（农业机械化工程专业论文）旋风分离器在饲草干燥设备中的试验研究.pdf

摘要 论文综述了旋风分离器的发展现状和旋风分离器在饲草干燥设备中的地位，指出旋风 分离器是饲草干燥设备的一个重要的部件；分析了目前旋风分离器在设计、理论和试验研究 等方面的进展，提出了研究目标、内容和方法，制定了具体的研究路线。 该文从旋风分离器的分离机理出发，特别对饲草干燥设备中的旋风分离器与普通旋风 分离器进行比较，并得到了两个主要不同点。根据不同点对饲草干燥设备中的旋风分离器总 体上进行了设计和研究。文章对旋风分离器的工作过程进行了理论研究，对其内部颗粒运动 轨迹进行模拟，研究旋风分离器内颗粒运动阻力的特征，对内部压力损失进行分析，逐步得 出影响旋风分离器分离星的因素。 文章分别采用不同物料以及通过改变物料的一些特征进行了一系列的正交试验，通过 试验研究得出物料入口速度和物料含水率对旋风分离器分离量的影响关系。 文章对研究的旋风分离器进行总结和建议，并对以后的工作进行了展望。 关键词：旋风分离器，物料类别，分离量 儿 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ec y c l o n es e p a r a t o ra n di t sp o s i t i o ni nt h e f o r a g ed r i e r , p o i n t so u tt h a tt h ec y c l o n es e p a r a t o ri s a l li m p o r t a n tp a r ti nf o r a g ed r i e r t h ea d v a n c e s o ft h ec y c l o n es e p a r a t o ra n dt h ed e s i g na n de x p e r i m e n t a ls t u d yw e r ea n a l y z e d t h et o p i cs t a r t sf r o mt h es e p a r a t i o nm e c h a n i c so ft h ec y c l o n es e p a r a t o r t h ec y c l o n e s e p a r a t o rf o rd r y i n go ff o r a g ec o m p a r e dw i t ho r d i n a r yc y c l o n es e p a r a t o rw a sp o i n to u t d e p e n d i n g o nt h er e q u i r e m e n to ff o r a g ed r y i n ge q u i p m e n tc y c l o n es e p a r a t o rw a sd e s i g n e da n ds t u d i e d ，a n d c h e c k e dt h eb e a r i n gb e a m t h ep a p e ri sat h e o r e t i c a ls t u d yo nt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ec y c l o n e s e p a r a t o r t h em o v e m e n ti r a teo fm a t e r i a lw a ss i m u l a t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e s i s t a n c ew e m s t u d i e d ；t h el o s so fi n t e r n a lp r e s s u r ew a sa n a l y z e d d i f f e r e n tm a t e r i a l sw e r eu s e df o re x p e r i m e n t a ls t u d y t h ee f f e c to fm a t e r i a li n l e tv e l o c i t ya n d m o i s t u r ec o n t e n to nt h es e p a r a t i o nr a t ew a so b t a i n e du s i n go r t h o g o n a lt e s t i nc o n c l u s i o n ，as u m m a r ya n dr e c o m m e n d a t i o n sw a sp r e s e n t e d t h ef u t u r ep r o s p e c to f c y c l o n ew a sd e m o n s t r a t e d k e y w o r d ：t h ec y c l o n es e p a r a t o r ，m a t e r i a lc h a