（机械制造及其自动化专业论文）立磨选粉机分级流场数值模拟与节能改造研究.pdf

摘要 为提高立磨选粉机的分级性能和改善其节能效果，本文采用数值模拟的 方法，对立磨选粉机内部的分级流场进行了研究和分析，通过对各种节能改 造工况下的流场特性进行对比研究，为立磨系统的节能改造提供了强有力的 技术支持。 在介绍立磨与立磨选粉机结构和工作原理的基础上，阐述了入磨物料特 性、入磨风量、喂料浓度、选粉浓度、转笼转速等工艺参数对选粉机分级性 能的影响，确定了选粉机分级粒径、成品产量、电机功率的计算方法，探索 出了一条适用于立磨选粉机分级流场的数值模拟方法。 在分析立磨选粉机结构和涡流分级原理的基础上，对立磨选粉机进行了 整机三维数值模拟，分析了立磨选粉机的气相压力场、速度场、湍流结构等 流场特性；通过对颗粒轨迹进行模拟跟踪，得出了立磨选粉机的分级效率； 最后，研究了转笼转速和系统风量对分级流场的影响规律，得到了立磨选粉 机的最佳参数匹配。 研究了立磨选粉机导流圈、分级环间距、转子叶片形状、转子叶片数目 等参数对选粉机分级性能的影响；通过对比分析不同参数下的速度场、压力 场、颗粒运动轨迹和分级效率等数据，确定了立磨选粉机的最佳改造方案； 同时对选粉机改造前后的能耗情况进行了数值模拟，对比分析了改造前后的 转笼电机功率，验证了节能改造方案的可行性。 参照数值模拟结果，设计出了s m g 5 5 0 0 立磨选粉机，并在设备安装期 间进行了调试实验，对其分级性能进行了分析，验证了数值模拟结果的正确 性。实验结果表明：经s m g 5 5 0 0 立磨选粉机改造后的生料立磨系统，在保 证产品质量8 0 p , m 筛余小于1 5 v o 的前提下，其产量可提升1 2 以上，同时其 单位能耗可降低1 1 。 关键词：数值模拟节能改造流场特性 立磨选粉机导流圈 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h ec l a s s i f i c a t i o np e r f o r m a n c ea n de n e r g ys a v i n ge f f e c t o fv e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e r ，t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so f v e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e r g r a d i n gr o o mb a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h r o u g hs t u d y i n gc o m p a r a t i v e l yt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c su n d e rv a r i o u s e n e r g ys a v i n gt r a n s f o r m a t i o nc o n d i t i o n ，t h es t r o n gt e c h n i c a ls u p p o r ti sp r o v i d e d f o rt h ee n e r g ys a v i n gt r a n s f o r m a t i o no fv e r t i c a lm i l ls y s t e m b a s e do ni n t r o d u c i n gt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fv e r t i c a lm i l l a n dv e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e r ，t h ei n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha st h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a li n t ov e r t i c a lm i l l ，t h ea i rq u a n t i t yi n t ov e r t i c a lm i l l ， t h ef e e d i n gc o n c e n t r a t i o no fm a t e r i a l ，t h eg r a d i n gc o n c e n t r a t i o no fp o w d e r ，t h e r o t a r ys p e e do ft u r nc a g eo nt h ep e r f o m a n c eo fc l a s s i f i e ri se x p o u n di nd e t a i lo n t h ep a p e r a l s ot h ec u ts i z eo fc l a s s i f i e r ，t h ep r o d u c t i o nv o l u m e ，t h ec a l c u l