簡介：討論改變旋風器整體結構、增加附件、改進原有旋風器構件的幾種改進結構新做法，分析這些做法提高除塵效率的合理性。

一 概述

工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的粉塵大多為破碎、粉碎、輸送、清理過程。這一過程產(chǎn)生的粉塵與燃燒過程產(chǎn)生的煙塵相比要偏粗，可以用Rosin-Rammler函數(shù)表示粒徑分布。因此，旋風器(雙稱旋風除塵器、旋風收塵器、旋風分離器等，本文簡稱旋風器)成為工業(yè)通風常除塵設備。

旋風器突出的優(yōu)點是它的經(jīng)濟性以及結構和設計較為簡單。由于沒有運動部件所需的維修和保養(yǎng)相對較少，選用合適的材料和結構形式，對一些特殊操作應用條件(如高溫，高壓，腐蝕性氣體環(huán)境等)也可以使用。

旋風器中用的最多的是切向進口形成的旋風器(如圖1)，這種旋風器通?？梢杂靡酝搀w直徑D為比值的結構參數(shù)(無因次結構參數(shù))來設計。由于Stairmand型(高效型)研究數(shù)據(jù)比較完整和應用中的有效性，許多研究者把自己改進旋風器與其作性能對比［1］。

作為旋風器研究途徑大致為：研究旋風器空氣動力場，通過氣流場判定其中顆粒物的運動與分離：進行性能參數(shù)實測判定旋風器的性能優(yōu)劣。由于旋風器是依靠離心力來收集粉塵，對于如何提高微細粉塵(Fine Dust or Fine Particle Matter)除塵效率的技術措施最后都歸結為對旋風器的結構改進，創(chuàng)造和利用更適合氣固(塵)兩相分離的流場構造。

二 旋風器的結構改進

1 整體結構的改變

在旋風器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)氣流中，顆粒物受離心力作用作徑向向外(朝向筒錐壁)運動，運動速度可由顆粒物所受的離心力及氣流阻力的運動方程求得。顯然旋風器分離的目的就是使顆粒物盡快到達筒錐體邊壁。因此，延長顆粒物在旋風器中的運動時間，在氣流作用下提高顆粒物與筒錐體壁相撞的概率，可以提高旋風器除塵效率。

圖1 傳統(tǒng)旋風器

圖2 加內(nèi)筒壁的旋風器

圖3 POC旋風器

Y.Zhu(2001年)［2］提出的旋風器結構如圖2所示，在普通旋風器中增加一個筒壁，這一筒壁將旋風器內(nèi)部空間劃分為兩個環(huán)形區(qū)域，同時，排氣芯管被移到了下方，排氣芯管中的上升氣流也變成了下降氣流，顆粒物在內(nèi)外兩個外環(huán)形區(qū)域內(nèi)都得到了分離，事實上，這種旋風分離器相當于將兩個旋風子合到了一起。從理論上講，這種改進提高了顆粒物被收集的概率。Y.Zhu型旋風器試驗結果(氣流流量范圍為10L/min～40L/min，對粒徑范圍為 0.6μm～8.8μm顆粒物)與Stairmand旋風器的進行了比較有：改進后的旋風器，除塵效率得到提高，并且隨氣流流量的增大而增大；同時，對于相同無因次尺寸的旋風器來說，前者的阻力也小于后者。Y.Zhu考慮各方面因素給出相應優(yōu)化綜合指標得出改進旋風器性能優(yōu)于傳統(tǒng)的旋風器。這種改動后的旋風器較原有傳統(tǒng)旋風器結構稍為復雜。

2 在原有旋風器結構上增加附加件

實際應用中的系統(tǒng)都比較龐大，采用新的旋風器替代原有旋風器，勢必導致工程量和成本比較大?；谶@一想法，很多研究者尋找不改變原有旋風器結構，而通過增加附加部件為提高旋風性能。

由于旋風器對微細顆粒物效率較低，尤其對PM10(粉塵粒徑小于10μm的顆粒物)的除塵效率隨著顆粒直徑減小逐漸降低。也就是說，在旋風器的運行過程中，絕大部分微細粉塵穿透了分離區(qū)域，導致對微細粉塵效率下降。A.Plomp等[3]（1996年）提出了加裝二次分離附件的一種旋風器，見圖3示意圖。二次分離附件設置在旋風器本體頂部，稱之為POC (post cyclone)。
POC二次分離作用是利用排氣芯管強旋流作用使微細粉塵受離心力作用向邊壁運動，并與擋板相撞后，通過縫隙1掉入擋板下部的殼體中，另一部分即使在一開始沒有與邊壁相撞，但由于始終受到離心力的作用，在到達POC頂部時，其中也有很大一部分通過縫隙2處而進入擋板與殼體之間的空間，隨后由于 POC中主氣流的約10%通過縫隙形成滲透流，在滲透推動下，顆粒物被吹出殼體。

為了使該種旋風器得到更好的應用和使POC在已有旋風分離器上加裝設計最優(yōu)化，Youngmin Jo［4］考慮到紊流擴散等因素對POC的影響，對一些變量在不同參數(shù)范圍內(nèi)給出了兩種不同旋風器(Stairmand旋風器，非Stairmand旋風器)加POC組合的一些試驗結果，并對POC模型利用CFD進行了計算，所有試驗均在實際生產(chǎn)中投入運行的除塵系統(tǒng)中進行。