r a c t e r ，s e p a r a t i o n r a t e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名乌& t 时间：“年( 月f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：望3 彩d 导师魏匆、jj 毫坦 导师签名：彩、j 笤讶红 时间：v ( 年月c n 时阊：夕审移年6 日 中国农业人学硕上论立绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 课题旋风分离器在饲草干燥设备中工作过程的试验研究是中国农业大学所承担的 国家“十五”科技攻关计划项目现代农业技术装备研制开发中的“牧草生产与加工机械 化关键技术及成套设备的研究”的重要组成部分，主要完成两方面的研究：1 ) 旋风分离器 工作过程的理论研究；2 ) 对影响旋风分离器分离量因素的试验研究。研究意义如下： 饲草含有丰富的营养物质，是反刍动物的优良饲料，合理、有效地开发和利用饲草资源， 是畜牧业实现向节粮型转变的重要手段。另外，饲草还含有大量的纤维素等物质，是重要的 工业原料。 农作物秸秆含有大量的营养物质，是反刍动物的优良饲料，合理、有效地开发和利用农 作物秸秆资源，是畜牧业实现向节粮型转变的重要手段。另外，秸秆还含有大量的纤维素等 物质，是重要的工业原料。我国是农业大国，每年农作物秸秆的产量约6 亿吨。过去由于技 术及设备落后，秸秆利用率非常低，大部分秸秆被遗弃和焚烧。不仅造成自然资源的巨大浪 费，而且还对环境造成严重污染。为此，国家十分重视农作物秸秆的开发与利用。 饲草营养丰富期的含水率通常在7 0 以上，若采用人工自然晾晒法，蛋白损失高达5 0 以上、胡萝h 素、维生素等营养元素几乎全部损失。主要损失方式：机械损失、雨淋损失、 光化损失、微生物损失和储存损失遇到梅雨季节经常发生霉烂，造成严重损失。因此， 我们必须在4 8 小时之内加工完毕，才能获得优质干草。该课题的技术可以将含水率在7 0 左右的饲草快速干燥至安全水分，保持饲草营养成份。同时起到高温灭菌和净化作片j 。 先进的饲草干燥技术是饲草安全贮存的保障，目前，国内外饲草加工领域采用的牧草干 燥机普遍都有加工成本高、加上的饲草品种单一而且加t 出的牧草品质差等缺点。因此，急 需研制出加工能耗低、加工范围j 1 的新型饲草干燥设备。 饲草、秸秆高温快速干燥设备的设计，就是不仅要解决如何提高干燥设备的干燥能力、 提高一次降水幅度的问题，更重要的是，设计出的干燥设备一定要符合我国国情，加工物料 范围要广，不单单只能加工苜蓿草，而且能够加工其它各种饲草、秸秆类物料，干燥设备要 有广泛的适应性，并且加工出品质优的饲草。冈此，从干燥工艺的选择、确定、热风的配置、 干燥设备热源方面的选择，进行了研究和试验。 由于我国饲草收获机械化程度参差不齐，收获后的饲革加工时，其中会含有大量泥土等 杂质，影响了饲草的品质和饲喂安全性。本课题技术中配有强大的饲草排气净化系统，能够 把夹杂在饲草中的泥土、粉尘从饲草中分离出来，有效地保证饲草品质，提高了饲喂安全性。 旋风分离器是我们课题研究中使热风和粉尘与饲草分离的机构，是本课题的一个重要组 成部分。 旋风分离器作为一种主要的气固两相分离设备已广泛应用于电力、机械、石化、建材、 冶金咀及纺织等领域。随着应用场合特殊化( 例如在高温高压的操作条件下) 和结构微型化 ( 例如可吸入颗粒物的采样) 等的发展趋势，旋风器已显示了独特的不可替代的作用，而且 中国农业大学硕士论文结论 对其技术经济指标的要求愈来愈高。旋风分离器的研究还为提高农民收入、利用饲草资源和 保护生态环境开辟了的新途径，对保持我国农业可持续发展具有重大的现实意义。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国外研究现状 旋风分离器内颗粒流体的流动属于稀浓度颗粒流体力学，故可先分析纯气体流场，再 计及颗粒在其中的运动。 国外关于旋风器分离模型的研究始于2 0 世纪6 0 年代，并分别基于上述分离理论从不同 的角度采用不同的方法进行研究，较为全面、系统和详细。代表性的研究有： 在1 9 4 9 年，t e r l i n d e n l l l 对旋风分离器内三维流场用球形毕托管作了比较出色的实验测 试研究并得出：切向速度轴对称分布， 在同一断面随其与轴心的距离减小而增大，达到 最大值后又逐渐减小：径向速度在中心区方向朝外，在外围区方向朝内，形成源汇流：轴 向速度在外部区域气流向下， 在轴心区域气流向上：压力分布是壁面处大于中心处。他的 测试结果，无论切向、径向、轴向都有一定的规律性，轴对称性也相当好。 在国内，中科院力学研究所【2 j 、上海化工研究院在4 0 0 及妒8 3 0 旋风分离器模型上， 用五孔球形探针及热线风速仪进行t n 试。许宏庆【3 1 在毋2 8 8 模型上，用双色激光多普勒 测速仪进行了测试。这些流场测试图呈现出的规律大致与t e r l i n d e n 所得结果相同，但他 们都认为非对称的切向进口造成了旋涡中心与几何中心不一致，径向速度分布呈现非轴对 称性等现象，同时还证实了上涡流的存在。 