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基于带式差速的新型污水处理离心机的设计研究
作者:袁夫彩 王… 文章来源:南京蓝污 点击数: 更新时间:2011-7-30
 

(河南工业大学机电工程学院, 河南郑州 450007)

    摘要:为了保护水资源环境,节能降耗,研制了污水处理离心机。分析了离心机的国内外现状,确定了离心机的设计指标;提出了基于带式差速的新型污水处理沉降离心机的构型,建立了离心机结构和工艺参数的数学模型,进行了优化求解;设计了离心机的转鼓、螺旋输送器和带式差速器等关键部件,试验表明其各项性能指标满足了设计要求。

    关键词:污水 离心机 差速器 转鼓

    0 引言

    随着环境保护、“三废”治理发展的需要,对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高,因此促使卧式螺旋卸料沉降离心机、碟式分离机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展,特别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速[1]。1954年国际上出现了真正具有现代实用价值的第一台螺旋卸料沉降式离心机[2]。近几年离心污泥脱水机在结构上有了许多改进,出现了一些新的构型。例如瑞典阿尔法公司新开发的NX型螺旋卸料沉降式离心机,其结构尺寸可根据污泥颗粒大小、形状的不同而调整,它的输入和输出口设计,有效地防止物料阻塞,其自动装置充分保障了工作安全[3]。自80年代起,国内开始重视螺旋卸料沉降式离心机的发展,一些科研工作者开始研究国外离心机的发展动态。例如,重庆江北机械厂引进法国坚纳公司技术,生产出了D(LW)系列离心机产品[4];上海离心机研究所与德国洪堡公司的密切合作,已生产出大长径比的螺旋卸料沉降式离心机系列产品,使转鼓的沉降区域物料分离时间延长,从而显著提高固液分离效果[5]。纵观国内的离心机生产厂家,他们大多数走与国外合作生产的道路,其主要技术知识产权缺少独立性,受制于国外的大公司,缺少一定的自主性。为此,结合污水处理厂的实际,围绕螺旋卸料沉降离心机的相关技术进行了设计研究。

    1 离心机原理和组成及设计要求

    1.1 离心机工作原理和组成

    螺旋卸料沉降离心机是一种环保的污水处理设备,它利用转鼓高速旋转形成的离心力场,使悬浮液中密度不同的固相和液相分离开,然后利用转鼓和螺旋间的转速差排出固相。它是一种连续进料、分离和卸料的离心机,主要由转鼓、螺旋卸料器、液位调节装置、差速器和驱动电机等组成,结构如图1所示。

    1.2 离心机的技术指标

    (1)处理的物料为工业和生活污水,其液固相密度差大于等于0.05g/cm3,固相颗粒当量直径大于等于3,体积浓度比小于等于70%;

    (2)污水处理量为20m3/h;

    (3)脱水后的污泥含湿率为70%以下。

                

    2 离心机主要参数的优化研究

    螺旋卸料沉降离心机参数的优化设计,就是要在预定的工况下,找到合理的参数,使得螺旋转矩(M)最小,从而使机器的功率消耗最小,达到节能的目的。

    2.1 设计常量

    根据设计的需要,把转鼓最大内径(D)、转鼓总长(L)、转鼓转速(n)(或离心分离因数Fr)作为设计常量。根据污水处理量Q=20m3/h,按照螺旋离心机的生产能力范围,选择转鼓最大的内径(D)为600mm。转鼓体的全长同最大直径的比,称为长径比(λ),转鼓总长(L)一般就是按照这个长径比(L/D)值来确定的,转鼓总长(L)取为3000mm,设转鼓转速(n)为2400r/min。

    2.2 设计变量

    离心机的沉降区长度、脱水区长度和渣停留时间受液池深度比(k0)、出渣口与转鼓最大内径(D)之比(k1)、转鼓锥角(α)、螺旋升角(β)、转鼓与螺旋之间的转速差(Δn)的影响,所以用它们作为设计变量。

    2.3 数学模型建立

    螺旋转矩(M)和输渣功率成正比,故以M最小作为目标函数。建立的优化数学模型,如式(1)~式(3)所示。该模型由目标函数、设计变量和约束条件组成。在满足约束条件的情况下,通过优化设计变量,从而使得目标函数趋向于最小。

             

             

    式中,f1为污泥与转鼓摩擦系数;δ1为沉渣滑动方向角;G为沉渣处理量;Frm为平均分离因数;LG为脱水区轴向长度;Δω为转鼓与螺旋角速度差;u1方向角系数;uu时间系数。

    2.4 优化结果及分析

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