（动力工程及工程热物理专业论文）新型直流导叶式旋风管的性能研究.pdf

e x p 嘶一跏艄吲m m 小w t y p 讹训胁w 4溉y18馨缓7pl at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：m a nx i a o w e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj i a n j u n m a c h i n e r yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 腧幽知 日期：幻l1 年月脚日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 临嘶 日期：硇1 年9 月z c 7 日 日期：必7 f 年歹月幺1 摘要 为了得到能够用于天然气预处理的直流导叶式旋风管，本文采用了不同结构参数的 旋风管进行阻力特性试验和气固、气液分离性能试验，得到了结构参数对旋风管分离性 能的影响规律，并通过对结构的组合，提出了新型直流导叶式旋风管结构，具有相对高 效、低阻的特点。结果表明，结构参数对气固分离和气液分离效率的影响并不一致，增 大气流的旋转强度有利于气固分离，但同时增加了液膜夹带的程度，不利于气液分离。 叶片参数和排气管结构参数对旋风管阻力特性和分离效率的影响最大，环隙排尘( 或排 液) 综合效率比较好，宽度为2 0 m m 、出口角为3 0 。的叶片和直筒+ 锥型排气管的性能 最好，最佳的分离段长度为2 3 倍的旋风管管径，在低抽气量的情况下，对分离效率没 有太大影响。 新型结构的旋风管气液分离效率达到9 4 以上，并且能够完全除净粒径大于2 5 9 m 固体颗粒。通过流场测试和数值计算分析了新型直流导叶式旋风管结构流动分布，研究 发现：前导流锥体具有很好的导向作用，分离空间内旋风管的中心附近存在着低压区， 截面内的切向速度呈兰金组合涡分布，直筒+ 锥型排气管具有抑制颗粒返混的作用，但 在排气管附近仍然存在偏流和汇流现象，并且在排气管内仍有二次流动。 关键词：直流导叶式旋风管，分离性能，液膜夹带，流场 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h en e wt y p ea x i a lf l o wc y c l o n e m a n x i a o w e i ( m a c h i n e r y i nc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gj i a n j u n a b s t r a c t i no r d e rt o p r o p o s ean e wt y p eo fa x i a lf l o wc y c l o n et oa p p l yo nn a t u r a lg a s p r e - s e p a r a t i o ni n d u s t r y , d i f f e r e n ts t r u c t u r ec y c l o n e sw e r eu s e di nt h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ， s o l i dp a r t i c l es e p a r a t i o na n dl i q u i ds e p a r a t i o ne x p e r i m e n t t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r se f f e c to n t h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo fc y c l o n et u b ew a sg o ta n dan e wt y p eo fa x i a lf l o wc y c l o n ew i t h t h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g he f f i c i e n c ya n dl o wr e s i s t a n c eq u a l i t yw a sp r o p o s e db yac o m b i n a t i o n o ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tw a sc o n s i s t e n tb e t w e e ns t r u c t u r e p a r a m e