夏壽敏，譚志洪，劉振峰，陳思敏，熊桂龍

(1.南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330031；2.宜春萬申制藥機(jī)械有限公司，江西 宜春 336000；3.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

旋風(fēng)除塵器是工業(yè)除塵常用的設(shè)備，其分離原理是含塵氣流受到邊界影響強(qiáng)制改變方向產(chǎn)生旋渦運(yùn)動(dòng)，顆粒在離心力作用下與氣流發(fā)生分離進(jìn)入排塵口被捕集，從而達(dá)到氣固分離的目的[1-2]。旋風(fēng)除塵器按照含塵氣流的主流流動(dòng)方向，可分為逆流式與軸流；與逆流式旋風(fēng)除塵器相比，軸流旋風(fēng)除塵器基本不改變氣體主流方向，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)行死角、免維護(hù)，同時(shí)還具有處理氣體能力強(qiáng)，便于設(shè)計(jì)成可拆裝、可清洗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[3]。在食品、制藥、生物工程、精細(xì)化工、建材等對(duì)工作環(huán)境及衛(wèi)生條件要求高的行業(yè)領(lǐng)域，具有較好的應(yīng)用前景。雖然國(guó)內(nèi)外有較多關(guān)于旋風(fēng)除塵器的研究文獻(xiàn)[4-6]，但對(duì)軸流式旋風(fēng)除塵器的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少，尚未見到其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及相關(guān)參數(shù)選取指南，因此，對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器進(jìn)行深入研究并提煉其關(guān)鍵的設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)，對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行具有重要意義。

Klujszo等[7]實(shí)驗(yàn)研究了軸流旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)粉塵分離特性的影響，結(jié)果表明葉片幾何形狀、前后錐、分離距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)粉塵分離效率影響不明顯。文獻(xiàn)[8-9]研究了進(jìn)口風(fēng)速對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器工作性能影響，但其進(jìn)口風(fēng)速在10 m·s-1以下。Li等[10]對(duì)軸流旋風(fēng)分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和進(jìn)氣速度等進(jìn)行了多目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的軸流旋風(fēng)除塵器對(duì)粒徑5 μm以上的顆粒有較好的分離效果。Mao等[11]研究了排塵口抽氣對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器分離效率的影響，結(jié)果表明排塵口抽氣方式能有效增大軸流旋風(fēng)除塵器的分離效率。但其并未進(jìn)一步就抽氣條件下除塵器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析討論。已有關(guān)于軸流旋風(fēng)除塵器的研究更多的是針對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，忽略了筒體直徑等外部結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，且進(jìn)氣速度基本處于低速(10 m·s-1以下)范圍，這極大地限制了軸流旋風(fēng)除塵器除塵性能的提升；另外，已有文獻(xiàn)多是采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)進(jìn)行流體仿真分析[12-14]，忽略了粉塵顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的相互作用。

本文基于CFD-DEM耦合的數(shù)值模擬方法，研究了筒體直徑、進(jìn)氣速度(10 m·s-1以上)、抽氣率等對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣固分離特性的影響，直觀地再現(xiàn)了粉塵顆粒在軸流旋風(fēng)除塵器中整個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程，獲得粉塵顆粒微觀尺度上全面運(yùn)動(dòng)信息，為高效軸流旋風(fēng)除塵器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)與參考。

1 模型與方法

1.1 幾何模型

軸流旋風(fēng)除塵器的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由筒體、導(dǎo)流葉片、葉軸、排塵管、排氣管等組成，主要包括進(jìn)氣區(qū)、葉片區(qū)、旋流分離區(qū)、排塵環(huán)隙區(qū)、排塵管和排氣管。其工作原理為：含塵氣流沿軸向進(jìn)入軸流旋風(fēng)除塵器內(nèi)，在導(dǎo)流葉片作用下，含塵氣流的運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾?，含塵氣流中粉塵顆粒在旋流作用下產(chǎn)生離心力，向壁面運(yùn)動(dòng)，旋流分離區(qū)靠近壁面附近為粉塵顆粒的濃相區(qū)，旋流分離區(qū)中心軸線附近為粉塵顆粒的稀相區(qū)，濃相區(qū)粉塵顆粒經(jīng)排塵環(huán)隙并通過排塵管后實(shí)現(xiàn)沉降或被其他結(jié)構(gòu)捕集，稀相區(qū)的粉塵顆粒與氣流通過排氣管排出。

