旋風(fēng)分離器的次流分析

1、 旋風(fēng)分離器的次流分析裝控1305第一組王天嬌 劉伯川 劉玉東 王及尊 孫帥 李超媛 張文華0 0次流概念及研究意義概念概念 旋風(fēng)分離器流場(chǎng)中軸向速度與徑向速度的合成，不利于分離，影響分離性能的各種流動(dòng)狀態(tài)。研究研究意義意義 旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場(chǎng)足一個(gè)復(fù)雜的湍流流場(chǎng)，次流流動(dòng)對(duì)分離器的分離性能有較大的影響，分析其內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)，對(duì)改善分離器性能有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程使用價(jià)值。頂灰環(huán)（環(huán)形空間二次渦流）短路流偏流（排塵口附近的二次渦）常見(jiàn)的次流運(yùn)動(dòng)：常見(jiàn)的次流運(yùn)動(dòng)： 形成機(jī)理 影響 改善措施1頂灰環(huán)頂灰環(huán)1.1 1.1 形成機(jī)理形成機(jī)理 氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器后,受到渦殼結(jié)構(gòu)的約束作用,直行氣流開(kāi)始轉(zhuǎn)

2、向形成旋轉(zhuǎn)流,流體產(chǎn)生離心力,外側(cè)壓力增大,內(nèi)側(cè)壓力減小。 而在上頂板附近,由于器壁摩擦阻力的影響,旋轉(zhuǎn)氣體的切向速度相對(duì)較小,壓力低于下部切向速度產(chǎn)生的壓力,氣體從外側(cè)壁的高壓區(qū)域流向上部的低壓區(qū)域。結(jié)果氣體首先沿著外壁上升,到頂板處向內(nèi)側(cè)徑向流動(dòng), 到升氣管外壁處再沿著器壁下行,結(jié)果在環(huán)形空間的縱結(jié)果在環(huán)形空間的縱截面上形成垂直于主流的二次渦流截面上形成垂直于主流的二次渦流(見(jiàn)圖見(jiàn)圖1) 。 這種二次渦流從入口這種二次渦流從入口開(kāi)始形成一直擴(kuò)展到整個(gè)環(huán)形空間開(kāi)始形成一直擴(kuò)展到整個(gè)環(huán)形空間 。 二次渦流的強(qiáng)度隨著切向速二次渦流的強(qiáng)度隨著切向速度的增大而度的增大而增大。增大。 圖1頂灰環(huán) 1.

3、1 1.1 形成機(jī)理形成機(jī)理頂灰環(huán)存在的分析頂灰環(huán)存在的分析 進(jìn)入旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的顆粒,不僅受到重力和離心力的作用,而且還受向心曳力和二次渦流中氣流的上行曳力的影響。在環(huán)形空間的外頂角區(qū)域,顆粒在水平方向受到的氣體切向速度產(chǎn)生的離心力與向心徑向速度產(chǎn)生的曳力平衡; 而在垂直方向上行氣流的曳力與顆粒的重力平衡(見(jiàn)圖1) ,結(jié)果使顆粒懸浮在環(huán)形空間的外頂角區(qū)域。在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下,懸浮顆粒跟隨氣流旋轉(zhuǎn),并不斷有顆粒的積累,最后形成了頂灰環(huán)。 在環(huán)形空間的其他區(qū)域,顆粒的受力達(dá)不到使之懸浮的平衡,不具備產(chǎn)生頂灰環(huán)的條件。 氣流旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,一方面頂灰環(huán)中的顆粒不斷向內(nèi)運(yùn)動(dòng),脫離頂灰環(huán);另一方面又不

