基于帶式差速的新型污水處理離心機的設(shè)計研究

袁夫彩　王立柱　孫光華

(河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,　河南鄭州　450007)

    摘要：為了保護水資源環(huán)境,節(jié)能降耗,研制了污水處理離心機。分析了離心機的國內(nèi)外現(xiàn)狀,確定了離心機的設(shè)計指標(biāo);提出了基于帶式差速的新型污水處理沉降離心機的構(gòu)型,建立了離心機結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,進行了優(yōu)化求解;設(shè)計了離心機的轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器和帶式差速器等關(guān)鍵部件,試驗表明其各項性能指標(biāo)滿足了設(shè)計要求。

    關(guān)鍵詞：污水　離心機　差速器　轉(zhuǎn)鼓

    0　引言

    隨著環(huán)境保護、“三廢”治理發(fā)展的需要,對于工業(yè)廢水和污泥脫水處理的要求都很高,因此促使臥式螺旋卸料沉降離心機、碟式分離機和三足式下部卸料沉降離心機有了進一步的發(fā)展,特別是臥式螺旋卸料沉降離心機的發(fā)展尤為迅速[1]。1954年國際上出現(xiàn)了真正具有現(xiàn)代實用價值的第一臺螺旋卸料沉降式離心機[2]。近幾年離心污泥脫水機在結(jié)構(gòu)上有了許多改進,出現(xiàn)了一些新的構(gòu)型。例如瑞典阿爾法公司新開發(fā)的NX型螺旋卸料沉降式離心機,其結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)污泥顆粒大小、形狀的不同而調(diào)整,它的輸入和輸出口設(shè)計,有效地防止物料阻塞,其自動裝置充分保障了工作安全[3]。自80年代起,國內(nèi)開始重視螺旋卸料沉降式離心機的發(fā)展,一些科研工作者開始研究國外離心機的發(fā)展動態(tài)。例如,重慶江北機械廠引進法國堅納公司技術(shù),生產(chǎn)出了D(LW)系列離心機產(chǎn)品[4];上海離心機研究所與德國洪堡公司的密切合作,已生產(chǎn)出大長徑比的螺旋卸料沉降式離心機系列產(chǎn)品,使轉(zhuǎn)鼓的沉降區(qū)域物料分離時間延長,從而顯著提高固液分離效果[5]?？v觀國內(nèi)的離心機生產(chǎn)廠家,他們大多數(shù)走與國外合作生產(chǎn)的道路,其主要技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)缺少獨立性,受制于國外的大公司,缺少一定的自主性。為此,結(jié)合污水處理廠的實際,圍繞螺旋卸料沉降離心機的相關(guān)技術(shù)進行了設(shè)計研究。

    1　離心機原理和組成及設(shè)計要求

    1.1　離心機工作原理和組成

    螺旋卸料沉降離心機是一種環(huán)保的污水處理設(shè)備,它利用轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力場,使懸浮液中密度不同的固相和液相分離開,然后利用轉(zhuǎn)鼓和螺旋間的轉(zhuǎn)速差排出固相。它是一種連續(xù)進料、分離和卸料的離心機,主要由轉(zhuǎn)鼓、螺旋卸料器、液位調(diào)節(jié)裝置、差速器和驅(qū)動電機等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    1.2　離心機的技術(shù)指標(biāo)

    (1)處理的物料為工業(yè)和生活污水,其液固相密度差大于等于0.05g/cm3,固相顆粒當(dāng)量直徑大于等于3,體積濃度比小于等于70%;

    (2)污水處理量為20m3/h;

    (3)脫水后的污泥含濕率為70%以下。

    2　離心機主要參數(shù)的優(yōu)化研究

    螺旋卸料沉降離心機參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,就是要在預(yù)定的工況下,找到合理的參數(shù),使得螺旋轉(zhuǎn)矩(M)最小,從而使機器的功率消耗最小,達到節(jié)能的目的。

    2.1　設(shè)計常量

    根據(jù)設(shè)計的需要,把轉(zhuǎn)鼓最大內(nèi)徑(D)、轉(zhuǎn)鼓總長(L)、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速(n)(或離心分離因數(shù)Fr)作為設(shè)計常量。根據(jù)污水處理量Q=20m3/h,按照螺旋離心機的生產(chǎn)能力范圍,選擇轉(zhuǎn)鼓最大的內(nèi)徑(D)為600mm。轉(zhuǎn)鼓體的全長同最大直徑的比,稱為長徑比(λ),轉(zhuǎn)鼓總長(L)一般就是按照這個長徑比(L/D)值來確定的,轉(zhuǎn)鼓總長(L)取為3000mm,設(shè)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速(n)為2400r/min。

    2.2　設(shè)計變量

    離心機的沉降區(qū)長度、脫水區(qū)長度和渣停留時間受液池深度比(k0)、出渣口與轉(zhuǎn)鼓最大內(nèi)徑(D)之比(k1)、轉(zhuǎn)鼓錐角(α)、螺旋升角(β)、轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間的轉(zhuǎn)速差(Δn)的影響,所以用它們作為設(shè)計變量。

    2.3　數(shù)學(xué)模型建立

    螺旋轉(zhuǎn)矩(M)和輸渣功率成正比,故以M最小作為目標(biāo)函數(shù)。建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,如式(1)~式(3)所示。該模型由目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量和約束條件組成。在滿足約束條件的情況下,通過優(yōu)化設(shè)計變量,從而使得目標(biāo)函數(shù)趨向于最小。