a t i o n m e t h o do fm o t o rp o w e ra r ea s c e r t a i n e d ，a n dt h ep a p e rh a se x p l o r e dan u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o dw h i c hi sf i tf o rt h eg r a d i n gf l o wo fv e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e r b a s e do na n a l y s e i n gt h es t r u c t u r ea n de d d yc u r r e n tc l a s s i f i c a t i o np r i n c i p l e o fv e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e r ，t h et h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e do n t h ew h o l ev e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e r ，a n dt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fv e r t i c a l m i l lc l a s s i f i e rs u c ha st h e g a sp h a s ep r e s s u r ef i e l d ，t h ev e l o c i t yf i e l d ，t h e s t r u c t u r eo ft u r b u l e n tf l o w sa r ea n a l y z e do nt h ep a p e r t h r o u g hs i m u l a t i n gt h e p a r t i c l e st r a je c t o r yt r a c k i n g ，t h e c l a s s i f i c a t i o n e f f i c i e n c y o fv e r t i c a lm i l l c l a s s i f i e ri s o b t a i n e d f i n a l l y ，t h ep a p e rg e tt h eb e s tp a r a m e t e r sm a t c h i n go f v e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e rb yr e s e a r c h i n gt h ee f f e c to fr o t o rc a g e sr o t a t i o n a ls p e e d a n ds y s t e me x h a u s tc a p a c i t yo nt h eg r a d i n gf l o wf i e l d i ti ss t u d i e dt h a tt h ee f f e c to fs t r u c t u r ep a r a m e t e r ss u c ha sd i v e r s i o nc i r c l e o fv e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e r ，g r a d i n gr i n gs p a c i n g ，r o t o rb l a d es h a p e ，t h en u m b e ro f r o t o rb l a d e so nt h ep e r f o r m a n c eo fc l a s s i f i e r t h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n d a n a l y s i so fi m p o r t a n ti n f o r m a t i o ns u c ha st h ev e l o c i t yf i e l d ，t h es t r e s sf i e l d ，t h e p a r t i c l et r a j e c t o r ya n dc l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，t h e b e s tt r a n s f o r m a t i o ns c h e m eo fv e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e ri sa s c e r t a i n a tt h es a m e t i m e ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fc l a s s i f i e rw a ss i m u l a t e db e