氣泡發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究

氣泡發(fā)生器是微氣泡浮選的重要組成部分。直接決定了微氣泡浮選的評價效果，決定了浮選過程中含氣量的數(shù)量，氣泡的大小和分布。因此，研究和設(shè)計泡沫發(fā)生器的設(shè)計方法對于發(fā)展和設(shè)計具有重要意義。1射流體的循環(huán)循環(huán)本文研究的氣泡發(fā)生器的工作原理與液氣射流泵類似,它是利用湍射流的紊動擴(kuò)散作用來傳遞能量與質(zhì)量的。如圖1所示,液體由噴嘴高速射出后,在吸入室中產(chǎn)生負(fù)壓,射流表面與周圍空氣產(chǎn)生摩擦,流體質(zhì)點(diǎn)與空氣質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行換位,空氣被卷入射流,并被射流高速帶走,于是對周圍的空氣進(jìn)一步造成負(fù)壓而形成局部真空,又把周圍更多的空氣卷入射流,如此不斷循環(huán)。由于發(fā)生器內(nèi)運(yùn)動屬于液氣兩相流動,而且氣體和液體之間容差很大,因此運(yùn)動情況比較復(fù)雜。2噴嘴的結(jié)構(gòu)及尺寸由圖1可知,氣泡發(fā)生器由噴嘴、吸入室、喉管、擴(kuò)散管等組成。噴嘴:它將液體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?對射流器的性能有較大的影響。常用的形式有錐形收縮型、圓薄壁孔口型、流線型及多孔型噴嘴等。吸入室:它是噴嘴與喉管的連接部分,進(jìn)氣管與它相連。吸入室一般為圓筒狀,其截面為噴嘴出口面積的6～10倍。喉管進(jìn)口段:它的作用是使氣體平順地進(jìn)入喉管,其收縮角為α=15°～30°。喉管:它使液體與氣體混合進(jìn)行傳能及傳質(zhì),其長度與喉管直徑及面積比有關(guān)。擴(kuò)散管:它是將液氣混合液的動能變?yōu)閴毫δ?使氣體在擴(kuò)散管中再一次得到壓縮。擴(kuò)散角一般為β=5°～8°。2.1噴嘴流量及直徑計算噴嘴采用圓錐形時,入口直徑為d0、出口直徑為d1由(1)式確定:d1=4Q0πμ12g△P0γ√????????√(1)d1=4Q0πμ12g△Ρ0γ(1)式中,Q0為流量;μ1為流量系數(shù),對于圓錐形及流線形噴嘴,μ1=0.95～0.98;△P0為工作壓力;γ為容重。考慮到實(shí)驗(yàn)的需要及加工的工藝性,設(shè)計的噴嘴流量為1200L/h,工作壓力為0.2MPa,出口壓力為常壓。代入(1)式得d1=4.73mm。為加工方便最終取d1=5mm。收縮角取為13.5°。通過噴嘴的出口流速可以計算出噴嘴的出口壓力P1=0.04MPa。喉嘴距Lc=(3～7)d3,d3為喉管直徑。噴嘴管段采用外螺紋與吸氣室內(nèi)螺紋連接,這樣噴嘴出口與喉管的距離就可以調(diào)節(jié),可以通過實(shí)驗(yàn)確定一個最佳距離。2.2射流泵比結(jié)果的效率比較喉管包含兩個關(guān)鍵尺寸:喉管直徑d3和長度Lk。喉管直徑d3的確定涉及到了面積比m的值(喉管截面積與噴嘴出口面積的比值)。面積比是射流器中一個非常重要的參數(shù),它對射流的效率、流量等性能有很重要的影響。參照射流泵系列m=3.33～5時效率最高。這個優(yōu)化結(jié)果的產(chǎn)生是因?yàn)樯淞鞅玫男史从沉藘蓚€不可避免的損失:摩擦損失和混合損失。研究表明摩擦損失隨著流量比的增大而增大,而混合損失隨著流量比的增大而減小。這些損失之和對m=3.33～5范圍的泵影響最小。最終確定m=4,這樣就確定了喉管的直徑為d3=10mm。喉管長度Lk的確定是很矛盾的事情。喉管段應(yīng)足夠長,以保證完成充分的混合。但是喉管段的長度又要盡量短,這是為了減小沿程摩擦損失。