t e r se f f e c to ng a s - s o l i ds e p a r a t i o na n dg a s l i q u i ds e p a r a t i o n i n c r e a s i n gt h ei n t e n s i t y o ff l o wr o t a t i o nw a sc o n d u c i v et o g a s s o l i ds e p a r a t i o n ，b u tn o tt og a s - l i q u i ds e p a r a t i o n b e c a u s eo fe n h a n c i n gt h ed e g r e eo fe n t r a i n m e n to fl i q u i d i tw a ss h o w e dt h a tt h ee f f e c to n r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw e r eg u i d i n gb l a d e sa n dv o t e xf i n d e r s i t w a sc o n c l u d e dt h a tt h eo p t i m a lb l a d es t r u c t u r ew a s2 0 m mo fw i d t ha n d30 。o fb l a d ea n g l e ， t h eo p t i m a lv o t e xf i n d e rw a sc y l i n d e r - c o n e t y p e ，t h eo p t i m a ls e p a r a t i o nd i s t a n c ew a s2t o3 t i m e so fc y c l o n ed i a m e t e r i tw a sn o te v i d e n te f f e c to ns e p a r a t i o ne f f i c i c e n c yw h e nt h e s e c o n d a r ya i rw a sl o w t h eg a s l i q u i ds e p a r a t i o ne f f i c e n c yo fn e wt y p ea x i a lf l o wc y c l o n ea c h i e v e da b o v e9 4 ， w h i c hc a nb a s i c a l l ye l i m i n a t et h es o l i dp a r t i c l e sa b o v e2 5 j - t m t h ef l o wd i s t r i b u t i o nw a s a n a l y z e db yf l o wf i e l dm e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e f r o n tc o n eh a dag o o dg u i d i n gi n f l u e n c eo na i r f l o w , al o ws t a t i cp r e s s u r ed i s t r i c te x i s t e dn e a r t h ec o r eo fc y c l o n e ，t h et a n g e n t i a lv e l o c i t ye x i s t e di nt h ef o r mo fr a n k i nv o r t e xi nt h e c r o s s s e c t i o n ，t h ec y l i n d e r - c o n e t y p ev o r t e xf i n d e rc o u l di n h i b i tt h eb a c k m i x i n gp h e n o m e n o n o f p a r t i c l e s i tw a sa l s of o u n dt h a ta s y m m e t r i cf l o wa n dc o n v e r g ef l o we x i s t e dn e a r b yt h e e x h a u s tp i p e ，a n dv o r t e xi nt h ee x h a u s tp i p e f i e l d k e yw o r d s ：a x i a lf l o wc y c l o n e ，s e p a r a t i o np e r f o r