便携式车用旋风吸尘器设计设计.doc

安徽理工大学毕业设计本科毕业设计说明书便携式车用旋风吸尘器设计Portable vehicle cyclone vacuum cleaner design学院（部）： 机械工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 2012年 06 月 05 日便携式车用旋风吸尘器设计 摘要现代生活吸尘器已经的使用十分广泛无论在家庭生活中还是工业生产，而且吸尘器种类繁多每种都有各自的优缺点。现阶段旋风吸尘器运用比较广泛，它的性能的好坏主要决定于旋风分离器性能的强弱。这篇文章主要是讨论旋风分离器工艺计算和结构分析与计算。旋风分离器是利用离心力作用净制气体,主要功能是尽可能除去输送介质气体中携带的固体颗粒杂质和液滴，达到气固液分离，以保证管道及设备的正常运行。在本篇文章中，先是对旋风分离器进行工艺计算来确定主要工艺尺寸，然后对旋风分离器的结构分析和计算，最后画出旋风吸尘器的装配图。关键字：吸尘器、旋风分离器、工艺计算 Portable vehicle cyclone vacuum cleaner designAbstract Modern life cleaner has been widely used both in the family life or industrial production, and the vacuum cleaner variety each have their own advantages and disadvantages. At this stage cyclone vacuum cleaners are widely used, its performance quality mainly depends on the strength of the performance of cyclone separator. This article is mainly to discuss the cyclone process calculation and structure analysis and calculation. Cyclone separator is the use of centrifugal force net gas, the main function is as close as possible to remove the transmission medium gas impurities and solid particles carried by droplet, reach a gas liquid separation, in order to ensure the normal operation of pipeline and equipment. In this article, first of the cyclone separator for process calculation to determine the main process dimension, and then on the cyclone structure analysis and calculation, the final draw the cyclone vacuum cleaner assembly drawing.Keywords: dust collector, cyclone separator, process calculation引言传统吸尘器 传统吸尘器工作方式比较简单，就是通过负压将气流先导入一个纸质或者无纺布质地的灰尘袋，通过这些材质自身的过滤能力，让灰尘沉淀在其中。这种吸尘器结构简单，售价也比较低。 这类吸尘器虽然价格低，但却存在一个问题，就是尘袋过滤能过滤掉99.99%尺寸低达0.3微米的粒子，但是使用集尘袋的吸尘器随着使用时间的推移，真空度会下降，导致吸力变小，而且作为使用者来说不可能每次使用完就去更换尘袋，所以螨虫之类的微生物会在尘袋中继续滋生，在清理尘袋时这些螨虫就会对周围的环境产生二次的污染。 利用尘袋为过滤器特点，清洁方便，不需要每天清理，适合于工厂 酒店 汽车美容 清洁行业等。缺点是时间长了，尘袋的过滤能力有所下降，布料的毛孔会张开，过滤能力严重下降，需要更换。