（机械电子工程专业论文）油雾润滑中残雾回收的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 油雾润滑中残雾回收的研究 摘要 油雾润滑技术作为一种先进的润滑方式，有很多优点，其运用的场合越来越多。但 油雾润滑也存在着不足：油雾润滑采用的是喷雾的方法来实现润滑，产生的油雾约有 2 0 3 0 左右扩散到周围的环境中，造成环境污染、设备和工件的污染；而工人在有油 雾的地面上行走时滑倒的可能性增加，既不安全又不卫生；在某些环境中，油雾浓度达 到某种程度会引发火灾，存在安全隐患，更重要的是油粒进入到空气中，对人体健康安全 有威胁。油雾的污染问题，已经引起国内外相关行业的高度重视，因此对于油雾的治理 和回收就显得相当的重要，这无论是对环境的改善还是油雾润滑的发展都有极其重要的 意义，尤其是在石化行业的应用中，这个问题的解决具有更加重要的意义。本课题也是 根据油雾润滑在工业现场实际应用中所引发的问题而提出的。 从目前国内外的研究和应用结果来看，油雾回收设备的制造原理主要有几种方法： 惯性分离法、静电沉积方法、洗涤吸收方法、过滤法、催化剂净化法等。目前，在生产 行业中应用比较广泛的是机械式、静电式和过滤式这三种形式。国外市场上的产品应用 的场合也是有针对性的，但是相对来说技术比较成熟，很多在国内市场上还没有出现， 目前市场上的国外产品主要是英国的f i l t e r o i l m i s t ，其余的国外产品以日本和韩国的居 多，这些产品价格昂贵。因此，开发出我们国家自己的、适合于油雾润滑中残雾回收的 装置具有重要的意义。 本课题在研究、分析、消化现有资料的基础上，提出了几种实验方案，根据相关的 理论，设计出产品结构，进行实验方案设计，并通过实验进行验证。在课题中对各种实 验方案进行了机理分析和实验介绍。 通过实验获得了太量的实验数据后，应用分析软件对数据进行分析，并通过仿真软 件绘制数据关系图形，确定影响设备性能的主要因素：压力、流量、温度、行程等，同 时根据实验数据的分析来确定实验设备的可行性、结构的合理性并确定改进的方向。 关键词：油雾润滑； 残雾回收装置：离心；增压；冷却切向法：真空发生器； 静电法 - i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fc o l l e c t i o no fr e s i d u a lo i lm i s ti nt h e o i lm i s t l u b r i c a t i o n a b s t r a c t o i l - m i s tl u b r i c a t i o ni sa na d v a n c e dm e t h o do fl u b r i c a t i o n a n di to w r l sm a n ya d v a n t a g e s c o m p a r i n g 协o t h e rt r a d i t i o n a ll u b r i c a t i o nm e t h o d s n o wi ti su s e di nm a n ys i t u a t i o n s a tt h e s a m et i m e i ta w n sd i s a d v a n t a g e s ：o i l - m i s tl u b r i c a t i o nw o r k st h r o u g ht h ew a yo fs p r a y , t h e r e i sa b o u t2 0 3 0p e r c e n to ft h eo i l - m i s td i s p e r s e si n t ot h ee n v i r o n m e n t ，w h i c hc o n t a m i n a t e st h e a i r , t h ee q u i p m e n t s ，w o r kp i e c e s ；a n dw o r k e r sm a y b es l i p p e dw h e nw a l k i n go nt h eg r o u n d w h i c hc o v e r e dw i t l lt h eo i l t h i si su n s a f ea n dc l e a n ；h as o m es u r r o u n d i n g st h eo i l m i s tc a n c a u s ef i r ew h e nt h ed e n s i t yg r o w su pt oc e r t a i nl e v e l ，t h em o s ti m p o r t a n ti st h a tt h eo i l m i s t d o e sh a r mt ot h ep e o p l e sh e a l t h ，s ot h ec o r r e l a t e do r g a n i z a t i o nh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n