中濃紙漿泵湍流發(fā)生器的設(shè)計與驗證

葉道星，賴喜德，李 紅，秦 浩

(1.西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室，四川 成都 610039； 2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039； 3.江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

中濃技術(shù)是一種高效、環(huán)保、節(jié)能的制漿技術(shù)，是未來我國制漿技術(shù)發(fā)展的方向，中濃紙漿泵是中濃技術(shù)最重要的核心設(shè)備之一。中濃紙漿泵輸送紙漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到14%[1]，輸送能力是低濃漿泵的2倍，可極大減少制漿工藝流程中紙漿泵的使用數(shù)量，減少廢水排放量和用水量。湍流發(fā)生器是中濃紙漿泵的重要組成部分，是實現(xiàn)中濃紙漿泵紙漿輸送的前提保證。

1981年，Gullichse與 Kamyr公司分別對一體式和分體式結(jié)構(gòu)的中濃紙漿泵進(jìn)行了試驗測試，研究結(jié)果表明氣體積累是造成大流量下性能下降的原因，抽氣孔處與漿泵內(nèi)的壓差是影響紙漿中氣液分離的主要原因[2]。1998年，曹樹良等通過調(diào)節(jié)真空控制閥調(diào)節(jié)抽吸壓力，研究表明中濃紙漿泵的特性很大程度上取決于抽吸壓力[3-4]。2007年，李紅等建立中濃紙漿泵試驗系統(tǒng)，試驗測量了11%濃度下泵的性能，試驗缺少真空度對中濃紙漿泵性能的定量測試[5]。中濃紙漿的物理參數(shù)測量方法相關(guān)的研究[6]主要集中在管內(nèi)的流動、阻力、功率數(shù)等，但對紙漿的剪切應(yīng)力與剪切速率之間關(guān)系的測量鮮有報道。同時，目前可查閱到的湍流發(fā)生器設(shè)計方法非常少，相關(guān)的設(shè)計理論也幾乎為零。湍流發(fā)生器是中濃紙漿泵的關(guān)鍵部件，其湍流發(fā)生器葉片的直徑大小與湍流發(fā)生器的軸向長度關(guān)系到中濃紙漿的湍流化效果和氣液分離效果；然而以上文獻(xiàn)中并未完全對此提出有效、可行的設(shè)計計算公式。目前，國內(nèi)產(chǎn)品主要靠國外進(jìn)口，關(guān)于中濃紙漿泵性能試驗研究的公開試驗數(shù)據(jù)資料也較少。

為進(jìn)一步完善湍流發(fā)生器的設(shè)計理論，結(jié)合中濃紙漿泵的物理性質(zhì)，筆者提出中濃紙漿泵湍流發(fā)生器的設(shè)計方法，搭建中濃紙漿泵性能試驗臺，進(jìn)行中濃紙漿泵試驗，并對設(shè)計進(jìn)行驗證。

1 湍流發(fā)生器的設(shè)計

中濃紙漿泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。與普通離心泵相比，其在葉輪前面安裝了使中濃度紙漿湍流化的特殊裝置——湍流發(fā)生器。紙漿中由于含有大量的氣體，如果紙漿中的氣體不能及時排出，就會在葉輪內(nèi)聚集，堵塞流道，使泵失去輸送能力；因此，中濃紙漿泵還應(yīng)具有氣液分離功能及相應(yīng)排氣結(jié)構(gòu)。紙漿中的氣體經(jīng)過湍流發(fā)生器后得到初次分離并向葉輪的進(jìn)口聚集，而后通過葉輪上的排氣孔，在葉輪的背葉片繼續(xù)分離作用下氣體向真空室運動，最后氣體通過抽氣孔排出。湍流發(fā)生器葉片的軸向長度L可分為2個部分，一是在泵內(nèi)部的長度L1，二是伸入到紙漿立罐的長度L2，如圖1所示。

圖1 中濃紙漿泵的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 葉片外徑的計算

葉片外徑尺寸是中濃紙漿泵湍流發(fā)生器的最重要尺寸，直接決定了湍流發(fā)生器作用的紙漿范圍和湍流化作用效果，并且是其他葉片幾何尺寸的設(shè)計及確定的前提條件。

增加湍流發(fā)生器的葉片外徑可以提高紙漿的剪切速率，更容易實現(xiàn)中濃紙漿湍流化的目的。湍流發(fā)生器葉片外徑的確定主要通過結(jié)合中濃紙漿的湍流化特征，通過簡化湍流化剪切模型，分析紙漿在湍流發(fā)生器中的運動規(guī)律，推導(dǎo)出能實現(xiàn)紙漿懸浮液湍流化的湍流發(fā)生器葉片最小外徑的計算公式。

