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旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增效作用

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旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增效作用旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增效作用 旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增 效作用 第62卷第7期 2011年7月 化工 CIESC Journal Vo1.62 July NO.7 2O11 旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增效作用 付炬,孙国刚,刘佳,j时铭显l (中国石油大学(北京)化学工程学院,北京102249) 摘要:旋风分离器进口段管路的结构关系着进口气速的分配,直接影响到下游分离空间三维速度场的形式,合理 设计进口管的样式是挖掘分离器分离潜力的可能人手之处.采用实验及数值模拟...
旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增效作用
旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增效作用 旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增 效作用 第62卷第7期 2011年7月 化工 CIESC Journal Vo1.62 July NO.7 2O11 旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增效作用 付炬,孙国刚,刘佳,j时铭显l (中国石油大学(北京)化学工程学院,北京102249) 摘要:旋风分离器进口段管路的结构关系着进口气速的分配,直接影响到下游分离空间三维速度场的形式,合理 设计进口管的样式是挖掘分离器分离潜力的可能人手之处.采用实验及数值模拟手段,对环管和直管2种进口 管路下轴对称双进口分离器的性能与流场作了对比研究.结果表明,环管进口的分离器分离总效率比两侧进口 的平均高1.5个百分点,而压降损失降低25以上.前者阻力小的原因在于进口环管内气流为局部的涡旋,与 分离器内旋涡流动的形式接近,两股气流交汇时碰撞程度轻,附加的额外能耗较小;而总效率提高的原因为, 环管进口的分离器切向速度比两侧进口的分离器约高0.15倍进口气速,能增强颗粒受到的离心作用,减小切割 粒径,从而提升分离器总效率.根据涡旋理论,局部区域的涡旋会对整个流动空间 产生感生的速度场,由于环 管进口的分离器进口管内局部涡旋的存在,整个分离空间的切向速度场被增强.这 种由涡旋感生速度场提升分 离器切向速度的方式,加深了分离器运行过程中压头向速度转换的程度,不会消耗 额外的能量.因此,采用旋 涡流的进气方式,并合理提高进口涡旋的强度,是分离器分离性能进一步提升的新 途径. 关键词:旋风分离器;进口管结构;感生速度;减阻;增效 DOI:10.3969/].issn.0438—1157.2011.07.021 中图分类号:TQ021.1文献标志码:A文章编号:0438—1157(2011)07—1927一O6 Effectofinducedvelocityonseparationefficiencyandpressure dropofcyclonescausedbyvortexinvortex—tubeinletpipe FUXuan,SUNGuogang,LIUJia,叵巫 (CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China) Abstract:Theinletvelocityaffectstheflowfieldofacycloneseparator,andtheshapeoftheinletpipeis oneofthemostimportantfactorsthatmaychangethevelocity.Withtheoptimizationfortheshapeor structureofinletpipe,cycloneswithbetterperformancecanbedesigned.Heretheseparationefficiency