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螺旋型旋风分离器设计【说明书+CAD】,螺旋,旋风,分离器,设计,说明书,CAD
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长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 螺旋型旋风分离器设计 院 （系） 机械工程学院 专 业 班 级 装备10901班 学 生 姓 名 张晶 指 导 教 师 张慢来 辅 导 教 师 张慢来 开题报告日期 2013年4月19日 螺旋型旋风分离器的设计学生：张晶，机械工程学院（过程装备与控制工程系）指导老师：张慢来，工作单位，长江大学机械工程学院一、 题目来源: 生产实践二、 研究目的和意义: 由于旋风分离器有很多优点，如制造维护费用较低，无运动部件，具有较好的自适应性等，而且它能适用于高温高压的大流量气固分离而维持较低的压头损失。所以，旋风分离器广泛应用于冶金、化工、石油、建筑、机械、电力、轻纺、食品等工业部门。为此，对于旋风分离器的设计及其结构的改进是一种趋势，也是一种潮流。螺旋型旋风分离器是一种新型结构的旋风分离器,这种旋风分离器的最主要特点是其筒体内拥有一定圈数的螺旋型通道,从而能够形成有利于颗粒分离的气体流场。因此，设计一种高效的分离器，具有明显的经济效益。 三、 阅读的主要参考文献及资料名称：1孔珑.工程流体力学（2版），北京：中国电力出版社，19982杨世铭，陶文铨.传热学（4版），高等教育出版社，20063丹A.C.霍夫曼，美L.E.斯坦因著，彭维明等译.旋风分离器原理、设计和工程应用M.4版.北京：化学工业出版社，2004.94徐景洪.旋风分离器流场与浓度场分布J.大庆石油学院学报2002 3期5谢建民.旋风分离器磨损与防磨措施的研究J.工业安全与环保2005 11期6减敖龙.阻杆对螺旋型旋风分离器阻力特性影响的数值模拟J. 流体机械 2010 10期7易林.螺旋型旋风分离器两相流场的数值模拟J.应用数学和力学2006 2期8朱浩东.国内外旋流分离器特点及发展方向J.石油机械1994 第12期9陈林君.旋风分离器的设计计算J.石油化工1988 第6期10吴克明.旋风分离器压力损失的数学模型及在设计中的应用J.化工环保2005 第2期11钱付平，章名耀。温度对旋风分离器分离性能影响的数值研究J;动力工程2006 02期12龚智立，马贵阳，郑平.旋风分离器内湍流模型的研究与发展J;重庆科技学院学报(自然科学版);2006 03期13赵萍.旋风除尘器结构尺寸优化设计的研究D;辽宁工程技术大学;200214马盛军，靳丙秋，鞠学贞，张文丰，石永军.旋风分离器的技术改造A;浙江省化工学会成立五十周年庆祝大会暨第二届省（市）际化学化工科技发展研讨会论文集C;200115沈恒根，叶龙，许晋源，张希仲.旋风分离器平衡尘粒模型J;动力工程1996 01期16黄盛珠,马春元,吴少华.下排气旋风分离器的改进设计J;动力工程2004 05期17宋健斐，魏耀东，时铭显，旋风分离器内流场的非轴对称性特点A;中国颗粒学会2004年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会会议文集C;2004四、 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向： 旋风分离器应用于工业生产以来 ,已有百余年的历史 ,对于捕集、 分离 510m 以上的颗粒效率较高。由于能耗相对比较小 ,结构简单可靠 ,广泛地应用于冶金、 化工、 石油、 建筑、 机械、电力、 轻纺、 食品等工业部门。旋风分离器中颗粒分离的机理是:颗粒由于离心力的作用克服气流的阻力向壁面运动 ,到达壁面附近后 ,由于边界层内较小的湍流 ,颗粒会沿着壁面进入灰斗中 ,从而得到分离。对于微细颗粒(粒径小于5m) ,由于其所受到的离心力小于气流对其的阻力 ,因此 ,一般来说 ,这一类颗粒很难得到分离。随着工业装置生产规模的提高以及操作条件变得更为苛刻 ,对旋风分离器性能的要求也不断提高。