旋流泵风分离器结构优化设计研究

旋流泵风分离器结构优化设计研究

0旋转器结构设计,使内火炬个体不断完善,其运近年来，随着研究的深入，气液两相流法的气相分离也取得了许多重要的研究成果。对旋风分离器进行结构的优化设计,一方面为了提高它对细粒的捕集能力,另一方面为了设计出压降低、能耗低、分离效率高、便于安装、检修和不易损坏的分离器。一般的旋风分离器通常由进料管、出料管、排气管、筒体、锥体等5部分组成。含杂气体从进料口切向进入筒体,在筒体内剧烈旋转,旋转所产生的离心力使杂质与壁面碰撞后,由于重力作用沿壁面从底部的出料口出来;气体在旋转运动的同时,经过轴向向下运动的外旋涡,然后再通过轴向向上运动的内旋涡,最终从排气管出来,从而达到两相分离。1设计简要介绍了倾斜检测器的结构设计要点以及影响能耗和分离性能的影响1.1给排水结构类型进料管结构主要分为:管横截面设计、管纵切面设计、管与筒体相连接类型的设计、管口直径的设计和入口截面角度设计等。(1)截面高宽比的旋转轴截面流场横截面通常分为矩形、圆形和圆方过渡3种形式。通常采用矩形横截面,能降低进料口处流体的湍动和扰动程度,从而降低分离器内的能耗;而圆形横截面适用于要求不是很严格,小型采样的旋风分离器的工况,具有结构相对简单,造价低廉等优势;圆方过渡横截面适用于分离器前面为圆管的流道,同时过渡段的收缩角不超过21°,扩散角不超过15°,来降低湍流扰动和边界层分离。李强等通过入口截面高宽比对旋风分离器内流场的影响进行数值分析,模拟具有不同高宽比的入口截面下的旋风分离器内气固两相流流动特性。结果表明:采用适当的高宽比,能使旋风分离器近壁面保持较高的气流速度,强化外旋涡,能使颗粒更容易被壁面捕集而分离,对提高分离效率有重要作用。(2)入口截面角度的选择纵截面通常分为平行线构成的不收缩截面和收缩的截面。在同样的工况条件下,收缩的管道,会使流体流速增大,导致在分离器内的离心力增大,从而可以更好地分选细粒。入口截面角度,通常指进料口倾斜的角度,包括直切入口、斜切入口、径向入口等。钱付平等对常规旋风分离器的进口结构进行了改进,并对不同入口截面角旋风分离器的分离特性进行数值模拟和实验研究,结果表明:进口具有一定截面角可以有效改善旋风分离器的分离性能。在相同的入口风速下,随着入口截面角的增加,旋风分离器总效率和分级效率增加,而压力损失却减小,入口截面角45°应是最佳的选择。(3)旋转轴/双进口结构的结构影响连接类型通常分为切线式、蜗壳式、对数螺旋式、渐开线式、弧形式、同心圆式、多管对称式、可调整式和可更换式等类型。切线式容易造成进料口的湍动和扰动及局部阻力增大,导致局部的能量损失增大。其他的可使进料部位的能耗降低,处理量增大、降低了流体流动的湍流扰动、颗粒的反弹和返混及冲蚀的风险等。付烜等对单、双进口对旋风分离器升气管外壁结焦影响的数模分析,结果表明:轴对称双进口旋风分离器升气管外壁结焦的倾向将明显小于单切向进口的旋风分离器。王新华等研制了一种新型双蜗壳式旋风分离器,并对其进行实验研究,结果表明:旋风分离器分离空间的切向速度呈现“驼峰”分布,最大值达到29VP,离心力场较强,上行流区的静压变化为顺压梯度,有利于降低压力损失;指出控制短路流和分离空间下端的旋涡流动是进一步的优化方向。吴彩金等利用RSM模型对斜切双入口型旋风分离器三维流场进行了数值模拟,结果表明:斜切双入口型式很好地改善了单入口旋风分离器流场的不对称性,减小了内部的局部涡流;随着倾斜角度的增加其切向速率,轴向速率都呈现先增加后降低的趋势,在倾斜角度为12°时轴向速率达到峰值,倾斜角度为10°时切向速率达到峰值,压降也呈现先增后降的规律,但最大值也远远小于单入口形式,径向速率变化不明显。Boadway等对渐开线式和切线式进行对比实验,结果发现渐开线式进料管比切线式节约能耗达52%。1.2基于小细胞的研究进展出料管结构主要分为直圆管型、灰斗与旋风分离器出料口轴向直接相连型、出料口和灰斗之间连有一段圆管型(灰斗通常有渐收式和渐扩式2种形式)、灰斗与出料口切向直接相连型等。直圆管型比较常见,但在出料口的浓度和黏度很高的情况下,通常要设计成其他形式来改善或改进分离器的性能。为了防止旋涡一直延伸到灰斗,设计成中间连有一段直圆管为佳,一般来说直圆管尺寸至少为旋风分离器本身长度的1/2,但是要求有足够的轴向空间;为了弥补直接相连型的不足,通常在连接界面处上面或者下面安装一个稳涡器,但是会影响分离器的总的分离性能,一般不推荐;当旋涡延伸到灰斗中,易采取渐扩式灰斗,适合与直接相连型搭配。Arato把出料管和进料管都设计成渐扩式,降低了出料口流体从分离器内排出的压力,有效利用了出口流体的动能,从而降低了总能耗,节约了运行成本。