王衛(wèi)兵，孫亞權，馮靜安，喻俊志, 2，張?恒

縫隙式排氣管對旋風分離器的性能影響

王衛(wèi)兵1，孫亞權1，馮靜安1，喻俊志1, 2，張?恒1

(1. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832000；2. 中國科學院自動化研究所復雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室，北京 100190)

為降低傳統(tǒng)旋風分離器工作時排氣管內(nèi)氣流高速旋轉造成的大量能量損失，將Lapple型旋風分離器的排氣管改進為縫隙式排氣管，利用數(shù)值模擬和實驗的方法分析了縫隙式排氣管對旋風分離器的性能影響．采用RSM模型對氣相流場的切向速度、靜壓、流動軌跡、湍流強度以及壓降進行數(shù)值模擬，采用多相流模型中的DPM模型對分離器的分離效率和顆粒運動軌跡進行仿真分析．仿真分析結果與實驗驗證結果吻合度較好，有較高的預報精度．最終結果表明，縫隙式排氣管可使傳統(tǒng)旋風分離器的壓降下降6.8%，分離效率提升5.5%；當排氣管上縫隙長度或寬度增加至一定數(shù)值，分離器的分離效率達到最大．隨著排氣管上縫隙長度或寬度的增加，旋風分離器的分離效率逐漸趨于穩(wěn)定，壓降持續(xù)降低；排氣管上的矩形縫隙可使排氣管內(nèi)產(chǎn)生旋進渦核(PVC)現(xiàn)象，隨著縫隙長度的增加，旋進渦核現(xiàn)象有所減弱，縫隙寬度的變化對旋進渦核現(xiàn)象影響較小；縫隙式排氣管可有效抑制普通排氣管中心處回流區(qū)的產(chǎn)生，并使普通排氣管底部以及外旋流的湍流強度降低，從而減少排氣管底部的短路流，提高分離效率．通過觀察不同顆粒粒徑的電石渣顆粒的運動軌跡，可知Lapple型旋風分離器與新型旋風分離器內(nèi)部流場呈現(xiàn)出有利于固體顆粒分離的組合渦結構，排氣管結構的改變并未影響分離腔的原始渦流結構．

旋風分離器；縫隙式排氣管；壓降；分離效率；流動軌跡

旋風分離器是一種重要的氣固分離設備，由于其具有制造成本低、消耗動力小、分離效率高等特點被廣泛應用于化工、煉油、礦山等生產(chǎn)領域[1]．旋風分離器的主要功能是除去氣體中攜帶的固體粉塵顆粒，其內(nèi)部工作機理是利用氣流高速旋轉帶來的慣性離心力將氣流中的固體顆粒分離出去．旋風分離器一般由入口、排氣管、柱段、錐段、排塵口和集灰器等組成[2]．排氣管是旋風分離器的一個重要組件，不同排氣管的結構和尺寸將會對旋風分離器的分離效率和壓力損失造成重要影響[3-5]．

許多科研工作者對分離器排氣管的尺寸以及結構進行研究并取得了一定的科研成果．Li等[6]改變了通用旋風分離器排氣管的結構，最終得到了最優(yōu)的分離效率和壓降．Hesham[7]使用流場仿真軟件Fluent對旋風分離器排氣管的半徑以及長度進行優(yōu)化設計，發(fā)現(xiàn)排氣管的半徑對壓降影響較大，排氣管半徑和旋風分離器筒體半徑的比值在0.3～0.7之間時，旋風分離器具有最優(yōu)特性．Chen等[8]改進了普通旋風分離器的排氣管，通過數(shù)值模擬分析后發(fā)現(xiàn)其分離效率比普通旋風分離器提高了4.6%～7.9%，但壓力損失明顯增加．Khairy等[9]和Brar等[10]采用數(shù)值仿真方法分析了具有不同排氣管半徑的旋風分離器，發(fā)現(xiàn)排氣管半徑的減小可以增大分離效率以及減小壓降，同時加劇流場的紊亂．Zhu等[11]研究了幾種不同排氣管長度下旋風分離器的分離效率，發(fā)現(xiàn)排氣管的長度和插入深度對分離效率影響較大．Gao等[12]采用RSM模型研究了油氣分離用旋風分離器的排氣管高度和半徑對其性能的影響，結果表明排氣管半徑的減小將會導致旋風分離器內(nèi)壓力損失和流場切向速度減小. Farzad等[13]研究了排氣管偏置對旋風分離器特性的影響，發(fā)現(xiàn)排氣管軸線相對于分離腔軸線的偏置會增大旋風分離器能量消耗以及降低效率．Pei等[14]在傳統(tǒng)Lapple型旋風分離器的排氣通道內(nèi)嵌入了十字金屬片，對其研究后發(fā)現(xiàn)十字金屬片可以增大切向速度，提高分離效率，十字金屬片長度以及寬度的增加可減小排氣管內(nèi)的內(nèi)旋流直徑，從而使旋風分離器的壓降減?。?/p>

