折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的初步研究

汪建峰，王廣全，操偉偉，計建炳（浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江 杭州 310014）

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折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的初步研究

汪建峰，王廣全，操偉偉，計建炳
（浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江 杭州 310014）

摘要：折流式旋轉(zhuǎn)床是一種新型的同心圈式超重力設(shè)備，電機功率消耗是折流式旋轉(zhuǎn)床設(shè)計時需要考慮的重要因素。本文對折流式旋轉(zhuǎn)床的有效功耗進行了初步的實驗研究，并提出了一種新的有效功耗計算方法，為旋轉(zhuǎn)設(shè)備功耗研究和折流式旋轉(zhuǎn)床工業(yè)應用提供了一定基礎(chǔ)。折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗可以分成兩部分，即分散液體功耗和加速液體功耗。通過理論分析，得到了折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的計算模型。實驗以水為介質(zhì)，在不同液量和轉(zhuǎn)速下測得有效功耗。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速一定時，有效功耗隨著液量的增加近似呈線性增加，且轉(zhuǎn)速越大，有效功耗隨液量增加越快。通過對實驗數(shù)據(jù)的回歸，得到單個同心圈轉(zhuǎn)子有效功耗的計算模型，實驗值與回歸計算值相對偏差基本在20％以內(nèi)。通過對包含4個同心圈轉(zhuǎn)子的折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的驗證結(jié)果可知，4個動圈有效功耗計算值的總和比實驗測量值高20％左右，對折流式旋轉(zhuǎn)床的工程放大有一定意義。

關(guān)鍵詞：折流式旋轉(zhuǎn)床；有效功耗；計算模型

第一作者：汪建峰（1990—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：王廣全，博士，副教授，研究方向為傳質(zhì)與分離技術(shù)。E-mail wanggq@zjut.edu.cn。

超重力技術(shù)是一種有效的過程強化技術(shù)，是強化三傳一反的有效途徑，該技術(shù)已在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用[1-3]。超重力旋轉(zhuǎn)床利用離心力場來代替重力場，是實現(xiàn)超重力場下兩相流體接觸的設(shè)備，轉(zhuǎn)子是超重力旋轉(zhuǎn)床的主要部件。目前，已有文獻報道的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有填料式[4]、螺旋式[5]、多級霧化式[6]、同心環(huán)碟片式[7]、撞擊流式[8]、折流式[9]等。與傳統(tǒng)的兩相流體接觸設(shè)備相比，超重力旋轉(zhuǎn)床增加了電動機。旋轉(zhuǎn)床功耗是旋轉(zhuǎn)設(shè)備總功耗中不可忽略的部分，對其的理論與實驗研究是旋轉(zhuǎn)床應用與經(jīng)濟分析的雙重需要。諸多研究者對旋轉(zhuǎn)床的功耗進行了研究[10-14]。柳松年等[11]認為，旋轉(zhuǎn)床功耗包括有效功耗、氣相功耗以及軸承摩擦功耗。有效功耗包括加速液體功耗和分散液體功耗；氣相功耗主要為液相在轉(zhuǎn)子內(nèi)運動時受到氣相摩擦阻力的功耗以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時與空氣摩擦的功耗；軸承摩擦功耗主要是轉(zhuǎn)子軸承與旋轉(zhuǎn)床之間的摩擦功耗。賀國等[13]通過實驗測定發(fā)現(xiàn)，液相受到的氣相摩擦阻力幾乎為零；柳松年等[11]通過測定發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與空氣摩擦功耗和軸承摩擦功耗所占總功耗比例均不到1％。因此，旋轉(zhuǎn)床功耗主要為有效功耗，研究旋轉(zhuǎn)床的有效功耗意義重大。尋找既能滿足精度要求又易于應用的功耗計算模型對折流式旋轉(zhuǎn)床功耗研究具有重大意義。本文對折流式旋轉(zhuǎn)床的有效功耗進行了理論和實驗研究，在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，提出了一個半經(jīng)驗半理論的計算模型。

