螺線型旋風分離器的結構改進研究

陸元寶， 孫國剛， 王青蓮， 韓曉鵬， 楊曉楠

(中國石油大學 化學工程學院 過程流體過濾與分離北京市重點實驗室，北京 102249)

螺線型旋風分離器的結構改進研究

陸元寶， 孫國剛， 王青蓮， 韓曉鵬， 楊曉楠

(中國石油大學 化學工程學院 過程流體過濾與分離北京市重點實驗室，北京 102249)

摘要：采用螺線型旋風分離器實驗裝置，考察了排氣管插入深度、螺線通道延伸段對螺線型旋風分離器分離性能的影響。結果表明，隨著排氣管插入深度的增加，螺線型旋風分離器的分離效率先增后減，當排氣管的插入深度與進氣口高度相等時，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。在本實驗條件下，與普通螺線型旋風分離器相比，在相同壓力降時，改進后的螺線型旋風分離器分離效率可提升6%～10%，能除盡10 μm以上的顆粒，對2 μm以下的超細顆粒也有較好的捕集效果?；谶吔鐚臃蛛x理論，建立了螺線型旋風分離器的粒級效率計算公式，計算值與實驗數(shù)據(jù)吻合性較好。

關鍵詞：螺線型旋風分離器；延伸段；最佳插入深度；粒級效率；公式

旋風分離器以其結構簡單、無運動部件、效率較高、壓力降適中、制造及維護費用低等優(yōu)點，廣泛應用于化工、石油、冶金、建筑、礦山、機械、輕紡等許多工業(yè)部門。但旋風分離器內(nèi)的流場是2種不同性質(zhì)的旋渦(準自由渦與強制渦)及流向相反的源流與匯流疊加的流場，存在一些對分離不利的次級流動，如進口氣體的“突擴膨脹”、排氣口末端“短路流”等[1-3]。為此，一些學者提出了按照分離器流場內(nèi)部流線形狀設計的螺線型旋風分離器[4-5]。

螺線型旋風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成，含塵氣體在螺線通道中作旋轉(zhuǎn)運動，顆粒在離心力作用下到達邊壁被捕集。相關研究[6-8]表明，采用阿基米德等距螺線通道，能夠延長分離器的切向流場，縮短粉塵徑向移動到邊壁的距離，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-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。然而，普通螺線型旋風分離器對細粉的捕集效率仍不理想，依然存在局部“短路流”現(xiàn)象，有必要對其進行改進。

筆者設計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分離器[9]，采用對比實驗的方法，考察了排氣管插入深度、螺線通道延伸段對螺線型旋風分離器性能的影響，以期待為螺線型旋風分離器的改進提供參考。

1實驗部分

1.1實驗裝置和工質(zhì)

螺線型旋風分離器的實驗裝置如圖1所示。采用吸風式負壓操作在常溫下進行實驗，常溫常壓空氣作為氣相介質(zhì)。采用畢托管測量入口氣速，氣速變化范圍控制在12～24 m/s，通過閥門調(diào)節(jié)風量。采用定量加塵、收塵及稱重的方法測定實驗旋風分離器的分離效率。入口質(zhì)量濃度基準為20 g/m3，通過控制加料時間來實現(xiàn)對含塵氣體濃度的控制。實驗粉料為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　螺線型旋風分離器實驗裝置示意圖

表1　實驗用滑石粉的粒度分布

1.2螺線型旋風分離器結構

圖2為普通螺線型旋風分離器和改進后的螺線型旋風分離器的結構示意圖。從圖2可以看出，2種分離器的結構形式基本相同，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構形式。傳統(tǒng)螺線型旋風分離器升氣管往往不插入分離器內(nèi)部，螺線通道采用與進氣口等高的螺線板卷成；改進的螺線型旋風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結果與討論

2.1排氣管插入深度和螺線通道延伸段對螺線型旋風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，隨著排氣管插入深度的增加，分離效率先增后減；當排氣管插入深度等于切向入口高度，即h/a=1時，分離效率最高，比排氣管不插入分離器內(nèi)時高6%～8%；當排氣管插入深度一定時，隨著入口氣速的增加，分離效率也呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在入口氣速為22.6 m/s時達到最大。

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最佳值，實驗測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　普通螺線型旋風分離器及其改進后的結構示意圖