傳統(tǒng)旋風分離器工作時，凈化后的氣體由排氣管排出時仍具有較高的旋轉速度，此時排氣管內(nèi)氣流較高的旋轉速度對分離毫無益處，并帶來大量的能量損耗．本研究中，為降低旋風分離器工作時排氣管內(nèi)氣流旋轉造成的大量能量損失，提高分離效率，將Lapple型旋風分離器的排氣管底部封閉，在其壁面設置矩形縫隙，矩形縫隙具有不同的長度和寬度，運用Fluent軟件對具有此種縫隙式排氣管的旋風分離器模擬分析．采用RSM模型與DPM模型對旋風分離器內(nèi)部的氣相與顆粒相流場進行仿真，探求其內(nèi)部流場分布特性，結合實驗驗證最終揭示縫隙式排氣管對旋風分離器的性能影響．

1?實?驗

1.1?旋風分離器尺寸和排氣管結構

本文所使用的旋風分離器采用切向進氣口形式，圖1為旋風分離器的尺寸圖和網(wǎng)格圖．

（a）尺寸圖 （b）網(wǎng)格圖

圖2(a)所示為改進后的排氣管結構，其矩形縫隙的長度和寬度各設定為5種，包括0.2e、0.3e、0.4e、0.5e和0.6e，此時分別對應的縫隙長度和寬度為定值，均為0.6e．圖2(b)所示為3個測量位置．為便于分析縫隙式排氣管對旋風分離器性能的影響，將分離器的排氣管設計為可更換且縫隙可調(diào)形式．旋風分離器的結構參數(shù)見表1．

（a）縫隙式排氣管結構?????（b）測量位置

表1?旋風分離器的結構參數(shù)

Tab.1?Structure parameters of the cyclone separator

1.2?實驗裝置和流程

如圖3所示，實驗設備是由排塵口處裝有灰斗的旋風分離器、進氣管路、排氣管路和風機等組成的吸風式負壓流動管路，壓力降入口測量點設置在進口處，出口測量點設置在排氣管出口，實驗在常溫下進行．實驗過程中的粉料選取經(jīng)研磨后密度為2234kg/m3的電石渣顆粒，使用激光粒度分析儀測定經(jīng)篩分后的電石渣的顆粒粒度分布情況，分析結果如表2所示，其中含量是指當前粒徑范圍內(nèi)電石渣顆粒質量占總質量的百分比，累計是指當前粒徑范圍內(nèi)電石渣含量開始，將百分比由上而下累加至最后一項所得結果．

表2?電石渣顆粒粒徑分布

Tab.2?Particle size distribution of the calcium carbide slag

在實驗過程中，打開風機，將空氣通入旋風分離器內(nèi)，通過變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)風機的電機轉速來控制旋風分離器入口速度為14m/s，待流速穩(wěn)定后，將電石渣顆粒通過給料裝置從旋風分離器給料口均勻加入，保持電石渣顆粒的入口速度與氣流速度一致．加料2min后，計算灰斗收集的電石渣顆粒質量與進料口處加入的電石渣顆粒質量的比值求得旋風分離器的分離效率，使用U型壓力計測量入口測量點與出口測量點之間的壓力差．