1　理論分析

折流式旋轉(zhuǎn)床主要由折流式轉(zhuǎn)子和殼體組成。轉(zhuǎn)子是折流式旋轉(zhuǎn)床核心部件，為動靜組合式結(jié)構(gòu)。動部件為動盤和動圈，靜部件為靜盤和靜圈，動、靜部件之間的縫隙提供了氣液流動的折流式通道，如圖1所示。

操作過程中，氣相由氣體進口切向進入，在壓差作用下，從轉(zhuǎn)子外緣沿著折流式通道向轉(zhuǎn)子中心逐圈流動，經(jīng)氣體出口離開旋轉(zhuǎn)床；液相由進液管進入動盤中心，在離心力的作用下沿著動盤底部向動圈底部聚集，并逐漸向動圈開孔區(qū)爬升，經(jīng)小孔分散成液滴或液絲甩向靜圈。液滴在重力作用下從靜圈上落到動盤上。液相在轉(zhuǎn)子內(nèi)重復聚集、爬升、分散、滴落的過程，最后經(jīng)液體出口排出，如圖2所示。

由于液相在每個同心圈上運動規(guī)律相同，因此為了研究方便，本文以單個動圈單排液孔的轉(zhuǎn)子為研究對象。實驗時，通過測定旋轉(zhuǎn)床液相流量為零時的功耗得到空載功耗；通過測定旋轉(zhuǎn)床液量不為零時的功耗得到旋轉(zhuǎn)床總功耗。旋轉(zhuǎn)床總功耗與空載功耗均由電表測得的電機功耗乘以電機效率ηm和傳遞效率ηt[14]得到，兩者之差即為旋轉(zhuǎn)床有效功耗。根據(jù)前文分析，有效功耗分為兩個部分，即分散液體功耗和加速液體功耗。這兩部分功耗又可通過理論分析得到。

圖1　折流式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)圖

圖2　折流式旋轉(zhuǎn)床氣液流動圖

1.1分散液體功耗

折流式旋轉(zhuǎn)床中，液相在離心力場的作用下由轉(zhuǎn)子中心向轉(zhuǎn)子外沿運動，經(jīng)動圈上的圓孔被分散成極小的液滴，此過程克服表面張力需要消耗一定功率。單位時間內(nèi)克服表面張力耗能計算式如式(1)。

式中，As為分散后液滴總表面積。

若液滴作為球形顆粒處理，則分散后液滴總表面積可根據(jù)式(2)得到。

式中，液滴直徑d可仿照重力場下液體經(jīng)細圓管滴落時液滴直徑計算式得到。在重力場下，液體經(jīng)細圓管滴落時，液滴直徑如式(3)[15]。

考慮到離心力場遠大于重力場，液滴之間相互作用劇烈，運動更加復雜，液滴直徑也更難以預測，引入系數(shù)B加以修正液滴直徑，得到離心力場下液滴直徑計算式如式(4)。

這樣便可得到單位時間液相克服表面張力耗能的計算如式(5)。

式中，ω為角速度，可由式(6)得到。

將式(6)代入式(5)得到式(7)。

1.2加速液體功耗

液相被引入轉(zhuǎn)子中心后，被高速旋轉(zhuǎn)的動盤和動圈逐漸加速，最終以一定速度離開動圈。假定液滴離開動圈所獲得速度為u，進行矢量分解，得到切向速度ut和徑向速度ur。由于液相被引入轉(zhuǎn)子后形成液膜的初動能遠小于液滴離開動圈時的動能，為了計算方便，忽略液膜初動能。液滴切向速度ut根據(jù)動圈圓周速度求得；徑向速度ur本應嚴格按照伯努利方程推導得到的孔流流速計算方法計算，但為了計算方便，采用液量Q與開孔面積A的比值來計算。引入動能修正系數(shù)K修正忽略液膜初動能和簡化液滴徑向速度計算式所引起的偏差，則單位時間內(nèi)液滴離開動圈獲得動能ΔE如式(8)。

