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中浓浆泵的关键部件—湍流发生器的设计及其性能测试

离心式中浓纸浆泵是通过高强度剪切使中浓纸浆发生湍流,纸浆具有近似于牛顿流体的特性,从而实现离心输送。湍流发生器是离心式中浓纸浆泵的关键部件,在叶片边缘处对纸浆纤维施加高强剪切力破坏并分散纤维网格,使纸浆处于强烈的湍动状态,具有了流动性,从而实现中浓纸浆流体化,其结构设计的好坏,直接影响到整台泵的性能。本文运用中浓纸浆的湍流化理论设计了3种不同直径的湍流发生器,并在中浓浆泵上进行中浓浆泵的输送能力测试,以检验湍流发生器结构的合理性。

1 湍流发生器计算和设计

1.1结构选择

所有中浓泵的湍流发生器都采用剪切叶片旋转剪切浆料实现湍流化,影响湍流发生器结构的因素很多,包括湍流发生器的外径、长度、外缘线型、螺旋线的进出口安放角、叶片厚度及数量以及制作方法等。不同结构的湍流发生器对中高浓纸浆泵的能量消耗和工作性能有很大的影响。传统湍流发生器均采用直叶片或近似直叶片,本实验湍流发生器由三片等螺距的螺旋叶片构成(见图1),该结构不仅对纸浆剪切强度大,还能起到诱导轮的作用,湍流效果好,能够大大提高泵的扬程和效率。

图1 螺旋叶片式湍流发生器转子结构示意图

1.2计算过程

湍流发生器的设计计算目的是保证转子的实际转速大于湍流临界转速,李军等人推导出湍流临界转速计算公式:

(1)

式中:ncr—中浓纸浆湍流临界转速,r/min

Recr—中浓纸浆发生湍流时的临界雷诺数

—中浓纸浆表观粘度,mPa·s

d—剪切转子直径,m

—纸浆密度,kg/m3

公式(1)是针对直叶片式湍流发生器的计算公式,而本实验采用螺旋叶片式,在纸浆流体化过程中,对纸浆具有真正剪切效果即叶片的有效剪切速度不仅与螺旋叶片的线速度有关,与螺旋升角也有很大的关联。对公式(1)进行推导优化得出:

(2)

由公式可知:当螺旋升角α→0°,螺距P→0,叶片对纸浆没有剪切力,只有摩擦力;

当α→90°,螺距P→∞,转子叶片是直叶片,叶片的有效剪切速度等于叶片线速度,剪切强度最高。

2 中浓浆泵性能测试

中浓浆泵性能测试实验装置包括立式纸浆储罐、中浓纸浆泵、真空泵、变频电机、管路系统及自动控制系统[5-6]。实验中可实时显示并采集储罐液位高度,中浓纸浆泵的出口压力、流量、电机转矩、转速、电流,真空泵的转速等数据,保存到文档,方便处理数据和查看系统的运行情况。流程如图2所示。

图2 中浓泵测试系统流程图

采用浓度约为12%的纸浆进行实验,改变中浓纸浆泵的转速、流量,对不同直径的转子分别进行测试,测试泵的性能曲线。

3 测试结果及其分析

3.1湍流发生器计算结果

按照公式(1)计算,转子直径115mm的湍流发生器,转速达到1587r/min以上,就可以实现纸浆湍流化。但从泵的性能曲线看到:转速1800r/min,2100r/min,2400r/min泵的效率很低,表明此时纸浆还没达到湍流临界点,直到转速达到2700r/min,中浓泵才进入高效工作区,达到湍流状态。根据公式(2)计算,d=115mm, nCr=2590r/min,当转速达到2590r/min,纸浆才达到湍流状态,中试结果相符。

由试验结果还看到,d=120mm时:转速1800r/min,2100r/min时纸浆还没达到湍流临界点,转速达到2400r/min时中浓泵进入高效工作区,纸浆达到湍流状态;根据公式(2)计算:d=120mm, nCr=2254r/min,当转速达到2254r/min,纸浆才达到湍流状态,与实验结果基本相符;d=145mm时:转速1800r/min时纸浆还没达到湍流临界点,转速达到2100r/min,中浓泵已进入高效工作区,达到湍流状态;根据公式(2)计算d=145mm,nCr=1906 r/min,当转速达到1906r/min,纸浆才达到湍流状态,与试验结果相一致。

由此验证了本文提出的螺旋叶片式湍流发生器湍流临界转速的计算公式,该转速不仅与叶片直径有关,还与叶片的螺旋升角、螺距密切相关,转子直径越大,对纸浆剪切强度越大,湍流临界转速越小;螺旋升角增大,达到湍流状态需要的临界转速也越小。

因此在湍流发生器结构设计时可以考虑增大螺距,加大螺旋升角,使之产生更大的剪切力和更好的气液分离效果。

5 结论

本文提出了湍流发生器的有效剪切速度的概念,优化了螺旋叶片式湍流临界转速的计算公式,验证了湍流临界转速不仅与叶片直径有关,还与叶片的螺旋升角、螺距密切相关。在今后的设计中,优化湍流发生器结构,提高流体化性能可以从以下参数考虑:(1)转子直径越大,湍流发生器产生的剪切应力越大,纸浆达到流体化所需临界转速越小;(2)增大螺距,加大螺旋升角,湍流发生器产生的剪切应力变大,从而增强湍流效果。


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