入口氣速是影響離心力場和顆粒在分離器內(nèi)停留時間的主要因素之一[13]。入口氣速大，意味著氣流旋轉(zhuǎn)速度高，離心力場強，顆粒容易被甩向壁面，對分離有利；入口氣速過大，氣流在分離器內(nèi)的停留時間則短，細小的顆?？赡軟]有足夠的時間運移到器壁被分離。此外，入口氣速過高，還會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，導致分離效率下降。因此，多種機理的綜合作用，使分離器效率隨入口氣速的增加呈先增后減的趨勢。

排氣管插入深度對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，排氣管插入深度增加，螺線型旋風分離器的壓力降隨之增加；排氣管插入深度一定時，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)

旋風分離器的壓力損失由進氣口損失、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，排氣管取得了對內(nèi)旋流的控制或引導作用，使得內(nèi)旋流旋轉(zhuǎn)加強，“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　螺線通道延伸段對螺線型旋風分離器效率(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，螺線型旋風分離器內(nèi)部是一個復雜的三維流場，延伸段的設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。設置延伸段后，延伸段的存在一方面減少氣體“突擴膨脹”帶來的壓力降損失，同時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，得到了改進后螺線型旋風分離器和傳統(tǒng)螺線型旋風分離器的壓力降-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，改進后螺線型旋風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粒級效率的計算

粒級效率是衡量旋風分離器分離能力的重要指標，它體現(xiàn)了分離器對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分離器的效率計算公式，但這些計算式在推導過程中對邊界層假定[4]、粒級效率定義[12]以及顆粒沉降半徑計算[14]方面仍存在一些不足。

圖6　2種螺線型旋風分離器的壓力降(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動，顆粒不影響氣流流場運動，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動進入螺線通道邊壁層流層就認為被捕集。在極坐標條件下，對螺線型旋風分離器進行建模，得到一個新的粒級效率計算公式，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，故計算時將其值取為入口氣速vi。

為了驗證粒級效率計算公式的準確性，筆者分別從總效率和粒級效率2個方面進行驗證。最優(yōu)結構組合下，實驗總效率和模型計算總效率數(shù)據(jù)列于表2。從表2可以看出，兩者數(shù)值相近，相對誤差在4%以內(nèi)，說明粒級效率計算公式具有較高的可信度。

表2　螺線型旋風分離器總效率(η)的實驗值與

圖7為本研究中最優(yōu)組合結構在入口氣速22.6 m/s 下實驗測得的粒級效率與幾種粒級效率模型計算值的對比。從圖7可以看出，實驗所得粒級效率曲線呈現(xiàn)“魚鉤狀”，存在一個臨界粒徑dcr≈1 mm；當顆粒直徑d>dcr時，粒級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d

圖7　螺線型旋風分離器粒級效率(η(dp))的

從圖7還可見，本研究中提出的粒級效率模型計算值與實驗數(shù)據(jù)吻合度優(yōu)于其他文獻模型。對于粒徑大于4 μm的顆粒，本研究模型計算的粒級效率與實驗值基本一致；粒徑小于4 μm時，本模型計算的粒級效率值與實驗值有偏差，且粒徑越小，偏差越大。這是因為本模型沒有考慮顆粒團聚效應所致，即本模型也不能預測粒級效率隨粒徑減小而增加的“魚鉤效應”。

3結論

(1)隨著排氣管插入深度的增加，螺線型旋風分離器的分離效率先增后減，存在分離效率最高值。實驗測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分離器效率，因為延伸段的存在增加了徑向“短路流”中粉塵與通道壁面的碰撞機會，從而能夠增加分離器對粉塵的捕集概率，提升分離器的分離效率。

(3)在相同壓力降下，改進后的螺線型旋風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)螺線型旋風分離器基本上可除盡10 μm以上的顆粒，對2 μm以下細顆粒也有較好的捕集效果。由于螺線型旋風分離器的切向流場較長，螺線通道給了細顆粒充分團聚的空間，提高了極細顆粒的捕集效率，使得粒級效率曲線出現(xiàn)“魚鉤效應”。

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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

基金項目：自然科學基金項目(21276274)和國家重點基礎研究計劃課題(2014CB744304)資助

文章編號：1001-8719(2016)03-0508-06

中圖分類號：TQ021.1

文獻標識碼：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)值模擬及實驗研究；Tel：010-89734820；E-mail：luyuanbao526@126.com

通訊聯(lián)系人： 孫國剛，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