谈旋风除尘器尺寸关联与阻力计算

1谈旋风除尘器尺寸关联与阻力计算胡宝林旋风除尘器是利用旋转气流的惯性离心力将灰尘从空气中分离出来的干式净化除尘设备，所以也称作离心除尘器或沙克龙除尘器（cyclone）。旋风除尘器的发明至今已有百余年历史，随着研究的不断深入，制作技术已很成熟，各部分的尺寸有一定的比例关系。除尘器主要由进口、筒体、锥体和排风口组成，通过大量试验研究取得了一些实用阻力计算公式。由于它结构简单、安全防火、制作和运行成本低，对10m以上的粉尘净化效率高于90%，得到普遍推广，多年来在棉花加工厂除尘系统中广泛应用。棉花加工厂主要靠气力输送，含尘废气很多，一般需要配置旋风除尘器80～100个，但除尘效率较低、性能差异较大，主要原因有两个，一是生产线设计人员只注重主机设备而忽视通风除尘器系统设计。二是有些具体制作人员文化水平低、缺乏理论基础、不具备设计计算能力、仅凭师傅传授的一点经验数据，缺乏科学性和系统性，因此出现了通风除尘系统漏风大、阻力大、能耗大、效率低等问题。除尘器效率低不仅造成环境污染，而且也会影响气力输送系统正常运行，其风量、风压与气力输送管网系统密切相关。因此，本文将从基本原理入手，分析各部尺寸关联，并以常见的下旋55型和60型旋风除尘器为例进行尺寸计算和阻力计算。一、工作原理含尘气流由切向进口进入除尘器后，沿筒体和锥体内壁自上而下做高速旋转运动，向下旋转的气流称为外涡旋。外涡旋到达锥体底部后，转而向上，沿轴心向上旋转，向上旋转的气流叫内涡旋，最后经排风管排出。气流做旋转运动时，尘粒在惯性离心力的推动下，向气流形成的旋转体外援移动，当到达内壁边缘时，粉尘颗粒会与内壁接触释放能量并在重力的作用下，沿壁面滑落到底部的出杂口。如图一所示。2图一旋风除尘器工作原理示意图气流从顶部向下旋转时，顶部压力下降，部分气流会带着细小尘粒沿外缘旋转向上，到达顶部后再沿排风管外壁旋转向下，经排风管排除，这部分旋转气流称为上涡旋。显然上涡旋的存在会影响除尘效率，应尽量避免。除掌握上述基本原理外，还要把握下面几个关键技术点：1、外涡旋的切向速度随半径r的减少而增加，在内、外涡旋交界面上达到最大值。内外涡旋交界面的半径00.60.65prr≈～，pr—排风管半径。内涡旋的切向速度随r的减小而减小，类似于刚体的旋转运动。2、由于内涡旋气流高速向上旋转，即使除尘器在正压下工作，其底部仍有较大的负压。因此除尘器必须做好密封，如果底部漏气就会使大量气流从底部补入形成向上的气流，将已分离下来的粉尘重新带走。据有关资料介绍：漏风率1%，除尘效率降低5%～10%；漏风率5%，除尘效率降低50%；漏风率10%～15%，除尘效率接近于零。二、尺寸关联适应不同粉尘性质的旋风式除尘器种类很多，分下旋、内旋、外旋、扩散型等多种，其尺寸规格、处理风量、压损、除尘效率都有一定差异，没有统一的规格标准，但其总体比例关系是有一定范围的。棉花加工厂含尘气流性质与粮食加工行业3及棉纺企业相类似。可参照他们常用的旋风除尘器规格进行设计。目前棉花加工行业制作的旋风除尘器规格较乱、性能较差。现将收集整理的常见旋风除尘器尺寸比例关系介绍如下，供设计人员参考。如表一所示。表一常见旋风除尘器各部尺寸比例关系名称一般常用外筒直径（D0）直筒高（L1）L1=(0.5-2）D0L1=2D0锥筒高（L2）L1=(2-2.5）D0L2=2D0排风管直径（De）De=（0.3-0.6）D0De=0.5D0排风管长（L）L=（0.3-0.75）D0L=0.33D0进风口高（C）C=（0.4-0.5）D0C=0.5D0进风口宽（B）B=（0.2-0.25）D0B=0.25D0排灰口直径（Dd）Dd=（0.15-0.4）D0Dd=0.25D0进风口面积（A）A=BCA=BC半锥角(α)13°-15°进口高宽比2-4表一中尺寸比例关系并不是唯一标准，要结合实际需要灵活运用。但不要大幅度的偏离这些比例关系。另外还要注意以下几点：1、在相同的切向速度下，筒体直径越小，粉尘颗粒所受的离心力越大，除尘器所能分离的粉尘颗粒越小，除尘效率越高。但如果筒体直径过小，大颗粒粉尘也可能反弹到中心气流中被带走；2、合适的长度可使进入除尘器的尘粒增加停留时间，增加被分离的机会；3、排风管直径越小，除尘效率越高，但压损也越大，一般取0.50.6pDD～；4、排气管的下部至气流下降的最低点的距离叫特征长度，可参照亚历山大公式设计，1232.3pDlDA下面以粮食加工行业常用的下旋55型和下旋60型旋风除尘器为例，列表并结合结构示意图进行详细的说明。表中的数值是以外筒直径1200mm为基准进行计4算的，请重点关注计算公式栏中各部尺寸与外筒尺寸之间的比例关系。1、下旋55型旋风除尘器55型旋风除尘器是指中间的排风管直径pD与上部圆柱形筒体直径D之间的尺寸关系，即0.55pDD。如图二所示。其各部分尺寸关系如表二所示。5下旋55型旋风除尘器规格表二名称单位数值计算公式外筒直径（D）mm1200设定基本规格排风管直径（d）mm660d=0.55D外筒高（h）mm960h=0.8D锥筒高（h1）mm2400h1=2D进风口高（C）mm540C=0.45D进风口宽（b）mm270b=0.225D进风口面积（A）m20.1458A=Cb排风管下端长（E）mm120E=0.1D排杂口宽（a）mm100-200尺寸范围2、下旋60型旋风除尘器60型旋风除尘器是指中间的排风管直径pD与上部圆柱形筒体直径D之间的尺寸关系，即0.6pDD。如图三所示。其各部分尺寸关系如表三所示。