圖1 軸流旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of axial flow cyclone separator

基于軸流旋風(fēng)除塵器主要結(jié)構(gòu)建立其幾何模型，如圖2所示，部分參數(shù)取值如表1所示。其中D為軸流旋風(fēng)除塵器的筒體直徑，D1為葉片軸直徑，D2為排氣管直徑，D3為排塵管直徑，L1為進(jìn)氣區(qū)長(zhǎng)度，L2為葉軸長(zhǎng)度，L3為旋流段長(zhǎng)度，L4為排氣管長(zhǎng)度，L5為排氣管插入深度，葉片出口角β為53°，葉片數(shù)N為6。

圖2 軸流旋風(fēng)除塵器幾何模型Fig.2 Geometric model of axial flow cyclone separator

表1 軸流旋風(fēng)除塵器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Table of main structure design parameters of axial flow cyclone separator

采用四面體網(wǎng)格對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)空間區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，筒體直徑D分別為50，100，150，200 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)分別為283 545，485 214，694 521，965 412；對(duì)應(yīng)的壁面第1層網(wǎng)格的無量綱高度Y+(垂直于壁面方向)數(shù)值范圍分別在10～200，10～150，10～150，10～140之間。圖3為D=100 mm時(shí)的網(wǎng)格模型示意圖。

圖3 軸流旋風(fēng)除塵器的網(wǎng)格模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid model of axial flow cyclone dust collector

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用CFD-DEM耦合方法求解氣體和粉塵顆粒相的運(yùn)動(dòng)。旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流體流動(dòng)符合強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的特點(diǎn)，選用雷諾應(yīng)力模型(RSM)作為湍流模型[15]。

1.2.1 流體相運(yùn)動(dòng)控制方程

對(duì)于不可壓縮流體，可用N-S方程來描述氣相的流動(dòng)[16]，其連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為:

(1)

式中:ρf為流體密度，ρf=1.205 kg·m-3；αf為空隙率；uf為流體速度，m·s-1。

(2)

式中:p為壓力，Pa；τ為應(yīng)力張量，Pa；Fpf為顆粒相與流體相的動(dòng)量交換，kg·m·s-1；t為時(shí)間；g為重力加速度。

1.2.2 顆粒相運(yùn)動(dòng)控制方程

顆粒運(yùn)動(dòng)過程中所受的力主要包括重力、顆粒之間、顆粒與壁面間的接觸力、摩擦力。顆粒的運(yùn)動(dòng)包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，由牛頓第二定律確定：

(3)

式中:mp,i為顆粒i的質(zhì)量；vp,i為顆粒i的平動(dòng)速度，m·s-1；Fg,i表示重力，N。

(4)

式中：Ip,i為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ωp,i為轉(zhuǎn)動(dòng)速度，rad·s-1；Tt,ij與Tr,ij分別是由切向力和滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的扭矩，N·m。顆粒間接觸力采用Hertz-Mindlin模型描述。

在式(3)中：Fi是單個(gè)顆粒上的流體作用力，根據(jù)氣溶膠力學(xué)中顆粒特有的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)顆粒的受力進(jìn)行分析，得出作用在顆粒上的流體力包括流體曳引阻力Fr,i、saffman剪切提升力Fls,i、壓力梯度力Fp,i和浮力Fa,i：

Fi=Fr,i+Fls,i+Fp,i+Fa,i

(5)

細(xì)顆粒在軸流旋風(fēng)除塵器旋流區(qū)的受力以流體曳力為主導(dǎo)[17]，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，F(xiàn)i只考慮流體曳力，其可通過以下方程計(jì)算：

(6)

式中：kr為動(dòng)力形狀系數(shù)，等于等效粒徑與沉降粒徑之比的平方；ρg為氣體密度，kg·m-3；vg為氣體的速度，m·s-1；CD為阻力系數(shù)，氣溶膠粒子在非穩(wěn)定湍流介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)表達(dá)式為：

(7)

式中：Rep為顆粒雷諾數(shù)，其可表示為

(8)

式中：μ為氣體動(dòng)力黏度，N·s·m-2。

1.2.3 分離效率的計(jì)算

分離效率是評(píng)估分離器性能的重要指標(biāo)。軸流旋風(fēng)除塵器的分離效率可用下式計(jì)算：

(9)