代入液滴切向速度和徑向速度計算式可得式(9)。

將式(6)代入并整理得式(10)。

結(jié)合分散液體功耗和加速液體功耗計算式便可得到有效功耗計算式如式(11)。

2　實驗部分

本文實驗采用水為介質(zhì)，主要由兩部分組成，分別為單動圈轉(zhuǎn)子實驗和多動圈轉(zhuǎn)子實驗。

由于靜圈在折流式旋轉(zhuǎn)床中只起到了阻擋液滴的作用，對有效功耗沒有影響，所以第一步實驗所用的轉(zhuǎn)子也只包含一個動圈，動圈直徑235mm，高度70mm。動圈上有一排孔，孔數(shù)243，孔徑1.6mm，開孔位置距離底盤30mm。實驗流程如圖3所示，水由進液管引入轉(zhuǎn)子中心，最終由殼體收集經(jīng)出口排出。

圖3　折流式旋轉(zhuǎn)床功耗測定實驗流程

實驗的主要目的是測得折流式旋轉(zhuǎn)床的有效功耗，因此并未通入氣體。實驗時，轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速測量儀測量，通過調(diào)頻器調(diào)節(jié)，液量通過進液管上的轉(zhuǎn)子流量計測量，旋轉(zhuǎn)床功耗由三相功率表和秒表測量。首先固定轉(zhuǎn)速不變，液相流量為零時，得到旋轉(zhuǎn)床空載功耗；接著改變液量大小，便可得到同一轉(zhuǎn)速不同液量下旋轉(zhuǎn)床總功耗?？偣呐c空載功耗之差即折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗。最后改變轉(zhuǎn)速，重復實驗，最終得到不同轉(zhuǎn)速、不同液量下折流式旋轉(zhuǎn)床的有效功耗。

根據(jù)單動圈轉(zhuǎn)子的折流式旋轉(zhuǎn)床的實驗結(jié)果，得到有效功耗的關(guān)聯(lián)式并驗證之后，再次通過多圈轉(zhuǎn)子實驗結(jié)果進一步驗證。實驗轉(zhuǎn)子包含4個動圈，直徑分別為165.8mm、102.8mm、234.8mm、265.8mm，動圈上有一排圓孔，孔徑1.6mm，孔個數(shù)分別為203、240、282、316，實驗步驟與單動圈轉(zhuǎn)子實驗步驟相同。

3　結(jié)果與討論

對于同一個同心圈，折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗與液量和轉(zhuǎn)速有關(guān)。利用式(11)對實驗得到的不同轉(zhuǎn)速、不同液量下轉(zhuǎn)子有效功耗的實驗數(shù)據(jù)進行回歸，得到有效功耗計算式中動能修正系數(shù)K為1.9，液滴直徑修正系數(shù)B為0.05，從而得到實驗所用轉(zhuǎn)子有效功耗關(guān)于液量和轉(zhuǎn)速的計算式。理論推導液滴直徑計算式時，對液滴作了大小一致的球體處理，而實際液滴運動過程中，由于液滴相互之間的碰撞，液滴形狀大小不一。液滴直徑修正系數(shù)B遠小于1，表明液滴之間相互碰撞劇烈，實際液滴直徑遠小于對液滴做大小一致的球體處理后計算得到的直徑；液滴動能修正系數(shù)K大于1，表明液滴實際獲得的動能大于理論計算得到的動能。這是因為在離心力的作用下，動圈圓孔處與液面表面壓差極大，使得液相并未充滿所有圓孔，因此根據(jù)液量與開孔面積的比值計算得到的徑向速度偏小，液相總動能偏小。

將不同轉(zhuǎn)速代入，便可得到不同轉(zhuǎn)速下有效功耗關(guān)于液量的計算式。同理，將不同液量代、便可得到不同液量下有效功耗關(guān)于轉(zhuǎn)速的計算式。有效功耗計算值與實驗值關(guān)系如圖4和圖5所示。

由圖可知，折流式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速一定時，有效功耗隨著液量的增加近似呈線性增加。液量增加，一方面，被分散的液體總量增加，則分散液體功耗增加；另一方面，液量增加，加速液體功耗增加。液量一定時，有效功耗隨轉(zhuǎn)速增加而增加，且轉(zhuǎn)速越大增加速度越快?；貧w結(jié)果的相對偏差如圖6所示。由圖6可知，有效功耗的實驗測量值與回歸計算值的相對偏差基本在20％以內(nèi)。