一方面要求旋风分离器有更强的捕集细粉的能力;另一方面要求旋风分离器的压降进一步减少 ,以降低能耗。所以 ,迫切需要研究出高效能且低能耗的新型旋风分离器。而通常是采用有针对性地开发新结构或优化各部分尺寸的匹配关系的方法来减少不利因素的影响 ,以达到高效的目的。国内外已有许多学者在这方面做出了大量试验研究 ,也提出了很多可行的措施和设计方案并已应用于实际工程中。本文在回顾前人研究现状的基础上 ,提出今后旋风分离器的发展趋势。 旋风分离器结构优化的研究现状与主攻方向 2. 1 旋风分离器进口结构的研究现状普通旋风分离器单体大多采用了单切向进口或蜗向的进口结构形式 ,气固两相流进入旋风分离器后 ,随着远离旋风分离器排气芯管入口截面 ,平衡尘粒逐渐减小 ,即空间点上颗粒分离能力逐渐增强。因此 ,优化改进位于旋风分离器上部的进口结构形式是旋风分离器技术改进的可行措施。但是采用切向或蜗向单进口结构形式易造成旋风分离器内部气流场的轴不对称(涡核偏向 270 一侧) ,不但增大了旋风分离器的阻力 ,而且增加了排气芯管短路流。所以赵兵涛等，提出优化改进旋风分离器进口结构 ,首先增设了进口回转通道 ,通过试验得出所有增设回转通道的旋风分离器分离效率均大于无回转通道的效率。因为阻力系数的变化可影响进口速度的变化 ,进口速度的大小反映出旋风分离器分离能力的强弱。当阻力系数较小时 ,进口速度较大 ,表明旋风分离器分离能力强 ,由于回转通道的增设 ,使颗粒在进入旋风分离器腔体前进行预分离 ,从而使分离效率增大 ,但随着回转角度的继续增大 ,二次返混影响增大 ,这就使得分离效率在 90 甚至 270 以后有所减小 ,但总体仍高于0 的分离效率。所以改变其回转角度 ,就改变了两相流含尘浓度分布 ,使含尘浓度外浓内淡 ,从而减少短路流的携尘量。同时若采用双进口回转通道形式 ,则有利于降阻增效 ,由于进气口面积增大为原来的 2 倍 ,使进口气流速度减半 ,从而降低了阻力;由于采用渐缩的回转结构 ,减小了颗粒到达捕集壁面的距离 ,从而提高了分离效率;进一步的流场定结果表明 ,双进口结构由于采用在旋风分离器内多点对称进气 ,增强了旋风分离器内部流场的轴对称性 ,使短路流携尘量减少 ,同时实现了降阻增效 ,又增强了气流场轴对称性 ,以降低旋风分离器阻力。具体试验结果表明 ,将旋风分离器常规进口结构优化改进为采用单进口等宽通道进口结构时 ,旋风分离器回转角度为 90 时性能较优 ,比 0 (无回转通道)时的阻力降低 14. 73 % ,效率提高 2. 48 %。采用双进口渐缩通道进口结构时 ,旋风分离器性能优于所有单进口 ,比 0 (无回转通道) 时的阻力降低33. 06 %,效率提高 3. 95 %。2. 2 旋风分离器出口结构的研究现状在旋风分离器内部的旋转气流中 ,颗粒物受离心力作用作径向向外(朝向筒锥壁) 运动 ,运动速度可由颗粒物所受的离心力及气流阻力的运动方程求得。显然旋风分离器分离的目的就是使颗粒物尽快到达筒锥体边壁。因此 ,延长颗粒物在旋风分离器中的运动时间 ,在气流作用下提高颗粒物与筒锥体壁相撞的概率 ,可以提高旋风分离器除尘效率。Y. Zhu2提出的旋风分离器结构 如图2所示,在普通旋风分离器中增加一个筒壁 ,这一筒壁将旋风分离器内部空间划分为 2个环形区域 ,同时 ,排气芯管被移到了下方 ,排气芯管中的上升气流也变成了下降气流 ,颗粒物在内外 2 个环形区域内都得到了分离 ,事实上 ,这种旋风分离器相当于将 2 个旋风子结合到了一起。从理论上讲 ,这种结构改进提高了颗粒物被收集的概率。Zhu 型旋风分离器试验结果(气流流量范围为 1040 L/ min ,粒径范围为 0. 68. 8m 颗粒物)与 Stairmand 高效旋风分离器进行了比较 ,改进后的旋风分离器 ,除尘效率得到提高 ,并且随气流流量的增大而增大;同时 ,对于相同无因次尺寸的旋风分离器来说 ,前者的阻力也小于后者。Y. Zhu 考虑各方面因素给出相应优化综合指标 ,得出改进后的旋风分离器性能优于传统的旋风分离器。但这种改动后的旋风分离器较原有传统旋风分离器结构稍为复杂。由于旋风分离器对微细颗粒物效率较低 ,尤其对粉尘粒径小于 10m 的颗粒的除尘效率随着颗粒直径减小逐渐降低。