臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)節(jié)能研究進(jìn)展
行業(yè)動(dòng)態(tài)
臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)臥螺離心機(jī)）具有分離性能好、適應(yīng)性較強(qiáng)及能連續(xù)自動(dòng)操作等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于石油化工、能源、食品以及環(huán)保等行業(yè)。隨著能源利用、資源開(kāi)發(fā)及環(huán)保等工業(yè)裝置向大型化發(fā)展及其要求的不斷提高，對(duì)大規(guī)格臥螺離心機(jī)需求也越來(lái)越大，其目的在于提高單機(jī)生產(chǎn)能力并降低設(shè)備資金投入。臥螺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸增大后，如何降低其單位處理量的能耗是一個(gè)越來(lái)越受到關(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。文中對(duì)臥螺離心機(jī)的能耗概念進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并從改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式和傳動(dòng)方式兩個(gè)方面進(jìn)行了降低能耗的綜合介紹，旨在對(duì)臥螺離心機(jī)的能耗機(jī)制進(jìn)行定量、系統(tǒng)的研究提供幫助。
1 臥螺離心機(jī)能耗概念
臥螺離心機(jī)由于螺旋的存在，使其轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的流體動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜，因此影響其能耗的因素是多方面的。一般來(lái)說(shuō)，臥螺離心機(jī)所消耗的功率包括正常啟動(dòng)所需要的功率和正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的功率，其數(shù)值大小與操作方式及具體結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。正常啟動(dòng)所需要的功率主要是指啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓等轉(zhuǎn)動(dòng)部件所需的功率；正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的功率主要是指啟動(dòng)物料達(dá)到操作轉(zhuǎn)速所需要的功率、克服支撐軸承摩擦所需的功率、克服轉(zhuǎn)鼓以及物料與空氣摩擦所需的功率、卸出物料所需要的功率等幾方面。因此，要進(jìn)行節(jié)能研究，必須從功率消耗的特點(diǎn)出發(fā)，從結(jié)構(gòu)形式和傳動(dòng)方式兩方面進(jìn)行深入研究，以降低臥螺離心機(jī)啟動(dòng)和操作時(shí)的功率消耗。
2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式
1987年日本SUZUKI SOUROKU研制了雙錐臥螺離心機(jī)。這種雙錐臥螺離心機(jī)的能耗可以比普通臥螺離心機(jī)低很多，與普通臥螺離心機(jī)不同的是其轉(zhuǎn)鼓小端為雙錐形狀的轉(zhuǎn)鼓。雙錐形狀的轉(zhuǎn)鼓使物料在雙錐臥螺離心機(jī)中有效滯留時(shí)間變長(zhǎng)，增強(qiáng)了分離效果，甚至在低轉(zhuǎn)速下也可以獲得很好的分離效果。因此，物料加速功耗隨轉(zhuǎn)速減小而降低，故可以極大地節(jié)約能量，同時(shí)由于采用雙錐形狀的轉(zhuǎn)鼓，使離心機(jī)的液池深度加大。這就意味著轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)中心到液池表面的距離變短，這時(shí)濾液排放時(shí)帶走的速度動(dòng)能減小，節(jié)約了能耗。
臥螺離心機(jī)的分離效果取決于液池表面積和分離因數(shù)。因此，當(dāng)分離因數(shù)一定時(shí)，增加分離能力的有效方法是加大臥螺離心機(jī)的長(zhǎng)度，大長(zhǎng)徑比的臥螺離心機(jī)彎曲通道內(nèi)的流動(dòng)比普通臥螺離心機(jī)更接近理想的柱塞流動(dòng)狀態(tài)，也有利于分離。1992年丹麥的Niels Fl. Madsen進(jìn)行了大長(zhǎng)徑比臥螺離心機(jī)的理論和實(shí)踐的研究，證明大長(zhǎng)徑比臥螺離心機(jī)的能耗優(yōu)于與之相當(dāng)?shù)男￠L(zhǎng)徑比的大直徑臥螺離心機(jī)，當(dāng)分離因數(shù)一定時(shí)，兩種可替換的臥螺離心機(jī)能耗比與轉(zhuǎn)鼓直徑之比成正比。但是由于臥螺離心機(jī)長(zhǎng)徑比的增加，帶來(lái)了制造和設(shè)計(jì)的困難。在設(shè)計(jì)中可采用柔性懸置主軸承、浸沒(méi)式螺旋卸料器、分離式差速器等改進(jìn)方法來(lái)克服長(zhǎng)徑比增加帶來(lái)的困難，使臥螺離心機(jī)的長(zhǎng)徑比超過(guò)4.2以上，從而降低了投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。