式中：η為分離器的分離效率；n1為入口處顆粒數(shù)量；n2為排氣口處逃逸的顆粒數(shù)量；(n1-n2)為分離器收集的顆粒數(shù)量。

1.2.4 仿真數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

為驗(yàn)證耦合算法和邊界條件的準(zhǔn)確性，本文對(duì)已有文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r條件進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證[18]，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相接近，平均誤差約為9.8%，如圖4所示。

dp/μm圖4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of numerical and experimental results

1.3 參數(shù)設(shè)置

除塵器進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，排氣口設(shè)為outflow，排塵口設(shè)為outflow[12]。其中粉塵顆粒屬性參數(shù)和接觸參數(shù)根據(jù)如表2和表3所示[19]。

表2 材料力學(xué)參數(shù)特性表Tab.2 Mechanical properties of materials

表3 材料間接觸參數(shù)表Tab.3 Contact parameters between materials

有文獻(xiàn)表明對(duì)粒徑大于5 μm顆粒的含塵氣流除塵效率較高，但其對(duì)粒徑5 μm以下的顆粒分離效率仍然不高[20]。因此，本文主要研究進(jìn)氣速度vg、筒體直徑D和抽氣率Q等參數(shù)對(duì)粒徑為2.5 μm細(xì)顆粒在軸流旋風(fēng)除塵器分離效率的影響規(guī)律，為軸流旋風(fēng)除塵器的發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

2 結(jié)果與討論

2.1 筒體直徑對(duì)顆粒濃度分布及分離效率的影響

旋流分離區(qū)內(nèi)顆粒濃度分布一定程度上反映了除塵器的分離特性。旋流分離區(qū)軸線附近顆粒數(shù)量越少、筒體內(nèi)壁面附近顆粒數(shù)量越多，粉塵顆粒更易通過排塵環(huán)隙進(jìn)入排塵管，分離效率增大；本節(jié)研究了筒體直徑D(分別為50，100，150，200 mm)對(duì)除塵器旋流分離區(qū)內(nèi)粉塵顆粒濃度分布及分離效率的影響。

為描述粉塵顆粒在除塵器旋流分離區(qū)的空間濃度分布，可通過取樣統(tǒng)計(jì)旋流分離區(qū)內(nèi)沿軸向與徑向不同位置的顆粒數(shù)量，取樣方法如圖5所示，具體是，在軸線方向，從導(dǎo)流葉片出口到環(huán)形分離區(qū)入口為旋流分離區(qū)，由圖2可知，其沿軸線方向長(zhǎng)度為4D(L=L3-L4=4D)，將旋流分離區(qū)的長(zhǎng)度沿軸向平均分成8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)度均為0.5D；在徑向方向上，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)都分別設(shè)置了直徑為0.7D，0.75D，0.8D，0.85D，0.9D和0.95D，高為0.5D的6個(gè)同軸的圓柱形采樣區(qū)域(其軸線與軸流旋風(fēng)除塵器軸線重合)，然后，對(duì)各圓柱形采樣區(qū)域內(nèi)的粉塵顆粒數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可獲得旋流分離區(qū)內(nèi)顆粒濃度分布情況。

圖5 軸流旋風(fēng)除塵器內(nèi)旋流區(qū)顆粒取樣示意圖Fig.5 Schematic diagram of particle sampling in cyclone zone

采用圖5中的取樣方法，可統(tǒng)計(jì)得到不同筒體直徑條件下各個(gè)圓柱形統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)粉塵顆粒數(shù)量沿軸線方向的變化，如圖6(a)～(d)所示，其橫坐標(biāo)表示除塵器旋流分離區(qū)沿軸向的位置L/D(橫坐標(biāo)值為0，0.5分別表示沿軸線從左往右的第一、二個(gè)取樣區(qū)域，依次類推，橫坐標(biāo)值為3.5表示沿軸線從左往右的第8個(gè)取樣區(qū)域)；縱坐標(biāo)表示各圓柱形取樣區(qū)域內(nèi)粉塵顆粒數(shù)量占總粉塵顆粒數(shù)的百分比q。