    式中,f1為污泥與轉(zhuǎn)鼓摩擦系數(shù);δ1為沉渣滑動方向角;G為沉渣處理量;Frm為平均分離因數(shù);LG為脫水區(qū)軸向長度;Δω為轉(zhuǎn)鼓與螺旋角速度差;u1方向角系數(shù);uu時間系數(shù)。

    2.4　優(yōu)化結(jié)果及分析

    優(yōu)化前后螺旋轉(zhuǎn)矩(M)值的比較,令相對下降幅度為ε,則

    ε=(M0-Mmin)×100%/M0=33%

    輸渣功率(P)和螺旋轉(zhuǎn)矩(M)成線性關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時,優(yōu)化前后輸渣功率相對相對下降了33%。

    3　離心機關(guān)鍵部件的設(shè)計

    3.1　轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計

    轉(zhuǎn)鼓是離心機的主要部件,其結(jié)構(gòu)形狀和技術(shù)參數(shù)在很大程度上體現(xiàn)了離心機的特點和使用效果。設(shè)計采用柱—錐形結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)能增加離心機內(nèi)液池容量,提高處理能力和澄清效果,也有利于增大長徑比,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    轉(zhuǎn)鼓材料選為1Crl8Ni9Ti,取轉(zhuǎn)鼓壁厚為12mm。為了保護轉(zhuǎn)鼓,在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)表面拉槽,利用沉降在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的污泥,減少轉(zhuǎn)鼓與螺旋推料器之間的摩擦。

    3.2　螺旋推料器設(shè)計

    螺旋推料器的作用是利用螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的轉(zhuǎn)速差,將沉降在轉(zhuǎn)鼓壁上的沉渣輸送到轉(zhuǎn)鼓小端的出渣口排出。它由左右軸頸、螺旋葉片、螺旋筒體、進料倉等組成。螺旋葉片采用連續(xù)式整體葉片,結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

    3.3　帶式差速器設(shè)計

    目前世界上應(yīng)用最廣泛的差速器有機械式行星傳動差速器、電磁變頻調(diào)速差速器和液壓馬達差速器。變頻調(diào)速差速器有大量滑動,效率大致與輸出轉(zhuǎn)速呈線性變化,低輸出轉(zhuǎn)速時,效率極低,發(fā)熱嚴(yán)重,應(yīng)采取冷卻措施,價格較高。液壓馬達調(diào)速差速器雖具有體積緊湊、慣性小的優(yōu)點,但制造精度高、容易泄漏、噪聲大,不宜用于高溫及低溫場合。機械式行星傳動差速器中使用最廣泛的當(dāng)屬漸開線行星齒輪差速器。漸開線行星齒輪差速器具有承載能力高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點,但價格貴、制造精度高、噪聲大。綜合上述情況,結(jié)合本課題的實際,設(shè)計帶式差速器,帶式差速器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示[6]。

    帶式差速器的工作原理為,轉(zhuǎn)鼓和電機帶輪直徑不變,螺旋帶輪直徑可調(diào)。螺旋增速時,逆時針轉(zhuǎn)動手柄,讓動片往外拉,從而使螺旋帶輪直徑變小,使螺旋轉(zhuǎn)速增高;螺旋減速時,順時針轉(zhuǎn)動手柄,讓動片往里推,從而使螺旋帶輪直徑變大,使螺旋轉(zhuǎn)速降低。特別是由于采用配重張緊,工作中也可自動調(diào)整差速。

    4　結(jié)論

    分析了螺旋卸料沉降離心機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,運用優(yōu)化設(shè)計方法確定了臥式螺旋卸料離心機的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù),基于技術(shù)指標(biāo)的要求設(shè)計了離心機的轉(zhuǎn)鼓、螺旋和帶式差速器等部件,其具體結(jié)論如下:

    (1)提出了基于帶式差速的新型污水處理離心機的構(gòu)型,該離心機具有自動差速和過載保護功能;

    (2)通過優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后輸渣功率比優(yōu)化前相對下降了33%,達到了節(jié)能降耗的效果;

    (3)研制的該離心機樣機已在石化廠污水處理車間進行了試驗,各項性能指標(biāo)達到了設(shè)計的要求。下一步工作,即有待于進一步產(chǎn)業(yè)化運作。

    參考文獻

[1]　顧世剛,趙文梅.我國污泥處理處置的現(xiàn)狀與發(fā)展[C]∥2009國際水協(xié)污泥會議論文集.哈爾濱:國際水協(xié)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)主辦,2009:410-416.

[2]　孫啟才,金鼎五.離心機原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計計算[M].北京:機械工業(yè)出版社,1983:2-16.

[3]Anon.Ensuring centrifuge efficiency[J]. MER-Marine Engineers Re-view,

2006:30-33.

[4]　李瑜,張劍鳴.臥螺離心機在低濃度市政污泥脫水中的應(yīng)用[J].過濾與分離,2006(3):39-41.

[5]　熊誠,楊小紅.低能耗高干度污泥脫水離心機[J].中國給水排水,2005(1):104-108.

[6]　袁夫彩. WL-600臥螺離心機的研究[D].哈爾濱:哈爾濱建筑大學(xué),1999:71-73.基金項目:河南工業(yè)大學(xué)校人才基金(2009BS003)作者簡介:袁夫彩(1964- ),男,江蘇新沂人,副教授,博士