糖粉分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陳家權(quán) - 勞黎明 - 楊凱波 - 黃海鑫 -

(1. 廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西葉茂機電有限公司，廣西 南寧 530004)

糖粉分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陳家權(quán)1CHENJia-quan1勞黎明1LAOLi-ming1楊凱波1YANGKai-bo1黃海鑫2HUANGHai-xin2

(1. 廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西葉茂機電有限公司，廣西 南寧 530004)

為了分析糖粉收集過程中，分離器分離效果不佳的現(xiàn)象，采用Fluent軟件對糖粉分離器進行仿真分析?；诂F(xiàn)有結(jié)構(gòu)，分別改變分離器出口結(jié)構(gòu)、增加分離器高度、減小分離器筒徑、筒內(nèi)裝置螺旋導流葉片，比較不同結(jié)構(gòu)對分離器分離效果的影響，并討論了進風方式對分離器分離效果的影響。研究結(jié)果表明，糖粉分離器靠近出口段分離能力較弱，導致風機口糖粉噴出；裝有螺旋導流葉片較其他結(jié)構(gòu)更有利于分離能力的提高；進風方式對分離效果有一定影響，采用進口通入空氣的方式，比出口抽吸空氣的方式分離效果好，但進風方式對糖粉分離器分離能力影響相對較??；帶有螺旋導流葉片的糖粉分離器更加適合糖粉的收集與分離。

糖粉；分離器；Fluent；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；螺旋導流葉片；進風方式

糖粉收集是制糖工業(yè)中重要環(huán)節(jié)之一，與糖廠生產(chǎn)環(huán)境和經(jīng)濟效益密切相關(guān)。傳統(tǒng)收集糖粉的主要方法是人工定期清掃，或者采用吸塵設(shè)備對糖粉區(qū)域進行簡單處理,效率低，效果較差。目前采用的氣流收集、再分離回收糖粉的方法取得了不錯的效果[1-2]。該裝置由吸塵罩、風管、旋風分離器、引風機等構(gòu)成。在引風機的抽吸下，振槽與振槽之間揚起的糖粉經(jīng)風管被吸入旋風分離器中，糖粉顆粒在離心力的作用下向壁面運動，溶解于壁面水流中，然后，沿壁面下流落入溶解箱中，而氣體由風機帶出，從而實現(xiàn)糖粉的收集。

目前，工業(yè)上采用的分離器主要為Stairmand型旋風分離器(見圖1)，由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、分離高效，得到了廣泛認可。針對標準Stairmand旋風分離器的工作條件和結(jié)構(gòu)等方面，已經(jīng)開展了不少的研究。薛曉虎等[3-4]采用數(shù)值模擬的方法，從顆粒粒徑、入口含塵濃度、工作溫度、入口氣流速度、壓強等角度，對旋風分離器內(nèi)顆粒濃度分布規(guī)律做了詳細分析。結(jié)構(gòu)方面，李壘等[5]采用RNGk-ε模型對傳統(tǒng)Stairmand分離器和帶有螺旋導流的分離器進行了模擬分析，證明帶螺旋導流的分離器分離效果更好，能夠分離更小的顆粒粉塵；趙學觀等[6]則證明了大豆脫粒機旋風分離器帶有吊桶的結(jié)構(gòu)分離效率更高。另外，黃興華等[7]通過分析表明顆粒進口位置，從進口中心進入的顆粒分離效果最好，而靠近壁面進入的顆粒分離效果較差；梁紹青等[8]利用Q判據(jù)對分離器內(nèi)的漩進渦及二次渦進行了準確識別，結(jié)果表明，在中心線附近存在旋渦結(jié)構(gòu)，渦結(jié)構(gòu)的變化與壁面磨損及噪聲的產(chǎn)生關(guān)系密切。上述研究從多方面揭示了Stairmand分離器工作狀況，但有關(guān)糖粉分離器的相關(guān)研究并未發(fā)現(xiàn)，至于其結(jié)構(gòu)及進風方式對分離效果的影響則更未涉及。

制糖行業(yè)中，由于相關(guān)因素的限制，所用的糖粉分離器結(jié)構(gòu)與Stairmand分離器結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。圖2為某糖廠所采用的糖粉分離器，收集的糖粉氣流在引風機的抽吸下從下面切口進入分離器，糖粉隨氣流上行過程中被壁面水流捕捉后沿壁下流，落入溶解箱。在使用過程中，發(fā)現(xiàn)旋風分離器分離效果不佳，部分糖粉從風機出口噴出，圖3為現(xiàn)場工作場景。為了解決糖粉分離不佳的問題，本研究擬在現(xiàn)有糖粉分離器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合Fluent的仿真分析，對糖粉分離器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高糖粉的分離效果，從而實現(xiàn)糖粉的高效收集。

