（材料学专业论文）涡流空气分级机结构与分级性能研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q l 7 2 6 ：t d l 7 2 6学科分类号 4 3 0 4 5 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 1 9 3 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 冯永国 学号 2 0 0 4 0 0 0 1 9 3 获学位专业名称材料学获学位专业代码 0 8 0 5 0 2 课题来源国家自然科学基金研究方向粉体工程 论文题目涡流空气分级机结构与分级性能研究 涡流空气分级机，分级性能，流场特性，机械打散，激光多普勒测速 关键词 仪 论文答辩日期 20 0 7 6 2 论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 刘家祥教授北京化工大学材料学 评阅人1 黄朝晖 教授中国地质大学材料学 评阅人2杨儒教授北京化工大学材料学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会捕黄朝晖教授中国地质大学材料学 答辩委员1杨儒教授北京化工大学材料学 答辩委员2李友芬副教授北京化工大学材料学 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在镁中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 北京化工大学硕士学位论文 涡流空气分级机结构与分级性能研究 摘要 i i i ii ii ii iii ii ii i i iiil y 1810 4 0 7 涡流空气分级机是粉体制备行业中非常重要的设备之一，通过分级除 去粉体原料或半成品中过大或过小的颗粒，控制产品的粒度在一定的范围 之内，从而保证粉体颗粒粒度分布满足产品的质量要求。作为第三代动态 空气分级设备，涡流空气分级机具有分级精度高、分级性能好的特点。分 级机的关键技术是：分散和分级。本文对物料分散性和涡流空气分级机内 流场特性二方面内容进行了实验研究与分析。 在物料进入涡流空气分级机前增加了机械打散装置，通过机械力打散 使物料悬浮分散于气流中并输送到分级机内。以重质碳酸钙和水泥生料为 原料进行了分级实验。结果表明，在高风速范围内增加打散装置对分级粒 径的影响不大，但可以明显提高分级精度；增加打散装置后水泥生料的分 级精度明显高于重质碳酸钙的分级精度，由于颗粒粒度分布和粉体物理特 性的差异，水泥生料易团聚，表明此打散装置更适合用于易团聚物料的分 级。 采用激光多普勒测速仪对涡流空气分级机转笼叶片间流场速度进行 了测量。研究了不用操作条件下，转笼叶片间流场的三维速度分布情况。 通过对转笼中心水平面内气流的切向和径向速度分析，表明在不同的操作 条件下气流切向和径向速度分布差异明显。由切向和径向速度的二维矢量 图可看出，分级机转笼叶片间存在旋涡，旋涡的强度及分布情况随着操作 条件的变化而变化。通过调节操作条件，得出旋涡对流场影响最弱的工艺 北京化工天学硕士学位论文 参数。并进行了物料分级实验，结果与流场测试分析相符。 由于出风口负压及转笼旋转的影响，转笼内存在一定的轴向速度。其 数值的大小与进口风速、转笼转速及测量点在转笼叶片间的位置有关。沿 轴向方向由转笼下部到上部，转笼叶片间气流轴向速度逐渐增加；因受流 场内旋涡的影响，在靠近叶片不同侧的轴向速度差异明显。在转笼叶片间 加装水平隔板可以有效的减小转笼叶片间的轴向速度，有利于流场的稳 定。 关键词：涡流空气分级机，机械打散，激光多普勒测速仪，流场特性，分 级性能 i l 北京化工大学硕士学位论文 。 _ _ 一 s t u d yo ns t r u c t u r e a n dc l a s s i f i c a t i o n p e r f o r m a n c eo fa t u r b o a i rc l a s s i f i e r a b s t r a ct i nt h ep o w d e ri n d u s t r yc l a s s i f i c a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb a s i c o p e f a t i o n ，w h i c hm a k e s t h ep a r t i c l es i z es u i tt ot h ed e m a n do fp o w d e rp r o d u c t a st h et h i r d g e n e r a t i o nd y n a m i ca i r c l a s s i f i c a t i o ne q u i p m e n t ，t u r b o a i r c l a s s i f i e rh a sh i g hc l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o na n dg o o d c l a s s i f i c