（机械设计及理论专业论文）压缩机油气旋风分离器的研究.pdf

知束删i 一大学坝il 仑义卜纯机油7l 旋m 分离褂的圳) i 压缩机油气旋风分离器的研究 摘要 本文以空气压缩机气液旋风分离器为研究对象，采用数值模拟的方法对分离器的 流场进行仿真计算，探讨了旋风分离器在原始结构和改进结构下的流动特性、压力分 布等特性。 介绍了旋风分离器的基础理论，包括数学模型，分离效率、阻力损失和临界粒径 等旋风分离器的主要参数指标，并给出它们的一些研究现状和计算的经验公式。 本文模拟流场的时候，入口处以喷射的方式加入液体颗粒相，以此方式模拟两相 流，并设置粒子分离的边界条件，最后得到了粒子分离效果的一些数据以及结论；利 用旋风分离器的结构特点，改进了旋风分离器的网格划分方案，采用了结构化的网格 划分，并在此基础上模拟了分离器的流场，得出一些结论。 在理论推导的基础上，从结构参数与操作参数方面对旋风分离器的设计进行了探 讨，指出了提高旋风分离器的分离效率、降低压力损失的努力方向，为进一步开发新 型的旋风分离器提供了帮助。 关键词：旋风分离器数值模拟强旋湍流两相流 钉隶理丁人学坝i ：论文 a b s t r a c t t h i st e x tr e g a r dg a s l i q u i dc y c l o n e ( g l c c ) s e p a r a t o ro fa i rc o m p r e s s o ra sr e s e a r c h o b j e c t ，a d o p tc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t os i m u l a t et h ef l o wf i e l d g oo n g l c c t h ep u r p o s ei st op r o b ei n t of o wc h a r a c t e r i s t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fs e p a r a t o r u n d e rp r i m i t i v es t r u c t u r ea n di m p r o v e ds t r u c t u r e t h i st e x th a si n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo ft h eg l c c ，i n c l u d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dm a i np a r a m e t e rs u c h 船s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y & p r e s s u r el o s s & c u ts i z a ，e t c ，p r o v i d i n g s o m ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n sa n de x p e r i e n c ef o r m u l a eo f t h e i r sa tt h es a m e t i m e w h e ns i m u l a t i n gt h et w op h a s ef l o wf i e l d ，l i q u i dp a r t i c l ep h a s eh a sb e e na d db yw a y o fs p r a y i n gi nt h ee n t r a n c e d a t aa n dc o n c l u s i o na b o u ts e p a r a t i o ne f f i c i e n c yh a sb e e ns u m u p f i n a l l ya d a p t i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fs e p a r a t o r , s t r u c t u r i z a t i o nm e s hh a sb e e n a d o p t e dt oi m p r o v e dt h em e s hm e t h o d ，t h e nd r a w s o m ec o n c l u s i o n so ft h ef l o wf i e l do ft h e s e p a r a t o ro nt h i sb a s i s o nt h eb a s i so ft h e o r i t i c a ld e d u c t i o n ，t h i st e x tc a r r yo ns o m ed i s c u s s i o no fo p e r a t i o n p a r a m e t e r & s t r u c t u r ep a r a m