由圖6(a)～(d)可知，在L/D=3.5(即從左往右的第8個(gè)取樣區(qū)域)時(shí)，隨著旋流分離區(qū)筒體直徑增大，直徑為0.85D圓柱形取樣區(qū)域內(nèi)的粉塵顆粒含量增大，在筒體直徑為D=50，100，150，200 mm時(shí)，直徑為0.85D圓柱形取樣區(qū)域內(nèi)的粉塵顆粒含量分別為15.2%，32.4%，47%，57.8%。在筒體直徑為D=50，100，150，200 mm時(shí)，模擬計(jì)算得到粉塵顆粒的分離效率分別為85.6%，67.8%，51.2%，40.2%，如圖7所示，對(duì)應(yīng)的從排氣管出口逃逸的粉塵顆粒占比分別為14.4%，32.2%，48.8%和59.8%，逃逸的粉塵顆粒占比與直徑為0.85D圓柱形取樣區(qū)域內(nèi)的粉塵顆粒含量在數(shù)值上很接近，其相差分別為0.8%，0.2%，1.8%，2%，平均差值為1.2%，因此，根據(jù)本文1.1節(jié)中軸流旋風(fēng)除塵器的工作原理，可認(rèn)為直徑為0.85D圓柱形取樣區(qū)域內(nèi)為粉塵顆粒的稀相區(qū)，靠近筒體內(nèi)壁面距離為0.075D的區(qū)域?yàn)轭w粒的濃相區(qū)，濃相區(qū)粉塵顆粒與軸線附近氣流發(fā)生了明顯分離。

由圖6(a)～(d)可知，沿著旋流分離區(qū)軸向位置從左往右，相同直徑圓柱形取樣區(qū)域內(nèi)的粉塵顆粒含量總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，表明粉塵顆粒從葉片出口到進(jìn)入環(huán)隙排塵區(qū)的過程中，軸線附近圓柱形區(qū)域內(nèi)的粉塵顆粒數(shù)量逐漸減小，粉塵顆粒受旋流作用不斷地向筒體內(nèi)壁面附近聚集。但稀相區(qū)中的粉塵顆粒，隨著軸向位置的增加，粉塵顆粒含量先減小，在L/D=3后開始增大，這可能是因?yàn)殡S著含塵氣流沿著軸向往右流動(dòng)，在排氣管進(jìn)口附近的上游，產(chǎn)生了由筒體壁面指向軸線方向的二次流[21]，導(dǎo)致部分已分離的粉塵顆粒受二次流作用又向軸線附近

L·D-1(a) D=50 mm

L·D-1(b) D=100 mm

L·D-1(c) D=150 mm

L·D-1(d) D=200 mm圖6 不同筒體直徑下粉塵顆粒在旋流分離區(qū)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of dust particles in cyclone separation zone under different cylinder diameters

運(yùn)動(dòng)，返回到軸線附近的氣流中，使得軸線附近的圓柱形取樣區(qū)域內(nèi)粉塵顆粒數(shù)量增大。由圖6(a)～(d)還可知，在L/D取2～3時(shí)，旋流分離區(qū)的稀相區(qū)中顆粒含量達(dá)到最小，這意味著更多地粉塵顆粒聚集于筒體壁面附近的濃相區(qū)，粉塵顆粒與軸線附近氣流分離效果最好，因此，軸流旋風(fēng)除塵器的旋流分離區(qū)適宜的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L為2D～3D，即適宜的L/D為2～3。

圖7是筒體直徑對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器粉塵顆粒分離效率的影響規(guī)律。

由圖7可知，隨著旋流區(qū)筒體的直徑減小，分離效率增大，當(dāng)筒體直徑由200 mm減小為50 mm時(shí)，粉塵顆粒的分離效率由40.2%增大到85.6%，這是因?yàn)?，筒體直徑減小，筒體壁面附近濃相區(qū)粉塵顆粒含量增大，通過環(huán)形分離區(qū)進(jìn)入排塵管道的粉塵顆粒越多。因此，適當(dāng)減小旋流分離區(qū)的筒體直徑，可有效增強(qiáng)除塵器的分離效率。

2.2 進(jìn)氣速度對(duì)分離效率的影響

進(jìn)氣速度會(huì)影響軸流旋風(fēng)除塵器葉片出口處含塵氣流的切向速度，從而影響到粉塵顆粒在旋轉(zhuǎn)分離區(qū)的旋轉(zhuǎn)慣性力及分離特性。不同進(jìn)氣速度(10，20，30，40 m·s-1)條件下含塵氣流在軸流旋風(fēng)除塵器內(nèi)切向速度分布如圖8所示。