6下旋60型旋风除尘器规格表三名称单位数值计算公式外筒直径（D）mm1200设定基本规格排风管直径（d）mm720d=0.6D7外筒总高（L）mm5004L=4.17D外筒高（h）mm2604h=2.17D锥筒高（h1）mm2400h1=2D进风口高（C）mm696C=0.58D进风口宽（b）mm240b=0.2D进风口面积（A）m20.16704A=Cb排风管下端长（E）mm936E=0.78D排杂口宽（a）mm100-200尺寸范围三、阻力计算1、风量计算除尘器的处理风量是由物料输送系统决定，必须大于或等于输送系统风量，除尘器进口风速由进口风量和截面积决定，55型进口风速一般在1017/ms～，60型进口风速一般在12/ms～18。风量的计算公式：36003600QAhb。式中Q—为进口风量，3/mh；A—为进口截面积，2m；—为进口风速，/ms。选择的风速大小直接关系到除尘器的体积大小和压损大小，风速低，体积大；风速高，压损大。同一风速，筒体直径越大处理风量越大，但压损也会逐渐增加。实践证明，入口风速宜低不宜高，如表四和表五所示。下旋55型旋风除尘器处理风量（m3/h)表四D（/ms）1011121314151617A（2m）H（aP）3434124915796687858839912500.00632302502702853203403653853000.00912303603954254604905255553500.01244454905355806256707157604000.01625856407007608158759359904500.020473581088095510301100117512505000.025391010001095118512751370146015506000.03641310144015701700183519652100223087000.0496179019652145232025002680260030408000.0648233525702800305032703500373539709000.08202950324535403840413544304725502010000.10123645401043754740510554705835620012000.14585250577063006820735078708400892014000.198571407860857092901000010720114301215016000.259293301026011200121301306014000149301586018000.32811181012990141701535016530177101890020070下旋60型旋风除尘器处理风量（m3/h)表五D（/ms）12131415161718A（2m）H（aP）3924615306086977858732500.00713072333583834094344603000.01034454825195565936306673500.01396006507017518018519014000.01827868529179831048111411794500.02309941076115912421325140814905000.028512311334143615391642174418475500.034514901615173918631987211122366000.041017711919206622142360250926577000.056824602660287030803270349037008000.074232103470374040104270454048109000.0940406044004740507054105750609010000.1160501054305850626066807100752012000.167072207820842090209620102201082014000.2274982010640114601228013100139101473016000.2970128301390014970160401710018110191802、阻力计算表四和表五中给出的阻力只是入口风速确定情况下各种规格的平均数，要细算9各个规格除尘器的压损还需要进行公式计算。阻力计算方法有多种，分别介绍如下：①速度分布指数（也称旋转速度指数或涡旋指数）n有以下两个计算公式：0.30.14110.35283TnD，公式一0.30.14110.67283TnD，公式二（亚历山大公式Alexander）公式一中D为圆筒直径，cm；公式二中D为圆筒直径，m；T为气体的绝对温度，K。②除尘器阻力系数各种规格的旋风除尘器的局部阻力系数，一般通过实测再反推取得，据资料介绍，55型阻力系数实测值5.7，60型阻力系数实测值4.6。可以作为设计的参考。也可以通过已经推导出的旋风除尘器局部阻力系数公式进行计算，但计算结果可能与实测结果有一定差异，这也不是谁更准确的问题，因为实测的条件不同可能结果也不同，公式也是按某一特定状态下计算的，所以需要综合分析确定。下面介绍局部阻力系数的计算公式。2211110.650.65nnpprDnrnD公式（三）式中—除尘器的局部阻力系数；pr—排风管半径；r—筒体半径；n—速度分布指数，可按公式计算，也可直接取值0.50.9n～。216pAD公式（四）式中—除尘器的局部阻力系数；A—除尘器进口截面积，2m；10pD—排风管直径，m。21pKADDhh公式（五）式中—除尘器的局部阻力系数；K—系数，20～40，一般取30；A—除尘器进口截面积，2m；pD—排风管直径，m；h—直筒高，m；1h—锥筒高，m。③阻力计算22H公式（六）式中H—旋风除尘器局部阻力，aP；—除尘器的局部阻力系数；—空气密度，3/kgm；—除尘器进口气流速度，/ms。3、计算实例分析例如：外吸籽棉管道直径360mm，输送量8.5/th，输送风速24/ms，风量38817/mh，管道及卸料器等总漏风率30%，已选择籽棉输送（兼卸料排尘）风机52911№8.5C2450r/