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一种新型风动式选粉机对极细粉末分级的研究 社河内 敏彦， 森本 宏 摘 要 :近年来 ,在极细粉末领域的需求很大 ,极细粉末被用在高级的材料上 ,例如 ,在业的电气部分里。尤其，对极细粉末直径的控制要求在提高。风动式极细粉末分级机、选粉机正是迎合这一要求的设备。但是没有阐明在流体环境中实现高性能的研究。在研究中，提出了一种新型的风动式极细粉末选粉机，并且通过带有一组栅格和油点的可见的流体的方法和对气体流速的测量把性能和流体环境联系起来。 基于这些结果，这个新型选粉机将具有很大的涡流流动速度 ,它 能够精确地将极细粉末分选出来。 关键字： 料气流；风动式选粉机；极细粉末；可见流体；速率分量 先进的工业原料，诸如精细陶瓷，超导材料，磁性粉末，打印机用的墨粉等等，这些通常的形态都是细微的粉末。近年来，由于高速发展的 ，控制颗粒直径的设备，如将细粉均化（粉碎机）然后排列有机或无机干材料的细微粉状颗粒（选粉机），它们已经从颗粒微米级彻底地转变成亚微米级（在下文中，这被称为极细粉末， 1微米或是更小）。现在，许多种的选粉机在商业上都是有用的。例如，旋风式选粉机、反向气流式选粉机和叶轮式选粉机， 这些选粉机被广泛地用在粉末材料的制造过程中，尽管选粉机能在干燥的环境中分选出极细粉末并并且在工业领域没有这样的选粉机。 在这篇论文中，将介绍一种新型的风动式极细粉末选粉机（下文中称为新型选粉机）。新型选粉机运用一种新的涡流和满足上面提到的设备。可以想象有一个理想流场来为所有提供的细粉产生一个大的离心力，这个力能正确地将极细粉末分选出来。这个流体环境由可见和观察的流动，即气流流速分量的测量和分选实验来证明。当一个选粉机有高性能时在数量上理解流场是很重要的。另外，分选性能通过一个用一些如碳酸钙二氧化钨的 细小颗粒的实验来证实。所以，这个新型风动选粉机可以分选出亚微米级的极细粉末。 1 验的建立和程序 为了分选出极细粉末，在每一颗颗粒上施加一个大的离心力是很重要的。这种新型的选粉机有一个圆锥形的选粉区，并且大部分涡流流动通过百叶窗口向上流动，然后因为涡流半径变小所以切线方向速度迅速地增加。每一颗颗粒都能因为切线方向很大的速度而得到大的离心力。这种新型选粉机不仅有非常高的选粉性能，而且有很高的喂料速度。通常细粉选粉机选粉性能很高，但是喂料速度就很低。 图 1是风动式选粉机。这种选粉机只运用涡流的流动，在内部并没有运动部件。这种选粉机由一个分散区 i、锥形选粉区 导向叶片区 成。粉状物料进入分散区，而空气从外面通过导向叶片（下文中称为百叶窗口）被导入，这些导向叶片高 207生一个涡流流动。分散区有一个主喷嘴用来在直径 12散喷嘴和分散锥。选粉区有一个角度 =20的下表面，而同样在选粉区的上表面的角度 =60。此外，含有细粉的涡流空气的出风管的直径 D=60在选粉区下表面的中央， 5粉的出口分布在外圈。分散锥设在选粉区的正上方 ,它能防止物料直接地流出去。 图 1 极细粉末选粉机 2 图 2是实验建立的示意图。空气（一次风）带着细粉流动，空气（二次风）流动以分散颗粒而空气（三次风）被风机从百叶窗口吹入，所有的空气通过在外面的布袋收尘器过滤。图 2 建立实验 选粉机的中轴可以看成 半径为 图 1）。一次风夹带着的颗粒在被二次风很好地分散后从顶部沿 力方向，流入圆锥形的选粉区。三次风通过均匀分布在底部外围的百叶窗中间的通道方向一致地吹入选粉区。圆周 方向均匀地分布着 16片导向叶片（ 面），在百叶窗之间的宽度在 1到 7向叶片的安装角度 以在 7到 15范围内变动。风从百叶窗之间的通道通过时便产生了涡流。一次风、二次风、三次风的体积流量比为 7： 3： 90。那么，涡流在选粉区内的流动特性便取决于三次风。 此外，在选粉区内的涡流形成了一个三维的复合流动区，这个区域里存在着离心力。当涡流运动时，三次风在圆锥半径方向（向心）流动，到了中心处风变通过出风口排出。另一方面，混合着物料的一次风与涡流在 很好地被二次风分散后一起从主喷嘴引入分散区。涡流的方向和在选粉区里的方向一致。被引入选粉区的物料在圆锥上部区域受到一个大的离心力作用，于是粗粉在半径方向上被分离出来，然后通过底部 3 的排气缝收集起来到达选粉区外部的斗仓。