7 c “诊1 ( 2 8 ) 彼得海曼( b o d e n h e i m e r , v a ，) 的研究结果为： _ a h ：1 6 3 9 c z s u o u d 。 ( 2 9 ) 式中： 掣每l o o 米管长的摩擦压力损失( m 水柱1 0 0 m 管长) ； c 。一浓度( ) 5 卜管内径( 蚴) ( 注意，这里是用m m 作为d 单位) 5 l 广平均流速( m s ) 。 对于中浓草浆和中浓废纸浆，由于其表观粘度和浓度及剪切速率分别具有如 下关系式1 2 0 2 1 】： r 。= 1 5 3 7 c 2 。s w 一1 8 5 ( 2 1 0 ) r 。= o 1 7 8 c 3 ”s w 4 册( 2 1 1 ) 式中： 卫厂一纸浆表观粘度( p 口j ) ； 江苏大学硕士学位论文 s 。一男切愿翠( 1 s ) ； c 一浓度( ) 因为：s 旷石8 1 1 铲”& = 仉( ( 2 1 2 ) 以及铲等 ( 2 1 3 ) 式中： i 平均流速( m s ) ； d 管径( m ) ； p - 纸浆流过l 管长后的压力降( p a ) ； 工计算管长( m ) ； f w 管壁剪切应力( p a ) 。 对中浓草浆阎： 等- 8 4 酽伊”y 1 ( 2 1 4 ) 对于中浓废纸浆： 譬- 1 2 0 c 3 3 。产d - l 节1 ( 2 1 5 ) 式中： 等_ 1 0 0 n 1 管长的摩擦压力损失( m 水柱1 0 0 米管长) ； y 中浓纸浆重度( n m 3 ) 。 如果y = 1 0 4 ( n m 3 ) ，则( 2 1 4 f ( 2 1 5 ) 两式可以写为： 等_ o 0 8 4 c 2 4 铲5 5 ( 2 - 1 6 ) 竺l = 0 0 1 2 c “u ”5 d-125(2-17) 2 4 本章小结 本童对中高浓纸浆的流动机理讲行了详细的介绍，通过研究发现：中高浓纸 1 4 江苏大学硕士学位论文 浆的流动和一般牛顿型流体流动有着本质的区别。中高浓纸浆只有受到高剪切应 力的作用下才可以产生湍流流动，具有湍流流动特性的中高浓纸浆具有类牛顿型 流体的流动特性。 本章中对中高浓纸浆的在进行湍流流变学数学模型和压力损失进行了分析， 并利用经验公式对中浓草浆进行了估计和计算。 江苏大学硕士学位论文 第三章中高浓纸浆悬浮液流体特性研究 纸浆纤维悬浮液是一种复杂混合物，在纸浆流动过程中涉及到多相流和非牛 顿流体等复杂理论。同时纸浆在流动过程中，纤维受到混合流的作用，不断的移 动和转动，使纸浆悬浮液变成一个复杂的动力系统。 纸浆悬浮液按其浓度分可分为：稀释液、半稀释液和浓液，如果在一个空 间肛中只有一条纤维，是纤维的长度，则称为稀释液，稀释液中的每一根 纤维都能自由旋转，不受周围任何纤维的阻碍，具有三维旋转自由度，其体积分 数满足伊= 行花么，薅里n 是纤维的条数，d 是纤维的直径。由于在空间矿中只 有一条纤维，使得妒s 矗2 形或者舛， 1 ，口，= 是纤维的长径比。