t ot h e s ep r o b l e m s t h ec o l l e c t i o no f r e s i d u a lo fo i l - m i s to w n st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n ti nt h e w o r l de s p e c i a l l yi nt h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e s o u rt o p i ci se n c o u n t e r e dt os o l v et h e p r o b l e m si nt h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t h e r ea r es e v e r a lm a k i n gt h e o r i e sa b o u tt h em a n u f a c t u r e so fc o l l e c t i o no fr e s i d u a l o i l - m i s t ：c e n t r i f u g a lm e t h o d ，e l e c t r o s t a t i cm e t h o d , w a s h i n gm e t h o d ，f i l t r a t i n gm e t h o d ， c a t a l y z i n gm e t h o de t c a tp r e s e n t , t h ec e n t r i f u g a lm e t h o d ，e l e c t r o s t a t i cm e t h o d ，f i l t r a t i n g m e t h o d sa l ew i d e l yu s e di nt h ei n d u s c o m p a r i n gt ot h et e c h n o l o g yo v e r s e a s ，d o m e s t i c p r o d u c t i o n sa r en o tm a t u r i t y b u tt h ep r o d u c t i o n si nt h ew o r l da r eu s u a l l yu s e di ns o m e s p e c i a lf i e l da n dc a nn o tb eu s e di nt h ea n yo c c a s i o n t h e r ea r eo n l ys e v e r a lo v e r s e a s ( o n l y b r i t i s h , j a p a n e s e ，k o r e a ) p r o d u c t si nt h ed o m e s t i cm a r k e t s ，t h e ya r es oe x p e n s i v e ，s o ，t o d e v e l o po u ro w ne q u i p m e n t sh a st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n t t h ed i f f e r e n tb l u ep r i n t sh a v eb e e nd i s c u s s e di nt h eb a s e so f t h er e s e a r c h j n gt h em a t e r i a l p r e s e n t t h e nw ew i l ld e s i g nt h ep r o d u c t sa n dw ew i l ld ot h ee x p e r i e n c e st op r o v et h e p o s s i b i l i t i e s t h er e l a t i v et h e o r i e sa n de x p e r i m e n t sw i l lb ei n t r o d u c e si nt h et h e s i s w ec a l lg e ta l a r g en u m b e ro fd a t at h r o u g ht h ee x p e r i m e n t sa n du s em a t l a bs o f t w a r et od r a w t h eg r a p h s ，t h e nw ec a nu s et h er e l a t i v et h e o r yt oa n a l y z et h ed a t aa n de n s u r et h ep r i m a r y f a c t o r ：p r e s s u r e ，f l u x ，t e m p e r a t u r e ，l e n g t he t c d e p e n d i n go nt h ea n a