CN2142757Y - 高效节能旋转流体机械 - Google Patents

Abstract

一种在选矿、选煤、钻井等领域中用于分级、脱 泥、浓缩等作业上的(也可用于除尘)高效节能旋转流 体机械。它由入料管、旋流室、粗料管、细料管四部分 组成，入料管设在旋流室的筒壁边缘处，粗料管设在 旋流室的中心轴线处。此旋转流体机械具有效率高、 耗能低、使用寿命长、重量轻等优点，其分级效率和分 级质量也大大提高。

Description

本实用新型是在选矿、选煤、钻井等领域中用于分级、脱泥、浓缩、除尘等作业上的旋转流体机械。

目前国内外普遍使用的水力旋流器（图1），它是由入料管（1）、溢流管（2）、旋流室（3）、园锥体（4）、沉砂管（5）组成，入料管（1）设在旋流室（3）的筒部边缘并和筒壁相切；溢流管（2）设在旋流室（3）的顶部；园锥体（4）设在旋流室（3）的下部；园锥体（4）的底部接沉砂管（5）。除入料管（1）外，整个旋流器是以Z－Z轴为中心的迥转体。流体从入料管（1）以速度V₁沿旋流室（3）的筒壁的切线方向进入旋流室（3）后，由于离心力和重力的作用，流体将向下作螺旋运动，当运动到园锥体（4）时，由于锥壁的作用流体还要作向心运动，其运动半径越来越小，当运动到沉砂管（5）后，一部分流体从沉砂管（5）排出，剩余部分在流体内部压力的作用下会自下而上的作螺旋运动，从溢流管（2）排出。因此，旋流器稳定工作时，其内部有“下降流”、“上升流”两股流体。旋流器内任意一点处流体的速度V都可以分解为切向速度V_t和铅垂速度V_Z、径向速度V_r（图2），并且：

V²＝V² _t＋V² _r＋V² _Z（1）

旋流器稳定工作时，作用于流体上所有外力对中心轴之力矩和为零，否则流体将作加速或减速旋流运动。在旋流器内半径为r处任取一正六面微园体（图3），其径向截面积为ds、厚度为dr、内侧面上正压力为P、切应力为τ、外侧面上正压力为：P＋dq、切应力为τ＋dτ，应用动量矩定理得：

（τ＋dτ）·dS·（r＋dr）－τ·dS·r＝0        （2）

略去高阶微量dτ·dr，积分得：

Inr＋Inτ＝C₁

即：r·τ＝C₂（3）

其中：C₁－积分常数；C₂－常数。

将入口处的边界条件r＝r₁、τ＝τ₁（r₁－旋流室半径；τ₁－旋流室内壁与流体之间的切应力）代入得：

C₂＝r₁·τ₁（4）

所以r·τ＝r₁·τ₁（5）

用牛顿摩擦力公式：τ＝－μ (dv_t)/(a_r) （μ－流体的粘性系数）

代入上式得：r·（－μ (dv_t)/(d_r) ）＝r₁τ₁

dV_t＝－μ 1/(μ) r₁·τ₁(d_r)/(r) （6）

积分得：V_t＝－ 1/(μ) r₁·τ₁Inr＋C₃（7）

C₃－积分常数。用入料口处的边界条件r＝r₁、V_t＝V_t1＝V₁（V_t1－入料口处流体的切向速度），代入上式得：

C₃＝V₁＋ (r₁τ1)/(μ) Inr₁

所以：V_t＝V₁＋ (r₁τ₁)/(μ) In (r₁)/(r) （8）

由上式得出，旋流器内流体的切向速度V_t随r减小而增大。

在旋流室内任取半径为r，高为h（r＞溢流管、沉砂管的半径）的园柱形假想筒体，其侧表面积S＝2πrh。使旋流器内所有流体均需经过表面积S进入假想筒体。然后再从溢流管和沉砂管排出。设旋流器通过的流量为Q，则流体的径向平均速度：

V_r＝ (Q)/(S) ＝ (Q)/(2πrh) （9）

V_r和r成反比，其方向指向中心轴。

旋流器稳定工作时，筒壁边缘的外层流体为“下降流”，内层为“上升流”，两股流之间必然有一铅垂速度V_Z＝0的分界面（图1z截面处V_Z所示）。如设向下的V_Z为正值。则V_Z随r的减小而减小，分界层处V_Z＝0。分界层内V_Z为负值，分界层为一迥转曲面（图1的ABC迥转面）。

