一种新型水力旋流器的设计

刘 坤

（青岛科技大学机电工程学院）

旋流器的基本原理是将具有一定密度差的液-液、液-固及液-气等两相或多相混合物在离心力的作用下进行分离［1］。现有的水力旋流器存在两个问题：切线形进料管直接向旋流器内进料容易造成进料口处流体的扰动和湍动，由于流体的转向损失和涡流损失引起局部能量损耗较大；溢流管深入分离腔长度固定，无法根据不同待分离流体的属性调节以达到最佳分离效果，使用灵活性较差。针对上述两个技术问题，设计了一种可调节的双螺旋进水路水力旋流器。

1 设备主要结构

该新型水力旋流器的主要结构如图1所示，在原有的锥形体上部开口处插入一导流器，导流器与上端盖和下部锥形体通过法兰连接，上端盖的侧壁上连接着进料管。导流器的结构如图2所示，其外壁上对称设有使待分离流体从上部容腔进入锥形体内腔的两个螺旋状导流槽，导流器的中心处设有溢流管插孔，插孔下部的内壁和溢流管下部的外壁上设有可相互连接的螺纹，溢流管上部外壁标有刻度，可根据分离要求旋转溢流管改变深入锥形体内腔的长度。此外还可以拆卸更换另外的相同外径但不同壁厚（不同内径）的溢流管，以达到所需的分离效果。

图1 新型水力旋流器结构示意图

图2 导流器与溢流管结构

2 水力旋流器的主要结构参数

2.1 柱段筒体尺寸

水力旋流器柱段筒体的直径与其处理量成正比，且影响待分离流体的向心流速和固相分离粒度［2］。一般在对粗颗粒进行分级时采用大直径筒体旋流器，反之则使用小直径筒体旋流器获得细溢流，但易发生堵塞。所以在相同的工艺指标下，优先使用大直径的水力旋流器［3］；现阶段关于柱段筒体长度对水力旋流器性能影响的研究较少，文献［4］指出随着柱段筒体长度的增加，旋流器内腔变大，流体在其内部停留的时间变长，这将提高旋流器的分离效率和生产能力，并降低能耗。文献［5］推荐的柱段筒体长度H为（0.7～2.0）D，其中D为旋流器直径，用于固液分离的水力旋流器柱段筒体长度应适当取大值。

2.2 进料口直径

增加进料口直径会提高水力旋流器的生产能力并增大分离粒度，还可能减少磨损，文献［6］给出的标准固液水力旋流器进料口直径de为（0.13～0.29）D。

2.3 溢流口直径

溢流管是水力旋流器实现分离的重要通道，其管口直径影响旋流器的分离性能，包括分流比、入口进液量和溢流口处的能量损失。其结构形式一般有薄壁直圆管、厚壁直圆管、带锥角的渐扩管及虹吸式薄壁直圆管等［7］。一般情况下，溢流口直径越大，分离粒度越大，生产能力增加，但分级效率有所降低。溢流口的直径应稍大于进料口直径，一般取do为（1～2）de［8］。

2.4 底流口直径

随着底流口直径的增大［9］，水力旋流器的压降也随之增大，这会使底流口流体浓度降低。行业标准规定的底流口直径du为（0.15～0.25）D［10］。底流口直径应小于溢流口直径，前后两者比值即排口比是影响水力旋流器性能的重要参数之一，它可以改变分流比和固相分离效率。排口比的范围应在0.15～1.00之间，如果仅考虑分离效率的要求，则分离效率最大时所对应的最佳排口比范围一般在0.35～0.60之间。

2.5 水力旋流器锥角

旋流器的锥角影响待分离流体向下流动的阻力和分级自由面的高度，小的锥角更有利于壁面上的粗颗粒向下进入底流管，但锥角过小容易引起底流口的磨损与堵塞［11］。推荐固液分离用水力旋流器采用小锥角，即α≤15°［12］。

2.6 溢流管深入长度

在一般的水力旋流器中，溢流管要深入到进料口底部平面以下的范围，否则将会出现严重的短路现象。深入长度过大会在溢流管附近形成大面积的湍流现象，进而影响等密度曲线的分布；随着深入长度的减小旋流器的生产能力会有所增大，分离粒度变小，推荐的最佳溢流管深入长度l为（0.33～0.50）D［13］。需要注意的是，旋流器工作时会有一部分底流口流体往旋流中心处聚集并向上运动（在上升时会再次进行分选），这便会使旋流器内部产生自下而上的闭环式涡流，涡流的一部分会进入溢流管污染溢流［14］。

2.7 溢流管壁厚

有研究表明增加溢流管的壁厚可降低水力旋流器内部的能量损失，并且能在一定程度上提高分离效率和生产能力。故设计时可以适当增加溢流管的壁厚，溢流管外径只要不大于D-2de即可。将溢流管外壁做成环齿形还有助于提高旋流器的分离精度［15］。

3 水力旋流器主要结构设计

3.1 水力旋流器开口计算

要求预处理废切削液量为1.5m3，查阅资料拟使用FX-75水力旋流器的规格标准［10］进行计算。

若D=75mm，则无导流器时柱段筒体长度可取1.5D，即为75×1.5=112.5mm。设计导流器长27mm，结合上述计算将旋流器柱段筒体总长度设计为142mm，导流器上方35mm，下方80mm。旋流器进料口直径范围为（0.13～0.29）D，即9.75～21.75mm。考虑到所用316L不锈钢无缝管的规格尺寸，先暂定取18mm，结合之前尺寸要求，假定溢流口直径为25mm。底流口直径范围为（0.15～0.25）D，即11.25～18.75mm，考虑到排口比要求，取14mm。