就是随着尘袋内灰尘数量的增加，整机的吸力会大幅度下降，因此需要频繁的清洗或者更换新的尘袋，不仅麻烦而且花销也不少。此外这类机器还不容易滤除直径比较小的灰尘，普遍存在着对空气二次污染的问题。只有少部分的机器才会配备滤网，在一定程度上缓解这个问题。 无尘袋吸尘器 鉴于传统尘袋式吸尘器的缺点，现在市面上还有一种较为新颖的吸尘器。这种吸尘器的用可反复重复使用的集尘盒取代了传统的纸质或者布质尘袋，更便于清理。尘盒式吸尘器按照内部风路也可以分为好几种，包括仅仅是将尘袋改为尘盒的普通品种，以及较新的旋风式品种。和传统吸尘器相比，旋风式吸尘器内部的风道系统进行了较大改变，主要是通过旋转气流的离心力将灰尘和空气进行分离，再通过多重过滤系统排出洁净的空气。 不过旋风式吸尘器和尘袋式吸尘器比，吸力普遍要弱一些。但是对于普通家庭来说并不太容易感受到这个问题。而旋风式吸尘器大都拥有耐用的集尘盒，以及可以水洗的滤网，吸力也会保持的比较持久，整体性能和使用体验要明显优于传统的尘袋式吸尘器，因此如果有条件，现在买吸尘器的话购买旋风式吸尘器还是最佳的选择。 目前比较常见的吸尘器新技术有：蒸汽刷头、旋风集尘、震动刷头、宠物刷这几种。下面我逐一为大家介绍一下。1.蒸汽刷头把少量的水加到吸尘器的刷头中，通过刷头内的加热器将其加热产生蒸汽，利用蒸汽的高温来进行除菌，可以更容易清除油渍咖啡渍等顽固的污渍，而且刷头附一块抹布，可以边吸边擦，一次完成清洁过程。此项技术最早发明于韩国，目前，在中国市场，LG和美的都推出了蒸汽吸尘器。2.旋风集尘改进集尘盒的结构，使空气在吸尘器内部形成旋风，更好地分离灰尘和空气，以保证吸尘器的吸力更加持久。此项技术的领先者为英国的品牌戴森，目前国内以此为卖点的有吸尘有科沃斯等3.震动刷头为了满足吸尘器对于沙发，被褥，窗帘等的清洁需求，开发人员设计开发出震动刷头，利用刷头内部的塑料板每分钟高达3600次的高频震动，对被褥沙发等进行拍打，以吸出其深层的灰尘，清除细菌和螨虫等。4.宠物刷可以清楚宠物毛 这篇文章主要讨论的是旋风吸尘器，对于旋风吸尘器性能的好坏决定于其中旋风分离器性能的强弱。因此旋风吸尘器设计的好坏主要取决于旋风分离器设计的。所以这篇文章简单的介绍旋风分离器，并对旋风分离器的工艺计算、工艺尺寸的确定、结构分析与计算。 旋风分离器 旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备，其结构简单，制造方便，分离效率高，并可用于高温含尘气体的分离，而得到广泛运用。 旋风分离器被广泛的使用已经有一百多年的历史。它是利用旋转气流产生的离心力将尘粒从气流中分离出来。旋风分离器结构简单，没有转动部分。但人们还是对旋风分离器有一些误解。主要是认为它效率不高。 还有一个误解就是认为所有的旋风分离器造出来都是一样的， 那就是把一个直筒和一个锥筒组合起来，它就可以工作。旋风分离器经常被当作粗分离器使用，比如被当做造价更高的布袋除尘器和湿式除尘器之前的预分离器。 事实上，需要对旋风分离器进行详细的计算和科学的设计， 让它符合各种工艺条件的要求， 从而获得最优的分离效率。 例如， 当在设定的使用范围内，一个精心设计的旋风分离器可以达到超过99.9%的分离效率。和布袋除尘器和湿式除尘器相比，旋风分离器有明显的优点。 比如， 爆炸和着火始终威胁着布袋除尘器的使用，但旋风分离器要安全的多。旋风分离器可以在1093 摄氏度和500 ATM的工艺条件下使用。 另外旋风分离器的维护费用很低，它没有布袋需要更换，也不会因为喷水而造成被收集粉尘的二次处理。 在实践中，旋风分离器可以在产品回收和污染控制上被高效地使用，甚至做为污染控制的终端除尘器。 在对旋风分离器进行计算和设计时，必须考虑到尘粒受到的各种力的相互作用。 基于这些作用， 人们归纳总结出了很多公式指导旋风分离器的设计。 通常，这些公式对具有一致的空气动力学形状的大粒径尘粒应用的很好。 在最近的二十年中， 高效的旋风分离器技术有了很大的发展。这种技术可以对粒径小到5微米粒子达到超过99%的分离效率。这种高效旋风分离器的设计和使用很大程度上是由被处理气体和尘粒的特性以及旋风分离器的形状决定的。 同时，对进入和离开旋风分离器的管道和粉尘排放系统都必须进行正确的设计。 工艺过程中气体和尘粒的特性的变化也必须在收集过程中被考虑。 当然，使用过程中的维护也是不能忽略的。气流在旋风分离器内的流动情况和分离机理均非常复杂，因此影响旋风分离器性能的因素较多，其中最重要的是物系性质及操作条件。