第6章 旋风分离器

隔热耐磨双层衬里
集气筒
烟气出口
烟气入口
分离单管 隔热耐磨单层衬里 吊筒
集尘室
6.3 旋风分离器内气固两相流动规律
颗粒的分离是在含尘气流在分离器中的运动过程中实现的， 因此，分离器内气固两相的流动分布规律是决定分离性能的主 要因素 。
6.3.1 旋风分离器内气相流动规律
(1) 三维气流速度方向的定义
R
θ
C(dp)/Ci(dp)
1.20 1.00 0.80 0.60 0.40
dp=3μm dp=5μm dp＝8μm dp＝12μm dp＝16μm
0.20
0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 r/R
图5－5 主要分离空间内颗粒粒级浓度沿径向分布(z=225)
(1) 分离器内颗粒浓度分布－沿壁面条带形螺旋线状分布
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
(2) 分离器内颗粒浓度分布－沿径向外高内低
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
(2) 分离器内颗粒浓度分布－沿径向外高内低
密相区
密相区
密相区
稀相区
稀相区
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
(3) CLK型(扩散型)
筒体下部为一倒锥形，并在底部装有倒置 的顶部开孔的漏斗形挡灰盘，其下沿与四壁底 圈留有齿缝。这种结构的作用是防止返回气流 将落下的粉尘重新卷起，因而提高了除尘效率， 尤其对直径10μm以下颗粒，效果更为明显，它 适用于净化颗粒浓度高的气体。
(4) CZT型(长锥型)
具有较长的锥体，一般采用锥体 长度为2.8D。体积小、用料省、除尘 效率高，适用于捕集非黏性的金属、 矿物、纤维性粉尘、刨花和木屑，特 别对纤维性的棉尘除尘效率几乎为 100%。
Qv(z) Rc
Γv (z )
z=l
6.4.4 分区理论
Dietz认为气流产生的离心力场使固相颗粒在各 区浓度各不相同，但由于流体微团脉动、迁移、固 相碰撞，弹跳等影响因素，可以认为各区横截面上 固相呈均匀分布；各区之间质量传递通过区域边界 进行，忽略交界面上浓度扩散效应，固相质量传递 的速率及方向由涡旋场及汇流场强弱共同决定。
Chapter6 旋风分离器
6.1 旋风分离器的原理
在一定的压差动力作用下将含尘气流引入分离器，通过特 殊的入口结构将含尘气流的直线运动转变为强旋转运动，利用 气固两相的密度差在离心力的作用下实现气固两相分离。
旋风分离器的分离过程
6.2 旋风分离器内主要结构型式
•按入口结构的型式分类（造旋的方式不同） 1 切流式（切向入口型式）
dc100 1.5
ro p Nvi1re ຫໍສະໝຸດ ro4N=2H/ro
从转圈理论的基本假设可以看出，由于忽略了对分离效 率有较大影响的径向速度，这种分离机理模型严重的缺点就是 对流场只见涡，不见汇，认识不全面。
6.4.2 筛分理论（平衡轨道理论）
6.4.2 筛分理论（平衡轨道理论）
筛分理论认为在旋风器内部流场中，颗粒一方面在颗粒受
荷兰Delft大学的 J.J. Derksen 于2003年采用了非定常的欧拉－ 拉格朗日湍流模型计算得到了旋 风分离器内气固两相流动规律
不同粒径大小的颗粒在旋 风分离器内的分布
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
荷兰Delft大学的 J.J. Derksen 于2003年采用了非定常的欧拉－ 拉格朗日湍流模型计算得到了旋 风分离器内气固两相流动规律
6.4.4 分区理论
(1)三区模型 Dietz于1980年首先提出了此模型理论。他将旋风分离器内
流场分为三个区域：1)入口区，即排气管入口以上环形区；2) 下行流区，即排气管入口以下环形区；3)上行流区
s-a/2
b
I
Ⅱ
Rc Rt
Rt z=0
ur(z )
z
a h H
l
Rv
v
Γw (z )
Ⅲ
Rv
Qv(z)
6.4.1 转圈理论
1932年Rosin等人假设vt就是入口气速，不随位置变化；且 分离器是一个半径为ro的圆筒, 对服从Stokes定律的颗粒有：
dc100 3
ro2 re2 2rop Nvi
N＝4
6.4.1 转圈理论
Davies假设气流是自由涡运动，vt =vi(ro /ri)，得 ：
6.4.4 分区理论
(2) 四区模型－Mothes(1984) ra* r1
Γ0
0r
I
z
Γ1 (z)
Γ1(ra* )
C1(z)
Vz 0
Γ1(z+dz)
Ⅱ
Ⅳ