andtheflowfieldoftwodouble— inletseparatorswithstraightinletpipesandavortex-tubeinletare analyzedandcompared.Itisshownthatthetotalseparationefficiencyofthecyclonewithvortex-tubeinlet is1.5higherthanthatwiththestraightinlet,andthepressuredropoftheformeris25lower.The reasonforlowerpressuredropisthatinthevortex-tubeinletcyclonetheflowsintheinletpipeandin separationspacearebothvortexpatterns,alleviatingtheenergyconsumptionwhenthetwostreams collide.Thehigherseparationefficiencyisresultedfromthatthetangentialvelocityintheseparatorwith vortex-tubeinletis15higherthanthatwiththestraight— pipeinlet.Thusthecyclonewithvortex-tube inletcanreducethecutsizeandimprovetheseparationefficiency.Accordingtothevortextheory,the localvortexintheinletpipeofthevortex-tubeinletseparatorwillcreateaninducedvelocityfield,which 2O1O—O9—17收到初稿,2011—04—27收到修改稿. 联系人:孙国刚.第一作者:付炬(1983一),男,博士研 究生. 基金项目:中石化沉降器防结焦项目(305013). Receiveddate:2O10—09—17. Correspondingauthor:Prof.SUNGuogang,ggsunbj@163. com Foundationitem:supportedbytheAnti—cokeProgramof SIN0PEC,China(305013). ? 1928?第62卷 increasesthetangentialvelocityintheseparationspacewithoutadditionalenergyloss.Thus,usingvortex tubeinletandincreasingthevortexintensityshouldbeeffectivetoimprovetheseparationperformance. Keywords:cycloneseparator;inletpipestructure;inducedvelocity;lessenergyloss;higherseparation efficiency 引言 旋风分离器进口结构的设计严重影响到进口气 速分布及夹带颗粒的浓度分配l_】],但是关于分离 器进口管路形式设计的报道较少且并不系统. 文献;-53粗略地提到分离器进口管截面可以设计 成圆形和矩形,前者适合分离要求较低的情况,后 者则适用于操作条件苛刻的工作环境,但没有深入 讨论进口管路形状样式的问.文献[67]提到 了分离器进口管路形状对分离性能的影响,采用渐 缩回转通道形式的双进口分离器具有明显的降低阻 力提高效率的效果,研究的结果虽然没有深入地探 讨可能减阻增效的进口管路形式,不过却证明了从 进口管路形式人手研究有可能达成减阻增效的目 标.除此以外,有关分离器进口的研究全部是从降 低分离空问流场不对称性的角度人手而采用对称的 进口个数和进气方式,如毛羽等...申请了部分新 型对称进口的分离器专利,进口个数少的为2个, 多的可以到4个甚至更多,这些多进口的分离器专 利或者是进口太多不容易实施,或者就是未见分离 性能等详细数据的报道,且基本的出发点仍然在于 维持分离器内稳定的分离环境,而并无相关进口管 路形式的设计建议.事实上,流体没有固定形态, 其流动形式与管路的状况休戚相关.从流体上游影 响下游的角度来讲,进口管路的形式决定了气流进 入分离器最初的流动形态,是影响分离空问三维速 度场的直接因素;从管流的阻力特性角度来讲口, 由分离器进口管路结构而产生的沿程阻力和局部阻 力也应该是分离器设计中需要重点体现的问题.