（a）實驗裝置實物圖

（a）縫隙長度對靜壓分布的影響

（b）縫隙寬度對靜壓分布的影響

Fig.11 Static pressure distribution of the cyclone separa-tor in z＝0.105m section

3.3.3?流動軌跡

如圖12(a)為Lapple型旋風分離器內(nèi)部流場的流線圖，圖12(b)為帶有縫隙式排氣管的旋風分離器內(nèi)部流場的流線圖．由圖12(a)和(b)可以看出旋風分離器內(nèi)部流場存在明顯的內(nèi)外旋流區(qū)，且兩種旋風分離器的外旋流均為向下的準自由渦，內(nèi)旋流均為向上的準強制渦．圖12(a)和(b)中兩種不同旋風分離器內(nèi)部流場中的區(qū)域出現(xiàn)了“短路流”現(xiàn)象，“短路流”現(xiàn)象是指從旋風分離器入口進入的含塵氣流未經(jīng)過分離腔分離便直接進入排氣管排出的現(xiàn)象，多發(fā)生在排氣管下口附近，這種現(xiàn)象對分離產(chǎn)生不利影響，降低分離效率[19]，對比圖12(a)和(b)中區(qū)域，可知排氣管的改進減少了傳統(tǒng)排氣管底部附近“短路流”現(xiàn)象的產(chǎn)生，由此可解釋圖6中排氣管縫隙長度為0.2e時旋風分離器的分離效率高于Lapple型旋風分離器的原因．

圖12(a)中區(qū)域出現(xiàn)了“回流”現(xiàn)象，當排氣管中氣流的軸向速度由排氣管壁面至中心處降低并且速度梯度較大，甚至中心處出現(xiàn)負值時，此時將產(chǎn)生“回流”現(xiàn)象，排氣管中心附近產(chǎn)生的“回流”現(xiàn)象必然導致排氣管內(nèi)流動阻力增加，從而造成相應的能量損失[20]．如圖12(b)所示，排氣管中心處不存在“回流”現(xiàn)象，底部的封閉結構有效抑制了回流區(qū)的產(chǎn)生，降低了能量損失．圖12(c)為圖12(b)中區(qū)域的局部放大，由圖可知，排氣管的底部雖然封閉，但是并未影響內(nèi)旋流氣流的排出．

????（a）Lapple型旋風分離器 ????（b）帶有縫隙式排氣管的旋風分離器 （c）圖(b)C區(qū)域的局部放大

3.3.4?湍流強度

圖13所示為具有不同排氣管結構的旋風分離器內(nèi)流場的湍流強度云圖，將Lapple型旋風分離器與帶有縫隙式排氣管的旋風分離器對比后發(fā)現(xiàn)，排氣管的改進不僅影響了排氣管內(nèi)的湍流強度分布，而且影響了整個分離腔的湍流強度分布．Lapple型旋風分離器的最小湍流強度出現(xiàn)在錐段底部(圖13(a)中區(qū)域)附近，最大湍流強度出現(xiàn)在排氣管底部附近(圖13(a)中區(qū)域)．對于帶有縫隙式排氣管的旋風分離器，其最小湍流強度出現(xiàn)在排氣管封閉部位的底部(圖13(a)中區(qū)域)，最大湍流強度出現(xiàn)在縫隙附近(圖13(a)中區(qū)域)，并且相對于Lapple型旋風分離器排氣管底部附近的湍流強度有所降低．圖13中旋風分離器＝0.080m處的湍流強度即為排氣管底部附近的湍流強度，此部位的湍流強度過大易造成“短路流”現(xiàn)象[21]，縫隙式排氣管有效地降低了傳統(tǒng)排氣管底部附近的湍流強度，改善了排氣管底部的“短路流”現(xiàn)象，由此解釋了圖13(b)中區(qū)域相對于圖13(a)中區(qū)域“短路流”現(xiàn)象減少的原因．