a t i o np e r f o r m a n c e a sw ek n o w , t h ek e yt e c h n o l o g yo f t u r b oa i rc l a s s i f i e ri sa sf o l l o w s ：d i s p e r s i o n a n ds e p a r a t i o n i nt h i ss t u d y , m e c h a n i c a ld i s p e r s i o no f ra wm a t e r i a l sa n dt h e f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c si nt h et u r b oa i rc l a s s i f i e rw e r ei n v e s t i g a t e d a n d a n a l y z e d t h em e c h a n i c a lp r e d i s p e r s i o ne q u i p m e n tw a si n s t a l l e di nat u r b oa i r c l a s s i f i e rb e f o r et h er a wm a t e r i a l s w e l ec l a s s i f i e d r a wm a t e r i a l sw e r e s u s p e n d e dt od i s p e r s ea n dc o n v e y e di n t oc l a s s i f i e rb yp r e s s u r e da i r f l o w t h e c l a s s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t so fg r o u n dc a l c i u mc a r b o n a t ea n dc e m e n tr a wm e a l w e r em a d ea n dt h ee f f e c to fm e c h a n i c a lp r e d i s p e r s i o n o nc l a s s i f i c a t i o n p e r f o m a n c ew a si n v e s t i g a t e d u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r s t h e r e s u i t ss h o wt h a to nt h eh i g ha i rf l o wr a t ec o n d i t i o nt h ee f f e c t o fd i f f e r e n t f e e d i n gm a n n e r o nt h ec l a s s i f i e dp a r t i c l ec u ts i z ei su n a p p a r e n ta n de m p l o y i n g t h ed i s p e r s i n ge q u i p m e n tc l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o ni si m p r o v e de n o r m o u s l y ；t h e r e s u l tm a tc l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o no fc e m e n tr a wm e a li sh i g h e rt h a nt h a to f g r o u n dc a l c i u mc a r b o n a t ed e m o n s t r a t e st h a tt h ed i s p e r s i o ne q u i p m e n t w a ss u i t t or a wm a t e r i a l st h a ta r ea g g l o m e r a t e dl a r g e l yb e c a u s ec e m e n tr a wm e a l i i i 北京化工大学硕士学位论文 一一一 p o w d e r i sp r o n et ob ea g g l o m e r a t e dw i t hc o n t r a s tt og r o u n dc a l c i u m c a r b o n a t e d u et ot h e i r p a r t i c l es i z ea n dd i f f e r e n c en a t u r eo fp a r t i c l e s v e l o c i t ym e a s u r e m e n to ft h ef l o wf i e l di nt h ep a s s a g e w a yo ft w or o t o r b l a d e si nat