在选粉区中央附近带有极细粉末的递减气流从出风口排出，然后由布袋收尘器收集细粉。 如图 3是一个用来测量在选粉机内速度分布的实验。一个直径 1 300带有一个直径 选粉区内它以正确的角度方向（ 入中心轴（ 在 x=105航计能沿着 以在 r和 平方向作为 =0，它以每 10垂直地旋转到 =120（总共 240），压力通过用水银压力计测量（如图 2）。既然这样，流如空气的总量为 Q=量 )，百叶窗之间的通道的宽度以 ,5和 7每一个测量位置上流动方向（上下的角度）通过压力分布被计算出，而气流速度通过静态和动态压力算出。每个速度分布的实验仅适用于一个单独的阶段，这时的气流是不含细粉的。 图 3 通过偏航计 测量速度 4 为了了解选粉机内的流场，设置了“栅格组法”和“油滴法”来使流体可见化和便于观测。 栅格组的形状和毛簇如图 4。这个结构由 簇由 153个金属丝的节点处结合起来。这个结构安装在选粉区内 簇栅格放置在透明丙烯酸脂制成的选粉机里，而这套实验只为气流设置。通过水平和垂直方向可以观察到毛簇栅格由于涡流影响的倾度和波动，这些由一个摄象机记录下来。 图 4 通过栅格法使流动可见化 5 选粉区半径方向两个位置（每 180）上表面的 35个油点和 20个在下表面上的点用来发现流体在表面上的流向。在导向叶片处所有流入空气的质量流向 Q=均流入速度 8m/s（ 在做了仅适合空气的实验之后油点的迹线就能观察到了。在表面上的涡流流动角度通过油点的迹线来测量。由占体积 液体石蜡、 亚麻子油、 油酸和 氧化钛的混合物用作白色有色染剂。 选粉机的的 分选粒径（分级点）近似地按如下方法计算。 图 5是选粉原理的示意图。考虑到施加在供给到选粉区颗粒上变化的力，在特定的半径方位上单独一颗涡流颗粒运动的方程式如下： /6 p /6 /8 (1) 图 5 分级原理 6 颗粒的极限速度可以通过方程解出 . （ 1）如下（ ） 4( Dp (3 (2) 此外，当颗粒的雷诺数 托克斯 区域 时，因为 ，颗粒的 德劳格 系数为 4/以( /(18 ) (3) 既然切线速度为 Vt=( (18 ) (4) 在选粉区内的流动呈现一个半自由的旋风式的流动。 (5) 然而通过实验，旋风系数 因此，可以得到半径 i） (6) 式中 如果 Vt=k:坎宁安修正系数， k=由方程（ 4）和（ 6）得 ( i)(18 ) (7) 此时，通过导向叶片的涡流流动沿着选粉区上表面上升，然后在选粉区中央的排风口被排出。从方程（ 7）的计算结果通过雷诺应力模型（ 到沿着上表面的流动厚度大约为 t 数， 道区域以 升速度以 示， Q/A = （ 8） 式中 为流动分割比（ 在选粉区内的细粉在离心力作用下在上表面产生旋涡，半径速度 A (9) 施加在细粉上的离心力必须和德劳格力想平衡，当 粒直径 级点），它能由方程（ 7）和（ 9）表达，如下： k(i) 18 S(/( (10) 7 r=30上的表达式近似地说明了选粉机分选粒径 面会通过在更多细节上与实验结果比较来论述这个结果。 图 6是向下的涡流流动的偏转角度，它为正数，一个特定半径处 x=105s而 、 3、 5和 7从中心 (r=0处 )呈放射状散开时偏转角度大约从+20 (r=10变化到 (r=60。在选粉区内上表面中心附近的偏转流动逐渐地上升。此外，靠近中心（ r10偏转角度随着 图 6 涡流流动的偏转角度 图 7是在相同条件下的切线速度 线速度迅速地从中心（ r=0）向半径方向增加，然后当接近选粉区上表面，在 r/D =60数）。剖面如下所示： （ 0 r/D （ 11） ( r/D,n (12) 8 图 7 切线方向的分速度 完全符合兰金组合旋涡模型，它在中心区域有一个强制旋风，在外部有一个半自由旋风。所有完全被分散的细粉颗粒一旦从主喷嘴流入选粉机便立即受到一个由涡流流动产生的大的离心力的作用。 粗粉颗粒在水平方向被离心力分离出来，而细粉在通过递减流动区之后从出口流出，这个区域在靠近选粉区中央有最大切线速度。 图 8是从水平方向观察到的毛簇栅格的偏转。在上表面上靠近边界层的毛簇从0向上偏转到 25，然后可知气流以涡流形式上升。向着靠近边界层选粉区上表面中心流动的气流从出风口排出，此时在分散锥上部它已经在旋转偏斜之后降低涡流。