趙 洋，陳建義,2，曹鳴謙，葉 松，孔令勝

(1.中國石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102200；2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102200)

旋風(fēng)分離器是一種利用氣、固密度差和旋流離心力實(shí)現(xiàn)氣、固分離的設(shè)備。離心力的大小與入口氣速密切相關(guān)，但并非入口氣速越高，離心力場越強(qiáng)，分離效率就越高。一般地，旋風(fēng)分離器的分離效率-入口氣速曲線呈“駝峰型”，即存在一個(gè)最佳入口氣速。一旦偏離該最佳氣速，分離效率會(huì)顯著降低，特別是因進(jìn)氣流量減小導(dǎo)致氣速降低時(shí)，效率降低得更快[1-7]。旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)時(shí)，往往選取最大進(jìn)氣流量作為設(shè)計(jì)進(jìn)氣流量，故實(shí)際應(yīng)用時(shí)普遍存在入口氣速低于最佳氣速，也即實(shí)際效率低于最佳效率的情況。

對(duì)此，常見的解決方法是通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，盡可能提高低氣速下的分離效率，使分離效率-入口氣速曲線更加平坦，即擴(kuò)大高效運(yùn)行區(qū)間。例如，孔行健等[8]將PV型旋風(fēng)分離器的排氣管進(jìn)行斜切處理，發(fā)現(xiàn)可以提高分離效率，并降低壓力降。Hoffmann等[9]指出在排塵口下方增設(shè)一定長度的直管段有利于提高旋風(fēng)分離器分離效率。Mothes[10]、Kirch[11]和吳小林等[12-13]發(fā)現(xiàn)，帶有防返混錐的旋風(fēng)分離器對(duì)旋進(jìn)渦核起抑制作用，有利于顆粒的分離，但也會(huì)增大壓力降。高助威等[14]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，提高旋風(fēng)分離器內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的平衡，有利于降低能量損失，從而提高分離效率。錢付平等[15-18]發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器采用具有一定截面角的入口有利于顆粒分離。趙兵濤等[19-20]提出在旋風(fēng)分離器入口區(qū)域設(shè)置回轉(zhuǎn)通道，可提高分離效率。李永健等[21]發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器增設(shè)入口擋板有利于提高切向速度，改善分離性能。袁惠新等[22]通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)對(duì)直切雙入口型旋風(fēng)分離器，其入口高/寬比的最佳值應(yīng)為4.5。針對(duì)螺旋面雙入口旋風(fēng)分離器，梁文龍等[23]研究表明，入口旋轉(zhuǎn)角為90°時(shí)分離效率最高。不過，這些研究雖在一定程度上優(yōu)化了旋風(fēng)分離器的構(gòu)效關(guān)系，但關(guān)注的重點(diǎn)是如何提高設(shè)計(jì)氣速下的分離效率，并未著眼于進(jìn)氣流量大范圍波動(dòng)時(shí)分離效率降低的問題，尤其是對(duì)如何避免進(jìn)氣流量減小后帶來的分離效率陡降現(xiàn)象還缺乏相關(guān)的研究。

筆者首先通過冷態(tài)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究旋風(fēng)分離器入口面積與分離效率的關(guān)系，對(duì)比2種入口面積調(diào)節(jié)方式的優(yōu)劣。同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬，分析不同入口面積調(diào)節(jié)方式對(duì)流場的影響；其次，基于對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了入口面積調(diào)節(jié)比與進(jìn)氣流量偏離程度的定量關(guān)系，據(jù)此設(shè)計(jì)了1種入口面積可變式(VIA型)旋風(fēng)分離器，并測(cè)試了其分離效率隨著進(jìn)氣流量的變化規(guī)律。本研究對(duì)于有效擴(kuò)大旋風(fēng)分離器的高效運(yùn)行區(qū)間具有指導(dǎo)意義。

1 旋風(fēng)分離器入口面積改變方式的研究

1.1 基準(zhǔn)旋風(fēng)分離器

PV型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)簡單，分離性能優(yōu)異，在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[24]，為了考察入口面積對(duì)分離效率的影響，筆者以PV型旋風(fēng)分離器為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)型式和尺寸見圖1。

圖1 PV型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Geometry of a model PV cyclone separator