一般说来，颗粒密度大、粒径大、进口气速度高及粉尘浓度高等情况均有利于分离。如含尘浓度高则有利于颗粒的聚结，可以提高效率，而且可以抑制气体涡流，从而使阻力下降，所以较高的含尘浓度对压力降与效率两个方面都是有利的。但有些因素对这两方面的影响是相互矛盾的，如进口气速稍高有利于分离，但过高则导致涡流加剧，增大压力降也不利于分离。因此，旋风分离器的进口气速在1025m/s范围内为宜。气量波动对除尘效果及压力降影响明显。 1、进入旋风分离器的气体必须确保用于计算和设计的气体特性是从进入旋风分离器的气体中测量得到的， 这包括它的密度，粘度，温度，压力，腐蚀性，和实际的气体流量。我们知道气体的这些特性会随着工艺压力，地理位置， 湿度，和温度的变化而变化。改变入口切入角及外筒直径对旋风分离器性能的影响影响旋风分离器性能的因素中，可以从改变其入口切入角和外筒直径这两个方面考虑工艺的优化。根据模拟结果显示，r=6000mm、=7.5构造的旋风分离器效率接近95%，分离效果较好。现实验人员研究的就是在此基础上的设计优化。首先，把入口切入角改为=9及=6两组，发现=9比=6入口速度高，但速度衰减慢，速度场分布均匀，速度偏差小，减少了对颗粒的二次卷吸，在外筒壁面处速度高，分离效率提高了。其次，实验人员将外筒直径由6000mm变更为5600mm、5800mm、6200mm、6400mm，发现当直径增大，离心力作用小，分离效率降低；直径减少后，分离效果好，但由于在下部形成内旋涡卷吸了一些下沉颗粒，分离效果下降。故可利用此外筒直径与分离效率的变化关系，寻找最合适的外筒直径大小，以达到最佳的分离效率。2、进入旋风分离器的尘粒和气体特性一样，我们也必须确保尘粒的特性参数就是从进入旋风分离器的尘粒中测量获得的。很多时候，在想用高效旋风分离器更换低效旋风分离器时，人们习惯测量排放气流中的尘粒或已收集的尘粒。 这种做法值得商榷，有时候是不对的。获得正确的尘粒信息的过程应该是这样的。首先从进入旋风分离器的气流中获得尘粒样品， 送到专业实验室决定它的空气动力学粒径分布。有了这个粒径分布就可以计算旋风分离器总的分离效率。 实际生产中，进入旋风分离器的尘粒不是单一品种。不同种类的尘粒比重和物理粒径分布都不相同。但空气动力学粒径分布实验有机地将它们统一到空气动力学粒径分布中。3、另外影响旋风分离器的设计的因素包括场地限制和允许的压降。 例如，效率和场地限制可能会决定是否选用并联旋风分离器， 或是否需要加大压降， 或两者同时采用。 4、旋风分离器的形状 旋风分离器的形状是影响分离效率的重要因素。 例如， 如果入口尺寸， 锥体尺寸， 排气管， 以及排放口不一样，两个相同筒径的旋风分离器会有相当大的效率差别。图1分离器 在图1中， 分离器A的设计形式会造成一些问题： 入口设计可能不能提供充分的入口速度和想要的速度分布。切线式入口可能造成排气管的磨损和因为排气管的干扰造成入口气流紊乱。还有就是可能会造成入口气流和排出气流的短路， 夹带尘粒而出造成分离效率下降。考虑不周的内部设计会造成气流紊乱。这种情况下就会把本来应被收集的尘粒裹挟到向上的排出气流中而逃出分离器。急速的锥体直径变化， 会造成筒体和锥体连接处的磨损。它也阻止了收集到的尘粒平滑地从筒体到锥体的运动。这样的锥体下部很容易被磨损。很明显，在分离器和卸灰阀之间没有用以帮助分离的灰斗。5、入口管道的设计不合适的管道设计是最常见的造成进入旋风分离器流量不足的重要原因。 事实上， 有一个普遍现象，那就是配置的风机不能满足系统的流量要求。 因为整个系统的压降超过了风机能满足的压头，这样风机就自动移到高压降，低流量的状态工作。另外，很多设计人员因为一些原因会在分离器入口前放一个弯头（如图2）。图2 分离器入口前放一个弯头实际上，为了达到好的分离效果， 气体应该通过直管进入分离器，直管的长度约为6-8倍入口管直径（有资料上说4-10倍的）。这样做主要是为了防止尘粒浓聚在弯头外侧再进入分离器，气体中的尘粒在气流中分配不均。 6、尘粒排出设计 不恰当的卸灰设计能造成粉尘的二次夹带。 比如许多人认为风机设在分离器上游时，分离器进行正压运行， 此时不必设灰斗或卸灰阀。这是不对的。 事实上，旋风分离器内部向上的旋流不管是由正压或负压产生的，都具有夹带粉尘的能力。 在任何情况下，灰斗和卸灰阀都必须纳入设计考虑之中（图3）。