普通旋风除尘器结构尺寸优化设计.pdf

环境科学学报990 32 4 环境科学学报 a ct a sci ent i a e ci rcu m a st a nt i a e 1999年 第19卷 第3期 vo l . 19 no . 3 1999 普通旋风除尘器结构尺寸优化设计 邹声华 刘建仁 摘要 以le i t h 设计法为基础，考虑除尘效率和压降等因素的影响，以除尘效率为理想 目标，以一些流体力学特性和实际限制、经验值为约束，建立数学模型，用数学规划 论的方法进行旋风除尘器结构尺寸的优化，以此设计的旋风除尘器应用到现场既可节 约投资，又可降低能耗，设计方法通用性好. 关键词 旋风除尘器；结构尺寸；优化设计. optimum design of configuration size of common cyclone separator zo u sh e n g h u a d e p t . o f m i n i n g en g . , xi a n g t a n po l y t e c h n i c u n i v e r s i t y , xi a n g t a n 4112 0 1 liu ji a n r e n d e p t . o f en v i r o n m e n t en g . , h u n a n u n i v e r s i t y , ch a n g s h a a b s t r a c t t h e c o n f i g u r a t i o n s i z e o f c o m m o n c y c l o n e s e p a r a t o r w a s m o d e l e d m a t h e m a t i c a l l y b a s e d o n t h e l e i t h m e t h o d , t h e e f f i c i e n c y o f d u s t r e m o v a l a n d p r e s s u r e d r o p . t h e e f f i c i e n c y o f d u s t r e m o v a l w a s t r e a t e d a s i d e a l o b j e c t i v e . k e y w o r d s c y c l o n e s e p a r a t o r , c o n f i g u r a t i o n s i z e , o p t i m u m d e s i g n . 国内外现有旋风除尘器结构尺寸设计方法归纳起来有两种. 一种是经验型设计，它 是研究者在研究了旋风除尘器各部分尺寸变化对其性能的影响后来确定其结构尺寸的. 这种设计法由于没有理论作指导，费时耗材，且无法估算它的性能. 另一种是半经验型 设计法，它以le i t h 设计法为代表，理论性较强，构造的数学模型与实际吻合较好，是 目前较为进步的设计方法，但其数学模型不完善，不能按实际需要设计，通用性较差. 1 旋风除尘器结构尺寸优化设计模型 普通旋风除尘器的结构尺寸如图1. 旋风除尘器优化设 计主要是寻求其性能与几何结构之间的最佳匹配，也就是用一定的几何条件来得到最 优的特性要求. 根据实际需要，也就是要使得旋风除尘器在一定阻力条件下，其效率要 最大. f i l e : / / / e| / q k / h j k x x b / h j k x 99/ h j k x 990 3/ 990 32 4. h t m （第 16 页）2 0 10 -3-2 2 2 2 : 32 : 43 万方数据 环境科学学报990 32 4 图1 普通旋风除尘器结构简图 fi g . 1 s t r u c t u r e o f t h e c o m m o n c y c l o n e s e p a r a t o r a 为入口高度；b 为入口宽度；d c 为筒体直径；d 0为芯管直径；dd 为排尘口直径；l 为芯管 长度；h c 为筒体高度；h z 为锥体高度；h 为总高度. le i t h 和li c h t 通过分析前人的实验结果，基于径向返混假说，按边界层捕集分离理论，导 出了分级除尘器效率i计算公式1. ( 1) 式中，-修正惯性参数；n -旋转指数：c -旋风除尘器形状特性数. 在旋风除尘器的阻力计算公式中2 ，经比较，我们采用sh e p h e r d 和la p p l e 提出的阻力 公式： p( 8 a b . v2 j ) / d 2 0 ( 2 ) 式中，-空气密度，k g / m 3；v j -旋风除尘器入口风速，m / s . f i l e : / / / e| / q k / h j k x x b / h j k x 99/ h j k x 990 3/ 990 32 4. h t m （第 2 6 页）2 0 10 -3-2 2 2 2 : 32 : 43 万方数据 环境科学学报990 32 4 经过推导，要使i最大，必须满足下式： ( 3) 上式中，p( d 4c . p) / 8 q 2. 式( 3) 为目标函数，由于p和q 是给定的，因此，旋风除尘器的设计变量为： x( x 1, x2, x3, , x8 ) t( a , b , dc , d 0, dd , h , h c , l ) t 旋风除尘器的约束函数是由实际约束来制定的，可分为边界约束和性能约束. 性能约束主要 是指p的要求；边界约束是指设计变量的上下限，具体限制如下： ( 1) 为了使进入旋风除尘器的气流在没有形成螺旋气流时不短路流入芯管，且要保证旋 风除尘器形状特性系数c 值计算公式的成立和减少钢耗，改善旋风除尘器的性能，必须保 证： a / d c l / d c 2 a / d c ( 4) ( 2 ) 旋风除尘器中螺旋气流的长度对性能影响较大，为了完全充分利用除尘器的空间， 提高其效率，就需要自然长度h e 即满足下式3： h / d c l / d c h c / d c ( 5) ( 3) 为了保证含尘气流在低阻下进入旋风除尘器并有利于尘粒的分离，必须保证： b 1/ 2 ( d c -d 0) f i l e : / / / e| / q k / h j k x x b / h j k x 99/ h j k x 990 3/ 990 32 4. h t m （第 36 页）2 0 10 -3-2 2 2 2 : 32 : 43 万方数据 环境科学学报990 32 4 ( 6 ) ( 4) 旋风除尘器的高度对其性能影响很大. 