1997年日本Tsukishima Kikai公司開(kāi)發(fā)了一種新型節(jié)能臥螺離心機(jī)，在相同的處理能力下，其操作能耗比傳統(tǒng)的臥螺離心機(jī)降低20%～40%。此種新型臥螺離心機(jī)與傳統(tǒng)臥螺離心機(jī)一樣，轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器以一定的差轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，將沉渣推向排渣口。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的濾液是通過(guò)溢流堰從排渣口的對(duì)側(cè)排出，由于溢流擋板頂部的濾液具有較高的動(dòng)能，所以在排液過(guò)程中有較大的能量損失。新設(shè)計(jì)的臥螺離心機(jī)設(shè)置了中心軸周?chē)呐乓簷C(jī)構(gòu)，并改進(jìn)了排渣閥的結(jié)構(gòu)，使濾液從動(dòng)能較低的中心軸處排出，并采用排渣閥來(lái)調(diào)節(jié)壓力的變化，從而避免了排液過(guò)程中的能量損失，減少了能量的消耗。
傳統(tǒng)的臥螺離心機(jī)因?yàn)槠鋱A錐型圓筒的構(gòu)造，性能無(wú)法大幅度提高。為了使沉渣在液面以上排出，就必須讓沉渣通過(guò)有斜度的錐段。而沉渣在該段的滑移削弱了排渣過(guò)程，結(jié)果有時(shí)候沉渣和清液一起通過(guò)排渣口排出。此外，傳統(tǒng)的臥螺離心機(jī)由于直筒段中心線(xiàn)附近的沉渣有相當(dāng)高的含濕量，為了降低沉渣的含濕量，必須要提高轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，因此要耗費(fèi)很大的功率。2003年日本OHINAAT TETSUO等學(xué)者開(kāi)發(fā)了直筒壓榨式臥螺離心機(jī)。這種新型的臥螺離心機(jī)采用直筒式圓筒再加上特殊的壓榨結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在含濕率低的位置即緊貼轉(zhuǎn)鼓壁的位置排出沉渣，并且通過(guò)特殊的壓榨結(jié)構(gòu)，使含濕率進(jìn)一步降低，提高了分離效率，達(dá)到了較大的分離效果。由于采用了直圓筒形式，使離心機(jī)的制造更加便利，延長(zhǎng)了使用壽命，而且實(shí)現(xiàn)了同樣分離效果的情況下轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的降低，從而降低了能耗。
2004年美國(guó)Leung等學(xué)者在臥螺離心機(jī)上設(shè)計(jì)了一種能量回收裝置。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在位于轉(zhuǎn)鼓端口上的每個(gè)排液口都會(huì)安裝一個(gè)特殊的排液裝置，此裝置由管狀構(gòu)件和多個(gè)彎頭部分組成，且管狀構(gòu)件的截面可以有多種形式，安裝方向是與轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)向相對(duì)。裝置中構(gòu)件的接口處采用漸縮截面，用來(lái)減少壓力損失從而加速濾液的排放速度。此項(xiàng)設(shè)計(jì)是基于反力矩的原理，充分利用所排放的濾液具有較高動(dòng)能的特點(diǎn)來(lái)推動(dòng)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而降低了能耗。
3 改進(jìn)傳動(dòng)方式
臥螺離心機(jī)是利用螺旋與轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速差達(dá)到連續(xù)卸料的目的。因此，為了保證轉(zhuǎn)鼓和螺旋以不同的角速度回轉(zhuǎn)并得到較佳的轉(zhuǎn)差值，臥螺離心機(jī)從電動(dòng)機(jī)到轉(zhuǎn)鼓和螺旋中間需要一個(gè)差速器傳動(dòng)裝置。通常的差速器傳動(dòng)裝置采用封閉功率的差速器，以減小電動(dòng)機(jī)容量和避免大量的能量損耗。
為了實(shí)現(xiàn)臥螺離心機(jī)的安全啟動(dòng)和高效率操作，1994年ALFA LAVAL公司開(kāi)發(fā)了一種帶雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)裝置的臥螺離心機(jī)。該傳動(dòng)裝置有雙電機(jī)交替配合工作，提供啟動(dòng)階段所需的功率，同時(shí)可以降低電機(jī)上啟動(dòng)的熱負(fù)荷。在啟動(dòng)臥螺離心機(jī)時(shí)，加速轉(zhuǎn)動(dòng)部件達(dá)到指定的操作速度后，第一個(gè)電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)臥螺離心機(jī)在規(guī)定的操作速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，而第二個(gè)電機(jī)空閑下來(lái)。根據(jù)操作條件的變化調(diào)整2個(gè)電機(jī)，以保證2個(gè)電機(jī)在較大的操作效率情況下進(jìn)行工作，并未臥螺離心機(jī)提供所需的功率。通過(guò)采用雙電機(jī)啟動(dòng)的方法，有效避免了為安全啟動(dòng)而選用大功率電機(jī)導(dǎo)致正常操作時(shí)大功率電機(jī)低效率工作的問(wèn)題。