e t e rw i t hg l c cd e s i g n ，a sw e l la sp o i n t e do u ts t r i v i n gd i r e c t i o n o f i m p r o v i n gt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h ep r e s s u r el o s s ，w h i c hw i l lo f f e rh e l p i nt h ed e v e l o p m e n to f n e w - t y p es e p a r a t o rf u r t h e c k e yw o r dc y c l o n es e p a r a t o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t r o n g l ys w i r l i n gt u r b u l e n c e ， t w 0 p h a s ef l o w 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论丈 中作了明确的说明。 研究生签名：立，4 _ 二! 鱼z 一多年月2 扩日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：纠t i ：匆弘哆年j 月强日 尚京理i 人学顺l 论文 第一章绪论 1 1 选题背景与研究意义 旋风分离器是工业中应用最广泛的气固，气液分离设各之一，被用于分离、 除尘、净化等过程，与其它各类分离器相比，具有结构简单、维修方便、造价低 廉、占地省等优点。因此它主要应用在化工、冶金、电力、建材与环保等行业。 尤其适用于高温、高压和腐蚀性环境。同时在工业锅炉的烟气除尘、高温高压气 体的能量回收及新一代流态化催化反应技术及水泥预分解技术中更是得到了广 泛应用。 旋风分离器应用广泛，在国民生产的各个部门都有它的现实意义，例如微细 粉尘粒径大约为o 3 a n 一8t o n 的粉尘颗粒能沉积于人体肺部、支气管或血管中， 导致人体病变，有必要提高捕集细微粉尘的能力：洗涤剂制造过程中的颗粒、高 压流态化中煤燃烧时产生的飞灰等目前还难于捕集；日益严重的环境污染和资源 浪费也迫使旋风分离器向高效方向发展。因此，研究开发小切割粒径的高效旋风 分离器的需要更为突出。 旋风分离器在空气压缩机的油气分离过程中起着极为重要的作用。在喷油螺 杆式、滑片回转式等类型的压缩机中，当压缩机工作时，直接向气缸压缩室喷送 润滑油，进行冷却、润滑、密封，以提高机器的容积效率，降低功耗，延长使用 寿命。在喷油过程中，由于润滑油与空气直接混合，污染了空气，增加了油耗， 因此，良好的油气分离系统可保证排气的纯度，使润滑油充分回收利用。油气分 离系统的设计将成为压缩机的关键技术之一。 目前，空气压缩机所使用的油气分离器，由于分离效果不理想，使用一台很 难达到预期效果，多采用两台分离器串联的方法以达到产品气体所要求的指标， 这样既增加了配套成本，使产品的竞争力降低，同时又增加了压缩机的占地面积。 因此，对压缩机的油气分离器的理论研究具有很大的理论意义和实用价值。 同时，由于旋风分离器内流场及粒子运动的复杂性，对旋风分离器的研究尚 未形成成熟的理论。旋风分离器的设计和性能的改进很大程度上依赖试验和经 验，尚没有严格的、完整的数学模型可资依据。因此，深入开展对切割粒径等旋 风分离器技术参数的理论研究，可为旋风分离器的优化与设计及研究开发提供帮 助。 基于此，本论文旨在探讨各种进、出风方式对旋风分离器技术性能参数的影 响，并对分离效率进行理论分析，从而为进一步研究开发新型高散旋风分离器提 供理论依据，更好地为经济建设服务。 h l 机油l 7 l 旋风分离器( i 勺州f 亢 1 2 国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 旋风分离器的总的研究发展现状 旋风分离器已有百多年的工业应用历史。在旋风分离器出现的前半个世纪 里，人们并没有对它的性能、工作机理、设计方法进行过多少研究。上世纪二十 年代以后，锅炉等动力装置的烟气除尘问题推动了旋风分离器研究工作的逐步展 开 0 2 ，国内外众多学者和科研人员对分离器的结构、尺寸、流场特性等进行了 大量的理论分析与试验研究。通过广泛的科学实验与理论概括，人们了解到了旋 风分离器进口风速v 、固气比z 及其结构形式和尺寸等与其性能特性的关系。八 十年代以来，数值模拟成为旋风分离器研究的一个新方向。 旋风分离器的类型多种多样，工业中气体净化的最常用的类型是“逆流”型 简锥式结构。今天所用的旋风分离器的结构与性能与以往的仍很相似。旋风分离 器的性能参数主要是指其处理风量、阻力损失、分离效率和切割粒径，其中阻力 和效率是相互作用、相互制约的。而影响这几个指标的主要因素是旋风分离器的 结构参数与操作参数。其各组成部分尺寸的增加和减少对旋风分离器的技术性能 都有影响，其中入口尺寸和柱体结构是影响旋风分离器效果的主要参数，但这些 尺寸的变大或变小都不是无限的，达到某一程度后，影响便显著降低，甚至有可 能因其它因素的影响而由有利因素转化为不利因素。