1.2 側(cè)堵與橫堵型旋風(fēng)分離器

采用不同結(jié)構(gòu)的木塞，設(shè)計(jì)了2種堵塞方式來改變旋風(fēng)分離器入口面積。一種為側(cè)堵入口(Sidely-blocked inlet，稱BS型)，一種為橫堵入口(Transversely-blocked inlet，稱BT型)，2種入口結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。分別將側(cè)堵、橫堵1/2入口面積的旋風(fēng)分離器命名為BS-1/2、BT-1/2，其它型號(hào)以此類推(BS-1/3、BS-2/3；BT-1/3、BT-2/3)。旋風(fēng)分離器入口尺寸見表1。

表1 旋風(fēng)分離器入口尺寸Table 1 Inlet dimensions of the tested cyclone separators

1.3 入口面積改變方式的實(shí)驗(yàn)裝置

入口面積改變方式的實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖3所示。直徑357 mm的水平進(jìn)氣管直接與大氣相連，沿流向依次設(shè)有畢托管(距大氣進(jìn)口3000 mm)和雙螺桿加料機(jī)，含塵氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后，凈化氣體通過出氣管進(jìn)入風(fēng)機(jī)，最后排入大氣。被捕集的顆粒進(jìn)入灰斗中，逃逸顆粒由等動(dòng)采樣裝置收集樣品。

1—Inlet pipe;2—Pitot tube;3—Powder feeder;4—Cyclone separator;5—Outlet pipe;6—Particle sampler;7—Fan;8—Bag filter圖3 入口面積改變方式的實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental system of the changing inlet area

Vin—Inlet velocity;a—Height after plugging；b—Width after plugging圖2 旋風(fēng)分離器側(cè)堵、橫堵入口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagrams of sidely-blocked inlet and transversely-blocked inlet of the cyclone separator(a)Sidely-blocked inlet;(b)Transversely-blocked inlet

實(shí)驗(yàn)氣體為大氣，采用畢托管測(cè)定進(jìn)氣流量；采用U形壓力計(jì)測(cè)量分離器壓力降；采用加塵稱重法測(cè)定分離效率E，設(shè)Gc表示旋風(fēng)分離器捕集粉料的質(zhì)量，Gin表示加入旋風(fēng)分離器的粉料質(zhì)量，則分離效率E=Gc/Gin；采用TSCALE電子秤稱量粉料質(zhì)量，量程0～30.0 kg，精度1.0 g。粉料選用硅微粉，顆粒密度為2650 kg/m3，粒度服從對(duì)數(shù)正態(tài)概率分布，中位粒徑為18.0 μm，均方差1.39。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)氣流量(Qin)為2300～9700 m3/h，入口氣速(Vin)為11.4～25.9 m/s,含塵質(zhì)量濃度為0～10 g/m3。

1.4 入口面積改變方式的數(shù)值模擬

1.4.1 BS型和BT型的幾何模型與網(wǎng)格劃分

數(shù)值分析的目的是進(jìn)一步從流動(dòng)角度，探究不同堵塞方式影響旋風(fēng)分離器分離性能的機(jī)理。筆者采用Fluent軟件，對(duì)BS-1/2型和BT-1/2型分離器內(nèi)部的氣相流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在分離器頂板處的幾何中心點(diǎn)，y坐標(biāo)沿著軸向向上為正，利用ICEM軟件對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，繪制六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在幾何突變處或邊壁區(qū)域網(wǎng)格加密。

圖4 旋風(fēng)分離器的幾何模型、網(wǎng)格劃分Fig.4 Structure and grid of cyclone separators(a)BS-1/2 Type;(b)BT-1/2 Type

1.4.2 BS型和BT型的數(shù)值計(jì)算模型

旋風(fēng)分離器內(nèi)存在三維強(qiáng)旋流動(dòng)，采用能反映強(qiáng)旋流動(dòng)各向異性的雷諾應(yīng)力湍流模型[25](Reynolds stress model，RSM)，壓力梯度采用PRESTO!(Pressure staggering option)方法處理，各方程對(duì)流項(xiàng)均采用QUICK差分格式，壓力速度耦合選用SIMPLEC算法。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口(Pressure outlet)，壓力為大氣壓。計(jì)算時(shí)將各分離器出口管路加長，以保證充分發(fā)展條件成立，采用非穩(wěn)態(tài)耦合求解，時(shí)間步長為1×10-4，直至計(jì)算收斂。