4、斷有顆粒補(bǔ)充進(jìn)來(lái),形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。 頂灰環(huán)中顆粒的量與二次渦流的大小密切相關(guān),二次渦流越強(qiáng), 懸浮的顆粒越多,頂灰環(huán)的塵含量也越多。 因此因此, 二次渦流是產(chǎn)生二次渦流是產(chǎn)生頂灰環(huán)的主要原因。頂灰環(huán)的主要原因。頂灰環(huán)對(duì)分離性能的影響頂灰環(huán)對(duì)分離性能的影響 旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的頂灰環(huán)中的顆粒是在離心力的作用下濃縮到器壁上的,但沒(méi)有被捕集下來(lái),結(jié)果形成了一個(gè)顆粒擴(kuò)散的灰源。 流場(chǎng)測(cè)量表明升氣管表面氣流不同于表面外的氣流, 切向速度比較小,離心分離能力差,氣流接近于傾斜下行,見(jiàn)圖2 。 結(jié)果頂灰環(huán)的顆粒在二次結(jié)果頂灰環(huán)的顆粒在二次渦流的作用下沿著升氣管的外渦流的作用下沿著升氣管的外表面下行表面下

5、行,雖然顆粒在環(huán)形空間雖然顆粒在環(huán)形空間的下行過(guò)程中存在著被分離的的下行過(guò)程中存在著被分離的可能可能,仍有一部分通過(guò)升氣管下仍有一部分通過(guò)升氣管下口口逃逸，降低了分離效率。逃逸，降低了分離效率。圖2升氣管表面的氣流1.2 1.2 影響影響 此外,頂灰環(huán)在入口區(qū)域與入口氣流交匯,進(jìn)口氣流在外側(cè)旋轉(zhuǎn)濃度比較低,在灰?guī)?nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)濃度比較高,受到入口氣流的擠壓,部分顆粒脫離器璧,向內(nèi)旋轉(zhuǎn),直接進(jìn)入升氣管的短路流逃逸。 因此頂灰環(huán)的存在對(duì)因此頂灰環(huán)的存在對(duì)顆粒的分離過(guò)程是不利的顆粒的分離過(guò)程是不利的 。 在高濃度條件下的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,頂灰環(huán)的濃度和范圍是比較大的,逃逸顆粒的總量比低濃度條件下的要多, 但與入

6、口量相比是降低的,因此高濃度時(shí)旋風(fēng)分離器的分離效率是增加的。圖2升氣管表面的氣流1.2 1.2 影響影響 加帽旋風(fēng)分離器可以消弱頂灰環(huán)和入口氣流之間的互相干擾,但其頂灰環(huán)濃度遠(yuǎn)大于常規(guī)旋風(fēng)分離器,灰環(huán)的范圍也較大,充滿了整個(gè)上部環(huán)形空間,顆粒擴(kuò)散的面也隨之增大.。 這樣灰環(huán)中顆粒沿排氣管外壁下行,直接進(jìn)入排氣管內(nèi)逃逸的幾率增大,同時(shí)高濃度灰環(huán)中顆粒的擴(kuò)散能力強(qiáng),這些導(dǎo)致了加帽旋風(fēng)分離器分離效率的下降,該下降為1個(gè)百分點(diǎn)以上,進(jìn)一步證實(shí)了頂灰環(huán)對(duì)顆粒分離過(guò)程的不利影響。1.2 1.2 影響影響 環(huán)形空間的徑向速度比較低,切向速度分布比較均勻,是旋風(fēng)分離器顆粒分離過(guò)程的主要部位。采用螺旋頂板旋風(fēng)分

7、離器或軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器雖然可以消除頂灰環(huán),但失去了環(huán)形空間的分離功能,總的分離性能是下降的。 平頂板型旋風(fēng)分離器受到旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)形式的限制, 環(huán)形空間產(chǎn)生二次渦流是不可避免的,頂灰環(huán)的存在也是難以消除的。但通過(guò)以下措施都可以有效的削弱頂灰環(huán)的不利影響：(1)適當(dāng)延長(zhǎng)升氣管的長(zhǎng)度,增加頂灰環(huán)下行顆粒的路程,可以減少顆粒逃逸的幾率;(2)保持升氣管內(nèi)徑不變,加大升氣管外徑,降低環(huán)形空間的寬度,提高環(huán)形空間的切向速度,抑制頂灰環(huán)的增大和對(duì)分離過(guò)程的影響; (3)采用筒錐型升氣管,升氣管下口采用錐形結(jié)構(gòu),具有與(2 )相同的作用。 1.3 1.3 改善措施改善措施 形成機(jī)理 影響因素 改善措施2

