童　聰成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川　成都　610051

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旋風收塵器結(jié)構(gòu)形式對收塵效果的影響研究

童聰
成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川成都610051

摘要在傳統(tǒng)直筒式旋風收塵器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出一種具有新型結(jié)構(gòu)的蝸旋式旋風收塵器，分別對這兩種不同結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器流場進行數(shù)值模擬，對比研究結(jié)構(gòu)形式對速度場、壓力場、顆粒運動軌跡、收塵效率等的影響。結(jié)論是：蝸旋式旋風收塵器的流場特性和收塵效果均優(yōu)于直筒式，該結(jié)論為旋風收塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞旋風收塵器直筒蝸旋結(jié)構(gòu)優(yōu)化流場模擬

0　引言

旋風收塵器是水泥生產(chǎn)工藝中不可或缺的設(shè)備之一，其收塵效果直接影響水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率[1]。傳統(tǒng)的旋風收塵器結(jié)構(gòu)形式為直筒式，其結(jié)構(gòu)特點為：（1）蝸殼為平頂結(jié)構(gòu)，蝸殼的橫截面為對數(shù)螺旋面；（2）筒體為直筒結(jié)構(gòu)[2]。本課題提出一種新型的蝸旋式旋風收塵器，它與傳統(tǒng)旋風收塵器的結(jié)構(gòu)不同在于：（1）蝸旋式的蝸殼為蝸旋和螺旋組合的結(jié)構(gòu)；（2）蝸殼下方與直筒連接部位設(shè)計有縮口。對這兩種不同結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器進行對比研究，通過理論分析和數(shù)值模擬，研究結(jié)構(gòu)形式對旋風收塵器收塵效果的影響，為旋風收塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1　旋風收塵器模型的構(gòu)建

以同一規(guī)格（直徑D為Φ 3 300 mm，高度H為8 000 mm）的兩種不同結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器為對象，根據(jù)其實際尺寸，分別構(gòu)建直筒式和蝸旋式的旋風收塵器流場模型，如圖1所示。

圖1　不同結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器物理模型

2　邊界條件與工況參數(shù)

對直筒式和蝸旋式旋風收塵器的流場模型分別進行數(shù)值模擬研究，采用流體分析軟件進行模擬計算。湍流模型運用RNG k-ε湍流模型[3]，離散方程選用SIMPLE算法求解壓力-速度耦合，旋風收塵器內(nèi)部為強旋流動，且進出口壓力梯度較大，壓力插補選用PRESTO!格式，對流項采用一階迎風格式計算，計算收斂精度為10- 4，其他工況參數(shù)如表1所示。

3　數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1結(jié)構(gòu)形式對速度場的影響

圖2為直筒式和蝸旋式旋風收塵器流場速度云圖的對比，可以看出： 蝸旋式旋風收塵器排氣筒內(nèi)的速度大于直筒式，且速度分布更為均勻； 直筒式旋風收塵器錐體內(nèi)的“速度死區(qū)”（速度較小的區(qū)域）分布范圍多于蝸旋式； 蝸旋式旋風收塵器筒體內(nèi)的速度分布也較直筒式更均勻；蝸旋式旋風收塵器利用邊壁面積更多。因此可以得出，蝸旋式旋風收塵器的流場更為均勻和穩(wěn)定，有利于收塵效率的提高[4]。

表1　旋風收塵器的工況參數(shù)

3.2結(jié)構(gòu)形式對壓力場的影響

圖3為直筒式和蝸旋式旋風收塵器流場壓力云圖的對比，可以看出： 蝸旋式旋風收塵器內(nèi)部整體壓力分布較直筒式更均勻； 直筒式旋風收塵器的進出口壓差約1 100 Pa； 蝸旋式的進出口壓差約700 Pa，因此蝸旋式旋風收塵器的壓損更小，相應的能耗更低。