u r b oa i rc l a s s i f i e rw a sp e r f o r m e db yl a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ( l d v ) t h r e ed i m e n s i o n a lv e l o c i t i e so ff l o wf i e l du n d e rv a r i o u so p e r a t i n g p a r a m e t e r s _ _ _ i n l e ta i rv e l o c i t yo ft h ec l a s s i f i e rv o l u t ea n dr o t a t i o ns p e e do f t h er o t o rw e r em e a s u r e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r so nt h e ， r a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni sm o r ei n t e n s et h a nt h a to f t h et a n g e n t i a lv e l o c i t y d i s t r i b u t i o n f r o mt w od i m e n s i o n a lv e c t o r g r a p h so ft h et a n g e n t i a la n dr a d i a l v e l o c i t yi ti ss e e nt h a ti n t e n s i t y , p o s i t i o na n dr o t a t i o n a ld i r e c t i o no fav o r t e xi s 第一章绪论1 1 1分级的定义及分类1 1 1 1分级的定义。l 1 1 2分级的分类1 1 2空气分级机的概述：1 1 2 1 空气分级机的发展一1 1 2 2 涡流空气分级机分类一2 1 2 3 涡流空气分级机分级原理一6 1 3影响涡流空气分级机分级性能的操作条件7 1 3 1进料速度7 1 3 2 转笼转速一8 1 3 3 风量8 1 4分级性能评价指标。8 1 4 1牛顿分级效率8 1 4 2分级切割粒径一9 1 4 3 特劳姆曲线9 1 4 4旁路值6 和分级精度1 0 1 5涡流空气分级机的研究趋势1 0 1 5 1粉体的分散1 0 1 5 2涡流空气分级机内流场的研究1 l 1 6论文选题的立论、目的和意义1 2 第二章粉体分散实验研究1 5 2 1粉体分散概率l5 2 2 实验l6 2 2 1实验设计1 6 2 2 2实验原料l7 2 2 3实验仪器1 7 2 2 4实验装置1 7 2 2 5实验方法18 v 北京化工大学硕士学位论文 2 3结果与讨论1 8 2 3 1 预打散对重质碳酸钙分级粒径的影响1 9 2 3 2预打散对重质碳酸钙分级精度的影响2 l 2 3 3预打散对两种物料分级粒径和分级精度的影响2 2 2 3 4上补气流对流场特性的影响2 4 2 3 5分级精度提高的机理2 5 2 4本章小结2 6 第三章涡流空气分级机流场特性研究一2 7 3 1 惯性反旋涡一2 7 3 2 流场测试方法。2 8 3 2 1五孔测针2 8 3 2 2热线风速仪2 8 3 2 3 粒子映像速度场仪2 8 3 2 4激光多普勒测速仪：2 9 3 3实验设计3 0 3 4实验方法3 1 3 5实验装置3 2 3 5 1实验系统组成3 2 3 5 2涡流空气分级机模型的设计3 3 3 6实验仪器3 4 3 6 1l d v 系统的组成3 4 3 6 2流场测量辅助设备3 7 3 7结果与讨论3 8 3 7 1不同转笼转速下的流场特性3 8 3 7 2旋转流场不同方位的轴向速度分布4 8 3 7 3转笼叶片间加水平隔板分层后的流场特性5 0 3 7 4物料实验5 2 o 3 8本章小结5 5 第四章结论与展望5 7 9 4 1 结论：。5 7 4 2 展望5 8 参考文献5 9 致谢6 3 研究成果及发表的学术论文“ 发表及已接受的论文。6 4 v i i 6 4 6 5 6 5 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 牛顿分级效率 粗粉中实有的粗颗粒含量 粗粉中实有的粗颗粒含量 原料中的粗颗粒含量 任一粒度区间的粗粉质量 任一粒度区间的原料质量 分子间引力 h a m a k a r 常数 颗粒直径 颗粒表面间距 颗粒密度 临界团聚粒径 i 粒度的粒径 分级后粗粉的累积粒度分布 原料的累积粒度分布 粗粉的回收率 粗粉的部分分级效率 分级粒径 气体粘度系数 转笼外缘气流速度 转笼转速 转笼叶片外半径 理论分级切割粒径 流体对颗粒的曳力系数 气流密度 ， 蚝 蚝n j m m 咖 m m 岬 眺 m 岬 咖 d d 6 ， s，j， d ) 哺 施 弼 即 叶 f 彳 d a 邝讯 聃 附 附 仉铀 d n r 如 岛 a 北京化工大学硕士学位论文 瑶 ， v q h 气流径向速度 气流切向速度 颗粒在径向位置坐标 转笼通道内径向速度 进风量 转笼高度 s s s 詹 枞 “ m “n 昌 m ， i 北京化工大学硕士学位论文 1 1分级的定义及分类 1 1 1分级的定义 第一章绪论 分级是根据不同粒度、形状和密度的颗粒在流体( 如空气或水) 中所受的重力和 介质阻力不同，因而具有不同的沉降末速度来进行的。