高助威， 王 娟， 王江云， 毛 羽

(1.中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實驗室， 北京 102249； 2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室， 北京 102249)

旋風(fēng)分離器是用于氣、固分離的工業(yè)設(shè)備。其內(nèi)部流場為雙渦旋轉(zhuǎn)(雙旋流)流場，內(nèi)旋渦(內(nèi)旋流)通常會在軸向位置某一位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，稱為旋渦“尾端”[1]。Alexander[2]最早發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，并定義旋渦尾端到排氣管下口的距離為自然旋風(fēng)長。通常認(rèn)為，旋渦尾端會造成顆粒的返混與堵塞，增加了運(yùn)動流體的不穩(wěn)定性，影響氣、固分離效率。在旋渦尾端上部區(qū)域(自然旋風(fēng)長區(qū)域)，為旋風(fēng)分離器的有效分離空間；在旋渦尾端以下(超出自然旋風(fēng)長部分)，氣、固分離效率是較低的。所以，自然旋風(fēng)長的計算對旋風(fēng)分離器的高度設(shè)計較為重要。此外，在Leith等[3]、Dietz等[4]計算旋風(fēng)分離器分離效率的模型中，都采用了Alexander提出的自然旋風(fēng)長經(jīng)驗公式，而不是旋風(fēng)分離器的物理高度。因此，自然旋風(fēng)長的研究對分離器的優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義。

眾多國內(nèi)外學(xué)者對旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動進(jìn)行了分析和研究[5-10]。Bryant等[11]通過實驗證明入口截面面積和排氣管直徑對自然旋風(fēng)長的影響較大。姬忠禮等[12]采用頻閃觀測儀進(jìn)行流場測定，通過加塵實驗，發(fā)現(xiàn)在灰環(huán)所在截面上的最大切向速度約為排氣管下口截面切向速度的12%，因此將最大切向速度沿軸向衰減88%的截面定義為旋渦尾端，軸向高度為自然旋風(fēng)長。杜得喜等[13]運(yùn)用計算流體力學(xué)(CFD)方法的研究結(jié)果表明，旋渦尾端氣流速度方向發(fā)生突變，使此區(qū)域湍流度增加，旋渦尾端的雷諾數(shù)徒增，因此將湍動能峰值處定義為旋渦尾端，軸向高度為自然旋風(fēng)長。魏耀東等[14]運(yùn)用激光多普勒測速儀(LDV)對氣相流場進(jìn)行分析，討論了速度場(切向速度、軸向速度)的衰減特性以及雙渦之間的能量傳遞，認(rèn)為排氣管下端到準(zhǔn)自由渦消失位置的軸向距離為自然旋風(fēng)長。錢付平等[15]依據(jù)曲面響應(yīng)法并利用統(tǒng)計軟件Minitab V14分析旋風(fēng)分離器的自然旋風(fēng)長，結(jié)果表明，除入口面積和排氣管直徑影響自然旋風(fēng)長外，入口氣速、筒體高度以及排氣管插入深度也會不同程度地影響自然旋風(fēng)長。高翠芝等[16]認(rèn)為，當(dāng)旋風(fēng)分離器內(nèi)外旋流之間的能量傳遞達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，旋轉(zhuǎn)氣流到達(dá)旋渦尾端位置。

目前，旋風(fēng)分離器內(nèi)自然旋風(fēng)長的計算模型多數(shù)為經(jīng)驗性公式，缺乏實驗數(shù)據(jù)及流場分析的支持，而且不同公式計算結(jié)果存在較大的矛盾。因為旋渦尾端是復(fù)雜的湍流動力學(xué)現(xiàn)象，影響因素較多，如果將影響因素僅僅歸結(jié)為筒體直徑、排氣管直徑和入口面積3個主要因素，忽略其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)的影響，則計算模型準(zhǔn)確性及適用性較差。因此，筆者在概述旋風(fēng)分離器內(nèi)自然旋風(fēng)長機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過對內(nèi)部能量傳遞與損耗的分析，闡述了旋渦尾端的存在機(jī)理，分析了前人關(guān)于自然旋風(fēng)長理論計算中經(jīng)驗公式的局限性，總結(jié)了筒體的高/徑比、入口面積、排氣管直徑和插入深度、錐體、排塵結(jié)構(gòu)的設(shè)計、壁面粗糙度等幾何參數(shù)，以及入口氣速和入口濃度、入口雷諾數(shù)、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、抽氣量與氣體回流量等操作參數(shù)對自然旋風(fēng)長的影響，希望為旋風(fēng)分離器高度的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 旋渦尾端的機(jī)理分析