1. 進氣口 2. 排氣口 3. 筒體 4. 排塵口圖1 Stairmand旋風分離器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of Stairmand cyclone separator

1. 上直筒 2. 抽風口 3. 中直筒 4. 進風口 5. 支撐腳 6. 分離器入口 7. 長形視鏡 8. 溶解箱

圖2 糖粉分離器

Figure 2 sugar powder separator

圖3 分離器工作現(xiàn)場Figure 3 Working field of separator

1 仿真模型的建立

旋風分離器內(nèi)運動流場復雜多變，氣體與顆粒的運動軌跡和顆粒的濃度分布更為復雜，通過試驗進行相關(guān)測量不僅成本高，而且許多時候工作環(huán)境惡劣，試驗難以順利進行，而采用Fluent軟件進行模擬計算不失為一種較好的途徑[9]。Fluent是目前國內(nèi)外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一，在CFD領(lǐng)域占有最大的市場份額。由于Fluent功能模塊多、計算精確穩(wěn)定、結(jié)果容易收斂等優(yōu)點，在水利船舶、燃料電池、旋轉(zhuǎn)機械等方面均有廣泛應用[10]。

1.1 數(shù)學模型

1.1.1 湍流模型 湍流模型選擇正確與否與計算結(jié)果準確度密切相關(guān)，關(guān)于旋風分離器湍流模型選擇的相關(guān)文獻非常多。王江云等[11]用改進的RNGk-ε模型對分離器內(nèi)的強旋流動進行了模擬，并將計算結(jié)果與RNGk-ε模型、Reynolds應力輸運模型(RSM)以及試驗的結(jié)果進行對比，結(jié)果證明改進的RNGk-ε模型與RSM能夠較好地對試驗結(jié)果進行模擬；王海剛等[12-13]則系統(tǒng)地分析了不同的湍流模型對旋風分離器內(nèi)部流場模擬結(jié)果的影響，通過各個模型結(jié)果與相應試驗數(shù)據(jù)的對比，一致認為采用Reynolds應力輸運模型(RSM)能夠?qū)πL分離器復雜流場進行模擬。因此，本試驗采用Reynolds應力輸運模型(RSM)進行模擬計算。Reynolds應力輸運方程可表示為

(1)

式中：

ρ——流體密度，kg/m3；

ui、uj——脈動速度分量，m/s；

Uk——平均速度分量，m/s；

Dij——應力擴散項；

Pij——剪力產(chǎn)生項；

∏ij——壓力應變項；

εij——應力擴散項。

1.1.2 氣固兩相流模型 由于旋風分離器入口糖粉濃度較小，體積分數(shù)小于10%，采用歐拉-拉格朗日計算模型進行模擬，氣體為連續(xù)相，糖粉顆粒為隨機離散相，忽略顆粒之間的相互作用，但考慮顆粒與氣體之間的耦合作用和顆粒的湍流擴散。旋風分離器顆粒相運動方程可表示為：

軸向：

(2)

徑向：

(3)

切向：

(4)

其中顆粒松弛時間τ：

(5)

式中：

p——固相；

g——氣相；

ug、vg、wg——氣體速度分量，m/s；

r0——顆粒徑向位置，m；

μ——氣體黏性系數(shù)，Pas；

CD——阻力系數(shù)；

Rep——顆粒雷諾數(shù)。

1.2 網(wǎng)格劃分和計算模型

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞不僅影響計算速度，而且影響計算結(jié)果的準確性。王海剛[10]對旋風分離器模型劃分網(wǎng)格時，采用貼壁網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格能夠很好地給出邊界信息；另外，許多學者[4-5,8]在劃分網(wǎng)格時采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量較好，計算結(jié)果較為理想，因此，本試驗采用分區(qū)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格?？紤]進風口以下為溶解箱，溶解箱盛有水，該部分對混有糖粉的氣流影響較小，因此可將糖粉分離器簡化如圖4所示的幾何模型，圖5為相應模型的網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為116 778個。