一般地，高度越大，除尘效率越高. 然而耗钢量 也同时增加、投资加大，况且有些现场还要受厂房高度的限制. 据实验研究，旋风除尘器的 总高度和筒体高度应满足下式： 2 . 5h / d c 5. 0 ( 或限制值) ( 7 ) 1. 5h c / d c 3. 0 ( 8 ) ( 5) 旋风除尘器的直径与处理风量是有一定关系的. 我们引入一个假想的旋风除尘器筒体 气流上升平均风速vs来确定d c 与q 的关系，关系式为： q d 2 c vs/ 4 ( 9) 调查国内外目前现有各种定型的旋风除尘器所用的筒体直径和处理风量，可知： 1. 3vs5. 2 ( 10 ) ( 6 ) 排尘口对旋风除尘器的性能也有影响，根据经验： 0 . 2 d d / d c 0 . 37 5 ( 11) 式( 1) -式( 11) 就组成旋风除尘器优化设计数学模型，以计算机为工具，用数值分析中的 穷举搜索法4，求解此数学模型就可以得出最优性能的旋风除尘器的几何尺寸. 2 设计算例及实验室试验 f i l e : / / / e| / q k / h j k x x b / h j k x 99/ h j k x 990 3/ 990 32 4. h t m （第 46 页）2 0 10 -3-2 2 2 2 : 32 : 43 万方数据 环境科学学报990 32 4 为了验证上述数学模型的可靠性，我们采用上述模型，用计算机设计了一个旋风除尘 器 5，设计的原始资料为：空气密度为1. 2 k g / m 3，处理风量为0 . 11 m3/ s ，设计阻力为17 50 pa ，并限定h / d c 4. 0 . 通过设计计算，最佳旋风除尘器结构尺寸见表1. 表1 旋风除尘器结构尺寸 t a b l e 1 t h e s t r u c t u r e s i z e o f t h e c y c l o n e s e p a r a t o r 尺寸代码ab d c d 0 d dh h cl 单位，m 0 . 11 0 . 0 5 0 . 3 0 . 11 0 . 0 81. 20 . 7 20 . 2 2 制作这种尺寸的旋风除尘器并用它来处理实验室中的滑石粉尘( 粉尘密度和分散度 见表2 ) ， 其实验结果见表3. 表2 滑石粉密度和分散度测试结果 t a b l e 2 t h e m e a s u r e d d e n s i t y a n d d i s p a r i t y o f p o w d e r 密度，k g / m 3 粉尘分散度，% 0 -10 m10 -2 0 m2 0 -30 m30 -40 m40 -50 m50 m 2 7 3031. 243. 013. 36 . 43. 82 . 3 表3 旋风除尘器冷态试验结果 t a b l e 3 t h e e x p e r i m e n t r e s u l t o f t h e c y c l o n e s e p a r a t o r i n c o o l i n g s t a t e 粉尘浓度， g / m 3 入口风速，m / s 发尘量，g收尘量，g全效率，% 阻力，pa 3. 018 . 0908 5. 294. 612 39 19. 09994. 795. 7142 5 2 1. 010 910 6 . 297 . 41910 3 对优化设计方法的评价 我们引用分割粒径d c 50 来衡量，用文献6 中的d c 50 计算公式计算不同型号、直 径均为30 0 m m 的旋风除尘器在2 0 m / s 风速条件下冷态处理上述滑石粉的分割直径. 由表4 可见，优化设计出来的旋风除尘器效率最高. 理论计算和实测新设计旋风除尘器的性能结果见表5. 表4 各种旋风除尘器分割粒径 t a b l e 4 d c 50 o f t h e c y c l o n e s e p a r a t o r s 旋风除尘 器名称 st a i r m a n dsw i f tl a p p l e井伊谷xztxcx新设计 d c 50 ， m 0 . 7 10 . 7 80 . 7 40 . 7 30 . 7 40 . 7 00 . 6 6 f i l e : / / / e| / q k / h j k x x b / h j k x 99/ h j k x 990 3/ 990 32 4. h t m （第 56 页）2 0 10 -3-2 2 2 2 : 32 : 43 万方数据 环境科学学报990 32 4 由表5可见，优化设计数学模型中阻力模型的标准差为47 . 8 pa ，效率模型的标准差 为0 . 9%. 显然，优化设计数学模型的精确度高. 表5 旋风除尘器性能计算值与实测值比较表 t a b l e 5 t h e c o m p a r i n g l i s t o f t h e c a l c u l a t e d a n d m e a s u r e d v a l u e s i n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c y c l o n e s e p a r a t o r 型 号 直径，m m 入口风速， m / s 理论计算值实测值 全效率，% 阻力，pa全效率，% 阻力，pa 新设计30 0 18 . 095. 512 5794. 612 39 19. 096 . 7148 695. 7142 5 2 1. 098 . 2196 397 . 41910 作者单位：（邹声华） 湘潭工学院资源工程系，湘潭 4112 0 1 （刘建仁） 湖南大学环境工程系，长沙 410 0 8 2 参考文献 1 徐明绍. 除尘技术的基本理论与应用. 北京：中国建筑工业出版社. 198 1 2 马广大. 除尘器性能计算. 北京：中国环境科学出版社. 1990 3 谭天nfd a 4，梁凤珍. 工业通风除尘技术. 北京：中国建筑工业出版社. 198 4 4 祁载康，万耀青，梁嘉玉译. 工程优