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水力旋流器分離技術影響分析

[2018/8/15]

   一、錐角對水力旋流器分離性能和壓降的影響

  錐段為水力旋流器的主要分離段,其中錐段的錐角是影響其分離性能的一個非常重要的參數。為了研究錐段的錐角對分離性能的影響,設計5、7、10°3個錐角進行試驗,試驗結構見圖3。

圖3 水力旋流器錐角與分離效率的關係曲線

  從圖3可以看出,分離效率在一定的範圍內是隨著錐角的增大而降低的。因為錐角增大,流體產生的切向速度相對就高,在其他條件相同的情況下,粒子在旋流器中停留的時間要短,所以分離效率會降低。

  從下圖4可以看出,壓降隨著錐段錐角的增大而增大。因為錐角增大會引起旋流器中旋轉角速度增加,從而增加能量損耗。所以認為錐角為5°的水力旋流器為最佳的錐段結構。

圖4錐角與壓降的關係曲線

  二、導流葉片片數對分離性能和壓降的影響

  在各個錐角係列下,對導流葉片片數n做了大量試驗,試驗結果見圖5。

 

  試驗基本上體現出如圖5所示的規律:在一定的範圍內,分離效率隨著導流葉片片數的增加而增加。因為隨著葉片的增加,通過導流葉片流道後的高速旋轉流體分布更加均勻,對流場的擾動較小,減少了流場內的紊流,分離到邊壁的固體顆粒就不容易被返混夾帶。但是葉片數也不可能無限地增加,主要是因為隨著葉片的數目的增加,要保證一定的流道寬度就必須減小葉片的厚度,這樣可能使葉片在工作過程中磨損後強度難以保證,造成其壽命大大縮短。

圖5導流葉片片數與分離效率的關係曲線

  試驗還表明,壓降隨著導流葉片片數的增加也表現出明顯的增加趨勢。因為葉片數目的增大會增加流體與流道的接觸麵積,導致液體流經葉片時受到的阻力增加。通過試驗綜合分析得出最佳葉片片數為4。

  三、導流葉片出口角對水力旋流器分離性能和壓降的影響

  導流葉片出口角也是葉片設計中非常關鍵的一個參數。為了研究出口角對分離性能和壓降的影響,設計了β=10、15、20°3個係列出口角度,相應的試驗結果見圖6。

圖6 導流葉片出口角與分離效率的關係曲線

  理論上應該是出口角越小,出流速度的切向速度分量越大,顆粒受到的離心力也越大,越容易被分離到器壁,分離效率應該越高,但試驗結果卻表現出20°出口角時的效率最高。其原因可能是對此種顆粒而言,3種出口角下的切向速度均能形成將顆粒迅速分離到器壁的離心力。當出口角越大時,促使分離到器壁的顆粒向底流口運動的軸向分速度就越大,排出更及時,故表現出較高的水力旋流器分離效率。

  試驗還表明,壓降隨著葉片出口角的增大而增大。因為出口角越大,向下的外旋流的軸向速度就越大,相應的向上的內旋流的軸向速度也越大,這樣流體之間的速度梯度就加劇,壓降也就越大。水力旋流器出口角越大,效率越高,但是相應的壓降也會升高,具體選定何種角度的出口角,應根據待分離物料顆粒的密度、粒度結合工藝要求進行綜合考慮。為了使開發的井下多相分離技術有更廣的適應範圍,推薦采用出口角為20°的葉片。

  四、導流葉片流道寬度對水力旋流器分離性能和壓降的影響

  導流葉片流道寬度決定流體流出葉片時的速度,而出流速度又是顆粒所受離心力大小的決定因素。式(1)為出流速度的計算式:

  v=Qi/(nwt)  (1)

  式中v——出流速度,m/s;Qi——入口流量,m3/h;n——導流葉片片數;w——葉片流道寬度,mm;t——葉片厚度,mm。

  由式(1)可以看得出,當入口流量、葉片數和葉片厚度一定的情況下,流道越寬,出流速度越小。試驗也表明,流道窄的葉片比流道寬的葉片表現出更優的分離性能,而流道窄的壓降要明顯高於流道寬的壓降。

  在設計葉片時,流道曲線由方程控製,但出口處為與曲線相切的直線段,一般選定入口流量為5m3/h為設計基準流量,出流流速以10、15、20m/s為設計基準流速,葉片厚度在該直徑水力旋流器型號下為固定值5mm,葉片片數任意。當葉片片數為4時,算出葉片最佳流道寬度w為3.47mm。

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