f o r ea n da f t e rt h e 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 e n e r g ys a v i n gt r a n s f o r m a t i o n ，a n di t i sv e r i f i e dt h a tt h es c h e m eo fe n e r g ys a v i n g t r a n s f o r m a t i o ni sf e a s i b l ea f t e rt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h em o t o rp o w e r b e f o r ea n da f t e rt h et r a n s f o r m a t i o n w i t hr e f e r e n c et ot h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w eh a v ed e s i g n e dt h e v e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e rs m g 5 5 0 0 ，a n dc o n d u c t e dt h ec o m m i s s i o n i n ge x p e r i m e n t d u r i n gt h ep e r i o do fe q u i p m e n ti n s t a l l a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ec l a s s i f i c a t i o n p e r f o r m a n c e o fc l a s s i f i e ri s a n a l y z e d t o v e r i f y t h ea c c u r a c yo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h ev e r t i c a lm i l ls y s t e m w h i c hi st r a n s f o r m e db yv e r t i c a lm i l lc l a s s i f i e rs m g 5 5 0 0f o rr a wm a t e r i a l sh a s m o r e12 p r o d u c t i o na n dl e s s1 1 u n i te n e r g yc o n s u m p t i o nt h a no l do n ea tt h e p r e m i s et h a tt h er e s i d u eo ns i e v eo f8 0 u mi sl e s st h a n15 k e yw ords ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e n e r g ys a v i n gt r a n s f o r m a t i o n ；f l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i c s ；d i v e r s i o nc i r c l e ； 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题来源、研究内容及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于西南科技大学研究生创新基金项目立磨选粉机分级流场 的数值模拟与检测研究( 1 l y c j j 3 1 ) 和国家火炬计划项目( ( s l k 大型化矿渣 水泥分级装备研究( 0 9 c 2 6 2 1 5 0 2 3 3 0 ) 。 1 1 2 研究目的、内容及意义 1 1 2 1研究目的 随着我国对节能降耗的重视，国家制定了节能减排的政策方针。水泥生 产线粉磨作业需要消耗的动力占总动力的6 0 以上，因此成为节能减排的重 点对象。立磨系统是水泥粉磨工艺中的重要装备，随着大家对节能降耗的重 视，低产高能的立磨都需要通过升级改造来实现新的应用价值。立磨选粉机 是立磨系统的一个重要组成部分，立磨选粉机的性能直接决定着整个立磨系 统的效率和稳定性，因此，研发出性能良好的立磨选粉机是保证立磨高效率、 高产量、低能耗的必要条件，也是立磨节能改造的关键技术。 为了开发出高性能的立磨选粉机，首先必须对选粉机内部流场的分布规 律进行研究和分析，然后根据其内部流场特性，设计出分级精度好和分级效 率高的高性能风扫式涡轮选粉机。与此同时，探索出一条适合于立磨选粉机 的数值模拟方法，并将其应用于选粉机的气相数值模拟和颗粒相的数值模拟， 以此提高选粉机的分级性能。 因此希望通过本论文的研究，了解并掌握选粉机内部的流场特性及分级 作用机理；通过对不同转笼转速和系统风量下的分级室流场进行数值模拟研 究，得出立磨选粉机的最佳参数匹配；利用数值模拟对节能改造工况进行对 比分析，从而设计制造出分级效率高、处理量大、能耗低、适合立磨改造的 生料选粉机。 