设有一直径为d、密度为ρS、与中心轴之距离为r的园球形固体物料。设介质流体的密度为ρ，ρS＞ρ。固体物料的切向速度：

V^′ _t＝V_t－V_tC＝V₁＋ (r₁τ₁)/(μ) In (r₁)/(r) V_tC（10）

V_tC－物料与介质流体的切向相对速度。

固体物料所受的惯性离心力为（图4所示）：

F＝ (πρ_Sd³)/6 1/(r) V^′ _t ²＝ (πρ_Sd³)/6 1/(r) （V_t－V_tC）²（11）

根据流体力学的阻力公式，物料所受的向心推力（即主动阻力）为：

R₁＝φρd²V_rC ²（12）

φ－介质流体对物料的阻力系数；V_rC－物料与介质流体在径向的相对速度。

当R₁＜F时，物料处于“下降流”层，最后从沉砂管中排出；当R₁＞F时，物料作向心运动，运动半径越来越小，当进入“上升流”层时，就随上升流从溢流管中排出；当R₁＝F时，物料径向受力平衡，物料将处在特定的半径上作旋流运动，此时物料的径向速度V^′ _r＝0，物料与介质流体的径向相对速度为：

V_rC＝V_r＝ (Q)/(2πrh) （13）

对于雷诺系数R_e＜1，d＜0.5mm的小颗粒物料，应用斯托克斯阻力公式，即：R₁＝3πμdV_rC（14）

由R₁＝F得：3πμdV_rC＝ (πρ_Sd³)/6 · 1/(r) （V_t－V_tC）²用（7）、（13）式代入得：

$d=\frac{3}{v_1+\frac{r_1{\mathrm{\τ}}_1}{\mathrm{\μ}}\mathrm{In}\frac{r_1}{r}-v_{\mathrm{to}}}\sqrt{\frac{\mathrm{\μQ}}{{\mathrm{\π\ρ}}_{S}h}}----\left(15\right)$

当流体性质一定、旋流器稳定工作时，V₁、r₁、τ₁、μ、V_tC、ρ_S、Q、h基本不变，可 视为常数，d是r的函数，由（15）式得，大颗粒物料分布在r较大的地方，只有小颗粒和低密度的物料才有可能进入r较小的“中心区”。r越小的地方，物料的粒度就越细，比重就越轻。q为物料在介质中的重力加速度，G为物料在介质中的重力。则：

G＝ (πd³)/6 （ρS－ρ）q （16）

介质流体对物料在铅垂方向向上的阻力为：

R₂＝φρd²V_ZC ²（17）

当物料刚从入料口水平地进入旋流室时，物料和介质流体的下降速度相等，此时V_ZC＝0、R₂＝0。由于ρ_S＞ρ，G将使物料加速沉降，使V_ZC＞0、R₂＞0，当R₂＝G时，物料在铅垂方向受力平衡，此时物料的沉降速度最大。

V^′ _zmax＝V_Z＋V₀（18）

V₀－物料在静止介质流体中自由沉降时的终速。当d、ρ_S较大时，物料下降到园锥体（4）处，由于R₁＜F，物料将紧贴锥壁运动，此时F可分解为正压力F₁和平行于锥面母线向上的分力F₂（图5所示），

F₁＝FCosα＝ (πρ_Sd³)/6 · 1/(r) （Vt－V_tC）²Cosα

＝ (πρ_Sd³)/6 · 1/(r) （V₁＋ (r₁τ₁)/(μ) In (r₁)/(r) －V_tC）²Cosα （19）

F₂＝Fsinα＝ (πρ_Sd³)/6 · 1/(r) （V₁＋ (r₁τ₁)/(μ) In (r1)/(r) －V_tC）sinα（20）

α－园锥体（4）的半锥角。

F₂－阻碍物料沉降，增加物料的沉降时间。实践证明，旋流器的磨损量为： △W＝KV_CF₁（21）

K－比例系数；V_C－物料对筒壁的相对运动速度。如果略去物料的径向速度V_r、铅垂速度V_Z不计，则V_C＝V^′ _t，所以：

△W＝KV^′ _tF₁＝K (πρ_Sd³)/6 · 1/(r) （V₁＋ (r₁τ₁)/(μ) In (r₁)/(r) －V_tC）³Cosα （22）

由上式可看出，r越小，磨损量越大，所以旋流器的园锥体下部，特别是沉砂管部位磨损非常快。当ρ_S或d较小时，由于R₁＞F，物料首先向下作向心旋流运动，r不断减小，当运动到分界层时，V_Z＝0，但物料仍具有一定的沉降速度，只有运动到“分界层”以内时，介质流体开始具有一定的上升速度并不断增大，使V_zC增大，R₂也增大，当R₂＞G时，物料逐渐由沉降运动变为上升运动，最后从溢流管排出。可见，进入溢流管的物料在旋流器中都必须经过从沉降向心旋流到向心旋流上升的运动过程，因此进溢流管的物料必须克服惯性离心力和重力的双重作用的运动，这必定消耗更多的能量，由以上分析可得出，现有的旋流器存在着耗能多，效率低、磨损快、因而寿命短，分级质量不高的缺点。

