【正文】 率的獲得是靠犧牲外部動力損失（能量的轉(zhuǎn)化）實現(xiàn)的。它的壓力損失非常小靜態(tài)水力旋流器內(nèi)液體的高速旋轉(zhuǎn)是靠液體自身的壓力提供的，即運行；時必須有足夠的入口壓力保持來液高速旋轉(zhuǎn)，因此其分離效率的獲得是通過犧牲液體自身的壓力損失來完成的，其壓力損失相對比較大[6]。因此，轉(zhuǎn)筒運行是否平穩(wěn)極大地影響動態(tài)水力旋流器的分離性能[7]。若轉(zhuǎn)筒各段同軸度精度不高則高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較大的偏心力，并引起激烈的振動，將嚴重影響油滴向轉(zhuǎn)筒中心運移，使油核發(fā)生較大的變形，甚至無法產(chǎn)生油核。因此轉(zhuǎn)筒需作靜、動平衡測試，才能保證其運轉(zhuǎn)較為平穩(wěn)。動態(tài)水力旋流器屬十動力設(shè)備，裝置自振以及與地基共振對分離效率的影響不可忽視。需要改變?nèi)肟?、出口管線以減少壓力損失[9]，合理控制溢流口壓力并盡量降低溢流壓力損失。單旋體高速度旋轉(zhuǎn)，其軸向尺寸較大，因此保證旋體各段內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)表面的同軸度極為關(guān)鍵。保證旋轉(zhuǎn)柵加工精度，此時導(dǎo)流對中性增強、過流充分、流動阻力降低，使預(yù)旋轉(zhuǎn)的旋流強度增加，提高了樣機的分離性能[10]。待分離的油水混合液由入液口進入旋流器，液流流過旋轉(zhuǎn)柵流道和尾部導(dǎo)向錐，旋轉(zhuǎn)柵對來入液起導(dǎo)流及預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用。圖23 水力旋流器工作原理圖從宏觀上來，油水混合液由動態(tài)水力旋流器的入液口進入，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)柵，液體由直線形運動變成在旋流體內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊沿軸心向下的運動?？烧J為油水在該裝置內(nèi)的軸向流動是近似平行[12]。這比靜態(tài)水力旋流器在旋流腔及大錐段均有紊流影響要好得多。 動態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器的比較分析 技術(shù)原理比較兩者都是利用水力旋流離心作用實現(xiàn)不同相之間的分離，但離心力場的建立方法有所不同：靜態(tài)水力旋流器是由壓能轉(zhuǎn)化成動能來形成離心力場，而動態(tài)水力旋流器是外加電能帶動旋轉(zhuǎn)筒所形成的。沿圓筒軸線方向切向速度與軸向速度基本恒定，流場穩(wěn)定性好，可認為是沒有紊流的渦流場。從內(nèi)部流場來看。圖24是靜態(tài)水力旋流器與動態(tài)水力旋流器切向速度場的比較。這一點與靜態(tài)旋流器相似。即渦流場的強度更強；強制渦區(qū)域加大；邊界切向速度不為零。圖24 靜態(tài)水力旋流器與動態(tài)水力旋流器切向速度場的比較通過激光流速計的測繪．還可得到兩種旋流器中離心加速度的分布情況。從對比分析來看：靜態(tài)水力旋流器的峰值出現(xiàn)在距軸心較近之處衰減非常迅速，其有效分離區(qū)較小；而動態(tài)旋流器則恰巧相反其有效分離區(qū)遠大于靜態(tài)旋流器。圖25 靜態(tài)水力旋流器中的離心加速度場 圖26 動態(tài)水力旋流器中的離心加速度場 分離性能比較英國南安普頓（Southampton）大學(xué)設(shè)計的F型靜態(tài)水力旋流器，其單管臨界分離粒徑為60m，雙管和三管串聯(lián)的臨界分離粒徑分別為40μm和30μm，液體停留時間為2s；而后，經(jīng)過科技人員的不斷開發(fā)，靜態(tài)水力旋流器的單管I臨界分離粒徑可達30~20μm，當(dāng)處理含油污水時，對7μm油滴的分離效率為50％，液體停留時間小于2s：動態(tài)水力旋流器的臨界分離粒徑可達15μm，當(dāng)處理含油污水時,對7μm油滴的分離效率為80％（參見圖27），液體停留時間為3~10s，處理后的水中含油為8~25mg/L[14]。（2）操作彈性在高效區(qū)上，動態(tài)水力旋流器可在額定處理量的10％~200％下運行，而靜態(tài)水力旋流器只在額定處理量的40％~100％下運行；在處理量上，靜態(tài)旋流器分離效率受處理量變化的影響較大．