陸元寶， 孫國(guó)剛， 王青蓮， 韓曉鵬， 楊曉楠

(中國(guó)石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 過程流體過濾與分離北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

螺線型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

陸元寶， 孫國(guó)剛， 王青蓮， 韓曉鵬， 楊曉楠

(中國(guó)石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 過程流體過濾與分離北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

摘要：采用螺線型旋風(fēng)分離器實(shí)驗(yàn)裝置，考察了排氣管插入深度、螺線通道延伸段對(duì)螺線型旋風(fēng)分離器分離性能的影響。結(jié)果表明，隨著排氣管插入深度的增加，螺線型旋風(fēng)分離器的分離效率先增后減，當(dāng)排氣管的插入深度與進(jìn)氣口高度相等時(shí)，分離效率最高；添加螺旋通道延伸段，可在壓力降不變的情況下有效提高分離器的分離效率。在本實(shí)驗(yàn)條件下，與普通螺線型旋風(fēng)分離器相比，在相同壓力降時(shí)，改進(jìn)后的螺線型旋風(fēng)分離器分離效率可提升6%～10%，能除盡10 μm以上的顆粒，對(duì)2 μm以下的超細(xì)顆粒也有較好的捕集效果?；谶吔鐚臃蛛x理論，建立了螺線型旋風(fēng)分離器的粒級(jí)效率計(jì)算公式，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合性較好。

關(guān)鍵詞：螺線型旋風(fēng)分離器；延伸段；最佳插入深度；粒級(jí)效率；公式

旋風(fēng)分離器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、效率較高、壓力降適中、制造及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、建筑、礦山、機(jī)械、輕紡等許多工業(yè)部門。但旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場(chǎng)是2種不同性質(zhì)的旋渦(準(zhǔn)自由渦與強(qiáng)制渦)及流向相反的源流與匯流疊加的流場(chǎng)，存在一些對(duì)分離不利的次級(jí)流動(dòng)，如進(jìn)口氣體的“突擴(kuò)膨脹”、排氣口末端“短路流”等[1-3]。為此，一些學(xué)者提出了按照分離器流場(chǎng)內(nèi)部流線形狀設(shè)計(jì)的螺線型旋風(fēng)分離器[4-5]。

螺線型旋風(fēng)分離器的筒體由若干圈按阿基米德螺線制成的螺線通道構(gòu)成，含塵氣體在螺線通道中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，顆粒在離心力作用下到達(dá)邊壁被捕集。相關(guān)研究[6-8]表明，采用阿基米德等距螺線通道，能夠延長(zhǎng)分離器的切向流場(chǎng)，縮短粉塵徑向移動(dòng)到邊壁的距離，增加顆粒的有效沉積面積，提高捕集效率；另一方面，能避免動(dòng)-靜壓轉(zhuǎn)換造成的能量損失，還能夠有效避免內(nèi)外旋流的互相干擾，使得分離器具有壓力降小的特點(diǎn)。然而，普通螺線型旋風(fēng)分離器對(duì)細(xì)粉的捕集效率仍不理想，依然存在局部“短路流”現(xiàn)象，有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

筆者設(shè)計(jì)了一種排氣管插入分離器內(nèi)部、螺線通道壁垂直向下延伸的新型螺線型旋風(fēng)分離器[9]，采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，考察了排氣管插入深度、螺線通道延伸段對(duì)螺線型旋風(fēng)分離器性能的影響，以期待為螺線型旋風(fēng)分離器的改進(jìn)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置和工質(zhì)

螺線型旋風(fēng)分離器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。采用吸風(fēng)式負(fù)壓操作在常溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，常溫常壓空氣作為氣相介質(zhì)。采用畢托管測(cè)量入口氣速，氣速變化范圍控制在12～24 m/s，通過閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量。采用定量加塵、收塵及稱重的方法測(cè)定實(shí)驗(yàn)旋風(fēng)分離器的分離效率。入口質(zhì)量濃度基準(zhǔn)為20 g/m3，通過控制加料時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)含塵氣體濃度的控制。實(shí)驗(yàn)粉料為800目滑石粉，采用激光粒度儀BT-9300S分析顆粒的粒度，原料中位粒徑為9.342 μm，粒徑分布如表1所示。

