[实用新型]高效节能旋转流体机械

说明书

本实用新型是在选矿、选煤、钻井等领域中用于分级、脱泥、浓缩、除尘等作业上的旋转流体机械。

目前国内外普遍使用的水力旋流器（图1），它是由入料管（1）、溢流管（2）、旋流室（3）、园锥体（4）、沉砂管（5）组成，入料管（1）设在旋流室（3）的筒部边缘并和筒壁相切；溢流管（2）设在旋流室（3）的顶部；园锥体（4）设在旋流室（3）的下部；园锥体（4）的底部接沉砂管（5）。除入料管（1）外，整个旋流器是以Z－Z轴为中心的迥转体。流体从入料管（1）以速度V₁沿旋流室（3）的筒壁的切线方向进入旋流室（3）后，由于离心力和重力的作用，流体将向下作螺旋运动，当运动到园锥体（4）时，由于锥壁的作用流体还要作向心运动，其运动半径越来越小，当运动到沉砂管（5）后，一部分流体从沉砂管（5）排出，剩余部分在流体内部压力的作用下会自下而上的作螺旋运动，从溢流管（2）排出。因此，旋流器稳定工作时，其内部有“下降流”、“上升流”两股流体。旋流器内任意一点处流体的速度V都可以分解为切向速度V_t和铅垂速度V_Z、径向速度V_r（图2），并且：

V²＝V²_t＋V²_r＋V²_Z（1）

旋流器稳定工作时，作用于流体上所有外力对中心轴之力矩和为零，否则流体将作加速或减速旋流运动。在旋流器内半径为r处任取一正六面微园体（图3），其径向截面积为ds、厚度为dr、内侧面上正压力为P、切应力为τ、外侧面上正压力为：P＋dq、切应力为τ＋dτ，应用动量矩定理得：

（τ＋dτ）·dS·（r＋dr）－τ·dS·r＝0        （2）

略去高阶微量dτ·dr，积分得：

Inr＋Inτ＝C₁

即：r·τ＝C₂（3）

其中：C₁－积分常数；C₂－常数。

将入口处的边界条件r＝r₁、τ＝τ₁（r₁－旋流室半径；τ₁－旋流室内壁与流体之间的切应力）代入得：

C₂＝r₁·τ₁（4）

所以r·τ＝r₁·τ₁（5）

用牛顿摩擦力公式：τ＝－μ (dv_t)/(a_r) （μ－流体的粘性系数）

代入上式得：r·（－μ (dv_t)/(d_r) ）＝r₁τ₁

dV_t＝－μ 1/(μ) r₁·τ₁(d_r)/(r) （6）

积分得：V_t＝－ 1/(μ) r₁·τ₁Inr＋C₃（7）

C₃－积分常数。用入料口处的边界条件r＝r₁、V_t＝V_t1＝V₁（V_t1－入料口处流体的切向速度），代入上式得：

C₃＝V₁＋ (r₁τ1)/(μ) Inr₁

所以：V_t＝V₁＋ (r₁τ₁)/(μ) In (r₁)/(r) （8）

由上式得出，旋流器内流体的切向速度V_t随r减小而增大。

在旋流室内任取半径为r，高为h（r＞溢流管、沉砂管的半径）的园柱形假想筒体，其侧表面积S＝2πrh。使旋流器内所有流体均需经过表面积S进入假想筒体。然后再从溢流管和沉砂管排出。设旋流器通过的流量为Q，则流体的径向平均速度：

V_r＝ (Q)/(S) ＝ (Q)/(2πrh) （9）

V_r和r成反比，其方向指向中心轴。