半稀释液的浓 度满足1 妒； 口，每条纤维被定义在空间d 2 l 1 的浓液叫浓悬浮液，两条相邻纤维的平均距离比它的直径小得多，因此一 条纤维不能自由地旋转，除非是按照其对称轴，纤维的任何运动都和周围所有纤 维的状态相关联，纤维的体积浓度经常按照n l 3 来定义，对于象杆子一样的纤维， 它大约等于4 伊；n 或者妒；，如果按照宏观浓度的划分，用c 来表示纸浆的质 量分数，当c 7 时，属于低浓纸浆，可以用普通离心浆泵输送；当7 c 1 6 ， 属于中浓纸浆( m c ) ，可用湍流离心式中浓浆泵输送；当c 1 6 时，主要用高 浓浆泵输送，属于高浓纸浆，纤维悬浮液浓度的划分对正确研究纸浆的特性有着 重要的意义1 2 3 1 1 2 4 1 。 3 1 中高浓纸浆悬浮液的流体化特性 中高浓纸浆技术的关键问题就是中高浓纸浆的流体化技术，只有真正实现中 高浓纸浆的流体化，才能从根本上解决中高浓制浆在泵送、筛选、漂白等设备上 的技术开发问题。 3 1 1 流体化定义 中高浓的流体化是一个存在争议的问题，最早的试验是g u l l i c h e n 根据他的 1 6 江苏大学硕士学位论文 转子剪切仪实验，得到了中高浓纸浆的流动性能曲线，通过流动性能曲线 g u l l i c h e n 认为纤维网络完全分散，纸浆进入完全湍流状态的开始点，就是中高 浓纸浆的流体化点，流体化以后的中高浓纸浆，其流动性能基本上与宾汉型流体 相似，整个流动过程可以按照一般流体进行分析计算。 纸浆 图3 - 1g u l l i c h s e n 的剪切实验装置口目 近些年来，也有人对中高浓纸浆的流体化提出了不同的看法，他们认为纸浆 的流体化是指絮聚团与单根纤维之间处于一种动态的相互转化过程，它们之间存 在着相对运动，絮聚团和单根纤维并不作为单独的流动元素，因此他们认为“流 体化”是一种“像流体”似的流动行为，可以不考虑纸浆悬浮液的分散状态，甚 至不考虑整个纸浆悬浮液是否完全进入湍流状态。 目前应用最多的还是以g u l l i c h s e n 的观点作为研究依据。同时b e n n i n g t o n 用 转子剪切仪观察纸的流变学行为时，注意到力矩的突然降低不是因为产生完全湍 流，而是因为流动方式从切向转向径向的结果。 总之，“流体化”是一种“流体状”的行为，在任何条件下，只要使中高浓 纸浆达到湍流状态，使它的流动性能与牛顿型流体相似，我们就可以说中高浓纸 浆被流体化了。但临界速度u 下所对应的纸浆悬浮液的流动状态，只是一种短 暂流动动态，只有纸浆的流速进一步增加，悬浮液才会进入完全的湍流状态，具 有类似牛顿流体一样的流动行为。 3 1 2 流体化过程 由经验公式可知：中高浓纸浆在圆形管路中流动时，随着管路内流速的增加， 纸浆所受到的剪切应力r 也会不断的增加，网络塞体的直径则会随之减小。当管 1 7 江苏大学硕士学位论文 路中的流动速度达到临界速度u 时，纸浆纤维悬浮液开始进入流体化状态，因 此说明纸浆纤维悬浮液的流体化问题，不仅与纸浆的本身的性质有关，还和纸浆 在管道中的流速有关，同时纸浆的流速与纸浆本身的浓度有着内在的联系。赫斯 顿等2 刀对硫酸盐木浆进行了试验，得出了中高浓纸浆临界流速u 的经验计算公 式： u = d c 9( 3 1 ) 式中： ( 卜一临界流速，m s ； c 一纸浆悬浮液的浓度，； a ，j b 常数，依纸浆种类不同而不同，对于硫酸盐杉木浆， a = 1 8 3 = 1 4 。 由上式可知：当一种纸浆的种类确定以后，纸浆达到完全湍流状态的临界流 速 ，仅仅取决于纸浆纤维悬浮液的浓度，纸浆浓度越大，达到完全湍流的临界速 度就越大。同时就中高浓纸浆悬浮液本身来说，随着纸浆悬浮液的浓度增加，纸 浆纤维网络之间的相互作用力增强，分散网络所需要的剪切应力就会增加。