而且有的因素对效率有利， 但对阻力不利，必须加以兼顾。另外，操作参数如进口风速、固气比、流体温度 和物料组成等方面对旋风分离器的阻力损失、分离效率也有影响。 吴震、吴文杰等人用正交设计法研究旋风分离器的进口面积与柱体截面积之 比、进口高宽比、涡壳偏心距、内简直径、柱体高、锥体高、内筒插入深度这七 个结构参数对阻力和分离效率的影响。结果表明，内筒插入深度是影响分离效率 的最显著因子，而内简直径是影响阻力的最显著因子，一般排气管直径不打于旋 风分离器止境的二分之一。 由于直接测量实际运行的旋风分离器流场存在很大困难，现阶段的实验研究 主要停留在满足个或几个相似定律的小模型实验。测速装置本身的精确程度和 工作条件也存在诸多限制，比如激光测速仅能用于测量稀相的两相流场。这些因 素导致了实验结果和实际流动之间的差异，但总体来说，实验结果还是能较好地 反映实际流动的一些本质的现象。近年来，数值方法不断发展，它不受实际测量 条件和测量水平影响，直接从n - s 方程出发对实际流场进行模拟：将实验同数 值计算结合起来进行的研究工作【0 4 越来越受到重视。 近年来，人们对旋风分离器的研究主要是向着捕集分离超微颗粒、大风量及 高分离效率的方向发展，并因此开发出了各种新型旋风分离器。 2 1 2 2 分离器流场的研究现状 范登指南于1 9 2 9 年至1 9 3 9 年期问对旋风分离器的气流型式进行了广泛研 究。他发现在旋风分离器中存在双涡流。其一围绕排气管，另- n 从排气管底部 直延伸到圆锥下端。其后，西菲尔德和拉普尔于1 9 3 9 年报告了对旋风分离器 中气流型式的研究结果。 1 9 5 1 年，斯太尔曼发现，在分离器内，外围气体切向速度的平方和半径成 反比，这和西菲尔德等发表的数值相同。但斯太尔曼报告，在大约相当于排气管 直径一半的范围内存在着气体以恒定角速度旋转的中央核心。这和西菲尔德等以 排气管直径为内外螺旋流界限是不一致的【1 0 】。 1 9 5 3 年，特林丹在论文中以他测出径向和轴向分速度为依据，画出了旋风 分离器内的流线。弗斯特在他的实验中发现，离开分离器出口至少相当于连接管 道直径2 7 倍的地方还存在着旋流。随后，波格丹诺夫发表了对靠近圆筒壁气流 型式的一些看法，他认为：旋转气流中的分子受到离心力的作用，构成压力梯度， 从轴向壁压力逐渐增加。在壁上的分子处在停滞层中，不在受离心力影响，势必 要对压力梯度起反应。这样，在圆筒形旋风分离器中，边界层的气流就会经过端 头表面向内移动。因此，必然产生某种沿圆筒壁向端头表面的流动。在通常的圆 锥形旋风分离器中，则将有沿着壁向项板和圆锥顶点两方向的流动。这种流动循 着范登指南所指出的方向，但只限于边界层，而不是像他的双涡流型式那样扩展 到气流的主体中。 r e i n h a r d t ，c o r d o n n i e r , f l o r e n t 用等速取样的方法钡4 定了当颗粒浓度大于 2 k g m 3 时，流场的速度分布和颗粒浓度分布，指出分离器流场和几何尺寸之间有 密切的关系。时铭显和吴小林在小型冷模研究的基础上，建立了西1 2 0 0 旋风分离 器大型冷态试验装置，用五孔球探针测定流场的结果证实，旋风分离器内三维速 度分布有很好的相似放大规律性 0 8 1 。所有这些探针和取样实验都是把旋风分离 器内的两相流动看成单相均匀悬浮流，忽略了颗粒和气体之间的速度滑移，认为 二者平均速度相等，其它都只能测得流场的平均速度。在国内清华大学较早使用 l d a 和p d p a 进行这方面的实验研究。周力行 0 9 】等使用p d p a 测量了在不同旋 流数时旋风筒内气粒两相流的流场，结果表明旋流数明显影响轴向速度、r a n k i n e 涡结构以及两相之间的湍流强度和非线形。 二十世纪7 0 年代，中科院力学研究所、上海化工研究院在中4 0 0 及m 8 0 0 旋风分离器模型上，用五孔球形探针及热线风速仪对进行了测试。二十世纪8 0 年代，许宏庆在中2 8 8 模型上，用双色激光多普勒测速仪进行了测试。这些流场 测试图呈现出的规律大致与特林丹所得结果相同，但他们都认为非对称的切向进 口造成了涡流中心与几何中心不一致，径向速度分布呈现非轴对称性等现象，同 肚缩机7 l ”蜒风分高器的研宄 时还证实了上涡流的存在 1 1 】。 = 十世纪9 0 年代末期，上海理工大学动力工程学院也在这方面作了一些研 究，他们认为在分离器中心处存在滞流和回流现象间。 李荣先，李勇，张会强等使用一孔探针，对不同结构的旋风筒内强旋湍流流 动进行了实验研究 0 5 1 ，给出不同入口位置和出口结构对流场中轴向切向速度分 布和回流位置等特性的影响规律。y u n ，j o t a k i ，t o m i t a 等使用五孔探针和热线风 速仪测得旋风分离器内流场，结果表明加入颗粒相的两相轴向、切向速度要比单 相气流时减小，s i l v a 和n e b m 的实验 0 7 1 也证实了这一结论。o g a w a 和f u j i t a 在 有限旋涡室内用热线风速仪测定了涡流运动粘度，结果表明旋风分离器的压降主 要取决于湍流旋转气流的旋度和雷诺应力。