研究結果得知，在特定結構尺寸和運行條件下總效率比改進前提高了2%～20%；POC的阻力約為旋風器本體10%，該阻力與滲透氣流量無關(在所給參數(shù)范圍內(nèi))；對于直徑較大的旋風器，尤其在原旋風器性能不是很高的情況下，加裝POC的辦法對于提高旋風分離的性能很有效。POC裝置對3μm以上粉塵分離很有效，對3μm以下的粉塵效果不顯著；滲透流量及POC裝置的離心力對POC的性能影響顯著；采用穿孔 (較小)內(nèi)擋板可提高分離效率。
這種改進方法特點在于增加的能耗?。槐ｐB(yǎng)及維修簡單；對于已投入使用的分離系統(tǒng)工程改造方便；成本較低。

3 局部結構改進

許多研究者通過旋風器內(nèi)部氣流流動研究認為：旋風器氣流速度分布在徑向上呈軸不對稱或出現(xiàn)偏心。尤其在錐體下部靠近排塵口附近，有明顯的"偏心"；排氣管下口附近，徑向氣流速度較大，有"短路"現(xiàn)象。氣流偏心或短路不利于粉塵分離。

(1)改變進口結構

沈恒根［5］針對旋風器內(nèi)氣流軸不對稱問題，將其進口由單進口改為雙進口(如圖4)，通過雙進口旋風器內(nèi)流場實驗研究表明，雙進口旋風器流場的軸對稱性優(yōu)于單進口旋風除塵器，雙進口旋風器渦核變形小；雙進口旋風器內(nèi)切向速度高于單進口約6%，在準自由渦區(qū)衰減也慢；雙進口旋風器排氣芯管短路流少于單進口。雙進口旋風器比單進口旋風器更有利于提高除塵效率和降低設備阻力。

針對短路流攜塵降低除塵效率的問題，沈恒根等［6］在進口結構中采用了回轉(zhuǎn)通道(見圖5)，以此降低進入旋風器空間的向心含塵濃度梯度，并對等截面和變截面兩種通道形式的氣固兩相分離進行了分析。指出采用合理回轉(zhuǎn)角度的進口回轉(zhuǎn)通道，可提高旋風除塵器的除塵效率。這種做法從結構上把旋風器的筒體、錐體兩段分離變成進口通道、筒體、錐體三段分離。

圖4 單雙進口回轉(zhuǎn)通道

圖5 進口回轉(zhuǎn)通道

(2)錐體結構改變

Rongbiao Xiang等［7］研究了錐體尺寸對用于大氣采樣的小型旋風器的影響情況，以顆粒大小和氣流流速為變化參數(shù)，對3個具有不同下部直徑錐體的旋風器測出了效率。測定結果表明：錐體下部直徑大小對旋風分離采樣器的效率影響顯著，但是并不顯著影響不同粒徑顆粒物效率之間的變化程度。當錐體下部開口部分直徑大于排氣芯管直徑時，該錐體參數(shù)的減小，再不明顯增加阻力的前提下，采樣效率會隨之提高；但是，由阻力測試結果還可看出錐體武器部分直徑不宜小于排氣芯管直徑。從理論上講，錐體下部直徑減小能引起切向速度的提高，從而離心力增大；對于具有相同筒體直徑的旋風器，若錐體開口小，則最大切向速度靠近錐壁，這使得顆粒能夠更好的分離，同時，如果錐體開口較小，渦流將觸及錐壁，使顆粒又有可能重新進入出氣氣流，但是由于后者與前者相比對旋風采樣器影響較小?？傊m當減小錐體下部直徑有利于效率的提高。為了便于新型旋風采樣器的設計，還指出對高效型Stairmand旋風器效率有較好預測作用的Barth理論及 Leith-Licht理論，對錐體改變旋風采樣器的收集效率了也有良好的預測作用。

三 結語

選用合適的方法對旋風分離器的結構形式進行改進，可以提高旋風器的技術性能。對于改進旋風器應用于工業(yè)通風除塵，還需要做到設計方法明確、應用前通過試驗驗證和應用中的配套技術完善。

參考文獻

1．John Dirgo, David Leith. Cyclone Collection Efficiency: Comparison of Experimental Results with Theoretical Predictions. Aerosol Science and Technology. 1985 Vol 4, pp401-415.
2．Y. Zhu, M.C.Kim, K.W.Lee, Y.O.Park, and M.R.Kuhlman. Design and Performance Evaluation of a Nove1 Double Cyclone. Aerosol Science and Technology, 2001 Vol 34, pp373-380.
3．A.PLOMP, M.I.L BEUMER, A.HOFFMANN. POST CYCLONE (POC) AN APPROACH TO A BETTER EFFICIENCY OF DUSTCYCLONE. J.Aerosool Sci. 1996, Vol.27,Supp1.1, PP. S631-S632.
4．Youngmin Jo, Chi Tien, Madhumita B.Ray. Development of a post cyclone to improve the efficiency of reverse flow cyclones. POWDER TECHNOLOGY. 2000 Vol 113, PP99-108.
5．沈恒根黨義榮刁永發(fā)等.雙進口旋風器內(nèi)流場的實驗研究.西安建筑科技大學學報，1997，29(3)275-277.
6．沈恒根張瑋.旋風分離器進口回轉(zhuǎn)通道氣塵分離模型.西安建筑科技大學學報，1998，30(1)44-46.
7．Rongbiao Xiang, S.H.Park, K.W.Lee. Effects of cone dimension on cyclone performance. J.Aerosol Sci. 2001Vol.32, PP549-561.

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