l y z i n go ft h ed a t a , w ec a ne n s u r et h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e v i c e ，t h e r a t i o n a l i t yo f t h ed e v i c e ss t r u c t u r ea n dt h ed i r e c t i o n so f i m p r o v e m e n t s i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：o i l - m i s tl u b r i c a t i o n ；d e v i c eo ft h ec o l l e c t i o no fo i l - m i s t ；c e n t r i f u g a ld e v i c e ； i n c r e a s i n gp r e s s u r e ；c o o l i n gt a n g e n t i a lm e t h o d ；v a c u u l ng e n e r a t o r ；e l e c t r o s t a t i cm e t h o d i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 最1 静辈 日期：矽彩一0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 查! ! 垄兰堡主兰堡垒查 苎= 主笪堡 第一章绪论 1 1 课题的背景及来源 当今世界上，随着科技的发展和进步，人类对于能源的需求量增加，而对于动力能 源的消费更是不可缺少的，据统计【啦】世界每年消耗的汽油、柴油、天然气、煤炭等为 1 5 亿吨，而大约有5 0 - - 6 0 的能源消耗是用于各种动力机械。而由于技术水平的原因， 动力机械的能源使用率平均也只有3 0 左右。据德国v o g e l p o h l 教授测算u 捌，全世界生 产能源的l 3 到l 2 损失在摩擦磨损上，近年英国h p j o s t 1 , 2 教授指出，世界消费能源 的3 0 - - - 4 0 消耗于摩擦磨损，也就是说全世界每年约有相当于2 0 亿吨石油的能源白白 消费在摩擦磨损中。同时由于机械应用的范围越来越广泛，特别是应用在复杂、恶劣的 环境及要求重载、高速等条件下，这样就给设备润滑的管理和维护带来了一定的困难和 问题，使原有的润滑方式不能满足设备的新的润滑要求，而油雾润滑就是介于稀油润滑 和千油润滑脂之间的一种新型高效的润滑方式，目前已成功应用于冶金、石化等行业中 的滚动轴承、滑动轴承、齿轮、链条等各种摩擦副中，在改善摩擦副的运行条件和摩擦 副性能上以及节约能源和改善环境污染上显示出了很大的优越性。 油雾润滑的原理是：通过管道引来的干燥清洁空气送进油雾发生器中，利用文氏效 应或涡流效应产生的高速气流，将液态润滑油雾化成悬浮在高速喷射流中的粒径为i t m 单位的微细油颗粒，从而形成油雾，然后通过输送管道输送到不同类型的凝缩嘴后，可 以凝缩成颗粒度不同的湿雾，以弥散到不同类型的摩擦副之间，从而能形成油膜，起到 润滑作用。油雾润滑具有很多的优点：如动力消耗少；成本及维护费用低；便于集中管 理；散热性好；易带走摩擦热从而降低摩擦副温度：由于油雾具有一定的压力，可以在 轴承箱内起到一定的密封作用，防止润滑油被污染；降低事故率；减轻工人劳动强度等。 油雾润滑也存在着不足：油雾润滑采用的是喷雾的方法来实现润滑，油雾润滑系统 产生的油雾约有2 0 , - - 3 0 左右扩散到周围的环境中【3 1 ，造成环境污染、设备和工件的污 染；而工人在有油雾的地面上行走时滑倒的可能性增加，既不安全又不卫生；在某些环 境中，油雾浓度达到某种程度会引发火灾，存在安全隐患，更重要的是油粒进入到空气 中，成为健康的无形杀手 3 , 4 1 ，对人体安全有威胁，长期生活在这种环境中容易引发人的 多种疾病。油雾的污染问题，已经引起国内外相关行业的高度重视，因此对于油雾的治 理和回收就显得相当的重要，这无论是对环境的改善还是油雾润滑的发展都有极其重要 的意义。尤其是在石化行业的应用中，这个问题的解决具有更加重要的意义，本课题也 是根据油雾润滑在石化现场实际应用中所引发的问题而提出的。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 残雾回收国内外目前发展现状及应用前景 随着在生产使用中的应用逐步增加，油雾润滑日益显示出它的优点，但是它所引起 的负面效应也是不可忽视的，尤其是对环境的污染和对人体所带来的危害更是不可忽 视，而且油雾污染问题不仅仅存在于使用油雾润滑的工作场合，还有存在于饮食行业中 的油雾问题；在生产中要使用油脂的各个场合和工艺过程中，都会有油雾的产生，因此 目前各个国家的相关行业都对这个问题进行了深入的研究和实验，采用了很多种不同的 方法来解决油雾的回收的问题。 从目前国内外的研究和应用结果来看，油雾回收设备的制造原理主要是有几种方 法：惯性分离法、静电沉积方法、洗涤吸收方法、过滤法、催化剂净化法等。