姬忠礼和时铭显：使用五孔探针和热 线风速仪测定了蜗壳式旋风分离器内的速度场和压力场，分析了上部入口结构， 芯管插入深度和锥体长度对流场的影响。 2 0 0 0 年至2 0 0 1 年，浙江大学热能工程研究所和华中科技大学煤燃烧国家重 点实验室应用三维颗粒动态分析仪( 3 d p d a ) 对方形下排气分离器内的气固两相 流场进行了测试，得到了几种工况条件下的流场矢量分布。研究发现分离器方腔 内的流场偏离其几何中心，并呈中间为强旋流动和边壁附近为弱旋的准自由涡区 的特点，且在边角处存在局部小旋涡。 旋风分离器的流场研究目前主要集中在全流场的测试和数值模拟上，也有少 数只针对工程实际问题而研究局部流场结构的。具体的研究内容有流场中的切 向、轴向和径向三个速度矢量分布：湍动强度分布：涡流分布：压力分布：结构 条件变化时流场的改变情况；操作条件改变时流场的变化情况等。对具体结构形 式的旋风分离器，通过实验观察和测量，现在人们已对其内部流场有了一个整体 的把握；在数值模拟计算方面，尽管受各种因素的制约，尤其是理论的不完善和 计算能力的限制，有些方面还需进一步完善，但也毕竟取得了很大的进步，在某 些隋况下已可部分代替实验研究了。 1 2 3 压力损失研究发展状况 研究旋风分离器的目标之一是降低旋风分离器的压力损失。一般说来，旋风 分离器压降的大约8 0 起因于旋转流动的湍流损耗，而另外大约2 0 是由于旋 风分离器表面的流体摩擦和旋风分离器内流体的突然膨胀和压缩【0 2 】。最初的压 降公式都是半经验的。压降a p 的经验公式可表示为： 叱= 关p 譬 ( 1 1 ) 其中p 娶是进气管的平均动压，鼻是旋风分离器的阻力系数，它是旋风分 商京理r 人学坝i t 论立 h 埔h 川i 气旋风分离器的 j 宄 离器几何形状的函数，其大小由实验测定。旋风分离器的压降也可以通过对速度 场进行计算得到。 以前的一些研究表明，分离器的压降与进口流速和粉尘浓度有很大关系 f 0 3 。进口流速对分离器的阻力影响很大，而含尘浓度的影响则较小。随着进口 流速的提高，阻力急剧增加；随含尘浓度的增加，阻力稍有降低，这是因为随着 气体进口流速的增加，气体旋转运动所消耗的能量以及进出口局部压降增加，因 此分离器的阻力增加。而含尘浓度对压力损失的影响，主要表现在影响气体的旋 转速度上。当粉尘被分离后沿器壁下降时，无形中增加了器壁的粗糙度，致使气 流的旋转速度变小，随着含尘浓度的增加，这种作用会加强：另外由于含尘浓度 的增加，粉尘颗粒之间的磨擦损失增大，也使气体的旋转速度降低，因此分离器 的阻力下降。 一些实验表明：分离器的结构尺寸对其阻力的影响很大，特别是排气管相对 半径( 排气管半径与简体半径之比) 的影响显著。当流量一定时，随着排气管相 对半径的减小，阻力显著增大。这主要是由于排气管中流速增大而使其局部阻力 增大所致。另外，导流体的相对半径的影响也较大，随导流体的相对半径的增大， 旋转速度增大，使气体旋转运动的损失增大，从而引起分离阻力的增加。 1 2 。4 分离器内颗粒运动的研究状况 旋风分离器内颗粒流体的流动属于稀浓度颗粒流体力学，应该在分析了纯气 体流场并建立起数学模型后的基础上对其展开研究。并且研究颗粒运动和研究气 体流动不一样：因为研究气体流动时可以完全不考虑颗粒的存在，而研究颗粒运 动时却不得不考虑气体流动对它的影响。 旋风分离器是利用含尘气体旋转时产生的离心惯性力将颗粒分离下来。作用 在以速度玑，在半径为r 的圆周上旋转的。直径为z 。的固体颗粒上的离心力为 z 巩警3 2 ( 1 2 ) 而固液颗粒的重力是g = p ，二：g ( 1 3 ) o 二者相比，其离心效应刀g = 3 0 0 2 0 0 0 ：虽然旋风分离器结构简单，但分散相颗 粒有很大的离心效应( z ，g ) 。在离心力场中的细颗粒的质量，由于离心力的作 用而与重的颗粒相当，这使褥细颗粒组分也能比较容易地分离下来。 在气固两相流中，气体总是对固体颗粒施加一作用力，当颗粒速度大于气体 速度时，气体的作用力为阻力；当颗粒速度小于气体速度时，气体的作用力为推 动力，又称为曳力。在旋风分离器内固体颗粒沿径向向器壁沉降，而径向气速的 方向是指向旋风筒的中心，因此，旋风分离器内，固体颗粒在径向上受到气体的 晰京耻1 ：人学顺l 论立=f h 墒机 | j t 旋风分离器的o r i g 作用力是阻力。其阻力的大小与性质取决于下列因素： a 固体颗粒的大小与形状 b 气体的粘度与密度 c 固体颗粒与气体间的相对运动速度 这一段的论证也说明：研究颗粒的运动与研究气象流动紧密相关。 西安交通大学能源动力学院的沈恒根在分析气尘分离模型时，作了如下一些 假设： a 不考虑边界层作用和影响。 b 忽略边壁作用，尘粒到达外边壁就被捕集 c 进入旋风除尘器前，尘粒浓度分布均匀 d 不考虑重力作用 在这些假设的基础上，他提出了平衡尘粒模型的观点：运用涡汇升降流三维 气流场分析尘粒运动，提出平衡尘粒分布；给出了平衡尘粒计算公式，可以定量 反映出分离器空间点的分离能力；旋风分离器中平衡尘粒主要分布在轴向气流分 速度为零的升降流交界面上，随着远离芯管排气口截面，平衡粒径逐渐减小。