至于气体运动的理论计算研究，由于流动的复杂性，一般均假定为轴对称流动，早 期曾进一步假定为层流流动，近年来才考虑湍流的影响。而考虑湍流脉动，又可分为初级 模型和高级模型。 1 9 6 2 年，l e w e l l e n i 4 1 把不可压缩流体的连续性方程和n a v i e r - - s t o k e s 方程在圆柱坐 标系和轴对称定常流动f 进行了简化，通过引入流函数和环量，得到了强旋转简化层流模 型。国内中科院力学所贾复等人曾利用此模型对旋风分离器内流场进行了解析计算，由于 模型过于简化，仅能作些定性的说明。 1 9 7 5 年b l o o r 、i n g h a mp 1 运用普朗特提出的混合长理论确定湍流表观粘度，并对水力 旋流器流场进行了分析，建立了适合于工程应用的初级湍流模型。 1 9 8 2 年b o y s a n ”等人利用r o d i 推得的关于雷诺应力的近似代数关系式，得到了高级 湍流模型。用这些模型计算得到的切向速度数值解与实验测定结果较吻合。 关于引入粉尘后，粉尘对气体流动的影响和其使含尘气流压降低于纯气流压降，以及 粉尘之间的碰撞、团聚对分离效率的影响等，m o t h e s 等作了较全面的研究， s p r o u l l 于1 9 7 0 年采崩与电分离器相类似的方法，给出了旋风器效率的分离模型计算公 式，该式的表达形式与d e u t s c h 公式一致。 d l e i t h 和wl i c h t 于1 9 7 2 年考虑湍流扩散对固相颗粒分离的影响， 基于边界层分析 理论， 把气流中悬浮颗粒的横向混合理论与旋风器内气流的平均停留时间相结合，从理论 2 中国农业大学硕士论文绪论 上严格推导出了分级效率模型，该模型把旋风器的分级效率表示为由旋风器结构参数确定的 无因次特性系数c 、由运行参数确定的修正惯性系数以及切向速度分布指数n 的函数。 水田和木村典夫于1 9 7 4 年结合实验数据，给出了旋风器分级效率的计算式该式把分 级效率表示为固相颗粒粒径与分割粒径d c 5 0 的指数函数形式。 d i e t z 于1 9 8 1 年基于t e r l i n d e n 的实验结果，将旋风器内的气固两相分离区域划分为3 个区域即：入口分离区域、下降流分离区域和上升流分离区域，并根据d l e i t h 和wl i c h t 的横向混合模型的思想，推导出了旋风器内气固两相分离模型。在筒径为2 0 0 m l n 的旋风器 上， 采用燃煤飞灰作为固相颗粒进行分离实验时，模型的预测结果与实测结果比较吻合。 m o t h e s 和l o f t i e r 于1 9 8 8 年将d i e t z 三分离区域的假设扩展为四分离区域，即在原有基 础上增加了排气芯管分离区域。 从而修正了d i e t z 模型对于分离过程预测的不连续性，引 入粒子沉降系数修正了旋风器内、外涡固相的浓度扩散效应，并考虑了排料口底部的返混 现象和浓度的径向梯度变化，提出了另一分离模型，模型的假设条件比较接近旋风器内实际 的分离状况且考虑较为全面。在筒径为1 9 0n l n l 的旋风器上，该模型的预测结果与实测结果 相吻合。 c l i f t 等于1 9 9 1 年根据已有的实验数据比较了以上3 种旋风器内气固两相分离模型。结 果表明d l e i t h 和w l i c h t 模型在计算气流在旋风器内的平均停留时上有一定的局限性， 并在其假设条件下重新推导了d l e i t h 和w l i c h t 模型，计算结果表明分级效率图为s 形曲 线；d i e t z 模型亦存在同样的问题，但在小直径旋风器的固相颗粒物分级效率预测上，d i e t z 模型仍具有一定的准确性；而m o t h e s ： l o f f l e r 模型总体上优于其它两个模型。l i e 和 y , w a n g 于1 9 8 9 年假设在外涡内固相颗粒的沉降可被忽略，且壁面上固相颗粒的浓度梯度 为0 ，仅存在有限的湍流扩散，并考虑了同相颗粒的径向浓度分布并在不同的分离区域做 出不同的假设， 推导了新的分离模型， 尽管该模型在理论上与d i r g o $ 1 l e i t h 于1 9 8 5 年的 实验数据较为吻台， 但其边界条件的假定在一定程度上仍值得商榷。r ls a l c e d 0 1 9 9 3 年 从理论上分析了l - l 模型、d i e t z 模型、m - l 模型和l w 模型4 种旋风器气固分离模型的 优缺点，并在筒径为3 0 5m m 的旋风器上实验加以比较验证， 结果表明，m o t h e s 和l o f t i e r 模型在理论考虑的相对完备性和估算结果的准确性使它的描述与旋风器内部的气固两相流 动较为接近并优于其它几种模型。 