圖4 分離器幾何模型(單位：mm)Figure 4 Geometric model of separator

圖5 分離器網(wǎng)格Figure 5 Mesh of separator

1.3 邊界條件

(1) 進口邊界：壓強入口，設(shè)為常壓，流體介質(zhì)為空氣，不可壓，常溫，密度1.225 kg/m3，黏度1.789×10-5Pa·s。顆粒相采用源面，與空氣同速，密度780 kg/m3，入口質(zhì)量濃度0.5 kg/s,糖粉顆粒粒徑設(shè)置為泊松分布，最大粒徑10 μm，最小粒徑1 μm。

(2) 出口邊界：速度入口，保證抽風量40 000 m3/h，設(shè)速度24 m/s。

(3) 壁面邊界：無滑移邊界，標準壁面函數(shù)法；離散相計算時，假設(shè)糖粉顆粒碰到分離器圓周壁面即被收集，碰到頂面反彈，而通過出口則逃逸。

2 計算結(jié)果分析

由于制糖車間收集的氣體中糖粉相對較少，糖粉對空氣的運動影響較小，可以認為糖粉的運動軌跡與空氣相似，因此觀察分離器內(nèi)空氣流線即可知糖粉顆粒的運動軌跡。圖6為現(xiàn)有分離器模型的流線圖。圖6表明，在引風機的作用下，氣體進入分離器后呈螺旋上升，上升一定高度(約1 200 mm)后螺旋消失，氣體呈直線向上運動，最后從上出口輸出。根據(jù)分離器的工作原理可知，螺旋運動有利于分離，而直線運動則對分離不起作用。因此，制糖車間分離效果不佳，糖粉從出口噴出的原因在于分離器只在下部起分離作用，而達到一定高度后，分離作用消失。就此，對旋風分離器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足工作要求，提高制糖效率。

圖6 分離器空氣流線圖Figure 6 Air streamline of separator

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)有模型，分別改變模型出口結(jié)構(gòu)，增加分離器高度、減小分離器筒徑、內(nèi)部裝置螺旋導流片，觀察分離器內(nèi)部流場變化。在仿真模型設(shè)置相同的條件下，各種改進模型的流線圖見圖7。

由圖7可知，將出口由頂部圓口改為側(cè)面切向方口，在整個筒體內(nèi)，氣體呈螺旋上升，相對現(xiàn)有模型，分離能力增加，螺旋高度由1 200 mm增至2 000 mm，但靠近筒體中心的氣流出現(xiàn)紊亂而非螺旋上升，這不利于相對較小顆粒的分離；分離器筒體加高，由4 058 mm增至6 058 mm，則導致氣流基本上不呈現(xiàn)螺旋運動，更不利于糖粉顆粒的分離；分離器筒徑由1 910 mm減小至1 610 mm，筒體內(nèi)氣流流動更加均勻，但不會改變分離器上部分離效果不佳的現(xiàn)狀；筒體內(nèi)裝置螺旋導流葉片，相對其他模型更有利于流體的螺旋上升運動，螺旋高度高達4 000 mm，并且能夠保證分離器上部具有一定的分離能力。比較分析可知，內(nèi)部裝有螺旋導流葉片的旋風分離器模型分離效果較好。另外，發(fā)現(xiàn)螺旋葉片的螺距對分離效果也有較大影響。

3.2 進風方式對分離效果的影響

分離器進風方式分為進口通入空氣和出口抽吸空氣兩種。前面分析模型進風方式為出口抽吸空氣，而傳統(tǒng)Stairmand型旋風分離器均采用進口通入空氣方式。下面針對糖粉分離器和Stairmand分離器兩種模型，通過仿真計算探討進風方式對分離效果的影響。

圖8為內(nèi)置螺旋導流葉片分離器模型在兩種不同進風方式下的流線圖，圖9為Stairmand分離器模型在兩種不同進風方式下的流線圖。由圖8和圖9可知，對于兩種不同結(jié)構(gòu)分離器，采用進口通入空氣方式進氣分離效果優(yōu)于出口抽吸空氣的進氣方式。內(nèi)置螺旋導流葉片的糖粉分離器在兩種進風方式下分離效果相差較小，而傳統(tǒng)Stairmand分離器在進口通入空氣方式下的分離效果較出口抽吸空氣方式下的明顯要好，這也是傳統(tǒng)Stairmand型旋風分離器均采用進口通入空氣方式進風的原因之一。比較發(fā)現(xiàn)，進風方式對糖粉分離器分離效果影響不大，而對傳統(tǒng)Stairmand型旋風分離器分離效果有較大影響。

