旋风分离器的次流分析.

旋风分离器的次流分析装控1305第一组王天娇刘伯川刘玉东王及尊孙帅李超媛张文华0次流概念及研究意义概念旋风分离器流场中轴向速度与径向速度的合成，不利于分离，影响分离性能的各种流动状态。研究意义旋风分离器内的流场足一个复杂的湍流流场，次流流动对分离器的分离性能有较大的影响，分析其内部的细微结构，对改善分离器性能有重要的现实意义和工程使用价值。顶灰环（环形空间二次涡流）短路流偏流（排尘口附近的二次涡）常见的次流运动：形成机理影响改善措施1顶灰环1.1形成机理气流进入旋风分离器后,受到涡壳结构的约束作用,直行气流开始转向形成旋转流,流体产生离心力,外侧压力增大,内侧压力减小。而在上顶板附近,由于器壁摩擦阻力的影响,旋转气体的切向速度相对较小,压力低于下部切向速度产生的压力,气体从外侧壁的高压区域流向上部的低压区域。结果气体首先沿着外壁上升,到顶板处向内侧径向流动,到升气管外壁处再沿着器壁下行,结果在环形空间的纵截面上形成垂直于主流的二次涡流(见图1)。这种二次涡流从入口开始形成一直扩展到整个环形空间。二次涡流的强度随着切向速度的增大而增大。图1顶灰环1.1形成机理顶灰环存在的分析进入旋风分离器环形空间的颗粒,不仅受到重力和离心力的作用,而且还受向心曳力和二次涡流中气流的上行曳力的影响。在环形空间的外顶角区域,颗粒在水平方向受到的气体切向速度产生的离心力与向心径向速度产生的曳力平衡;而在垂直方向上行气流的曳力与颗粒的重力平衡(见图1),结果使颗粒悬浮在环形空间的外顶角区域。在旋转气流的作用下,悬浮颗粒跟随气流旋转,并不断有颗粒的积累,最后形成了顶灰环。在环形空间的其他区域,颗粒的受力达不到使之悬浮的平衡,不具备产生顶灰环的条件。气流旋转过程中,一方面顶灰环中的颗粒不断向内运动,脱离顶灰环;另一方面又不断有颗粒补充进来,形成了一个动态平衡。顶灰环中颗粒的量与二次涡流的大小密切相关,二次涡流越强,悬浮的颗粒越多,顶灰环的尘含量也越多。因此,二次涡流是产生顶灰环的主要原因。顶灰环对分离性能的影响旋风分离器环形空间的顶灰环中的颗粒是在离心力的作用下浓缩到器壁上的,但没有被捕集下来,结果形成了一个颗粒扩散的灰源。流场测量表明升气管表面气流不同于表面外的气流,切向速度比较小,离心分离能力差,气流接近于倾斜下行,见图2。结果顶灰环的颗粒在二次涡流的作用下沿着升气管的外表面下行,虽然颗粒在环形空间的下行过程中存在着被分离的可能,仍有一部分通过升气管下口逃逸，降低了分离效率。图2升气管表面的气流1.2影响此外,顶灰环在入口区域与入口气流交汇,进口气流在外侧旋转浓度比较低,在灰带内侧旋转浓度比较高,受到入口气流的挤压,部分颗粒脱离器璧,向内旋转,直接进入升气管的短路流逃逸。因此顶灰环的存在对颗粒的分离过程是不利的。在高浓度条件下的实验过程中,顶灰环的浓度和范围是比较大的,逃逸颗粒的总量比低浓度条件下的要多,但与入口量相比是降低的,因此高浓度时旋风分离器的分离效率是增加的。图2升气管表面的气流1.2影响加帽旋风分离器可以消弱顶灰环和入口气流之间的互相干扰,但其顶灰环浓度远大于常规旋风分离器,灰环的范围也较大,充满了整个上部环形空间,颗粒扩散的面也随之增大.。这样灰环中颗粒沿排气管外壁下行,直接进入排气管内逃逸的几率增大,同时高浓度灰环中颗粒的扩散能力强,这些导致了加帽旋风分离器分离效率的下降,该下降为1个百分点以上,进一步证实了顶灰环对颗粒分离过程的不利影响。1.2影响环形空间的径向速度比较低,切向速度分布比较均匀,是旋风分离器颗粒分离过程的主要部位。采用螺旋顶板旋风分离器或轴流导叶式旋风分离器虽然可以消除顶灰环,但失去了环形空间的分离功能,总的分离性能是下降的。平顶板型旋风分离器受到旋风分离器结构形式的限制,环形空间产生二次涡流是不可避免的,顶灰环的存在也是难以消除的。但通过以下措施都可以有效的削弱顶灰环的不利影响：(1)适当延长升气管的长度,增加顶灰环下行颗粒的路程,可以减少颗粒逃逸的几率;(2)保持升气管内径不变,加大升气管外径,降低环形空间的宽度,提高环形空间的切向速度,抑制顶灰环的增大和对分离过程的影响;(3)采用筒锥型升气管,升气管下口采用锥形结构,具有与(2)相同的作用。1.3改善措施形成机理影响因素改善措施2短路流形成机理：旋风分离器环形空间内存在自筒壁流向升气管外壁的二次流，这部分夹带有待分离颗粒的气流最终会沿着升气管外壁下行，并由升气管下口排出，即通常讲的短路流（图b）。