旋風(fēng)分離器是利用離心力作用，進(jìn)行氣、固分離的設(shè)備。含塵氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器，呈現(xiàn)雙渦分布(內(nèi)、外旋流分布)，外旋流(準(zhǔn)自由渦)對氣、固分離起到積極作用，提供能量；而內(nèi)旋流(準(zhǔn)強(qiáng)制渦)則消耗能量，旋轉(zhuǎn)氣流是由外旋流(準(zhǔn)自由渦)傳遞能量給內(nèi)旋流(準(zhǔn)強(qiáng)制渦)，驅(qū)動內(nèi)旋流旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。

圖1 旋風(fēng)分離器內(nèi)能量傳遞形式示意圖Fig.1 Energy transfer characteristics in cyclone separator

在湍流耗散和壁面摩擦阻力的影響下，能量會出現(xiàn)衰減。當(dāng)外旋流損耗的能量(即傳遞給內(nèi)旋流的能量和壁面摩擦消耗的能量之和)達(dá)到一定程度時，內(nèi)、外旋流能量相等，流動達(dá)到平衡。超出此臨界值，外旋流能量不足以驅(qū)動內(nèi)旋流加速旋轉(zhuǎn)，直至外旋流完全轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)旋流(準(zhǔn)自由渦消失)，出現(xiàn)旋渦尾端[17]，如圖2所示。

旋渦尾端是復(fù)雜的湍流動力學(xué)現(xiàn)象，不僅發(fā)生在旋風(fēng)分離器中，而且也會在其他旋流設(shè)備中出現(xiàn)。程兆龍等[18]應(yīng)用自然旋風(fēng)長的概念于提升管出口中，優(yōu)化了SVQS旋流快分系統(tǒng)。旋流設(shè)備一般是連續(xù)操作的動態(tài)過程，旋渦尾端的存在會造成渦核擺動，使效率降低。

圖2 旋渦尾端灰環(huán)現(xiàn)象[17]Fig.2 Sketch illustration of the large annular ring[17]

2 自然旋風(fēng)長經(jīng)驗公式的局限性

當(dāng)旋風(fēng)分離器中存在旋渦尾端時，自然旋風(fēng)長為旋渦尾端到排氣管下口截面的軸向距離。渦核尾端的確定對自然旋風(fēng)長的理論計算有重要影響。目前對自然旋風(fēng)長的研究，將影響因素主要?dú)w結(jié)為筒體直徑、入口面積和排氣管直徑3個方面。

Alexander[2]最早實驗發(fā)現(xiàn)在長旋風(fēng)分離器內(nèi)存在自然旋風(fēng)長，之后，Zeng[19]、Bryant等[11]對此進(jìn)行深入研究，并提出了經(jīng)驗表達(dá)式，如下所示。

Alexander提出[2]：

(1)

Bryant等提出[11]：

(2)

姬忠禮等[12,20]對直筒型旋風(fēng)分離器進(jìn)行加塵實驗，將最大切向速度沿軸向衰減到88%的截面與排氣管下口截面之間的距離定義為自然旋風(fēng)長，并結(jié)合實驗給出了自然旋風(fēng)長的經(jīng)驗公式。然而此公式是在入口速度恒定的情況下得到的，而一般的旋風(fēng)分離器設(shè)定入口流量為工藝固定參數(shù)，因此需要對該公式進(jìn)一步修正。

姬忠禮等提出[12]：

(3)

魏耀東等提出[14]：

(4)

運(yùn)用文獻(xiàn)[14]中數(shù)據(jù)進(jìn)行自然旋風(fēng)長的對比分析，a=178 mm，b=92 mm，D=300 mm，de=100 mm。代入上述公式中，結(jié)果見表1。