另一方面，在从中央的内壁分离出来的区域里的栅格几乎定向在水平方向，也存在着只有切线方向速度而几乎没有垂直方向速度的流动。 9 图 8 上表面附近毛簇的偏转（ Q= 图 9是在下表面的边界层附近的毛簇栅格的性质。毛簇在半径方向上只在035内从切线方向在每一个半径位置偏转。在下表面边界层附近有着向选粉区中心的流动。通过以上提及 的原因，可以定性地知道通过百叶窗流入选粉区的流动在上表面和下表面边界层附近呈一个放射状的流动，而在另一区域，流动大多是切线方向的。 10 图 9 下表面附近毛簇的偏转（ Q= 图 10（ a）是油点的迹线，从底部向上看，这条迹线在内壁的上表面上成半圆弧。由于照片的局限，有一部分是看不见的，图 10（ b）是在下表面的迹线。图 11是向着油点迹线中心的角度 d，它能在二维平面测量出来。在上表面的流动以向中心大约10的角度涡旋向上到达分散锥的顶点。涡流角度在半径约为 3040不多在分散锥处）暂时减小，然后可以说在油点上有一个非常快的涡流速度的区域，而这个区域里有很大的离心力。朝分散锥运动的涡流的距离非常的长，因为上表面的倾斜角度较大和向上涡旋流动的角度 一方面，在下表面上的流动当半径变小时以一个更加大的角度被吸入出风口。在选粉区内靠近上表面和下表面的边界层的流动的涡旋角度截然不同，而在上表面，上升涡旋流动有一个比在下表面上的更小的半径方向的速度。此外，通过数学分析，因为通过百叶窗到上表面与到下表面的流动的分割比为 8： 12，这可以理解为在上表 面靠近边界层向上的涡流大多半径方向的速度是很小的。 11 图 10 油点迹线（ Q= a）上表面 （ b）下表面 图 11 油点的涡流调度（ Q= 12 为了确定这个新型选粉机的选粉能力，实验条件是所有流入空气的总量Q=常数），物料分别为 10kg/h(碳酸钙（p= 5kg/h(酸钡（p=6kg/h(化钛（ p=经过选粉，粗粉和细粉分别地被收集出来。分选出的样品粒径由粒径分析仪“ (出来。 碳酸钙、钛酸钡、氧化钛的计算结果分别如图 1214所示。通常，选粉性能用敏锐指数 =个指数通过部分分离效率统计表（特龙普曲线）得到。由于钛酸钡和氧化钛的敏锐指数分别为 =小于 在选粉中是允许的。另外，碳酸钙和氧化钛的分选粒径分别为 m，它们的值都很小。通常，颗粒越小则它们就越难被精确地分级出来，而细粉中最大直径颗粒就相当于把粗粉混入细粉里，影响细粉的质量。 图 12 碳酸钙的分级 13 图 13 钛酸钡的分级 图 14 氧化钛的分级 但是，既然这样，细粉中颗粒最大的直径也比 为敏锐指数和分选粒径都很小，可以说这个选粉机的表现还是不错的。 碳酸钙、钛酸钡、氧化钛的分选粒径分别是 m，这些数据由近似理论方程（ 10）得到，与实验得到的 似理论可以很好地表达实验得到的分选粒径。 人们设计出一种新型的风动式极细粉末选粉机，它的选粉性能通过流动的可见化和速度分量的测量来确定。主要计算结果如下： （ 1）通过百叶窗被引入选粉区的气流，被分成在上表面和下表面上流动的两股，刚引入的气流在分散锥底部圆周分散得很均匀。上升气流沿着上表面涡旋上升，然后在到达分散锥顶部后从出风口排出。 （ 2）在选粉区里靠近中央的递减气流形成了最大的涡流速度（最大切线方向速度）。 （ 3）这种新 型的风动式极细粉末选粉机能够非常精准地分选极细粉末。例如， 14 碳酸钙、钛酸钡、氧化钛分别以喂料速度 20， h(的敏锐指数 =选粒径 m。 （ 4）分选粒径的近似理论可以很好地表示实验结果。 主要符号 德劳格系数 粒径 分选粒径 (分级点 ) m 气流中细粉的喂料质量流量 颗粒的雷诺数 = r 半径方向坐标 u 气流中颗粒的相对速度 cm/s t 分别为涡流的半径和切线方向速度 cm/s 在半径方向上颗粒的极限速度 在选粉区上表面气流的上升速度 cm/s 在百叶窗通道之间的宽度 x 中心轴方向的坐标（见图 1） ， 分别为选粉区内上表面和下表面的偏转角度 i 百叶窗的安装角度 在选粉区内上表面毛簇的倾斜角度 在选粉区内下表面毛簇的倾斜角度 d 油点迹线的切线角度 流体的黏度 g/cm s , p 分别为流体和颗粒的密度 g/ 从百叶窗进入的流体的分配速度 角速度 s
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