z h a oz h o n g m i n g 和r p f e f f e r 于1 9 9 7 年以d l e i t h 和wl i c h t 分离模型为基础，按照旋风 器分离模型与重力沉降室的横向混合分离模型表达形式的相似性，将l l 模型中的参数v 运用固相颗粒服从对数正态分布的规律进行积分简化，推导出了以q j 5 0 为参数的旋风器总分 离效率简化模型，与经典研究结果的对比表明，结果比较一致，但该模型仅能在一定程度 上反映旋风器的总体分离能力。 w s k i m , 和j wl e e 于1 9 8 9 年同时考虑湍流扩散和边界层固相颗粒的沉降作用， 将 旋风器内部分为两个主要的分离区域即湍流核心区和近壁边界层区，根据m o t h e s 和l o f t i e r 以及e n l i a n g 和y i n g m i n 分离模型，推导出了基于边界层特性的旋风器气固两相分离模型， 并t - 2 0 0 1 年在此基础上进行了改进。与实验对比的结果表明该模型的实用性较好。但其边 界层条件的简化仍需进一步探讨。 中国农业大学硕士论文 绪论 1 2 1 国内研究现状 国内关于旋风器分离模型的研究较晚，大都始下2 0 世纪9 0 年代，并有相当一部分借 鉴了国外旋风器分离模型的研究思想，代表性的研究有：向晓东于1 9 9 0 年考虑固相颗粒在 旋风分离器内的输运过程，引入了分离空间的概念。通过建立气体流动和颗粒运动的数学模 型，得出在适当边界条件下的旋风器分离效率计算公式，并与国内外典型的实验结果比较 验证，结果较为一致。 张吉光 7 1 等于1 9 9 1 年根据旋风器内气流的轴向速度分布规律确定尘粒在旋风器内的 平均停留时间，分析了旋风器内气体的三维速度分布规律对固相颗粒分离的影响及旋风器各 主要结构参数和运行参数的影响，并考虑筒体与锥体边界层内颗粒的分离效应，建立了旋风 器分级效率的数学模型，通过实验表明，该模型估算旋风器的分离性能计算值与实测值符合 较好。 陈建义、时铭显【8 1 于1 9 9 3 年认为l e i t h 和w l i c h t 以及m o t h e s 和l o f f l e r 模型对于尺寸较 大、流量也较大的旋风器计算结果误差较大，并在p v 型高效旋风分离器旋风器内部流场及 浓度场测定的基础上，考虑了旋风器的短路流、颗粒间的相互碰撞、返混等对分离性能的 影响，建立了旋风器分级效率的多区计算模型，该模型在p v 型旋风器上与实测结果较为一 致，但在其他类型旋风器上的适用性仍需进一步探讨。 张从智1 9 1 等于1 9 9 6 年在边界层分离理论的基础上，考虑了旋风器内部主要结构参数以 及固相颗粒的特性和运行参数的影响，以及旋风器内的三维速度( 尤其是轴向速度和径向速 度1 分布规律，建立了旋风器分级效率的数学模型。该模型计算结果与在长锥型和直锥型旋 风器的实验结果符合较好，而且与d 型、b 型旋风器的实验结果也符合较好。 杨兴森【1 0 j 等于1 9 9 7 年根据d i e t z 的假设条件，在实验研究的基础上，建立了火力发 电厂制粉系统中细粉分离器分离效率的理论模型，并以不同工况下的分离效率进行了比较。 该模型基本承袭了d i e t z 模型的思想。 沈恒根“”等于1 9 9 8 年应用平衡尘粒模型分析给出了旋风器分割粒径d c 5 0 ，并对木村 典夫模型为基础，给出了旋风器分级效率的计算方法，对反应分级效率分布的参数切割粒 径d c 5 0 和切向速度分布指数1 1 进行了讨论，并以筒径为2 0 3i t l i l l 的s t a i r m a n d 旋风器为例，与 d l e i t h 和wl i c h t 、向晓东、张吉光和张从智的分离效率模型进行了对比，结果表明该模 型更接近于实测值。 刁永发1 1 ”等于2 0 0 0 年以平衡尘粒模型以及相似理论原理分析为基础，根据木村典夫 分离模型， 给出了该分离器高温旋风分离的分级效率的计算方法，对反映其在高温状态下 分离特性的参数分割粒径d c 5 0 和分布指数n 进行了分析，并以s t a i r m a n d 高效旋风器试验对 照。 王政和周学林【1 副针对环流式旋风器的特点，推导出了其内筒分级效率的数学模型，并 与l l 横混模型相结台，把环流式旋风分离器看作部分环流的两个常规旋风分离器的串联， 进行其分离效率的研究。分析比较结果表明，该数学模型基本反映了环流式旋风器内同相颗 粒的流动、分布以及分离的实际情况，但模型仅局限于环流式旋风器的预测。 王广军、陈红【1 4 j 于2 0 0 1 年考虑了径向浓度梯度以及重力沉降和径向加速过程对固相颗 4 中国农业大学硕士论文 绪论 粒分离的影响，建立了锅炉细粉分离器分离效率的计算模型。该模型认为，当分离器进口风 速较低及固相颗粒粒径较大时，重力沉降及径向加速过程对分离效果的影响不容忽视，并对 已有的分离模型中有关简化条件的适用范围进行了分析。 为了消除因上涡流而引起粉尘从出口管短路逃逸的现象，6 0 多年前v a nt o n g e r e n 提出 的方法是加旁室及时引出增浓粉尘。我国的c 型、b 型、英国的b u l l 型等就属此类。由于设 置了灰尘隔离室，使旁路式分离器较普通分离器的效率高5 左右。