水力旋流器溢流余能回收技術(shù)探究

韓岳桐，樊民強(qiáng)，張興芳

(1.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

水力旋流器是一種將流體從一維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，從而在離心力場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的分級(jí)或分選的設(shè)備，大多被應(yīng)用于石油、化工、煤炭等工程領(lǐng)域[1-4]。 崔寶玉[5]和許研霞等[6-8]利用CFD軟件對(duì)旋流器進(jìn)行流場(chǎng)模擬得出靜壓、切向速度、軸向速度和徑向速度分布規(guī)律，并通過粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)[9-11]驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性，直觀地表明了旋流器溢流漿體速度較大，即含有較大動(dòng)能，而在旋流器的工業(yè)應(yīng)用中這部分動(dòng)能往往耗散浪費(fèi)。

動(dòng)能回收利用在傳統(tǒng)意義上主要依靠動(dòng)能水力發(fā)電技術(shù)，即通過渦輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為電能。該技術(shù)在各行各業(yè)都有體現(xiàn)：在建筑行業(yè)中，高層建筑中的低樓層用戶有大量給水余壓能被浪費(fèi)，童軍杰[12]、庒浩等[13]發(fā)明了小型余壓能動(dòng)力發(fā)電裝置，能在保證用戶正常用水的前提下有效利用水力余能；樊萬柏[14]、劉世浩等[15]和孟維文[16]設(shè)計(jì)小型雙葉輪水力發(fā)電機(jī)的重力勢(shì)能回收裝置，采用雙葉輪大速比驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水能向電能的高效率轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用水龍頭水流余能的回收；在化工行業(yè)，冷卻水在通過高位換熱器前需要調(diào)壓閥加壓來防止高位換熱器回水管道出現(xiàn)負(fù)壓而影響系統(tǒng)安全，但由于閥門開度較小，導(dǎo)致回水塔頂端壓力較大，這部分能量被浪費(fèi)的同時(shí)還可能影響工況；肖禮報(bào)[17]發(fā)明了一種循環(huán)水回水余壓發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效解決回水余壓較大問題，被山西陽煤集團(tuán)采用并投入生產(chǎn)[18]。

水力發(fā)電中最主要的工作結(jié)構(gòu)就是水輪機(jī)，它能把水流的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，主要分為沖擊式和反擊式兩種類型，一般包括引水結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水結(jié)構(gòu)、工作結(jié)構(gòu)和出水結(jié)構(gòu)四部分[19]。其中軸流式水輪機(jī)是水流到達(dá)葉輪的方向與水流出水口的方向均為軸向的一種反擊式水輪機(jī)，該水輪機(jī)具有安裝維修方便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[20-22]。通過將旋流器溢流管結(jié)構(gòu)，溢流水力情況和水輪機(jī)工作原理結(jié)合并設(shè)計(jì)一套針對(duì)旋流器溢流余能二次利用的溢流余能回收裝置，申請(qǐng)了國家發(fā)明專利并已公開(公開號(hào)：[CN110201806A])，本文將通過試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置能否有效回收溢流余能，并探究其在0.14 MPa入料壓力時(shí)對(duì)旋流器分級(jí)效果的影響。

1 溢流余能回收技術(shù)研究

溢流余能回收技術(shù)的研究包括余能回收裝置的設(shè)計(jì)加工、試驗(yàn)平臺(tái)的搭建、余能回收試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果分析。

1.1 溢流余能回收裝置設(shè)計(jì)

該裝置是通過借鑒軸流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合試驗(yàn)所用150 mm內(nèi)徑旋流器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其溢流漿體水力條件，運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖與現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖1所示。

圖1 溢流余能回收裝置結(jié)構(gòu)圖

溢流余能回收裝置主要包含引水結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水結(jié)構(gòu)、工作結(jié)構(gòu)和出水結(jié)構(gòu)，其中引水結(jié)構(gòu)為旋流器，煤漿經(jīng)過旋流器入料口切向入料，在經(jīng)過旋流器后，經(jīng)由溢流口攜帶動(dòng)能進(jìn)入變徑管，即導(dǎo)水結(jié)構(gòu)，煤漿由此被導(dǎo)入工作結(jié)構(gòu)，工作結(jié)構(gòu)主要包含余能回收葉輪和漿體帶動(dòng)葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面礦漿推動(dòng)回收葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)能得以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，旋流器溢流余能得以回收再利用，失去動(dòng)能的漿體進(jìn)入到溢流室，通過溢流口排出，即出水結(jié)構(gòu)。在中心軸上安裝轉(zhuǎn)速儀感應(yīng)片利用轉(zhuǎn)速儀測(cè)得其轉(zhuǎn)速直觀的表征動(dòng)能利用情況。 其中回收葉輪尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖以20°葉片角葉輪為例，見表1和圖2。