圖2是用于測量紙漿介質(zhì)的試驗裝置，圖3示出紙漿的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系。從圖3中可以看出，紙漿的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增加而不斷升高，同時隨著紙漿濃度的增加而增加。當(dāng)紙漿所受到的剪切應(yīng)力超過某一值后，剪切應(yīng)力值呈線性增加，把這個拐點稱為紙漿湍流化的初始點，即紙漿超過這個值后具有流動特征性質(zhì)。圖3中虛線的左邊為紙漿非湍流化區(qū)域，右邊為湍流化區(qū)域，虛線為紙漿湍流化初始點。

1.計算機(jī)；2.有機(jī)玻璃缸；3.葉輪；4.測功儀；5.變頻電機(jī)。

圖3 剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系

簡化湍流發(fā)生器剪切作用原理，對湍流發(fā)生器截面(剪切室)內(nèi)的速度進(jìn)行研究分析，如圖4所示。

圖4 湍流發(fā)生器剪切室的截面流動示意圖

在湍流發(fā)生器流場中紙漿受到葉片強(qiáng)烈剪切作用，分析紙漿湍流化作用時可忽略介質(zhì)軸向運動速度的影響。圖4中R為泵的進(jìn)口外徑，r外為湍流發(fā)生器的外徑。將距離從r外到R看作整體并進(jìn)行流動分析，可知剪切室的內(nèi)壁圓周速度為零，而葉片外徑處的速度最大。可以作如下假設(shè)：如果剪切室內(nèi)壁處的紙漿達(dá)到湍流化，那么可認(rèn)為整個環(huán)形流動區(qū)域達(dá)到湍流化；因此，可得：

考慮湍流發(fā)生器葉片外端的速度v外,有

(1)

同時

(2)

對于給定的紙漿介質(zhì)，根據(jù)中濃紙漿泵的轉(zhuǎn)速確定泵的進(jìn)口直徑(剪切室內(nèi)徑)，聯(lián)立式(1)和(2)即可得出r外的最小值。

1.2 葉片的軸向長度的計算

1.2.1 湍流發(fā)生器在泵內(nèi)部的長度L1

由于氣泡進(jìn)入湍流發(fā)生器時加速度很大，其阻力的增加也非常迅速；因此在短時間內(nèi)達(dá)到力平衡，氣泡的速度達(dá)到最大速度。

由圖5可知，氣泡所在的徑向位置r(氣泡到旋轉(zhuǎn)軸心的距離)等于湍流發(fā)生器的半徑R與氣泡運動的徑向距離s之差。

圖5 氣泡的徑向位置與運動距離的關(guān)系

由于速度是距離對時間的導(dǎo)數(shù)，可得

(3)

式中：d為氣泡的直徑；ρm為液體的密度；ρb為氣體的密度；η為液體的黏度；ω為角速度。積分得到氣泡的運動軌跡為

(4)

式中θ為湍流發(fā)生器轉(zhuǎn)過的角度。

從式(4)中可以得出，氣泡的徑向位置與轉(zhuǎn)過的角度成自然指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且隨著氣泡的直徑和旋轉(zhuǎn)角速度的增加而快速減小。

如氣泡未受到湍流發(fā)生器的作用，那么可以假設(shè)氣泡最遲從泵的進(jìn)口進(jìn)入湍流發(fā)生器。如果要在葉輪的進(jìn)口完成初步分離，則氣泡在到達(dá)葉輪進(jìn)口前，必須運動至輪轂處；因此，由式(4)可得氣泡運動至輪轂時需要轉(zhuǎn)過的角度

(5)

由于泵的轉(zhuǎn)速是固定的，則湍流發(fā)生器的角速度不變；因此，根據(jù)式(5)可以計算出氣泡運動至輪轂時需要的最短時間

(6)

泵的流量按照設(shè)計流量點計算，由于泵的進(jìn)口直徑大小固定，故可以計算出泵進(jìn)口紙漿的速度

(7)

聯(lián)立式(5)、(6)、(7)，進(jìn)而可以計算出

(8)

1.2.2 湍流發(fā)生器葉片的長度L2

根據(jù)經(jīng)驗，L2可取湍流發(fā)生器外徑的0.5～0.7倍，

L2=(0.5～0.7)Dtg。

(9)

因此，可以得到湍流發(fā)生器的軸向長度L=L1+L2。

1.3 湍流發(fā)生器的幾何尺寸和實物結(jié)構(gòu)