圖4　有效功耗與液量關(guān)系圖

圖5　有效功耗與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖6　有效功耗回歸結(jié)果相對偏差圖

實驗測量值與回歸計算值存在偏差，原因主要有3個方面：一方面，推導克服表面張力功耗的計算式時，忽略了液膜表面積初值；另一方面，動圈上的開孔并未全部充滿液體，則實際液滴徑向速度ur大于Q/A。另外，同一轉(zhuǎn)速下，引入液相之后，轉(zhuǎn)軸摩擦功耗可能發(fā)生變化，而本文實驗是在假定轉(zhuǎn)軸摩擦功耗不變的基礎(chǔ)上進行的。

使用回歸計算式分別得到4個動圈的有效功耗，加和后得到有效功耗的計算值與實驗測量值進行對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7　多圈轉(zhuǎn)子有效功耗實驗結(jié)果相對偏差圖

由圖7可知，有效功耗計算值比實驗測量值高20％左右。這是因為，液相在離心力的作用下從動盤底部向開孔區(qū)域爬升，部分液相甚至直接爬升至動圈頂部甩出，而并非經(jīng)由圓孔分散甩出。這部分液體按照被圓孔完全分散計算得到的分散液體功耗ΔW必然大于實際分散液體功耗，以致總的液相有效功耗的計算值大于實驗測量值。

4　結(jié)論

本文提出了一種折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的計算方法，運用此方法得到的單圈有效功耗的計算值與實驗值的相對偏差基本在20％以內(nèi)，為工程研究及應用提供了一定基礎(chǔ)。

本文實驗研究只是對有效功耗的初步研究，單個動圈有效功耗的規(guī)律反映了整個折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗的規(guī)律，是折流式旋轉(zhuǎn)床功耗研究的核心部分。理論上說，整個折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗是多個動圈有效功耗的疊加。通過進一步的實驗驗證可知，多圈轉(zhuǎn)子的有效功耗計算值比實驗值高20％左右，對該研究的實際應用有一定的參考價值。

由于實驗采用水為介質(zhì)，實際工業(yè)應用中往往是其他液體，其物性與水有很大不同；同時，工業(yè)應用中的折流式旋轉(zhuǎn)床氣液并存，液相克服氣體摩擦也會損耗一定功耗。因此，實際應用中的折流式旋轉(zhuǎn)床有效功耗可根據(jù)本文模型進行計算，并結(jié)合實際工況進行適當放大，進而選擇合適的電動機。

符 號 說 明

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Preliminary studies on the effective power consumption of rotating zigzag bed

WANG Jianfeng，WANG Guangquan，CAO Weiwei，JI Jianbing
（College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Abstract：Rotating zigzag bed（RZB） is a novel kind of HIGEE equipment with concentric rings. Motor power consumption is an important factor to be considered when researchers design RZB. In this paper，experimental studies on the effective power consumption of RZB were preliminarily carried out. A new calculation method was proposed，which provided basis for studies on power consumption of rotating equipments and industrial applications of RZB. The effective power consumption of RZB could be divided into two parts：power consumption to disperse liquid and to accelerate liquid. The calculation model of the effective power consumption of RZB was achieved by theoretical analysis. Using water as test system，the effective power consumption was experimentally measured. According to the experimental data，the effective power consumption approximately linearly increased with liquid flowrate when rotating speed was constant. The higher rotating speed was，the more rapidly effective power consumption increased. Based on the experimental data，the model of effective power consumption with liquid flowrate and rotating speed for rotor with single concentric ring could be achieved. The relative deviation between the experimental data and the calculated values was within 20％. The calculated effective power consumption of RZB with four concentric rings is about 20％ higher than the measured values，which is of certain significance for scale-up of RZB.

Key words：rotating zigzag bed；effective power consumption；calculation model

中圖分類號：TQ 018

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1022–05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.009

收稿日期：2015-09-23；修改稿日期：2015-11-28。