表1 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 葉輪CAD主視圖、俯視圖與葉輪實(shí)裝圖

1.2 溢流余能回收試驗(yàn)方案

1.2.1 清水試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證溢流余能回收技術(shù)的可行性，在溢流余能回收試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行以清水為介質(zhì)的余能回收試驗(yàn)，試驗(yàn)變量包括入料壓力、溢流管直徑和葉輪葉片角。通過記錄不同試驗(yàn)變量下中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，整理統(tǒng)計(jì)繪制入料壓力與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速關(guān)系圖，并對(duì)溢流余能回收效率定性分析。其中，各變量的變化范圍見表2。其中，葉片角20°與160°、40°與140°、60°與120°、80°與100°分別關(guān)于直角坐標(biāo)Y軸對(duì)稱，特此說明。

表2 清水試驗(yàn)試驗(yàn)變量

1.2.2 發(fā)電驗(yàn)證試驗(yàn)方案

為探究溢流余能回收裝置能否將轉(zhuǎn)化而來的機(jī)械能有效利用，在回收裝置中心轉(zhuǎn)軸頂端安裝發(fā)電驗(yàn)證試驗(yàn)電路，電路主要包含微型發(fā)電機(jī)、定值電阻、整流橋、電壓表和交流燈泡五部分，電路圖如圖3所示。 發(fā)電驗(yàn)證電路主要分兩種，電路圖(a)通過電燈泡發(fā)光與否驗(yàn)證余能回收轉(zhuǎn)化效果；電路圖(b)用于定量測(cè)量余能回收發(fā)電電路中電壓與功率。其中各電路元件的主要參數(shù)見表3。

表3 電路元件主要參數(shù)

圖3 發(fā)電試驗(yàn)電路

1.2.3 煤泥分級(jí)試驗(yàn)

為探究溢流余能回收裝置對(duì)旋流器分級(jí)效果的影響，在試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行煤泥分級(jí)試驗(yàn)，試驗(yàn)煤樣取山西焦煤集團(tuán)公司屯蘭選煤廠入洗原煤，使用1 mm篩進(jìn)行篩分后選用粒級(jí)小于1 mm煤樣，其中原煤粒度組成見表4。

表4 試驗(yàn)所用煤樣顆粒組成

旋流器溢流管直徑隨機(jī)取定為40 mm，由于工業(yè)應(yīng)用中入料壓力一般大于0.10 MPa，故取入料壓力為0.14 MPa，試驗(yàn)變量為葉輪葉片角。通過試驗(yàn)繪制的煤泥粒度分級(jí)曲線探究溢流余能回收裝置對(duì)旋流器分級(jí)效果的影響，其中試驗(yàn)變量變化范圍見表5。

表5 煤泥分級(jí)試驗(yàn)變量

2 清水試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 清水試驗(yàn)P-n圖

圖4～圖6為清水試驗(yàn)下，溢流直徑分別為40 mm、45 mm和50 mm時(shí)，試驗(yàn)所得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與入料壓力關(guān)系圖。

圖4 40 mm溢流管轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與入料壓力關(guān)系圖

圖5 45 mm溢流管轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與入料壓力關(guān)系圖

圖6 50 mm溢流管轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與入料壓力關(guān)系圖

在任意葉輪相同溢流管徑下，中心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速隨著壓力的增大而增大，即系統(tǒng)輸入能量越大回收裝置能夠回收越多的溢流余能，二者呈正相關(guān)。

由清水試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，葉輪最佳葉片角為20°，當(dāng)入料壓力為0.095 MPa，溢流管直徑為50 mm時(shí)，該葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到最快為1 550 r/min左右；當(dāng)葉輪葉片角為10°和15°時(shí)，由于葉片角較小，葉輪受溢流漿體軸向推力較大，當(dāng)入料壓力較大時(shí)，葉輪被水流沖離工作區(qū)域，同時(shí)中心轉(zhuǎn)軸脫離軸心處，故無法準(zhǔn)確試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不做統(tǒng)計(jì)；葉片角在60°～140°范圍內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)速在各種條件下轉(zhuǎn)速均較低，其中120°效果最差，在溢流管直徑為40 mm與45 mm時(shí)甚至無法轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)入料壓力相同時(shí)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與溢流管直徑相關(guān)關(guān)系隨著葉輪角度的變化而變化，當(dāng)葉輪角度為15°和20°時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速隨著溢流管直徑的增大而變大，當(dāng)葉輪葉片角度為10°和25°時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速隨著溢流管直徑的變大而減小。