另外，c a r d i f f 大学的 bi f f i n 等人研制的新型带集涡室的旋风分离器、德国西r j 子公司顶端带导向叶片的旋流分 离器、日本专利多头切向进口的多管分离器，以及国内的倾斜螺旋形进口的c l t s a 、c l g 、 d e 型等也都是为了削弱上涡流的带尘。 在改善锥体、锥底的气固流况所作的改进方面，最突出的是扩散式分离器( c u 【型) 。 由于它的倒锥体及锥体下部的反射屏，减少了粉尘返混和出料管道上部的卷吸夹带，使扩 散式的分离效率达9 0 9 5 ，但这种分离器的主要缺点是压降较高。再有反射型龙卷风分 离器，同样也是利用了反射板的作用，减少了底部粉尘的扬吸。另外，1 9 6 8 年国外研制 的一种具有反向碗及水滴体的直筒型旋风子，由于反向碗的屏挡作用加上水滴体利用了 内旋流的二次分离作用，从而增强了抗返混能力。在国内，时铭显等对导叶式直筒旋风子 进行了一系列的研究，为了改善底部气固流况，提出了分离性能较好的排料底板结构。 国内对颗粒运动轨迹的研究也做了很多探讨，旋风分离器分离效率的预测有各种经验关 联式和! f 理论半经验的计算式。在后一种模式中，其理论基础是颗粒运动动力学，在工程模 拟中，主要通过两种途径来分析：一类是将颗粒作为连续相处理的多连续介质模型，另一类 是将颗粒作为离散相处理的各种轨道和随机轨道模型，也称离散相模型，实际上是单颗粒动 力学模型。目前在工程上应用较多的是离散相模型。 胡璞元等利用单颗粒动力学模型，描述了旋风分离器中颗粒的运动轨迹，依此分析了旋 风分离器中出现的二次尘源等问题：对于湍流脉动得出的结论是：脉动速度对大于l o u m 的颗 粒轨迹几乎没有影响：在颗粒轨迹的基础上推导出了设备的总分离效率，并认为在紊流流场 中计算分离总效率的结果与只考虑时均速度时计算结果的相对偏差仅为0 2 2 吴飞雪等也利用随机轨道模型模拟了旋风分离器中的颗粒运动轨迹。考察了颗粒从入口 不同位置进入旋风分离器中的轨迹及出料管道与排料口返混颗粒的运动过程，最后也估算了 粒级效率。 吴小林等利用颗粒轨道模型，在不考虑湍动的情况f ，由已知的气相时均流场通过求解 层流多相系统的体平均方程，得出了颗粒的运动轨迹。模拟结果表明，进入旋分器的颗粒决 大多数在环形空间就被甩问器壁，从入口上部进入的部分较小颗粒由于局部二次流的作用而 上升形成顶灰环，还有少量颗粒进入下部分离空间。在下部分离空间内，有会斗返气夹带上 来的颗粒，处于内旋流的颗粒则有可能随上升气流而逃逸。 采用颗粒轨道或随机轨道模型时，涉及在流场的网格单元控制体或湍流随机涡团内对颗 粒时均或瞬时运动方程的求解，这一求解通常需要数值积分。为了减小积分的误差，需要采 用较小的时间步长，导致计算量的增加，对于需大量轨道计算的颗粒随机轨道模型而言，计 算最增加的尤为显著。在此方面，许多学者进行了简化研究，在一定程度上缓解了小时间步 长带来的计算压力。 5 中国农业大学硕士论文 绪论 另外，为减少分离器轴中心的能量耗散，许宏庆等人作了初步的研究。 1 3 旋风分离器的一般结构 旋风分离器的结构型式很多，最典型的结构型式如幽l 一1 所示： 它由切向入口，圆筒及圆锥体形成的分离空间、净化气排出及捕集颗粒的排出等几部分 组成。各部分的结构有很多型式。从而组成了各种型式的旋风分离器。但其原理都是一样的。 国内外最常用的旋风分离器以图2 1 所示的切向入口的型式为主，它可细分为以下几种：( 1 ) 螺旋顶型，如国内的c l g 型，美国的d u c o n 公司也曾在炼化行业采用过此种型式；( 2 ) 旁室型， 如在美国称作v a n t o n g e r e n 型而国内称为x l p 型的旋分器；( 3 ) 异型入口型，如美国的 c a t c l o n e h 型，国内由上海化工研究院开发的e t 型和由湖北工业建筑设计院开发的x c x 型和 x n i ) 型，都属此列：( 4 ) 扩散锥体型，如国内的c l k 型：( 5 ) 通用型，与前述几种不同的是采用了 平顶及矩形截面入口和较长的锥体或较大的高径比的方式，并根据不同的性能要求而采用不 同的进出口面积比以提高分离器的分离效率。其它的还有诸如多管型旋分器和旋流式分离器 等多种型式，不一而足。 图t 一1 旋风分离器的结构示意图 堂 中国农业大学硕士论文绪论 1 4 研究目标、内容与方法 1 4 1 研究目标 课题是中国农业大学的所承担的国家“十五”科技攻关计划项目现代农业技术装备研 制开发中的“牧草生产与加工机械化关键技术及成套设备的研究”为重要组成部分，着重 研究旋风分离器分离物料的试验研究。分析影响饲草在旋风分离器中分离量的因素，确定该 饲草在旋风分离器分离过程的主要参数，对这些参数建立适当的数学模型，并对其进行数值 求解，模拟分离喂入的全过程：通过一系列试验，分析物料在旋风分离器中的性能，并与实 际相结合，对装置的旋风结构进行优化设计，从而使饲草在旋风分离器中的组合方案达到最 佳。 1 4 2 研究内容及方法 1 ) 数学模型的建立 参考已有的旋风分离器数学模型，结合分离运动特点。建立一个含有影响饲草分离量的 因素所确定主要参数的数学模型，并对其进行数值求解，将理论计算的各个参数进行实践修 正，预测现场分离过程。 