这 种模型简单有效，包含了主要的运行参数和结构参数。 当前使用较多，比较成熟的模型有两种：一种是颗粒轨道模型在l a g r a n g e 坐标系中建立颗粒的方程，并充分考虑相问的相互作用、大速度滑移和温度滑移。 林玮和王乃宁用这种模型对旋风分离器内三维两相流场的数值模拟结果表明收 缩的锥体段对颗粒捕获也有不利的一面。另一种模型是多流体模型。将颗粒看成 是e u l e r 坐标系中的拟流体，与流体之间存在大滑移和颗粒扩散，且能充分考虑 颗粒质量，动量及能量的湍流扩散。 关于旋风分离器内的灰尘流动型式，范登格南也曾加以研究，提出了分离器 顶板下的灰环问题。特林丹曾经从玻璃模型中观察到，虽然在旋风分离器进气管 横截面上均匀地分布着灰尘，但当进入分离器后灰尘却立即形成比较狭窄的带状 盘旋下降，此外，他还确定了分离器内不同点的分离效率。他还在实验中发现在 分离器的中央仍有高的分离效率。关于粉尘对气体流动的影响和其使含尘气流压 降、粉尘之间的碰撞以及团聚对分离效率的影响等，m o t h e s 和他的同伴做了较 全面的研究。另外，在排气管下口附近，有很大的向心径向速度，这种径向速度 会将大量颗粒带人排气管，这样在排气管下口附近形成了短路流，从而大大影响 分离效率：普通旋风除尘器的下旋气流与净化后的上旋气流容易混合，虽然除尘 器锥体下部直径减小可使离心力增加以强化分离，但另一方面也使混合现象加 剧，使净化后的上旋气流重新被污染，这种现象叫做偏心流现象。 我国研究人员张学旭通过研究认为：旋风筒内颗粒所受的阻力不仅仅有粘性 南泉理r 人学 | ! ：5 i ：论义 h 纯机油t 旋m 分高器的岍究 力的影响，也有粘性力和体形力共同作用的情况。也就是说，并不是所有的旋风 分离器内固体颗粒的运动都处于层流区内，也有处于过渡区的情况；我国张民权 利用d i e t z 提出的模型分别进行了理论计算和实验验证。 1 9 9 2 年，哥罗宁报大学的a c h o f f m a n n 、a v a i ls a n t e n 和r w k a l l e n 等人 对粉尘浓度、压力降与分离效率之间的关系进行了研究，认为：当粉尘浓度增加 时，压力降和分离效率都将增加；压力降、分离效率和粉尘浓度之间的相互影响 变化与s m o l i k 和z e n z 根据他们丰富的工作经验所得出的结论完全一致。西班 牙的m c o m a s 等人通过研究发现：对于较大的颗粒，分离效率不受入口环流影 响其：而对于直径较小的颗粒，入口环流则对其有轻微的负面影响。 针对分离效率和阻力损失，国内外进行了大量的研究。通过冷模试验，时铭 显等人认为：分离器入口截面比k 。( 棚2 4 a b ) 值增大，排气管下口直径比 量。( d ，d ) 值减小，则分离效率可提高，但压降也随之升高。这是两个既影响效 率又影响压降的关键参数d 2 。他们进行的p v 型旋风分离器和国外最新水平的 g e 型旋风分离器的冷态模型对比试验以及薛勇、a c h o f f m a n n 等人的试验结果 表明：其它条件不变时，入口粉尘浓度e 增加，分离效率也有所提高；但效率 越高的分离器，入口粉尘浓度的影响就越小。当然颗粒的性质对旋风分离器的分 离效率也有影响。 1 3 本文所作的工作 本文在旋风分离器实体模型的基础上建立了它的流体计算模型，采用数值模 拟的方法对分离器的流场进行仿真计算，探讨了旋风分离器在原始结构和改进结 构下的流动特性；改进了旋风分离器的网格划分方案，采用了结构化的网格划分， 并在此基础上模拟了分离器的流场；从结构参数与操作参数方面对旋风分离器的 改进设计进行了探讨，指出了提高旋风分离器的分离效率、降低压力损失的努力 方向。 h 缩 慵h 7 l 旋风分离器的 i j _ 究 第二章旋风分离器的基本理论 2 1 多相混合物沉降分离法简介 沉降分离过程是用于非均相混合物分离的主要机械分离技术，例如从气体中 分离油滴、粉尘，从液体中分离固相杂质和液体不溶相等，应用日益广泛，对此 感兴趣的专家、学者、用户渐多。 沉降分离过程按原理来分有重力沉降分离过程和离心沉降分离过程。重力沉 降分离过程是在重力加速度或重力场下的沉降分离过程。典型的重力沉降分离器 有沉降池( 槽) 、隔油池等。重力沉降分离过程的沉降驱动力( 重力加速度) 小，分 离速度慢，因此，在一定的处理量下，重力沉降分离需要较长的时间或较大的设 备体积 1 4 】。 离心沉降分离过程是借助流体在限定空间内的旋转运动产生的离心力场来 强化沉降分离的分离过程。根据流体旋转运动产生方式的不同或用来限定空间的 器壁分离腔体的转动与否，传统上将离心沉降分离过程分为离心分离和旋流 分离。其实，根据工作原理，两者都是旋流分离和离心分离。比较确切地，离心 沉降分离过程可分为动态离心沉降分离过程和静态离心沉降分离过程。两者可分 别简称为“动态离心分离”和“静态离心分离”。当然，还有两者的组合过程。 前者就是传统的离心分离，相应的设备为离心分离机或简称离心机：后者就是传 统的旋流分离，相应的设备为旋流分离器或简称旋流器。两者的组合过程的例子 是动态旋流器。 动态离心沉降分离过程为借助于离心机转鼓( 包括圆柱形转鼓和圆锥形转鼓 或碟片1 的旋转，靠流体摩擦带动流体旋转，产生离心分离的过程。