m a n c e ，e n t r a i n m e n to fl i q u i d ，f l o w 目录 第一章前言1 第二章直流式旋风分离器的研究现状3 2 1 直流导叶式旋风管的简介3 2 2 直流式旋风管的研究现状4 2 2 1 旋风管结构的研究现状4 2 2 1 影响旋风管性能的主要因素8 2 3 液膜夹带的相关理论9 2 3 1 大液相雷诺数，卷波夹带1 0 2 3 2 小液膜雷诺数，冲击夹带1 0 2 4 本章小结1 l 第三章实验装置、方法及内容1 2 3 1 试验装置1 2 3 2 试验参数的测量与计算1 3 3 3 实验方案及内容1 5 3 3 1 直流导叶式旋风管阻力特性试验1 5 3 3 2 直流导叶式旋风管固相颗粒分离试验1 6 3 3 3 直流导叶式旋风管气液分离试验1 7 3 3 4 直流导叶式旋风管内流场测试与数值分析1 8 第四章直流导叶式旋风管阻力特性试验1 9 4 1 叶片参数对直流导叶式旋风管阻力特性的影响1 9 4 1 1 叶片出口角对直流导叶式旋风管阻力特性的影响1 9 4 1 2 叶片宽度对直流导叶式旋风管阻力特性的影响2 0 4 1 3 叶片个数对直流导叶式旋风管阻力特性的影响2 1 4 2 排气管结构参数对直流导叶式旋风管阻力特性的影响2 2 4 2 1 排气管内径对阻力特性的影响2 2 4 2 2 排气管结构型式对阻力特性的影响2 3 4 2 3 排气管开缝对阻力特性的影响2 4 4 3 排尘或排液方式对直流导叶式旋风管阻力特性的影响2 6 4 4 本章小结2 7 第五章直流导叶式旋风管分离试验2 9 5 1 直流导叶式旋风管气固分离试验2 9 5 1 1 叶片结构参数对分离性能的影响2 9 5 1 2 排气管结构参数对分离性能的影响3 2 5 1 3 排尘方式对旋风管分离性能的影响3 6 5 1 4 分离段长度对旋风管分离效率的影响3 7 5 1 5 抽气对旋风管分离效率的影响3 8 5 2 直流导叶式旋风管气液分离试验3 8 5 2 1 叶片参数对气液分离效率的影响3 9 5 2 2 排气管结构参数对气液分离效率的影响4 0 5 2 3 排液方式对气液分离效率的影响4 3 5 2 4 分离段长度对气液分离效率的影响4 4 5 2 5 抽气对气液分离效率的影响4 5 5 3 本章小结4 6 第六章直流导叶式旋风管结构组合及局部流动分析4 7 6 1 旋风管结构的组合4 7 6 2 新型直流导叶式旋风管的分离性能4 8 6 2 1 新型直流导叶式旋风管的阻力特性4 8 6 2 2 新型直流导叶式旋风管的总分离效率4 9 6 2 3 新型直流导叶式旋风管的粒级效率5 1 6 3 新型直流导叶式旋风管的局部流动分析5 2 6 3 1 数值计算结果的准确性验证5 3 6 3 2 排气管附近流动分析5 3 6 4 本章小结5 5 第七章结论与展望5 6 7 1 主要结论5 6 7 2 对今后的工作展望5 7 参考文献5 8 附录6 1 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 3 致j 射6 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 天然气是一种清洁高效的能源，与煤相比，能够降低碳排放，全球天然气占总能源 消费比例的2 4 ，而且在未来相当长的一段时间内，这个比重还将不断加大。而我国的 天然气行业起步较晚，2 0 1 0 年全国天然气产量达到9 4 4 8 亿立方米，天然气仪占能源消 费结构的3 ，远远落后于世界总体水平。在我围“十二五 期间，能源的重点将从煤 炭向风能、天然气等清洁能源转变。 西气东输、川气东送、以及中亚天然气管道、中缅油气管道等世纪工程，彰显中国 对天然气的重视程度。同时，提高天然气在中国能源构成中的比例，是减少碳排放量的 有效途径，随着我国天然气管网的普及，将提高天然气在中国能源构成中的比例。据权 威人士预计，到2 0 2 0 年，中国天然气年消费量将达3 0 0 0 亿立方米，天然气在总的能源 消费需求中所占的比例将达到1 0 。 正常状态下的天然气以气态存于自然界中，管道运输是最有效的输送方式。天然气 从气田采出后，常常会含有一些固相和液相杂质，固相杂质主要有岩屑和砂粒，会对后 续的管道、流体机械造成磨损；液相杂质主要来源于液态水和凝析油，主要对管道造成 腐蚀，甚至会堵塞阀门或管线。因此从井厂采出来的天然气必须经节流降压后，在分离 器中脱除游离水、凝析油及机械杂质后，才能输入集气管线 。 在天然气净化应用上，重力沉降器、过滤分离器、传统的旋风分离器是常见的分离 器。其中，重力沉降器适用于流量比较低的情况，过滤式分离器和传统的逆流反转式旋 风分离器分离效率较高，但压力损失很大，并且过滤式分离器只适用于高气量低含液量 的情况。