而纸 浆的剪切应力又与纸浆在管路中的流速有关，通过提高流速来达到临界剪切应 力。例如，浓度为5 的硫酸盐杉木浆，利用上式计算可知临界流速u 为1 7 i m s ； 当浓度增加到1 0 时，临界流速需要达到近5 0 m s ，如此高的流速在实际工业生 产过程中是不切实际的。因此仅仅依靠提高纸浆纤维悬浮液在管道中的流速来使 其达到完全湍流状态是不可取的。 在纸浆流入管道之前，人为的给它施加一个局部的剪切应力，使中高浓纸浆 在进入管道之前先产生一个高强度的脉动，使整个纤维网络分散，进入完全的湍 流状态实现流体化，使其具有类似牛顿流体的特性。 通过( 3 i ) 式可以总结出，在同类纸浆条件下，使中高浓纸浆达到流体化 状态所需要的剪切应力r d 可以表示为： 7 d = t p ( 3 2 ) 式中七，口只与纸浆的种类有关。对于一个给定的中高浓纸浆，临界剪切应 力t d 只与中高浓纸浆的浓度有关。如果给纸浆施加一个局部的剪切应力，使在 中高浓纸浆的平均流速相对较低的情况下，同样可以使中高浓纸浆达到完全的湍 流状态，实现中高浓纸浆的流体化。 1 8 江苏大学硕士学位论文 g u l l i e h s e n 和h a r k o n e n 2 剐采用圆筒式剪切实验仪对不同浓度的漂白硫酸盐 松木浆进行了转矩( 剪切应力) 一转速( 剪切速率) 实验。其结构如图【2 9 】【3 0 1 3 - 2 所示：该装置的主要工作原理是在内壁装有挡板的圆筒与高速旋转的转子之间产 生一个高剪切力场，容器内的中高浓纸浆悬浮液在转子产生的剪切应力作用下作 回转运动，进而产生强烈的速度脉动，从而使纸浆纤维网络分散，进入完全湍流 状态，实现中高浓纸浆纤维网络的流体化。 ( a )( b ) ( a ) 剪切模型实验装置的混合室2 一剪切转子，4 一联接节 ( b ) 剪切混合室简图1 一( 纸浆) 纤维悬浮液，3 一挡板 图3 - 2g u l l i c h s e n 剪切实验装置 另外华南理工大学制浆造纸实验室对中高浓纸浆泵进行了一定的研究，其设 计开发的湍流发生器的实验装置图如图3 3 ，具体结构尺寸图如图3 4 ( 7 1 。从实验 装置我们可以看出输送装置中湍流发生器具有独立传动电机，可以独立操作；实 验装置选用的是变频交流异步电动机，额定功率为4 k w ，最高转速为3 0 0 0 r p m 。 实验装置中湍流发生器安装轴的直径参数为d = 2 5 m m 实验采用不同浓度的未漂 白马尾松浆和未漂白芦苇浆进行实验。从结构尺寸形式图中我们可以看出，这种 湍流发生器是由3 根辐条和一个圆环结构组成。在湍流发生器高速旋转的过程 中，依靠3 根辐条和圆环性结构产生扭矩来使纸浆达到流体化状态。 江苏大学硕士学位论文 图3 - 3 华南理工大学中高浓纸浆流体化模拟装置 1 电动机2 轴3 一机械密封4 流体化剪切室5 机座6 电机变频器7 一湍流发生器 图3 - 4 华南理工大学的湍流发生器的结构尺寸图 3 2 中高浓纸浆悬浮液的运动及受力分析 纸浆中的纤维都是交织在一起的，只是浓度不同交织的程度也不同，要解决 中高浓纸浆的高浓输送问题，必须从纸浆纤维网络的结构特性出发，研究使纤维 网络分散所需的剪切应力，是一切研究工作的基础。 