湍流發(fā)生器的設(shè)計參數(shù)引用某中濃紙漿泵型號的參數(shù)設(shè)計值：輸送紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cm=14%，紙漿含氣率為10%，設(shè)計流量值Q=450 m3/h，中濃紙漿泵轉(zhuǎn)速n=960 r/min，泵的進(jìn)口直徑D=270 mm，泵葉輪葉片數(shù)為8。

在文獻(xiàn)[4]的型線設(shè)計基礎(chǔ)上，通過式(8)和(9)計算得到的湍流發(fā)生器主要幾何尺寸如表1所示。

表1 湍流發(fā)生器主要幾何尺寸參數(shù)

幾何參數(shù)數(shù)值 備 注湍流發(fā)生器葉片外徑d/mm266葉片軸向總長度L/mm250 L1=108．63，L2=141．81葉片的型線 等螺距和變螺距相結(jié)合的葉片型線湍流發(fā)生器葉片厚度δ/mm12 葉片厚度δ與泵葉輪葉片厚度相同湍流發(fā)生器葉片數(shù)4 取漿泵葉輪葉片數(shù)的一半湍流發(fā)生器輪轂直徑dh/mm95 與葉輪的輪轂直徑相等葉片出口安放角α/(°)86 與葉輪葉片光滑連接葉片進(jìn)口安放角β/(°)25等螺距葉片包角/(°)30變螺距葉片包角/(°)80

圖6為生產(chǎn)制造出的湍流發(fā)生器實物圖?？紤]到中濃紙漿有一定的腐蝕和磨損性；因此，中濃紙漿泵的湍流發(fā)生器和葉輪都采用了不銹鋼材料，且過流表面經(jīng)過打磨拋光處理。

圖6 湍流發(fā)生器及中濃紙漿泵實物圖

2 試驗研究

2.1 中濃紙漿泵試驗臺的設(shè)計

由于輸送介質(zhì)的特殊性，紙漿泵的外特性與一般的清水泵有很大的區(qū)別，因此需要專門設(shè)計試驗平臺進(jìn)行測試。試驗臺主要由立式儲罐、中濃紙漿泵、變頻電機(jī)、壓力傳感器、聲吶流量計、閘閥、真空表、真空泵及管路系統(tǒng)組成。通過調(diào)節(jié)真空泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)真空度，控制真空調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)氣體的流量。中濃紙漿泵的出口管路上安裝有閘閥，用于調(diào)節(jié)管路中紙漿的流量。通過安裝在泵出口管路上的壓力傳感器測量泵出口壓力。在出口管路上安裝有聲吶流量計，用于測量紙漿的流量和紙漿含氣率。試驗測試臺如圖7所示。

1.中濃紙漿泵；2.壓力表； 3.真空壓力表； 4.真空閥門；5.真空泵；6.單向閥門；7.聲吶流量計； 8.流量控制閥； 9.紙漿儲罐；10. 紙漿排出閥。

圖7 中濃紙漿泵試驗臺示意圖

2.2 試驗結(jié)果與討論

2.2.1 濃度對泵性能的影響

圖8示出抽送不同濃度紙漿時泵的特性曲線。圖8(a)、(b)分別為轉(zhuǎn)速960 r/min和1 500 r/min時紙漿泵的性能對比曲線，真空度為臨界真空度(當(dāng)真空泵有少量紙漿排出時真空表的讀數(shù))。由圖可知：當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.52%時，其揚程與清水相比并無明顯降低趨勢；隨著濃度的繼續(xù)增加揚程顯著下降，泵的效率隨濃度的增加逐漸下降；臨界真空度下，泵的出口管路中紙漿的含氣率低于1%，泵出口紙漿的含氣率隨著流量的增加而增加。

2.2.2 真空度對泵性能的影響

圖9為不同真空度下泵的特性曲線圖。圖9(a)、(b)分別為紙漿濃度7.52%、轉(zhuǎn)速960 r/min和紙漿濃度12.1%、轉(zhuǎn)速1 500 r/min時紙漿泵的性能變化曲線。在臨界真空度時，真空泵有紙漿排出，造成了紙漿的浪費。由圖9(a)可知：隨真空度的增大，揚程升高，泵出口含氣率降低；流量小于100 m3/h時揚程有小幅度下降，隨著流量的繼續(xù)增加，葉輪內(nèi)氣體增加導(dǎo)致?lián)P程急劇下降。當(dāng)真空度為-33 kPa時，其效率高于臨界真空度時的效率，說明存在一個最佳的真空度值。中濃漿泵可以工作在不抽真空的條件下，但隨著流量的增加性能顯著劣化，揚程、效率下降明顯。由圖9(b)可知：紙漿濃度達(dá)到12.1%時，不抽真空后大量的氣體堵塞葉輪流道，導(dǎo)致泵很快失去輸送能力；隨著真空度的增大，泵可以抽送的最大流量逐漸增加。