与上述三种分离器相比，直流式旋风分离器具有处理量大、压力损失小、分离 效率稍低、工艺布局合理的特点。而现在国家对天然气杂质的含量要求比较高，仅靠一 种分离器很难达到国家规定的标准，因此普通的分离器只能做为天然气的预处理工艺， 后续的净化工艺【2 】【3 1 还包括冷冻分离法、溶剂吸收法、固体干燥剂吸附法和化学反应法， 因此多管直流式旋风分离器可适用于大流量、高含液量的天然气杂质的预处理。近些年， 随着全球节能要求的提高，多管直流式旋风管在天然气净化行业引起研究人员的重视， 但到目前为止，很少找到工程实际应用的例子。 国内外研究人员大多主要针对现有的结构的旋风管进行性能研究，对于旋风管的结 第一章前言 构与流动状态以及气固和气液分离性能之间的关系，以及旋风管结构的改进工作，研究 人员做的比较少。本课题主要采用试验为主、数值计算为辅导的方法，找到旋风管结构 参数对流动状态及分离性能的影响规律，同时研究旋风管的气固、气液分离性能，建立 结构参数和流动状态以及分离性能之间的对应关系，进而改进旋风管的结构，在保证直 流导叶式旋风管具有低能耗优势情况下，提高其气固、气液分离效率，为适用于天然气 预处理工艺的新型直流导叶式旋风管的开发设计提供依据。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章直流式旋风分离器的研究现状 2 1 直流导叶式旋风管的简介 在过去的一百多年中，传统的逆流反转式旋风分离器在从气流中将颗粒分离出来的 有关行业中得到了广泛的应用。经过几十年的研究，反转式旋风分离器在结构上有了很 大的改进，分离效率较高，分离机理以及分离模型已经比较完善。而直流式旋风分离器 问世时间比较晚，于1 9 4 8 年由u m e n y t 4 1 首次提出，与反转式旋风分离器相比效率相对 较低，因此问世之后一直没有引起研究人员的重视。虽然其结构比较简单，但至今也没 有建立起比较完整的理论设计公式，也没有成熟、完整的数学模型。而近年来随着全球 能源短缺的现状，全球各国对节能降耗要求的提高，在2 0 世纪末又重新引起研究人员 的注意。 图2 1 给出了直流导叶式旋风管典型结构的简图。从图中可以看出，旋风管结构比 较简单，主要由导流锥体、导向叶片、旋风管本体以及排气管组成，其独特的结构易于 并列布管组成结构紧凑型的多管式分离器，而且不用担心气流分布不均的问题；该结构 图2 - 1 直流导叶式旋风管结构简图 f i g2 - 1s c h e m a t i cd r a w i n go fa na x i a lf l o wc y c l o n e 采用环隙排尘( 或排液) 方式，对于直流导叶式旋风管来说，气流的方向没有改变，进气 口和排气口呈直线分布，只有外旋流，没有强内旋流，因此它的压力损失比较低。但由 于排气的方向与排尘( 或排液) 的方向一致，其结构的特点不易于将颗粒及时排出，因 此其分离效率稍低一些。此外，在相同分离效率的前提下，直流导叶式旋风管的压降比 第二章直流式旋风分离器的研究现状 反转式分离器低得岁5 】【6 】【7 】。 为了更好的利于排液或排尘，常常设有二次气流( 或灰斗抽气) 起辅助排液或排尘， 但二次气流也需要净化后才能排出，这就增加了设备的复杂性和额外的能量损失。 2 2 直流式旋风管的研究现状 2 2 1 旋风管结构的研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 在国外，直流导叶式旋风管主要应用于催化裂化三旋装置以及天然气除水行业，另 外在军工方面，直流导叶式旋风管还应用于沙漠直升机发动机进气口前空气的净化【8 】。 研究人员主要通过优化排尘或排液方式以及二次流循环结构达到提高效率的目的。 美国u o p 公司研制了一种采用环隙排尘方式直流导叶式旋分单管，组成多管式分 离器应用于催化裂化三旋装置中，具有效率高、压降小、结构紧凑的特点。如图2 2 所 示，与传统的三旋分离器相比，在处理同等气量的气体时，采用直流导叶式旋风管的三 旋分离器总体结构尺寸小，降低了旋风单管的数量。在发达国家，催化裂化三旋入口中 催化剂的浓度已经很低，因此没必要使用能耗更大的传统的旋风分离器；而在国内石化 行业中，三旋入口的浓度仍然相对比较高，国内石化单位以提高分离效率为目的，因此 直流式旋风管在国内的三旋装置中很少见。 