1.4.3 數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證

考慮到網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果的影響，筆者進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，其結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，若將單個(gè)旋風(fēng)分離器的網(wǎng)格數(shù)量控制在80萬個(gè)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差為3.9%，繼續(xù)加密網(wǎng)格后，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)精度影響不大，因此筆者選用的旋風(fēng)分離器網(wǎng)格數(shù)量約為80萬個(gè)。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Grid independence verification

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性，選取進(jìn)氣量為21 m/s，模擬條件為常溫常壓空氣，對(duì)比2種旋風(fēng)分離器純氣相壓力降的實(shí)驗(yàn)值與模擬值，結(jié)果如表2所示。由表2可知，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差最大為4%，表明所采用的計(jì)算模型正確，可以用于旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場分析。

表2 壓力降實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比Table 2 Comparison of pressure drop between experiments and simulations

2 入口面積和改變方式對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能的影響

圖6為PV型、BS型和BT型旋風(fēng)分離器分離效率的實(shí)測(cè)值。由圖6可以看出，對(duì)PV型旋風(fēng)分離器，分離效率-進(jìn)氣流量曲線呈典型的“駝峰”型，即效率隨著進(jìn)氣流量先升高后降低，當(dāng)PV型的進(jìn)氣流量Qin=6743 m3/h時(shí)，其分離效率達(dá)到最高(約94.4%)，該進(jìn)氣流量也稱為最佳進(jìn)氣流量(Qop)，相應(yīng)的入口氣速即最佳氣速。若進(jìn)氣流量低于最佳進(jìn)氣流量，分離效率會(huì)快速下降。對(duì)于BS型和BT型旋風(fēng)分離器，分離效率-進(jìn)氣流量曲線也呈“駝峰型”，存在最佳進(jìn)氣流量，當(dāng)進(jìn)氣流量減小時(shí)，分離效率也會(huì)降低；但BS型、BT型的最佳進(jìn)氣流量比基準(zhǔn)PV型的小，且入口面積越小，最佳進(jìn)氣流量也越小，即相比于PV型旋風(fēng)分離器，曲線的“駝峰”整體往低進(jìn)氣流量方向移動(dòng)，因此在小進(jìn)氣流量工況下，BS型、BT型旋風(fēng)分離器的分離效率可維持在相對(duì)較高的區(qū)間。如當(dāng)進(jìn)氣流量Qin從7000 m3/h 降至5000 m3/h時(shí)，PV型旋風(fēng)分離器的分離效率從94.22%降至92.81%，BS-1/3型旋風(fēng)分離器的分離效率從96.81%降至95.95%，進(jìn)氣流量下降前后，BS-1/3型旋風(fēng)分離器效率平均比PV型高2.87百分點(diǎn)；而BT-1/3型旋風(fēng)分離器的分離效率從95.73%降至94.45%，比PV型平均高1.58百分點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，BS型旋風(fēng)分離器的分離性能優(yōu)于BT型，同樣堵住1/3、1/2、2/3入口面積，BS型旋風(fēng)分離器的分離效率比BT型平均高1.27、0.72、0.79百分點(diǎn)；相同面積下BS型旋風(fēng)分離器的分離效率均高于BT型，當(dāng)進(jìn)氣流量Qin分別為3370、4370、5370 m3/h時(shí)，BS-1/2型旋風(fēng)分離器的分離效率分別比BT-1/2型高約0.77、0.61、0.78百分點(diǎn)。

圖6 BS、BT和PV型旋風(fēng)分離器不同進(jìn)氣流量下分離效率對(duì)比Fig.6 Efficiency comparison of BS,BT and PV type cyclone separators in different gas flow

由此推知：對(duì)PV型旋風(fēng)分離器，當(dāng)進(jìn)氣流量減小后，若入口面積也減小(不論是BT型還是BS型)，則可使入口氣速不降低，甚至還可升高，所以離心力場可能反而增強(qiáng)；加上徑向氣速也隨之減小，氣流對(duì)顆粒的曳力減小，所以分離效率不至降低。

