（机械制造及其自动化专业论文）碟式分离机的研究与优化设计.pdf

硕士学位论文 摘要 发展滴灌、喷灌等节水灌溉技术是世界第二次绿色革命的中心。为了在沿黄 灌区推广滴灌技术，就需要解决黄河水的高泥沙问题。经过对各种固液分离设备 的分析比较，设计开发了一种专门用于分离黄河水泥沙的碟式分离机。本文在这 种碟式分离机的结构和工艺参数的优化设计方面做了些探索工作。 首先，对离心分离原理和薄层分离理论进行了阐述，分析了碟式分离机内的 离心分离过程及固相颗粒在离心力场中的受力情况。通过对滴灌用水的要求和黄 河水的组成成分及特性的分析，确定出碟式分离机的设计目标。 其次，生产能力是衡量分离效率的主要指标之一。通过理论分析可知，转鼓 转速、碟片母线锥角、碟片间隙、喷嘴内径和喷嘴数量等五个因素对生产能力影 响显著，认为它们是影响碟式分离机分离效率的主要因素。将各种分离指标的加 权综合作为目标函数，称为分离效率。在优化过程中，以影响分离效率的各种因 素作为可变参数，通过寻求可变参数的最优匹配以使目标函数取得最大值。并根 据上述原则制定出碟式分离机的参数优化流程。 再次，基于薄层分离理论，对碟式分离机的主要结构参数进行了设计计算， 得出了碟式分离机可变参数的变化范围。 最后，应用f l u e n t 软件，搭建了碟式分离机的c f d 仿真平台。通过仿真试 验验证，各项参数设置合理、仿真模型正确。为了获取设备的最优工况，进行了 五因素五水平正交试验。然后，用c 语言编程对试验数据进行方差分析，通过极 差的大小来评价各因素对影响因素的程度，接着利用试算法得出了各个影响因素 的影响系数。在最优工况下，验证了各因素对分离效率的影响，并且分析了各因 素对试验结果的影响机理。 本文的研究工作为试验样机的改进提供了理论依据与优化方向，同时对同类 其他产品的研发也具有借鉴意义。 关键词：固液分离：碟式分离机；转鼓；优化设计；f l u e n t ； 碟式分离机的研究与优化设计 a b s t r a c t t h ec o r eo ft h es e c o n dg r e e nr e v 0 1 u t i o ni st o d e v e l o pw a t e 卜s a v i n gi r r i g a t i o n t e c h n i q u e ，s u c ha sd r i pi r r i g a t i o n ，s p r i n k l e ri r r i g a t i o n i ti sn e c e s s a r yt os 0 1 v et h e p r o b l e mo fh i g hs e d i m e n to fy e l l o wr i v e rt og e n e r a l i z et h ed r i pi r r i g a t i o nt e c h n i q u e i nt h ei r r i g a t i o nd i s t r i c ta l o n gt h ey e l l o wr i v e r a f t e rc o m p a r i s o na n d a n a l y s i so fa l l k i n d so fs o l i d l i q u i d s e p a r a t i o ne q u i p m e n t ， t h ed i s c s e p a r a t o rs p e c i a l i z e di n s 印a r a t i n g s e d i m e n tf r o mt h ew a t e ro fy e l l o wr i v e rh a s b e e n d e s i g n e da n d d e v e l o p e d t h eo p t i m u md e s i g no ft h es t m c t u r ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h ed i s c s e p a r a t o ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t ，i te x p l a i n e dc e n t r i f u g a t i o np r i n c i p l ea n dt h i n 1 a y e rs e p a r a t i o nt h e o r ya n d a n a l y z e dt h ec e n t r i f u g a t i o np r o c e s so ft h ed i s cs e p a r a t o ra n dt h ef o r c ec o n d i t i o no f t h es o l i dp a r t i c l e si nt h ec e n t r i f i u g a lf o r c en e l d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h e r e q u i r e