2.2 發(fā)電驗(yàn)證結(jié)果與分析

通過清水試驗(yàn)可知，在清水工況中葉輪最佳葉片角為20°，該葉輪在溢流管直徑為50 mm時(shí)轉(zhuǎn)速最優(yōu)，故在該條件下按照?qǐng)D4所示電路圖安裝發(fā)電試驗(yàn)電路，分別得到試驗(yàn)現(xiàn)象與試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 電路圖(b)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)中電燈在旋流器啟動(dòng)后發(fā)光，可直觀地看到溢流余能轉(zhuǎn)化為電能的效果；再通過表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，葉片角為20°，溢流管直徑為50 mm，電阻兩端電壓與發(fā)電機(jī)功率都隨著入料壓力的增大而增大，在入料壓力為0.146 MPa時(shí)，電阻兩端電壓為69.4 V，發(fā)電機(jī)功率達(dá)到48.2 W。由此得出溢流余能回收裝置在安裝發(fā)電機(jī)后能有效將溢流余能轉(zhuǎn)化而來的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能再利用的功能。

3 煤泥分級(jí)試驗(yàn)

3.1 溢流余能回收效果

根據(jù)清水試驗(yàn)結(jié)果可知，葉輪葉片角為10°～20°時(shí)葉片轉(zhuǎn)速較快，故為縮減煤泥分級(jí)試驗(yàn)工作量，使用轉(zhuǎn)速較好的葉輪，即片角為10°、15°和20°的葉輪進(jìn)行試驗(yàn)，通過測(cè)量記錄轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。由此得出煤漿條件下，溢流管直徑為40 mm時(shí)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速見表7。由表7可知，當(dāng)回收裝置安裝葉片角為10°、15°和20°的葉輪時(shí)，葉輪依然能夠保持較高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，且在這種工況下葉輪最佳葉片角為15°，與清水試驗(yàn)中的20°有所不同，說明礦漿濃度對(duì)葉輪最佳葉片角有影響。通過煤泥分選試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速表可知溢流余能回收效果隨著壓力的增大而變大，同時(shí)證明溢流余能回收裝置的適用性不僅局限于清水工況，為余能回收裝置的工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

表7 40 mm溢流管直徑轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速

3.2 余能回收裝置對(duì)煤泥分級(jí)的影響

為探究余能回收裝置對(duì)旋流器分級(jí)效果的影響，通過煤泥分級(jí)試驗(yàn)，得到旋流器分別在無葉輪、10°葉輪、15°葉輪和20°葉輪四種條件下入料壓0.14 MPa時(shí)的煤泥分級(jí)曲線，如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)入料壓力為0.14 MPa時(shí)，四種條件的粒度分配曲線基本重合，即當(dāng)溢流管直徑為40 mm，入料壓力為0.14 MPa時(shí)，溢流余能回收裝置對(duì)旋流器的分級(jí)效果基本無影響。

圖7 入料壓力為0.14 MPa，溢流管直徑為40 mm時(shí)分選粒度分級(jí)曲線

4 結(jié) 論

1) 清水試驗(yàn)驗(yàn)證了余能回收裝備的可行性，同時(shí)得到了清水試驗(yàn)中最佳葉輪為20°葉輪。該葉輪轉(zhuǎn)速隨著入料壓力和溢流管直徑的增大而變快，最佳轉(zhuǎn)速為1 552 r/min，在入料壓力為0.095 MPa，溢流管直徑為50 mm時(shí)達(dá)到。

2) 通過對(duì)清水試驗(yàn)最佳工況下余能回收裝置進(jìn)行發(fā)電試驗(yàn)，電阻兩端電壓與發(fā)電機(jī)功率都隨著入料壓力的增大而增大，在入料壓力為0.146 MPa時(shí)，電阻兩端電壓為69.4 V，發(fā)電機(jī)功率達(dá)到48.2 W，證實(shí)溢流余能回收裝置能夠有效回收溢流余能并將其轉(zhuǎn)化為可用電能，為工業(yè)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

3) 煤漿條件下，葉輪最佳葉片角為15°。該葉輪轉(zhuǎn)速隨著入料壓力的增大而變快，在入料壓力為0.14 MPa、溢流管直徑40 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，為1 940.81 r/min。

4) 煤泥分級(jí)試驗(yàn)探究了溢流余能回收裝置對(duì)旋流器分級(jí)效果的影響：當(dāng)入料壓力為0.14 MPa時(shí)，溢流余能回收裝置隊(duì)旋流器自身的分級(jí)效果無影響。

5) 本文設(shè)計(jì)的余能回收裝置具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中可以實(shí)現(xiàn)溢流余能的二次利用，降低生產(chǎn)成本。