在静态离心 沉降分离过程中，流体以一定压力或速度、以一定的方式注入旋流器产生流体旋 转运动，从而产生离心分离过程。 旋流器主要按应用分类，有液气、固气、气液、液液、固液、固 固等旋流分离器。用于液气、固气的为干式旋流分离设备，常称为旋风分 离器，相应地有去固型( 如旋风除尘器) 和去液型( 如旋风脱胺器) 两类。我们重点 要讨论的就是旋流器( 静态离心分离) 中的旋风分离器。 2 2 旋流器的基本结构、工作原理 n ( 2 1 ) 为旋流器的基本结构图。它由一个短的圆柱简体和一个单锥或双锥筒 体形成一个旋流腔，并有一个或多个切向入口，两个轴向出口。混合物料由泵或 风机通过切向入口送人旋流腔内，从而在腔内高速旋转产生离心力场。在离心力 作用下，混合物内密度大的相或颗粒发生离心沉降、迁移到四周，从而沿着壁面 向下旋动，最后作为底流排出；密度小的相或颗粒则向中间迁移，并沿着轴线向 脏缨机汕7 t 旌风分离器的研究 上旋动，最后作为溢流排出。这样就完成具有密度差的相或颗粒的分离。 不同类型旋风分离器的结构差别主要在于其入口形式和分离腔形状。入口形 式有内切式、外切式、平切式或斜切式、切线式或蜗壳式多种。蜗壳式又可分为 半圆周和全周两种。另外，旋风分离器又可分为右旋和左旋两种。分离腔形状有 倒锥体和正锥体( 扩散式旋风分离器) 两种。倒锥体形旋风分离器为一种常用的 结构形式。 图( 2 1 ) 旋风分离器工作原理 旋流器内的流动是一个三维不对称湍流流动，流动极为复杂。旋流器内任一 点流体的速度都可分解为切向、径向和轴向三个分量：u 、v 、w b 4 】。 切向速度反映了流体立旋流器内旋转的快慢。旋流器内的流动与离心机内流 动的根本区别在于，在旋流器内切向速度随着半径的减小而增加，达到自由涡流 状态，即动量矩守恒： w = c ( 常数)( 2 1 ) 考虑一般的情况，由于流体与器壁及流体内部磨擦损耗，动量矩不能完全守 恒，涡流为准自由涡流： v ，”= c ( n _ 0 5 1 为流型常数，其值决定于流体特性和旋流 器结构，由实验确定) ( 2 2 ) 而在离心机内，流体转动就像一块旋转的固体，每一点流体以同样的角速度 旋转，即强制涡流： w = c 即 v = r ( 2 3 ) ( 2 4 ) 肤缩肌1 山7c 辚j l 分离器的研究 强调的是，在离心机内功是常数，在旋流器内凹不是常数， 轴向速度的分布反映了流体向两个轴向出口的流动情况。沿旋流器轴线附近 的流体向上流动，从溢流口流出，外圈的流体向下运动，从底流口流出。这样就 形成了一个轴向速度面。 径向速度虽然较小，但由于其流向是朝中心的，与重颗粒的沉降方向相反， 这样，径向速度一方面会影响到颗粒的沉降，另方面会引起颗粒反混或夹带。 上世纪8 0 年代，英国l e e d s 大学m i g b l o o r 教授等人从理论上研究了旋流 器内不可压缩牛顿流体的稳定流动，并在其他诸多假设的基础上，得出了普通型 旋论器在柱坐标( l z ，口) 中速度扬的数学描述： “：一下b r 3 j 2( 2 5 ) “2 一丁 ” 叫去喾 ) ， w = 三，2 ( ， r e ：= _ p b r s l 2 一 其中q 为进料流量( 体积) ； ， d 。为溢流管外径： 砭为z = l 。，r = r 处的切向速度 厶为溢流管插入深度； r 为旋流器半径，r = d 2 r 为不完全伽玛函数，r ( n ，x ) = f f 州e 1 破 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 心缩机油t 旋风分高器的埘究 在旋风分离器中，流体的内外旋涡流动 是基本的流型。此外尚有其它若干次要的、 局部的流动形态存在 1 2 1 ，称次级流动，主要 表现为芯管下的短路流、顶板下的纵向旋涡 流及排尘口附近的偏心环流。如图所示。 ( 1 ) 短路流：旋风分离器的顶盖和内筒的 外表面对旋转流动造成的阻力以及从周边到 中心的静压梯度，使壁表面边界层中的流体 夹带着相当数量的粒子短路进入分离器的内 图( 2 2 ) 旋风分离器中基本的流型 筒流出，导致旋风分离器分离效率的降低。短路不可避免，但只要在内筒附近不 造成过大的气流径向速度，就可以减少直接进入排气管的粒子量。 ( 2 ) 纵向旋涡流：如果内筒中的有效流通截面远小于内筒端面以下内层旋涡 的有效流通截面，就会在内筒入口处发生节流效应，使一部分气流在入口附近循 环从而使这里的径向流速大大提高，于是气流对较大粒子的曳力超过了粒子所 受的离心力，使得颗粒难以被捕集分离下来。 ( 3 ) 底部偏心环流：外层旋涡在锥体顶部( 即排尘口附近) 向上反转时，可产生 局部偏心环流，把一部分已经分离下来的粉尘( 特别是较小的粉尘) 重新吹起。如 果旋流中心摇摆不定，当低压核心碰到壁面时，也会卷起粉尘。更有甚者低压核 心可能会一直延伸到灰斗，把其中的粉尘搅起。若是灰斗漏气，这一影响更为严 重。 此外，还有由于壁面的不连续性，如突起、焊缝等造成的局部涡流以及动量 较大的粒子到达壁面时反弹又再次回到气流主体中，这些次流也会影响到旋风分 离器的分离效率，相对来说这种影响程度不大。 