1 1 2 2 研究的主要内容 目前，涡轮离心式选粉机是广泛应用于立磨系统的选粉设备，具有效率 高、产量大的特点，但是对于涡轮离心式选粉机内部流场的认识还比较模糊。 因此，深入分析选粉机的内部流场，摸清气固两相的分离机理，对进一步提 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 高立磨选粉机的性能有着巨大的意义。本论文试图采用数值模拟的手段，研 究立磨选粉机内部分级流场的分布规律和气固分离特性，以此提升立磨选粉 机的分级效率和节能效率，使其符合水泥粉体分选细度的要求和大处理量的 特点，同时实现设备低能耗、高效率、高精度、大处理量、磨损小、分级质 量稳定的研究目标。为此，本论文主要展开以下研究工作： ( 1 ) 立磨选粉机结构与工艺参数分析 以强制旋转涡流分级、离心分级、迅速分级、惯性预分级等分级原理为 依据，在研究立磨和立磨选粉机的工作原理和性能参数的基础上，分析入磨 物料特性、入磨风量、喂料浓度、选粉浓度、选粉机转速等工艺参数对选粉 机分级性能的影响，并确定出选粉机分级粒径、成品产量、电机功率的计算 方法和计算公式。通过研究分析循环负荷与选粉效率之间的关联，确定立磨 选粉机与立磨性能的匹配关系。 ( 2 ) 分级流场数值模拟方法研究 立磨选粉机内的流场属于三维强旋转两相流场，流动比较复杂。因此， 通过分析不同网格划分方法优缺点、剖析不同湍流模型、离散格式、压力插 补格式、压力与速度耦合格式的应用场合的基础上，确定出一条适合于立磨 选粉机的数值模拟方法，以此来提高立磨选粉机内流场模拟的精度。最后， 通过分析气固两相间的作用、颗粒间的相互作用以及颗粒与固体壁面之间的 相互作用，选择合理的气固两相流求解方法。 ( 3 ) 立磨选粉机的整机数值模拟研究 以选粉机分级结构和涡轮分级原理为基础，应用f l u e n t 软件对立磨选粉 机进行整机三维数值模拟，首先分析立磨选粉机的气相流场，包括压力场、 速度场、湍流结构等特性，其次对选粉机内的气固两相流场进行耦合计算， 对颗粒轨迹进行跟踪，同时对选粉机的分级效率进行数值模拟，为鉴定选粉 机的分级性能奠定理论基础。最后，研究转笼转速和系统风量对分级室内流 场特性的影响规律，得出s m g 5 5 0 0 选粉机的最佳参数匹配。 ( 4 ) 节能改造工况的数值模拟分析 在立磨选粉机三维数值模拟的基础上，研究选粉机导流圈结构、分级环 间距、转子叶片形状、叶片数目等参数对选粉机分级性能的影响。通过对比 分析不同结构参数下的速度场、压力场、颗粒运动轨迹、分级效率等性能指 标，确定最佳的结构参数，为选粉机的节能改造提供技术支持。同时对选粉 机改造前后的能耗情况进行数值模拟，对比分析改造前后的转笼电机功率， 验证节能改造方案的正确性与可行性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 5 ) 实验研究与工程应用 借助于合作单位的综合实验平台进行实验研究和结构改进，对立磨选粉 机进行性能特性分析。在此基础之上，进行立磨选粉机的放大试验，设计工 程样机在生产线中进行工业试验考核，并进一步探索立磨分级机的不同操作 参数下的性能特性规律，为产品的工业化生产奠定基础。 1 1 2 3 研究意义 立磨是广泛应用于水泥行业的粉磨设备，它集粉碎与分级与一体，可应 用水泥生料、熟料甚至煤粉的粉磨。随着第三代涡轮离心选粉机的出现，高 效率、低能耗的的粉体分级成为必然。由于大部分立磨配备的选粉机多属于 分级效率低、单位能耗高的第二代选粉机，研究开发出一种新型高效的第三 代涡轮离心选粉机对立磨进行节能改造己成为水泥行业发展的必然趋势，因 此该课题具有广阔的应用前景。 在研究立式辊磨选粉机分级流场特性的基础上，研发出磨损小、节能效 率高的立磨选粉机。凭借其低能耗、高精度、高效率、大处理量、分级质量 稳定的性能优势，使其在立磨节能改造市场中占据牢固的领先地位。同时， 通过数值模拟使该设备具有良好分级适应性，能够满足工业大规模应用的立 式辊磨粉磨装备，技术水平达到国内领先水平。在国家可持续发展战略和科 学发展观的指引下，低能耗、高精度、高效率、大处理量、分级质量稳定的 立式辊磨选粉机必然具有良好的市场应用前景。 立磨选粉机是一种常用的粉磨设备，它的设计研究存在着诸多的难点。 立磨选粉机是一种涡轮流体机械，其内部流场属于“气固 两相流，此类装 备在设计和运行方面存在一定的复杂性，必须结合c f d 技术、多相流理论、 空气动力学等交叉学科知识来对其研究分析。长久以来，实验分析是研发新 型流体机械的首要途径，但工作周期长、设备投资大等客观事实成为制约实 验进行的主要因素。因此，本课题将采用“数值模拟 方法对该类设备内部 的流场流动进行分析研究。采用数值模拟这一手段，一方面可以真实再现立 磨选粉机内部的分级流场，另一面也可以对选粉机的流场、分级结构、工艺 参数等进行优化，对开发新型实用的立磨选粉机具有重大的指导意义。 1 2 粉体分级概述 物料颗粒被按粒径大小或颗粒类型( 如密度、形状等) 等进行大致分离 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 的过程称为粉体的分级，也称选粉。分级是一种常用的粉体深加工技术， 它为高速发展的人类社会提供了不同级配的粉体材料，是不可或缺的一门技 术。