旋风装置文件综述.docx

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旋风装置文件综述

4.1 匀流程思想 

由图3.8所示，旋风除尘器内的流体质点从进气口到排气口这一段路程中运动轨迹为一条旋转的曲线。

在旋风除尘器实际应用的过程中，图3.8所显示的每一条曲线都是含尘气体的运动轨迹。

由转圈理论可知，含尘气体的运动轨迹越长旋风除尘器的除尘效率越高，即颗粒运动路程对颗粒的捕集分离有重要的影响。

含尘气流中的颗粒是通过随气流一起旋转产生惯性离心力,气流中的颗粒在惯性离心力的作用下产生径向趋壁运动,显然这种运动的时间越长,即运动的路程越长,颗粒被捕集分离的可能性就越大,除尘效果就越好,路程越短则颗粒越不容易捕集分离。

如果进入旋风器的气流从进入到排出的流程长短不同,气流中的颗粒群所受到的径向趋壁运动的时间和作用效果也不相同。

一般旋风除尘器理论和流场分析表明在排气管下部到圆锥体底部这段空间内外旋流中的流线可以在任何位置从外旋流逃逸分离出来加入内旋流而排离旋风除尘器，这就导致以同样速度进入旋风器内的部分流线并不能以相同的方式离开旋风器，从另一方面来说，许多还没有分离完全的粉尘颗粒在还有可能进一步分离的情况下就进入了旋风除尘器的排气管，随气流排离除尘器。

旋风除尘器中部分流线足够长即完成内外旋流的全部路程，前文已经说明旋风除尘器的主要除尘作用只在中上部即起主要除尘分离作用的只是流线在外旋流的路程段，后半路程的内气旋对分离并没有太大的作用,同时还会带来负面的影响（底部旋进涡核导致二次扬尘、局部涡流数增加、内气旋旋转造成能量损失）。

由以上两点分析可以假想：

如果所有以相同速度进入除尘器内的含尘气流都在一规定长度行程后排离旋风除尘器就可以让所有进入旋风器的含尘气流有相同的捕集分离作用，由此来提高除尘效果，也就是使一般除尘器中气流的流线路程均匀化即找到一合适的路程长度而排离旋风器，这就是流程均化思想。

4.2 改进措施 

根据流程均匀化思想有意识地避免过早的轴向逸流、底部旋进涡核的产生、降低内旋流的负面影响，基于这几点本文提出一种全新的改进措施，具体改进措施如下：

（1）增加排气管在旋风除尘器内的长度，将内外旋流划分在两个区域，有效地避免轴向逸流的产生及内外旋流间相互摩擦而引起的能量损失。

（2）根据转圈理论适当地增加旋风除尘器上筒体的长度，减少旋风除尘器下锥体的长度。

充分发挥圆筒体部分的分离作用，抑制圆锥体边壁部分局部涡流的负面影响。

（3）在内外气旋的交换处添加一倒圆锥体，同时，在此圆锥体的外侧添加气流导向叶片。

外旋流在旋转一定路程之后，在导向叶片的作用下直接由旋转运动转变成近似直线运动的内气流而离开旋风器，减少内气旋旋转造成的能量损失。

4.3 RC型除尘机理 

图4.1是改进型旋风除尘器，本文自命名为RC（Reverse Cyclone）型旋风除尘器的结构示意图。

图4.2是RC型除尘器的分离机理示意图。

根据图4.2，RC型旋风除尘器的除尘机理可叙述为：

气流从进气管进入除尘器后由直线运动转化为螺旋向下的圆周运动，含尘气体在旋转过程中产生很大的离心力，由于尘粒的密度比空气大很多倍，因此旋转的尘粒在很大的离心力作用下，从气流中分离出来甩向器壁，尘粒一旦与器壁接触后便失去离心力作用而靠入口速度的动能和自身的重力势能沿器壁面旋转下落，经锥体排入集灰箱。

在气流旋转下降的过程中存在径向速度 的影响，微小颗粒也会向中心漂移，由于排气管向下延伸较长，这种径向速度较传统结构的影响小得多，这部分颗粒在接触到延长的排气管壁面会沿排气管壁面下滑而被高速旋转的气流再次扬起继续分离。