由于形状的复杂性，按照形状 分级目前仍处于试验研究阶段，还无法在生产中得到实际应用。因而，目前所讨论的 颗粒分级皆指粒度分级【l 】，是按照不同粒径颗粒在介质( 通常采用空气和水) 中受到 离心力、重力、惯性力等作用，产生不同的运动轨迹，从而实现不同粒径颗粒的分级。 分级的关键技术是：分散和分离。分散是指进入分级机的物料要尽可能地分散开 来，物料颗粒之间形成一定的空间距离。分离是指当物料在分级室停留的有限时间内， 在气流作用下完成分级功能，把物料的粗、细颗粒分开，并送至各自的出口。 1 1 2分级的分类 按作用于粉体颗粒的流体介质不同，可将分级分为干式和湿式分级。湿式分级是 以液体为分散介质。与干式分级相比，湿式分级的难题在于分级后的产品是以悬浮液 形式存在，这就需要将液体和固体颗粒再次进行分离。因这一后处理过程较复杂，在 一定程度上制约了湿式分级的工业化应用【2 1 。干式分级通常为气流分级，是目前发展 较快的分级方法。 1 2 空气分级机的概述 1 2 1空气分级机的发展 空气分级机按是否具有运动部件可划分为两大类【3 4 j ，( 1 ) 静态分级机：分级机中 无运动部件，如重力分级机、惯性分级机、旋风分离器、螺旋线式气流分级机和射流 分级机等。这类分级机构造简单，不需动力，运行成本低。操作及维护较方便，但分 级精度不高。不适于精密分级。( 2 ) 动态分级机：分级机中具有运动部件，为得到较 为稳定的分级力场，通常采用二种方法：一是利用颗粒本身的重力与颗粒所受到的气 体阻力形成分级力场对物料进行分级；另一种做法是在分级区内建立较强的离心力 场，使颗粒在受到气体阻力的同时，还受到离心力的作用，通过二者之间的平衡来达 到分级物料的目的。前者因采用重力场进行分级，分级力场强度较弱，不能得到较好 北京化工大学硕士学位论文 的分级效果；后者的分级力场强度大且可调，可得到更小的切割粒径及更好的分级效 果，因此在高效率的分级设备中常采用该方式，此种分级设备称为强制涡离心分级机。 自1 8 8 5 年英国人发明第一台动态空气分级机以来，分级技术有了很大的发展。 其发展历程就其工作原理而言，可概括为三个阶段【5 。7 1 。第一阶段为以离心分级原理设 计的离心式分级机，又称内部循环式分级机，其代表为德国普费佛( p 磁胁) 公司生 产的离心式空气分级机。后来虽几经改进，但在分级原理及结构上没有重大突破，通 称为第一代分级机。第二阶段为旋风式分级机，又称外部循环式分级机，是由德国洪 堡维格达( h u m b o l d t v e d a g ) 公司在2 0 世纪6 0 年代发明的，较离心式分级机分级性 能有了较大的提高，称为第二代分级机。第三阶段为涡流式分级机，涡流空气分级机 结构和分级原理与离心式分级机、旋风式分级机完全不同，具有分级效率高、节能的 特点，故称为第三代分级机哺d 2 1 。、 我国于1 9 8 6 年从日本小野田公司引进了0 s c p a 分级机的设计与制造技术。2 0 世纪9 0 年代初，一些地方设计院所应用这一技术原理及推出的技术数据，借鉴国外 的外型结构资料，开发了无耐磨材料的小型涡流空气分级机【l 引。 目前，在工业上应用的几种主要干式精细分级机是：日本细川公司的m s 、m s s 型气流分级机及其类似设备、德国a l p i n e 公司的a t p 单轮或多轮涡轮式分级机以及 l h b 型涡轮式分级机。这些干式精细分级机基本上都是与相应的机械冲击式超细粉磨 机或气流磨配套使用的，其分级粒径可以在较大的范围内进行调节，其中m s 型及其 类似设备的分级产品细度可达d 9 7 = 1 0 雌n 左右，m s s 和a t p 型及其类似分级机的分级 产品细度可达d 旷5 - - 一6 p m 左右。依据分级机规格或尺寸的不同，单机处理能力从每 小时几十公斤至十吨左右不等【l 引。 1 2 2涡流空气分级机分类 涡流空气分级机采用水平涡流作为颗粒分散和分级手段，然后采用高速旋转的笼 形转子分选。根据自身特点有如表1 1 所示分类【1 5 1 。 表l l 涡流空气分级机的分类及性能 t a b l e1 1c l a s s i f i c a t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft u r b oa i rc l a s s i f i e r 2 ， 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 1a c u c u t 型分级机 该分级机最早由美国d o n a l d s o n 公司开发生产的，迄今有2 0 年的历史。结构 及原理【1 5 0 7 】如图l l 所示。其中：中间部分为分级转子，转子外侧是固定壁，上下 盖板将分级室密封。