相对端面比对旋风除尘器主要性能的影响*

张建平　车鹏　徐达成

(1.上海电力学院能源与机械工程学院　上海 200090；　2.上海发电环保工程技术研究中心　上海 200090)



大气污染治理

相对端面比对旋风除尘器主要性能的影响*

张建平1,2车鹏1,2徐达成1,2

(1.上海电力学院能源与机械工程学院上海 200090；2.上海发电环保工程技术研究中心上海 200090)

为了提高旋风除尘器的分离效率，利用RSM湍流模型构建三维旋风除尘器模型，研究了相对端面比对旋风除尘器主要性能的影响。数值模拟结果表明，随着相对端面比的减小，总压和切向速度随之降低，颗粒的停留时间缩短，因而提高了分离效率，为旋风除尘器的结构优化设计提供参考。

旋风除尘器相对端面比总压切速度分离效率

0　引言

随着旋风除尘器的推广应用，人们对其性能的要求也越来越高[1]。近十余年来，国外学者着手从整体的三维观点研究流场的结构及性能。Karagoz等[2]通过增加涡流长度设计了旋风除尘器，发现其分离效率比传统旋风除尘器有所提高。刘玄等[3]提出增加排气管的插入深度，会增大旋风除尘器的压力损失，除尘效率也会因此而提高。Gao等[4]通过改变中心管道的高度和直径，分析了中心管道对旋风除尘器流场的影响，得到了最优的中心管道尺寸。实际上，当粉尘浓度较低且捕集细微颗粒时，旋风除尘器的除尘效率不高，如何有效地提高旋风除尘器性能成为当前创新和突破的难点。

本文借助计算流体软件CFD对旋风除尘器进行数值模拟，利用RSM湍流模型建立了三维的旋风除尘器模型，得出旋风除尘器不同相对端面比下的总压和切向速度曲线，分析了除尘器分离效率随相对端面比不同的变化规律。

1　理论模型

1.1气体流场

由于旋风除尘器内具有较强的三维强旋流，并且具有明显的各向异性湍流特点，这里选用RSM模型来模拟旋风除尘器的气相流场，其控制方程主要为输运方程，可写为[5]

(1)

1.2颗粒动力场

与颗粒本身的惯性力相比，颗粒在除尘器流场中运动时所受的浮力、压力梯度力、附加质量力以及重力等在量级上均很小，可忽略不计。因此，从牛顿第二定律可以直接得出颗粒的运动方程：

(2)

式中，mp和up分别为颗粒质量和运动速度，FCj为颗粒之间、颗粒与壁面之间碰撞产生的力，FDj为流体粘性作用在颗粒上的拖拽力，可写为

(3)

式中，CD为气体-颗粒阻力系数，dp为颗粒直径，ug，up分别为气体和颗粒的速度。

2　数值模型与计算

2.1几何模型

本文选用的旋风除尘器三维模型如图1所示，除尘器高度H=760 mm，直径D0=190 mm，其中矩形部分为进气管道，进气管道高度a=95 mm，宽度b=38 mm；大的圆柱部分为主筒体，高度h=285 mm，下部梯形圆台部分为锥形灰斗，直径Dc=72.5 mm；上部的小圆柱为出气管道，直径De=64 mm，其深入到主筒体内部的高度R=95 mm，漏在外边的高度L=55 mm。

图1旋风除尘器的三维模型

2.2网格划分

采用六面体进行网格划分，分别选取3种网格数来计算1 μm颗粒的分离效率，计算结果如表1所示。可以看出，随着网格数的递增，分离效率相对误差逐步减小。为了保证计算精度，本文选用93 216个网格单元数进行模拟计算。

表1　旋风除尘器网格无关性验证

2.3边界条件

出口采用流动出口，固体壁面、其他壁面分别采用无滑移壁面和反射边界，其他边界条件设置见表2。

表2　边界条件设置

3　计算结果与分析

相对端面比是旋风除尘器入口截面积与筒体截面积之比，记为K。矩形进口管的高度a及筒体直径Do是影响旋风除尘器除尘效率的两个重要因素。鉴于此，本文分别通过改变进口高度a和筒体直径Do来考察不同相对端面比对旋风除尘器性能的影响。

3.1可靠性验证

本文模拟了旋风除尘器结构在x=0截面上z=150 mm位置处的切向速度沿半径方向(筒体中心线指向筒壁的方向)的变化，与文献[6]的实验数据进行了对比，结果如图2所示。可以看出，模拟结果与文献[6]中的实验数据吻合较好，从而验证了本文理论和数值模型的可靠性。

图2切向速度沿径向的变化曲线

3.2相对端面比对除尘性能的影响

不同相对端面比下，旋风除尘器颗粒运动轨迹如图3所示，从左至右依次为K=5，K=7以及K=9。可直观地看出，随着相对端面比的减小，颗粒在除尘器中旋转的圈数减少，即其在除尘器中停留的时间逐渐减少，这就使得颗粒更早进入排灰口从而易于被捕集。