由圖8可知，從軸流旋風(fēng)除塵器的導(dǎo)流葉片進(jìn)口處開始，含塵氣流的切向速度逐漸增大，在導(dǎo)流葉片出口處達(dá)到最大值，其大小約為進(jìn)氣速度的2.2倍，表明含塵氣流經(jīng)過導(dǎo)流葉片區(qū)后，其沿軸向的流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾?，含塵氣流的切向速度明顯增大；在旋流區(qū)，由于旋轉(zhuǎn)的含塵氣流與除塵器內(nèi)壁面產(chǎn)生摩擦，其切向速度有所減小，而在徑向方向上，從軸線到內(nèi)壁面附近，切向速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，基本符合Rankine組合渦分布。當(dāng)進(jìn)氣速度分別為10，20，30，40 m·s-1時(shí)，含塵氣流的最大切向速度可分別達(dá)到22，44，63，90 m·s-1，這表明，隨著進(jìn)氣速度增大，含塵氣流的最大切向速度顯著增大，有助于旋流區(qū)粉塵顆粒的分離。

圖8 不同進(jìn)氣速度下的切向速度云圖Fig.8 Tangential velocity cloud diagram at different inlet velocities

進(jìn)氣速度對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器中粉塵顆粒分離效率的影響規(guī)律如圖9所示。

vg/(m·s-1)圖9 進(jìn)氣速度對(duì)粉塵顆粒的分離效率的影響Fig.9 Effect of inlet velocityof flue gas on the separation efficiency

由圖9可知，隨著進(jìn)氣速度增大，粒徑為2.5 μm粉塵顆粒的分離效率明顯增大，在進(jìn)氣速度為40 m·s-1時(shí)，其分離效率達(dá)到了81.8%，這表明，適當(dāng)增大進(jìn)氣速度可有效提高軸流旋風(fēng)除塵器的分離效率。

2.3 抽氣率對(duì)分離效率的影響

已有文獻(xiàn)[22]表明排塵管抽氣對(duì)旋風(fēng)除塵器分離效率有重要影響，但較少進(jìn)一步分析討論抽氣對(duì)粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律。本文研究了在抽氣率Q分別為0%，5%，10%，15%條件下顆粒運(yùn)動(dòng)行為規(guī)律及其分離特性。為了便于觀察分析，在抽氣率為0%和5%條件下分別選取了具有代表性粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡作為研究對(duì)象，已分離的粉塵顆粒逃逸軌跡如圖10(a)～(c)所示，由2.1可知，進(jìn)入濃相區(qū)內(nèi)的粉塵顆粒可定義為已分離的粉塵顆粒，可以被收集。

(a) Q=5%

(b) Q=0%

(c) Q=0%圖10 已分離的粉塵顆粒逃逸軌跡Fig.10 Escape trajectory of separated dust particles

圖10(a)是在抽氣率為5%條件下0.06 s時(shí)已分離的粉塵顆粒逃逸軌跡圖，如圖10(a)所示，在0.06 s時(shí)，未分離的粉塵顆粒已從排氣管逃逸，不在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，已分離的粉塵顆粒進(jìn)入了環(huán)隙分離區(qū)，向排塵管方向運(yùn)動(dòng)，不存在已分離的粉塵顆粒從環(huán)隙分離區(qū)反流而進(jìn)入排氣管逃逸現(xiàn)象；在抽氣率為0%條件下，0.06 s和0.075 s時(shí)已分離的粉塵顆粒逃逸軌跡圖分別如圖10(b)和10(c)所示，由圖10(b)和10(c)可知，0.06和0.075 s時(shí)仍有粉塵顆粒從排氣口處逃逸，這些從排氣口逃逸的粉塵顆粒大多是進(jìn)入環(huán)隙分離區(qū)后又重新返回到排氣管中的；由圖10(c)可知，已分離的粉塵顆粒基本位于環(huán)隙分離區(qū)并無沿排塵管運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。根據(jù)氣溶膠粒子沉降規(guī)律，粒徑小于7 μm的細(xì)微粉塵顆粒能長(zhǎng)時(shí)間懸浮于相對(duì)靜止氣流中，且極易受氣流的擾動(dòng)[23]，因此，在抽氣率為0%時(shí)，已分離的粉塵顆粒進(jìn)入排塵環(huán)隙后無法自主沉降進(jìn)入排塵管道，而是易受氣流影響經(jīng)排氣管逃逸。