考虑到某些颗粒的形状非常复杂，按颗粒形状来进行的精细分级目前还 局限于实验室的研究，还无法实现产业化。因此，人们目前所说的分级一 般是指物料按照粒径大小所进行的分级。 1 2 1粉体分级原理 1 2 1 1强制旋转涡流分级 利用高速转笼旋转所产生的高强度旋转涡流来对物料进行分离的过程称 为强制旋转涡流分级。在强制涡流中，曳力、离心力、自身重力是颗粒所 受到的主要气体作用力，物料在这些力的综合作用下而被分级。一般而言， 选粉机的笼型转子是由若干叶片组成的，在选粉机的运行过程中，高速旋转 的转笼会使进入转子叶片的颗粒产生一定的切向速度。 若假定颗粒聊为球状，它的旋转半径为，则颗粒在强制涡流中所受到 的离心力可用式( 1 - 1 ) 来表示n ，。 只：聊堕：三蒯，3 ”堕( 1 - 1 ) 在转笼的径向方向，由于强制涡流的作用，离心力和气体曳力是颗粒受 到的主要作用力，这两个力方向相反。若某一粒径颗粒所受到的离心力和气 体曳力大小相等，则该颗粒会绕转轴作半径为r o 的旋转运动，若设该颗粒粒 径为如，则有n ，： f d = f c 扛( 卜2 c d 等= 吉彬”鲁 2 ) 化简式( 卜2 ) 得 丸：了3 c d 堡业掣( 1 - 3 ) r o 丸2 百c d 詈尹 式( 卜3 ) 中，( v v ，) 为气流与颗粒的径向速度差。 由式( 1 - 3 ) 可知，由于粒径为以。的颗粒所受到的离心力和气体曳力大小 是相等的，因此该粒径会绕强制涡流旋转运动。根据分级原理，大于该粒径 的颗粒由于受到较大的离心力而被抛向强制涡流的外边缘，在自身重力的作 用下逐渐下落；小于该粒径的颗粒由于受到较大的曳力而被抛向强制涡流的 内边缘，所以在分级理论中如称为切割粒径阳，。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 。1 2 惯性分级原理 如图1 1 所示，颗粒在主气流a j 的携带下通过喷射器高速进入到分级室， 后在辅助控制气流a 2 的作用下发生了运动方向的偏转。在较大的惯性力作用 下，粗颗粒的运动方向偏转量较小，最终被粗粉收集器收集；由于惯性大小 的不同，细颗粒和微细颗粒分别沿不同的轨迹从不同的出口排出。在此条件 下，影响分级粒径和分级精度的主要因素包括主气流的喷射速度、控制气流 的入射速度、出口位置和引风量等n ，。 、粗粉 畸 1 2 1 3 离心分级原理 若颗粒所受的离心加速度远大于重力加速度，则颗粒所处的力场为离心 力场。在该力场中，颗粒的沉降速度远大于重力场中的沉降速度，换句话说， 即便是粒径小的颗粒也可以获得比较大的沉降速度h 1 。 若某一颗粒在离心力场中的切向速度为u ，角速度为c o ，旋转半径为， 则在s t o k e s 沉降状态下，凡和乃分别为颗粒所受的离心力和介质阻力“，： c ：詈珥0 p j d b ：，：型茎鱼6 r 1 超 乃= k p d ；u ； 式中，甜，液体的径向运动速度。 ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 乃与c 的方向相反，均指向转动中心。当e 尼时，颗粒所受的总作用 力向外，发生离心沉降；反之，当c 0 7 ，则选粉机的性能非常优秀n 们n ”。 2 2 3 4 分级效率与循环负荷 研究者常把分级效率分为两种，一是细粉回收率，另一种是牛顿回收率 “1 。细粉回收率是指喂料中小于某一粒径颗粒的回收效率，牛顿回收率则是 指选粉机的细粉回收率与粗粉回收之和再减去1 0 0 所得的值。 若设选粉机的喂料量为f ，选粉机的粗粉量为r ，细粉量为g ，此外， 用r f ，r 。，r m 分别表示成品、粗粉、喂料中的某一粒径筛余( ) ，则可得 到细粉回收率r f 的计算公式为n ，： r ：gx(ioo-r：)100：(100-rf)!兰二!竺!(2-3f1 0 0 2 - 3 )r = 1 0 0 = 二兰墨) f x ( 1 0 0 一r 。) ( 1 0 0 一r 。) ( r 。一rr ) 在粉磨设备和选粉机组成的闭路粉磨系统中，粗粉丁通常作为回料再次 返回到磨机内进行重新粉磨，因此在这种情况下，把选粉机的循环负荷定义 为喂料量与成品量之比，即c = f g t “。国内对循环负荷的定义与国外不同， 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 2 页 常把回料量与成品量之比定义为循环负荷，即l = t g = c 一1 ，由此得出： c ：! ：坠二型( 2 - 4 ) g ( r 譬一r 。) 。 所以，在闭路粉磨系统中，循环负荷与细粉回收率的关系如下所示： r f ：( 1 0 0 - r ，) 1 1 0 0 ：( 1 0 0 - r s ) ! 一1 0 0 ( 2 - 5 ) ( 1 0 0 r 。) c ( 1 0 0 一r 。) 三+ 1 。 根据定义，牛顿回收率，r 可表示为： ，r = r f + r c 一1 0 0 ( 2 - 6 ) 式( 2 - 6 ) 中r c 表示粗粉回收率，即回料中所含的粗粉量与分级机喂料 量中粗粉量之比，灭c ：生里土1 0 0 ：堕l 1 0 0 。 r 。 c 月。 三+ 1 2 3 影响选粉机分级性能的工艺参数 立磨系统配备性能良好的选粉机，可以提高磨机产量、保证产品质量， 正确选择、使用设备，了解影响磨机产量、选粉机产量及产品细度的工艺参 数，并在生产实践对这些参数进行合理的控制，使其达到稳定高产，这对提 高企业的经济效益，保证产品质量达到国家水泥新标准具有十分重要的意义。 