哈雷釬焊板式換熱器
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                機械攪拌槽擋板的研究

                點擊:1492 日期:[ 2014-04-26 22:42:58 ]
                機械攪拌槽的合理結構包括攪拌器的選擇、攪拌槽結構以及擋板結構形式。任何安置于攪拌裝置之外的槽內靜止部件都構成擋板。因而擋板可分為兩類:最常見的擋板形式是垂直安裝于槽壁的構件,即壁擋板;另一類是特殊擋板,形狀、位置各異,有底擋板、表面擋板等,換熱管和插入槽內液面下的蒸氣管、空氣管和進料管等內部構件也能起到擋板作用。   一、擋板的作用    擋板的基本作用,是將液體的旋轉運動改為垂直翻轉運動,消除旋渦,同時改善所施加功率的有效利用率。擋板限制了液體的切向速度,增加了軸向和徑向速度分量,其凈化作用是使攪拌器排出流具有更寬的流動半徑,攪拌器旋轉所產生的排出流,因受槽壁和擋板的作用,在攪拌槽內形成復雜的流場,流型、速度大小和方向等均因攪拌器葉輪與擋板的相互作用而有所變化,混合效果得到顯著加強。    二、全擋板條件    功率是攪拌器的特征參數。對于特定的攪拌器(葉輪形式和轉速不變),功率隨擋板系數的增大而增大。但當擋板系數達到一定數值時,功率不會進一步增大,而是基本保持恒定。此時的檔板系數稱為全擋板條件,即攪拌功率達到飽和。全擋板條件須符合下列公式(1): nd(bd/D)1.2=0.35式中nd—擋板數量;bd    —擋板寬度,mm;D—槽體內徑,mm;0.35—全擋板系數。    在攪拌槽的實際設計中,按照擋板寬度、數量的經驗性規定,通常采用垂直于槽壁的4塊寬度bd 為D/12~D/10的擋板(一般稱之為“標準擋板”)來滿足全擋板條件,這是因為根據公式(1),全擋板條件下的擋板尺寸、數量和形狀并非最優。適當的擋板條件所提供的流型能夠帶動全槽的物料運動,確保充分混合;而過多的擋板,即攪拌槽的過擋板化,將減少總體流動,并將混合局限在局部區域,導致不良的混合性能。   三、擋板對功率的影響    在無擋板的攪拌槽中,任何類型的攪拌器,都將產生切向流并形成旋渦。設置擋板后,切向流受到抑制或阻礙,槽內產生上下翻動的大幅度運動,旋渦消除。標準擋板包含雙重含義:功率飽和與旋渦消除。但標準擋板并非優化結構。    1、攪拌功率的計算在濕法冶金過程中,攪拌器葉輪通常為槳式、推進式和渦輪式,其簡化后的攪拌功率計算式如下(2):    N=10-3Npρn3d5j式中N—攪拌功率,kW;Np—功率準數;ρ—介質密度,kg/m3;n—攪拌器轉速,r/s;dj—攪拌器直徑,m。公式(2)表明,在給定介質條件和葉輪參數情況下,功率準數的變化將直接導致攪拌功率的變化,兩者成正比關系。    2、擋板結構對功率準數的影響(1)理論分析根據攪拌器功率的流體力學基礎分析,功率準數的物理意義是阻力系數。對于攪拌器葉輪而言,在充分湍流狀態下,形狀阻力是阻力的重要構成,因而功率準數取決于攪拌槽的幾何結構。    擋板給予不同的葉輪以不同的影響。對于同一種葉輪,擋板寬度和擋板數對功率準數的影響可以整理成如下關系式(3):    式中Npmax —全擋板條件下的功率準數; Npo—無擋板條件下的功率準數; Np,Re—給定雷諾數下的功率準數。   ?。?)實驗分析擋板增加了攪拌器功率的消耗,同時改進了混合效果。對于不同形式的槳葉,擋板影響不同。    在相同介質條件下,使用不同形式的槳葉,在具有圖1所示的4種擋板結構的小型攪拌槽中進行實驗(實驗中nd =4),得到一組功率準數,見表1。由表1的數據可以得到如下結構:①擋板系數對產生徑向流的槳葉(圓盤渦輪槳)影響最大,對同時產生徑向流和軸向流的槳葉(折葉渦輪槳)次之,對產生軸向流的槳葉(螺旋槳)影響最??;②對于同一類型的槳葉,擋板系數的增大,也導致功率準數的增加;③當葉輪形式及擋板系數相同時,擋板結構的改進,同樣可以改變功率準數,并在滿足功率輸入的條件下改善介質的混合性能。    此外,進一步觀察實驗現象還可以發現,圖1a的窄擋板結構,在實驗中介質中心產生了明顯的旋渦與卷吸,說明過小的擋板雖然功率消耗小,卻未達到消除旋渦的目的,而圖1中b、c、d的擋板結構沒有此現象發生。但是圖1d的標準擋板背面出現了介質的小循環,并且由于擋板的阻礙,該小循環中的介質無法脫離更新,因此形成死循環。說明這種結構導致了局部混合的不充分;而圖1b、c的擋板背面盡管也有小循環,但由于擋板留有空隙,使得小循環中的介質不斷地被其它方向的液流帶走,新介質可以不斷補充進來,其混合效果十分理想。    四、實際應用    擋板的結構常受到攪拌槽槽體材料的限制。濕法冶金所使用攪拌設備的內部材料通常為純金屬、金屬外殼內襯橡膠、金屬外殼內襯橡膠及耐腐蝕磚、混凝外殼內襯玻璃鋼或橡膠及耐腐蝕磚等。    對于純金屬或金屬外殼內襯橡膠的攪拌槽,早期多采用圖1d的擋板結構,近來為配合攪拌器葉輪型式,圖1b、c的擋板結構成為主流。此外,也設想過在純金屬槽體內設置篩孔擋板或格柵擋板,一方面節省材料,另一方面配合葉輪改變介質流型,以提高攪拌效果。不過這些都有待于不斷地實驗研究。    對于金屬或混凝土外殼內襯耐腐蝕磚的攪拌槽而言,因擋板磚須交替嵌入槽壁磚內,使之與槽壁成為一個整體,避免攪拌過程中磚的脫落,故離壁和鏤空結構一般不宜采用,大多沿用圖2a的擋板結構,各冶煉廠現使用的絕大多數襯磚攪拌槽均為此種結構。但株洲冶煉廠的襯磚浸出槽和凈化槽是例外,由于某國外攪拌裝置供應商提出,其提供的攪拌器必須在特定的擋板結構下才能達到預期的攪拌效果,即擋板必須按規定尺寸離壁離底,因此我們對設計做了如圖2所示的更改。盡管這一更改滿足了攪拌要求,但投資增加不少(每臺攪拌槽的不銹鋼使用量增加了近2t)。因此如何使攪拌器和擋板結構在襯磚的攪拌槽中達到更完善的契合,值得進一步研究。    因此,對于攪拌混合性能的優化要求,使擋板在攪拌流場中的作用受到關注,并使擋板形式趨于多樣化。尤其是多葉輪、多相系統,在氣體分散、固體懸浮等操作狀態下,擋板設計對整個系統性能有一定影響,標準擋板、標準葉輪結構未必能適應特定的工藝要求。近年來出現的指形擋板、橢圓截面擋板、凹形擋板、半釜擋板以及扭轉元件擋板等,都是針對不同的混合目的,滿足其攪拌要求。因而非標準狀態下的葉輪、擋板及其相互作用,成為攪拌研究的重要組成部分,并成為工藝改進的一種途徑。特定的攪拌葉輪與特定形式的擋板設計相結合,可以給出更為優異的工藝性能。    
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