入口流量減少時其效果下降明顯。其原因一方面在于動態(tài)水力旋流器具有較強的離心力場。在處理量加大時，兩者的分離效率都有所下降，靜態(tài)旋流器分離效率的下降更為明顯；在入口含油量上，動態(tài)水力旋流器能適應(yīng)入口含油量變化較大的情況，實驗證實，當(dāng)入口含油從330mg/L上升到660mg/L時，水流的含油濃度為只從22mg/L上升到24mg/L；而靜態(tài)旋流器則要求入口含油≤2000mg/L。當(dāng)分流比變化時，動態(tài)水力旋流器的分離性能沒有太大的變化。以減少富油相的再處理量：靜態(tài)水力旋流器的分流比一般在5％以下，與動態(tài)水力旋流器比較，需要處理的富油相量更多。當(dāng)軸向速度較小時有可能出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[14]。它一方面使旋流分離技術(shù)提高到一個新的水平，另一方面為旋流技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。當(dāng)然，動態(tài)水力旋流器也存在以下缺點：（1）外殼轉(zhuǎn)動，造成固體顆粒在邊壁的積聚，易產(chǎn)生污垢；（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外殼的轉(zhuǎn)動必須依靠電動機等動力源[15]?？梢钥闯?，隨著入口含水率的升高，分離效率也逐漸升高；入口含水率超過80%時，分離效率達到90％以上[3]。圖29 溫度與分離效率關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)溫度在20~70℃時，分離效率逐漸升高。 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速不同處理量下的轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率之問的關(guān)系如圖210所示。最高轉(zhuǎn)速時，分離能力可達到最大，理論上效率應(yīng)最高，但由于整個裝置的人口壓力及壓力降急劇增加，振動加劇，因此此時效率達不到最高。高轉(zhuǎn)速還會使裝置使用壽命及運行可靠性受到限制，增加運行成本[3]。對于固定結(jié)構(gòu)的水力旋流器，其處理量是有限的，過高的處理量將會產(chǎn)生過大的壓力損失，同時也使液體進入旋流器的速度過高，有可能使液滴破碎，不利十分離。因此，任何一臺水力旋流器都有一個合理的處理量范圍，即額定處理量區(qū)。實際運行時來自入口的液體將由溢流管和底流管排出水力旋流器，因此，根據(jù)物料平衡原理，應(yīng)有下式成立。如圖211，入口流量在6~12m3/h分離效率逐漸增高； 入口流量10m3/h分離效率隨人口流量的降低而迅速降低；入口流量10 m3/h效率隨人口流量的增加而緩慢增高；人口流量在l0~13 m3/h離效率變化不大。高轉(zhuǎn)速時，液滴剪切乳化程度增加，使分離效率下降；高流量時，液體在旋流腔速度加快，停留時間變短，不利于分離，而使分離效率下降。圖211 入口流量與分離效率之間的關(guān)系曲線 分流比分流比F定義為溢流量（出油量）占（入口總流量）的百分比，即 （22）式中：——溢流量，；——處理量?？梢钥闯?，分流比對分離效率影響不顯著，分流比在8~12%時，分離效率達84%以上。就本試驗而言，目的是使溢流含水越少越好，因此在保證底流含油量盡可能少的前提下，分流比越小越好。圖212 分流比與分離效率關(guān)系曲線本文設(shè)計的水力旋流器的物性參數(shù)和操作參數(shù)：介質(zhì)溫度為50℃，處理量為12，分流比為10%，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速1460r/min。轉(zhuǎn)筒為兩端帶制口的直圓管結(jié)構(gòu)，當(dāng)其高速旋轉(zhuǎn)時，D越大，切向速度也大，導(dǎo)致離心力增加，利于分離。當(dāng)L長度足夠時，能保證液流在腔內(nèi)的分離時間為3~5s左右。若液滴在腔內(nèi)的存留時間為T，則有： （31）式中：Q—— 處理量，；D—— 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑，mm；L—— 轉(zhuǎn)筒長度，mm；T—— 存留時間，s。