纸浆中的纤维是一种细长柔软具有可塑性的固相物质，在纸浆流动过程中， 纤维可以同时具有弯曲、扭转、翻滚等多种复杂的运动，纤维本身的这种运动形 式，很难在数学进行精确描述。一般采用多相流体运动方法对固态纤维在纸浆中 的运动进行分析。利用多相流时，首先为了便于分析研究，对纤维的简化物理模 型进行研究。 3 2 1 纸浆纤维的运动情况 一般以单个纤维的长度为直径形成的一个球体作为一根纤维的自由活动空 间，同时认为如果其他纤维进入这个空间则容易引起纤维的相互碰撞和缠绕，从 2 0 江苏大学硕士学位论文 而为解释纤维在纸浆中的运动提供了一个初步的模型( 如图3 3 所示) 。但是这 个模型不能确切地指出其他纤维进入该球体之后两根纤维发生缠绕搭接的可能 性，根据实验发现其交织的概率并不如通常所想象的那样大，实际上大多数情况 下纤维在纸浆中的运动基本上是处于一种有惊无险的运动状态之中，即两根纤维 虽然相距很近但却能同时运动而并不会发生碰撞和缠绕。通过进一步的受力分析 可知，纤维在流体运动中所受的彻体力r ，流体拖动力b ，剪切及旋转升力局 等作用力与纤维在悬浮液中所具有的形状及其形状的变化并无关系，而只与固相 纤维本身在悬浮液中所占有的空间体积的大小有直接关系。即在纤维本身的物理 指标中，纤维空间体积的大小是影响其在悬浮液中运动状态的主要因素。因此引 入球形纤维粒子的概念，即把细长柔软可塑性的固态纤维看作一个体积相同而形 状不发生改变的球形纤维粒子( 如图3 - 4 所示【3 1 】) ，整个纤维悬浮液是由液态的水 和球形纤维粒子共同组成，球形粒子与液态水的作用力等效于固态纤维与水的作 用力，而球形粒子的运动即可表示纤维粒子在悬浮液中的运动。 图3 3 纤维长度模拟的球体模型图3 4 纤维体积模拟的球体模型 如果用仰表示球形粒子的半径，毛和a o 分别表示单根纤维打浆帚化后的最 大轮廓长度和直径，则有： 詈积= 孚，。 ，) 球形纤维粒子的当量半径为： ，o = 3 4 0 1 8 7 5 d 0 2 l o( 3 - 4 ) 其中，厶，成为单根纤维帚化后的最大长度和直径。 3 2 2 纸浆纤维的受力分析 在纸浆悬浮液中，纤维之间依靠一定的结合力结合在一起。纤维与纤维之间 的结合力主要有：范德华( v a nd e rw a a l s ) 作用力、水桥联结力、因纤维的弹性 弯曲产生的在纤维之间接触点的内聚力、以及表面张力等3 5 1 的作用。 2 l 江苏大学硕士学位论文 1 范德华作用力 范德华力是作用在任何两个分子之间的作用力。一般它是由三个方面的作用 力组成：德拜作用力( 永久偶极子与诱导偶极子之间) ；基轰偶极作用力( 永久 偶极子) 之间：伦敦色散力( 诱导偶极子之间) 。对于纸浆纤维悬浮液来说，可 以把整个悬浮液看成是大量分子的集合体，当把纤维看成是球状粒子时，如果纤 维间距远远小于两纤维粒子之间的当量半径砌时，范德华力乃可以表示为： j f a = 一二 ( 3 4 ) 1 2 l 其中： 卜- 一两纤维之间的最短距离； a 一一哈梅克常数( 纤维的当量半径在真空状态下的范德华特征常数) 。 对于分散在悬浮液液相中的纤维粒子，哈梅克常数必须用哈梅克常数的有效 值4 确定。哈梅克有效值的常数表达式为： a = ( 厶一彳，) 2 ( 3 5 ) 由( 3 5 ) 式可知哈梅克常数的有效值永远为正，因此同一类型纤维之间的 范德华力永远是相互吸引的。由于纤维悬浮液中液相的存在，使得哈梅克常数的 有效值很小，消弱了范德华力。