图3 灰斗和卸灰阀 设计和运行中应特别注意防止旋风分离器底部漏风，因为旋风分离器通常是负压运行。实践证明，旋风分离器漏风5%，效率降低50%，旋风分离器漏风15%，效率接近于零。因而，必须采用气密性好的卸灰阀。7、分离过程中气体和尘粒特性的改变在实际分离过程中，气体和尘粒特性的变化会造成很严重的问题。 比如在一个没有没有保温的分离器中可能会碰到结露的问题。因为通过分离器时， 气体损失了热量，气温下降到露点温度或以下所致。 这时可以看到本应干的尘粒变成了湿的。 分离器内壁也有尘粒结层现象。因为气流旋转摩擦，尘粒也会荷电，导致物料架桥现象出现，不易被排到灰斗或堵塞排料口造成卸灰阀排料不畅。 在有的情况下，还可能导致爆炸和着火。所以在分离器设计中， 接地是必须的。 旋风分离器的结构和操作含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入旋风分离器里,进口的气体速度约为1520m/s。含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动，颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层，气固得以分离。在圆锥部分，由于旋转半径缩小而切向速度增大，气流与颗粒继续作下螺旋运动。在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出。固相沿内壁落入灰斗，如图4工业上广泛使用的旋风分离器有两中型式，如图5对于旋风分离器中的颗粒来说，同一颗粒所受的离心力与重力之比，为 1其中， r颗粒到旋转轴中心的距离 圆筒旋转的角速度 N圆筒的转速，称为离心分离数是表示离心力大小的指标。 旋风分离器不适用于处理粘度较大，湿含量较高及腐蚀性较大的粉尘，气量的波动对除尘效果及设备阻力影响较大。 旋风分离器结构简单，造价低廉，无运动部件，操作范围广，不受温度、压力限制，分离效率高。一般用于除去直径5um以上的尘粒，也可分离雾沫。对于直径在5um以下的烟尘，一般旋风分离器效率已不高，需用袋滤器或湿法捕集。其最大缺点是阻力大、易磨损。旋风分离器的性能参数在满足气体处理量的前提下，评价旋风分离器性能的主要指标是尘粒的分离性能和气体经过旋风分离器的压强降。（1）分离性能分离性能的好坏常用理论上可以完全分离下来的最小颗粒尺寸：临界粒径及分离效率表示。 临界粒径 临界粒径是指在与重力降尘室的情况相同，旋风分离器能100%除去的最小颗粒直径。推导临界粒径计算式的假设有以下几个。、进入旋风分离器的气流在器内按入口形状（即宽度为b）沿圆筒旋转n圈，沉降距离为b，即由内旋转半径r=（0.5D-b）沉降到D/2处。 、器内颗粒与气流的流速相同，它们的平均切向速度等于进口气速。 、颗粒的沉降运动服从斯托克斯定律。斯托克斯定律: 2其中圆筒旋转的角速度筒内混合物的密度混合物中颗粒物的密度混合物的黏度在半径r=（0.5D-b）处的粒径 可知，在半径r=（0.5D-b）处粒径的颗粒向筒壁半径方向的沉降速度为： 3 由此式可知，r小而u一定时，沉降速度最大，对与气流以切向流入的旋风分离器，时间=0，颗粒（0.5D-b）处；时，颗粒沉降到器壁，即D/2处，则有 4积分得 5式中为沉淀时间。气流的平均旋转半径=（D-b）/2，则旋转n圈的停留时间为 6若在各种不同粒径的尘粒中，有一种粒径的凶狠里所需沉降时间等于停留时间，则该粒径就是理论上能完全分离的最小粒径，即临界粒径，用表示。由式5与6等号右边值相等可求得 7 计算时通常取n=5 愈小，分离效率愈高，由估算式可见随b的加大而增大，即效率随b增大而减小。当气体处理量很大又要求较高的分离效果时，常将若干小尺寸的旋风分离并联使用，称为旋风分离器组。粘度减小，进口气速提高有利于提高分离效率。分离效率 分离效率通常有两种表示方法 总效率：指被除去的颗粒占气体进入旋风分离器时带入的全部颗粒的质量百分数 8 其中 旋风分离器入口气体含尘浓度 旋风分离器出口气体含尘浓度总效率是工程上最常用的，也是最易测定的分离效率，其缺点是不能表明旋风分离器对不同粒子的不同分离效果。 粒级效率：粒级效率指按颗粒大小分别表示出其被分离的质量分数。含尘气体中的颗粒通常是大小不均的，通过旋风分离器后，各种尺寸的颗粒被分离下来的百分率也不相同。通常把气流中所含颗粒的尺寸范围等分成几个小段，则其中平均粒径为的第i小段范围颗粒的粒级效率定义为： 9 不同粒径的颗粒，其粒级效率是不同的。