表1 自然旋風(fēng)長計算結(jié)果Table 1 The results of natural cyclone length

可以發(fā)現(xiàn)，對自然旋風(fēng)長的預(yù)測計算，Alexander[2]、Bryant等[11]、姬忠禮等[12]、魏耀東等[14]經(jīng)驗公式的結(jié)果各不相同，有的相差較大，準(zhǔn)確性及適用性較差。然而，自然旋風(fēng)長(旋渦尾端)是復(fù)雜的流體動力學(xué)問題，不僅筒體直徑、入口面積和排氣管直徑對其影響較大，其他結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)亦在不同程度上會對其產(chǎn)生影響。因此想要得到較為準(zhǔn)確的自然旋風(fēng)長表達(dá)式，考慮其他因素對自然旋風(fēng)長的影響是十分必要的。

3 自然旋風(fēng)長的影響因素

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對自然旋風(fēng)長的影響

3.1.1 筒體的高/徑比

當(dāng)旋風(fēng)分離器模型采用直筒型時，可以將旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流流場隨高/徑比(H/D)的增加而變化的過程分為兩部分。當(dāng)筒體的高/徑比較小時，不出現(xiàn)旋渦尾端，即無自然旋風(fēng)長(但存在自然旋風(fēng)長的預(yù)期值)；當(dāng)筒體的高/徑比較大時，有旋渦尾端存在，即有自然旋風(fēng)長。

(1)無自然旋風(fēng)長

當(dāng)旋風(fēng)分離器的高/徑比較小時，如圖3(a)所示，入口處氣流所提供的能量能帶動整個區(qū)域內(nèi)流體的高速旋轉(zhuǎn)，旋渦可以延伸到旋風(fēng)分離器的下部，且旋渦的軸對稱很好。旋轉(zhuǎn)流的準(zhǔn)自由渦結(jié)構(gòu)沿軸向向下的衰減變化很小，整個旋轉(zhuǎn)流區(qū)域的角動量和準(zhǔn)自由渦的角動量沿軸向向下衰減緩慢。

圖3 旋風(fēng)分離器的自然旋風(fēng)長Fig.3 Natural vortex length of cyclone separator(a) Short cylinder structure; (b) Long cylinder structure

(2)有自然旋風(fēng)長

當(dāng)旋風(fēng)分離器的高/徑比增加到一定程度后，如圖3(b)所示，旋轉(zhuǎn)流的準(zhǔn)自由渦沿軸向向下衰減很快，直到某一截面完全衰減。此時角動量存在著2個明顯不同的衰減區(qū)，快速衰減區(qū)和緩慢衰減區(qū)，且旋風(fēng)分離器的有效分離高度要小于其實際高度。如果高/徑比持續(xù)增加，這時旋渦尾端旋轉(zhuǎn)誘發(fā)的能量不足以帶動整個尾端以下的區(qū)域旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致能量的重新分配。在這種情況下，旋渦尾端開始移動，直到某一軸向截面位置，其轉(zhuǎn)動的能量足以帶動其下面區(qū)域的氣流旋轉(zhuǎn)，此時尾渦將停留在此截面處，并在此截面上高速旋轉(zhuǎn)。由于旋渦尾端移動，從而導(dǎo)致了自然旋風(fēng)長的變化，因此在有效旋風(fēng)長以內(nèi)截面的切向速度出現(xiàn)了波動。但是隨著旋風(fēng)分離器高/徑比繼續(xù)增加，其切向速度的變化趨勢越來越平緩。

3.1.2 入口面積

在入口氣量恒定的條件下，減小入口面積會使切向速度增大，使旋流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增加。Alexander[2]的研究表明，自然旋風(fēng)長隨入口面積的增大而減少。高翠芝等[22]實驗測量旋渦尾端并分析其壓力信號，發(fā)現(xiàn)旋渦尾端位置受入口氣速的影響較小，但隨著入口面積的增加而上移，隨著排氣管直徑的增加而向下延伸。

3.1.3 排氣管直徑和插入深度

在一定范圍內(nèi)，減小排氣管直徑，有利于提高旋流的穩(wěn)定性，減少旋風(fēng)分離器內(nèi)部能量損耗。Hoffmann等[23-28]實驗結(jié)果表明，旋風(fēng)分離器排氣管插入深度不影響渦核尾端位置，但排氣管直徑對自然旋風(fēng)長有重要影響，自然旋風(fēng)長隨排氣管直徑的增大而增大。然而錢付平等[15]實驗結(jié)果表明，自然旋風(fēng)長隨排氣管直徑的增大以及插入深度的減小呈現(xiàn)拋物線變化，在某一極值處達(dá)到最大值。