圖7 不同結(jié)構(gòu)流線圖Figure 7 Streamline of different structures

3.3 糖粉在旋風分離器內(nèi)的分布

圖10為旋風分離器內(nèi)糖粉顆粒的分布云圖。由圖10(a)可知，隨著分離器高度的增加，糖粉顆粒濃度越來越少，靠近出口處只有微少顆粒，說明此分離器能夠保證糖粉不易被空氣流帶出；由圖10(b)可知，分離器內(nèi)糖粉顆粒主要分布在分離器圓筒壁面附近，少量顆?？拷搀w中心，并且靠近中心的粒子主要分布在分離器下部。分析可知，此分離器能夠有效地將微小的糖粉顆粒分離，滿足制糖車間分離器的工作要求。

4 結(jié)論

(1) 原結(jié)構(gòu)糖粉分離器內(nèi)氣流在分離器下部分呈螺旋上升運動，上升2 000 mm后，呈直線運動，導致分離器上部分離能力較差，從而使得部分較小糖粉顆粒不能完全分離而被氣流從出口帶出。

圖8 分離器兩種進氣方式流線圖Figure 8 Streamline of two air intake modes of separator

圖9 Stairmand模型兩種進氣方式流線圖Figure 9 Streamline of two air intake modes of Stairmand model

圖10 糖粉粒子分布云圖Figure 10 Cloud charts of particle distribution

(2) 分離器結(jié)構(gòu)對分離器分離效果有較大影響。其中，將出口由頂部圓口改為側(cè)面切向方口可以改善分離效果，但靠近筒體中心的氣流出現(xiàn)紊亂，不利于顆粒分離；筒體加高則不利于分離性能的提高；分離器筒徑變小對分離效果影響較小，能改善氣流流動穩(wěn)定性；內(nèi)部裝置螺旋導流葉片則能夠大大提高分離性能，并且流動均勻穩(wěn)定。因此，分離器內(nèi)部裝有螺旋導流葉片的結(jié)構(gòu)是一個較優(yōu)方案。

(3) 進風方式對不同結(jié)構(gòu)分離器的分離效果影響不同。對于糖粉分離器，采用進口通入空氣方式和出口抽吸空氣方式均有較好的分離效果；對于傳統(tǒng)Stairmand分離器,采用進口通入空氣的方式，較出口抽吸空氣方式有更好的分離效果。因此，糖粉分離器具有較為寬泛的使用條件，有利于糖粉分離器的安裝和制造。

(4) 內(nèi)部裝有螺旋導流葉片的糖粉分離器能夠滿足制糖工業(yè)要求，解決了糖粉收集效果不佳的難題，對提高糖粉收集、增加制糖效率有一定的指導作用。

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基金項目：海南省重大科技計劃項目(編號：ZDKJ2016015)；海南省自然科學基金項目(編號：20167232，617033)；南海海洋資源利用國家重點實驗室開放項目子課題(編號：2016013B)

作者簡介：蔡寬麒，男，海南大學在讀本科生。

通信作者：胡祝華(1979—)，男，海南大學副教授，碩士。 E-mail: eagler_hu@hainu.edu.cn

收稿日期：2017—01—11

Structural optimization design of sugar powder separator

(1.SchoolofMechanicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning,Guangxi530004,China;2.GuangxiYemaoMechanicalandElectricalCo.Ltd,Nanning,Guangxi530004,China)

To explain the phenomenon of poor separation effect of powder separator in the process of collecting powdered sugar, simulation analysis of powder separator was made with using Fluent software. Based on the existing structure, changing the outlet structure, increasing the height, reducing the diameter of the separator and installing spiral guide vane respectively, to make comparison of the effects of different structures of separator. In addition, the influence of air intake mode is discussed. Weak separation capacity close to separator outlet section leads to powder splash; Equipped with spiral vanes is more conducive to improve the separation capacity than other separator structure; Air intake mode has some influence on separation effect, using imported air way contributes to separation effect than export suction air way, but air intake mode has less effect on the separation ability of sugar powder separator; Sugar powder separator with spiral guide vane is more suitable for collection and separation of sugar.

Sugar powder; separator; Fluent; Structural optimiza-tion; Spiral guide vane; Air intake mode

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.018

上海市科技創(chuàng)新行動計劃項目(編號：16391902902)；江蘇省國家長江珍稀魚類工程技術(shù)研究中心培育點(編號：BM2013012)

黃幸幸，女，上海海洋大學在讀碩士研究生。

葛艷(1974—)，女，上海海洋大學副教授，博士。 E-mail: yge@shou.edu.cn

2017—01—18