2 ) 饲草在旋风分离器中的最佳组合方案的确定 根据饲草在旋风分离器中分离原理，以及饲草在旋风分离器中的主要参数，确定出饲草在旋 风分离器中的最佳组合方案。 1 5 技术路线 课题的总体思路是理论与实际相结合，首先对已有旋风分离器工作原理进行分析，再结 合饲草特性进行深入研究；通过理论知识，建立影响饲草在旋风分离器中分离喂入量数学模 型，通过一系列试验，测出影响饲草在旋风分离器中分离量实际数值，和得到的参数进行比 较，得出最优数值。 7 中国农业大学硕士论文 绪论 具体技术路线如下： 通过查人量资料，掌握一般 旋风分离装置的工作原理 掌握饲草秸秆特性，具体 将应用苜蓿作为试验物料 掌握饲草与其他物料在旋风分 离装置中输送过程的不同点 做出影响饲草旋风分离数学模型准备试验器材 ll 参数分析与处理反复试验得出试验数据 i 对试验数据分析，并进行数据修正 中国农业大学颁士论文 旋风分离器分离机理及其总体的设计与研究 第二章旋风分离器分离机理及其总体的设计与研究 旋风分离器是一种结构简单、操作方便、运行可靠、耐高温、阻力小、投资少、维护费 用低的分离设备，在工业分离中得以广泛的应用。旋风分离器虽然结构简单，但其工作过程 却是极复杂的。它是一种利用气固两相流体的旋转运动，使固体颗粒在离心力的作用下从气 流中分离出来的设备，是工业上最常用的一种分离、分离设备由于旋风分离器的工作过程 是一种三维强旋转湍流、两相分离运动，且涉及气固相互作用以及凝聚、破碎、吸附和静电 等许多物理现象，致使理论研究遇到了许多在现代流体力学中尚未解决的难题，其应用历史 虽然已有百余年了，但总的发展情况却是理论研究始终落后于实践 2 1 旋风分离器在饲草干燥设备中的作用 现代农业技术装备研制开发中的“牧草生产与加工机械化关键技术及成套设备的研 究”是国家“十五”科技攻关计划项目，该项目属于中国农业大学国家科研课题饲草、秸 秆机械化加工技术与装备的研究的核心成果。该科技成果解决了饲草、秸秆储存和运输的 技术瓶颈问题，对推进草业发展和保障畜牧业生产需要，具有重要的支撑作用。 旋风分离器是饲草干燥设备中的重要组成部分，因此对旋风分离器的研究和设计是很有 必要的。旋风分离器是利用旋转气流的离心力将气固两相流中的固体颗粒甩到器壁，达到分 离目的的一种排气装置。应用中，旋风分离器应该要结构简单、工艺性好、排气效率高，即 所谓“简单高效”。也就是要使普通旋风分离器的结构尺寸及各项参数最优，能最大限度的 分离原料中的粉尘，高效地实现气固分离。饲草干燥设备中的旋风分离器就是将干燥后的饲 草与粉尘通过旋转气流分离开来。 本文将从旋风分离器所应用的分离理论以及其工作原理出发，对旋风分离器的设计方法 做一些探讨，使所研究的旋风分离器达到最优化设计，并对饲草干燥设备中的旋风分离器与 普通旋风分离器的不同点做一下说明。 9 中国农业大学硕士论文 旋风分离器分离机理及其总体的设计与研究 图2 1旋风分离器在饲草干燥设备中的位置 旋风分离器是该项目的重要部件，如图2 1 所示旋风分离器在成套设备的位置，它能有 效的将物料从物料热气流中分离出来，所以旋风分离器的设计与研究对我们项目是非常重要 的。 囤2 2旋风分离器在饲草干燥设备中的应用 1 、分离饲草的旋风分离器2 、分离粉尘的旋风分离器 如图2 2 所示，成套设备中含有两套旋风分离器，饲草随饲草气流进入上图中分离饲草 的第一套旋风分离器，将饲草和含有粉尘的热气流分离开米；含粉尘的热气流又进入分离粉 1 0 中国农业大学硕士论文 旋风分离器分离机理及其总体的设计与研究 尘的第二套旋风分离器，使粉尘分离出来。该论文主要研究的是第一套旋风分离器。 2 2 物料分离理论研究 旋风器内气固两相的分离模型是建立在分离理论的基础上的。目前，旋风器内气【司两相 分离理论大致可分为以下几种： ( 1 ) 沉降分离理论：该理论与水平重力沉降室的分离状况相似，根据固相颗粒由于离心 力作用而沉降到旋风器壁面所需要的时间，与气流在气固两相分离区域所停留的时间相等来 确定能完全分离的固相颗粒直径& l o o 。该理论实质是一种无混合( 柱塞流) 模型，以r o s i n 、 r a m m l e r l i n t e l m a n n 等的研究为代表。 ( 2 ) 平衡分离理论：是根据在旋转流作用下，固相颗粒所受的离心力与气流作用于颗粒 上的流体阻力相平衡的分离理论。假想圆锥、圆柱学说均属于这一理论，以l a p p l e 及 s h e p h e r d 、s t a i r m a n d 、b a r t h 以及m u s c h e l k n a u t z 等的研究为代表。 ( 3 ) 边界层分离理论：认为在旋风器任一截面上，固相颗粒的浓度分布是均匀的，但在 近壁面处的边界层内是层流流动，只要颗粒进入边界层即视为被捕集，以d l e i t h 和w l i c h t 等的研究为代表。 2 3 饲草干燥设备中的旋风分离器的工作原理 虽然旋风分离器的结构简单， 但其中气流的运动非常复杂。因进料管道与壳体成切线方 向，含尘气流以切线方向进入分离器内，由于分离器的阻力或内部空间较大，致使进入环形 空间的气流速度比入口速度小，气流向下扩展做向下的高速螺旋运动。