3.1.4 錐體

Hoeksira等[29-30]、胡瓅元等[31-34]實驗結(jié)果表明，與帶有錐體結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器相比，直筒型旋風(fēng)分離器切向速度沿軸向存在明顯的衰減。高翠芝[35]認(rèn)為，自然旋風(fēng)長在直筒型與同錐形旋風(fēng)分離器中表現(xiàn)不同，故將直筒型旋風(fēng)分離器內(nèi)旋流的自然衰減稱之為自然旋風(fēng)長；對筒錐型，則稱之為旋風(fēng)長度，如圖4所示。姬忠禮等[12]發(fā)現(xiàn)，旋風(fēng)分離器錐體可以增加自然旋風(fēng)長，在進(jìn)行旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，其筒體分離空間應(yīng)小于自然旋風(fēng)長。Peng等[36]通過調(diào)整頻閃頻率將渦尾“凍結(jié)”，觀察到附著在分離器內(nèi)壁上的旋渦，發(fā)現(xiàn)旋渦尾端位置隨處理氣量減小、粉塵濃度增加及排氣管直徑增大而升高，渦核彎向器壁以分離器內(nèi)氣體旋轉(zhuǎn)的頻率附著在器壁旋轉(zhuǎn)形成封閉的環(huán)。

圖4 通過頻閃光觀所觀測到的旋渦尾端[36]Fig.4 Vortex end by stroboscope[36](a) Cyclone; (b) Swirl tube

3.1.5 排塵口的設(shè)計

自然旋風(fēng)長受穩(wěn)渦板或穩(wěn)渦錐的影響。在工業(yè)用的旋風(fēng)分離器中，一般采用穩(wěn)渦設(shè)備以減小能量的耗散，使自然旋風(fēng)長大于旋風(fēng)分離器物理高度，提高流動的穩(wěn)定性。Muschelknautz等[37]發(fā)現(xiàn)，旋渦尾端會彎曲碰向分離器壁面。吳小林等[38]采用防范混錐減小了排塵口處的PVC強(qiáng)度，增加了自然旋風(fēng)長度。

3.1.6 壁面粗糙度

當(dāng)壁面粗糙度較大時，增加了旋風(fēng)分離器外旋流的能量消耗，從而使得外旋流傳遞給內(nèi)旋流的能量減少，加速了內(nèi)外旋流能量平衡的過程。高翠芝等[39]采用煙氣作為示蹤粒子，實驗研究表明，較大的壁面粗糙度增加了能量的耗散，減小了自然旋風(fēng)長。

3.2 操作參數(shù)對自然旋風(fēng)長的影響

3.2.1 入口氣速和入口濃度

當(dāng)入口速度較大時，旋流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較高，外旋流能量較大。Hoffmann等[26]通過實驗討論了入口速度和入口濃度因素對自然旋風(fēng)長的影響，發(fā)現(xiàn)自然旋風(fēng)長隨入口速度的增加而增加，但幾乎不隨入口顆粒濃度的變化而變化；錢付平等[15]研究表明，入口尺寸的增加導(dǎo)致自然旋風(fēng)長減小，入口氣速提高，自然旋風(fēng)長有較明顯的增加。

3.2.2 入口雷諾數(shù)

在常用的旋風(fēng)分離器中，雷諾數(shù)通常足夠大，所以大多數(shù)旋風(fēng)分離器在較好的性能下工作。早期研究認(rèn)為，入口雷諾數(shù)對自然旋風(fēng)長的影響較?。蝗欢罱难芯勘砻?，入口雷諾應(yīng)力對自然旋風(fēng)長有較大的影響。Buttner[40]指出，旋風(fēng)分離器條件可以分為以下2種情況：

(1)Ln≥H，這種情況下，自然旋風(fēng)長大于等于旋風(fēng)分離器的實際高度，旋渦尾端到達(dá)旋風(fēng)分離器的底部，甚至灰斗。此時，旋風(fēng)分離器效率較高，是優(yōu)越的操作條件。這種情況需要較高的入口雷諾數(shù)(2×103～2×104)，H/D在2～10之間。