图32.1形成机理计算方法：短路流中夹带颗粒量的多少直接影响分离器的效率，而短路流总量的大小也成为评估分离器性能的一个重要指标。由于实际测量短路流量比较困难，通常工程中按照短路流量占进口总气量的１０％～３０％进行粗略估计。较为具体的数值计算方法主要有两种：一是升气管下方一定高度范围内升气管延长以后柱面的面积与平均径向速度的乘积；另一种是取升气管下方一定距离的横截面，根据平均下行速度估计下行流量，计算与入口流量的差值得到短路流量。2.1形成机理环形空间二次涡对短路流非对称的影响：图4为排气管入口附近不同方位下行流量对比。从图4中可以看出，各个方位的下行流量差别较大，其中0°方位的下行流量最大，45°方位的下行流量最小，也说明排气管入口附近的流场呈现强烈的非轴对称性。由于简体空间的结构是轴对称的，因此排气管入口附近流场呈现强烈非轴对称性主要是受到环形空间流场非轴对称性的影响。图4排气管入口附近不同方位下行流量对比2.2影响因素入口气速对短路流的影响：图5为不同速度时，排气管下口附近下行流量变化，入口速度为10、20、30m／s时，其对应短路流量分别为0．03950、0．08516、0．11456m3／s。由此可见，短路流流量与分离器进口气速关系密切，随着入口气速增加，短路流流量增加。短路流量越大，对分离性能越不利。图5不同进口速度短路流比较2.2影响因素改进措施：（1）采用具有一定截面角的进口结构；（2）采用多进口降进口气速结构（需要保证进口流量对称）；（3）加减阻结构。2.3改善措施形成机理影响因素改善措施3偏流（排尘口附近的二次涡）3.1形成机理图6为排尘口附近：z=1300mm、进口气速为20m／s，温度为20℃时切向速度沿周向的分布。从图6中可以看出，排尘u附近的流场极不对称。切向速度沿周向变化明显，特别是在内旋流区，90°与225°处的切向速度大小相差近15m／s。另外，225°方位最小切向速度出现在半径为5mm处，其他方位切向速度最小值出现的位置接近于分离器几何中心，但未完全与之重合。图6排尘口附近切向速度沿周向分布如图7所示，轴向速度沿周向变化也很明显，不同方位，上下行流分界点位置不同，例如45°与180°方位的分界点相差21mm。另外，不论在内旋流区还是外旋流区，不同方位的轴向速度大小相差较大，0°和180°处的轴向速度大小最大相差12m／s。图7排尘口附近轴向速度沿周向分布3.1形成机理图8是分离空间各个截面气流旋转中心偏离旋风分离器几何中心的时均值。在接近灰斗入口处的气流旋转中心偏离几何中心最严重，这是因为进入灰斗的下行流和从灰斗返混的气体在此处的相互作用比较剧烈，使得气流旋转中心严重偏离了几何中心，容易形成一些比较大的涡流。图8气流旋转中心偏离几何中心的时均值综上所述，排尘口附近不对称的流场分布及偏离几何中心的旋转气流是二次流的产生的基础条件。3.1形成机理排尘口附近二次涡的分布形态:图9和图10分别为茗=0、Y=0纵剖面速度等值线图。可以看出，排尘口上部的二次涡分布范围大，沿周向分布不对称，且尺寸大小不一。0°截面A处二次涡是由于上下行流的直接作用引起的，其位置紧靠排尘口，尺寸为排尘口直径的一半。图90～180°(x=0)排尘口纵剖面速度等线图3.1形成机理B、C、D处二次涡是由于中心涡核偏离几何中心而引起的，其径向最大尺寸大约lOOmm，与锥体下口直径相当，轴向尺寸大约是径向尺寸的两倍。下行气流进入灰斗后，流动空间突然增大，从而在灰斗上部亦有二次涡流存在。图1090-270°(y=0)排尘口纵剖面速度等线图3.1形成机理进口风速对排尘口附近湍流强度的影响规律:湍流强度系旋涡脉动速度和能量的度量，是脉动速度的均方根平均值。湍流强度越大，说明流体漩涡脉动速度越大。图11为进口气速与排尘口附近湍流强度的关系。从图15中可以看出，随着进口气速由l0m／s增加到30m／s，湍流强度逐渐增加，且湍流强度沿径向分布形状发生变化，由直线稳定分布逐渐变为正弦周期分布。由此可见，进口气速越高，锥体内越易产生二次涡。图11进口风速与锥体内湍流强度的关系3.2影响因素改善措施：1）降低入口气速；2）顺应气流翻转流动之势，设立防返混结构，在空间结构上隔离气流与已分离微粒。防返混结构示意图3.3改善措施谢谢观看！