气流旋转一周后，从 入口气流的下方甚至内部通过，斜向收到入口气流上，导致入口进气偏向筒壁而产生所谓的 压缩现象、并与入口气流混合形成紊流。气流中的饲草受离心力作用飞向壳体内壁，然后向 下滑落并从山料管道排出。气流则向上旋流并从分离口排出，从而达到饲草与气流的分离。 如图2 3 所示。 2 4 旋风分离器的设计理论 在对旋风分离器的研制、选择使用方面，都存在着对各种型号的优选及评价问题。在优 选和评价的过程中，必须考虑到三个技术性能指标( q 、p 、町) ，和三个经济性能指标( 基 建投资、占地面积、使用寿命) ，这六个指标并不是彼此孤立的，而是相互依存和相互渗透 的。如气体流量q 、基建投资、占地面积等都与旋风分离器的容积有关，使用寿命的长短 也可以用基建投资的折旧长短的形式米表示， 最后归结到旋风分离器的排气效率，7 与旋风分 离器的结构形式及运转条件妒两个参数上，运转条件体现在压力损失p 上。由此可见，晟 后的优选及评价可以集中在压力损失a p 及排气效率叩的比值上，并使其比值达到最大值( 即 中国农业大学硕士论文 旋风分离器分离机理及其总体的殴计与研究 玎p = m a x ) 。 根据前人巴特、奈特赫特“1 等人的研究，旋风分离器的压力损失计算式、排气效率可按 下列两式计算，即 廿= c 而a b 粤 ( 2 1 ) 叩( 6 ) = 1 - e x p h 砷2 ”2 1 ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式中的旋转指数为： n = ( 1 - 0 3 8 2 y c o “) ( 轰) “3 ( 2 - - 3 ) 前面提到的全部理论分析是根据这两个公式进行的。( 2 1 ) 式说明压力损失主要与进口 断面曲及蕊管面积( 2 r “) 2 有关，而与其它尺寸无关，说明矮胖与高瘦的旋风分离器只要进 i s i 面积与出口面积的关系相同。压力损失也就一样。 在前述的( 2 - - 1 ) 、( 2 2 ) 式中，c 为几何参数，妒为运转条件参数，其计算式分别 为： c 。j f l( 2 4 ) 吒屯 妒：量2 l 二些 + 1 ) ( 2 5 ) 1 8 ( 2 y 。) 、7 根据转圈理论的研究认为： 只要旋风排气的旋转切向分速度在旋风分离器内的旋转圈数足 够，即旋风旋转的圈数展开后的长度相当于重力沉降室的水平速度所经过的沉降室的长度 ，则气流就能从内筒半径到达外筒边壁处的分离界面而被分离。故混合气体从进口到锥 体流经的距离为2 刀。n ，此时含尘气体在旋风分离器内停留时间为： f ：垫：丝1 1 6 1( 2 6 ) 哆 在以上各式中： 以上公式中 k 一：旦 4 2 k 疋：_ t o 8 y 。3 1 2 p b 2 瓦 ( 2 7 ) 中国农业大学硕士论文旋风分离器分离机理及其总体的设计与研究 a 进风口高度( ，1 ) ； b 进风1 5 1 宽度( ，1 ) ； k 圆筒半径( 聊( k = 巩2 ) ； q 风量( m 3 s ) ； t 尘粒在旋风分离器内的停留时间( 5 ) ； 6 气流粒径( m ) ，( 6 = d ) ； 心气流在筒体内的切向分速度( - t o = k ) ，( m s ) p 空气粘滞系数，当t = 2 0 时，= 1 8 2 1 0 5 ( p a 、s ) n 气流的真密度( k 3 ) ( p k = 1 5 0 0 k g m 3 ) ； 见空气的密度( k g m 3 ) ，2 0 时，常取成= 1 2 ( k g m ) 旋风分离器排气管半径( m ) ； 气体在旋风分离器内旋转的圈数，见下页图2 4 ； f 旋风分离器进风口速度( m s 1 。 从( 2 2 ) 式可以看出， c 值愈大，排气效率r 愈高。即旋风分离器筒体愈长、总高愈 大，排气效率r 也愈高，这一点从德国的旋风分离器是细高个儿得到验证。( 2 2 ) 式妒为 运转条件参数它包含着心= v j ，v j = q a b ， a 与b 是进口断面尺寸，说明运转条件 参数中，也含有几何尺寸的因素，为此在优选之前，先将几何参数c ，运转条件参数妒， 旋转指数h 及其有关几何参数计算后，代入( 2 1 ) 、( 2 2 ) 两式，即可求得旋风分离器的压 力损失和排气效率两个主要技术参数，所以，这两个参数对于选择、设计旋风分离器都是很 重要的。 a j 饲草 图2 3 旋风分离器转圈理论 旋 转 圈 数 n 7 一一 ，7 ，7 扩? 0 ，03 04 05 06 ： 7 0 进口速度v j ( m s ) 图2 4 进口速度与旋转圈数的关系 2 5 饲草干燥设备中的旋风分离器与普通旋风分离器的主要不同点 饲草干燥设备中的旋风分离器因为其本身特性而与普通的旋风分离器主要有两处不同 点： n 1 普通的旋风分离器进料管道在圆柱型壳体的上方。而饲草干燥设备进料为饲草，饲草 草段本身重力大，则将饲草干燥设备的旋风分离器的进料管道放于圆柱型壳体的下方，这样 可使饲草气流以很大的切向速度进入锥形管道，而使饲草气流能最大程度的和粉尘气流分离 开来。 f 2 谱通的旋风分离器由进料管道、排气口、出料管道以及圆柱型壳体组成。