Pei等[14]發(fā)現(xiàn)排氣管內(nèi)的湍流強度和錐段內(nèi)旋流的湍流強度對旋風分離器影響較小，外旋流湍流強度的減小可提高分離效率．將圖13中Lapple型旋風分離器和帶有縫隙式排氣管且矩形縫隙長度為0.2e的旋風分離器對比分析，可得出Lapple型旋風分離器外旋流(圖13(a)中區(qū)域)的湍流強度明顯大于排氣管改進后旋風分離器相同部位的湍流強度，由此可得排氣管的改進降低了旋風分離器外旋流流場的湍流強度，提高了分離效率．對比具有不同結構參數(shù)縫隙式排氣管的旋風分離器的湍流強度分布可知，排氣管矩形縫隙附近湍流強度較大，隨著排氣管上矩形縫隙長度和寬度的增加，外旋流流場的湍流強度有輕微減小，對分離效率影響較?。?/p>

（a）縫隙長度對湍流強度影響

（b）縫隙寬度對湍流強度影響

圖13 旋風分離器在z＝0.080m和y＝0處的湍流強度云圖

Fig.13 Contours of turbulence intensity of cyclone sepa-rator in z＝0.080m and y＝0section

3.3.5?顆粒運動軌跡

圖14所示為不同顆粒粒徑電石渣固體顆粒在兩種分離器中的運動軌跡．由圖14可知，傳統(tǒng)Lapple型旋風分離器與新型旋風分離器內(nèi)部流場均為有利于固體顆粒分離的組合渦結構，少量細小顆粒由排氣口排出，大部分較粗顆粒由排塵口排出．當排氣管上縫隙長度或寬度為0.2e時，帶有縫隙式排氣管的旋風分離器排氣口排出的細微固體顆粒明顯少于Lapple型旋風分離器排氣管排出的固體顆粒，由此可得出改進后的分離器分離效率提高．觀察圖14中具有不同結構參數(shù)排氣管的旋風分離器可知，當縫隙的長度或寬度由0.3e逐漸增加時，由于矩形縫隙的面積逐漸增大，此時縫隙處氣流將逐漸受到入口處氣流的影響，“短路流”現(xiàn)象的產(chǎn)生也將增加，嚴重降低分離效率．當縫隙長度或寬度大于0.3e時，短路流現(xiàn)象持續(xù)存在，分離效率變化不大，此時排氣管所排出的固體顆粒數(shù)目與Lapple型旋風分離器排氣管排出顆粒數(shù)目相近，因此導致分離效率相近，由顆粒運動軌跡所得出的分離效率變化規(guī)律與圖6中固體顆粒分離效率變化規(guī)律一致，進一步解釋縫隙寬度大于0.3e后，分離器分離效率降低并逐漸穩(wěn)定的原因．

（a）縫隙長度對顆粒軌跡的影響

（b）縫隙寬度對顆粒軌跡的影響

圖14?不同顆粒粒徑電石渣顆粒在兩種分離器中的運動軌跡

Fig.14?Trajectory of carbide slag particles with different particle sizes in two kinds of separator

4?結?論

(1) 根據(jù)實驗結果可得，旋風分離器采用縫隙式排氣管，并且當排氣管上矩形縫隙的長度為0.2e、寬度為0.6e時，其兩個重要性能參數(shù)相對于Lapple型旋風分離器均有提高，其分離效率可提高5.5%，壓降可降低8.8%．

(2) 排氣管上的縫隙可使排氣管內(nèi)產(chǎn)生增加系統(tǒng)阻力的旋進渦核現(xiàn)象，旋進渦核現(xiàn)象隨著縫隙長度的變小而逐漸明顯，縫隙寬度的改變對旋進渦核現(xiàn)象影響較?。?/p>

(3) 縫隙式排氣管可以解決普通排氣管內(nèi)產(chǎn)生的中心回流問題，減小排氣管底部附近的湍流強度，從而改善短路流現(xiàn)象，最終降低能量損失，提高分離效率．

(4) 排氣管上縫隙寬度或長度為0.2e時，分離器的性能相對Lapple型旋風分離器較好．當排氣管上縫隙的長度或寬度大于0.3e時，分離器的分離效率有所降低，壓力損失仍然降低．隨著縫隙長度或寬度的增加，分離效率趨于穩(wěn)定，壓力損失持續(xù)減小．

［1］ Hiraiwa Y，Oshitari T，F(xiàn)ukui K，et al. Effect of free air inflow method on fine particle classification of gas-cyclone[J]. Separation and Purification Technology，2013，118(4)：670-679.