m e n to ft h ed r i pi r r i g a t i o nw a t e ra n dt h ei n g r e d i e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co f y e l l o wr i v e rw a t e r ，i td e c i d e dt h ed e s i g ng o a lo ft h ed i s cs e p a r a t o r s e c o n d ，c 印a c i t yi so n eo ft h em a i ni n d e x e st om e a s u r es e p a r a t i o ne f 抒c i e n cy i t c a nb es e e nf r o mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i st h a t5f a c t o r sn a m e l y ，d m ms p e e d ，d i s c g e n e r a t l o nl i n ec o n ea n g l e ，c l e a r a n c eb e t w e e nt w od i s c s ，i n n e rd i a m e t e ra n dn u m b e r o fn o z z l e si n n u e n c et h ec a p a c i t yr e m a r k a b l y ，t h e r e f o r e ，t h e ya r ec o n s i d e r e dt ob e m a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es e p a r a t i o ne m c i e n c yo ft h ed i s cs e p a r a t o r t a k i n g c o m p r e h e n s i v ew e i g h ta 1 1k i n d so fs e p a r a t i o ni n d e xa so b je c t i v ef u n c t i o ni sn a m e d s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y d u r i n gt h eo p t i m i z i n gp r o c e s s ， t a k i n ga l l t h ef a c t st h a t m f l u e n c e ss e p a r a t i o n e f 行c i e n c ya s v a r i a b l e p a r a m e t e r s ， m a x i m i z et h eo b je c t i v e f u n c t i o nb yn n d i n go u tt h eo p t i m a lm a t c h i n go ft h ev a r i a b l ep a r a m e t e r s t h e nw o r k o u tt h ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o np r o c e s s m e n t i o n e dp r i n c i p a l s o ft h ed i s cs e p a r a t o ra c c o r d i n gt ot h ea b o v e t h i r d ，b a s e do nt h i n l a y e rs e p a r a t i o nt h e o r y ；i td e s i g n e da n d s t l l l c t u r ep a r a m e t e r so ft h ed i s cs e p a r a t o ra n dg o tt h ev a r i a b l e s c o p eo ft h ed i s cs e p a r a t o r c a l c u l a t e dt h em a i n p a r a m e t e r s c h a n g e f i n a l l y ，p u tu pc f ds i m u l a t i o np l a t f 0 瑚o ft h ed i s cs e p a r a t o ru s i n gf l u e n t s o f t w a r e t h r o u g hs i m u l a t i o ne s t ， i tp r o v e dt h a ta l lt h ep a r a m e t e r sw e r es e t u p r e a s o n a b ly t h es i m u l a t i o nm o d e lw a s r i g h t i ta l s om a d en