影响选粉机产量、产品细度的工艺参数很多，主要包括以下几个，。 2 3 1 入磨物料特性 入磨物料的特性、颗粒级配、含水量等将直接影响磨机的产量，同时也 是影响选粉机产量、产品细度的重要参数。 物料易磨性对立磨的影响非常大，不仅影响立磨的产量和比功耗，还会 影响立磨的最佳操作压力。若物料易磨性较差，则立磨的磨辊压力、输入轴 功率和单位功耗均将增加，若易磨性改善，则磨辊压力的最佳工作点会移向 较低处n 。当入磨物料基本性质确定下来后，物料的含水量就成为影响物料 性质的一个重要因素，为了达到立磨的稳定运行，应对入磨物料的水分进行 合理的控制，即要求入磨矿渣水分小于1 0 n 。 入磨物料粒度及组成是影响磨内料层稳定、选粉机产量、产品细度较重 要的一个工艺参数，对于矿渣粉磨，入磨粒度要求不大于2 5 m m 。根据经验， 大块物料占总物料的5 是允许的，比例大于5 时，物料在磨机内不易进行 粉磨，同时增加磨内循环负荷，造成吐渣增多，磨机振动加大n ”。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 3 页 2 3 2 入磨热风 入磨热风不仅对物料进行烘干，而且将粉磨后的物料带起送入选粉区域 进行分选，热风的风量、风速，磨内压差、出入磨风温等对选粉机的产量、 产品细度产生重要的影响”。 立磨在粉磨过程中要通入大量的热风来满足烘干的需要，烘干的风量正 比于磨机的产量，可以通过热平衡计算出来，风量的大小可用风机入口处的 仪器测定，风量过大过小都将对选粉机的产量、产品细度产生重要的影响。 在风速一定的情况下，如果磨内的风量增大，则选粉机的产量将增大，产品 细度将变粗；如果磨内的风量减小，则热风烘干能力不足，导致物料的水分 较大，从而出现严重的过粉磨现象，降低了选粉机的产量；通过改变风机的 风量可以改变压差及进出口的温度n “。 2 3 3喂料浓度和选粉浓度 喂料浓度指的是单位通风量中喂入选粉机的物料。选粉浓度是指选粉机 内单位通风量中的成品量。它与选粉机的喂料浓度不一样，但存在一定的关 系。两者可用下式换算n 口】 g = ( 1 + k ) c 式中：c 。一选粉机喂料浓度，水泥上限取2 5 ，生料上限取3k g m 3 c ，一选粉机选粉浓度，水泥取0 6 0 8 ，生料取0 9 1 2 3k g m 3 k 二粉磨系统循环负荷率， 对于笼式选粉机的代表，其设计选型一般按q = 2 5k g m 3 ，e = 0 8k g m 3 来计算。这是对水泥而言，对于生料，颗粒分散性好，粒径较粗，e ，可增 加至03k g m 3 ，c ，可增加至01 2k g m 3 。 2 3 4转笼转速 转笼转速是最直接影响选粉机产量、产品细度的重要参数。在实际生产 中，出磨风量是稳定的，该处的风速也变化不大，因此控制选粉机转速是控 制产品细度的主要手段，即通过改变转子的回转速度来改变产品细度，为此， 转子的驱动采用了变频调速系统，变频调速是以改变电机定子频率来达到电 机调速的目的，能根据转子负载的变化自动实现平滑的增减速，基本保持了 异步电机固有的转差率小的特点，是异步电动机最理想的调速方法，尤其适 合于流量不稳定、转速变化范围大的选粉机等负载，从目前的使用情况看， 变频调速是最好的控制产品细度的一种措施n “。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 4 页 2 4 选粉机参数计算及分析 2 4 1 产量计算 选粉机的生产能力是选粉机本身处理物料的综合能力，它不同于粉磨系 统的产量，但应与产量相匹配，如果选粉机生产能力满足不了系统产量要求 则将影响整个系统的生产，。立磨选粉机的规格一般以选粉机的通风量为标 志，选粉机的生产能力可按下式进行计算，： g w = 6 0 c w q l o o o 式中：岛一表示选粉机的喂料能力，讹 g 一表示选粉机的喂料浓度，k g m 3 q 一表示选粉机的通风量，m 3 m i n 只按喂料浓度来计算选粉机的产量是不全面的，这是由于喂料的细粉比 例也从一定程度上决定了选粉机的产量n “。所以选粉浓度也应该成为计算选 粉机能力的重要参数。以常用的o s e p a 选粉机来说，大多数情况下的选粉浓 度值c ，为0 6 0 8 k g m 3 ( 一般按平均0 8k g m 3 计算) 。由此可得到选粉机的产 量计算式如下】 q = 6 0 c x q l 0 0 0 式中：g ，一表示立磨选粉机的成品产量，t l l c 一表示选粉浓度，k g m 3 q 一代表选粉机的通风量，m 3 m i n 因此，选粉机能力的计算应以喂料浓度勺= 2 5k g m 3 和选粉浓度 c = 0 8 k g m 3 两个指标来进行计算“。 2 4 2电机功率计算 选粉机的电机功率主要是指运转功率，而运转功率主要用于克服转子叶 片回转时物料的阻力，该阻力也可认为是流体运动对阻碍物的推力。转子叶 片切割料幕时，相对速度圪近似于圪。因此，所有叶片的总阻力之和为钉： 矿2 f = c ，以( c 口+ ) 壬 z g 式中：p 一表示转子叶片回转时的总阻力，k g c ，_ 表示阻力系数，与r 。有关 4 厂表示转子叶片总面积，m 2 c 。