卜1 9 3 0 o d - - - i ( a ) 传统式三旋装置( b ) 直流式三旋装置 图2 2 两种三旋分离器的比较 f i g2 - 2t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt w ot y p e so f t h e3 r d - s t a g ec y c l o n e 在早些时候，恸l i n d e n ( 1 9 4 9 ) ，d a v i d s o n ，d a n i e l s ( 1 9 5 7 ) 和j a c k s o n ( 1 9 6 3 ) 都对直流 式旋风分离器做过早期的研究工作，他们的研究目的不同，d a v i d s o n 为了设计具有操作 4 中国石油大学( 华东) 硕l 学位论文 弹性大、结构紧凑的分离器，而d a n i e l s 是为了设计低阻、低效、结构紧凑的分离器。 近年来，s w a n b o m ( 1 9 9 7 ) 9 、c u y p e r s 和s t a n b r i d g e ( 2 0 0 0 ) t 1o 】【1 1 】在前人的基础上，设计 了新型的直流导叶式旋风管，如图2 3 所示，该结构的旋风管多用于气液分离，在旋风 管边壁上开四条侧缝有用来作为排液的通道，同时还设有二次气流出口用于抽气，提高 排液效率，这是近年来气液分离用直流式旋风管的典型结构，研究人员在这个结构基础 上进行理论及试验研究。 二骂舞产吖 5 苫鬲一 图2 - 3 气液分离用直流式旋风管的典型结构图 f i g2 - 3s c h e m a t i cd r a w i n go fr e p r e s e n t a t i v es t r u c t u r eo fa x i a lf l o wc y c l o n eu s e d i ng a s - l i q u i ds e p a r a t i o n f r e d e r i cp i e 一1 2 1 通过改变侧缝的开设方式来改变旋风管的排液性能，如图2 3 所示， 图中8 所示为排液的侧缝，侧缝在旋风管管壁上沿螺旋线的方向开设，方向与气流运动 的螺旋线方向垂直，能够有效地提高排液能力，但该结构的二次气流没有经过净化，直 接通过9 进入排气管排出。 图2 - 4f r e d e r i cp i e r r r 发明的旋风管结构 f i 9 2 - 4t h ea x i a lf l o wc y c l o n ed e s i g n e db yf r e d e r i cp i e r r r b u r g e s s m a n n i n g 公司【1 3 、s w a l l b o m 【1 4 】设计了具有二次气流循环结构的直流导叶式 5 第二章直流式旋风分离器的研究现状 旋风管，如图2 _ 4 所示，二次气流携带着液滴沿设置在旋风管边壁上的排液通道排出， 液滴在重力作用下沉降收集下来，二次气流通过管道进入导向叶片后的低压区，汇入主 气流，经再次分离后，净化后的气流由排气管排出。这种旋风管结构，既提高了分离效 率，又不需要有专门的分离设备来净化二次气流，实现了无动力循环，简化了设备；但 是叶片前面用于循环二次气流的管道，会对主气流起到阻碍作用，增加了一部分能量损 失。 ( a ) a x 循环型旋风管( b ) s w a n b o m 旋风管结构 图2 - 5 带有二次气流循环结构的旋风管 f i 9 2 - 5t h ea x i a lf l o wc y c l o n ew i t hr e c y c l i n gs e c o n d a r yg a s p e e r l e s s 公司巧妙的将二次气流的回路设置在叶片上，通过增加叶片的厚度，在叶 片上开设与低压区相连的通道，二次气流通过叶片上的开孔直接进入低压区，同时避免 了在叶片之前设置管路而干扰主气流。该结构将排液分为两部分，在叶片尾部的旋风管 边壁上开设初级排液通道，能够及时地将大液滴排出，防止液滴破碎发生夹带；在离心 力的作用下，经过一段分离空间，小液滴运动到边壁处，在排气管之前设置一系列排液 通道将液滴排出，发生二次排液，能够有效地提高排液效率，降低液膜夹带的程度。 e 图2 - 5p e e r l e s s 公司研发的旋风管 f i 9 2 - 5t h ec y c l o n ep r o d u c e d b yt h ep e e r l e s sc o m p a n y w i t hr e c y l i n gs e c o n d a r yg a s 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 a l e xc h o f f m a n n 和t r o n da u s t r h e i m 1 5 】- 【2 0 】设计了一种新型的天然气净化器，并 对其性能进行了研究，如图2 6 给出了实验用天然气净化器装置图，气流自下而上流动， 由下至上依次为入口叶片，起初步分离和气体分布器的作用，中间是丝网垫，将液滴聚 结为大液滴，最上面是多管直流导叶式旋风分离器。