当气流运动到接近倒圆锥底面时，由于集尘箱是密闭的空间，下旋气流无法继续下旋，而在直线形导向叶片的作用下由螺旋运动转化为近似直线运动，从排气管排出。

4.4 RC型结构设计 

本研究主要通过对比分析来说明改进方案的正确性，所选择参考对象为Stairmand型高效旋风除尘器。

这就导致除改进的部分结构外，RC型、Stairmand型旋风除尘器在结构和结构尺寸上有相同的地方。

4.4.1 进气口 

旋风除尘器的进气口是造成气流在旋风除尘器中形成旋转的主要部件，是影响除尘效率和压力损失的主要因素，进气口有切向和轴向两种形式。

切向进气口是旋风除尘器最常见的形式。

主要有普通切向进气口和蜗壳进气口（渐开线进气口）。

采用普通切向进气口，气流进入除尘器后易产生双重旋涡，上部旋涡易形成上灰环，从而直接将粉尘带入内旋涡，降低除尘效率。

为了减少气流之间的相互干扰，越来越多的采用了蜗壳（渐开线）式进气口。

这样可以缓解气流刚进入时的入口压缩现象，减少阻力提高处理风量。

而在设计过程中，渐开线的角度对于旋风除尘器的除尘效率也有一定的影响，在一般设计中常用角度为900、1800、2700，但以设计成1800时效率最高。

旋风除尘器的进口面积对除尘器性能也有很大影响，进口面积相对筒体断截面较小时，进入除尘器的气流切线速度大，有利于粉尘的分离。

在设计过程中使用k来表示筒体断面积与进气口面积之比，这一参数是衡量除尘效率的一个指标，通常称为相对断面比。

k值愈大，除尘效率愈高，但处理风量较小，反之亦然。

设计中根据k值将除尘器分为三类[50]：

（1）高效旋风除尘器：

k=6～13.5 

（2）普通旋风除尘器：

k =4～6 

（3）大流量旋风除尘器：

k <3。

RC型进口的宽高比类比于Stairmand, kￓ7.85进口宽高比由表3.1查得，进口采用 蜗壳式进口。

4.4.2 圆筒体 

圆筒体是分离的主要区域，根据转圈理论，旋风除尘器上圆筒体高度愈大，气流在其中转圈数愈多，停留时间也就愈长，粉尘颗粒被分离的可能性就越大，从而除尘效率也相应的提高。

同样，圆筒体直径对旋风除尘器的效率有很大影响，在阻力一定的情况下，直径越小，除尘效率愈高。

因为随着旋转半径的减少，离心加速度增加，从而离心力也增加。

如圆筒直径增加，为保证除尘效率，进口风速也要相应提高，但在设计中，由于阻力与风速的平方成正比，为使阻力限制在一定范围内，进口风速不能太高，因而限制了除尘器直径的增加。

为了增加可比性及可以充分利用前人试验数据，同时考虑到现实加工存在的问题，筒体直径为。

RC型旋风除尘器颗粒分离主要集中的上圆筒体，而忽略下圆锥的分离作用。

因此，RC型旋风除尘器筒体长度要比Stairmand型长，其长度为Stairmand型上筒体的长度加上下圆锥体等效圆柱体的高度。

等效圆柱体高度的确定一般有两种方式[51]：

根据体积不变原理，保持原有圆锥的高度不变得出等效圆柱的直径；另一种是根据体积不变原理，保持等效圆柱的直径与上圆筒体的直径相等得出等效圆柱的高度。

本文采取后一种等效方式:

4.4.3 圆锥体 

一般旋风除尘器的圆锥体主要功能有：

（1）内外旋流的交换区，同时改变气流的旋转形成内旋流。

（2）未分离粉尘颗粒继续分离区域。

（3）将已分离粉尘颗粒排出分离器。

而RC型的圆锥体相对与Stairmand型旋风除尘器的功能有所变化，主要功能只是给已分离粉尘颗粒提供排离通道，完全抛弃了原有粉尘的分离功能和气旋交换功能。

由粉尘的性能可知，任何粉尘都存在自然堆积角也称为安息角，即粉尘在水平面上自然堆放时，所堆成的锥体的斜面与水平面所成的夹角。

粉尘从一定高度自由沉降，所堆积成的堆积角称为动堆积角；粉尘在空气中以极其缓慢的速度自由沉降，所堆积成的堆积角称为静堆积角。

堆积角的大小与粉尘的种类、粒径、形状和含水率等有关。

各种物料的自然堆积角可以查相关表格得到。

圆锥体的锥顶角的余角必须大于粉尘的安息角，否则旋风除尘器在实际应用过程中容易形成灰尘堵塞，影响正常工作。

本改进主要针对水泥工业而言，锥顶角的余角要大于水泥的安息角。

水泥的静止安息角和运动安息角分别为：

400～450、350。

结合内部三角支架的尺寸及整体除尘器的高度，本设计中圆锥体的锥顶角为 ，圆锥体下排尘口直径与Stairmand型相同为、 

底部圆锥的圆锥顶角根据试验粉尘的自然堆积角确定。

本设计采用 的堆顶角。

导向叶片的存在目的是为了将旋转的气流转变为直线气流，在气流排离旋风除尘器前起强制导向作用。

三片导向叶片成1200分布于圆锥体的周围，叶片的倾斜角大于水泥的安息角。

由旋风除尘器内速度分布图2.3，气流切向最大速度在排气管直径的三分之二处，据此导向叶片的外圆直径等于三分之二的排气管直径 

4.4.5 排气管 

进入旋风除尘器的气流旋转到锥底后，在导向叶片的作用下折转向上成为内气流，然后由排气管排出。

排气管通常都插入到除尘器内，与圆筒内壁形成环形通道，环行通道的大小及深度都对除尘器的除尘效率和阻力有影响。

环行通道愈小，即排气管直径与圆筒体直径的比愈小，除尘效率增加，阻力也相应增加；排气管的插入深度愈小，阻力愈小，若完全不插入除尘器内，则阻力最小，但此时除尘器效率不能保证，因为上涡流所携带的粉尘很容易随气流进入排气管排出，局部气流短路，从而降低除尘效率。

在设计过程中对除尘效率的考虑一般要多于压力损失。

RC型旋风除尘器是一种新型试验形设备，排气管在筒体中的长度没有明确的数学表达式可以确定，本文将其长度确定为筒体的高度与倒锥体高度差：

4.4.6 三角支架 

三角支架存在的主要目的是支撑倒圆锥体及导向叶片，同时为倒圆锥体在旋风器中高度的调节提供可能。

圆锥体在旋风器中高度的调节通过螺纹调节实现，调节的范围由螺纹的长度确定

4.5 试验模型加工材料的选择 

旋风除尘器材料的选择应遵循：

首先满足零件的使用性能要求，同时兼顾材料的工艺性能和经济性。

在工业应用中旋风除尘器的加工材料一般选择普通钢板、不锈钢钢板。

试验不同于工业应用，在试验的过程中没有工业上的腐蚀和严重的磨损作用，同时，试验时应能随时观察旋风器内部的气流情况便于分析比较。

此外，材料的加工性能和费用也是必须考虑的因素。

综合考虑，结合实际情况有机玻璃为最佳合适材料。

4.6 RC型旋风除尘器流场模拟计算 

4.6.1 模拟条件设定 

应用Gambit软件对RC旋风除尘器进行三维建模及网格划分，结果如图4.3和图4.4。

本文采用对比的手段来模拟Stairmand型和RC型除尘器内气流状况，因此，RC型旋风除尘器的模拟条件和第三章中Stairmand型模拟条件完全一样。

4.6.2 模拟结果比较分析 

1.现象分析 

将图4.6与图3.6对比看出，一般旋风除尘器内气旋偏离旋风除尘器几何中心的现象在RC型除尘器中不再存在。

从图4.7中看出，外气旋内流体质点速度矢量方向不再像图3.7中一样指向内旋流，而是指向外旋气流的旋转方向。

对比图4.8与图3.11，可以看出RC型除尘器锥体部分的局部涡流明显得到有效的抑制。

图4.9中一共有13条流线，其中在预定位置折转排离除尘器的数目为9条，占总数目的69.2％；其余流线数目为4条，占总数的30.8％。

相对与图3.8中各流线所占比例的数值，整体流线的均匀化程度要高。

将图4.10与图3.9相比较，除尘器排气管内的流线旋转程度明显降低，气流以近似直线的方式排离旋风除尘器。

2.局部切向速度分析 

根据第二章中旋风除尘器流场的分析可以得出对旋风除尘器起主要分离作用的分速度为切向速度，同时，对于旋风除尘器起主要分离作用的区域只是中上部分，因此，本文只就这两种旋风除尘器在中上部分的切向速度值加以分析比较。

图4.11为Stairmand型和RC型旋风除尘器上部的三维结构示意图。

如图4.11中第1和第3条直线间的距离为180mm，现将这段距离平均分为9等分，共10个横截面，每个截面取如图4.12所示的8个点。

八个点的分布如下：

在1800处沿负x轴向的位置从左向右分别为-90mm、-80mm、-70mm、-60mm四个点；在2700处沿z轴正向的位置从下向上分别为90mm、80mm、70mm、60mm四个点。

在每个截面内取如图4.12所示八点的切向速度，共80个数据点。

根据点在x轴上位置的不同将y向具有相同x坐标的数据分为4组，每组10个数据点：

-90mm处为第1组、-80mm处为第2组、-70mm处为第3组、-60mm处为第4组；根据点在z轴上位置的不同将y向具有相同 坐标的数据分为4组，每组10个数据点：

90mm处为第1组、80mm处为第2组、70mm处为第3组、60mm处为第4组。

每一组数据根据在y轴所处位置的不同，从上向下分别为第1点、第2点…、第10点。

分别按照上述方法对Stairmand型和RC型旋风除尘器进行数据采集。