1、旋風分離器的次流分析概念旋風分離器流場中 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 狀態。曲1305第一組王天嬌劉伯川劉玉東王及尊孫帥李超媛張文華次流概念及研究意）旋風分離器內的流 場足一個復雜的湍流流 場，次流流動對分離器 的分離性能有較大的影 響，分析英內部的細微 結構，對改善分離器性 能有重要的現實意義和 工程使用價值。常見的次流運動:形ms影響改善措施形ms影響改善措施頂灰環形ms影響改善措施形成機理氣流進入旋風分離器后，受到渦殼結構的約束作用，直行氣流開 始轉向形成旋轉流漩體產生離心力，外側圧力增大，內側壓力減小。 而在上頂板附近，由于器壁摩擦阻力的影響，旋轉

2、氣體的切向速度相 對較小，壓力低于下部切向速度產生的壓力，氣體從外側壁的高壓區 域流向上部的低壓區域。結果氣體首先沿著外壁上升，到頂板處向內 側徑向流動，到升氣管外壁處再沿著器準下行,結果在環形空間的縱 截面上形成垂直于主流的二次渦流（見圖1）。這種二次渦流從入口 開始形成一直擴展到整個環形空間O二次渦流的強度隨著切向速 度的増大而增大。圖1頂灰環1.1形成機理頂灰環存在的分析進入旋風分離器壞形空間的顆粒,不僅受:到電力和離心力的作用:£L還受向心曳力和二次渦流中氣流的上行曳力的影響。在環形空間的 外頂角區域，顆粒在水平方向受到的氣體切向速度產生的離心力與向心 徑向速度產生的曳力平衡

3、；而在垂百方向上行氣流的曳力與顆粒的咆力 平衡（見圖1）,結杲使顆粒懸浮在環形空間的外頂角區域。在旋轉氣流 的作用下，懸浮顆粒跟隨氣流旋轉，并不斷有顆粒的積累,最后形成了頂 灰環。在環形空間的其他區域,顆粒的受力達不到使之懸浮的平衡，不 具備產生頂灰環的條件。氣流旋轉過程中，方面頂灰環 中的顆粒不斷向內運動,脫離頂 灰環;另方面又不斷有顆粒補 充進來，形成了一個動態平衡。 頂灰環中顆粒的量與二次渦流的 人小密切相關，二次渦流越強，懸 浮的顆粒越多，頂灰環的塵含量 也越參。因此，二次渦流是產生 頂灰環的主要原因。影響頂灰環對分離性能的影響 旋風分離器環形空間的頂灰 環中的顆粒是在離心力的作用 卜

4、濃縮到器壁上的，但沒有被捕 集卜來，結果形成了 個顆粒擴 散的灰源。流場測母:表明升氣 管表面氣流不同于農面外的氣 流，切向速度比較小，離心分離能 力差，氣流接近于傾斜卜行，見圖 2。結果頂灰環的顆粒在二次 渦流的作用下沿著升氣管的外 表面下行,雖然顆粒在環形空間 的下行過程中存在著被分離的 可能，仍有一部分通過升氣管下 口逃逸.降低了分離效率。圖2升氣管農面的氣流圖2升氣管表面的氣流此外，頂灰環任入口區域與入口 氣流交匯，進口氣流在外側旋轉濃度 比較低，在灰帶內側旋轉濃度比較高, 受到入口氣流的擠壓，部分顆粒脫離 赧璧，向內旋轉,直接進入升氣管的 短路流逃逸。因此頂灰環的存在對 顆粒的分離過

5、程是不利的。在高 濃度條件卜的實驗過程中，頂灰壞的 濃度和范圍是比較人的，逃逸顆粒的 總量叱低濃度條件卜的要多，但與 入口量相比是降低的，因此高濃度時 旋風分離器的分離效率是增加的。影響改善措施加帽旋風分離器町以消弱頂灰壞 和入口氣流Z間的互相干擾，但其頂灰 環濃度遠人于常規旋風分離器,灰環的 范田也較大，充滿r整個上部壞形空I叭 顆粒擴散的面也隨之增人。這樣灰環 中顆粒沿排氣管外壁下行，直接進入排 氣管內逃逸的兒率增人,同時高濃度歡 環中顆粒的擴散能力強,這些導致了加 帽旋風分離器分離效率的下降,該下降 為1個百分點以匕進一步證實了頂灰 環對顆粒分離過程的不利影響。環形空間的徑向速肢比較低，

6、切向速度分布比較勻勻，是旋 風分離器顆粒分離過程的主要部位。采用螺旋頂板旋風分離器 或軸流導葉式旋風分離器雖然可以消除頂灰環,但失去了環形 空間的分離功能，總的分離性能是卜降的。平頂板空旋風分離 器受到旋風分離器結構形式的限制，環形空間產生二次渦流是 不可避免的，頂灰環的存在也是難以消除的。但通過以卜措施 都可以有效的削弱頂灰環的不利影響： 適當延長升氣管的長度，增加頂灰環卜行顆粒的路程,町以減 少顆粒逃逸的幾率；(2)保持升氣管內徑不變，加大升氣管外徑，降低環形空間的寬度, 提高環形空間的切向速度,抑制頂灰環的增大和對分離過程的 影響;采用筒錐熨升氣管，升氣管下口釆用錐形結構，具有與(2 )