他们研究发现，整体分离效率与液 体的物性、气液载荷以及操作压力与密切的关系。在采用空气一水的常压实验中，基本 上能够将液滴除净，而在高压状况下，由于液体表面张力的降低，分离效率下降很多； 在采用氮一煤油的分离实验中，分离效率又有所下降。影响分离效率的主要因素是液滴 的夹带，而不是对小粒径颗粒的分离能力。 图2 _ 6 天然气净化器 f i 9 2 - 6t h et o t a ln a t u r eg a ss c r u b b e rc o n f i g u r a t i o n ( 2 ) 国内研究现状 直流式旋风分离器的研究起步比国外晚，由于直流导叶式旋风管分离效率比传统旋 风分离器低，在国内，前些年往往只倾向于分离效率而忽视了能量损失，因此国内的研 究人员比较少，研究技术尚不成熟，研究水平低于国外水平，工业应用较少。 金小汉【2 1 】将直流导叶式旋风管应用到煤矿井下除尘的作业环境中，净化了煤矿井下 的空气，极大地降低了空气中煤粉的含量，大大降低了安全隐患。他通过正交试验优化 结构参数，确定了最佳的操作工况及最优结构，根据现场的工况确定旋风单管的个数， 在现场应用中除尘效率达到了8 5 ( 干式) ，在入口前加湿式喷雾系统，除尘效率达到了 9 2 4 ( 湿式) 。 第二章直流式旋风分离器的研究现状 陈斌【捌针对于循环流化床锅炉开发了p z c 3 0 0 型直流式旋分管，在排气管上开缝，有 效地降低了直流式旋分管的压降。该旋分管的效率随着流量的增加而提高，在入口流量 为2 5 0 0 m 3 h 时，用中位粒径为1 7 3 0 、2 3 1 8 和2 7 9 1 的粉料测得的分离效率分别为 9 3 2 、9 6 5 和9 8 3 ；纯气流压降为7 1 0 0 p a 左右。其开发的旋风管本体的直径较大， 因此限制了其分离效率的提高。 宗润宽等人【2 3 】【2 4 】【2 5 1 研制的直筒型导叶直流式三相旋流器，主要用于气体以及捕集 了固定颗粒的液滴的三相分离，该结构具有分离效率高、处理气量大、能耗低的优点。 直筒型导叶直流式三相旋流器对粒径为9 7 岬和8 9 岬粒径的液滴分离效率分别达到 9 9 9 1 和9 9 8 7 。对大液滴的分离效率较高，而对小液滴的分离效率较低，阻碍了它的 应用，只能适用于大气量、大液滴的工业应用。 2 2 1 影晌旋风管性能的主要因素 j a c k s o n ( 1 9 6 3 ) ，p l e k h o v ( 1 9 7 2 ) a n ds t e n h o u s e ( 1 9 7 9 ) 研究了二次气流( 抽气) 的影响， 研究发现二次气流有助于提高分离效率，二次气流占主气量的比例越大，分离效率越高， 二次气流的流量可以高达主气量的4 0 。然而现在看来，二次气流占的比例过高，会严 重影响了分离器的处理能力。 a 如y 锄a 和m a m i 等人【2 6 】【2 7 】( 1 9 8 6 年、1 9 8 9 年) 通过试验研究发现，采用环隙排尘的旋 风管除尘效率主要取决于环隙的宽度以及导向叶片的类型( 即叶片出口角和叶片的数 量) 。随着环缝的增加，除尘特性受导向叶片类型的影响变小。最佳分离段长度大约是 旋风管直径的三倍，对导向叶片的研究表明，宽度较大的叶片产生更小的压降，4 5 度的 叶片会大大降低旋流强度，影响分离性能。对于入口颗粒浓度，浓度从1 增大至u 2 0 9 m 3 并不影响除尘效率。 k l u j s z o t 2 8 1 采用中位粒径为2 1 聊的砂粒做分离实验，如图2 7 所示为实验装置简图， 研究前后导流锥、叶片、环隙对分离性能的影响。实验得出，最佳叶片出口角为3 0 度， 继续增大叶片出口角，分离效率下降较多；最佳的入口气速为4 m s ，增大气流速度只会 增加压降，而不会再提高分离效率；前后导流锥的存在比较重要，在叶片后的中心区域 会产生气流的逆流区，会将颗粒带回到叶片区域，产生了我们不想看到的返混现象，后 导流锥的作用是抵消了这些气流的负向轴向速度，防止产生叶片后的返混现象。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 7l ( 1 u j s z o 实验装置 f i 9 2 - 7t h ek i u j s z o se x p e r i m e n t a ld e v i c e 东南大学的黄震、程紫润【2 9 】，华东工业大学的林玮、张宇宏删以及厦门大学的徐方 成、洪华生分别测试了旋风管内部的三维流场，研究了旋风管分离性能与旋风管长度、 导流环隙以及抽气的关系，徐方成研究发现，最佳的旋风管长度为3 - - 4 倍的旋风管直径， 最佳环隙的大小为0 1 2 0 1 8 倍的旋风管直径，对应抽气量为1 0 1 5 。 