v ef a c t o r sa n dn v el e v e l s o r t h o g o n a lt e s tt og a i nt h eo p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h ee q u i p m e n t t h e n ，i t m a d ev a r i a n c ea n a l y s i so ft h et e s td a t au s i n gcl a n g u a g e p r o g r a m m e r se v a l u a t e d e v e r yf a c t o r si n n u e n c ed e g r e et ot h ei n n u e n c e df a c t o r st h r o u g hr a n g e a f t e rt h a t ，i t g o tt h ei n f l u e n c ec o e f 6 c i e n to fe v e r yi n n u e n c ef i a c t o rb yu s i n gt h em e t h o do ft r i a l i i 硕士学位论文 c a l c u l a t i o n u n d e rt h eo p t i m u m o p e r a t i n gc o n d i t i o n ， i t p r o v e de v e r yf a c t o r s i n f l u e n c et ot h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c ya n d a n a l y z e de v e r y f a c t o r si n n u e n c e s m e c h a n i s mt ot h et e s tr e s u l t t h er e s u l tw o r ko ft h i s p a p e rp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sa n do p t i m i z a t i o n d i r e c t i o nf o rt h ei m p r o v e m e n to ft e s tp r o t o t y p e ，a n di ti sa l s oar e f e r e n c et ot h e d e v e l o p m e n to fe q u i p m e n to ft h es a m ek i n d k e yw o r d s ：s o d - l i q u i ds e p a r a t i o n ；d i s cs e p a r a t o r ；d r u m ；o p t i m u md e s i g n ； f l u e n t i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承 担。 作者签名：杨孟饶印 日期：砌眸月fz 日 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，即：学校 有权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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：m 豸年万月2 日 日期：力貉石月，2 日 御 厶a髟 哕心 秭它 夼 名名签签者师作导 硕士学位论文 1 1 课题来源与研究背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题为自选课题，是国家教育部研究基金资助项目( 0 0 8 k 0 0 3 ) 、兰州理 工大学学术梯队及特色研究计划资助项目( g u 0 2 0 1 2 ) 的延伸。 1 1 2 课题的研究背景与意义 我们从几千年的人类历史发展中悟出了一个真理，水是生态系统中最为活跃 的要素，是生物能否存在的重要标志。我国水资源总量为2 8 万亿m 3 ，人均水 资源量仅为2 2 2 0 m 3 ，预测到2 0 3 0 年人口增至l6 亿时，人均水资源将降到17 6 0 m 3 ， 仅为世界人均水平的1 4 ，并且有限的水资源在时空分布极不均匀，使占国土面 积6 0 以上的长江以北地区拥有的水资源不足全国总量的2 0 。这样使我国1o 个省、市、自治区人均水资源低于国际上一般公认的人均水资源1 0 7 0 m 3 的最低 标准。按国际标准，我国被联合国列为7 3 个贫水国之一。我国又是一个古老的 农业大国，农业灌溉已有几千年的历史。我国农业用水占总用水量的7 3 ，是 用水大户，其中农田灌溉用水占到6 6 。包括甘肃、陕西、宁夏、山西和内蒙 古等省区的沿黄灌区，年降水量约在2 0 0 m m 4 0 0 m m 之间，其中7 0 8 0 集 中在7 9 月份，且多暴雨，对土壤入渗补给的有效降水很少，十年九旱，影响 了农作物的正常生长。