2.2.3 轉(zhuǎn)速對泵性能的影響

圖10示出不同轉(zhuǎn)速時泵的特性曲線。圖10(a)、(b)分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.3%和12.1%時紙漿泵的性能對比圖。可知，揚程隨泵轉(zhuǎn)速的增加而升高，效率無明顯變化。由于轉(zhuǎn)速的增加提高了中濃紙漿泵的氣液分離能力，因此泵出口中紙漿的含氣率下降。

圖8 不同紙漿濃度下泵的特性曲線對比圖

(a)Cm=7.52%, n=960 r/min (b)Cm=12.1%, n=1 140 r/min

(a)Cm=9.3% (b)Cm=12.1%

表2為不使用真空泵時，采用聲吶流量計測量得到的紙漿含氣率?？芍?，隨著紙漿濃度的增加紙漿含氣率不斷升高。利用聲吶流量計測量得到的含氣率值與文獻(xiàn)[1]相吻合。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)紙漿的含氣率

3 結(jié)論

本文根據(jù)中濃紙漿泵輸送介質(zhì)的特殊性，測量紙漿的物理參數(shù)，提出了中濃紙漿泵湍流發(fā)生器的一種設(shè)計方法，最后通過試驗驗證了設(shè)計方法的可行性，主要結(jié)論如下。

1)通過試驗測量分析中濃紙漿剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)中濃度紙漿湍流化過程中存在著湍流化前與湍流化后兩個階段。紙漿的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增加而不斷升高，同時隨著紙漿濃度的增加而增加。當(dāng)紙漿所受到的剪切應(yīng)力超過某一值后，剪切應(yīng)力值呈線性增加。

2)湍流發(fā)生器的外徑與紙漿的性質(zhì)、湍流化點及對應(yīng)的剪切速率、中濃紙漿泵的轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系。湍流發(fā)生器在泵內(nèi)的長度L1與紙漿的密度、黏度、湍流發(fā)生器的外徑及泵的轉(zhuǎn)速和設(shè)計工況等有關(guān)。

3)隨著紙漿濃度的增加，中濃紙漿泵的揚程、效率逐漸下降。抽吸真空度對泵性能特性影響顯著，大流量下?lián)P程、效率下降明顯。隨著真空度增大揚程升高，而泵出口紙漿的含氣率逐漸降低。隨著泵轉(zhuǎn)速的增加，泵揚程升高，泵出口中紙漿的含氣率降低，表明提高轉(zhuǎn)速有利于紙漿中氣液的分離，可以降低所需的抽吸真空度值。泵出口紙漿的含氣率隨著紙漿濃度的增加而升高。

[1]鐘傳友．中濃和高濃紙漿的空氣含量[J]. 四川造紙，1993(1)：45.

[2]GULLICHSEN J, HARKONEN E. Medium consistency technologyII [J]. Tappi, 1981, 64(9)：113.

[3]曹樹良，大場利三郎．稠纖維漿液離心泵性能研究[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1998(1):5.

[4]曹樹良, 大場利三郎. 稠纖維漿液離心泵進(jìn)口流動與纖維的流動化[J]. 工程熱物理學(xué)報, 1996, 17(4): 437.

[5]李紅，耿偉浩，范建國，等. 離心式中濃漿泵的試驗[J]. 中國造紙，2008,27(2):71.

[6]CHEN K F, CHEN S M. Fluidization properties of high-consistency fiber suspensions[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1997, 14(2): 149.

[7]BHOLE M, FORD C, BENNINGTON C P J. Characterization of axial flow impellers in pulp fibre suspensions[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2009, 87(4): 648.

[8]PRAJAPATI P, EINMOZAFFARI F. CFD investigation of the mixing of yield pseudoplastic fluids with anchor impellers[J]. Chemical Engineering & Technology, 2009, 32(8): 1211.

[9]DERAKHSHANDEH B. Rheology of low to medium consistency pulp fibre suspensions[D]. Canada Vancouver： University of British Columbia, 2011.

[10]WU B. CFD investigation of turbulence models for mechanical agitation of non-Newtonian fluids in anaerobic digesters[J]. Water research, 2011, 45(5): 2082.

[11]葉道星. 湍流發(fā)生器內(nèi)部流動及中濃紙漿泵試驗研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué), 2015.