气固分离器性能与结构关系研究

1 气固分离器性能与结构参数的关系研究 张振伟张振伟 东北大学 辽宁 沈阳 110004 摘要 利用 FLUENT 软件的 RSM 湍流模型对旋风分离器气相流场进行数值模拟 根据改 变结构参数的数值仿真计算结果 得出排气管的结构参数与压力损失 分离效率之间的规 律 为旋风分离器的结构优化提供参考依据 关键词 结构参数 分离效率 压力损失 湍流模型 Abstract Key words 1 旋风分离器基本结构和工作原理 旋风分离器的结构如图 1 所示 它一般都是由进气管 排气管 排尘管 圆筒和圆锥 筒等几个部分组成 颗粒出口 出口 入口 图 1 旋风分离器结构简图 Fig 1 Structure graph of cyclone separator 旋风分离器的工作原理是 当含粉料颗粒的气体由进气管进入旋风分离器时 气流由 于筒壁的约束作用由直线运动变成圆周运动 旋转气流的绝大部分沿筒壁成螺旋状向下朝 锥体流动 通常称为外旋流 含粉料气体在旋转过程中产生离心力 将气体中的粉料颗粒 甩向筒壁 颗粒一旦与器壁接触 便失去惯性力 靠入口速度的初始动量随外螺旋气流沿 圆筒壁面下落 最终进入排尘管被捕集 旋转向下的外旋气流在到达锥体时 因圆锥体形 状的收缩 根据 旋转矩 不变原理 其切向速度不断提高 不考虑壁面摩擦损失 外旋 流旋转过程中使周边气流压力升高 在圆锥中心部位形成低压区 由于低压区的吸引 当 气流到达锥体下端某一位置时 便向分离器中心靠拢 即以同样的旋转方向在旋风分离器 内部 由下反转向上 继续作螺旋运动 称为内旋流 内旋气流经排气管排出分离器 一 小部分未被分离出来的物料颗粒也由此逃出 气体中的粉料颗粒在气体旋转向上进入排气 管排出前碰到壁面 即可沿壁面滑落进入排尘口被捕集达到气固分离的目的 2 模型和边界条件设置 2 1 有限元模型的建立 2 采用体网格 生成以六面体为主并适当配以楔形体的非结构网格 这样建立起来的网 格体系具有较好的自适应性 有利于数值模拟中区域耦合条件的处理 同时网格的正交性 较好 适用于旋风分离器的某些差分格式 如对流项的 QUICK 格式和压力梯度项的 PRESTO 格式 四个部分采用同种网格密度 以便于网格块的拼接 网格如图 2 所示 图 2 CLT A 型旋风分离器网格划分图 Fig 2 Mesh diagram of CLT A type cyclone 2 2 边界条件设置 1 入口边界 气体为空气 空气入口温度为 100 设置气体入口边界为速度入口 Velocity Inlet 2 出口边界 设置出口边界为 Outflow 排气口的流量权重为 1 排尘口几乎没有气流流出 所以排 尘口的流量权重为 0 3 固壁边界 壁面为无滑移边界条件 设置壁面粗糙度参数为 0 5 壁面效应是旋涡和湍流的主要来 源 因此近壁区的处理对数值求解结果的准确性有显著影响 由于在靠近固体壁面的区域 内 层流底层的粘性作用增强而湍流扩散相对减弱 致使作用于高雷诺数下的湍流输运方 程已不能严格有效 采用标准壁面函数法处理边界湍流 以给出正确的壁面切应力 4 相关格式设置 离散格式采用 QUICK 格式 压力插补格式为 PRESTO 格式 压力速度耦合方程采用 SIMPLEC 方法 3 排气管结构参数对分离性能的影响 3 1 排气管直径对分离性能的影响 在旋风分离器的分离空间内 存在着外侧下旋流与内侧上旋流两个区域 排气管直径 的变化 直接对内外旋流的分界面位置产生影响 致使内外旋流的速度发生变化 进而影 响旋风分离器的分离效率及压力损失 为进一步研究排气管直径对分离效率的影响 分别 对排气管直径为 410mm 430mm 450mm 480mm 500mm 和 520mm 的旋风分离器进行 数值模拟 480mm 为现有的旋风分离器的排气管直径 图 3 为不同排气管直径的旋风分离器压力损失曲线图 从图中看出 随着排气管直径 的增加 旋风分离器内部的压力损失呈逐渐降低的趋势 在 520mm 附近降为最低 因为 含粉料颗粒的气流在排气管内剧烈的旋转时 随着排气管直径的变大 使得上升气流的通 流面积加大 减小了气流与排气管内壁之间的摩擦 使得压力损失降低 图 4 为不同排气管直径的旋风分离器总效率曲线图 由图可知 当排气管直径在 500mm 附近时分离效率最高 随着排气筒直径的不断增大 上升内旋流的通流面积逐渐增 3 大 而下降外旋流的通流面积逐渐减小 在处理风量不变的情况下 下降流的旋转速度增 大 加强了含尘气流的离心作用 致使颗粒便于被分离捕集 提高了旋风分离器的分离效 率 然而过大的排气管直径会导致分离效率有所降低 因为排气管管径过大分离器内螺旋 下降气流和螺旋上升气流的分界面处速度梯度很大 颗粒容易在气流的曳力下随气流混入 排气管 因此 通过对不同排气管直径的压力损失和分离效率曲线图分析得出 在排气管 直径为 500mm 时旋风分离器的综合性能较高 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 410450480500520 排气管直径 mm 压力损失 Pa 图 3 不同排气管直径旋风分离器的压力损失 Fig 3 Cyclone s pressure drop under the exhaust pipe s different diameters 87 88 89 90 91 92 93 94 410450480500520 排气管直径 mm 总分离效率 图 4 不同排气管直径旋风分离器的总效率 Fig 4 Cyclone s overall efficiency under the exhaust pipe s different diameters 3 2 排气管插入深度对分离性能的影响 不同的排气管插入深度对旋风分离器的性能会产生一定的影响 为了研究这种变化对 旋风分离器性能的影响 分别对排气管插入深度为 800mm 900mm 1000mm 1100mm 和 1200mm 的情况进行模拟 1000mm 为现有旋风分离器排气管插入深度 3 2 1 