目前，在 生产行业中应用比较广泛的是机械式、静电式和过滤式这三种形式【lo 】。机械式除油雾方 法之一为工业用油烟机，与厨房油烟机的原理相同【l 叭，就是通过排风机将油雾吸入到集 油器，在叶片离心力的作用下将油粒抛向榘油器侧壁形成油液后进行收集，机械式的另 外一种方式就是采用防护罩，但是效率低，安装和维护费用较高，不便于正常操作时的 工作。静电油雾净化器则是利用引风管道将油雾吸入到收集管中，通过静电场的作用使 带电油雾颗粒吸附到极板上形成油滴，流入收集器。在某些环境中可以对回收物进行处 理后循环使用。这种结构的油雾净化装置的净化效率可以达到9 0 以上，排放的废气中 含油量小于2 ，适用于油雾浓度较高、而且周围环境要求位洁净的场合。但由于各种 生产环境的要求不同，对于要求防爆的场合需要有特殊结构。随着对油雾回收和治理的 研究不断深入，现在生产中针对轧机的油雾回收也有采用过滤式的，如纸袋过滤和金属 网过滤的方法州，这种方法的过滤效果比较好，过滤后的排放浓度可达到3 5 m g h n 3 ，低于 欧洲的排放标准5m g m 3 。在油雾回收领域的研究中，对油雾的吸附作用和回收设备的 保养维护周期是衡量油雾回收装置的标准，因此，对于过滤材料的选择是这项技术的关 键。目前，很多产品将过滤和离心、静电等方式相绪合，油雾回收效率也得以提高。 与国内的应用比较来看，国外应用较多的也是采用离心式原理、过滤式原理及静 电式原理生产制造的设备，如日本o g u r a c l u t c h 公司的离心式油雾分离器( 见图1 3 ) ， 其回收效率为9 9 、英国的f i l t e r m l s t ( 费特密斯得) 油雾过滤器、静电过滤器等系列产晶 ( 见图1 4 ) ，回收效率为9 9 8 、美国m o n r o e 环保公司的过滤式油雾回收器 1 1 1 ，效率为 9 9 9 、p l y m o v e n t 公司的静电油雾装置e f o 、美国n e a e r m a n 公司的离心式油雾回收装 置【j 列( 见图1 5 ) ，这些设备装置目前在国外的很多地方使用，除了f i l t e r m i s t 产品和部分 其它日本公司的产品外，国内市场没有查到其它产品的相关的资料。 以下的图片是国外的几种油雾回收装置的产品和金属式过滤装置及静电装置原理 图： 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 金属板式过滤装置 f i 9 1 1 f i l t r a t i o nd e v i c eo f t h ep l a t ef o r m 1 、过滤装置入口2 、直板型过滤网3 、弯曲形过滤网4 、过滤容器 5 、风机6 、排放口 图1 2 静电原理示意图 f i l l 2b l 品赫c 幽搿s k e t c hm a p 1 、电场膊壤敏。j i 辞噼带的湖雾粒睾3 、带负电荷的油雾粒子4 、电场 5 、集聚昀浦雾嶝学6 、电场阳极7 、被阳极吸附嬲浦雾液瀚8 、电源 图1 3 o g u r ac l u t c h 公司产品 f i 9 1 3 t h ep r o d u c to f o g u r ac l u t c hc o m p a n y - 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 4f i l t e r m i s t 产品 f i 9 1 4 t h ep r o d u c to f f i l t e r m i s t 图1 5n e d e r m a n 公司产品 f i 9 1 5 t h ep r o d u c to f n e d e r m a n 图1 , 6p l y m o v e n t 公司的静电油雾装置 f i 9 1 6 e l e c t r o s t a t i cd e v i c eo f p l y m o v o r r tc o m p a n y 在油雾的回收和治理方面，国外的技术比较先进，很多企业在这一行业中有几十 年的历史，如英国的f i l t e r m i s t 公司，已经有3 0 多年的历史，其产品目前行销4 0 多个 国家，广泛应用于机械加工车间、冲压过程、拉伸生产、石化生产、食品生产等多种行 业。 与国外的企业相比，我们目前在这一行业所应用的技术原理与国外是相同。由于在 这方面我国技术起步较晚，与国外同类技术相比还存在一定的差距。目前国内的企业很 多还处于发展和完善阶段，但是由于近年来对环境治理和对劳动者人身健康的逐步重 视，国家及生产公司对油雾回收治理的资金和技术投入也在增加。从现有资料来看，国 内市场上有多种形式的油雾过滤器，但是其使用目的在于实现某种生产要求或者工艺中 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的要求而不是为了回收弥散在空气中的油雾，不能真正实现油雾的回收和治理。而真正 应用于油雾回收的装置，由查找的相关资料可知，主要是对生产实际中某个方面存在的 问题来进行研究和实验的。如饮食业中对油烟机的应用和研究、工业生产中对大型供风 设备油雾的治理【1 3 】、轧钢生产中对油雾的治理【5 ，6 】，对切削工艺过程中产生的油雾治理 等。