根据临界粒径的定义，粒径大于或等于临界粒径的颗粒，=100%。粒级效率为50%的颗粒直径称为分割直径: 10 对于同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通用同一条粒级曲线。标准旋风分离器的p与d/的关系：总效率0=xipi，xi为进口处第i段颗粒占全部颗粒的质量分率。旋风分离器的压强降 气体通过旋风分离器的压力损失（单位为），可用进口气体压力的某一倍数。 压强降可表示为进口气体动能的倍数： 11式中的阻力系数用下式计算 12 此式中的分离器尺寸符号与图5中相同。由于分离器各部分的尺寸都是D的倍数，所以只要进口气速相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。因此，压力损失相同时，小型分离器的b=D/5值较小，由于式7可知小型分离器的个大的分离器，可以提高分离效率。旋风分离器的压力一般约为12。 确定设计方案 计算旋风分离器基本尺寸由于所设计的吸尘器是家用型，所以它的工作环境都是在常温常压下进行。查表的20、0.101MPa时空气的密度=1.21kg/，黏度=1.81。选用常用工业旋风分离器中的第一类，如图5（a）。 已知，进口切向风速：u=18m/s，假设，气体流量=0.25根据图5（a）中的尺寸比例，由式12计算阻力系数： 13由式11，阻力损失得: 14 又有： 15式中K为阻力系数，一般K=16，得： 16气体流量： 17解，得 D=0.3402340mm由此求得旋风分离器的其他尺寸为：L=340mm，H=680mm，b=68mm， h=204mm，d=170mm结构分析与计算入口设计旋风分离器的切向入口结构通常采用横截面是矩形的流道，而圆管形切向入口约旋风分离器大多数用在小型的采样旋风分离器中。在某些要求不严格的应用中，简单的圆管形入口能够到达所要求的分离性能时，或者在在简易结构和低廉造价成为首选因素时，则可以使用这种简单的圆管入口结构。如某些现场使用的旋风分离器和粮谷加工用旋风分离器就是事例。一般矩形入口与旋风分离器本体直接结合成一体。但当旋风分离器的前面为圆管流道时，就需要设置一个从圆形到矩形的过渡段（如图6）。这个过渡段的位置一般靠近旋风分离器本体。由于流动的管道发生变化，可能导致流体的边界层分离和附加的湍流扰动，因此设计方圆过渡的形式应像文丘里流量计那样来设计旋风分离器的入口过渡段，收缩角不超过，扩散角不超出。 图6，圆管形流道到矩形流道的过渡段若入口过渡段的设计的非常短，则除了产生湍流扰动之外，还导致颗粒的结垢及旋风分离器入口局部区域的冲蚀磨损加剧。所以安装过渡段，在一定程度上使旋风分离器入口来流速降低，也可能会出现这种结垢现象。旋风分离器最简单的入口结构是所谓的矩形入口，这种入口结构可以与旋风分离器外壁平齐结合在一起。如果入口面积相当大或者粉料浓度比较高时，则最好在径向上增加入口面积。为使它与旋风分离器本体的外壁光滑地结合在一起（图7）。需要逐渐收缩使外半径逐渐过渡到与旋风分离器本体的外径一致，这就是“蜗壳”式入口结构。 图7，旋风分离器的蜗壳式入口结构在结构紧凑，大气量的旋风分离器中，蜗壳式入口也可以用来避免入口的气流直接冲涮升气管，因此也就防止了流体流动的湍流扰动和可能产生的冲蚀问题。虽然有些制造商把蜗壳式入口看成一个与入口浓度无关的标准结构，但实际上这是串联旋风分离器的第一级旋风分离器的碰撞，因此种入口结构也降低了颗粒的反弹与返混。一些设备设计人员常常采用这种入口结构的另外一个原因是气流从入口到旋风分离器内部是一个比较平稳的气体动力学过渡过程，同时也对高入口浓度气流中的颗粒提供了一定的预分离空间。对于带有蜗壳式入口的旋风分离器而言，这种蜗壳式入口对其分离性能的影响与保持升气管直径不变而增加旋风本体直径所产生的作用相似。因此相对于通常的矩形，圆管形或者导流叶式的入口，蜗壳式入口增大了旋风分离器的入口半径。这个入口的增加，不仅带来了进流旋转动量的增加，这会导致内漩涡转速度的增加，切割粒径的减少，而且也伴随着总压力损失的增加。由于蜗壳入口的值较高。蜗壳式入口为圆筒环绕式蜗壳。图7示意了和蜗壳。这些圆筒形蜗壳式入口形式。需要说明的是它们与“对数”螺旋不一样。这希望圆筒环绕式蜗壳的曲线半径不随螺旋角变化。