一表示喂料浓度，k g m 3 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 5 页 一表示气体密度，k g m 3 圪一表示转子的线速度，m s 所以，消耗的功率r 为，： p n ：! 竖：g 鱼! 刍蔓2 匕： “ 1 0 0 2 0 0 0 选粉机在实际运转时还有机械摩擦消耗，因此选粉机的实际功率尸。可以 按下式计算】 昂= k p dk w k 值应该从实际选粉机运转功率反求得出。根据一些高效笼式选粉机的 计算统计k 值波动于1 1 1 4 2 ，上限平均值为1 3 ，所以需用功率尸。的计算 式为：只= 职k 形h “。 2 5 本章小结 本章首先对立磨和立磨选粉机的结构与工作原理作了一定的介绍；在此 基础上，对评价选粉机分级性能的几个技术指标进行了相关阐述；同时，通 过参考相关文献，对影响选粉机分级性能的工艺参数进行了研究和分析；最 后，通过分析选粉机的工作原理，给出了选粉机成品产量和电机功率的计算 方法。通过本章的分析与研究，主要得出以下结论： ( 1 ) 立磨主要由主电动机、磨辊、磨盘、液压加压装置、壳体和选粉机 等部分组成，选粉机性能的优良在一定程度上决定了立磨的性能，要充分挖 掘立磨系统的潜能，必须要有一台处理能力与立磨生产能力相当的选粉机， 且该选粉机要具有较高的选粉效率和较强的处理能力。 ( 2 ) 立磨选粉机主要由导风叶片、转笼转子、导料装置和传动系统组成， 转笼转子的结构优化是立磨选粉机节能改造的重要手段。选粉机的分级性能 主要通过分级粒径、分级精度、分级效率与循环负荷、能耗等方面的性能指 标来综合体现。 ( 3 ) 入磨物料特性、入磨热风、喂料浓度和选粉浓度和转子转速等工艺 参数在一定程度上影响了选粉机的分级性能，在生产实践中对这些参数进行 合理的控制，可使立磨选粉机达到稳定高产。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 6 页 3 数值模拟方法研究 立磨选粉机内的流场属于三维强旋转两相流场，流动比较复杂。为了提 高立磨选粉机内流场模拟的准确度，首先必须探索出一种适合于立磨选粉机 的数值模拟方法。该方法主要包括湍流模型、网格划分方法的择优选择，还 包括对流项差分格式、压力梯度插补格式和速度压力耦合方式的选取应用。 对于固相，必须考虑气固两相间的作用、颗粒间的相互作用以及颗粒与固体 壁面之间的相互作用，选择合理的气固两相流求解方法，以此提高两相耦合 求解的精度。 为建立正确、合理的有限元模型，本章首先介绍了网格划分的常用方法 和划分网格时应考虑的一些基本原则。网格划分是建立有限元模型的一个重 要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分网格的质量对 计算精度和计算规模将产生直接影响。 其次，本章将对立磨选粉机数值模拟中的各环节作了详细介绍，包括适 用于涡流选粉机的湍流模型、网格的生成、计算方法、差分格式以及压力插 补格式等内容，通过分析，选择合适的数值模拟方法。 最后，本章对立磨选粉机颗粒相的数值模拟方法进行了相关探讨，着重 分析了颗粒在流场中的受力以及颗粒轨迹的计算方法。同时对气固两相之间 的作用、颗粒间的相互作用以及颗粒与固体壁面之间的相互作用进行了一定 的研究。 3 1 网格划分方法 3 1 1自由网格划分 自由网格划分是一种高度自动化的网格划分方法，它在面上可以自动生 成三角形和四边形网格，在体上自动生成四面体网格。通常情况下，可利用 a n s y s 的智能尺寸控制技术来自动控制网格的大小和疏密程度，也可进行人 工设置网格的大小来控制网格的疏密程度，特别是当研究模型比较复杂时， 采用这种网格划分方法非常方便拍”“1 。然而，它也有一些缺点，比如网格单元 数量相当大，增加了计算量，降低了计算效率；此外，采用该方法划分三维 复杂模型时，只能生成计算性能较差的四面体单元。如果强制采用六面体单 元，则该方法将六面体单元当作阶次一致的四面体单元，所以，采用该方法 划分网格时，一般不选用六面体单元，因为退化后单元为四面体，刚度过高， 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 7 页 导致计算精度很差；采用二次的六面体单元可以有效地提高求解效率，由于 二次六面体单元的节点数与原型六面体单元一致，所以可以采用t c h g 命令 来减少每个单元的节点数量“。但有的时候，只能用退化的六面体单元来划 分模型的网格，如在混合网格划分中，必须按六面体单元来生成金字塔过渡 单元。由于立磨选粉机的流场模型形状相对复杂，因此对于许多不重要的流 体区域，经常采用自由网格划分方法来对其进行划分 5 0 - 5 4 ，。 3 1 2 映射网格划分 当计算模型的形状比较规整时，经常采用映射网格划分方法。该方法的 特点是：对于对象面，必须是四边形面，且网格划分的节点数须与边上的一 致，这样才能保证形成的单元为四边形：对于对象体而言，必须是六面体， 同时线和面上的网格节点数须保持一致 5 0 - 5 4 ，。 碰到相对较为复杂的三维流体模型，通常利用a n s y s 的d e s i g n m o d e l e r 将对象切割成各个单独体，然后把这些已经切割好的体进行映射网格划分。 显然，这种方式的网格划分比较琐碎，需要耗费大量的时间和精力。