本实用新型旨在提供一种高效节能，并能提高分级质量及使用寿命的旋转流体机械。

本实用新型“高效节能旋转流体机械”是这样实现的，它由入料管（1）（见图6），筒壁为园柱形或锥角不大的园锥台形的旋流室（2）；轴线为渐开线、曲线或直线，截面为长方形或长方形渐变成园形的粗料管（3）；横截面为园形的细料管（4）四部分组成。入料管（1）设在旋流室（2）的筒壁边缘并和筒壁相切；粗料管（3）设在旋流室（2）的底板和筒壁的交线处，并和筒壁相切，出口方向和流体的速度方向一致；细料管（4）设在旋流室（2）的底板中心轴线处，也可以设在旋流室（2）的顶部中心轴线处。

本实用新型“高效节能旋转流体机械”由于没有园锥体部分，从而旋流器的高度尺寸大大减小了，重量也减轻了。由于粗料管（3）、细料管（4）都设在旋流室（2）的底部，因此旋流器内无上升流，外力无需克服重力作功，减少了能量的消耗，旋流器的效率大大提高了，即使细料管（4）设在旋流室（2）顶部中心轴线处，由于没有下锥体部分，其效率也比现有的旋流器高，磨损也轻，粗料管（3）设在旋流室（2）的底部边缘，粗料流体的旋流半径较大，因此其旋流运动速度比现有旋流器要小得多，那么物料的惯性离心力也小得多，筒壁的磨损可大为减轻，这就大大提高了旋流器的使用寿命。由于粗料流体的运动速度降低，其所消耗的机械能减少了，因此本实用新型旋流器必定是高效、节能的；由于旋流室（2）的底板和筒壁的交线处是粗粒物料及高密度物料的集中地，因此粗料管（3）设在此更能符合分级的要求；由式（15）可知，只要选定适当的参数，粗粒及高密度物料很难进入“中心区”，只有细粒、轻质物料才有可能被向心旋流带入“中心区”，因此细料管（4）设在旋流室底板中心轴线处是不会引起跑粗的。当旋流器中是两种不同的流体时，比重大的流体将从粗料管中排出，比重轻的流体将从细料管中排出，因此本实用新型也可以用来分离比重不同的两种流体，综上所述，本实用新型“高效节能旋转流体机械”具有高效率、低消耗、节能、使用寿命长、分级质量好、机械小巧、重量轻等优点。

附图1为现有国内外普通使用的旋转流体机械的结构示意图及旋流器内流体的铅垂速度示意图。

其中：1－入料管；2－溢流管；3－旋流室；4－园锥体；5－沉砂管；V_Z－旋流器内流体的铅垂方向的分速度。

附图2为旋流器内流体的径向速度V_r、切向速度V_t以及径向、切向速度的合成速度示意图。

附图3为旋流器内任一截面z、半径为r处所取的正六面微元体的受力分析图。

附图4为物料在旋流器内的受力分析图。

附图5为物料作用于旋流器园锥体筒壁处惯性离心力的分解示意图。

附图6为本实用新型“高效节能旋转流体机械”的结构示意图，其中：1－入料管；2－旋流室；3－粗料管；4－细料管。

附图7为本实用新型“高效节能旋转流体机械”的A－A向剖视图及旋流室内流体的径向速度V_r、切向速度V_t、以及它们的合成速度V_tr的示意图。

附图6为本实用新型“高效节能旋转流体机械”的一个最佳实施例。旋流室（2）为园筒形；入料管（1）设在旋流室（2）的筒壁边缘并和筒壁相切；截面为长方形的沉砂管（粗料管）（3）设在旋流室（2）的底板和筒壁的交线处，并和筒壁相切，出料方向和旋转流体的速度方向一致；截面为园形的细料管（4）设在旋流室（2）的底板中心轴线处。物料与介质流体由入料管（1）进入旋流室（2）后，便在旋流室（2）内作旋流运动，粗、重物料分布于旋流器内半径较大的地方，并沿旋流室（2）的筒壁向下旋流，最后从粗料管（3）排出，成为粗料产物；细、轻颗粒物料受向心介质流体的作用，将作向心旋流运动，最后从细料管（4）排出，成为细粒产物。

Claims (2)

1、在选矿、选煤、钻井等领域中用于分级、脱泥、浓缩、除尘等作业上的高效节能旋转流体机械。它由入料管(1)、旋流室(2)、粗料管(3)、细料管(4)四部分组成，其特征在于入料管(1)设在旋流室(2)的筒壁处，并和筒壁相切；旋流室(2)的筒壁为园柱形或锥角不大的园锥台形；轴线为渐开线、曲线或直线，横截面为长方形或长方形渐变成园形的粗料管(3)设在旋流室(2)的底板和筒壁的交线处，并和筒壁相切、其出口方向和流体的速度方向一致；横截面为园形的细料管(4)设在旋流室(2)的底板中心轴线处，也可以设在旋流室(2)顶部中心轴线处。

2、根据权利要求1所述的高效节能旋转流体机械，其特征在于它是用金属材料制作，也可以用非金属材料制作。

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