轉(zhuǎn)筒長度增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時間增加，使油滴有充分的分離時間，分離效果較好；但若轉(zhuǎn)筒長度過長，則導(dǎo)致動力損耗加大，振動加強，反而影響分離效果[16]。因此，轉(zhuǎn)筒長度選取L=2m。當(dāng)D確定時，隨L適當(dāng)增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時間增加，使油滴有充分的分離時間，分離效果也就愈好。表32給出了轉(zhuǎn)筒長徑比對分離效率影響的部分數(shù)據(jù)。額定處理量確定時，液滴的存留時間由L確定。故參考手冊[21]，選取轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑D=110mm。將式（31）變形可得== （33）存留時間T=~8s內(nèi)，故設(shè)計合理。為使混合液獲得足夠的切向速度，本研究設(shè)計出了對進入轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體起預(yù)加速作用的旋轉(zhuǎn)柵。若旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，就會造成油水混合液中油滴的嚴重乳化，進而降低分離效率。本文設(shè)計水力旋流器選用葉片式旋轉(zhuǎn)柵。葉片式旋轉(zhuǎn)柵通過葉片對來液進行預(yù)加速，葉片個數(shù)過少，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場分布不均；葉片個數(shù)過多，則使液流的過流面積減小，壓力損失增加及液滴的剪切破碎程度加劇，不利于分離效率的提高。表33 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對分離效率的影響旋轉(zhuǎn)柵片數(shù)分離效率%旋轉(zhuǎn)柵片數(shù)分離效率%2345因此，選擇旋轉(zhuǎn)柵的葉片數(shù)3片，如圖31所示。三葉片旋轉(zhuǎn)柵，見圖31，流量Q，液體流過旋轉(zhuǎn)柵的時間t，過流面積A。當(dāng)處理量一定時，旋轉(zhuǎn)柵中心孔直徑越小，則液體進入旋轉(zhuǎn)柵的流速、壓力及流體局部阻力損失也就越大。前面已經(jīng)選取D=110mm，因而試選取d=75mm，h=12mm?？梢姡孕∮贏,符合最優(yōu)設(shè)計。 旋轉(zhuǎn)柵葉片長度確定旋轉(zhuǎn)柵的作用在于造旋，即使直線流動的液體轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)流動的液體。高速液流是導(dǎo)致乳化的因素之一，高速運行時間越長，液流乳化越嚴重，因此需對柵片的直線長度進行優(yōu)選設(shè)計[17]。則柵片長度計算有 （36）式中：——液流的軸向速度，m/s； t ——液流分子在旋轉(zhuǎn)柵上的加速時間，s。在轉(zhuǎn)筒長度為2m，柵片數(shù)目為3的條件下，取柵片長度分別為100mm、95mm、90mm、85mm的旋轉(zhuǎn)柵，通過數(shù)值模擬進行分離效率對比研究，結(jié)果表明：當(dāng)葉片長度為95mm時，分離效率最高，如表34所示[17]。表34 旋轉(zhuǎn)柵長度對分離效率的影響柵片長度/mm分離效率%柵片長度/mm分離效率%100959085 溢流嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)選 溢流嘴內(nèi)表面設(shè)計首先建立收油結(jié)構(gòu)的直圓管模型，該結(jié)構(gòu)模型簡單，其入口在流體力學(xué)中稱為Borda孔。此時入液口有兩部分液流在此處發(fā)生分離，形成入口的對稱收縮現(xiàn)象[16]。根據(jù)分析，當(dāng)漏斗錐角為40176。溢流口有效直徑常取3~14mm，實際應(yīng)用中最多不應(yīng)超過12mm，內(nèi)錐面入口直徑約取10~18mm。圖32 溢流嘴內(nèi)表面形狀示意圖 溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)設(shè)計 研究發(fā)現(xiàn)，其外表面同樣有收縮現(xiàn)象，下面介紹解決的設(shè)計辦法[18,19]。