水力旋流器的性能和结构设计研究

水力旋流器的性能与结构设计研究

秦怀远郝向东北京中选耐磨设备有限公司

摘要：北京中选公司根据十几年的生产实践和研究经验对我国

目前各大矿山普遍使用的几大旋流器厂家的旋流器的使用情况

进行了对比分析和论证，开发出了一种新型的高效耐磨旋流器

——YD系列特种耐磨旋流器，经过5年多的生产实践，证明

了这是一种非常可靠的分级设备。

1.引言

目前水力旋流器已在众多领域取得了广泛的应用。水力旋流器之所以能得到如此广泛的应用，受到如此普遍的关注，是由于它具有结构简单、占地面积小、设备成本低、处理能力大、维护方便等许多优点。在这些优点之中，其结构简单又是首要的一条。但是随着工业现代化的发展，各行各业对水力旋流器提出了更高的要求。为了提高常规水力旋流器的性能，多年来，许多优秀的旋流器厂家对水力旋流器的结构及形式进行了许多改进，使水力旋流器的结构形式日趋多样化，甚至出现了一些工作原理与传统旋流器的分离理论模式相差甚远的新型水力旋流器以满足某些特定的分离要求。可以说，在工业技术日新月异的今天，水力旋流器也正在从一种低技术含量的设备转变为具有中高技术意义上的通用分离分级设备。

本文将论述了旋流器结构设计与分级效果的关系，并着重介绍YD系列特种耐磨旋流器的结构性能特点。

2.水力旋流器的结构尺寸设计与分级效果的关系

2.1 筒体柱段长度对旋流器分离性能的影响

水力旋流器筒体柱段长度对其分离性能影响方面的研究文献较少。早在1987年召开的第三届国际水力旋流器学术会议上，曾有专门的文献[1]介绍，认为筒体柱段的加长能使分离粒度降低，并使处理能力增大。诸良银等[2~4]近来对水力旋流

器内固-液两相流场的研究结果发现，旋流器柱段是一个有益于固相颗粒分离的有效离心沉降区，因此他们推荐固-液分离采用长柱形[5]。然而，增加圆柱段的长度，必然的代价是增加能量的消耗，而能量消耗的直接结果就是减少流体在旋流器内的切向速度，进而减少离心力，因此圆柱段的长度到底增加到多少最好，诸良银等[2]并没有给出一个准确的参数。普遍认为，一般情况下旋流器的柱段长度取旋流器直径的0.7-2.0倍[6]，这是一个比较模糊宽泛的范围，北京中选耐磨公司经过多年的矿山实践，得出了柱段长度为旋流器直径的1.2-1.5倍时，旋流器取得最佳的分级效果和处理能力，必须指出的是，对不同性质的给料，旋流器的柱段长度应略微有所变动。

2.2 圆锥角度与分离效率

水力旋流器的锥角的大小对分离粒度的影响较为显著。锥角增大，溢流管与沉砂嘴的距离缩短，粗粒容易混入溢流中，使溢流粒度变粗；锥角减小，分级面积增大，溢流粒度变细，使分级效率提高[7]。早在二十世纪八十年代，国外就有过这方面的研究，Thew等[8~9]认为，小锥角可使锥段具有相当长的长度，从而保证足够的分离空间与分离时间。

关于锥角大小与分离效率的关系，Dreissen和Fontein[10]曾报道了这样一个实验：取直径为0.36mm的球形颗粒和介质用三台旋流器进行了分离实验，三台旋流器除锥角分别为10。、45。、60。外，其余所有尺寸相同；结果表明，三台旋流器对此粒级颗粒的回收率有明显的差别：锥角为10。的旋流器回相对收率为99.3%，锥角为45。的旋流器的相对回收率为95.2%，锥角为60。的旋流器的相对回收率为90.4%。由此可以看出，随着旋流器锥角的增大，分离效率明显下降。

在矿山实践应用方面，美国Krebs Engineers公司经过多年的研究，其用于细粒分级的水力旋流器历经四代，在结构设计方面，几经变动，唯有小锥角的设计理念坚持不变。

2.3 进料管与旋流器柱段的连接

2.3.1 进料管横截面形状

横截面形状也称断面形状，一般以圆形横截面用得最为广泛。然而，在矿山实践中，我们摈弃常规，将旋流器的进料横截面设计为矩形，其矩形长边与旋流器轴心线平行，短边与轴心线垂直。事实证明，具有这种矩形横截面的进料管能使