排气管插入深度对旋风分离器压降的影响 对排气管插入深度不同的旋风分离器分别建立不同的模型 划分网格 并定义相同的进出 口边界条件 然后分别进行数值计算 得到不同排升气管插入深度下旋风分离器的进出口 总压和压降计算值如表 1 所示 并将其绘成曲线如图 5 所示 4 表 1 不同排气管插入深度下的旋风分离器压降的数值计算值 Table1 Value of the cyclone pressure drop in different exhaust pipe s depth 插入深度进口总压 pa 出口总压 pa 压降 pa 800mm744 262 1682 1 900mm750 5548 5702 05 1000mm758 235 2723 1100mm795 646 8748 8 1200mm839 561 2778 3 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 800900100011001200 排气管插入深度 mm 总压降 Pa 图 5 排气管插入深度与压降之间的关系 Fig 5 Relationship between the depth of exhaust pipe and the drop of pressure 从表 1 和图 5 中可以看出 当气流入口速度相同时 进口总压随着排气管插入深度的 增大而增大 而出口总压在插入深度为 1000mm 时最小 总的来说 随着升气管插入深度 的增大 压降也随之增大 这是由于随着排气管插入深度的增大 与气流接触的旋风分离 器的固体壁面的面积增大 由于摩擦的影响 壁面上旋转速度损失也增大 使得总压中的 动压部分减少 从而压降也随之增大 3 2 2 排气管插入深度对旋风分离器中颗粒分离效率的影响 通过数值计算 得到不同排气管插入深度下的颗粒分离效率的计算值 如表 2 所示 并将其绘成曲线如图 6 所示 从表 2 和图 6 中可以看出 随着排气管插入深度的增加 旋风分离器中固体颗粒的分 离效率会随之提高 这是因为插入深度较长的排气管抑制了排气管插入深度较短时的短路 流 使得旋风分离器的分离性能得到改善 综合考虑取插入深度 1100mm 比较好 表 2 不同排气管插入深度下颗粒分离效率值 Table 2 Separation efficiency of different particle in different depths of exhaust pipe 粒径 m 15101520 800 mm 03 223 964 878 2 5 900 mm 07 5357087 5 1000 mm 2 51547 577 592 5 1100 mm 7 517 557 58298 分离效 率 1200 mm 18 632 465 888 5100 0 20 40 60 80 100 120 800900100011001200 排气管插入深度 mm 分离效率 1 5 10 15 20 图 6 不同排气管插入深度下颗粒分离效率值 Fig 6 Separation efficiency values in different depths of exhaust pipe 4 排气管结构参数改进前后性能分析比较 通过模拟分析得到较好的排气管结构参数 管径 500mm 和插入深度 1100mm 通过分析得出这种结构的改进可以提高旋风分离器的分离性能 用与前述相同的参数设置 采用相同的模拟方法对结构参数改进后的旋风分离器进行模拟计算 并与改进前分离器的 性能进行比较 4 1 压力损失比较 如表 3 和图 7 所示为压力损失的比较 结构参数改进后的旋风分离器静压损失和总压 损失降低了 即设备运行时的能耗相应减小了 表 3 改进前后旋风分离器压力损失比较 Table 3 Comparison of the pressure loss between improved and before 静压损失动压损失总压力损失总效率 改进前1730380143068 5 改进后1460 120126076 6 500 0 500 1000 1500 2000 静压损失动压损失总压力损失 压力损失 Pa 改进前 改进后 6 图 7 改进前后旋风分离器压力损失比较 Fig 7 Comparison of the pressure loss between improved and before 4 2 分离效率比较 表 4 给出了改进前和改进后分离效率的模拟计算值 总效率跟踪的颗粒粒径为 1 m 25 m 平均粒径 8 5 m 将表 4 的数据绘制成曲线如图 8 所示 表 4 改进前后分离效率的模拟计算值 Table 4 Separation efficiency of the numerical values both improved and before 粒径大小1 m5 m10 m15 m20 m25 m总效率 改进前效率8214887899357 7 改进后效率10265292929861 6 0 20 40 60 80 100 120 1 m5 m10 m15 m20 m25 m 颗粒粒径 mm 分离效率 改进前 改进后 图 8 改进前后两种分离器分离效率比较 Fig 8 Comparison of the separation efficiency between improved and before 从图 8 可以看出 改进后的分离效率有明显的提高 对中小颗粒分离效率的提高幅度 较大 其中 对 10 m 的颗粒分离效率可提高 8 3 总分离效率可以提高 3 9 说明结构 参数改进可以提高旋风分离器的分离效率 5 结论 通过对排气管管径大小对分离器性能影响的研究 得出随着排气管直径增大 旋风分 离器的压力损失逐渐减小 而分离效率先增大后减小 通过对排气管插入深度对分离器性 能影响的研究 得出随着排气管插入深度的增加 旋风分离器的压降随之增大 而较长的 排气管有效地抑制了排气管处的短路流 使得颗粒的分离效率也随之提高 通过改进前后 对分离器性能影响的模拟结果比较 得出结构参数改进后使