这些二次流对细颗粒有不可轻视的夹带返混作用。尤其在高温下，由于气体 粘性的增大，这种不利影响更为严重。为消除这些次流，各国研究者依据自己的 研究成果纷纷开发了各自的新型旋风分离器。 2 3 旋风分离器重要的参数及其理论 旋风分离器的主要设计目标就是提高分离效率、降低压力损失。针对分离效 率和阻力损失，国内外进行了大量的研究。 在对旋风分离器的分离效率、阻力损失和临界粒径进行大量试验研究的同 时，国内外还对此进行了许多理论上的探讨。 2 3 1 旋风分离器压力降理论 柯京删t 大学何! 论史 h 缩材1 e 旋风分离器的研究 旋流器所需的驱动力即压力降，压力降通常用入口和溢流口的静压损失表 示，即：一般，压力降通常以若干速度头川一表示： 廿：掣( 2 1 0 ) 式中& 为气体密度( k g m3 ) ； 。2 为进口风速( m s ) ； ”为无因次参数，仅决定于旋风分离器的尺寸。 s h e p h e r d 和l a p p l e 提出： n h = 1 6 a b 见2( 2 1 1 ) 式中a 为入口高度，m ： b 为入1 ：3 宽度，i n ； 口为排气管直径，r i l ： 周理根据旋风分离器流场测定结果推导出旋风分离器的阻力损失的理论公 式【1 7 】： 廿= 譬2 计“一】+ 耥 亿硒 式中 k 。为内简直径见与简体直径d 之比； 岛为最大切向速度面半径r o 与内筒半径之比： h 为旋风分离器柱体段速度方程中的经验指数； ，为范宁摩擦系数； k 3 为内筒内壁附近的平均速度k 与坼之比： 5 为内简插入深度。 还有很多计算旋风分离器阻力损失的理论或半理论半经验公式，这里不再一 一给出。 2 3 2 旋风分离器分离效率理论 分离效率是我们关心的另一指标，目前从理论上直接计算仍比较困难。但许 多研究报告提出的经验关联式也能较好地计算出总分离效率。s p r o u l l 在1 9 7 0 年 把旋风分离器的分离与在静电除尘器中的分离相比较，提出了计算旋风分离器总 分离效率的公式如下 1 8 】： r = 1 一e x p ( 一w - a ，绒) ( 2 1 3 ) 订康州t 人学坝十论，：( = h 缩机油t 蚝风讣高 的圳究 式中w 为颗粒至旋风分离器器壁的移动速度； a 。为旋风分离器的内分离表面积； o 。为气体流量。 l e i t u h 和利希特l i c h t 在1 9 7 2 年根据理论研究导出预测旋风分离器分离 效率的方程式如下： r = 1 一e x p - 2 ( c 甲) 啡2 1 】 ( 2 1 4 ) 式中c 为旋风分离器尺寸比的函数； 甲为旋风分离器的惯性参数。 关于旋风分离器的分级分离效率，大多数试验研究都给出了如下的表达式： 矾= l e x p ( - a s t k 9 )( 2 1 5 ) 或 r ，= 1 一e x p - 0 6 9 3 ( 6 1 d 。，o ) 】( 2 1 6 ) 式中斯托克斯数s t k = 邝- 占2 u ，i ( 1 8 t o d ) ； ( 2 1 7 ) 经过大量分析计算，人们对上式做了修正，修正后的分级分离效率计算式为： 仉：1 - e 冲f 一2 ( 1 + ) 丸s 北】赤 ( 2 1 8 ) l j 式中 丸为只与分离结构尺寸有关的系数。 在分离效率的表达式中，把效率等于1 0 0 的粒子的直径称为“临界粒径” ( d 。) 。由于不能确切测得d c 值，有人提出了“百分之五十粒径”( d 。) ，就是分 离效率恰为5 0 的粒子的直径，也即旋风分离器的切割粒径如。关于如的计 算，存在着大量经验式或半理论半经验式。其中r o s i n 等人提出了如下公式： d c = 7 9 t b 、彬。1 ng t p 。一 式中为气体粘度： b 为进口宽度； n 。为气体在旋风分离器内旋转的圈数； 所颗粒密度； 周理依据“旋风自然长”的概念等推导出临界粒径的计算公式为： ( 2 1 9 ) j k 缩机汕曲l 风分离器的研究 d ，：恤丝：g 。v 彬( p ，一p ) r 2 2 0 ) 式中g 只由尺寸比和指数n 决定，是个无因次常数，表征旋风分离器的几何特性。 在g = 0 3 o 7 的范围内，g 可简化为： g = 0 0 6 4 1 n “”酽4 f 2 2 1 ) 此外，很多研究者提出了各自的计算模型，但由于研究的出发点、所做的假 设条件不同，所推得的公式适用程度也不同。 胜缩机 e 旋风分，岛器的趣玎宄 第三章旋风分离器数值模型理论 3 1 湍流计算当前几种常用计算模型 旋风分离器的流场是三维复杂的湍流流场，所以在数值模拟中必须考虑湍流 的影响，常见的地模拟旋风分离器气流场的有r s 模型，r n g f s 模型，r s m 模型等。 二十世纪七十年代计算流体力学和计算传热学得到了很大的发展。1 9 8 2 年 b o y s a n ，a y e r s ，s w i t h e n b a n k 首次将c f d 技术用于模拟旋风分离器的气相流场。 他们将茁一g 模型与代数应力模型a s m 结合起来，模拟旋风分离器内各向异性的 湍流流场。