為了驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及推測(cè)，筆者通過流場模擬進(jìn)一步分析。旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流動(dòng)為三維強(qiáng)旋運(yùn)動(dòng)，三維時(shí)均速度分別包括切向、軸向和徑向速度。使用入口氣速(Vin)和筒體半徑(R)對(duì)切向速度(Vt)、軸向速度(Va)、徑向速度(Vr)和徑向位置(r)作無量綱化處理。在分離器內(nèi)部選取2個(gè)軸向截面進(jìn)行對(duì)比分析，截面位置分別為筒體(y=-700 mm)和錐體(y=-2250 mm)分離空間處。三維速度對(duì)比如圖7所示。

由圖7可見，BS-1/2型和BT-1/2型旋風(fēng)分離器的速度分布規(guī)律類似，均呈現(xiàn)內(nèi)、外旋流的分布形式，其中內(nèi)旋流為準(zhǔn)強(qiáng)制渦，外旋流為準(zhǔn)自由渦，切向速度最大值處為內(nèi)、外旋流分界面，且?guī)缀醪谎剌S向而發(fā)生較大改變。BS-1/2型旋風(fēng)分離器的切向速度明顯大于BT-1/2型，如BS-1/2型在筒體及錐體空間中的最大無量綱切向速度分別為1.94和1.94，而BT-1/2型在筒體及錐體空間中的切向速度分別為1.78和1.72，BS-1/2型分別提高了約8.25%和11.3%，有利于分離。在結(jié)構(gòu)上，BS-1/2型旋風(fēng)分離器入口截面中心點(diǎn)距分離器中心更遠(yuǎn)，相同入口氣速下，入口截面氣流的平均動(dòng)量矩比BT-1/2型增加了13.09%，這是BS-1/2型旋風(fēng)分離器切向速度更大的主要原因。

由圖7還可見，BS-1/2型和BT-1/2型旋風(fēng)分離器的軸向速度均呈現(xiàn)雙峰分布，BS-1/2型筒體處的上行軸向速度小于BT-1/2型，這有利于延長顆粒停留時(shí)間，對(duì)顆粒的捕集起到積極作用。徑向速度的分布是非軸對(duì)稱的，徑向速度的增大會(huì)導(dǎo)致在排塵口附近存在“短路流”，對(duì)分離不利。BS-1/2型旋風(fēng)分離器的徑向速度明顯小于BT-1/2型，如BS-1/2型在筒體及錐體空間內(nèi)的最大無量綱徑向速度分別為0.09和0.08，而BT-1/2型的徑向速度分別為0.33和0.16，BS-1/2型徑向氣速只有BT-1/2型的1/3和1/2，故其徑向氣流對(duì)顆粒的曳力減小，有利于分離。在結(jié)構(gòu)上，BS-1/2型旋風(fēng)分離器入口氣流更靠近旋風(fēng)分離器的外壁，入口處的氣流離排氣口較遠(yuǎn)，也在一定程度上抑制了“短路流”。

(1)BS-1/2 Type;(2)BT-1/2 Type圖7 旋風(fēng)分離器內(nèi)軸向截面y=-700 mm處與y=-2250處的三維速度分布Fig.7 Three-dimensional velocity profiles in the horizontal plane at y=-700 mm and y=-2250 mm in cyclone separator(a)Tangential velocity (y=-700 mm);(a’)Tangential velocity (y=-2250 mm);(b)Axial velocity (y=-700 mm);(b’)Axial velocity (y=-2250 mm)；(c)Radial velocity (y=-700 mm);(c’)Radial velocity (y=-2250 mm)

根據(jù)平衡軌道理論，顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)同時(shí)受到方向相反的推移作用[26]，切向速度的離心力使顆粒受到離心方向的推移作用；而徑向速度的曳力又使其受到向心方向的漂移作用。顆粒能否得到分離就取決于上述作用的相對(duì)強(qiáng)弱。若某一顆粒在徑向上無位移，它將在圓形軌道CS圓柱面上回轉(zhuǎn)，圓柱面半徑為該顆粒的平衡軌道半徑，也即是內(nèi)、外旋流分界半徑。平衡軌道原理示意圖如圖8所示。由圖8可知，BS型和BT型的內(nèi)、外旋流分界半徑相近，其平衡軌道半徑也相近，而BS型平衡軌道上的顆粒，切向速度更大，徑向速度更小，即離心力更大，向心曳力更小，因此BS型的顆粒更容易運(yùn)動(dòng)至外側(cè)下行氣流，得到分離。