研究此問題時，應(yīng)考慮液流的分離現(xiàn)象。此方案的外錐面設(shè)計在穩(wěn)定局部渦流方面較為理想。 圖33 溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)圖34 溢流嘴實物圖利用流體動力學(xué)知識，也可算出液流離開外錐面后形成的曲線方程。此曲線為外橢錐體壁面。該表面輪廓比較符合收油處的流線形狀。是為了減小液流分離時形成的入口對稱收縮現(xiàn)象。選取合適的溢流嘴結(jié)構(gòu)形式、確定溢流嘴伸入到轉(zhuǎn)簡內(nèi)的收油位置、使排油口直徑與腔內(nèi)油核直徑大小相適應(yīng)等問題很值得深入研究，而這又常與操作參數(shù)的控制、來液含油濃度及裝置的振動等有關(guān)。排油口與排水口橫截面面積關(guān)系的設(shè)計對分離特性有很重要的影響。大量試驗得到兩者面積比值約為1/5~1/10。同時，發(fā)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時，對同一溢流嘴也能有較好的分離效率；但轉(zhuǎn)速低于900r/min或超過2400r/min時，分離效率均有下降趨勢[16]。溢流嘴直徑為10mm時，情況與之相同；因此，溢流嘴的位置應(yīng)在收油端轉(zhuǎn)筒連接端面為基準的0mm處[16]。圖36 不同溢流嘴位置對分離效率的影響 收油錐的設(shè)計動態(tài)水力旋流器排水端收油套結(jié)構(gòu)形式為有收油錐和無收油錐兩種?？紤]支承及密封結(jié)構(gòu)的可靠性與合理性，在排水端常采取漸縮式環(huán)形空間。對小型動態(tài)旋流器，建議可不用收油錐，因為直通式結(jié)構(gòu)可能更利于腔內(nèi)流場的穩(wěn)定[16]。如圖37。旋轉(zhuǎn)柵做功來增加了液流的動能，也就相當(dāng)于，在旋流器已經(jīng)工作的時候，傳遞給單旋體的能量主要用于液流動能的增加。假定，液流在進入旋轉(zhuǎn)柵時的初速度=0。此處取系數(shù)K=，則：W （313）值得注意的是，旋流器工作首先要使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，然后才使混合液進入旋流腔。而在啟動瞬間，滾動軸承處的摩擦認為不是滾動摩擦，而要比滾動摩擦大得多，可以認為是滑動摩擦，查表可得，~。其中，對于單旋體部分轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，有 （315）式中：——鑄鐵的密度，取8000； V——轉(zhuǎn)筒體的體積，m3。通過已選定轉(zhuǎn)筒可知，=，=2m，=127mm，=99mm，=140mm，=110mm，帶入公式（316）得再將V，帶入公式（315），則有 再將m帶入公式（314），可得kW 上下比較，不難看出：啟動后所需的功率相比于啟動時所需的功率非常小，由此可得，電機功率選擇應(yīng)該依照啟動時進行選擇。而本文設(shè)計的五臺組合式動態(tài)水力旋流器，為了達到最好的功率傳遞效率，其位置在空間布置如圖38。圖38 五臺單旋體在空間布置示意圖，轉(zhuǎn)速為1460r/min。 V帶傳動設(shè)計及計算 一級傳動V帶傳動設(shè)計及計算（1）確定計算功率計算功率是根據(jù)傳遞的功率P和帶的工作條件而確定的[20] （320）式中：——計算功率，kW；——工作情況系數(shù)，；——所需傳遞的額定功率，kW。則帶速： （321）式中：n——帶輪轉(zhuǎn)速，r/s；將mm，n=1460r/min，帶入式（321），有m/s 圖39 普通V帶選型圖根據(jù)帶輪設(shè)計準則，帶速不宜過高或過低，一般應(yīng)使=5~25m/s，最高不超過30m/s[20]。（3）確定中心距a，并選擇V帶的基準長度要確定V帶長度，首先要初選其長度，在進行精確確定。代入式（323），有mm 考慮到帶輪的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補充張緊的需要，常給出中心距的變動范圍 （324）計算得：mm，mm。因為本文設(shè)計V帶傳動傳動比i=1，因此帶輪包角=180176。符合設(shè)計要求。 ——單根B型V帶傳遞的額定功率，kW。根據(jù)n=1460r/min，i=1和B型帶，查[