也就是说 ,在旋风分离器的运行过程中 ,绝大部分微细粉尘穿透了分离区域 ,导致对微细粉尘效率下降。Plomp 等3提出在顶部增加二次分离附件 POC 的方法 图3。POC 二次分离利用排气芯管强旋流作用 ,使微细粉尘受离心力作用向边壁运动 ,并与挡板相撞后通过缝隙掉入挡板下部的壳体中 ,另一部分即使在一开始没有与边壁相撞 ,但由于始终受到离心力的作用 ,在到达 POC 顶部时 ,其中也会有很大一部分通过缝隙处而进入挡板与壳体之间的空间 ,随后由于 POC 中主气流的约 10 %通过缝隙形成渗透流。在渗透流的推动下 ,颗粒物被吹出壳体。研究结果得知 ,在特定结构尺寸和运行条件下总效率比改进前提高了 2 %20 %,POC 的阻力约为旋风分离器本体 10 %,该阻力与渗透气流量无关(在所给参数范围内) 对于直径较大的旋风分离器 ,尤其在原旋风分离器性能不是很高的情祝下 ,加装 POC 的办法能提高旋风分离器的性能 ,特别是对 3m 以上粉尘分离很有效。2. 3 旋风分离器锥体结构的研究现状Xiang Rongbiao 等研究了锥体尺寸对用于大气采样的小型旋风分离器的影响情况 ,以颗粒大小和气流流速为变化参数 ,对 3 个具有不同下部直径锥体的旋风分离器测出了效率。测定结果得知:锥体下部直径大小对旋风分离采样器的效率影响显著 ,但是并不显著影响不同粒径颗粒物效率之间的变化程度。当锥体下部开口部分直径大于排气芯管直径时 ,该锥体参数的减小 ,在不明显增加阻力的前提下 ,采样效率会随之提高;由阻力测试结果还可看出锥体开口部分直径不宜小于排气芯管直径。从理论上讲 ,锥体下部直径减小能引起切向速度的提高 ,从而离心力增大;对于具有相同筒体直径的旋风分离器 ,若锥体开口小 ,则最大切向速度靠近锥壁 ,这使得颗粒能够更好地分离 ,同时 ,如果锥体开口较小 ,涡流将触及锥壁 ,使颗粒又有可能重新进入出气气流 ,但是后者与前者相比对旋风采样器影响较小。所以 ,适当减小锥体下部直径有利于效率的提高。已有分析得出 ,排气管下口直径比(De/ D) 的变化对旋风分离器的效率及压降有显著影响 ,流场测试结果表示直径比减小 ,内旋流区缩小 ,离心力场增强 ，故分离效率提高 ,但压降也急剧上升 ,因此为了解决上述矛盾。陈建义等5提出在减小径比同时 ,在排气管上沿环向开若干条纵向的狭缝。该狭缝一方面增加了气流出口的通流面积 ,从而有效地降低了压降。另外 ,由于开缝方向和环向成一定角度且顺着气流方向 ,所以气流是急剧改变方向后才进人缝隙的。这样气流中所夹带的颗粒则由于惯性大而难以进入狭缝而逃逸 ,从而确保了旋风分离器效率不致下降。并通过试验测出 ,这样不但使效率提高 ,压降也比用常规的排气管低 ,同时还可以有效改善 “顶灰环” 和 “短路流” 等不利影响。同时 ,在一定处理气量下 ,分离空间高度增加后 ,一方面含尘气流在旋风分离器内平均停留时间延长 ,可促进气固进一步分离;另一方面 ,从灰斗及排尘口返混上来的颗粒获得二次分离的机会增多 ,因而可有效抑制返混对分离的不利影响 ,并且分离空间高度的改变几乎不会对压降产生影响。针对循环流化床锅炉飞灰分离器必须具有的特点(即必须具有足够高的分离效率 ,提供足够多的物料进行循环 ,以满足炉内燃烧、 脱硫和传热等方面的需要) ,华中科技大学6、 浙江大学7提出了一种新型的旋风分离器 下排气式旋风分离器(图 4) 。此种新型旋风分离器一般垂直布置 ,它同样是利用旋转含尘气流产生的离心力 ,将粉尘从气流中分离出来的一种气固分离装置。其基本结构类同于上排气旋风分离器 ,只是其排气方式为顺流 ,即于分离器下方采用排气管引出空气 ,气流入口可采用直切式或蜗壳式等型式。含尘气流内筒体侧面沿切向导入 ,气流在筒体内旋转向下 ,大部分气流至排气管排出 ,另有小部分气流则继续下旋 ,到达底板时折转流动方向 ,逆着排气管向上运动到排气口排出 ,分离出来的粉尘则进入锥体灰斗排出。华中科技大学、 浙江大学、 西安交通大学以及清华大学68等单位对这类旋风分离器进行了详尽的试验及理论研究。结果表明 ,该旋风分离器能明显改善锅炉的结构布置 ,而且还可以提高分离效率 ,特别适合于循环床锅炉 ,现已应用于各种容量循环床锅炉的设计。2. 