7、相 同的作用。短路流形成機理影響因素改善措施形成機理形成機埋：旋風分離器 環形空間內存在 自筒壁流向升氣 管外壁的二次流, 這部分夾帶有待 分離顆粒的氣流 最終會沿著升氣 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3(b)形成機理計算方法：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 佔分離雅性能的一個丞耍指標，由于實際 測量短路流量比較困難，通常工程中按照短 路流量占進口總氣量的1 0%3 0%進 行粗略估計。較為具體的數值計算方法主要 有兩種：一是升氣管下方一定高度范圍內丿I 氣管延長以后柱面的向積與平均徑向速度的 乘積；另一種是取升氣

8、管F方一定距離的橫 截面，根據平均下行速度估計下行流量，計 算與入口流屋的差值得到短路流量。環形空間二次渦對短路流非對 稱的影響：圖4為排氣管入口附近不 同方位卜行流量對比。從圖4 中可以看出，各個方位的下行 流量差別較大，其中0°方位 的下行流戢最大，45 °方位 的下行流呈最小，也說明排氣 管入口附近的流場呈現強烈的 非軸對稱性。由于簡體空間的 結構是軸對稱的，因此排氣管 入口附近流場呈現強烈非軸對 稱性主要是受到環形空間流場 非軸對稱性的影響。圖4排氣管入口附近不同方 位卜行流量對比影響因素入口氣速對短路流的影響：圖5為不同速度時，排氣 管下口附近卜行流量變化，入 口

9、速度為 10. 20. 30m/s時， 英對應短路流量分別為0. 03950、 0. 08516、 0. 11456m3/s<> 由此可見, 短路流流量與分離器進口氣速 關系密切，隨著入口氣速增加, 短路流流量增加。短路流量越 大，對分離性能越不利。60503X20L L "o o o o O亠"產20m/.0.10_.L._I.I】0 200 220 Z40 260 280 300HAdl/mm圖5不進口速度短路流比較偏流（排塵口附近的二次渦2形頤理影響因素改善措施形成機理圖6為排塵口附近： z=1300mmx進口氣速為 20m/s.溫度為20°C時

10、切 向速度沿周向的分布。從 圖6中可以看出，排塵u附 近的流場極不對稱。切向 速度沿周向變化明顯，特 別是在內旋流區，90。與 225°處的切向速度大小相 差近15m / So另外， 225°方位報小切向速度出 現在半徑為5mm處，其他 方位切向速度最小值岀現 的位置接近丁分離器兒何 中心，但未完全與之重合。-r-18T +225° -X-27IT304050徑向位Jt/nun6040302070圖6排塵匚附近切向速度沿周向 分布形成機理0102030405060 70徑向位愛/nunT«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

11、 位置不同，例如45°與 180°方位的分界點相差 21mm。另外，不論在內旋 流區還是外旋流區，不同 方位的軸向速度大小相差 較大，0°和180°處的軸 向速度人小最人相差12m圖7排塵口附近軸向速度沿周向 分布形成機理俯移更為mm200400600800 10C0 1200 14000綜上所述，排塵口附近不對稱的流場分布及偏離幾何中心的旋轉氣流是二次流的產生的基礎條件圏8是分離空間各個 截面氣流旋轉中心偏離 旋風分離器兒何中心的 時均值。在接近灰斗入 口處的氣流旋轉中心偏 離兒何中心最嚴匝，這 是因為進入灰斗的卜行 流和從灰斗返混的氣體 在此處的相互

12、作用比較 劇烈，使得氣流旋轉中 心嚴重偏離了幾何中心, 容易形成一些比較犬的圖8氣流旋轉中心偏離兒何 中心的時均值形成機理排塵口附近二次渦的分布 形態：圖9和圖10分別為茗 =0. 丫=0縱剖面速度等值 線圖。可以看出，排塵口 上部的一次渦分你范圍人, 沿周向分布不對稱，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)排塵口縱剖而速度等線圖形成機理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,與錐體下廠I 直徑相當，軸向尺寸 大約是徑向尺寸的兩 倍。卜行氣流進入灰 斗后，流動空間突然 增大，從而在灰斗上 部亦有二次渦流存在。圖10 90-270° (y=0)排塵口縱剖而速度等線圖影響因素1.01.5 100-50050100位r/mmo 5.05 O 5.05.44.3.3.2.2.?««««進口風速對排塵口附近湍流強 度的影響規律：湍流強度系旋渦脈動速度 和能量的度量，是脈動速度的 均方根平均值。湍流強度越人， 說明流體漩渦脈勁速度越大。圖11為進口氣速與排塵口 附近湍流強度的