但是由于饲 草干燥设备中气流为高温饲草气流，其中还含有大量粉尘，因此饲草干燥设备中的旋风分离 器上盖安装了活页，井配备了活页支架。 如图2 5 上盖、图2 6 正视图及图2 7 俯视图所示。 2 6 饲草干燥设备中的旋风分离器各部分结构的确定 旋风分离器要达到结构简单、工艺性好、排气效率高的设计要求，还应考虑其制造成本 及安装复杂性。卜面针对旋风分离器的结构特点以及饲草干燥设备中的旋风分离器与普通旋 风分离器主要不同点，对饲草干燥设备中的旋风分离器的各部分结构进行确定。 1 4 中国农业大学硕上论文 旋风分离器分离机理及其总体的设计与研究 2 6 1 饲草千燥设备中的旋风分离器上盖及活页支架参数的确定 因为饲草干燥设备中流动空气为高温热风，因风速大、温度高，当饲草随热风进入壳体 内后，壳体内饲草越挤越多，且壳体内空气受热膨胀，而饲草与空气通过排气口和出料管道 排出并不是很及时，所以我们对上盖进行了特别处理。我们在上盖上安装了活页，如图2 5 所示。活页与上盖用密封胶牯紧以防漏风，并且用链条与上盖盖活页支架焊接，防止活页脱 落后到处乱掉。 壳体直径d 1 是跟据整个成套设备来设计的，这也是上盖盖的直径。饲草随热气进入壳 ，f 一 2 2 ：= ：= = = = = 一j l 、 少7 一、 乡7 ，眇7 f一 ，一7 ， 。f 7 。 一一乃 p 一 hp 、 。二么，i 图2 5上盖 上盖活页2 排气口 2 体后，受到壳体内壁反弹，作高速螺旋运动。如果壳体直径d 1 较小，而排气口直径d 2 较大时， 饲草容易随气流从排气口一起排出，因此上盖在设计时应注意排气口直径k 与壳体直径d 1 的 关系。并且保证饲草气流在壳体内的旋流宽度不小于进料管道的宽度l j ，即饲草气流进入壳体 后不会直接从排气口排出。d 2 、d 1 以及l j 的关系： d 2 4 j 2 6 3 饲草干燥设备中的旋风分离器壳体参数的确定 饲草气流中的粉尘气流进入旋风分离器后在壳体内沿壳体壁急速旋转，到达锥形体f 方 时，被吸入漩涡中心，然后急速旋流向上，从排气口排出。但是根据流体力学规律，粉尘不 会在到达漩涡最低点之前就脱离其轨迹而进入漩涡中心，当粉尘到达漩涡晟低点后，会直接 随旋流向上的气流一起从排气口排出。 圆柱壳体长度厶是饲草干燥设备中的旋风分离器的主要参数，如果圆柱壳体长度上1 太短， 则气流就会把已经沉降到锥体内表面的饲草重新卷起，并被旋流向上的气流带出，造成饲草 损失。如果将排气口的直径d ，减少，那么旋转气流长度l 就会增加。当厶值增加到气流漩 涡的底端与旋风分离器锥体内壁相接触时，已沉降到锥体内表面的饲草就会随气流一起旋转， 并受到离心力而强烈地挤压锥体内表面，从而使锥体内表面产生磨饰。 壳体直径d 1 减小，有利于提高气流流速，并可以减小总压力降，而且提高排气效率。但 1 7 中国农业大学硕士论文 旋风分离器分离机理及其总体的设计与研究 旋风分离器壳体部分地长度也必须相应增加，以保证气流漩涡的底端与锥体内表面保持一定 的距离。一般情况下，气流漩涡底端的外沿与锥体内表面的垂直距离应不小于5 0 r a m 。 排气口横截面积大小4 与进气管道横截面积大小a ，之间的关系是决定壳体k 度的因素 之一。饲草干燥设备中的旋风分离器的4 往往远大于a ，壳体长度厶与直径d 】的关系一般 如下： 工1 = ( 1 2 - 1 5 ) d 1 ( 2 - - 1 2 ) 2 6 4 饲草干燥设备中的旋风分离器出料管道参数的确定 饲草随气流在旋风分离器壳体内经过急速旋转运动，最后从下方的出料管道排出。出料 管道直径最小为1 0 0 m m ，保证分离山的饲草能顺利从旋风分离器壳体输送到指定位置。 2 7 本章总结 本章主要从旋风分离器的分离机理出发，特别对饲草干燥设备中的旋风分离器与普通旋风 分离器进行比较。根据比较结果对饲草干燥设备中的旋风分离器总体上进行了设计和研究。 1 8 第三章旋风分离器的工作过程的理论研究 我们在课题进行中对旋风分离器的工作过程做了一定的理论研究，对旋风分离器的一些 参数进行了优化。 3 1 旋风分离器的工作过程 饲草气流 十气流 r 是 鬣 e ； 饲草气流 口饲草 图3 1旋风分离器的工作过程示意图 饲草气流进入旋风分离器后，被迫在外筒壁与内筒之间的同心圆环柱体内作旋转运动。 通常，饲草气流的速度较大，但仍然可以认为气流遵循不可压缩流体的运动规律，压缩问题 可忽略不计。气流在旋风分离器内被迫一边旋转一边向下运动，由筒体到达锥体，一直可伸 展到锥体的端部。r 旋气流本身具有的粘滞性，带动着内筒管下面的圆柱形气柱逐步发展成 中国农业大学硕士论文 旋风分离器的工作过程的理论研究 为类似刚体一样旋转。由于料斗是密闭的空间，r 旋气流到达锥体端部不能继续下旋时，就 折转方向，随着内筒下面旋转着的气柱上升，从出口排离旋风分离器。在气流的旋转运动过 程中，饲草颗粒受离心力作用沉降丁二锥壁，从排料口排出。如图3 1 所示。 3 2 旋风分离器内颗粒轨迹的模拟 目前，在对旋风分离器性能进行预测时，多数研究者采用的是随机轨道模型，在拉格朗 日坐标系下用跟踪颗粒运动轨迹的方法来描述颗粒的运动。 3 2 1 颗粒运动轨迹模型 3 2 1 1 两相流模型 本