圖8 “平衡軌道”原理示意圖Fig.8 Diagrammatic sketch of “Equilibrium Orbits”theory

3 入口面積可變式(VIA型)旋風(fēng)分離器的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 面積調(diào)節(jié)方式

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)氣流量減少時(shí)調(diào)節(jié)入口面積，可保持旋風(fēng)分離器分離效率?？紤]到側(cè)堵入口(BS)型旋風(fēng)分離器的分離能力明顯優(yōu)于橫堵入口(BT)型，因此將BS型旋風(fēng)分離器作調(diào)節(jié)入口面積的參考。結(jié)合圖6中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)對(duì)BS型旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣流量Qin和入口面積Sin作無量綱化處理，得出BS型旋風(fēng)分離器入口面積改變與進(jìn)氣流量變化的最佳定量關(guān)系，如圖9所示。

Sin—The entrance area of BS-type cyclone separator;Spv—The entrance area of PV-type cyclone separator；Qin—Inlet flow for BS-type cyclone separators;Qop—Inlet flow at maximum efficiency for PV-type cyclone separators圖9 BS型旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣流量比-入口面積比關(guān)系圖Fig.9 Flowrate ratio-area ratio of BS type cyclone separator

由圖9可以得到，BS型旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣流量比-入口面積比擬合線的定量關(guān)系如式(1)所示，當(dāng)進(jìn)氣流量減小時(shí)，若入口面積也按式(1)等比例地減小，則分離效率可保持不變或有所提高。

(1)

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在上述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了入口面積可變的旋風(fēng)分離器，簡稱VIA型，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。VIA型旋風(fēng)分離器包括分離器本體和入口調(diào)節(jié)組件。入口調(diào)節(jié)組件包括通氣殼體和側(cè)堵?lián)醢?，通氣殼體具有兩端開口的通風(fēng)腔，一端與入口相連，另一端對(duì)外形成進(jìn)氣口，側(cè)堵?lián)醢迨强苫瑒?dòng)的，安裝于矩形入口的內(nèi)側(cè)，且部分結(jié)構(gòu)位于入口內(nèi)；入口調(diào)節(jié)組件還包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它與側(cè)堵?lián)醢暹B接，可帶動(dòng)側(cè)堵?lián)醢遄飨鄬?duì)滑動(dòng)。

對(duì)于VIA型旋風(fēng)分離器，當(dāng)進(jìn)氣流量Qin從Qop下降時(shí)，根據(jù)式(1)由進(jìn)氣流量換算出最佳入口面積Sin，并可據(jù)此得到側(cè)堵?lián)醢迩斑M(jìn)的行程，之后由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將側(cè)堵?lián)醢逡苿?dòng)至合適的位置，實(shí)現(xiàn)入口面積的調(diào)節(jié)。與其他改變?nèi)肟诿娣e的方式相比，VIA型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)合理且緊湊，側(cè)堵?lián)醢逶趽踝〔糠秩肟诿娣e的同時(shí)，也會(huì)改變氣流方向，使氣體獲得了一個(gè)額外的朝向外壁的速度分量，對(duì)氣、固分離更為有利。

1—Cyclone separator;2—Inlet regulating component;3—Ventilation shell;4—Sidely blocked baffle;5—Driving mechanism圖10 VIA型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure diagrams of the VIA type cyclone separator

3.3 VIA型旋風(fēng)分離器性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證VIA型旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)思想，對(duì)其進(jìn)行冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定分離效率和壓力降，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基準(zhǔn)PV型旋風(fēng)分離器進(jìn)行對(duì)比。圖11為VIA型和PV型旋風(fēng)分離器的分離效率對(duì)比，對(duì)進(jìn)氣流量Qin和分離效率E作無量綱化處理。由圖11可以看出，在進(jìn)氣流量減小時(shí)，因?qū)θ肟诿娣e的調(diào)整，以及進(jìn)氣引導(dǎo)段使氣流方向的改變，使VIA型旋風(fēng)分離器的分離效率高于PV型最佳分離效率，并幾乎不受進(jìn)氣流量減小的影響，基本保持穩(wěn)定，達(dá)到了擴(kuò)大分離器高效運(yùn)行區(qū)間的目的。