这使得它们的制造要相对简单一点，所有按这种方式设计出的蜗壳，其外缘与入口输送管的外壁相切，其尾边与旋风分离器筒体相切。对于图7所示的和蜗壳，通过偏心距离来保证蜗壳的设计，偏心距离 18式中，R和分别是蜗壳和通体断面半径,其中。另外一种蜗壳式入口结构为对数螺旋式蜗壳。这种结构可由曲线半径R随螺旋角不段变化来表征（如图8），一般说来，这种对数螺旋式蜗壳可用式来表达： 19或 20式中，是螺旋的角坐标，rad：R是角度处的螺旋半径；是螺旋开始时的半径（）；是螺旋尾部的半径（）。图8是由式在=4（在时）和=6（在时）的情况下给绘制出来的。图8说明了图9中的对数螺旋式蜗壳添于旋风分离器本体间的结合。 图7图8椎体部分设计 旋风分离器的圆锥体的几何结构，主要有： 旋风分离器的主椎体段; 灰斗的椎体段，即灰斗园锥段以及可能的灰斗顶部段； 某些升气管的设计； 在旋风分离器进入管和排出管中的园收缩或扩散段。 设计旋风分离器椎体部分时，其直径D和，以及椎体高度H一般是已知的。在这些参数给定的情况下，可以计算出椎体的长度和和二维展开角，和的值和式计算： 21 22展开角的计算如下 23或 24 式中，的单位为度；是半维角如果 25或如果，则。排料口的结构旋风分离器排料结构的设计，对于旋风分离器是否能除于良好的工作状态，以及让已经分离出的粗颗粒是否会重新被夹带到漩涡中，有很大的影响。图示意了四种常用的排料口结构。 图9，排料口结构在结构中，灰斗直接连接在旋风分离器的排料口上，这常导致漩涡尾部（有时也指漩涡尾巴）延伸到灰斗中收集颗粒的表面上，结果会夹带其中一部分颗粒逃逸，这种情况在其他三种不同的排料口结构中都避免了，在结构中，有一个圆筒段连接到排料口。一般说来，这个圆筒段的长度至少是旋风分离器本身长度的一半，尤其是在器壁光滑的旋风分离器中。如果的确发生这样的情况，则被气流从灰斗中夹带向上的颗粒，有被重新离心分离到（筒体）器壁的机会。由于这个原因，结构（b）被认为是最佳的机构设计，但由于它的插入，要有足够的轴向空间来保证。在结构（c）和（d）中，设置了稳涡器（简单的“防倒锥”），它可安装在排料口下面（c）或者刚好在排料口上面（d）。稳涡器的目的是向漩涡尾部提供一个平滑的表面，通过这个平滑表面，漩涡可以附着在它上面，并帮助旋转涡稳定在中心处。如果安装旋风分离器缺乏轴向高度的话，稳涡器将是非常有用的。不应将稳涡器与防涡器搞混，见图 。防涡器通常是一块金属板或者一个交叉的“十字形”金属板，放置在灰斗或者料腿上部，主要意图是消除旋转涡对灰斗和上部料腿区域产生的冲蚀，阻止其旋转。这样的防涡器将在旋风分离器内和灰斗较低的区域产生强烈的扰动，同时也使得气流旋转速度极大地降低。因为这两个因素的影响将导致总分离性能大大降低。为此，不推荐使用它。 图10，旋风分离器料腿上部区域的十字形“防涡器”对图9 所示排料口结构的旋风分离器，Obermair-Staudinger（2001）研究了它们的气体流动、压降和分离效率。其相应的性能测试参数列于表1中。根据比较得知结构（a）没有其他结构有效。这可能是由于灰斗颗粒被重新夹带所致。但它有一个较低的压降。带有稳涡器的两个结构（c）和（d），对分离效率有极大的改进，但其压降有些高，后者即结构（d）尤其是如此。锥段加筒体延伸的设计，即结构（b），表现出最好的分离性能，其压力降介于（c）和（d）的中间。 表1在带有稳涡器的结构中，应该在稳涡罩或稳沃锥的两侧附近留出足够的空间，以使气体和颗粒能在这个空间流动（Mothes-Loffler，1985）。在结构（c）中，如果排料口尺寸为 ，则图中所示的间隙空间约为。标示在这个图中的防倒锥的角度为 。这个角度在结构（c）中稍微大一些。作为对上述结构形式的总结，根据作者的观点是，如果旋转涡从旋风分离器一直延伸到灰斗中，可以将结构（b）灰斗锥体和筒体段上下颠倒过来，锥体底部的内径应该与筒体延伸段的内径一样将获得类似于结构（b）的分离效果。 升气管设计升气管是一个简单的空心圆筒体，与外面的旋风分离器筒体同心，它的内插长度大约延伸到与入口管底齐平的位置。它具有几个重要的特征，其中至少包含了对内漩涡直径的定义（或者控制内漩涡直径的大小），这个内漩涡在升气管入口的下面，处于旋风分离器的中心位置。另外升气管的作用是将分离后的净气传输到旋风分离器的顶部排除。如像前面所论述的那样，切割粒径和压力损失亮相与升气管直径密切相关。因为其重要性，它常常被认为是旋风分离器的核心部分。 