圖5 自然旋風(fēng)長的說明[40]Fig.5 Explanation of natural vortex length[40](a) Cyclone operation with Ln≥H; (b) Operation with Ln

(2)Ln15)的旋風(fēng)分離器中。

3.2.3 旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度

旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度是表征旋轉(zhuǎn)流體運(yùn)動強(qiáng)弱的參數(shù)，與入口雷諾數(shù)、旋轉(zhuǎn)動量、旋流數(shù)等參量有關(guān)。旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度隨流動方向逐漸衰減，但較高的入口雷諾數(shù)有利于抑制這種衰減。一般來說，導(dǎo)致氣體旋轉(zhuǎn)動量減小的因素都會降低自然旋風(fēng)長。此時，旋渦的特性與旋轉(zhuǎn)陀螺非常相似。因為二者的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量都受到摩擦阻力的影響，本身都是不穩(wěn)定的，處于旋進(jìn)狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)動量矢量繞地球重力方向運(yùn)動；而旋渦端部的旋轉(zhuǎn)動量矢量則繞分離器中心低壓區(qū)渦核旋進(jìn)。魏耀東等[14]認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度越高，準(zhǔn)自由渦區(qū)延伸的越遠(yuǎn)，自然旋風(fēng)長越長。通常定義流場的旋轉(zhuǎn)角動量與軸向速度動量乘以筒體半徑的比值為旋風(fēng)分離器的旋流數(shù)。宋健斐等[41]研究表明，在入口氣量恒定的情況下，入口面積減小能使幾何旋流數(shù)增加，提高運(yùn)動流體的穩(wěn)定性，提高外旋流的能量。

3.2.4 抽氣量和氣體回流量

自然旋風(fēng)長隨底部抽氣量(從收塵灰斗向外抽氣)的增加而增加，隨氣體回流量(如料腿竄氣)的增加而減小[24]。

4 結(jié) 語

旋渦尾端的存在對旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒返混、壁面磨損與料腿結(jié)垢或堵塞等都有重要影響。然而，旋渦尾端問題影響因素較多，如果將影響因素僅歸結(jié)為筒體直徑、排氣管直徑和入口面積3個主要因素，忽略其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)的影響，則計算模型準(zhǔn)確性及適用性較差。目前，自然旋風(fēng)長的計算公式多為經(jīng)驗公式，不僅缺乏流場分析和實驗數(shù)據(jù)的支持，而且相互之間計算結(jié)果相差較大。因此考慮其他因素對自然旋風(fēng)長的影響是十分必要的。

目前，在計算旋風(fēng)分離器分離效率的模型中，一般采用Alexander提出的自然旋風(fēng)長經(jīng)驗公式，而不是旋風(fēng)分離器的物理高度。因此，自然旋風(fēng)長的研究對分離器的優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義。在旋風(fēng)分離器的設(shè)計計算中，使筒體的設(shè)計高度小于自然旋風(fēng)長度，不產(chǎn)生旋渦尾端，能夠增強(qiáng)旋風(fēng)分離器的流動穩(wěn)定性，從而提高分離效率。因此，旋渦尾端的計算模型不僅要考慮入口面積、筒體直徑、排氣管直徑3個方面，還需要考慮如筒體的高/徑比、入口面積、排氣管直徑和插入深度、錐體、排塵結(jié)構(gòu)的設(shè)計、壁面粗糙度等幾何參數(shù)，以及入口氣速和入口濃度、入口雷諾數(shù)、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、抽氣量和氣體回流量等操作參數(shù)對自然旋風(fēng)長的影響。通過大量的實驗數(shù)據(jù)驗證，深度分析自然旋風(fēng)長的內(nèi)在機(jī)理，總結(jié)經(jīng)驗公式，從而更為準(zhǔn)確地計算自然旋風(fēng)長，為旋風(fēng)分離器高度的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

符號說明：

a——入口截面高度，mm；

b——入口截面寬度，mm；

D——旋風(fēng)分離器筒體直徑，mm；

de——排氣管直徑，mm；

H——旋風(fēng)分離器筒體高度，mm；

K——入口截面系數(shù)；

Ln——自然旋風(fēng)長，mm；

r——柱坐標(biāo)，mm；

R——筒體半徑，mm；

Vt——切向速度，m/s；

Vz——軸向速度，m/s。