水资源严重短缺是制约该地区生态建设和国民经济发展的 “瓶颈”。因此，解决好农业用水问题，不仅关系到该地区国民经济的健康有序 地发展，而且对其生态环境建设和我国西部大开发战略具有全局性的影响【1 】。一 方面是水资源的严重短缺；而另一方面，由于农业灌溉普遍采用大水淹灌的传统 模式，造成了严重的水资源浪费。水资源的形势异常严峻，节水灌溉是世界第二 次绿色革命的中心，发展节水灌溉势在必行。 在农业灌溉用水中，传统的大水漫灌、水田串畦淹灌方法，不仅用水效率低 下( 灌溉水的利用系数仅为o 3 5 左右) ，而且造成土壤盐碱化，地下水位上升， 严重制约了水资源可持续发展和生态环境的良性循环。采用滴灌技术可以使灌溉 水的利用系数提高到0 9 0 一o 9 5 。但是，沿黄灌区主要的灌溉水源一黄河水泥沙 含量很高( 汛期兰州段黄河水体积比含沙量为1 4 左右) ，且其中泥沙的粒径较 大( 兰州段河水大于滴灌临界直径5 0 朋的粒子含量约为2 9 ) ，故不能直接用 碟式分离机的研究与优化设计 于农业滴灌。所以，我们需要将其中大于滴灌临界直径【2 】的颗粒分离出来。黄河 水的水沙分离属于固液两相的分离，而相间的分离一般采用机械分离的方法来进 行。又分离的最终产物将用于农业滴灌，因此，分离成本不能太高。所以，有必 要研发一种用于黄河水泥沙分离的高效、低能耗、经济实用的分离设备来解决这 个问题。 正是在这样的背景下，课题组承担了国家教育部研究基金资助项目( 0 0 8 k 0 0 3 ) 、兰州理工大学学术梯队及特色研究计划资助项目( g u 0 2 0 1 2 ) ，进行了 黄河水泥沙分离设备的开发和研究。 1 2 课题研究目的 开发一种专门用于黄河水泥沙分离的碟式分离机，根据离心分离理论和c f d 理论，采用c f d 软件f l u e n t 模拟仿真碟式分离机内的流场情况，建立起以分 离效率为目标函数的数学模型，优化各项结构和工艺参数使离心分离达到最佳 化，从而为试验样机的改进提供优化参数和理论探讨，同时也为同类其他产品的 研发提供有益的借鉴。 1 3 国内外研究的发展与现状 1 3 1 固液分离技术的发展概况 1 3 1 1 固液分离技术简介 分离技术是研究分离、浓集和纯化物质的一门学科，是一门交叉学科【3 】。近 年来，由于精细化工、生物技术和材料科学等新兴学科的发展，特别是高、精、 尖技术的兴起和它在科学界引起的巨大影响，加之计算机和现代分离手段的广泛 应用。促使分离科学的基础理论日臻完善，技术水平不断提高，使其逐渐发展成 为一门相对独立的学科。 分离技术应用己有长久的历史。我国是世界上最早采用分离技术的国家之 一。几千年前就出现了炼铜、冶铁采用分离技术。早在1 2 世纪初，己开始用布 袋过滤豆浆并用离心机分离蜂蜜。明代宋应星所著的天工开物和清代出版的 图书集成中早已记载了我国古代在“煮酒”、“糖霜( 冰糖) 的制作中所采 用的分离技术1 4 j 。 所谓固液分离，就是把生产中含水的中间或最终产品( 包括排出物) 的液相和 固相分开【5 1 。其目的不外乎是：回收有用固体；回收液体；回收固体和液体；固 体和液体均不回收( 防止水污染) 。固液分离作业广泛用于化工、矿业、湿法冶 金、发电、制药、饮料、生物发酵、环保等许多工业部门。 由于固液分离涉及的范围很广，因此被分离的固液种类繁多，颗粒粒度范围 2 硕士学位论文 很广。例如，脱水筛处理的固体颗粒粒度可达几十毫米，而膜过滤处理的固体悬 浮液的固体颗粒则是微米级的。狭义的固相是指有一定体积和形状的颗粒，包括 弹性体和塑性体；广义的固相还包括诸如酒槽、糖渣、蛋白醉等。液相包括水、 有机液体等牛顿流体及非牛顿流体。 固液分离属于固液两相流范畴，其中固体颗粒为分散相，连续状态的液相为 分散介质，由于它们具有不同的物理性质，所以可用机械方法将之分离。 传统的分离技术中，占主导地位的是过滤、沉降、筛分、干燥和离心沉降技 术。沉降技术应用的比较广泛，在选矿厂、水厂中到处可见，如各式各样的沉淀 池、澄清池、浓缩池等。沉降过程以及所有的机械设备比较简单，使得重力沉降 技术在固液分离技术中占一定的地位，这是因为它用较小的成本就能处理高水流 速率，而且溢流常能得到较高的澄清度。 随着现代工业的发展和科学技术的进步，人们对分离技术提出了越来越高的 要求，促进了分离理论和技术基础理论的研究，逐步掌握了分离理论和技术的规 律，建立了近于实际情况的数学模型，使各种新的现代分离技术不断涌现，形成 了崭新的现代分离科学，主要有以下几个方面： ( 1 ) 分离过程使用最新的技术，例如：激光、计算机、电子技术等； ( 2 ) 分离的对象为现代化工业产品，如生命科学中蛋白质的分离和纯化、原子 能科学中同位素的分离、材料科学中新材料的制备； ( 3 ) 提出新的分离原理，不断发展新的分离方法和技术； ( 4 ) 分离技术观念上不断更新。经典方法评价分离效果和分离方法的优劣，一 般只对有关物质的回收率、分离度等指标进行评估。而现代分离科学的某些体系， 如蛋白质、药物的分离。除上述指标外，还要对其分离过程中微观变化进行评估。 