抽氣率對(duì)軸流旋風(fēng)除塵器分離效率的影響規(guī)律如圖11所示。

由圖11可知，隨著抽氣率增大，軸流旋風(fēng)除塵器的分離效率增大，在抽氣率為0%時(shí)，粉塵顆粒分離效率僅為28.8%，抽氣率為5%時(shí)，粉塵顆粒分離效率為63.0%，其分離效率相較抽氣率為0%時(shí)明顯提高；但隨著抽氣率進(jìn)一步增大，在抽氣率分別為10%和15%時(shí)，對(duì)應(yīng)的分離效率分別為66.0%和67.8%，分離效率增大有限。另外，在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，排塵口的高濃度含塵氣流還需進(jìn)一步通過過濾式除塵器除塵?？紤]到除塵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能，過濾式除塵器的處理風(fēng)量越小越好，因此，適宜的抽氣率為5%。

Q/%圖11 抽氣率對(duì)分離效率的影響Fig.11 Effect of air extraction rates on separation efficiency

D3/D圖12 排氣管直徑對(duì)的影響Fig.12 Effect of the diameters of exhaustpipes on the separation efficiency and

由圖12可知，在抽氣率為5%時(shí)，隨著排氣管直徑增大，排塵環(huán)隙面積減小，粉塵顆粒的分離效率先增大后減小，在排氣管直徑為0.85D時(shí)，細(xì)顆粒的分離效率達(dá)到最大值65%。在排氣管直徑小于0.85D時(shí)，隨著排氣管直徑增大，粉塵顆粒的分離效率增大，這可能是因?yàn)椋S著排氣管直徑增大，分離區(qū)的環(huán)隙面積減小，在抽氣率為5%時(shí)，要保證5%的含塵氣流通過分離區(qū)的環(huán)隙進(jìn)入排塵管道，需增大排塵管出口處抽力p2，導(dǎo)致更多的粉塵顆粒進(jìn)入排塵管道，粉塵顆粒的分離效率增大；當(dāng)排氣管直徑大于0.85D后，隨著排氣管直徑增大，粉塵顆粒的分離效率減小，這主要是因?yàn)椋?.1節(jié)的研究結(jié)果可知，旋流分離區(qū)中粉塵顆粒的濃相區(qū)主要集中在近壁面0.075D范圍內(nèi)，當(dāng)排氣管直徑大于0.85D后，排氣管直徑增大，排氣管進(jìn)口面積增大，環(huán)形分離區(qū)的面積減小，會(huì)導(dǎo)致旋流分離區(qū)的濃相區(qū)中的粉塵顆粒直接進(jìn)入排氣管中逃逸，從而使得粉塵顆粒的分離效率減小。因此，軸流旋風(fēng)除塵器適宜的排氣管直徑為0.85D，適宜的排氣口壓力p1與排塵口壓力p2比值為p1/p2=3。

3 結(jié)論

軸流旋風(fēng)除塵器實(shí)現(xiàn)很高的除塵效率，關(guān)鍵在于提高進(jìn)氣速度，縮小管徑，強(qiáng)化已分離粉塵顆粒的沉降。研究得出以下結(jié)論：

(1)粉塵顆粒在旋流區(qū)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力隨筒體直徑減小而增大，更易分離。本文中筒體直徑為50 mm相較于筒體直徑200 mm的軸流旋風(fēng)除塵器，粉塵顆粒分離效率能夠從40.2%提升到85.6%。參考粉塵顆粒數(shù)在旋流區(qū)的變化曲線圖以及粉塵顆粒的分離效率圖，可將近壁面0.075D的圓管空間設(shè)為粉塵顆粒濃相區(qū)，其與軸心部分的氣流實(shí)現(xiàn)了明顯分離。且在本計(jì)算案例中，旋流區(qū)適宜的長(zhǎng)度為3D。

(2)結(jié)構(gòu)確定后，進(jìn)氣速度決定了粉塵顆粒在旋流區(qū)的切向速度，粉塵顆粒的切向速度越大，越能強(qiáng)化粉塵顆粒在旋流區(qū)與氣流的分離。本文中，粉塵顆粒隨著進(jìn)氣速度由10 m·s-1增加到40 m·s-1時(shí)，分離效率也從63.2%增加到了81.8%。

(3)軸流旋風(fēng)除塵器整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣粒分離的過程，應(yīng)分為旋轉(zhuǎn)分離和收集沉降兩個(gè)階段，其中收集沉降對(duì)系統(tǒng)的分離效率的提升作用明顯。本文中抽氣率為5%左右時(shí)除塵效率較佳，對(duì)應(yīng)的環(huán)隙面積即排氣管直徑為0.85D，壓力比p1/p2=3。