3.2 水力旋流器处理能力

评价一个水力旋流器处理能力Q最常用的判断标准是其体积流量，即水力旋流器单位时间内处理的物料体积量。质量流量是指水力旋流器单位时间内处理物料的质量，一般使用较少［16］。处理能力计算式如下：

其中：

式中 D——旋流器直径，cm；

de——进料口直径，cm；

do——溢流口直径，cm；

KD——旋流器直径系数；

Kα——旋流器锥角系数；

Pe——进口压力，MPa；

α——旋流器锥角，（°）。

标准规定FX-75水力旋流器的计算处理能力范围是5～10m3/h，并且所有用于分级、浓缩或脱泥的水力旋流器在进料口处的流速一般在5～12m/s范围内，由此可知以上各设计数据选用合理。

4 固液三相流场的数值模拟

使用UG建立本次水力旋流器内部流体三维模型，如图3所示，导出为Parasolid文本文件，之后用ICEM进行网格的划分。因为本次要研究水力旋流器内部的流场，且流体为多相介质耦合，所以选用Fluent进行计算［17］。在Fluent中设定边界条件与各相参数并进行模拟。

图3 设备内部流体三维模型

湍流模型选用k-epsilon（2 eqn），并选用RNG子模型，勾选Swirl Dominated Flow（旋流）项。工程上一般使用雷诺应力（RSM）模型计算水力旋流器，但本次只研究水力旋流器在不同溢流管结构参数下对同种物料的分离效果，因此标准kepsilon（2 eqn）模型中的RNG子模型完全可以胜任本次研究工作。

所需分离流体为水-油-固体杂质颗粒三相耦合，油的体积分数为10%，要求进料口流量为100L/min，可得入口流速为6.5m/s，根据某公司提供的实验数据，固体杂质颗粒最小直径为4μm，最大直径为42μm，平均直径为16.2μm。

边界条件设置如下：

a.入口边界条件类型为velocity-inlet（速度入口），速度大小根据流量计算得出，油的体积分数为10%，在Multiphase中设置Volume Fraction（入口体积分数）为0.1；

b.将溢流面、底流面的边界条件类型均设置为pressure-outlet，不编辑数值；

c.壁面边界条件，流体流动边界设为无滑移固壁条件，并使用标准壁面函数法计算流体在固壁附近的流动。

首先在相同条件下对无导流器和有导流器的两个水力旋流器进行水流试验，进口速度取6.5m/s，内部流场截面压力分布如图4所示。

由图4可以看出，水流通过进料管进入旋流器后产生了旋流。对比图4a、b可以看出导流器可以使内部流场更加稳定，旋流效果更好。

图4 相同条件下有、无导流器内部流场截面压力分布

在同种边界条件下，对溢流管深入长度不同的水力旋流器内部流场进行模拟分析，内部流场截面速度分布如图5所示。

由图5可以看出，当溢流管深入长度为0.9倍柱段（导流器下方）长时，附近形成了较大面积的湍流现象；随着溢流管深入长度的减小，达到0.7倍柱段长时，旋流器内部流场下方有些许扰动，总体趋于稳定；达到0.5倍柱段长时，内部流场最为稳定；而再减小至0.3倍柱段长时，旋流器内部流场出现明显扰动。究其原因，增大溢流管的深入长度可以有效减少短路流，并有利于内部流体的旋流，但溢流管深入过长会增强旋流腔的纵向涡流循环，造成能量的过多损耗。

图5 不同溢流管深入长度内部流场截面速度分布

由之前分析可知，溢流管深入长度的增加会使流向溢流管口处的固相杂质增多且粒度变大，生产能力也会有所下降，这不利于达到分离要求；然而减小溢流管的深入长度又会使溢流管内油相浓度降低。综合考虑Fluent的模拟结果，在本次待分离流体的属性条件和分离要求下，将溢流管深入长度调节到0.5倍柱段长时，分离效果最佳，能量损耗较少的同时又能保证生产能力。

在Fluent中的results模型树中查看流体颗粒的流动分布情况，具体如图6所示。

由图6可以清楚地看出水力旋流器内部流体分离的过程为：物料液进入旋流器后经过导流器导流绕轴线自上而下形成旋转场，固相颗粒因受到离心力和液体阻力的作用沿径向抛向壁面，并向下运动聚集在底流口形成粘稠液排出；澄清液体则向中心聚集沿轴线上旋从溢流口排出，有少部分比较细小的颗粒跟随澄清液上旋从溢流口排出。

5 结束语

笔者主要对可调节双螺旋进水路水力旋流器的各重要部件进行了设计计算和内部流场分析。该新型固液分离用水力旋流器结构紧凑、组装方便，采用螺旋状的导流槽避免了切线形进料管直接向旋流器内进料时造成的进口处流体扰动和湍动，减小了局部能耗，提高了旋流器的效率；导流器和溢流管通过螺纹连接，可根据需求旋转溢流管，改变溢流管深入锥形体内腔的长度以达到最佳分离效果，还可以更换不同内径的溢流管，适合对各种比重的混合液进行分离，使用灵活方便；同时，溢流管外壁上的螺纹齿在一定程度上减少了短路流，提高了旋流器的分离精度。这些特点使得该新型水力旋流器在对废切削液、废碱洗液等混合液的预处理方面具有实用性和可靠性，并具有广阔的应用前景。