由于使用条件和技术的不成熟，还未能实现大范围的推广使用。随着油雾润滑技术 的逐步推广使用，以及在生产加工中不可避免的原因，都会产生油雾，因此对于油雾的 治理就更显得紧迫。所以油雾回收装置会有广阔的使用前景。目前，国内外的研究部门 正在不断探索新的研究方向，采用吸附效果较好的材质和降温的方式来实现油雾的回 收和治理。从目前的技术水平和设备的应用来看，还有很大的发展空间。 本课题所研究的油雾回收装置与国外产品相比有以下特点：首先，在产品分销运输、 配送和技术培训等方面兵有很大的优势，因此更具有性能价格比优势；其次，国外产 品的使用范围也有局限性，产品应用主要面向加工生产过程中所产生的油雾问题，因此 在使用过程中受到空间、面积等条件的限制。本课题在研究过程中就要考虑到这方面 的因素，以将油雾回收装置应用于更多的场合；第三本课题的研发主要是针对在石化 行业使用的油雾润滑装置的情况来考虑的，根据现场的实际情况要求满足防爆要求，而 这个功能是很多产品所不具备的因此，本课题所研究的油雾润滑回收装置具有很好的 发展前景。 1 3 课题的目的及意义 随着油雾润滑技术在各行各业的普遍应用，由于其本身的缺点所引发的对环境的污 染问题也日益引起人们的关注，同时在油液的使用过程中所产生的油雾问题也是不可避 免的。因此，开发出一种有效的油雾回收的装置是很必要的。虽然国内现有的油雾回收 装置，无论从结构、使用性能还是使用范围上。都与国外产品存在着很大的差距，但国 外产品的价位较高，如f i l t e r m i s t 在中国市场上的售价为1 4 万元左右，同时其核心技术 也是保密的。我们只能通过其功能和外形结构来判断其内部结构。应用于石化企业的油 雾润滑装置，在生产现场运转的过程中，弥散在空气中的油雾浓度高，给生产和工作造 成了极大的不方便，为解决这个问题，展开了本课题的研究。 1 4 课题研究的方法与途径 本课题的目的是解决油雾润滑装置在使用过程中所产生的油雾对环境的污染问题。 我们的目标就是要研发出适合现场情况的、符合市场要求的油雾回收装置，不但要傲到 理论上可行，还要做到实际中可用，因此，本课题的研究方法就是理论和实践的结合， 依据相关理论，通过实验来进行论证。 课题的具体研究方法是： 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( ”查询相关的理论，为实验方法的确定提供理论依据； ( 2 ) 根据实验方法和实验室的现有装备画出实验装配图和零件加工图； ( 3 ) 根据不同收集方法分别搭建实验台，按照实验装配图来连接实验装置，根据 实验方案步骤进行操作并记取实验数据。 有效途径就是依据现有的油雾润滑装置，使其正常运转，通过搭建相应方案的实验 台，通过测量、检测等手段获得实验数据，使用m a t l a b 等软件对实验数据进行分析 和仿真。通过实验分析锝结果来判定方案的可行性和可靠性，从而虽终来确定油雾回收 装置的结构，研发出适合市场和生产现场的产品。 1 5 本论文的主要工作 沈阳佳益油雾有限公司和东北大学联合研制的油雾润滑装置，目前正应用于几家石 化公司，据厂家反馈信息来看，运转效果很好。但是由于油雾的弥散性，油雾经润滑点 后，部分油雾渗透到空气中，给车间环境和周围的空气造成了污染，同时，对工人的身 体健康也造成了威胁。西此，本论文的目的就是研发出对空气中的油雾进行有效回收的 装置。该装置应具备适应性好、具有防爆功能、效率高、清洗维护方便等特点。需要研 究的内容如下：通过建立实验台用实验的方法来检测不同回收方法的有效程度，并改变 流量、压力、温度、行程等来确定不同的参数对油雾回收效果的影响。本课题的具体工 作如下： ( 1 ) 离心方法的实验分析 根据离心原理进行分析，结合油雾润滑的运行参数和实验室已有的基本装备，进行 电机选型，确定回收装置的基本形式和结构。结构设计完成后，外委3 r i m 零部件，搭建 实验台，将离心装置与油雾润滑输送管线连接，在管线连接中配置有流量计、压力表、 温度计、球阀和集油装置。通过连续的实验，获得了大量的实验数据，并利用m a t l a b 软件进行数据分析处理，确定各参数之闻的关系及对实验效果的影响因素。并通过实验 结果来评价这种回收方法的可行性和有效性。 ( 2 ) 增压方法的实验分析 压力和体积的改变可以引起密度的改变，这样就可以增加油雾粒子的碰撞机会，使 油雾粒子凝聚成液滴进行收集。通过这样的方式来实现油雾的回收和再利用，在理论上 有一定的可行性。于是通过计算选取合适的气缸，通过电磁阀和行程开关来实现气缸的 行程控制；按照实验方案设计图纸，外委加工各零部件，现场组装进行实验。通过实验 设备的连续运转来获得大量的实验数据，进行数据处理后来检验这种方法的回收效果及 其影响因素。 ( 3 ) 切向法实验分析 油雾的切向流向可以增加在收集容器中的停留时间，增加容器中的油雾浓度，进而 - 6 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 可以增加油雾的碰撞几率，同时要考虑流速和流量的影响，收集实验数据后，对实验结 果进行数据分析处理，论证这种方案的可行性。 ( 4 ) 冷却法的实验分析 油雾的形成是需要一定的温度条件，因此，在温度降低到定温度时，油雾可以重 新凝聚为液滴。确定实验方案，设计实验图纸，进行外委加工，现场组装，进行实验。 通过多次测定实验数据，进行整理和数据处理后，确定这种收集方法的有效性和可行性。 ( 5 ) 真空发生器回收方法 弥散在空气中的油雾分布的很广，如果将其集中到一个容器中后在进行处理，那么 其回收效率就会提高很多。因此，利用真空发生器的抽吸作用，来实现这个功能。按照 实验设计方案，设计实验用图，加工组装后实验。在实验中调整油雾压力、油雾管距抽 吸罩的尺寸和角度来观察测量其抽吸效果，经过数据处理后，找出在真空发生器中起主 要作用的因素，确定实际应用时选择真空发生器要考虑的参数和功能。 ( 6 ) 静电法残雾回收实验 将浊雾通过电场，使油雾粒子带电，装置中的极板带电性与油雾粒子相反，于是油 雾粒子被吸附到极板上，凝聚后沿极板流下，进入到集油装置，定期排出油液。设备为 外委设计加工，通过实验来观察使用效果。 7 东北大学硕士学位论文 第二章论文实验方案的提出 第二章论文实验方案的提出 2 1 实验方案确立的指导思想 油雾回收的根本思路就是将雾状的粒子经过回收设备的作用转变成为液滴状，从而 实现回收的目的。油雾回收的机理主要有以下几种：惯性分离法、静电沉积方法、洗 涤吸收方法、过滤法、催化剂净化法等，其中惯性分离法、过滤法、静电沉积法等在生 产实际中应用的比较方便简捷，适用的范围很广；而洗涤法、催化剂法等方法相关资料 较少，使用也有很大的局限性。由于本课题的目的是耍找出一种可行、可靠、高效的方 法来进行油雾的回收，以解决在油雾润滑装置使用过程中油雾弥散所引发的污染问题。 因此，确定这几种方法的有效性和可行性都是本次课题实验的内容。 2 2 惯性分离法 2 2 1 原理 叶轮式离心的原理就是通过以叶轮转子为动力，动流体高速旋转，从而使油雾粒子 与叶轮不断地发生碰撞，增加油雾的凝结，并在叶片的离心力作用下，将油粒子抛向容 器的侧壁，积聚成油液流入到容器底部，通过排放口排出。 2 2 2 离心回收装置设计 ( 1 ) 叶轮及叶片的选择 为增加油雾粒子与叶片的撞击几率，离心装置的叶轮要采用多叶片式；其次叶轮叶 片的形状不同，性能也不同。通常按照风机叶片出口安装角度大小来区分，分为： 1 ) 前向叶片 叶片出口安装角p 2 a 9 0 0 ，分为一般前向叶片和多翼式前向叶片，如图2 1 ，a ) 。 2 ) 后向叶片 叶片出口安装角b 2 a u 2 ；后向叶片的绝对速度小于圆周速度，即c 2 u u 2 径向叶片的绝对速度等于圆周速 度，即c 2 。= u 2 。借鉴通风机的能量方程式，也称为欧拉方程式f 1 5 】： 弓。= p ( u 2 c 抽一u i c l 。) ，n m 2 ( 2 1 ) 当入风口无导流器时，一般气体以q 9 0 。进入叶片，于是有气= 0 ，因此式( 2 1 ) 可以简化为： b 。= 2 c 2 。，n m 。( 2 2 ) 显然，在其它条件都相同的条件下，前向叶片叶轮给出的能量最高。将几种叶片进 行比较后得出结论：前向叶片获得的气体压力最大；前项叶片结构比较简单，清洗方便 且可以获得最小的叶轮直径；但前向叶片的工作效率是最低的。由于前项叶片结构的尺 寸小，比较符合当前的实验条件，因此，本实验研究选用的为前向、多翼式直叶片。 9 东北大学硕士学位论文 第二章论文实验方案的提出 叶片数的选择也有一定的原则，如果叶片数少，使叶道扩张角过大，容易引起气流 边界层分离，效率降低；叶片数多，能减小叶轮出口气流的偏斜程度，提高压力。但是 过多的叶片数会增加沿程摩擦损失和流道进口的阻塞，也会使效率降低。叶片的选择根 据经验，爱克口习推荐：流道长度1 为流道出口宽度a 的2 倍，且流道长度l 为叶轮内、 外两半径之差( r 2 - r 1 ) 的1 5 倍。 叶片数的计算公式如下【1 5 】： 口；f 2s i n 卢2 。万 d 2s i n 2 ( 2 3 ) 丽推荐数，= 1 5 ( 月2 一置) 二= 2 因此经整理后得出叶片数的计算公式( 2 “1 5 】： 扣羔。毒趣5 巷 叫) z = 一x = = 一6 3 ：5 一 i z 讳j 1 5 f 1 一生)( 卜里) 、7 本课题的研究目的首先是证明这种方法的可行性，因此，叶轮和叶片的结构采用的 是比较简单的形式，前向叶轮采用平直前盘，叶片进出口宽度相同。实验室中有符合设 计要求的油烟机用叶轮，因此，未进行时轮的进一步设计，而直接采用油烟机叶轮来进 行实验。 ( 2 ) 电机的选择 1 ) 本实验所研究的回收装置首先是应用于石化行业，由于工作环境的特殊性，要 求油雾润滑装置有防爆功能；其次要考虑企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确 定电机的电压等级和类型。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章论文实验方案的提出 2 ) 电机功率的选择： 本课题所选用的实验参数为：流量2 4 m 3 h 、密度l o g m 3 、余量系数k = - i 1 5 ，最高空 气温度为3 8 ，有效全压为5 0 0 0 e & 当地大气压取为标准大气压t 装置的效率为o 6 5 ， 电机采用直接连接式。 