1 3 1 2 国内外固液分离技术的发展趋势 由于分离技术在现今工业和人们生活中的发挥着重要的作用，无论是设备研 发还是与控制方法的结合，国内外都在进行开发研究，下面介绍一下国内外的发 展的国内分离技术的发展趋势。 在国外，进行固液分离理论的研究及固液分离设备的研发也有着较长的历 史。早在1 8 5 6 年，达西( d a r c y ) 作了关于渗流的试验，它是研究均匀多空介质 中层流的理论基础。固液分离技术的国际性活动也是非常的活跃，首次世界过滤 分离会议1 9 7 4 年在巴黎召开之后，1 9 7 9 年又在伦敦举行了第二届会议。2 0 0 1 年7 月2 5 2 8 日在芬兰举行第三次纳米级过滤和分离会议；在美国举行了t h e4 曲 c s tw o r k s h o pi ns e p a r a t i o nt e c h n 0 1 0 9 i e s 国际研讨会。 2 0 0 1 年1 0 月1 6 1 8 日在德国的杜赛多夫城市举行的欧洲过滤和分离技术国 际会议暨展览会，针对提出的1 0 0 项技术讨论最新的发现和解决思路，讨论适 应时代发展而不断获得进步的固液分离新技术、新设备和新工艺，以及节能、资 源有效利用以及环保等社会呼声很高的课题。目前迫切需要向开发高分离速度、 高脱水度、高分离精度的高性能固液分离技术方向发展。a n l a u f h a r a h 双卡尔斯 3 碟式分离机的研究与优化设计 鲁厄大学机械工程及应用机械学院博士) ，s c h m d t e b e r h a r d ( 伍珀塔尔大学科技 环境保护系博士1 等分离界专家到场主持会议。 采用离心分离技术对畜牧业的肥料进行优化分离在国外己经达到一个比较 完善的地步，这对农业的发展开辟了一个广阔的天地，比如：加拿大的a l b e r t a s l i v e s t o c ks e c t o r s 对肥料的分离和管理，已经发展到比较完善的地步，并成功应 用化肥工业。 还有，造纸业中白色污水的处理和d c s ( t h em o s td e t r i m e n t a ld i s s 0 1 v e da n d c o l l o i d a ls u b s t a n c e s ) 的除去；下水道和供水系统的淤泥处理和分离；在环境系统 中的分离技术；石油化工工业中采用的分离技术：贵重金属的重新回收利用等国 外的一些著名的企业公司，如法国的r o ba ，r a l 公司，c s i r o ( 澳大利亚联邦科 学与工业研究组织) ，德国的r i i t w e ，k r a s sm a f f i e 公司，瑞典的q a l f a l a v a l 公司，美国的d o r r o l i v e r 公司等都有相当规模的试验车间和 模拟试验室，在各种规格离心机上进行了大量的研究和探索，并有许多高科技成 果问世。 目前，国内分离技术理论正在不断完善，相应的分离设备也随着时代的要求 不断涌现出来，特别是离心分离技术及其分离设备的发展。现在的离心机正向大 处理量、高可靠性和操作自动化方向发。由于它涉及的技术内容比较多，分离机 所表现的性能同物料的物理、化学特性和操作条件关系很大【6 】。在产品技术发展 方面，我国分离技术和设备的发展趋势是： ( 1 ) 高参数大型化技术 提高离心机的转速，增大设备规格型号，以提高单机的分离效率和处理能力。 ( 2 ) 采用复合技术 集几种基本结构或过滤( 分离) 推动力于一体，以提高单机处理能力和分离效 率，达到高效节能。如虹吸刮刀卸料离心机是把离心力和虹吸力( 形成真空抽力) 两种推动力结合到一起的新型离心机：又如：柱一锥复合转鼓的活塞推料离心机 是集合活塞推料离心机与离心力卸料( 锥篮) 离心机两种机型结构特点于一体的 新型离心机，这有利于提高分离效率，减少能耗。 ( 3 ) 应用计算机、电子技术 在产品设计上逐步采用c a d c a m 技术、数控技术以提高产品的精度和质 量，在产品运行参数及其处理量、分离质量等工艺参数控制方面上逐步实现微电 子和机电一体化，达到机器运行、分离质量最佳化。 ( 4 ) 采用耐磨、抗蚀新材料、新工艺 随着技术的进步，工程塑料得到更广泛应用，以替代不锈钢、铸铁等金属材 料。粘结、镶嵌、喷涂塑料、陶瓷、硬质合金、s i 0 2 、橡胶等新材料将在产品中 得到广泛应用。 ( 5 ) 发展专用技术 在适合于细粒物料分离和密封、防爆要求、满足高低温工艺要求、环境保护 4 硕士学位论文 特殊要求等方面的专用技术得到发展。 1 3 2 碟式分离机的发展及应用概况 碟式分离机是应用最广的分离机械之一，也是在各个领域中数量最多的一种 离心分离机械。 碟式分离机转鼓直径范围一般为1 5 0 1 0 0 0 朋朋，近年来最大者达1 2 0 0 聊所： 转鼓6 0 0 0 1 0 0 0 0 厂i i l i n ，最高者达1 2 0 0 0 ，n l i i l ；分离因数5 0 0 0 1 4 0 0 0 ，当量沉 降面积最大达3 0 0 0 0 聊2 ；生产能力最大达1o o 肌3 五。 碟式分离机按照物料分离的要求来分，大致有以下四种： ( 1 ) 乳浊液中含有少量清相，目的是提纯重相，去除轻相，如牛奶脱脂， 血清分离等。 ( 2 ) 乳浊液中含有少量重相，目的是提纯轻相，去除重相，如油的脱水， 用脂来提取抗菌素等。 上述两者区别仅在于碟片上升液孔的开孔位置上，前者开孔靠近碟片中心， 后者靠近碟片边缘。 ( 3 ) 悬浮液的固相浓缩和乳浊液轻相浓缩，如酵母、淀粉、羊毛脂等的浓 缩。 ( 4 ) 含有微量固体杂质液体的澄清，如果汁、啤酒等。 因此在农业、食品加工、香料生产、医药工业、化学工业、石油工业、气体 精制、涂料生产、纺织工业、航空与发动机制造、机械制造以及电力装置中获得 广泛应用f7 1 。 碟式分离机如按照工艺操作原理来分，则有离心澄清型和离心分离型两大 类。澄清型用于固相颗粒粒度为o 5 5 0 0 所悬浮液的固液分离；分离型用于两 不相溶液体所组成的乳浊液的分离，即液一液分离，乳浊液中也常含有少量固相， 形成液一液一固三相分离。因此无论是澄清操作，还是分离操作，都有排渣要求。 碟式分离机于1 8 7 8 年在瑞典首创，并首先被用于牛奶分离，1 8 8 8 年佛内黑 尔翁杰斯荷托艾尔显( f r e i h e r r v o n g e c h t o l s h e i m ) 发现在转鼓内 安装螺旋或碟片把分离室分成若干个分离区，使物料中二相或( 三相) 的分离行 程达到最小的距离，可大大提高分离的效率。早期的碟片分离机均采用人工排渣， 在分离含固率较高的悬浮液时带来了困难。为了解决分离物料中固体的自动排渣 问题，瑞典的阿法一拉伐公司于18 9 6 年研制了世界上第一台喷嘴排渣碟式分离 机，并用于酵母的分离。丹麦的泰坦公司于l9 2 7 年首创了活塞自动排渣碟式分 离机【6 】。由于碟式分离机的应用极为广泛，已为世界各国的制造商所关注。据统 计，当前世界各国碟式分离机的生产增长速度远远超过其他各类离心机的增长速 度。目前主要生产碟式分离机的国家和厂商有瑞典阿法一拉伐公司、德国韦斯特 伐利亚公司、德国k h d 公司、美国道尔一奥立佛公司、英国布诺德贝克斯特 公司、法国盖阿尔德公司、丹麦泰坦公司、芬兰黑尔森克公司、日本三菱化工、 碟式分离机的研究与优化设计 石川岛播磨、长濑产业、日立、斋藤、奈良等株式会社，俄罗斯及部分东欧国家 也有生产。上述生产商中以韦斯特伐利亚公司和阿法一拉伐公司的产品尤为驰 名。 我国碟式分离机的研制起步较晚，但发展速度甚快，自7 0 年代初开始研制， 现有的规格品种已居其他离心机之首，在生产数量、各领域的应用覆盖面、出口 数量等方面与其它形式离心机相比均名列前茅。目前国内制造厂商已达十余家。 其中主要有南京绿洲机器厂、广州重型机械厂、浙江轻工机械厂、重庆江北机械 有限公司等。 每一种离心机都有其适用范围，其结构决定于待分离物料的特性。目前，国 内外还没有研发适合于黄河水泥沙分离的高效、低能耗设备。 1 3 3 高含沙量的黄河水泥沙分离概述 我国黄河上、中游绝大部分河段汛期的含沙量都非常高，年平均含沙量可以 达到5 0 0 k g m 3 以上，汛期最大含沙量可以达到1 6 0 0 k g m 3 黄河的泥沙占有率比 较高，最高时泥沙含量可达4 5 ，根据地域区域不同，引黄灌溉( 农作物滴灌) 要处理3 0 5 0 的粗颗粒，还有2 0 3 0 的细颗粒【8 】如果引黄供水、引黄灌溉 都要预先处理全部或部分泥沙，还要进一步分离处理。 随着城市化和高效农业的高度发展，黄河流域的干旱缺水地区对水的需求日 益增加。而且近几年来农业上节水、节能、节力的滴灌技术在黄河流域得到广泛 运用。滴灌的主要部件是渗水毛细管道，渗水孔径为：1 3 m m 一1 5 m m ，而黄河 泥沙中粗泥沙( 粒径d o 0 5 m m ) 占总体颗粒的百分比高达4 9 ，其中d o 1 m m 的 颗粒占2 5 【9 】，在渗灌滴灌时，未经处理的颗粒会沉淀淤积输水管道，堵塞渗水 孔，从而达不到预期的目的。因此，除了对滴灌用水中固相颗粒粒径分离之外， 还需要对其含固量进行控制。 甘肃、宁夏、内蒙古等地，也包括黄河下游等地，为了大范围地推广和应用 农作物滴灌技术，使用黄河水对农作物进行滴灌，目前还存在两个问题：其一， 大的泥沙颗粒堵塞滴管小孔；其二，泥沙的存在消耗大量的能量。鉴于黄河水的 特殊水质，目前主要是采用重力自然沉降的方法来去除黄河水中的泥沙，就是将 黄河水引入人工挖造的水泥坑中，经过数天的自然沉降以使河水澄清。黄河沿岸 各地区的水厂大多也是采用这样的沉淀过滤方法，其方便性、投入少也一度给人 们带来许多利益。但是河水澄清后清淤的能源消耗和劳动力的投入数量都很庞 大，而且其效率和水资源的利用率也比较低。 到目前为止，关于黄河水泥沙的离心分离理论的详细资料还比较少，见诸报 纸杂志的只有龚俊、辛舟等所做的一些工作。已开发出一种旋流分离器用于黄河 水的泥沙分离，但分离效率不太高，经济性较差，而且不能保证大于临界直径的 粒子得到全部分离。所以，又开发了一种专门用于分离黄河水泥沙的自动排渣碟 式分离机。对这个课题我们已经做了一些前期工作，2 0 0 4 年孙步功在其硕士学 6 硕士学位论文 位论文适于黄河泥沙分离的碟式分离机设计与试验研究一文中，已经确定了 分离机的一些基本的尺寸和参数，并据此设计制造了一台试验样机。但是该机部 分参数设计不太合理，而且由于碟片的制造精度不够而引起的振动使得分离效率 较低，泥沙分离效果不好。