进料口处流体的湍动和扰动程度减弱，从而降低水力旋流器内的能量损耗。

2.3.2 进料管纵截面形状

进料管的纵截面形状一般指与旋流器轴线相垂直的进料管中心线的截面形状，通常为两条平行线所围成的不收缩通道。但在实际应用中，多采用具有收缩形状截面的进料管。在同样的泵送条件下，具有收缩形状纵截面的进料管可使流体在进料口处加速，以加强旋流器内的离心强度，使水力旋流器内的细粒分选更加有效。

2.3.3 进料管与旋流器柱面的连接

水力旋流器的进料管一般为二维结构，它与旋流器柱段相接的形式则常常为切线形。切线形进料管容易造成进料口处流体的扰动和湍动，而且由于流体的转向损失和涡流损失等而引起较大的局部阻力，所以这种进料管引起的进料部位局部能量损耗较大[11]。于是，除切向线行进料管外，在二维结构中还出现了渐开线形、弧线形、螺旋线形等多种形式的进料管。Boadway[12]曾对渐开线形进料管和切线形进料管进行对比试验，结果发现采用渐开线形进料管时比采用切线形进料管时水力旋流器可降低能耗达52%。

3 用于细粒分级的YD系列旋流器

3.1 研究和改进

当料浆以最大切线速度进入旋流器整个长度时，如果产生的紊流量小，则可获得好的旋流器性能。紊流程度越小，粗粒混入于溢流中的数量越少，内衬的使用寿命也就越长。切线速度越大，越可分离颗粒，而细粒混入底流中的可能性越小。北京中选公司的YD系列旋流器就是把焦点集中在这两个的旋流器参数上。为了达到这在这两个方面有所改进，我们设计渐开线性给料管以期减小紊流程度，并采用了较长的溢流管以及改进的顶盖板。研究发现：当旋流器直径一定以及旋流器总长度一定时，存在一个最佳的圆柱段长度和圆锥段锥角。YD系列旋流器采用收缩的渐开线来加速料浆切线速度，然后用较长的圆柱段和较缓的锥体以保证细粒分级的较长停留时间。在旋流器直径相等时，它能比普通的旋流器得到更好的分级性能。

3.2 YD系列旋流器的基本结构参数

水力旋流器的直径是影响其生产能力和固相分离料度大小的主要参数之一。一般说来，随着旋流器直径的增大，其生产能力和分离粒度都将有所增大。

另一个重要参数是过入进料室时进料管的面积，进料管通常为矩形截面，长边沿旋流器轴线方向。进料口截面积约为旋流器直径平方的0.1倍。

溢流管直径是一个很重要的参数，在进口压力不变时，在一定范围内增加溢流管直径会导致生产能力的增加以及分离粒度的增大。溢流管要插入到进料管以下，防止料液短路直接从溢流排出。溢流管直径等于旋流器直径的0.35-0.4倍。

位于进料室和锥形段之间的圆柱段是旋流器的基本部分，其直径与进料室直径相同，其长度的增加延长了物料的停留时间。

水力旋流器锥角的增大会引起其内部流体阻力变大。在同一进口压力下其体积生产能力会有所减小。尽管大锥角水力旋流器内的切向速度比小锥角的要高一些，但是在其他条件相同的情况下，颗粒在内旋流中停留的时间要短一些，因此，分离粒度随着水力旋流器锥角的增大而变大。YD系列水力旋流器的锥角通常在10。-20。之间。

锥形段的底部是底流口，排料口的内径是一个关键尺寸。底流口直径与应用场合有关，设计的原则应该是在保证被分选（分离）后的固相物料从底流口排出的条件下不发生堵塞。YD水力旋流器的底流口为旋流器直径的15%-25%.

参考文献

1 Aron.矿山机械，文林译.1998，9：32~35

2 诸良银.水力旋流器固-液两相流场研究：[学位论文].成都：成都科技大学，1992

3 Chu Liang-Yin and Chen Wen-Mei.Separation Science & Technology.1993,28(10)：1875~1886

4 Chu Liang-Yin and Chen Wen-Mei.18th Int.Miner.Process,Congress,Sydney.1993：1469~1472

5 诸良银.化工装备技术.1995，16（1）：10~13