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旋风分离器进出口结构改进的研究进展摘要：旋风分离器作为一种重要的气固分离设备，广泛应用于化工、环保等重要领域。由于其结构上的可设计性，世界上越来越多的研究者投入到旋风分离器的结构改进研究开发中。本文综述了国内外近几年对旋风分离器进气口、排气口和排尘口等结构改进的研究进展，为新型旋风分离器的研究提供了有价值的信息。此外，应用计算流体动力学技术优化旋风分离器的结构来降低研究成本是值得重视的。关键词：旋风分离器；结构改进；分离性能中国分类号：TQ051.8 文献标识码：A Research Progress of Inlet and Outlet Sructure Improvement in Cyclone SeparatorAbstract:Cyclone separator, as an important gas-solid separation equipment, is widely used in chemical industry and environmental protection and other important industrial fields. Because of the designable strutures of cyclone, more and more researchers in the world pay their attention to its structure improvement. In the article, the current research status of improving the strcuture of gas-inlet, gas-outlet and dust outlet in cyclone is reviewed. Much valuable information is supplied, which will be helpful for those who are interested in the research of new cyclone. Furhermore, to reduce the cost of the research, optimization of cyclones structure can be performed by computational fluid dynamics technology is worthy of attention.Key words: cyclone separator; structure improvement; separation performance4旋风分离器作为一种重要的气固分离设备，由于其具有结构简单、无运动部件、分离效率高、维修方便以及能在高温高压下工作等优点，广泛地应用于化工、石油、环保、食品等工业领域。自1886年Morse设计的第一台圆锥形旋风分离器问世以来，旋风分离器的发展经历了不同的发展阶段，出现了传统型、螺旋型、旁路型、涡旋型、扩散型等各种样式的旋风分离器1。其中，传统型旋风分离器的研究较成熟，但由于存在分离器顶部因二次流形成的“上灰环”、排气管下口附近的“短路流”及排尘口附近的“粉尘返混”，导致其分离性能降低2。从结构决定性能的角度出发，探索新构型应该是获得性能突破的唯一途径。目前，国内外众多研究者对旋风分离器的进气口、排气口和排尘口等结构进行了大量的改进研究，设计出了许多不同类型的高效低阻的旋风分离器。本文对近年来有关旋风分离器这三方面结构改进的开发与设计做一简要概述。1 传统旋风分离器的分离原理经过长期的实验和计算之后，通过数据整理得出具有标准尺寸的典型旋风器，即Lapple型旋风分离器，其结构如图1所示。图中可看出Lapple型旋风器由筒锥结构、进气口、排气管与排尘口等几部分组成。含尘气体由进气口切向进入分离器，并在分离空间产生旋流运动，先沿分离器器壁由上而下旋转（称为外旋流），到达锥体底部，净化气体由外旋流转变为沿轴心向上旋转（称为内旋流），经排气管排出；气流中的颗粒在离心力作用下被抛向分离器器壁，在重力和气流旋转作用下沿器壁到达排尘口3,4。1-切向进气口、2-排气管、3-顶盖、4-圆筒体、5-圆锥体、6-排尘口图 1 旋风分离器结构示意图Fig.1 Schame of cyclone separator2 结构改进的研究进展2.1 进口结构的改进进气口结构对旋风分离器的分离性能有很大影响，由于传统切向单进口结构的旋风分离器内部流场的轴不对称性，不但阻力损失大，而且增加排气口处短路流的影响。随着人们对传统切向进口的认识，国内研究者5,6设计了蜗壳入口、具有下倾角的螺旋进口和轴向进口等新构型取代传统的切向进口，如图2所示。通过研究表明蜗壳式进口更适宜造旋，而且分离空间切向速度大，但流场不对称；螺旋面入口可改善分离器内外旋流的干扰问题，还可以克服上灰环等现象；轴向进口可最大限度的避免进口气流和旋转气流的干扰。以上三种进口形式都能提高分离器的分离效率。(a)蜗壳入口； (b)螺旋面进口； (c)轴向进口图2不同进口形式Fig.2 Different inlet structure针对单进口结构旋风器内流场的轴不对称性，沈恒根等7从结构上改单进口为双进口，如图3所示。通过对两种进口结构对比研究，结果表明：双进口旋风器流场轴对称性优于单进口结构，切向速度高于单进口约6%，芯管处短路气流量比单进口少30%。因此，双进口结构更有利于提高旋风分离器的分离效率和降低阻力损失。Lim等8通过对双进口结构旋风器的分离性能进行研究表明：双进口旋风器的分离效率比单进口结构高515%。Gautam和Moore等9-11还对多进口旋风器进行了研究，结果表明多进口结构也能起到降阻增效的作用。