通過對不同面積比,不同喉管長,不同工作壓力下的實(shí)驗(yàn)表明,最優(yōu)喉管長Lk是面積比的函數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行回歸分析后,得到最優(yōu)的Lk表達(dá)式。Lk=(7.77+2.42m)d3(2)其中,m=2.9～18,經(jīng)過計算得出喉管的設(shè)計長度為Lk=180mm。2.3出擴(kuò)散管的長度和管道直徑的確定擴(kuò)散角為8°,擴(kuò)散管入口直徑d4=d0,這樣就可以確定出擴(kuò)散管的長度。吸氣室的截面積為噴嘴出口面積的6～10倍,因此可由此確定出吸氣室的直徑d2。通過以上分析和設(shè)計得到的氣泡發(fā)生器件三維設(shè)計圖見圖2。3氣體速度和內(nèi)壓速度分布將噴嘴出口處水的流速及其它邊界條件分別輸入到FLUENT軟件中進(jìn)行計算,得到流動狀態(tài)及湍動程度顯示。圖3為氣體流動的速度坐標(biāo)圖。由圖上可以看出,氣體在喉管入口前即液體噴射出口附近的速度最大,這是因?yàn)橐后w的卷吸作用使得在該處的氣體速度與噴射液體的速度趨于一致。而在喉管進(jìn)口處可以看到氣體的速度有急劇的下降,這是因?yàn)樗O(shè)計的發(fā)生器在吸氣室與喉管之間的壁面不是圓滑弧線過渡,而是有銳角,氣體在此處與壁面發(fā)生猛烈的碰撞使得速度顯著下降。在混合段(喉管)由于壓力減少氣體的速度又有所增加但變化不大、比較平穩(wěn),在此處氣體與液滴充分混合。而在擴(kuò)散管處壓力增加,氣體的速度又有所下降。湍動程度的顯示如圖4所示。在氣泡發(fā)生器的設(shè)計中要充分考慮如何提高流體的湍流程度。由圖4可以看出湍流程度最為顯著的地方出現(xiàn)在噴嘴出口與喉管進(jìn)口之間。這是因?yàn)樵诖颂幍臍庖簝上嗨俣榷己芨?而且都與銳角壁面發(fā)生了猛烈的碰撞。通過數(shù)值模擬仿真分析,開發(fā)設(shè)計的氣泡發(fā)生器基本能達(dá)到設(shè)計時所希望的性能指標(biāo),可以進(jìn)行物理樣機(jī)的試制,以進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)分析。4喉行使的距離實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示,幾何參數(shù)及工況參數(shù)如表1所示。通過實(shí)驗(yàn)對前文提到的理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證,獲得了一些有用的參考。設(shè)計的氣泡發(fā)生器的喉嘴距LC是可以調(diào)節(jié)的,其中最佳距離為LC=40mm。當(dāng)喉嘴距LC>40mm時,通過實(shí)驗(yàn)觀察得知,此時的氣泡極不均勻且很紊亂,并且當(dāng)柱內(nèi)液面升高時不能自吸。這是因?yàn)楫?dāng)喉嘴距增大時,射流到達(dá)喉管進(jìn)口時的流速已大大降低,從而進(jìn)一步減少了射流卷吸氣體的能力。LC<40mm時氣液混合不充分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計制作的氣泡發(fā)生器具有較好的生成氣泡的性能,生成的氣泡直徑分布在0.1～0.3mm之間,可以滿足微泡浮選的要求。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析本文分析研究了影響氣泡發(fā)生器性能的主要結(jié)構(gòu)尺寸,開發(fā)設(shè)計了氣泡發(fā)生器的虛擬樣機(jī),并進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的數(shù)值模擬仿真分析。在基本達(dá)到和滿足