圖2　不同結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器速度云圖

圖3　不同結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器壓力云圖

3.3結(jié)構(gòu)形式對顆粒軌跡的影響

分別定義粒徑為10 μ m、20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m、60 μ m、70 μ m、80 μ m的顆粒作為離散相噴射源，模擬顆粒在兩種結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器內(nèi)的運動軌跡，結(jié)果如圖4所示。可以看出： 蝸旋式旋風收塵器的入口為蝸旋和螺旋組合的結(jié)構(gòu)，對氣流和顆粒在豎直方向有良好的導向作用，使氣流和顆粒能夠更快地運動到筒體和底部錐體，顆粒滯留時間更短，因此壓損小； 在蝸旋式旋風收塵器內(nèi)，50 μ m~80 μ m粒徑較大的顆粒在從底部錐體向上運動至縮口位置時無法繼續(xù)向上運動，表明縮口對顆粒的逃逸起到了阻礙作用，但縮口的阻礙作用對于粒徑較小的10 μ m~30 μ m顆粒不明顯。

圖4　顆粒在不同結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器內(nèi)的運動軌跡

3.4結(jié)構(gòu)形式對收塵效率的影響

在研究顆粒運動軌跡的基礎(chǔ)上，對噴射和逃逸的顆粒數(shù)量進行統(tǒng)計如表2所示，以收塵效率=捕集顆粒數(shù)/噴射顆粒數(shù)[5]來考察收塵效果，并繪制成如圖5所示的收塵效率曲線對比?？梢钥闯觯?對于粒徑小于約25 μ m的顆粒，蝸旋式旋風收塵器的收塵效率低于直筒式；對于粒徑大于約25 μ m的顆粒，蝸旋式旋風收塵器的收塵效率高于直筒式；整體而言，蝸旋式旋風收塵器的收塵效率高于直筒式。

表2　結(jié)構(gòu)形式對旋風收塵器的收塵效率影響

圖5 不同結(jié)構(gòu)形式的旋風收塵器的收塵效率曲線

4　結(jié)束語

本課題提出了一種新型的蝸旋式旋風收塵器，并對傳統(tǒng)的直筒式和新型的蝸旋式旋風收塵器的流場進行了對比模擬研究，較全面地考察了收塵器的結(jié)構(gòu)對速度場、壓力場、顆粒軌跡、以及收塵效率的影響，并得出以下結(jié)論：

（1）渦旋式旋風收塵器內(nèi)部速度場和壓力場較直筒式更均勻，均勻穩(wěn)定的流場有利于提高收塵效果。

（2）蝸旋式旋風收塵器的壓損小于直筒式，有利于降低系統(tǒng)能耗。

（3）蝸旋式旋風收塵器入口的蝸旋和螺旋組合結(jié)構(gòu)，對氣流和顆粒在豎直方向有良好的導向作用，顆粒運動速度比直筒式更快，顆粒滯留時間更短，收塵速率更高；其頸部的縮口設(shè)計，阻礙了粒徑較大的顆粒逃逸，收塵效果更好。

（4）對于粒徑較大的顆粒，蝸旋式旋風收塵器的收塵效率更高；而對于粒徑較小的顆粒，直筒式的收塵效率更高；整體而言，蝸旋式旋風收塵器的收塵效率高于直筒式。

參考文獻

[1]趙幼琨.對影響旋風收塵器實際收塵效率幾個非結(jié)構(gòu)因素之淺析[J].內(nèi)蒙古石油化工,2006(4):65- 66.

[2]鄧玉華,陶瑛,楊雅新.高效蝸旋式旋風收塵器與傳統(tǒng)收塵器的收塵效率及壓損對比的模擬研究[J].河南建材, 2013(4):45- 47.

[3]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4]王振興,畢榮山,李玉剛,等.入口形狀對旋風分離器性能的影響[J].青島科技大學學報(自然科學版),2012,33(3): 277- 281.

[5]張亞青.旋風除塵器性能的改進及實驗研究[D].河北工業(yè)大學,2008:29- 30.

中圖分類號：TQ172.688.2

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0473(2016)01-0061-03DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.01.012

收稿日期：（2015- 10- 21）