转轴上段空心轴作为细粉出口，下段实心轴装有皮带轮，由电机 带动旋转，转子由上下转盘和叶片构成，转子旋转形成离心力场同时在空心部分产生 负压区，使气流随着转子旋转，并沿径向流向空心轴部，由此构成离心力场与压力场 共同作用的流体流动。分级室内颗粒受到流体夹带的作用，若颗粒受到径向夹带力大 于离心力，则颗粒通过细粉出口排出，粗粉由切向出口排出。该机的特点是分级精度 高，切割粒径可小于l l x m ，分级粒径通过调整转子转速来实现。最大处理量达l t h 。 此种分级的切割粒径为0 5 - - 6 0 1 a n ，分级精度d 7 5 d 2 5 为1 3 - - 1 7 ，转子转速为5 0 0 0 - - 7 0 0 0 r r a i n ，粉体处理量为0 5 2 0 0 0 k g h 。 粗颗粒 1 2 2 2m s s 分级机 ， 图1 1a c u c u t 型分级机 t r i g 1 1a c u c u t - t y p e c l a s s i f i e r m s s 分级机如图1 2 所示，是一种具有切割粒径小至l 岬的精密分级机，在原 料和一次空气切向进入上部分级区之后，空气及细粉经过圆锥台形导向板和细颗粒出 口进入过滤器，粗颗粒通过一个导向叶片被由分级区底部切向导入的二次空气分散。 三次空气可强化分级机对被分级物料的分散和分级作用，使分散和分级作用反复进 行，因而有助于提高分级精度和分级效率【l5 ，哺l 。这种分级机特点是：分级粒度细，可 在1 - - 2 9 m 范围内进行分级；分级精度高，粒度分布窄；分级粒度范围在2 3 0 1 t t m 。 北京化工大学硕士学位论文 其分级处理能力为5 0 - - - 1 5 0 0 k g h ，空气量为1 5 1 5 0 m 3 m i n ，转子转速为8 0 0 2 3 0 0 r r a i n ，在高的转子转速下可使d 9 7 粒级p m c以z 其中口= ( 研一b ) 是两束照射光之间的夹角，= i c o , + 1 9 f 一万) 是运动方向与光 束夹角平分线的法线之间的夹角。 分束器 图3 2 简单的差动多普勒速度测量系统 f i g 3 2s i m p l ed i f f e r e n c ed o p p l e rv e l o c i t ym e a s u r e m e n ts y s t e m l 光删器 i 敲大器 i 信号处理器 图3 - - 3 差动多普勒技术中照射光束的布置 f i g 3 3a r r a n g e m e n to f i r r a d i a t i o nb e a mo f l i g h ti nt h ed i f f e r e n c ed o p p l e rs y s t e m 3 3实验设计 本实验主要研究涡流空气分级机转笼叶片问的流场特性，指两转笼叶片及其内外 边界包围的环形空间。该区的主要功能是实现物料颗粒分级，是一个主要的分级功能 区。利用激光多普勒流速仪对涡流空气分级机模型转笼叶片间流场内纯气流的三维 ( 径向、切向、轴向) 速度进行了测量。研究在不同工艺参数( 转笼转速、进口风速) 条件下，此流场内同一方位的流场特性，找出影响分级性能的因素，采用物料实验来 北京化工大学硕士学位论文 验证流场测试结果；研究在同一工艺参数条件下，旋转流场不同方位的流场特性，对 转笼结构进行分层改进，研究了分层后转笼内的流场特性。 3 4 实验方法 测试时，首先确定坐标原点位置及坐标轴方向。实验中，以转笼中心点作为流场 测试的坐标原点，规定远离轴心的径向方向为x 轴正向，沿分级机轴心向上方向为z 轴正向。然后根据已选择好的坐标系确定测量截面。测量截面是与x 轴平行的截面， 在每一截面上，由转笼内缘起，沿x 轴正向以3m m 间隔等距取测量点，到转笼外缘 停止。并把这些测量点相对于原点的坐标值输入到f i n d 软件中。 打开激光电源及冷却水装置，使二色( 四束) 激光聚焦于坐标原点。实验中需要 得到三维速度数据，但是相对于绿光、蓝光来说，紫光的功率很弱，如果直接进行三 维测量，其中的一维数据可能缺乏可靠性，因此测量时探头先水平位置固定，采用绿 光、蓝光测出轴向和切向速度，然后调整探头为垂直方向位置，采用蓝光测出径向速 度和切向速度，测量时由于观测窗口位置引起的光学限制，只能取得流场内一部分位 置的径向数据。每个测量点取1 0 0 0 个样本点，测量时限为6 0 s 。实验中，转笼转速和 进口风速都要调整到预设值。 1 转笼叶片间流场2 转笼叶片3 环形区4 导风叶片5 蜗壳 图3 4 测量区域及坐标设置 f i g 3 4d i a g r a mo ft h ed e t e c t i n g a l c aa n dc o o r d i n a t es e t u po ft w od i m e n s i o n a lv e c t o r g r a p h s 实验分为三部分：( 1 ) 不同工艺参数条件下旋转流场的三维流场特性研究( 风速 为8 m s ，转速分别为1 0 0 r m i n 、6 0 0 r m i n 、1 2 0 0 r m i n 时z = 0 面的流场特性；风速为 1 8 m s ，转速分别为6 0 0 r m i n 、9 0 0 r m i n 、1 2 0 0 r m i n 时z = 0