上海理工大学马俊杰【3 1 1 、余敏等人对用于炉内除尘的直流式旋风除尘器性能进行研 究，主要对导向叶片角度、排气管出口直径以及导流锥体的长度进行了研究，得出排气 管的最佳直径为旋风管直径的o 7 倍，炉内除尘主要以降低压降为目的，因此其炉内的 除尘分离效率比较低，分离效率不超过6 0 。 2 3 液膜夹带的相关理论 当直流式旋风分离器用于气液分离时，且液相负荷较大时，分离效率主要受夹带的 影响。直流式旋风分离器内流体的夹带的机理主要有两个。 i s h i i 和g r o l m e s 总结出了液膜被夹带到气流中的基本机理。夹带现象的活跃程度主 要取决于液膜的雷诺数 r e ，：碰：丛( 2 - 1 ) hh 其中万是液膜的厚度，是平均速度，岛和“分别是液体的密度和粘度，r 是指每 单位的润湿周边液膜内液体的流量，r 有时候称为“液相负荷”。 9 第二章直流式旋风分离器的研究现状 2 3 1 大液相雷诺数，卷波夹带 i s h i i 和g r o l m e s 找到了卷波夹带的开始的标准，通过判定气流施加给液膜的曳力冗 与液膜的表面张力c 的平衡，如图2 - 1 8 所示。假设当曳力大于表面张力时， 即c c 时 鲤唑 一二。么二互；窖墨 图2 8 卷波夹带机理示意图 f i 9 2 - 8r o l lw a v e 卷波夹带可能发生。他们得出了夹带开始的标准 等鲁，用q o 8 r e 1 3 衙以去 ( 2 乏) 等告m 3 5 h 1 3 r o r 以 去 ( 2 。) 仃v 肛 1 ) 在式中，“g 是气体的表观气速，鸬和岛分别是液体的粘度和密度，岛是气体密度。 虬是粘度数，最早用来分析气流中液滴分解问题，可以定义为： n u = 其中a p 是液体与气体的密度差。表达式i 面是长度的尺度。 2 3 2 小液膜雷诺数，冲击夹带 ( 2 4 ) 当雷诺数r e 。变得比较小时，证据表明，卷波夹带不会发生。但是当气速较高时， 夹带仍然会发生。冲击夹带的机理如图2 1 9 所示。v a nr o s s u m 对九种不同的液体做实验， 表面张力从3 0 增大到7 8 m n m 。他根据两个无量纲参数分析夹带的开始，液膜w e b e r 数， 即w e ，以及相关参数s 。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 1 9 冲击夹带机理示意图 f i 9 2 - 1 9w a v eu n d e r c u t 耽善竺也s 三坐 盯o - ( 2 - 5 ) 他发现，在气速高于2 5 m s 时，夹带开始时的临界韦伯数在s 5 时，与s 无关，而在s 值较低时临界韦伯数取决于s 值。 2 4 本章小结 综上所述，国内外研究者针对直流导叶式旋风管的研究做了长期的工作，但是分离 理论、数学模型仍不完善。许多研究人员只是研究旋风管两相分离性能，而没有同时对 气固、气液分离的性能进行研究与分析，针对直流式旋风管存在排尘( 或排液) 闲难的问 题，研究人员只针对二次流循环结构、分离段长度、导向叶片进行改进，而对排气管结 构进行改进的资料比较少。直流导叶式旋风管的排尘( 或排液) 闲难，是影响分离效率的 主要因素，而排气管附近的偏流以及汇流现象，又增加了气流对颗粒的夹带，进一步降 低分离效率。因此本课题主要研究各结构参数与气固、气液分离性能的对应关系，重点 研究导向叶片的优化以及具有抑制返混功能的排气管结构的设计，在保证直流导叶式旋 风管具有低能耗优势情况下，同时提高其气固、气液分离效率。 第_ 三章实验装置、方法及内容 第三章实验装置、方法及内容 本课题的试验主要有四部分内容组成：第一部分是直流导叶式旋风管阻力特性试 验；第二部分是直流导叶式旋风管气固分离性能试验：第三部分是直流导叶式旋风管气 液分离性能试验；第四部分是直流导叶式旋风管内流场测试试验。本课题主要以试验研 究为基础，数值模拟为指导的技术思路。通过改变直流导叶式旋风管结构，测定不同结 构参数对旋风管阻力特性、气固分离性能、气液分离性能的影响规律。在上述试验的基 础上，综合阻力特性及分离效率、经济性这三个性能指标，得到性能优越的旋风管。通 过流场测试试验及数值模拟的方法，研究不同参数对旋风管流场的影响，分析旋风管内 流动的规律。 3 1 试验装置 实验装置如图3 1 所示，主要包括分离器、动力系统、测量系统、抽气系统、加料 系统以及通风管道系统六部分，整个实验装置处于负压操作。在鼓风机的作用下，含尘 或者含液气流由旋风管入口进入分离器，经导向叶片作用后，进入分离空间，在离心力 的作用下，固体颗粒或者液滴到达边壁处，然后进入灰斗收集下来，净化后的气流由排 气管进入排气室，最后经通风管道系统排入大气。 1 - 力口料系统：2 一前导流锥；3 。导向叶片：4 后导流锥；5 一旋风管；6 灰斗；7 抽气口；8 排气管：9 排气室； 1 0 u 型管腿差计；1 1 毕托管；1 2 一风机；1 3 一变频器。 