图3 单、双进口形式Fig.3 Sigle-inlet and double-inlet当气流切向进入旋风分离器内时，受旋转一周的气流的挤压偏向筒壁而产生气流压缩现象，导致阻力损失增加。祝立萍等12,13在气流入口处添加气流导向板，实验研究表明：安装弧形导向板可以有效地抑制上述现象，降低分离器阻力损失。2.2 排气口结构的改进在旋风分离器中，由于内旋气流进入排气管时仍处于高速旋转状态，具有较高的能量；而且在排气管底端存在“短路流”，会使部分细颗粒进入排气管逃逸出去。因此，排气管结构的改进对于旋风分离器消旋减阻和分离效率的提高具有重要的作用。部分研究者在排气管内加装各种挡板、翼片等构件，实验结果往往是压降降低，效率也降低，主要原因是降低了旋涡旋转强度。但在排气管下适当位置增设圆盘和导流翼片等构件，不仅提高分离效率，还有可能降低压降14。通过将分离器的排气管下端封闭，并在边上开槽（或孔），此结构能防止上旋气流携带的细颗粒进入排气管，不仅提高分离效率，还能降低阻力损失15。对于排气管结构的优化，文献中还提到其他各种形式。孔行健等16对PV型旋风器的排气芯管做简单斜切处理，充分考虑芯管切口方向和芯管插入深度对分离效率和压降的影响，如图4所示。实验结果表明半切式芯管既能提高旋风分离器的分离效率又能降低阻力损失。李双权等17研究了排气管与筒体轴线偏心布置对PV型旋风分离器分离性能的影响，实验结果表明在适当的偏心距和偏置方位下，不仅能显著提高分离效率，还可降低压降。张定坤等18研究排气管偏置方向和偏置距离对分离器性能的影响，实验结果显示在排气管相对偏置0.191，偏置角度180时，分离效率增加2.4%，阻力总体下降。高广德等19利用Fluent软件模拟计算排气管的管径、插入深度和出口长度对扩散式旋风分离器性能的影响，结果表明：筒体直径为D，当排气管直径为0.6D时的分离效率最大，压力损失最小，压力损失随着管径的减小而增大；当排气管插入深度为0.9D和出口长度为0.67D时的分离效率最高，插入深度和出口长度对分离器压力损失影响较小。图4半切芯管结构Fig.4 Structure of vortex finder2.3 排尘口结构的改进在传统的旋风分离器内，靠近器壁的下行气流将已浓集在器壁处的颗粒排入灰斗，所以总不可避免地会有一部分气流进入灰斗，而后再返回分离器内，从灰斗返回的这部分气流总会夹带回部分已分离的粉尘，即排尘口处的“返混现象”。这一现象严重影响分离器的分离效率的提高，为了解决这一问题，国内外研究者对排尘口结构进行了大量的优化设计。国内王成等20通过试验研究了灰斗结构对筒体直径为D的PV型旋风分离器性能的影响规律，结果显示灰斗直径为（0.70.75）D，高度为（1.21.5）D时，分离效果最佳，而灰斗结构对分离器压降影响较小。早在1982年Mothes21就发现在排尘口处存在气流的返混，于是他提出在此增设防返混锥的方法，如图5（a）所示，而Kirch22就这一方法进行试验分析，发现防返混锥能够提高分离器分离效率；Yoshida等13和吴小林等23也对排尘口处的防返混锥进行实验研究，结果表明防返混锥能抑制了旋进涡核的作用，有效地防止灰仓内粉尘再次扬起，从而提高分离效率，但旋风分离器压降略有增加。针对旋风分离器排尘口处的返混现象，国外研究者Hoffmann等24和Stefan等25还在排尘口处增设一定长度的直管，并进行实验研究，如图5（b）所示。结果表明适当长度的直管不仅可以减小返混，还可增加旋风分离器有效的分离空间，从而提高粉尘的分离效率；Stefan等26还在排尘口处安装“防返混锥”、“涡核衰减器”和增设直管进行对比分析，结果表明在排尘口处增设直管的旋风分离器流场比较理想，其灰斗中湍流明显减弱，粉尘的分离效率也得到较大的提高。国内钱付平等27也在分离器锥体底部加直管进行模拟，结果表明底部加延长的直管可使灰斗中气流的速度和湍动能得到较大衰减，能有效防止分离颗粒的二次扬起，而且直管内仍具有一定的分离能力。图5 不同的排尘口结构Fig.5 Different structure of dust outlet除了上述排尘口结构的研究外，国内外研究者还通过对灰斗进行抽气处理，也能改善分离器的分离性能。早在1951年Stairmand28就提出灰斗抽气能提高分离器的分离效率，但是当时没受到重视。直到1986年Sage29等通过实验对分离器的抽气位置和抽气量进行分析，结果表明灰斗抽气比排气管抽气更有效，灰斗抽气15%，可以减少排气管出口气体中粉尘浓度的40%以上。Yoshida30，李敏等31通过实验研究了分离器抽气率对分离效率的影响，结果表明分离器的分离效率随着抽气率的提高而明显增大，但抽气率太大，分离效率提高就不明显了。抽气率因设备结构和操作条件而异，一般抽气率最佳在1020%。张建等32利用Fluent软件模拟计算了灰斗抽气对分离器性能的影响，结果表明灰斗抽气可提高锥体内的旋转气流切向速度，轴向速度减少能够降低气流携带颗粒的返混能力，并减小排气管下口短路流，提高分离效率。因此，灰斗抽气对于改善旋风分离器的分离性能具有较好发展前景。3 结语综上所述，国内外对传统旋风分离器进行了各种结构改进，本文主要概述了旋风器的进气口、排气口和排尘口结构的改进，实验和数值模拟结果表明新构型旋风器的性能得到了较大改善。但是，现有的旋风分离器对于1m以下的超细颗粒仍然无法完全分离，因此通过结合以上各钟改进的结构形式，综合利用不同结构的优缺点，开发出高效低阻的新型旋风分离器是有必要的。此外，随着计算机技术的进步，应用计算流体动力学技术优化旋风分离器的结构来降低研究成本是值得重视的。参考文献1 Hoffmann A C, Stein L E. 旋风分离器原理、设计和工程应用M. 北京:化学工业出版社,2004:1-12.2 Wang B, Xu D L, Yu A B, et al. 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