因此，该机需要进行结构改进和工艺优化设计。本文 的研究工作将在这个基础上展开，对其中的一些结构和工艺参数进行优化设计。 1 4 课题研究的主要内容及创新点 1 4 1 课题研究的主要内容 本课题主要做了以下几方面的工作： 首先，分析了黄河水的特性，并根据离心分离的相关理论确定了设计目标的 参数，即确定了固相颗粒分离的临界直径和分离后的清液分散相含量。 其次，建立了离心分离最优化的数学模型，分析了传统分离因数指标在描述 分离效果时的利弊，并由离心分离最优化的目的确定了数学模型的目标函数。并 据此分析了影响分离效率的各种因素，为下一步的设计工作打下了良好的基础。 再次，针对碟式分离机的特点和工作原理，进行了碟式分离机基本参数和碟 片主要尺寸的计算。由于碟式分离机的转鼓是其主要的转动部件，需要消耗大量 能量。因此在保证其强度和一定的容积( 由生产能力确定) 下，又进行了碟式分 离机的转鼓结构的优化设计使其质量尽量小，以减小由于旋转而带来的冲击载荷 和降低能耗。 最后，应用c f d 的基础理论及软件，搭建了仿真试验平台，并对计算所得 的设计结果进行了仿真验证。通过对不同工况下仿真结果的分析比较，得到最优 工况。 1 4 2 课题的创新点 本课题的创新点在于： 1 对黄河水的泥沙分离进行了理论分析，并据此设计开发了一种专门用于黄 河水泥沙分离的碟式分离机。 2 综合考虑影响分离效率的各项因素，对分离效率进行建模，并通过仿真试 验来寻求其最优匹配方式，得到最优工况。 3 设计一种带导向筋的新型碟片，可使分离效率显著提高。 7 碟式分离机的研究与优化设计 第2 章碟式分离机设计前期的理论与计算准备 2 1 离心分离原理 2 1 1 离心分离概述 离心力场的创立和运用是科学和技术成就之一，离心力场对在离心机中分离 非均相物系来说是极为有效的。这种分离叫做离心分离，它是许多新的工业过程 的基础。 离心分离过程是一种极其复杂的工艺过程，离心机是一种极其复杂的工艺设 备。但是，并不是离心机所有的工作理论问题都得到足够的发展与阐述。用离心 机分离非均相的物系的效果尚不能精确地预计。 仅为力场所联合的并在力场中进行离心分离各过程是不同的，并具有不同的 规律性。悬浮液、矿浆、乳浊液、溶液和气溶胶的离心分离是不同的。 离心分离根据操作原理可区分为两类不同的过程一离心过滤和离心沉降。而 与其相应的机种可区分为过滤式离心机和沉降式离心机。 碟式分离机是一种离心沉降式离心机。在普通离心机内，非粘性液体的澄清 过程，常常会有湍流产生，因而影响分离效率。碟式分离机转速高，转鼓内安装 有锥形碟片束，碟片间隙很小，非粘性液体在这样小的碟片间隙内高速流动，比 较易于实现稳定层流流动，从而能保证高度分散物系有较好的分离效果。 2 1 2 碟式分离机内的离心分离过程 碟式分离机的种类和规格很多，但就其分离过程实质而言，基本上可分为离 心澄清和离心分离两种过程。 2 1 2 1 离心澄清 离心澄清是在高度分散悬浮液中，将极微细的固相颗粒从液相中分离出来的 过程。这一过程可以看作是在离心力场作用下液体中固相颗粒的自由沉降。碟式 分离机是在重力沉降槽的基础上发展而来的，其发展过程如图2 1 所示。沉降槽 采用重力自然沉降的方法使悬浮液得到澄清分离。沉降槽生产能力公式 q = 吃彳 ( 2 1 ) 式中，q 为沉降槽生产能力；吃为临界直径；也为颗粒的沉降速度；彳为沉 降面积。 由式2 1 可知：沉降槽高度不影响生产能力；沉降槽的生产能力正比于沉降 槽面积。据此，可以在沉降槽内安入若干水平板，以增加槽的沉降面积，即装有 8 硕士学位论文 水平板的沉降槽。但这种结构的沉降槽在进行连续分离时，分离通道间隙必然地 要被沉降颗粒堵塞，使分离过程不能继续进行下去。将水平板倾斜安装，则沉降 颗粒将在重力作用下沿板下滑，并储集于底部，从而实现连续作业。 在碟式分离机内，用碟片来降低沉降高度，并增加沉降面积。碟片以一定的 速度旋转，固体颗粒在离心力场( 远大于重力场) 作用下，大大提高了它的沉降 速度，以使颗粒能很快地从液相中分离出来。 连续沉降椭装水甲板的沉降槠 进 ：； i 装倾斜板的沉降擀碟= i 分离机 图2 1 碟式分离机的发展过程 液 2 1 2 2 离心分离 若乳浊液的两液体组分要在碟式分离机内分开，则一般称为离心分离。如果 乳浊液中还含有少量固相，则为液一液一固三相分离。 离心分离型碟式分离机的结构与澄清型基本相同，只是在碟片中间开有中性 孔，以使重液相和轻液相组分得以分离。 2 1 3 薄层沉降分离理论 在碟式分离机的碟片间隙内，悬浮液的分散相和连续相的分离过程，也称为 薄层离心分离。碟片将转鼓内的液流分成若干薄层，从而缩短了颗粒的沉降过程， 并加速了离心分离过程。 在澄清型分离机内，安装导向筋可以使碟片间隙厚度液流均匀，特别在九 值大时，导向筋起着有效的作用。但液流内的压力显然就不对称。在有导向筋的 一侧，压力达到最大值，而在另一侧为最小值。因此在导向筋包绕液体附近处， 在转鼓周边，不可避免地要产生湍流。 图2 2 表示出了有无导向筋的两种转鼓中碟片间颗粒的运动轨迹。由图可见， 在澄清型无导向筋的分离机中，运动轨道类型较单一。在有径向导流情况下，运 9 碟式分离机的研究与优化设计 动轨道均匀平坦，还在颗粒降落到碟片表面前，运动轨道显著地聚拢。 