图3 1 旋风管试验装置图 f i g3 - 1 s k e t c hm a po fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 实验系统简要介绍如下： 分离器：采用直流导叶式旋风管，旋风管内径为1 0 0 m m ，由透明有机玻璃制成。 动力系统：电机功率为7 5 k w 的鼓风机一台，另有一台a b b 型变频器，调节区间 为0 - 5 0 h z ，通过改变电源频率来改变风机的转速。 测量系统：包括毕托管、七通道探针测量系统、温度计以及u 形管压差计。另外还 有分别用来测量固体颗粒粒径以及液滴粒径分布的库尔特粒度测量仪和w i n n e r 粒度仪。 抽气系统：主要包括吸尘器和转子流量计。 加料系统：气固实验主要采用手工加料。气液实验的加料系统主要由压缩机、储气 罐、喷嘴以及计量泵组成。 通风管道系统：由直径为1 6 0 m m 的p v c 管连接而成。 3 2 试验参数的测量与计算 ( 1 ) 旋风管入口流量 旋风管入1 2 流量主要由毕托管测得的出口管道中心的压力换算而成，再根据气体状 态方程换算到标准状态下的流量。 根据毕托管的原理，出口管道中心处的气速大小为： 忙k p 詹 ( 3 - 1 ) 其中， 为测点动压，= 只一只，p a ； e 为测点总压，p a ； 为测点静压，p a ； k p 为毕托管常数，对于标准毕托管，k p 1 ； 岛为空气密度，k g m 3 。 由状态方程p v = ，嘏丁，得尸：, o g r t ，因此 m p ：p m ? ( 3 - 2 ) p 9 2 r t ， 由式3 1 ，得 第三章实验装置、方法及内容 v o = 2 3 9 4 6( 3 - 3 ) 其中： 昂为当地大气压，m m h ：0 ； t 为环境温度，。 因此，出口流量q 0 大小为： q o 娟0 0 三弘；l v o ( 3 - 4 ) 其中：d 为出1 3 管道直径，本实验装置出口管道内径取0 0 4 6 m ； a 为流量系数，本实验取0 8 9 代入上述数据，得 q o = 1 2 7 5 0 1 根据气体状态方程，换算出标准状况下入口流量为： q o = 1 2 7 5 0 1 p + + p o - 入口截面气速v 大小是： ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) y ：冬( 3 - 7 ) 死d i 其中，成为旋风管直径，大小为0 1 m 。 ( 2 ) 旋风管压降p 旋风管压降用测量旋风管入口静压和排气室静压之差表示，旋风管入口与大气相 通，因此旋风管压降p 可以通过u 形管压差计测量排气室静压与大气压的压差得到。 ( 3 ) 旋风管阻力系数善 阻力系数孝是衡量旋风管阻力特性的重要指标，其大小只与旋风管的结构有关。善的 计算公式为： 善：邕( 3 - 8 ) 一= _ b v 1 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 3 3 实验方案及内容 3 3 1 直流导叶式旋风管阻力特性试验 旋风管阻力特性试验主要进行在不同结构参数下旋风管压降的对比实验，其中阻力 系数是衡量旋风分离器阻力特性的一个重要指标。 实验改变的结构参数有：叶片参数( 叶片出口角，叶片宽度，叶片个数) ，分离段 长度，排气管结构( 排气管内径、结构型式、是否开缝) 。下面介绍一下试验中所用结 构的具体参数： ( 1 ) 叶片参数 在实验过程中，设计了多个不同参数的导向叶片，以得出叶片对实验的影响规律。 其中叶片参数主要包括叶片出口角卢，叶片宽度d 以及叶片个数n 。叶片出口角主要为 2 5 0 ，3 0 0 ，3 5 0 三种，如图3 2 所示，叶片宽度为1 2 5 r a m 和2 0 r a m 两种，叶片个数为 6 个和8 个。 图3 2 叶片结构图 f i 9 3 2t h es t r u c t u r eo f t h eg u i d i n gb l a d e si nt h ee x p e r i m e n t ( 2 ) 分离段长度 分离段是指从叶片到排气管之间分离空间的长度，基准结构的分离段长度为2 0 d r a m 。 在实验中，分离段是颗粒与气体分离的主要部分，气流由于之前受导向叶片的作用发生 旋转，在离心力的作用下，颗粒向边壁运动。分离段的长度，直接影响着颗粒是否有充 足的时间到达边壁，试验中采用分离段长度的变化范围为1 0 0 m m - 4 0 0 m m ，每隔5 0 m m 取一个值。 ( 3 ) 排气管结构 由于直流式旋风管的特点，排尘( 或排液) 与排气的方向相同，气流很容易夹带着 第三章实验装置、方法及内容 颗粒从排气管排出，对分离十