4 旋风分离器排尘结构的研究现状纵观过去的 100 多年 ,旋风分离器的主要研究方向还是集中在进出口状况 ,涡流检测和筒体上 ,相对于排尘结构部分则很少有人注意。国内外只有极少数学者进行过相关的研究。1982 年 Mothes9发现沿筒壁下降的下旋流与从灰斗上升的气流在锥体底部位置交换特别频繁 , 于是他提出在此加一 防混锥的方法。Kirch10也就这一方向做了试验 ,并发现当灰斗满载时 ,防混锥能够提高效率 ,但是对于灰斗不满的旋风分离器 ,防混锥的效果又不是太明显 。由于已有试验表明:锥体底部的下行流量并不为 0 ,表明有一部分气流进入了灰斗 ,因为灰斗底部堵死 ,气流必将反向重新进入锥体的内旋流中 ,这将会搅起已被分离出的颗粒并把其中较细的颗粒再次带入内旋流中 ,产生所谓的 “灰斗返混” 问题 ,这也是影响分离效率的一个重要问题。所以有部分学者提出在旋风分离器锥体底部增设一直管 ,可使含尘气流进入直管后进一步分离。实际上 ,工业应用中经常能看到具有一直管的旋风分离器 (如 CFBC、 PFBC 以及 FCC 等) 。然而 ,除了最早推荐这种结构的 Keche 外 ,国外仅有 Hoffamnn11以及 Stefan Obermair12对此进行过进一步的研究。国内基本没有学者对此进行过研究。Hoffmann 等11是最早对底部加直管旋风分离器进行专门研究的学者之一。他通过试验表明 ,增设直管可以使涡旋尾部停留在直管中(图 6) ,从而增加了旋风分离器的有效分离空间 ,改善了分离性能。Stefan Obermair 等12研究了加直管 ,带防对于混锥和普通的旋风分离器三者的流场 (图7) ,气流轴向速度 ,切向速度和 RMS(均方根值)都绘出图像做出了具体的对比研究。发现在 3种结构中气流都形成了双涡旋结构 ,流动方式基本类似 ,但分离效率却有很大不同。结构A ,也即普通带灰斗旋风分离器 ,锥体中潜在的尾涡流继续进入灰斗 ,由于灰斗中强烈的涡流和低端的高速湍流 ,这种类型的旋风分离器很难有好的分离效率。而对于带防混锥的结构 B ,其灰斗和分离器的粒子交换减少了 ,这也导致了灰斗中流体轴向和切向速度的降低。但是 ,沿外壁的二次气流并没有全部进入灰斗 ,一部分直接流向中间和上升流混合了进入排气管 ,这个情况则会对分离效率产生负面影响。但总的来讲防混锥改善了分离效率。但是增设直管的旋风分离器的流场则比较理想 ,其灰斗中湍流明显减弱 ,大部分区域 RMS 值为 0。从其反折向上的上升涡流随着高度的增加 ,涡流区域越来越小 ,但其切向速度仍很大 ,这样便增大了离心力的作用 ,利于灰粒分离;又由于直管的增设 ,使灰粒更加可能在直管中脱离内涡流而随外涡流下降。可以完全促进外壁二次流通过出灰口 ,二次涡流带动气流从下而上回到旋风分离器分离空间中。但由于灰斗、 直管中气流的高速切向运动和较低湍流的影响。锥体中的流场由于排尘结构的改变而改变 ,但是涡流的结构状况却没有变化。钱付平13也针对灰斗返混 ,对底部加直管的旋风分离器内流场进行了数值模拟 ,发现在接近直管的底部 ,气流切向速度平均 34 m ,而该端面的轴向速度分布也表明气流旋转至此 ,轴向速度接近于 0 ,这足以说明 ,通过增设直管 ,就将涡流尾端引入到直管内了。然而 ,尽管加直管能取得好的分离效果 ,但是直管并不是越长越好 ,应有一最优长度。另外 ,不同筒体直径的旋风分离器对应的最优直管长度是否存在一定的关系以及不同直管长度时旋风分离器内颗粒运动情况还需进一步研究。由于排尘口处于负压较大的部位 ,保证排尘口的严密性对提高分离效率有重要作用。试验数据表明 ,漏风 5 % ,则分离效率降低 50 %;漏风 10 %15 % ,则效率降至 0。反之 ,如能从排尘口抽出部分气流却能提高分离效率。早在1951 年 ,Stairmand14就认为料斗抽气能提高旋风分离器的分离效率 ,但是一直没有被人重视。直到 1986 年 ,Sage & Wright15才对抽气量和抽气位置与分离效率的关系进行了试验研究结果认为 ,料斗抽气比出口管抽气更有效 ,如能从排尘口抽出 10 %的气流 ,可以使排出气体中的含尘浓度减少 40 %。抽出的小股气流经过二次小旋风
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