随后的湍流模型主要集中在芷一占模型及其各种修正模型上： 盯一g 模型是用途较为广泛的一种模型，然而由于采用了同向性湍流输运的 假设，故它不适应于具有非同向性湍流输运的强旋流分离器流场。1 9 9 0 年周力 行和苏绍礼使用标准r f 模型模拟旋转流动，其结果同实验和后来的模拟结果 相比，抹去了各向异性的特征。d y a k o w s k i 和w i l l i a m s 使用修正的r 一8 模型模 拟了水力旋流器内的流场。针对强旋流动，修正的r 一占模型主要是在s 方程中 加入了一项表征流体旋转效应的源项，称为r i h a r d s o n 修正。r o d i ，m o r s e , s m i t h 等人分别提出了不同的r i c h a r d s o n 数。在分离器流场中，因切向速度分量远大于 径向和轴向速度分量，因而常常采用完全雷诺应力模型限s m ) 或者代数应力模型 ( a s m ) 或r n g 模型来代替盯一占模型。 a s m 模型是假设雷诺应力的传输与湍流应力的传输成正比，把单个独立的 应力方程数减少成各计算单元的代数关系式。在柱坐标系中，由于实施a s m 公 式的假设存在着概念上的困难，因此波夷萨等人从输运方程中求解出2 个雷诺应 力，而从代数关系式中求解出其他应力。当然，这是他们使用该模型较早期的成 果。 r s m 模型：它可计算各独立的雷诺应力分量，因而更加适用于强旋流旋风 分离器流场计算。它对湍流进行较为完整的描述，也考虑了非同向性湍流输运的 特性，效果也比较好。不过它有六个方程要求解，与其它模型相比太复杂。 另一种基于r 一模型的是冗g 一茁一s 模型，和r 一模型一样，也是二方 程湍流模型，它是从原始的基本方程推导而来，r n g 模型使用了k o l m o g o r o v 数 学技巧，是一个更一般、更基本的模型，它对旋流修正更为合理，尤其对强旋流 流场及高曲率流线的旋风分离器有着很好的改进效果。g f i f f i t h 和 b o y s a n ，m a ，l n g h a m ，w e n 使用r n g r g 模拟微型旋风分离器内的流场。 r n g r 一模型不仅六个经验常数不同于标准r s 模型，而且在盯、s 两个方 程里都加入了各向异性的旋流修正。 限缩机汕+ e 旋风分离器的州宄 值得注意的是，大量对旋风分离器内流场数值模拟的文献都是将流场看成二 维的轴对称流场进行处理，就物理模型来讲，这是不适定的。尽管模拟的结果在 一定条件下能对流场的特性有所预测，但它存在很大的偏差和不足。旋风分离器 内的流场是一个三维的各向异性湍流场。在对工程问题的数值模拟中，更精确的 算法往往难以应用到复杂的物理模型上。就旋风分出器的数值模拟而言，r s m 模型比茁一言模型能更好地模拟各向异性的湍流流动。但几乎所有旋风分离器的 数值模拟都采用r f 模型。数值模拟不仅可以检验实验结果，随着c f d 技术的 日益发展，越来越多地应用于工程预测。 关于流场的计算已经出现了些通用软件。其中最为著名的有p h o e n i c s 和 f l u e n t 。p h o e n i c s 是由英国的c o n c e n t r a t i o n ，h e a ta n dm o m e n t u m 有限公司 ( c h a m ) 研制开发的通用计算流体软件。它在欧洲各国得到了广泛的应用，在其 它各地也有应用。其建模过程较为简单，计算精度可以满足实际需要。后期图像 图形处理也可以满足一般要求。但是要想得到更为美观清晰的图形需要借助于专 业的计算数据处理软件。最为常用的是t e c p l o t 。这个软件功能强大，操作快捷 方便。f l u e n t 是由f l u e n t 公司研制开发的计算流体通用软件。与p h o e n i c s 相比其 前期和后期处理功能更为强大。用户可以很方便地在g a m b i t 中绘制常见的二维 和三维图形并且生成各类网格。然后将其导入f l u e n t 中设置模型参数边界条件进 行计算。f l u e n t 计算所需的机时明显要比p h o e n i c s 要少，当然它对内存大小的要 求要更高一些。所以f l u e n t 软件的应用要更广泛一些。这两种软件都具有远程计 算和并行计算的功能。从而提高了运行速度节省了机时。另外，这两种软件都可 以在命令行输入命令，进行参数设置或者生成图形，还可以对它们进行二次开发。 3 2 数学模型及守恒方程 对于所有类型的流动，都需要求解连续方程和动量方程。对于包含热传导的 流动和可压缩流需要附加引入能量方程 0 6 】。对于包含掺混和化学反应的问题则 需要附加引入化学组分守恒方程，而对于没有混合的燃烧模型，则需要求解混合 物质量分数方程。对于湍流问题则需引入输运方程。 3 2 1 基本方程 基本的守恒方程，或者说平衡方程是对基本定律的数学表达式，是进行流场 数值模拟的理论基础和出发点。守恒方程具体有如下几种：质量守恒方程、动量 守恒方程、能量守恒方程和化学组分守恒方程等。其一般格式为： ，、，、 掣+ ip w 一警i - s ， ( 3 1 ) 硎 “l呱 其中因变量，p 一密度，u 速度矢量l 交换系数曲源项。 南京删r 人学坝i 。论义 缔机油