8、短路流短路流形成機(jī)理：形成機(jī)理： 旋風(fēng)分離器環(huán)形空間內(nèi)存在自筒壁流向升氣自筒壁流向升氣管外壁的二次流管外壁的二次流，這部分夾帶有待分離顆粒的氣流最終會(huì)沿著升氣管外壁下行，并由升氣管下口排出，即通常講的短路流（圖b）。 圖32.1 2.1 形成機(jī)理形成機(jī)理計(jì)算方法：計(jì)算方法： 短路流中夾帶顆粒量的多少直接影響分離器的效率，而短路流總量的大小也成為評(píng)估分離器性能的一個(gè)重要指標(biāo) 。由于實(shí)際測(cè)量短路流量比較困難，通常工程中按照短路流量占進(jìn)口總氣量的 進(jìn)行粗略估計(jì)。較為具體的數(shù)值計(jì)算方法主要有兩種：一是升氣管下方一定高度范圍內(nèi)升氣管延長(zhǎng)以后柱面的面積與平均徑向速度的乘積；另一種是取升氣管下方一定距離的橫

9、截面，根據(jù)平均下行速度估計(jì)下行流量，計(jì)算與入口流量的差值得到短路流量。2.1 2.1 形成機(jī)理形成機(jī)理環(huán)形空間二次渦對(duì)短路流非對(duì)環(huán)形空間二次渦對(duì)短路流非對(duì)稱(chēng)的影響：稱(chēng)的影響： 圖4為排氣管入口附近不同方位下行流量對(duì)比。從圖4中可以看出，各個(gè)方位的下行流量差別較大，其中0方位的下行流量最大，45 方位的下行流量最小，也說(shuō)明排氣管入口附近的流場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非軸對(duì)稱(chēng)性。由于簡(jiǎn)體空間的結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱(chēng)的，因此排氣管排氣管入口附近流場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈非軸對(duì)入口附近流場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈非軸對(duì)稱(chēng)性主要是受到環(huán)形空間流場(chǎng)稱(chēng)性主要是受到環(huán)形空間流場(chǎng)非軸對(duì)稱(chēng)性的影響。非軸對(duì)稱(chēng)性的影響。圖4 排氣管入口附近不同方位下行流量對(duì)比2.2 2

10、.2 影響因素影響因素入口氣速對(duì)短路流的影響：入口氣速對(duì)短路流的影響： 圖5為不同速度時(shí)，排氣管下口附近下行流量變化，入口速度為10、20、30ms時(shí)，其對(duì)應(yīng)短路流量分別為003950、008516、011456m3s。由此可見(jiàn)，短路流流量與分離器進(jìn)口氣速短路流流量與分離器進(jìn)口氣速關(guān)系密切，隨著入口氣速增加，關(guān)系密切，隨著入口氣速增加，短路流流量增加。短路流量越短路流流量增加。短路流量越大，對(duì)分離性能越不利。大，對(duì)分離性能越不利。圖5 不同進(jìn)口速度短路流比較2.2 2.2 影響因素影響因素改進(jìn)措施：改進(jìn)措施：（1）采用具有一定截面角的進(jìn)口結(jié)構(gòu)；（2）采用多進(jìn)口降進(jìn)口氣速結(jié)構(gòu)（需要保證進(jìn)口流量對(duì)