圖1　螺線型旋風(fēng)分離器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1　實(shí)驗(yàn)用滑石粉的粒度分布

1.2螺線型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

圖2為普通螺線型旋風(fēng)分離器和改進(jìn)后的螺線型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖2可以看出，2種分離器的結(jié)構(gòu)形式基本相同，其筒體直徑均為660 mm，不同之處主要在于排氣管以及螺線通道的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)螺線型旋風(fēng)分離器升氣管往往不插入分離器內(nèi)部，螺線通道采用與進(jìn)氣口等高的螺線板卷成；改進(jìn)的螺線型旋風(fēng)分離器排氣管插入分離器筒體內(nèi)部，且其螺線通道壁面從切向入口內(nèi)壁面起逐漸向下延伸，越靠近分離器筒體中心，其螺線壁面高度越大。

2結(jié)果與討論

2.1排氣管插入深度和螺線通道延伸段對(duì)螺線型旋風(fēng)分離器分離性能的影響

2.1.1排氣管插入深度的影響

普通螺線型旋風(fēng)分離器的分離效率隨排氣管插入深度的變化如圖3所示。圖3中，h為排氣管插入深度，a為切向入口的高度。從圖3可以看出，入口氣速一定時(shí)，隨著排氣管插入深度的增加，分離效率先增后減；當(dāng)排氣管插入深度等于切向入口高度，即h/a=1時(shí)，分離效率最高，比排氣管不插入分離器內(nèi)時(shí)高6%～8%；當(dāng)排氣管插入深度一定時(shí)，隨著入口氣速的增加，分離效率也呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在入口氣速為22.6 m/s時(shí)達(dá)到最大。

排氣管插入深度主要通過影響短路流流量的大小來影響分離器的效率。分離器短路流流量隨排氣管的插入深度呈現(xiàn)V型變化[10-11]。排氣管不插入，入口氣流的直接逃逸會(huì)形成大量短路流[12]，從而分離效率較低；隨著排氣管插入深度增加，排氣管對(duì)入口氣流的約束作用增加，短路流流量減小，分離效率增加。但是排氣管插入深度存在一個(gè)最佳值，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的排氣管最佳插入深度等于切向入口高度。排氣管插入深度超過最佳值，由于分離器分離空間減小，致使粉塵返混夾帶增加，分離效率將再次降低。

圖2　普通螺線型旋風(fēng)分離器及其改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)示意圖

入口氣速是影響離心力場(chǎng)和顆粒在分離器內(nèi)停留時(shí)間的主要因素之一[13]。入口氣速大，意味著氣流旋轉(zhuǎn)速度高，離心力場(chǎng)強(qiáng)，顆粒容易被甩向壁面，對(duì)分離有利；入口氣速過大，氣流在分離器內(nèi)的停留時(shí)間則短，細(xì)小的顆?？赡軟]有足夠的時(shí)間運(yùn)移到器壁被分離。此外，入口氣速過高，還會(huì)使顆粒與螺線通道壁面的碰撞加劇，使遷移到壁面的顆粒重新“彈跳”回到氣流中，導(dǎo)致分離效率下降。因此，多種機(jī)理的綜合作用，使分離器效率隨入口氣速的增加呈先增后減的趨勢(shì)。

排氣管插入深度對(duì)分離器壓力降的影響如圖4所示。從圖4可以看出，入口氣速一定時(shí)，排氣管插入深度增加，螺線型旋風(fēng)分離器的壓力降隨之增加；排氣管插入深度一定時(shí)，分離器壓力降隨入口氣速的增大而增大。

圖4　不同入口氣速(vi)和排氣管插入深度比(h/a)

旋風(fēng)分離器的壓力損失由進(jìn)氣口損失、旋渦流量損失和排氣口損失3部分組成[13]。排氣管主要是通過影響內(nèi)旋流來影響旋風(fēng)分離器排氣口壓力降。隨著排氣管插入深度的增加，排氣管取得了對(duì)內(nèi)旋流的控制或引導(dǎo)作用，使得內(nèi)旋流旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)，“旋轉(zhuǎn)渦核”的能量耗散增加，從而使得分離器的壓力降逐漸升高。