图11，升气管几何结构如图11所示，升气管有着不同的形状和尺寸，这主要取决于设计目标。下面将要介绍和讨论一下其中的一些结构特点。图11 中的（a）、（b）和（c）示意了三种典型的圆筒形升气管，其中的差别仅是长度不同而已。这些是工业上最常用的几何结构。除非有其特别的原因改变升气管的长度，否则，一般情况下是把升气管的长度延伸到入口底板的位置，这是一个较好的设计原则如图（a）所示。相对于图（a）所示的“标准”升气管长度而言，图（b）所示的短升气管，它既有优点，也有缺点。短升气管，制造费用较少、质量轻，通过旋风分离器切向矩形入口检查和维修比较方便，对升气管与旋风分离器顶板连接的焊缝所施加的应力较小（由于径向振动有所降低），也会失踪压力损失稍微减小。但是，如果升气管太短（入口高度的一半，或者更小），则一部分气固流体将趋于从入口直接进入升气管走“短路”，使旋风分离器的分离性能下降。反之，如果把升气管延伸到入口管底板位置以下如图（c）所示，关于费用/重量、检查的容易性、应力、压力损失和“短路”等一系列问题将产生与上述刚好相反的结果。关于“应力”这一点很容易被忽视，因为旋风分离器这个部位的设计在机械设计阶段并非总能引起足够的重视。在某些情况下，绕升气管的流动气体将对升气管产生冲击，并引起升气管的侧向振动。在升气管与旋风分离器顶板连接的圆周部位，这个振动能导致疲劳裂缝。这样形成的裂缝将造成气流走“短路”，即直接从旋风分离器顶板排出。同时，如果这个问题不及时得到解决的话，则会导致升气管与顶板的完全断裂，并掉入旋风分离器的底部。在图11（d）、(e)和(f)中，缩口式升气管的设计特征是在升气管的入口处安装一段圆锥加圆筒。在改进的旋风分离器中经常看到这种结构，通过减少升气管的有效直径来改善分离性能。然而，在有的原始设计中也采用这种结构，尤其是在将来希望增大处理气体流量的场合，在这种情况下，圆锥段便可去掉，在必要的情况下也可以用更大的圆筒来代替它。压力恢复式升气管与安装在旋风分离器顶板上的压力恢复扩压管一起，用来把净化气流的一部分旋转能量转换为静压力。基于Muschelknautz-Brunner（1967）提供的数据，适当的压力恢复（内旋涡压力损失减少15%20%），可通过最简单的锥形升气管来实现，如图11（g）所示。通过放置一个设计的很好的内圆锥，如图11（h）所示，则更加有效地实现压力恢复（损失减少35%40%）。这种升气管常常直接连接在旋风分离器顶板上面的一个宽体出口扩压管或者出口蜗壳上。作为压力恢复的目的，可以把一个特别设计的叶片部件插入到升气管中，这个叶片的前入口边应与气体进入叶片的攻角一致，以免产生很大的扰动和湍流，或者阻碍气体的旋转，叶片应把旋转流逐渐变成直流，即转换为理想的纯轴向流动。决定是否使用这种复杂的压力恢复型升气管部件，关键在于它所节省的运行费用与结构附加费用的对比情况，以及对日常维护、安装、检查所带来的影响。资料没有说明使用这个压力恢复叶片装置对旋风分离器体中的流动状态、分离效率是否产生负面影响。图11(i)和(j)是两个长度延伸的升气管，其底部是封闭的，但侧面有垂直缝或者气孔，气体必须经过这些侧面的垂直缝或者气孔才能排出旋风分离器。缝和气孔有很多结构形式，除了像螺旋形的缝和气孔外，还包含单个或者多个缝口或者气孔。这样的设计结构是为了让径向进气速度沿轴向均匀分布。Schmidt（1993）对这个装置的多种形式作了设计和研究，发现其压力损失能够减少25%50%，并使（它是捕集效率在99%时的粒径）减少3倍。然而，这样的升气管设计在实际中不是很普通，随着这些“非传统”设计经验的积累，也许在将来会得以改变。另外，机械设计者必须注意到应该制定出特殊的措施以保证长体升气管免受侧面或径向的冲击振动，也必须对检查、安装、磨损等问题给与考虑。当两个或多个旋风分离器串联在一起工作时，常常在第一级旋风分离器的升气管出口上直接安装一个蜗壳式排气口（如图12）。它有两个功能，首先作为一个的弯管来使用，在气体进入第二级或者第三级旋风分离器之前，使升气管中竖直流动状态的气体转向到水平流动状态。另外，这个蜗壳也可以作为一个预分离器来使用，把一些颗粒离心分离到蜗壳的外壁，这部分颗粒被直接输送到下一级旋风分离器的入口流道的外壁上。因而，可以把它视为下一级旋风分离器的“入口蜗壳”，其功能相似于在高入口浓度时第一级旋风分离器上的蜗壳式入口。 图12，两种蜗壳排气口的俯视图关于图12中的两个排气蜗壳，左边蜗壳的功能基本上作为一个 的弯管，因为它几乎没有向颗粒提供足够的时间或空间让它分离到外壁上。