因 此,对分离器进口管路设计的研究还有待进一步完 善,系统考察及发现不同形式进口形式对分离器内 气固分离情况及分离性能的影响规律,是完善设计 分离器进VI结构的前提,也是设计,制造满足炼厂 和其他工业领域具体需求的新型分离器的基础. 本文在高效的双进口分离器基础上展开研究, 分别改换普通两侧进口管和双涡流进口管结构,实 验比较两种进口样式对分离性能的影响,并模拟对 比两种进口结构下分离器气相流场的差异,引入涡 旋理论口胡了涡流进口形式在分离器降阻增效 中发挥的作用,为旋风分离器进口管路设计的完善 提供帮助. 1实验结果对比 1.1分离器模型与实验装置 图1为两种分离器的模型及尺寸,进口管路样 式不同.一台为两侧对称的进口,另一台采用同侧 1个总进口分成2个环管的进口形式(下文简称双 涡流分离器,本文选取的进口环管宽度相同6=== b:).进口高宽比例同为2.5:1,其余尺寸相同. 图1分离器几何模型 Fig.1Geometricalmodelofcycloneseparator (d1—120mm,d2—120mm,d3—240mm,d4—80IllIll, D一300mm,Hl一420mm,Hz一600mm,H3—590mm) 实验中采用人工加料,除尘效率用质量法测 定,通过计算收料前后的质量差得到分离器的总除 尘效率;称重仪器采用电子秤(精确到0.001 kg),实验用滑石粉中位粒径为15.38/am,加料浓 度保持10g?m.旋风分离器的处理风量(气 速)用毕托管间接计算得到,通过调节流量阀控制 进口的处理风量;阻力特性用静压法测定;实验过 程对每组气速下测定两次以取平均效率值.实验装 置参考图2. 1.2性能分析 图3为双涡流分离器和两侧进口分离器的性能 对比曲线.前者分离总效率比后者平均约高1.5个 百分点,且效率曲线随处理量的增加持续升高,稳 第7期付炬等:旋风分离器进口涡旋感生速度场的减阻增效作用 976 974 972 970 968 966 964 962 96O 958 95 inlet inlet 图2实验装置 Fig.2Experimentsetup 图3总效率曲线和进出口压降曲线 Fig.3Totalefficiencycurveandstaticpressuredropcurve 定性也较好;双涡流分离器进出口的静压差比两侧 进口分离器低500Pa以上(降低约25),且随着 处理量的增加这个静压的差值逐渐扩大,即大处理 量的条件下双涡流进口的分离器阻力损失相对更 小,反过来讲就是具有高处理量的优点,能获得较 佳的经济效益. 2环管进口减阻增效的原因分析 分离空间的气相流动规律影响着到分离器的 总体性能.一般认为切向速度高,切割粒径小, 短路流量小,则分离器效率高;流量稳定,涡核 摆动幅度小,横向二次流动弱,不同部位过渡段 平整,则分离器阻力损失小.下文将结合数值模 拟的流场信息分析环管进口形式造成分离器减阻 增效的原因. 2.1计算 数值计算以标准状况下纯空气作为介质,选择 RSM模型,采用非平衡壁面函数计算旋风分离器 升气管外壁近壁的流动情况.压力梯度项采用 PRESTO(pressurestaggeringoption)方法进行 处理.同时选用QUICK差分计算动量方程, 湍动能方程和湍流耗散率方程,压力速度耦合采用 SIMPLE算法. 对近壁区域网格加密,具体做法为升气管外壁 网格第一层布置在离壁面0.5iilm处,递增因子为 1.2,边界层作10层网格,总厚度约12mm.保 证旋风分离器入口缩口处平均气速一致为20m? s.分离器下端出口设置为壁面封堵,出口在升 气管顶部设为outflow,并将出口延长以满足多重 质量出口边界条件. 2.2减阻原因分析 根据Hoffmann等_l建立和发展的基于旋转 动能耗散的压降计算方法,旋风分离器的压降由以 下3部分组成:一是入口损失;二是器内旋流损失, 指形成旋流时因气流黏性而产生的动能损失;三是 排气管内旋转动能的耗散.考察本研究中两种分离 器出口排气管中的流场,发现双涡流分离器排气管 中旋流速度比两侧进口分离器的约高1.5m?S,, 旋转动能较高.这部分动能通常是耗损的,那么双 涡流分离器的压降理应较大,但实验结果说明双涡 流分离器的压降较小,所以双涡流结构的降 ? l93O?化工第62卷 图4分离器进口阻力分析 Fig.4Resistanceanalysisofseparatorsinlets 阻效果完全由前两条原因产生.为了分析双涡流分 离器进口环管在分离器减阻增效中的作用,考察分 离器进口位置横截面的流场,见图4.