碟片上有径向导向筋的转鼓离心澄清型普通转鼓 图2 2 颗粒在不同结构转鼓中的轨迹( 九= l o ) 一方面，要避免湍流的产生，使液流在碟片间的流动为层流；另一方面，为 了强化分离效果，需要在碟片间加入导向筋，这就又不可避免的产生了湍流。如 何解决这一对矛盾，是优化碟片结构的关键所在。 图2 3 是一种有筋条碟片和普通碟片内液流速度分布的比较【4 们。如图所示， 液体在碟片间隙内由大直径朝小直径方向流动的过程中，由碟片内表面和筋条上 表面所限制的环腔a b e f 内的流体阻力要比筋条间区域a b c d 内大许多倍，因 此绝大部分液体( 8 0 9 0 ) 在筋条间的a b c d 区域内流动，在环腔a b e f 内形成流量不大的堰区。 在环腔a b e f 内所形成的这种堰区，减小了沉渣和液体的逆流，以及减少了 沿碟片内表面运动时沉渣表面附近的速度差。 在碟片间隙内用改变筋条数目及长度的方法，可以平衡各个碟片间隙内的流 体阻力。因而用这种方法有可能使碟片束全部碟片间的负荷比较均匀。 当液体在碟片间运动时，各种因素矛盾地作用着。离碟片表面越远，摩擦力 越小，同时液体相对移动的可能性增加：另一方面，液体远离碟片表面，导致惯 性离心力减小，而它是基本的推动力。 当液流沿碟片运动时，液体粒子周围速度受柯氏力制约而减小。粒子离碟片 表面越远，由于摩擦力减小它们受碟片的也吸引力越小。因此它们应比位于碟片 表面较近处的粒子，在更大程度上滞后于碟片的旋转。 由于液体滞后于碟片而旋转，故离心力的作用减弱，因离心力正比于圆周速 度的平方。这样，滞后于碟片较少的那部分液流，因受到较大的离心力，因而沿 母线运动的速度比液流层中心层速度快，中心液层由于显著地滞后于碟片，因而 在很大程度上失去了圆周速度。 当然，液体粒子圆周速度的减少值与转鼓相对于静止空间的绝对回转速度相 比是很小的。而转鼓流道内液体的运动取决于相对速度的诸分量，它们处于相近 的数量级。 这样可以做出结论：由于在柯氏力作用下液流有滞后现象，液体粒子的轨迹 不应平行于碟片的母线。 流道前液体相对于转鼓的滞后现象可用筋条来消除，试验数据与计算值间差 别不大。 l o 硕士学位论文 普通碟片有筋条碟片 图2 3 不同结构碟片内液流速度分布图 2 2 离心力场中固相颗粒的受力分析 在两相流动中两相之间存在相互作用，有动量和能量传递。对相间的耦合， 必须正确分析两相之间的作用力，也就是流体和颗粒间的作用力【4 1 1 ，两相之间 的作用力是建立固液两相流基本方程组的主要问题之一，只有对两相流问题做出 正确地受力分析才有可能建立起合理的数学模型。但因两相流问题的复杂性，很 难对其做出全面统一的分析，下面仅以单颗粒为例做出颗粒的受力分析。又因为 固相颗粒所受力的大小随碟式分离机的工作参数和被处理物料的特性不同而变 化，所以，在研究碟式分离机内固相颗粒的运动时，需要进行一些简化和假设。 这里，假设固相颗粒都是直径为d 。密度为成的规则球体。 2 2 1 作用力分类 作用在流体中运动颗粒上的作用力大致可分为以下几类： ( 1 ) 与流体一颗粒的相对运动无关的力。如：惯性力、重力、压差力。 ( 2 ) 由流体一颗粒的相对运动而产生的，沿相对运动方向的力。如：阻力、 附加质量力、b a s s e t 力等。 ( 3 ) 由流体一颗粒的相对运动而产生的，与相对运动方向垂直的力。如： 升力、s t a f f m a n 、m a g n u s 力等。 2 2 2 作用力量级比较 一般情况下，并不是所有这些力都同样重要。例如，在速度梯度较小的主流 区内，与流场速度梯度有关的s a f f m a n 力可忽略不计；颗粒受流体粘性的制约并 不旋转，同样在主流区内可忽略m a g n u s 力。因而，只有在靠近边界区流动中， 碟式分离机的研究与优化设计 s a f f m a n 力和m a g n u s 力的作用才明显。另外，可用量级分析估计各种力的相对 重要性，适当取舍【4 2 1 。在实际问题的求解中，将上述所有的作用力的影响都计 入是不明智的，再加上上述作用力的求解多半为半经验公式，将上述所有的作用 力的影响都计入也没有意义，所以应根据具体问题，分析各个作用力的影响大小， 分清主次。 由各作用力产生的原因可知，在流体进入流场的初期由于有一定的进口压 力，浮力略大于重力，两者属于同一个量级，因此不能忽略。由于附加质量力远 小于惯性力；而且研究表明b a s s e t 力仅在加速运动初期才重要，而流场中大部 分区域颗粒受粘性制约并不旋转，因此除近壁区外，m a g n u s 力是不重要的； s t a f f m a n 力则是在流场中速度梯度大的地方作用才显著，如在流场主流区此力很 小，上述三种力( b a s s e t 力、m a g n u s 力、s t a f f m a n 力) 在碟式分离机流场中均 比阻力小得多。 综上所述，对碟式分离机流场内部的稀疏两相流，不存在极大的剪切区，可 看作仅受惯性力、重力、浮力和阻力的作用。 2 2 3 主要作用力及其物理意义 2 2 3 1 惯性离心力 在离心力场中，分散相固体颗粒所受的惯性离心力： c = 三万司见譬 ( 2 2 ) o口z 式