Γ4 (s)
Vr(r1 )
s-a/2
l H
Γ2(ra* )
-30
实验值 -25
计算值
-20
-15
-10
-5 0
0
5
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 r (mm)
10
上行流区
下行流区
下行流区
下行流区
上行流区
(3) 气相流场的典型分布特点－径向速度
2 0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 -2
激光的多普勒频差与速度的关系
6.3.1 旋风分离器内气相流动规律
(3) 气相流场的典型分布特点－整体全貌图
切向速度(实线)和径向速度(虚线)
轴向速度
Ter Linder （1949）
静压(实线)和全压(虚线)
6.3.1 旋风分离器内气相流动规律
(3) 气相流场的典型分布特点
切向速度
轴向速度
中科院柳绮年，贾复等（1978）
6.3.1 旋风分离器内气相流动规律
(2) 气流速度的测量方法 (i)五孔球探针－圆球绕流的原理
测量前在风洞内进行标定，得到五个小孔的压力 与已知来流速度大小、方向的关系；
测量时，通过测量五个小孔的压力反算出来流的 速度大小、方向。
6.3.1 旋风分离器内气相流动规律
(2) 气流速度的测量方法 (ii) 激光多普勒测速仪－激光的多普勒效应
vtc 1 /(re Fi f Hn )
Fi
4ab
/(
d
2 e
)
H n H n / re
1 0.52( 2b )0.71
6.4.2 筛分理论（平衡轨道理论）
相对于转圈理论，筛分理论考虑 了径向气流影响。但在计算过程中， 却将vr视为平均值，这与实际流场不 符。经流场测定与分析可知：旋风器 内流场中vr是沿轴向变化的，这样颗 粒所受曳力也是随之变化的，所以根 据受力分析而假想的这样一张筛网也 就仅仅是一种理想化的模型，与实际 情况有一定差距。
6.3.1 旋风分离器内气相流动规律
(3) 气相流场的典型分布特点－整体全貌图
径向速度
压力分布
中科院柳绮年，贾复等（1978）
王建军 （2000）
王建军 （2003）
Fluent数值计算结果
许伟伟 （装控03级毕业论文）
(3) 气相流场的典型分布特点－切向速度
Vtr n C 准强制涡区
60
向心流动
-4 -6 -8 -10 -12 -14
r (mm)
Vr(m/s )
Pss(mmH 2O)
(3) 气相流场的典型分布特点－静压
700 600 500 400 300 200 100
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 r (mm)
主流：－提供完成分离的主要动力
R
θ
C(dp)/Ci(dp)
1.20 1.00 0.80 0.60 0.40
dp=3μm dp=5μm dp＝8μm dp＝12μm dp＝16μm
0.20
0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 r/R
图5－5 主要分离空间内颗粒粒级浓度沿径向分布(z=225)
(5) 龙卷风型
把排出气体中含尘浓度较大部分（或干净气体）以二次风的形 式再导回旋风分离器以提高除尘效率。
切流二次风 轴流二次风
(6) 多管型
单管直径小，分离效率高；多管并联处理量大 ，压降低，结构紧凑。
立式多管
(6) 多管型
卧式多管节省空间，受力结构好
烟气出口
隔热耐磨双层衬里
卧式多管
集气室 气体分配室
(2) CLP型
采用蜗壳式进气口，进气口位 置低且带有旁路分离室。含尘气体 进入筒体后随之分为两路，较大的 颗粒随向下旋转的主流气体运动， 沉到筒壁落下；细微粒则随一小部 分气体在顶部旋转聚集形成灰环， 再随气流经旁路分离室旋转向下并 沿壁面落下，提高了分离效率。
根据旁路分离室的形状不同，分 为A、B两种型式，其阻力系数 ζ=4.8～5.8。
不同时刻下颗粒在旋风分离器 内的分布
6.4 旋风分离器的分离理论
如何在给定的工艺条件和结构参数下计算（或预测）旋风 分离器的性能，是旋风分离器分离理论研究的主要内容，也是 旋风分离器设计的基础和依据。基于旋风分离器内的气流及颗 粒运动十分复杂，因此不同的研究者对颗粒的分离捕集机理作 出一些假设，从而形成各种不同的分离机理模型。
6.4.3 边界层理论
Leith与Licht认为气体对粉尘的阻力，紊流横混及尘粒的 反弹，二次扬尘等都足以保证旋风分离器任一横截面上气流中 未被捕集的粉尘得到均匀分布，即所谓径向返混是完全的。 但 在近壁处的边界层内，是层流流动，只要颗粒在离心力作用下 运动进入此边界层内，就可以被捕集分离下来。