E—Efficiency for VIA-type cyclone separators;Eop—Maximum efficiency for PV-type cyclone separators;Qin—Inlet flow for VIA-type cyclone separators;Qop—Inlet flow at maximum efficiency for PV-type cyclone separators圖11 VIA型和PV型旋風(fēng)分離器分離效率對(duì)比Fig.11 Efficiency comparison of VIA and PV type cyclone separators

圖12為VIA型和PV型旋風(fēng)分離器的壓力降對(duì)比，對(duì)進(jìn)氣流量Qin和壓力降Δp作無量綱化處理。由圖12可知，由于入口面積減小，入口氣速升高，導(dǎo)致VIA型旋風(fēng)分離器的壓力降要略高于PV型。

Δp—Pressure drop of VIA-type cyclone separators;Δpop—Pressure drop corresponding to inlet flow at maximum efficiency for PV-type cyclone separators;Qin—Inlet flow of VIA-type cyclone separators;Qop—Inlet flow at maximum efficiency for PV-type cyclone separators圖12 VIA型與PV型旋風(fēng)分離器的壓力降對(duì)比Fig.12 Pressure drop comparison of VIA and PV type cyclone separators

4 結(jié) 論

通過冷態(tài)性能實(shí)驗(yàn)，獲得了不同入口面積改變方式對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能的影響，并利用FLUENT軟件模擬了2種分離器的氣相流場，得到更有利的改變?nèi)肟诿娣e的方式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出1種入口面積可變式(VIA型)旋風(fēng)分離器，并對(duì)其進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到以下結(jié)論：

(1)不論側(cè)堵(BS)還是橫堵(BT)，進(jìn)氣流量減小后，入口面積減小都有利于提高旋風(fēng)分離器分離效率，因其入口氣速或切向動(dòng)量矩不至減小，而徑向速度變小。

(2)相比于BT型旋風(fēng)分離器，BS型旋風(fēng)分離器內(nèi)部的切向速度更大，同時(shí)軸向速度、徑向速度更小，有利于分離，因此BS型旋風(fēng)分離器的分離能力優(yōu)于BT型。

(3)VIA型旋風(fēng)分離器設(shè)置有入口面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可在進(jìn)氣流量減小時(shí)，合理地減小入口面積，從而保持合適的入口氣速，保證分離效率的穩(wěn)定，達(dá)到進(jìn)氣流量減小下穩(wěn)定高效運(yùn)行的目的。當(dāng)進(jìn)氣流量從最佳進(jìn)氣流量Qop遞減時(shí)，VIA型的分離效率幾乎不受進(jìn)氣流量減小的影響，一直平穩(wěn)地保持在較高的效率水平上。

符號(hào)說明：

a——矩形入口的高度，mm；

b——矩形入口的寬度，mm；

E——旋風(fēng)分離器的分離效率，%；

Eop——旋風(fēng)分離器在PV型最佳進(jìn)氣流量下的分離效率，%；

Δp——旋風(fēng)分離器的壓力降，Pa；

Δpop——旋風(fēng)分離器在PV型最佳進(jìn)氣流量下的壓力降，Pa；

Qin——進(jìn)氣流量，m3/s；

Qop——PV型旋風(fēng)分離器的最佳效率進(jìn)氣流量，m3/s；

r——徑向位置，m；

R——筒體半徑，m；

Sin——旋風(fēng)分離器的入口面積，m2；

Spv——PV型旋風(fēng)分離器的入口面積，m2；

Vin——旋風(fēng)分離器的入口速度，m/s；

Va——旋風(fēng)分離器內(nèi)水平面軸向速度，m/s；

Vr——旋風(fēng)分離器內(nèi)水平面徑向速度，m/s；

Vt——旋風(fēng)分離器內(nèi)水平面切向速度，m/s；

y——軸向截面位置，mm；

φ——旋風(fēng)分離器直徑，mm。