1998年意大利貝亞雷斯公司設(shè)計(jì)的電-機(jī)械的自動(dòng)差速器，可以實(shí)現(xiàn)控制并連續(xù)調(diào)節(jié)臥螺離心機(jī)的螺旋和轉(zhuǎn)鼓之間轉(zhuǎn)速差，并可以將吸收的能量歸還給主電機(jī)，減少了能量的損耗。此裝置通過(guò)特有的方法連接到一個(gè)直流電機(jī)，其定子與轉(zhuǎn)鼓制成一體，轉(zhuǎn)子與另一個(gè)傳動(dòng)裝置制成一體，從而用來(lái)驅(qū)動(dòng)螺旋，同時(shí)還增加了檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子轉(zhuǎn)速的控制單元，根據(jù)預(yù)定的運(yùn)行條件對(duì)臥螺離心機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。差速器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離心機(jī)內(nèi)部扭矩的變化，不僅保證離心機(jī)的扭矩在允許范圍內(nèi)，而且還可以完全連續(xù)全自動(dòng)調(diào)節(jié)螺旋和轉(zhuǎn)鼓之間的轉(zhuǎn)速差，以保證離心機(jī)獲得較佳的脫水效果和較高的固體回收率，減少了單位處理量的能力消耗。
2000年四川大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的液壓控制的臥螺離心機(jī)，采用的全液力傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速以及螺旋輸送器差轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)速。在電機(jī)與轉(zhuǎn)鼓之間采用調(diào)速型液力耦合器，利用液力傳遞功率和扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動(dòng)。螺旋輸送器驅(qū)動(dòng)則采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)殼體與轉(zhuǎn)鼓相聯(lián)接，而液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)子與螺旋輸送器相聯(lián)接。這項(xiàng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在重負(fù)荷下無(wú)需為安全啟動(dòng)而選用大功率電機(jī)，配用的電機(jī)功率比普通的行星差速傳動(dòng)裝置所需電動(dòng)機(jī)功率小20%～30%，而且在過(guò)載情況下可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)，從而達(dá)到了安全、節(jié)能的目的。
4 討論
綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)谂P螺離心機(jī)一些具體的節(jié)能措施與設(shè)想方面已作出了可喜的成績(jī)，但是大多數(shù)結(jié)構(gòu)形式的節(jié)能研究中均未涉及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改變對(duì)臥螺離心機(jī)分離性能的系統(tǒng)影響，而流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改變勢(shì)必影響其分離分級(jí)性能指標(biāo)。鑒于以往對(duì)臥螺離心機(jī)能量耗散機(jī)理的認(rèn)識(shí)是基于流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，因此，對(duì)其進(jìn)行定性的推測(cè)與探討，還缺乏系統(tǒng)、深入的研究。此外，臥螺離心機(jī)中能量的耗散決定了其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，并且能量耗散會(huì)引起劇烈的表層流，因此進(jìn)行理論研究十分困難。目前數(shù)值模擬的發(fā)展和應(yīng)用為采用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行臥螺離心機(jī)分離性能的系統(tǒng)研究提供了幫助，從而可以進(jìn)行臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)形式的節(jié)能研究的定量分析。
臥螺離心機(jī)傳動(dòng)方式的選擇直接決定著整個(gè)機(jī)器的工作性能和可靠性，因此必須正確選擇傳動(dòng)類(lèi)型，精確合理地進(jìn)行傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。目前對(duì)傳動(dòng)方式的改進(jìn)方面進(jìn)行的研究較少，并且也未能對(duì)整個(gè)臥螺離心機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和能耗的總體評(píng)價(jià)，仍處于定性分析的階段。
到目前為止，對(duì)臥螺離心機(jī)的流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)基本上還是定性的，對(duì)其還缺乏深入的研究特別是定量研究，尚未獲得可以從理論上知道臥螺離心機(jī)在不同工藝條件下進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研究結(jié)果。
5 結(jié)語(yǔ)
進(jìn)一步對(duì)臥螺離心機(jī)的能耗機(jī)制進(jìn)行深入、定量及系統(tǒng)的研究，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地提出臥螺離心機(jī)的節(jié)能原理具有重大的意義。對(duì)臥螺離心機(jī)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)或改造，不僅能降低其運(yùn)行成本、提高生產(chǎn)效益，而且可以提高能源利用率，從而獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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