用于超细粉体分级的涡流空气分级机流场设计及结构优化

A turbo air classifier is one of the important pneumatic classification equipments in the powder preparation systems, which is widely used in chemicals, building materials, metallurgy, medicine, biotechnology and other fields. With the development of technology and the world energy resource drying up, the requirement on comprehensive classification performance of a turbo air classifier becomes higher and higher. In addition to high precision and efficiency, particle fineness, particle size distribution and fine powder yield must meet the special requirement of customers. To search a new approach of settling these bottleneck problems in ultrafine powder classification using turbo air classifier, the flow field of turbo air classifier is diagnosed overall based upon fluid dynamics and vortex dynamics. The influences of classification flow field on vortex creating mechanism, fish-hook effect and energy loss of classifier are researched based on numerical calculation and 3-Dimensional simulation in this project. The conclusions of numerical calculation and simulation are verified via actual detections and material experiments.Then the structure of turbo air classifier is optimized according to the designed flow field. In addition, the dimensionless equation that is able to describe classifying process of turbo air classifier is derived based on theory of dimensional homogeneity and similarity law, which can be used to predict performance indexes and optimize operational parameters. The study on classification process for ultrafine powders provides a theoretical basis for effective and accurate production with low energy consumption.

涡流空气分级机是建材、矿业、化工、食品、医药等行业粉体制备系统中非常重要的气力分级设备之一。随着科技的发展和能源的日趋紧张，各行业对分级机分级性能的要求越来越高，不仅要求高精度、高效率，而且要求成品的颗粒微细化且分布满足特定需求。为寻求新的方法解决涡流空气分级机分级超细粉体时存在的上述问题，本项目以流体动力学及涡动力学为理论基础，对涡流空气分级机内部进行全局流场诊断，深入分析分级流场与旋涡产生机制、鱼钩效应、分级机内能量损失之间的内在关联，通过数值计算、模拟仿真、实际检测和物料实验验证相结合的方法，对涡流空气分级机三维流场进行设计并据此优化涡流空气分级机结构。应用量纲和谐原理及相似准则，推导涡流空气分级机相似准数方程并建立相似模拟器，对涡流空气分级机结构参数和操作参数进行优化及分级性能指标预报，强化对涡流空气分级机的控制，以期达到高效、高精度和低阻力的分级目的，为实际生产提供理论指导。

随着能源日趋紧张和科学技术的发展，为增加产品附加值，颗粒分级等粉体制备关键技术得到越来越多的关注。本项目以提高涡流空气分级机分级性能为研究目标，借鉴旋转机械设计理论，结合流体动力学，对气流场、气固两相流场进行理论分析和数值模拟，通过物料实验验证理论分析和数值模拟结果，对涡流空气分级机流场进行设计并对其导风叶片轴向倾角、转笼叶片构型以及环形区宽度进行优化。引入准数方程、多目标模型分别建立分级性能预测模型和综合评价模型，为综合评价分级机分级性能指标提供量化标准。成果如下：一、随着导风叶片沿轴向逆时针倾角由零增大，向上的轴向速度逐渐转变为向下的轴向速度。当导风叶片沿轴向逆时针倾角为2.5°时，环形区气流轴向速度趋紧于零且分布均匀，可改善分级效果。物料分级实验结果表明分级粒径减小0.97-8.42μm，分级精度提高6%-9%。二、在分析直叶片转笼涡流空气分级机内流场特性的基础上，针对其流场不均匀及转笼入口冲角大等现象，设计一种径向圆弧形叶片转笼。数值模拟和实验结果均说明圆弧形叶片转笼入口冲角减小，流道内流场较直叶片转笼更为均匀。但由于圆弧叶片弦长沿径向分布时流道仍存在较大偏转，使进入转笼内的颗粒易与叶片发生碰撞，限制了分级性能的进一步提高。设计了一种符合流场稳定性需求的非径向圆弧形叶片转笼，数值模拟和物料实验结果表明采用非径向圆弧形叶片转笼，分级精度较直叶片转笼增加10.6%-40.8%，分级粒径基本保持不变。三、转笼内外径同时减小18 mm时，环形区宽度增加，环形区气流切向速度增大，有利于物料分散。分级粒径增大9.2%-44.1%，分级精度提高3.3%-25.4%，与模拟结果基本相符。四、确定涡流空气分级机相似准数方程组，在结构参数不变的情况下，建立分级粒径准数方程，得到涡流空气分级机切割粒径与分级过程操作参数以及物料性质等影响因素之间的关系，为预测分级粒径提供了有效途径。五、利用多目标规划模型、层次分析模型，分别建立分级性能指标（分级粒径、分级精度和牛顿分级效率）的综合评价模型，为综合评价分级机分级性能所包含的主要指标提供量化标准。六、利用Fluent软件对涡流空气分级机内部流场进行模拟分析，结果表明：当进口风速与转笼外缘的切向线速度相近时流场最稳定；具有较高进口风速和转笼转速时，环形区湍流耗散率更大，更有利于物料的分散和分级。