依据以上的条件，将流量折算为标准大气压和绝对温度下的计算流量1 5 1 ； q ：q l 旦笔箬 ( 2 5 ) p l ， 将数据代入：q = 罴糕鬻- 0 0 0 7 6 m 则电机采用直接连接式时的电动机所需要的功率为【3 1 】： p ：晕生( 2 6 ) 1 0 3 叩仉 将己知数据代入：尸= l a l 5x 矿0 面0 0 面7 6 i x 5 广0 0 0 = 0 0 6 7 k w 3 ) 电机转速越高，油雾粒子与叶片的碰撞几率越高，因此要选用高转速电机，查 找手册符合要求的电机其最高转速为3 0 0 0 r r a i n 。 依据以上条件和计算电动机选型为：y b 系列隔爆型三相异步电动机，电机型号 为：y b 8 0 1 2 ，功率o 7 5 k w ；技术数据：3 8 0 v ，5 0 h z ，防爆标志：d i i b t 4 ( 3 ) 箱体及连接件的设计 根据选定的电机连接轴的尺寸和叶轮套尺寸来确定电机和叶轮连接套的尺寸及结 构，采用过盈配合；根据电机的外形连接尺寸及箱体内部需要的涡壳来确定油雾回收装 置的外形尺寸。 在箱体上设置有油雾进口，进气口的作用是保证气流能均匀地充满叶轮进口截面， 降低流量损失。进气口的好坏主要是看它使叶轮进口截面上气流充满的程度，其形状设 计应尽可能符合叶轮进口附近气流的流动情况，避免涡流引起的损失。从流动方面比较： 锥形比筒形好，弧形比锥形好，组合型比非组合型好，其中锥弧形进气口的涡流最小。 在工艺上。圆筒形的最简单，因此，本实验用装置采用圆筒形。 箱体内有涡壳装置，涡壳的设计在于确定其宽度和内壁型线。根据通风机理论，对 涡壳内部的气流流动状况做出以下假设后进行推论。 1 ) 涡壳各不同的截面上所流过的流量q 。与该截面涡壳起始截面之间所形成的夹角 驴成正比，即【1 5 】 绯= 卺9 ( 2 7 ) 2 ) 已知气流进入涡壳后不再获得能量，当不计及壁面摩擦对气流的作用时，则气 东北大学硕士学位论文 第二章论文实验方棠的提出 流的动量矩保持不变。也就是说，涡壳任一截面上的气流圆周速度c 。与其所在半径r 的乘积保持不变u 5 】，即： c 。r = 常数 ( 2 8 ) 如果涡壳为矩形截面，即其宽度不变，且其间均为气体充满，则涡壳在角度矿截面 上的流量等于该截面积乘其速度 15 1 ，即； q ，= 安b d r c i ( 2 9 ) 将式( 2 8 ) 代入式( 2 9 ) 推导后得出： 吃：恐e 志矿( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 表明，涡壳内壁型线为一条对数螺旋线。实际中采用近似作图法来确定涡 壳的形状。实际上，涡壳尺寸与涡壳的张开度a 的大小有关，经验表明【m 】： r 。= r 2 【l + m 妒o 】 ( 2 1 1 ) 其中州；。o 。 3 6 0 。b c 2 。r 2 式( 2 11 ) 为阿基米德螺旋线方程。 涡壳出口张开度a 为【l s 】： 爿咄丽老瓦3 6 0 0 = 去 ( 2 1 2 ) 其中c 。2 - ；( o 6 5 - 4 ) 7 5 ) e 2 。 涡壳的宽度b 可根据经验公式来取得： 一般取【1 5 j ： b = ( 1 3 2 2 ) b 1( 2 13 ) b i 一叶轮叶片进口宽度。 涡壳的出口长度c 【1 5 】： c = ( 1 3 i 4 ) a ( 2 1 4 ) 部件设计完成后进行组装，连接部位要求加设密封装置，以防止设备在运行期间出 现泄漏现象。 2 2 3 实验步骤设计 ( 1 ) 实验中主要测量压力、流量、油雾进入装置之前和之后的油雾收集量： ( 2 ) 在实验中改变油雾的流量来改变装置全压，以此来看对收集效果的影响 ( 3 ) 在装置前加过滤装置和不加过滤装置时对收集效果的比较； ( 4 ) 实验中采用称重和使用激光粒度仪测量油雾粒径及浓度的方法来检测。 1 2 查苎查兰翌主兰竺笙查 苎三兰堕查壅竺查墨塑壅生 图2 3 油雾回收装置实验示意图 f 1 9 2 3 s k e t c hm a po f t h eo i l - m i s tc o l l e c t i o nd e v i c e 2 3 增压凝聚法 2 3 1 原理 采用降低系统温度或提高系统的压力，使蒸汽状态的污染物凝聚为液态而从废气中 分离出来的方法在净化有机废气时特别实用【1 6 1 。油雾润滑设备所产生的油雾颗粒极小， 根据布朗运动的理论，油雾颗粒的运动是无规则的，气流的紊流脉动与液滴簇有相互作 用，3 0 - - 4 0 9 m 以上的液滴不受到紊流脉动的影响。尺寸非常小的液滴可以完全跟随气流 紊流脉动而脉动，而尺寸不同的液滴可以不同程度地受到紊流脉动影响。这就意味着在 强紊流脉动与液滴簇的相互作用，不同尺寸的液滴可以碰撞，出现凝聚现象。碰撞后出现 凝聚因而液滴变大的机率，都与压力有关( 亦与紊流脉动强度，液滴簇液滴颗粒密度及 其尺寸分布有关) 。 2 3 2 方案设计 实验需要一个可以改变容积大小的密闭容器来加压。本课题的方案是：设计一个加 压缸，加压缸内通入油雾。加压缸开有迸雾口，油雾进入到缸体中由一个常闭式两位五 通电磁换向阀进行控制，并有压力表测出油雾进口的压力。