11、稱(chēng)）；（3）加減阻結(jié)構(gòu)。2.3 2.3 改善措施改善措施 形成機(jī)理 影響因素 改善措施3偏流（排塵口附近的二次渦）3.1 3.1 形成機(jī)理形成機(jī)理 圖6為排塵口附近：z=1300mm、進(jìn)口氣速為20ms，溫度為20時(shí)切向速度沿周向的分布。從圖6中可以看出，排塵u附近的流場(chǎng)極不對(duì)稱(chēng)。切向速度沿周向變化明顯，特別是在內(nèi)旋流區(qū)，90與225處的切向速度大小相差近15ms。另外，225方位最小切向速度出現(xiàn)在半徑為5mm處，其他方位切向速度最小值出現(xiàn)的位置接近于分離器幾何中心，但未完全與之重合。圖6 排塵口附近切向速度沿周向分布 如圖7所示，軸向速度沿周向變化也很明顯，不同方位，上下行流分界點(diǎn)位置不同，

12、例如45與180方位的分界點(diǎn)相差21mm。另外，不論在內(nèi)旋流區(qū)還是外旋流區(qū)，不同方位的軸向速度大小相差較大，0和180處的軸向速度大小最大相差12ms。圖7 排塵口附近軸向速度沿周向分布3.1 3.1 形成機(jī)理形成機(jī)理 圖8是分離空間各個(gè)截面氣流旋轉(zhuǎn)中心偏離旋風(fēng)分離器幾何中心的時(shí)均值。在接近灰斗入口處的氣流旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何中心最嚴(yán)重，這是因?yàn)檫M(jìn)入灰斗的下行流和從灰斗返混的氣體在此處的相互作用比較劇烈，使得氣流旋轉(zhuǎn)中心嚴(yán)重偏離了幾何中心，容易形成一些比較大的渦流。圖8 氣流旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何中心的時(shí)均值 綜上所述，排塵口附近不對(duì)稱(chēng)的流場(chǎng)分布及偏離幾何綜上所述，排塵口附近不對(duì)稱(chēng)的流場(chǎng)分布及偏離幾何中

13、心的旋轉(zhuǎn)氣流是二次流的產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件。中心的旋轉(zhuǎn)氣流是二次流的產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件。3.1 3.1 形成機(jī)理形成機(jī)理排塵口附近二次渦的分布排塵口附近二次渦的分布形態(tài)形態(tài): 圖9和圖10分別為茗=0、Y=0縱剖面速度等值線圖?？梢钥闯?，排塵口上部的二次渦分布范圍大，沿周向分布不對(duì)稱(chēng)，且尺寸大小不一。0截面A處二次渦是由于上下行流的直接作用引起的，其位置緊靠排塵口，尺寸為排塵口直徑的一半。 圖9 0180(x=0)排塵口縱剖面速度等線圖3.1 3.1 形成機(jī)理形成機(jī)理 B、C、D處二次渦是由于中心渦核偏離幾何中心而引起的，其徑向最大尺寸大約lOOmm，與錐體下口直徑相當(dāng)，軸向尺寸大約是徑向尺寸的兩倍。下行氣流進(jìn)入灰斗后，流動(dòng)空間突然增大，從而在灰斗上部亦有二次渦流存在。圖10 90-270(y=0)排塵口縱剖面速度等線圖3.1 3.1 形成機(jī)理形成機(jī)理進(jìn)口風(fēng)速對(duì)排塵口附近湍流強(qiáng)進(jìn)口風(fēng)速對(duì)排塵口附近湍流強(qiáng)度的影響規(guī)律度的影響規(guī)律: 湍流強(qiáng)度系旋渦脈動(dòng)速度和能量的度量，是脈動(dòng)速度的均方根平均值。湍流強(qiáng)度越大，說(shuō)明流體漩渦脈動(dòng)速度越大。 圖11為進(jìn)口氣速與排塵口附近湍流強(qiáng)度的關(guān)系。從圖15中可以看出，隨著進(jìn)口氣速由l0ms