2.1.2螺線通道延伸段的影響

添加螺線通道延伸段前后，分離器的效率、壓力降隨入口氣速的變化如圖5所示。從圖5可以看出，相同的入口氣速下，添加螺線通道延伸段后，分離器的壓力降基本保持不變，分離效率有較大提升，且入口氣速越大，分離效率提升越明顯?？傮w來看，添加延伸段后，分離器效率提升約4%。

圖5　螺線通道延伸段對(duì)螺線型旋風(fēng)分離器效率(η)和

螺線通道延伸段能夠有效提升分離器的分離性能的原因在于，螺線型旋風(fēng)分離器內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的三維流場(chǎng)，延伸段的設(shè)置增加了徑向短路流中含塵顆粒的碰壁捕捉概率，從而提升了分離器的效率。設(shè)置延伸段后，延伸段的存在一方面減少氣體“突擴(kuò)膨脹”帶來的壓力降損失，同時(shí)也增加氣流與螺線通道壁面的摩擦損失，2種效果共同作用才使得分離器在添加延伸段前后總壓力降基本不變。

2.1.3排氣管插入深度和螺線通道延伸段的綜合影響

保持螺線型通道垂直向下延伸，排氣管插入深度比h/a=1，得到了改進(jìn)后螺線型旋風(fēng)分離器和傳統(tǒng)螺線型旋風(fēng)分離器的壓力降-效率曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，在相同壓力降條件下，改進(jìn)后螺線型旋風(fēng)分離器的分離效率比普通螺線型分離器高出6%～10%，綜合性能更加優(yōu)良。

2.2粒級(jí)效率的計(jì)算

粒級(jí)效率是衡量旋風(fēng)分離器分離能力的重要指標(biāo)，它體現(xiàn)了分離器對(duì)不同粒徑顆粒的分離能力。崔亞偉等[4,12,14]都給出了螺線型旋風(fēng)分離器的效率計(jì)算公式，但這些計(jì)算式在推導(dǎo)過程中對(duì)邊界層假定[4]、粒級(jí)效率定義[12]以及顆粒沉降半徑計(jì)算[14]方面仍存在一些不足。

圖6　2種螺線型旋風(fēng)分離器的壓力降(Δp)-效率(η)曲線

本研究在基于邊界層分離理論[15]的基礎(chǔ)上假定，顆粒為球形顆粒，繞流服從Stokes定律；顆粒在切向隨氣流運(yùn)動(dòng)，顆粒不影響氣流流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，顆粒之間無干擾；顆粒全部由螺線通道壁面捕集；分離器在任意橫截面上，顆粒濃度分布均勻，只是在近壁面為層流層，顆粒一旦在離心力作用下徑向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入螺線通道邊壁層流層就認(rèn)為被捕集。在極坐標(biāo)條件下，對(duì)螺線型旋風(fēng)分離器進(jìn)行建模，得到一個(gè)新的粒級(jí)效率計(jì)算公式，如式(1)所示。

(1)

式(1)中，dp為顆粒直徑，m；η(dp)表示直徑為dp顆粒的分離效率；ρp為粉塵密度，kg/m3；μ為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；b為螺線通道寬度，m；θ為顆粒從入口到螺線通道末端轉(zhuǎn)過的弧度，rad；vt為氣流的切向速度，m/s。

氣相數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于采用與入口尺寸一致的等距螺線通道，通道內(nèi)氣流切向速度vt約等于入口氣速，故計(jì)算時(shí)將其值取為入口氣速vi。

為了驗(yàn)證粒級(jí)效率計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，筆者分別從總效率和粒級(jí)效率2個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合下，實(shí)驗(yàn)總效率和模型計(jì)算總效率數(shù)據(jù)列于表2。從表2可以看出，兩者數(shù)值相近，相對(duì)誤差在4%以內(nèi)，說明粒級(jí)效率計(jì)算公式具有較高的可信度。

表2　螺線型旋風(fēng)分離器總效率(η)的實(shí)驗(yàn)值與

圖7為本研究中最優(yōu)組合結(jié)構(gòu)在入口氣速22.6 m/s 下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的粒級(jí)效率與幾種粒級(jí)效率模型計(jì)算值的對(duì)比。從圖7可以看出，實(shí)驗(yàn)所得粒級(jí)效率曲線呈現(xiàn)“魚鉤狀”，存在一個(gè)臨界粒徑dcr≈1 mm；當(dāng)顆粒直徑d>dcr時(shí)，粒級(jí)效率隨顆粒直徑增加而單調(diào)增加，分離器基本上可除盡10 μm以上的顆粒；當(dāng)d