通过研究发现液相介质的性质与纤维表面性质越 近，纤维之间吸引的范德华作用力被消弱的就越大。由于纤维本身就是一种亲水 性物质，纤维表面的水化膜与液态水的性质非常相似，因此总的来说，纤维纸浆 悬浮液之间的哈梅克常数非常小，纤维之间的范德华作用力也就非常小。 2 水桥联结力 在纸浆悬浮液中，水和纸浆纤维是主要的组成介质，水中存在着大量的羟基， 水分子化学键的存在使得水分子高度整齐的排列。在纸浆纤维悬浮液中，水分子 的极性使得它在相邻的两纤维之间形成水桥联结，即水分子与纤维表面的羟基产 生氢键结合，使羟基以适当的形式排列，两纤维之间通过水桥联结产生一定的吸 引力。两纤维之间的作用力随着水分子被热力带走而减小，当两纤维之间通过单 个水分子结合时，纸浆就被干燥了。 经研究，未经打浆处理的纤维与经过打浆处理的纤维相比，未经打浆处理的 纤维表面暴露出的羟基数量要少的多，纤维柔软性也差，因此可知相邻纤维之间 的水桥联结力也比较弱，在这种情况下，纸浆纤维网络在流动剪切应力作用下很 江苏大学硕士学位论文 容易被破坏，无法形成稳定的联结【3 6 】。 3 纤维的弹性弯曲变形产生的内聚力 单根纤维处于平衡状态的充分必要条件是： y = o ( 3 6 ) 砑=o 一1 0 4 ，达到充分湍流，r p 吖继续增加，搅拌功率岛 虽随之增大，当n p 将保持不变时，施加于单位体积的外力与其惯性力之比为常 数。 w a h r e n l 4 5 1 提出纸浆悬浮液中纤维网络结构的屈服应力b 与单位体积功率耗 散印在刚刚呈现出流体化时二者的关系为： 卸：蔓 ( 5 1 0 ) 根据材料力学可知：f ，= d - u ( 5 1 1 ) 将( 5 1 1 ) 代入( 5 1 0 ) 可得中高浓纸浆悬浮液的功率耗散： 铲( 珂 在纸浆流体化的初始阶段，整个纸浆浆料的湍流流动还不稳定，湍流性质存 江苏大学硕士学位论文 在各向异性，因此不能完全按照这时的功率耗散来计算纸浆纤维悬浮液所受到的 剪切应力以及流速。b e n n i n g t o n t 4 6 1 提出了当纸浆呈现流体化时纸浆悬浮液各处的 剪切应力均等于悬浮液所受到的屈服应力的假设。纸浆剪切应力的公式可以表示 为： f 。：一d u ( 5 1 3 ) f y 2 p a 磊 u 叫扎 式中：t 。为纸浆悬浮液的粘度。 纸浆悬浮液的单位体积功率耗散为： 占f ：蔓 ( 5 1 4 ) z 4 功率耗散的基本定义为：印= 告 ( 5 1 5 ) 其中： p 厂一中高浓纸浆悬浮液在进行纸浆流体化过程中所消耗的功率( k w ) ； p 一剪切室中被流体化的纸浆悬浮液的体积( r a m 3 ) 。 由前面的计算可知斥= 3 6 7 k w ；v = 2 9 1 0 r a m 3 ；代入上述公式求出功率耗散： 印= 1 2 6 将印代入( 5 1 4 ) 可得到纸浆悬浮液粘度的值为： ta = 5 8 5p a - s 借助于因次分析，将纸浆悬浮液的功率耗散和其它参数联系起来，因此可得 到： 嘉= k ( 孚) 4 吲 其中： p 纸浆密度； ，广一电机的转速； 矗一湍流发生器叶片的外径； p 纸浆悬浮液的粘度。 