图3不同相对端面比下旋风除尘器颗粒运动轨迹

切速度是除尘器内量级最大、最主要的分速度，也是影响颗粒捕集的主要因素之一。不同相对端面比下旋风除尘器内部切速度沿半径方向变化的曲线见图4。由图4可知，切速度随半径增大先急剧增大，到达峰值后再逐渐减小，曲线呈左右对称的“驼峰”形分布，这是因为在下旋气流中切速度随着径向半径的增大而减小，而在上旋气流中切速度随着径向半径的增大而增大。此外，随着相对端面比的增大，旋风除尘器内部切速度逐渐增大。

图4不同相对端面比下内部切速度变化曲线

压力场的大小与分布直接影响旋风除尘器的除尘效率，而总压又是反映旋风除尘器压力场分布的重要指标。图5给出了不同相对端面比下的总压曲线，分析后不难得知：旋风除尘器内的总压沿半径方向呈非线性增大趋势，最后逐步趋于平缓，曲线的斜率先增大后减小，这是因为在上旋和下旋气流的交界处压力变化明显的缘故。此外，随着相对端面比的减小，旋风除尘器内部的总压不断减小。

图5不同相对端面比下总压沿半径方向变化曲线

在入口风速为16 m/s时，旋风除尘器分离效率随相对端面比的变化曲线如图6所示。可以发现，随着相对端面比的逐渐增大，分离效率先增大后减小，且在K=5附近达到最大，这是因为相对端面比主要由入口高度及筒体直径两参数共同决定。

图6分离效率随相对端面比变化曲线

4　结论

(1)旋风除尘器内部总压沿半径方向逐渐增大，其变化趋势大于沿轴向的变化，随着相对端面比的减小，总压不断减小。

(2)旋风除尘器内部切速度基本呈轴对称分布，且随着相对端面比的增大，切速度逐渐增大。

(3)随着相对端面比逐渐减少，颗粒在旋风除尘器中旋转圈数逐渐减少，逗留时间逐渐减少，颗粒更易被捕集。

(4)随着相对端面比的增大，分离效率先急剧增大，而后逐渐减小，在相对端面比为5左右时分离效率达到最大，这对旋风除尘器的设计制造具有重要的指导意义。

[1]毛磊, 谢剑刚.旋风除尘器筒体倾斜角的仿真与优化[J].工业安全与环保,2015,41(1):23-25.

[2]Karagoz I, Avci A, Surmen A, et al. Design and performance evaluation of a new cyclone separator [J]. Journal of Aerosol Science, 2013,59:57-64.

[3]刘玄,程树森.旋风除尘器内部流场的数值研究[J].环境工程学报,2009,3(6):1069-1072.

[4]Gao X, Chen J F, F 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 & Fluids, 2014,92:45-55.

[5]赵新学,金有海.排尘口直径对旋风分离器壁面磨损影响的数值模拟[J].机械工程学报,2012,48(6):142-148.

[6]牟春宇,姜大志.旋风除尘器环形空间气流运动的数值研究[J].环境工程学报,2007,8(1):97-100.

同一电力系统用一种保护方式

保护接地和保护接零是防止电气设备意外带电造成触电事故的基本技术措施。必须注意的是，在同一电力系统中，只能采取其中一种保护方式，即在通常采用的380/220伏三相四线制、变压器中性点直接接地的系统中，应采取保护接零；而在中性点不接地的系统中，应采取保护接地。

不允许在系统中对部分设备采取接零，又对另一部分设备采用接地。否则，会在采取接地的设备发生电线碰壳时，接地电流使零线对地电压升高，而使所有接零的设备外壳都带上危险的电压。若零线对地电压大于允许的接触电压值，那么，操作者接触任何一台“接零”的设备均有遭受电击的危险。若“接零”与保护接地的设备相距很近时，可能一个人同时接触到这两台设备，危险就更大。因为此时人体所受的电压接近于相电压(220 V左右)，这是十分危险的。

(章闻)

The Influences of Relative End Face Ratio on Main Performances for the Cyclone Separator

ZHANG Jianping1,2CHE Peng1,2XU Dacheng1,2

(1.CollegeofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPowerShanghai200090)

In order to improve the separation efficiency of the cyclone separator, RSM turbulence model is used to establish the three-dimensional model of a cyclone separator, and the effects of relative end face ratio on main performances for the cyclone separator are studied. The numerical results show that with the decrease of relative end face ratio, both total pressure and shear speed decrease, the residence time of the particles is shortened, thereby the separation efficiency is improved, which can provide a reference for the structural optimization design of the cyclone separator.

cyclone separatorrelative end face ratiototal pressureshear speedseparation efficiency

国家自然科学基金(11572187)，上海市教育委员会科研创新项目(14ZZ154，13ZZ130)，上海市科委部分地方院校能力建设项目(13160501000)，上海市联盟计划项目(LM201217)。

张建平，1972年生，江苏南京人，教授，硕士生导师，主要从事电磁除尘、风力发电、寿命预测、材料性能预测及储能技术的研究。

2015-08-10)