由于两侧进 口分离器进口管与筒体连接处并非准确的直管进 口,而是具有特殊角度的缩口,会附加一定的局部 阻力,同时进口管中气流与分离器环形空间的气流 在流动方向及流动形式上也有差别,根据物理学基 本理论,当物体的运动形式发生变化,必然受到外 力的作用,要消耗额外能量,采用两侧进口的分离 器进口管内是具有特定方向的有势流动(有势流动 无旋),而环形空间的气流已为圆周运动的形式, 不仅两者的速度矢量方向不同,存在一个速度的夹 角,而且环形空间的气流还附有一个向心加速 度,两股流动形式不同的气流交汇就可能产生碰撞 和叠加,此过程势必会消耗一定的能量.另一方 面,两侧进口的分离器进口气流的方向相反,流 动状态与旋转流差别较远,进口的直流形式将逐 步转化为涡旋流动,在此涡旋形成过程中需要克 服更多的阻力,也提高了压降损失.而采用双涡 流分离器的环管进口时,进口管末端气流已基本 转换为具有一定旋流强度的涡旋,其速度矢量的 方向及流动形式与分离器环形空问气流的基本相 同,气流交汇过程中除了因局部速度大小而受到 相互问黏性力作用外,受到的碰撞叠加等阻力损 失较小,形成旋流所消耗的动能损失也小.因 此,选用合适的环管进口结构能够有效降低分离 器的阻力损失. 2.3增效原因分析 切向速度的高低与升气管下El短路流量的大小 是影响旋风分离器分离总效率的最重要的两个因 素.数值计算结果表明,两侧进口的分离器与双涡 流分离器短路流量分别为0.082kg?S一和0.07 kg?S(进口总流量分别为0.316kg?S和 0.312kg?S),短路流所占百分比分别为26.1 和22.4,双涡流分离器的短路流较小,但差别 并不大.相比分离器总效率的1.5个百分点的差 别,短路流量应该还不是造成效率差别的主要 原因. 进一步分析表明,两侧进口的分离器和双涡流 分离器分离空间内切向速度大小存在较大差别,而 径向速度与轴向速度基本相同(这里不讨论径向速 度与轴向速度场,实际模拟结果为此二维速度差别 很小).图5为两种分离器相同轴向位置l和2处 的切向速度沿直径的变化曲线(见图l,分离器顶 板处设为一0mill位置,位置1处于分离空问筒 体段z一一400mill,位置2位于椎体段一一700 mm).可见两种进口形式下分离器切向速度曲线 形式相同,对称性也较好,接近CS面的位置切向 速度最大,远离此位置切向速度逐渐减小.但双涡 流分离器的平均切向速度比两侧进口分离器约大3 m?s,相当于提高了约0.15倍进口气速,说明 前者对颗粒产生的离心作用更强,大幅降低了分离 器切割粒径l5].究竟什么原因导致了这种切向速度 的差别?环管进口是否是切向速度提升的直接原因 呢?下面利用涡旋感生速度的理论l_】纠对切向速度 场的变化作分析说明. 2.4感生速度场的说明 图6为两种分离器进口截面简图,两侧进口的 分离器进VI管内为具有速度V的直流;双涡流分 离器在进El处则为具有强度力和n的局部涡旋, 此外因为分离器中部涡核的影响,两种进口形式的 分离器在分离空间内都存在强度n的涡旋,分离器 对称中心0(0,0)点为各涡旋的涡心,涡旋矢量 垂直于纸面向内. ? 】932?化工第62卷 流旋涡强度越大,则产生的感生速度场越强,对分 离空间切向速度的提升作用越明显.因此,选用合 适的环管进口形式,并合理提高环管进口内的旋涡 强度也是一种提高分离器分离效率的可行办法. 综上所述,分离器进口采用环管的形式是一种 有效的减阻增效的方法,进口气流的流动形式与分 离器内气流流动形式越接近则额外的阻力损失越 小,进口气流的旋涡强度越大,则分离空间切向速 度越大,压头转换为速度越彻底,对分离器效率的 提升作用越明显. 3结论 旋风分离器进口段管路的形式影响到分离空间 切向速度的大小,双涡流分离器的切向速度比两侧 进口的分离器约大0.15倍的进口气速,能增强分 离空间内颗粒受到的离心作用,降低分离器的切割 粒径,从而提升分离器总效率. 依据涡旋理论,旋风分离器进口环管内的局部 涡旋会在整个分离器空问产生感生速度场,当感生 速度的方向与分离器自身涡旋方向一致时,整个空 间的旋涡强度叠加,切向速度值得到提升.此外, 环管内气流的旋涡强度越大所能感生的切向速度场 越强,就有可能提升分离器切向速度,从而提高分 离效率. 旋风分离器进口采用环管的形式能改善进口气 流的流动方式,是一种有效地减小阻力损失的措 施.进口环管末端的涡旋与分离空间的涡旋流动形 式越贴近,相互问碰撞及因流动状态改变而消耗的 额外能量就越少. 总体来讲,旋风分离器进口管路的形状特点会 影响分离性能.通过合理设计,优化进口管路结 构,能够达到降阻增效的目标. 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