根据湍流发生器的具体结构以及纸浆本身的性能， 4 1 ( 5 1 6 ) 计算纸浆功率准数为： 江苏大学硕士学位论文 坼= _ 等 ( 5 1 7 ) d 蠢p 代入数据即可得到纸浆的功率准数为：坼= 6 8 8 对于已经流体化了的纸浆来说，其流动特性和流动参数都与牛顿型流体几乎 相同，同时根据米兹纳大量实验数据表明，牛顿型液体与非牛顿型液体n p r e 吖 的差别仅存在于r e m = 1 0 3 0 0 这个区域之间。因此可以查阅牛顿型流体的功率 准数和雷诺数性能曲线，看纸浆的湍流程度是否已经达到流体化，如图5 - 5 所示 4 7 1 可以看出湍流发生器可以使中高浓纸浆达到流体化的范围内，因此经过湍流发 生器以后，离心式泵送机构可以顺利完成中高浓纸浆的输送。 n 图5 - 5 牛顿型流体功率准数和雷诺数的关系性能曲线 4 总结 从前面的设计检测过程中可知，湍流发生器的总体结构是合理的。湍流发生 器利用比较简单的工艺造型，实现较高的生产能力，相对于其它结构能耗比较少， 效率比较高，使纸浆流体化程度也较高。 通过对湍流发生器结构设计的计算公式我们还可以看出提高湍流发生器的 流体化性能，优化结构特点可以从以下方面考虑： 1 湍流发生器产生的剪切应力与湍流发生器的叶片形状和尺寸大小有关， 可以在一定剪切应力下，改变参数，优化结构： 2 湍流发生器的功率耗散量，效率以及纸浆流体化程度都与湍流发生器的 几何参数有关； 我们评价一种新型搅拌设备的好坏，首先要从这种搅拌器的使用条件谈起， 只有在适合它的环境下使用，才能达到事半功倍的效果。从湍流发生器对纸浆流 江苏大学硕士学位论文 动的具体条件出发，按过程的控制因素改变湍流发生器的结构参数，掌握发生器 的特性，同时利用有效的测试手段对湍流发生器的搅拌能量的消耗、流体混合速 率和混合效率以及湍流发生器流体化纸浆过程中生成的流场进行分析，证明湍流 发生器结构的合理性。 根据测得的中高浓纸浆流体化后流场的信息，分析湍流发生器的结构。湍流 发生器对中高浓纸浆的流体化流场分析是很重要的，根据流场信息以及湍流发生 器的结构，确定所配套泵的形式，并最大限度的减少能耗。 5 3 湍流发生器的强度和能耗计算 5 3 1 强度计算 由于湍流发生器是和泵同轴的，轴的强度计算在整个泵送机构设计中已经有 所考虑。其强度已经可以满足泵体部分和传动部分的强度要求，在这里就不再考 虑轴的强度问题。 。 根据前面的计算可知，湍流发生器受到的最大的扭矩作用为2 3 4n m ，在 湍流发生器所有截面中，扭曲部分顶端的截面最小，所受到的剪切应力最大，是 整个湍流发生器的最危险截面。 由于最危险截面是不规则截面，可以通过微分理论计算危险截面的抗扭蓝截 面系数为： f = j p r d a ( 5 - 1 8 ) i 代入数值并计算得： r = 8 2 5 x 1 0 4t m “ 最危险截面所受到的最大的剪切应力为： t 。= 2 8 4 m p a 整个湍流发生器都是由不锈钢材料制成，查手册可知不锈钢的许用剪切应力 为【f = 1 4 7 2 4 5 m p a 4 s l 很显然，湍流发生器所受到的最大剪切应力小于许用 剪切应力，湍流发生器的强度满足要求。 5 3 2 能耗计算 湍流发生器的能耗计算要通过湍流发生器的实际生产能力和实际生产量计 江苏大学硕士学位论文 算，我们通过湍流发生器实际情况的测量计算它的能耗为： 只：2 4 x 3 6 0 0 6 fx10-4(5-19) o d 其中： n 一一湍流发生器的能量消耗，m j t o ，一一湍流发生器的功率耗散，w m