蒋明虎等对柱状气液分离器结构进行了优化设计,设计成单锥状,同时把出料管结构设计成旋流腔与出料口切向直接相连。通过CFD和实验分析,得到出料口气流量增加,压降有所下降,新设计的分离效果更加理想、高效。梁朝林对旋风分离器的结构进行了改进,即内管外壁增设螺旋翼片,扩散形锥体改为悬挂挡板。并通过实验观察分析,改进结构的旋风分离器分离效率比常规旋风分离器高,大大拓宽了旋风分离器的应用领域。1.3旋流分离器分离性能的研究排气管结构按形状主要分为直圆管型、渐扩管型、其他不规则型。按排气管插入深度可分为浅、中(一般情况下把排气管的长度延伸至与入口底板平行,是一个较好的设计原则)、深。按排气管进气方式分为底端进气和侧面进气。按排气管壁厚分为薄壁和厚壁。此外,切割粒径和压降损失与排气管管口直径密切相关。排气管倾斜角度对分离性能也有一定影响。直圆管薄壁比较常见,渐扩管能降低能耗;插入深度以中型为佳,浅型的优点是:质量轻、制造费用低、方便检查和维修、总压力损失减少,但是太短会使分离性能下降,深型要面临费用、重量、检查的容易性、压力损失、应力、“短路”等诸多问题;schmid对侧面进气进行研究发现压力损失减少25%~50%,并使X99减少3倍;一般来说增大排气管厚度能有效改进分离器的性能。蒋海华在对旋风分离器进行大涡数值模拟和分离性能实验研究发现:随着排气管管径的增大,旋风分离器的压降逐渐减少,增大到一定程度,压降的减少趋势趋于平缓,分离效率随着管径的增大而逐渐减少;随着插入深度的增大,压降也增大,分离效率随插入深度的增大而增大,但有个合理值。AratoBoadway对渐扩管型的排气管研究发现:不仅流体在较低压力下顺利排出,而且比采用直圆管型的能耗降低27%。徐继润等对厚壁排气管研究发现:厚壁比薄壁在减少短路流、降低内部压力损失、提高分离精度等方面优越很多。金向红等通过对气液旋流分离器分离性能的试验研究发现,排气管的结构尺寸对旋流器分离的临界速度及分离效率有显著影响。采用扩散锥形的排气管结构可以有效地削弱旋流分离器内短路流的影响,增大排气心管内液膜的形成速度,从而在保证压力降基本不变的前提下提高分离效率。旋流器分离的临界速度受物料含液浓度的影响不大,主要受排气管结构尺寸的影响。谷吨等对旋风分离器性能参数影响进行研究,以CLK型旋风分离器为研究对象,利用ANSYS软件,模拟不同参数条件下旋风分离器内总压分布,并分析讨论不同参数对旋风分离器总压降的影响。结果显示,入口气流速度越大,压降越大;排气管的插入深度越大,压降越大;排气管的直径越大,压降越小。1.4旋流器的分离、压降和分离性能通常筒体和锥体两者的结构关系是紧密相连的,按照两者的比例尺寸关系可分为:长锥型、短锥型、长柱型、短柱型、全柱型。长锥型锥段很长,圆锥角小于25°,在工业上应用最为广泛,适用于分离粒度小的工况,如:固体颗粒质量回收率要求较高的液体澄清或悬乳液浓缩等;短锥型锥段很短,其圆锥角大于25°,可对固相颗粒进行分级、分类分选;长柱型一般情况下柱段取旋流器直径的0.7~2.0倍;短柱型往往只有锥段的1/4甚至更短;全柱型没有锥段,常做2级旋流器的第1级,主要用于选矿作业。此外,旋风分离器的总长度对压降和分离性能也有影响,关于总长的确定,目前不能给出一般性的回答,MacLean等人申请的专利,称旋风分离器最优设计长度为式中Ax、Ain———排气口和入口的横截面积。褚良银等对旋流器固液两相流场的研究发现:旋流器柱段是一个有利于固相颗粒分离的有效离心沉降区,固液分离易选取长柱型。Bruce等对全柱型旋流器用于固相颗粒分离时研究发现:全柱型磨损小,所需压降小,而且处理能力大。夏正兵等利用上部筒体下部锥体的旋风分离器,研制了一种型脱排油烟净化机,油烟去除率为85%~92%,最高可达95%。金向红等通过筒体结构对轴流式气液旋流器的分离、阻力损失性能研究,结果表明:在流速相对较低时,管锥式旋流器的分离效率要高于管柱式,而在流速较高时,管柱式旋流器的分离效率要高于管锥式。对于一定的处理量(即流速一定),管锥式旋流器的压降损失要低于管柱式。张建等对不同锥体结构旋风分离器的分离特性数值研究,结果表明:随着排尘口直径的减小,分离性能有所提高。长锥型旋风分离器轴向速度分布呈现与高效Stairmand型旋风分离器不同的不稳定分布状态,出现明显的短路流现象,通过改进其结构尺寸可得到稳定流场,从而提高分离效率。2系统设计要点迄今为止,还没有一个模型能定量地说明所有旋风分离器的流动情况,无准确可靠地反映各种影响因素的分离机理,也没有一套完整成熟的通用数学模型。在进行旋风分离器优化结构