缸体上开有排雾口和摊油口， 一个行程后，需要将加压缸内的剩余气体通过排雾口排出。缸体中的集油通过排油口排 出，并测量积油重量。实验中用激光粒度仪来测量排除油雾的粒子粒径和排出气体的浓 度和油雾进入缸体时的浓度和粒径，以此来检测增压凝聚法的实验效果。 加压气缸活塞前进和缩回所需的驱动力，由另外一个气缸提供。该气缸简称为驱动 一1 3 东北大学硕士学位论文 第二章论文实验方案的提出 缸。驱动缸的活塞杆与加压缸的活塞杆连接，驱动缸和加压缸连入一自动往复的气动回 路中。回路推动驱动缸活塞杆前进和缩回，驱动缸带动加压缸活塞前进和后退，完成增 压压缩过程。 缸体动作由气动回路和电控回路控制。 2 3 3 加压气缸设计介绍 加压气缸属于特制气缸，根据实验要求，加压气缸需满足以下功能： ( 1 ) 加压气缸通油雾，为使压力达到最高值，加压结束后的容积应尽可能小； ( 2 ) 加压气缸耐压值尽可能大； ( 3 ) 实验压缩比要尽量大，则加压行程尽可能长； ( 4 ) 加压过程开始前通入油雾，油雾的沿程损失尽可能小； ( 5 ) 加压过程结束后，剩余气体要排出缸外，凝聚的油滴应全部排出。 为便于实验数据的处理。选择加压气缸的缸径为1 0 0 m m ，设计实验的最大压缩比 为1 0 ：l ，最小容积长度为1 0 m m ，根据气缸的结构标准，气缸的最大行程选择2 0 0 r a m 。 气缸缸筒长为2 6 0 r a m ，油雾出口和积油出口开在气缸的缸筒上。由于油滴在重力 作用下会沉降，积油口开在缸筒的底部，且在最小容积处。油雾出口在缸简的顶部，为 了使实验后剩余油雾能全部排出，加压活塞收缩要超过加压缸排油口。 2 3 4 活塞杆校核 实验设备中，加压气缸中的活塞杆在气压和驱动气缸的作用下受压，需要进行强度 校核。 活塞杆左端承受活塞上的气体压力，右端承受驱动气缸的驱动力，故为轴向压缩。- 当体积压缩到最后，所受的力最大，此时，活塞杆两端的力平衡。 p = p 竺d 2 4 = 1 0x l o 6 半6 3 2 1 0 一 ( 2 1 5 ) 3 1 1 5 6 ( 2 v 、 = 3 1 1 5 6 比 活塞杆的轴力为 n = p = 3 1 1 5 6 k n r 2 1 6 ) 其工作应力 1 4 - 东北大学硕士学位论文 第二章论文实验方案的提出 。2 i 2 万2 矛 4 ：! ! 型誓。1 0 ， 万0 0 1 6 。1 5 5 m p a 盯】 1 7 】 故设计的活塞杆满足强度要求。 p p 2 3 5 驱动气缸设计介绍 图2 4 活塞杆受力图 f i 醇4 f o r c ed i a g r a mo f r o d ( 2 1 7 ) ( 1 ) 工作压力计算 驱动气缸是标准气缸，它的选择如下： 油雾排气压力约为l a t m 。设计最大容积比是1 0 ：1 。选择加压缸的缸径大小为 l o o m m 。当活塞走到行程末端时受力最大，则加压后活塞所受的力为： f = p a = l o x l 0 1 3 3 0 手x ( 1 0 0 x 1 0 。3 ) 2 ( 2 1 8 ) = 7 9 5 4 4 1 ( n ) ( 2 ) 驱动缸选择 气源压力选择0 8 m p a ，驱动缸选择单出杆双作用气缸。 根据力的平衡，驱动缸的推力等于总阻力，即7 9 5 4 4 1 n 。 计算驱动缸直径1 ，气缸效率卵取o 8 ： 肚v 4 舻f 推1 7x l o _ 6 = v 3 4 1 4 x 7 9 5 4 4 。1 i “1 。6 “。1 2 如) ( 2 1 9 ) 根据标准，驱动缸直径选1 6 0 m m 。 根据加压气缸的行程，驱动缸的行程选择2 0 0 m m 。 1 5 - 东北失学硕士学位论文 第二章论文实验方案的提出 2 3 6 实验气动回路设计介绍 l i l 一一 图2 5 实验连接系统图 f i 9 2 5c o r d i n gd i a g r a mo f t h es y s t e m 1 气源2 气动三连件3 三位五通电磁换向阀4 驱动气缸5 行程开关 6 活塞杆连接件7 加压缸8 压力表9 两位五通电磁换向阀 从气源出来的气体经过三联件，通过一个三位五通电磁换向阀，通入驱动气缸；油 雾经过两位五通电磁换向阀通入加压气缸。 实验开始，驱动气缸活塞杆伸出，推动加压气缸的活塞开始加压。活塞杆连接件碰 上端部的行程开关后，电磁阀换向，驱动气缸活塞秆缩回，加压过程结束，加压容腔体 积变大。活塞杆连接件碰上另一端的行程开关后，电磁阀换向，驱动气缸活塞杆伸出， 开始又一个加压过程。 2 3 7 实验控制电路设计 实验控制电路所要求的功能是： ( 1 ) 控制迸油雾电磁阀的开、闭； ( 2 ) 控制驱动气缸做往复运动； ( 3 ) 控制气缸的行程，改变压缩比。 1 6 东北大学硕士学住论文 第二章论文实验方案的提出 卜 ，3 w 2 i l 右行继电器电磁阁继电嚣左行缝电器 石仃电氆躅左仃电磴罔 图2 6 实验电路图 f i 9 2 6 c i r c u i td i a g r a mo f e x p e r i m e n t 根据实验电路圈： ( 1 ) 开始实验时，按下总开关s a l ，实验电路接通； ( 2 ) 中间继电器k a l 的线