［2］ Hoffmann A C，Stein L E. Gas Cyclones and Swirl Channels：Principles，Design and Operation[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2004.

［3］ Lim K S，Kim H S，Lee K W. Characteristics of the collection efficiency for a cyclone with different vortex finder shapes[J]. Journal of Aerosol Science，2004，35(6)：743-754.

［4］ Tan F，Karagoz I，Avci A. The effects of vortex finder dimensions on the natural vortex length in a new cyclone separator[J]. Chemical Engineering Communications，2016，203(9)：1216-1221.

［5］ Raoufi A S，Mehrzad，F(xiàn)arzaneh M E，et al. Numerical simulation and optimization of fluid flow in cyclone vortex finder[J]. Chemical Engineering and Processing，2008，47(6)：128-137.

［6］ Li Q，Xu W W，Wang J，et al. Performance evaluation of a new cyclone separator (Part I)：Experimental results[J]. Separation and Purification Technology，2015，141(1)：53-58.

［7］ Hesham M E. Improving cyclone performance by proper selection of the exit pipe[J]. Applied Mathematical Modelling，2013，37(7)：5286-5303.

［8］ Chen J H，Liu X. Simulation of a modified cyclone separator with a novel exhaust[J]. Sparation and Purification Technology，2010，73(2)：100-105.

［9］ Khairy E，Chris L. Numerical modeling of the flow field and performance in cyclones of different cone-tip diameters[J]. Computers and Fluids，2011，51(1)：48-59.

［10］ Brar L S，Sharma R P，Dwivedi R. Effect of vortex finder diameter on flow field and collection efficiency of cyclone separators[J]. Particulate Science and Technology，2015，33(1)：34-40.

［11］ Zhu Y，Lee K W. Experimental study on small cyclones operating at high flowrates[J]. Journal of Aerosol Science，1999，30(10)：1303-1315.

［12］ Gao X，Chen J F，F(xiàn)eng J M，et al. Numerical investigation of the effects of the central channel on the flow field in an oil-gas cyclone separator[J]. Computers and Fluids. ，2014，92(1)：45-55.

［13］ Farzad P，Seyyed H H，Goodarz A，et al. Impacts of the vortex finder eccentricity on the flow pattern and performance of a gas cyclone[J]. Separation and Purification Technology，2017，187(1)：1-13.

［14］ Pei B B，Yang L，Dong K J，et al. The effect of cross-shaped vortex finder on the performance of cyclone separator[J]. Powder Technology，2017，313(3)：135-144.

［15］ 馮靜安，唐小琦，王衛(wèi)兵，等. 基于網(wǎng)格無關性與時間獨立性的數(shù)值模擬可靠性的驗證方法[J]. 石河子大學學報：自然科學版，2017，35(1)：52-56.

Feng Jing’an，Tang Xiaoqi，Wang Weibing，et al. Reliability verification method of numerical simulation based on grid independence and time independence[J]. Journal of Shehezi University：Natural Science，2017，35(1)：52-56(in Chinese).

［16］ 李?琴，鄒?康，劉海東，等. 基于顆粒受力的旋風分離器沖蝕機理的研究[J]. 流體機械，2017，45(3)：42-47.

Li Qin，Zou Kang，Liu Haidong，et al. The erosion mechanism research of cyclone based on force operating of particles[J]. Fluid Machinery，2017，45(3)：42-47(in Chinese).

［17］ Sujeet K S，Prashant S，Pradyumna G. The effect of modeling of velocity fluctuations onprediction of collection efficiency of cyclone separators[J]. Applied Mathematical Modelling，2013，37(8)：5774-5789(in Chinese).