由于它的紧凑设计，结构相对简单，基本上没有给系统增添重量，所以设计和制造都相当容易。上述这些因素会影响到总成本，因此它是实际设计中最常采用的结构。如果以获得最佳的分离性能作为设计优选的话，应仔细考虑图12（b）的全蜗壳结构。但目前还没有相关的研究文献来估算上一级蜗壳图12（b）的存在对旋风分离器分离效率的影响。由于缺乏这样的资料，对安装这种全蜗壳结构所得到的益处也缺乏评价，设计人员一般不采用全蜗壳结构。在排气速度需要降低（即将排气扩散到大气中）的旋风分离器上也可以安装排气蜗壳。这与旋风分离器是否是二级，或三级串联系统中的最后一级，或是唯一的一级无关，一个设计较好的排气蜗壳如图 12（b所示，可以作为一个能量或者压力恢复装置来使用。通过气体流过蜗壳的方式，气体得到平滑扩散，可减少气体速度，并把其能量转换成升高的静压力。没有这样的蜗壳，气体突然或完全膨胀后会伴有较大的动能损失。应用简单的能量平衡关系式（以伯努力方程的形式）可以看出，如果用一个蜗壳使气体平滑的扩散到大气中，速度从47m/s仅下降到23m/s，用动压力来恢复静压力，可以实现的压力恢复有100mm，否则湍流把它全部转化成热能。旋风分离器长度关于旋风分离器长度对压降/效率的影响，从长度和自然漩涡尾部两个方面已经进行了讨论。关于旋风分离器长度是如何确定的，现在还不能给出一个一般性的回答。表 给出了实际中经常使用的旋风分离器长度的范围。旋风分离器长度的选择是在可靠性（旋转涡不应该在器壁上终止）和分离性能之间的一个折衷。在其他情况相同时，增加旋风分离器长度，将能逐渐提高分离性能并降低压降。这里注意到Maclean等人（1978）申请的专利，声称旋风分离器最优设计长度为： 26式中，和 分别是排气口和入口的横截面积。这个专利声称使用这个长度的有点是使分离性能更好和磨损更小，但没有给出这个最有长度是如何发现的。旋风分离器的操作条件对于高入口浓度的工业用旋风分离器，典型的入口速度一般在1518m/s（5060ft/s）。对于大多数低入口浓度旋风分离器或者第二级旋风分离器，这个速度可以增加到2326m/s(7585ft/s）。在某些第三级旋风分离器中，可以有更高的入口速度。即使如此，在高于30m/s的入口速度下，当处理的颗粒具有磨损性时，冲蚀磨损会急剧增加，尤其是对旋风分离器本体或锥体段下不的磨损。一般旋风分离器对入口速度的变化要求不严格。基于某些特殊的应用，即使入口速度下降到5m/s时，它们也运行的相当好。如果颗粒是靠气力输送进入旋风分离器的，则必须注意颗粒是否在在旋风分离器的进口输送管中发生颗粒沉积。这可能会导致不稳定的流动和较差的分离性能。如果颗粒在进口输送管中长期沉积，也会影响到颗粒物料的产品质量。Svarovsky（1981）根据旋风分离器的压降推荐了入口速度的变化范围，使用经验表明旋风分离器的分离效率在非常高的压降（或入口速度）下会逐渐降低，Svarovsky（1981）推荐旋风分离器应该在40100m气柱的压降范围内操作。通过使用Shepherd和Lapple的压降模型反算入口速度，得到2540m/s的入口速度范围。使用Casal和Martinez-Benet模型，其相应的入口速度值为1525m/s。Svarovsky指出，除了分离效率外，另一个限制入口速度的因素是旋风分离器的磨损。他指出旋风分离器的磨损与气体速度的四次方成正比。上述讨论完成了对切流式筒锥型旋风分离器的设计所考虑的要点。在下一节将讨论带导流叶片的筒型旋风分离器的设计。在讨论中，将主要集中在旋风分离器的自身细节上，对切流式旋风分离器和旋风管分离器两者的共同部分，上面的大多数讨论对旋风管分离器来说是同样有效的，例如关于升气管几何结构的讨论。 带导流叶片的旋风管分离器的设计关于旋风管分离器的设计，从公开发表的文献上看，显然要比筒锥型旋风分离器的设计少得多。旋风管分离器的主要设计是入口导流叶片、旋风管本体长度和排料口区域的几何结构。 入口导流叶片的设计图 13 示意了带导流叶片的筒体型旋风管分离器。导流叶片的设计在两个方面给予关注：叶片的形状（特别是进出口角度）和叶片的厚度（它决定了有效的过流面积，因而也决定了叶片流道中的速度）。 图13，带有轴对称的导流叶片的筒形分离器在传统的切流式旋风分离器中，靠进壁面的旋转速度，是由入口管道内的速度和入口的收缩系数决定的。而在旋风管分离器中，它基本上是由叶