如果一 个面进行了三角形映射网格划分，则可以为包含该面的体提供自由网格划分 的服务，进而可以使体的网格划分更加多样化。这种在进行体网格划分前在 其面上先划分网格的方式对很多复杂模型可以进行良好的控制。例如在对立 磨选粉机的导风叶片和转子叶片区域划分网格时，可以采用该方法m “，。 3 1 3扫描划分 扫描网格划分主要是指通过旋转、扫描、拉伸手段对模型进行网格划分 的一种方法。该方法应用广泛，难度低，容易实现，凭借其独特的优势，被 多数c a d 软件和有限元前置处理软件所采用。但是这种方法只适合于形状 简单的三维物体，且主要靠人机交互来实现，自动化程度低；当创建六面体 网格时，先划分源面再延伸到目标面，其它面叫做侧面，扫描方向或路径由 侧面定义，源面和目标面问的单元层是由插值法而建立并投射到侧面。为使 可扫描体得到共形网格，体应组装进多体部件 5 0 - 5 4 ，。 如果某一复杂的三维流体模型是通过拖拉、旋转、偏移等命令产生的， 则可以先在模型的原始源面上划分面网格，然后利用该面自动生成实体网格； 若该流体模型已经生成，且在某一方向上的拓扑结构具有一致性，通常可以 用扫掠网格划分方法来对模型进行网格划分；以上两种方式所生成的单元体 都具有良好的计算性。扫掠划分网格是目前较好的一种网格划分方法，目前 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 8 页 被广泛应用于各类复杂实体的划分；对于较为复杂的模型，也只需经过简单 的切割处理，即可采用扫掠网格划分方法1 5 0 - s 4 ，。 3 1 4 混合网格划分 混合网格划分，顾名思义，即是采用各种网格划分方法( 如自由、映射、 扫掠等) 对流体计算模型进行网格划分的方法。采用混合网格划分方法时， 必须对计算精度、计算时间、建模工作量等进行综合考虑，权衡利弊。如果 模拟要求较少的计算时间和较高的计算精度，采用扫掠和映射网格划分来生 成六面体网格是最佳的方法，因为六面体网格具有良好的计算性1 5 0 - 5 4 ，。如果模 型无法直接进行扫描或者映射生成六面体网格，则尽量通过切割该模型来生 成不同的体区域，然后再将体区域划分成六面体网格；如果流体模型经过切 割也根本无法进行六面体网格划分，则采用具有中节点的六面体面网格划分， 并用自动生成的金字塔来作为六面体和四面体网格之间的过渡 6 0 - 5 4 ，。 3 1 5自适应网格划分 目前，自适应网格技术广泛应用于各行各业的数值模拟，受到国际研发 学术界和相关部门的高度重视，成为网格划分方法的研究热点。自适应网格 方法是指在数值计算中，网格自身根据迭代结果不断调节、不断细化的一种 。网格划分方法。该方法可使网格分布与物理解具有耦合的一致性，进而提高 数值解的精度和分辨率“。自适应网格可以在物理解变动较大、要求较高的 区域自动加密，在物理解变化平稳的地方自动变稀疏。采用该方法既可以提 高解的精度，也可以保证模拟计算的效率。自适应网格划分主要包括移动网 格方法和局部细化或粗化的网格划分方法晦“。 在a n s y sm e s h i n g 中，可以根据分析的类型自动地对网格划分带来的误 差进行自动估计，通过这种方法的误差估计，可以确定网格的细度是否合理， 然后通过一系列的求解方法来降低误差。自适应网格方法可用于立磨选粉机 分级区域的网格划分，对提高模拟精度和计算效率具有重要价值1 5 0 - 5 4 ，。 3 2 气相流场模拟方法 3 2 1湍流模型 ( 1 ) 标准k s 模型 由于具有适用范围广、经济、合理的精度等优点，标准七一s 模型自从被 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 9 页 l a u n d e r 等人提出乙后，就变成工程流场计算中主要的工具，该模型在工 业流场和热交换模拟中有着广泛的应用。k 方程是个精确方程，8 方程是个由 经验公式导出的方程临”。 该模型中k 和s 的输运方程分别为m 删： _ o ( p k ) o t + 毒( 以七) = 毒p 万差o x 】+ q 一舻 ( 3 - 1 ) 徼。呶。 “ o ( p e ) o t + 毒( p s ) = 丢盹u 盯毒】+ 竿g 。一e ：p 譬 ( 3 - 2 ) m ia ) c ；“o x ； kk 式中：q 一湍能体积生成率，g = 以l 0 叙u , + o 叙u _ _ _ z ，jo a 9 c u j , p 万一有效粘性系数，p = b t + l 比， 以一湍流速度，“= q p 等 其余系数c 舢= 0 0 9 ，= 1 0 ，e l = 1 4 4 ，e 2 = 1 9 2 ( 2 ) r n g 七一s 模型 r n gk s 模型是把重整化群方法引入到标准k s 模型而发展起来的一 种湍流模型，它是由y a k h o t 和o r s z a g 惭，在标准k s 模型的基础上改进而来 的。通过修正湍动粘度，r n gj j 一s 把平均流动中的旋转及旋流情况都考虑 了进去 5 7 - $ 9 ，。相比标准k s 而言，r n gk s 模型能较好地处理高应变率及流 线弯曲程度较大的流动m “1 。 r n gk s 模型中k 和的控制方程如下所示哺“9 】 _ 0 ( p k ) + 要( p u 七) ：p 够i o k 】+ g i 一胪 ( 3 3 ) o tox；axi 0 x i 掣o t + 三i s