［18］ 唐守強. 基于CFD的旋風分離器性能參數(shù)影響研究[D]. 淄博：山東理工大學，2015.

Tang Shouqiang. CFD Study of the Parameters Affecting the Performance of a Cyclone Separator[D]. Zibo：Shandong University of Technology，2015(in Chinese).

［19］ 戚貴強. 多效旋風分離器的性能研究[D]. 青島：青島科技大學，2010.

Qi Guiqiang. Study on Performance of Multi-Effect Cyclone Separator[D]. Qingdao：Qingdao University of Science and Technology，2010(in Chinese).

［20］ 王建軍，王連澤，劉成文. 旋風分離器排氣管內(nèi)流動分析及減阻機理[J]. 過程工程學報，2005，5(3)：251-254.

Wang Jianjun，Wang Lianze，Liu Chengwen. Research on the flow field in the exit tube and the mechanism of pressure drop reduction in a cyclone separator[J]. The Chinese Journal of Process Engineering，2005，5(3)：251-254(in Chinese).

［21］ 蔣夢婷. 旋風分離器內(nèi)氣固兩相流的實驗與數(shù)值研[D]. 蘭州：蘭州大學，2013.

Jiang Mengting. Experimental and Numerical Study of the Gas-Solid Flow in a Cyclone Separator[D]. Lanzhou：Lanzhou University，2013(in Chinese).

Effect of Slot Vortex Finder on the Performance of Cyclone Separator

Wang Weibing1，Sun Yaquan1，F(xiàn)eng Jing’an1，Yu Junzhi1, 2，Zhang Heng1

(1. Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000，China；2. State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems，Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

To reduce the energy loss caused by the high speed of airflow in the vortex finder during the operation of the traditional cyclone separator，the vortex finder of the Lapple cyclone separator is improved into a slot vortex finder．Then，we analyzed the effect of the slot vortex finder on the performance of the cyclone separator by both numerical simulation and experiment．In a multiphase flow model，we used the Reynolds stress model(RSM) to perform a numerical simulation of the tangential velocity，static pressure，flow trajectory，turbulence intensity，and pressure drop in the gas flow field，and a discrete phase model(DPM) to simulate and analyze the separation efficiency and particle trajectory of the separator．The simulation and experimental results show good coincidence and higher prediction precision．Results show that the slot vortex finder can reduce the pressure drop of the traditional cyclone separator by 6.8% and the separation efficiency is increased by 5.5%．When the length or width of the slot on the exhaust pipe increases to a certain value，the separation efficiency of the separator reaches its peak．With an increase in the length or width of the slot on the exhaust pipe，the separation efficiency of the cyclone separator tends to become stable and the pressure drop continues to decrease．A rectangular slot on the exhaust pipe can cause a precessing vortex core(PVC)to occur in the exhaust pipe．With an increase in the length of the slot，the PVC weakens but a change in the slot width has less influence on the PVC．The slot vortex finder can effectively inhibit the generation of a recirculation zone at the center of the general vortex finder and reduce the turbulence intensity at the bottom and outer swirl of the traditional vortex finder，thus reducing the short-circuit flow at the bottom of the vortex finder and improving the separation efficiency．The observed trajectories of carbide slag particles with different particle sizes indicate that the internal flow fields of the Lapple and proposed cyclone separators produce a combined vortex structure that is beneficial to the separation of solid particles，and the change of exhaust pipe structure does not affect the original vortex structure of the separation chamber．

cyclone separator；slot vortex finder；pressure drop；separation efficiency；flow trace

TD454

A

0493-2137(2019)11-1201-10

10.11784/tdxbz201809092

2018-09-29；

2019-03-19.

王衛(wèi)兵（1967—??），男，教授，wwbshz@163.com.

孫亞權，yaquan0127@163.com.

國家自然科學基金資助項目(51264034)；石河子大學應用基礎研究青年基金資助項目(2015ZRKXYQ04).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51264034)，the Shihezi University Key Research Youth Program of Application Foundation(No.2015ZRKXYQ04).

(責任編輯：孫立華)