圖7　螺線型旋風(fēng)分離器粒級(jí)效率(η(dp))的

從圖7還可見，本研究中提出的粒級(jí)效率模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度優(yōu)于其他文獻(xiàn)模型。對(duì)于粒徑大于4 μm的顆粒，本研究模型計(jì)算的粒級(jí)效率與實(shí)驗(yàn)值基本一致；粒徑小于4 μm時(shí)，本模型計(jì)算的粒級(jí)效率值與實(shí)驗(yàn)值有偏差，且粒徑越小，偏差越大。這是因?yàn)楸灸Ｐ蜎]有考慮顆粒團(tuán)聚效應(yīng)所致，即本模型也不能預(yù)測(cè)粒級(jí)效率隨粒徑減小而增加的“魚鉤效應(yīng)”。

3結(jié)論

(1)隨著排氣管插入深度的增加，螺線型旋風(fēng)分離器的分離效率先增后減，存在分離效率最高值。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的排氣管最佳插入深度等于切向入口高度，即h/a=1；升氣管插入深度偏離該最佳值，分離器的效率都將降低，排氣管不插入，分離效率最低。

(2)螺線通道壁垂直向下延伸能夠在壓力降基本不變的情況下有效提升螺線型旋風(fēng)分離器效率，因?yàn)檠由於蔚拇嬖谠黾恿藦较颉岸搪妨鳌敝蟹蹓m與通道壁面的碰撞機(jī)會(huì)，從而能夠增加分離器對(duì)粉塵的捕集概率，提升分離器的分離效率。

(3)在相同壓力降下，改進(jìn)后的螺線型旋風(fēng)分離器效率比普通螺線型分離器高出6%～10%，綜合性能更加優(yōu)良。

(4)螺線型旋風(fēng)分離器基本上可除盡10 μm以上的顆粒，對(duì)2 μm以下細(xì)顆粒也有較好的捕集效果。由于螺線型旋風(fēng)分離器的切向流場(chǎng)較長(zhǎng)，螺線通道給了細(xì)顆粒充分團(tuán)聚的空間，提高了極細(xì)顆粒的捕集效率，使得粒級(jí)效率曲線出現(xiàn)“魚鉤效應(yīng)”。

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A Performance Improvement of Spiral Cyclone Separator

LU Yuanbao, SUN Guogang, WANG Qinglian, HAN Xiaopeng, YANG Xiaonan

(BeijingKeyLaboratoryofProcessFluidFiltrationandSeparation,CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Abstract：The effects of vortex finder length, extend section of spiral channels on the separation performance of spiral cyclone separator were investigated by carrying out cold experiments. The results indicated that vortex finder length had great influence on the separation performance of the spiral cyclone separator, and the overall efficiency of spiral cyclone separator reached its highest value, when the vortex finder length was equal to the height of tangential inlet (h/a=1). Because of the extend section of the spiral channels, the efficiency of the spiral cyclone separator increased, while pressure drop unchanged. After structure improvement, the overall efficiency of the newly designed spiral cyclone separator was 6%-10% more than that of the ordinary one under the same pressure drop. It is also found that particles larger than 10 μm could be all removed by the newly designed spiral cyclone separator, and some of smaller particles too. Based on the boundary layer separation theory, a formula for calculating the grade efficiency was deduced with a good accuracy between the calculated and experimental data.

Key words：spiral cyclone separator； extend section； optimum vortex finder length； grade efficiency； formula

收稿日期：2015-06-02

基金項(xiàng)目：自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21276274)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃課題(2014CB744304)資助

文章編號(hào)：1001-8719(2016)03-0508-06

中圖分類號(hào)：TQ021.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.010

第一作者： 陸元寶，男，碩士，從事氣-固分離的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究；Tel：010-89734820；E-mail：luyuanbao526@126.com

通訊聯(lián)系人： 孫國(guó)剛，男，教授，博士，從事氣-固分離及流態(tài)化工程研究；Tel：010-89734820；E-mail：ggsunbj@163.com