高效飛灰分離設(shè)備冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究-畢業(yè)論文.doc

XXXX大學(xué)畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文第一章 緒論1.1前言旋風(fēng)除塵器是一種利用含塵氣流在除塵器內(nèi)部作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將塵粒與氣流分離的裝置。長(zhǎng)期以來，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉以及分離效率高的特點(diǎn)，旋風(fēng)除塵器一直被廣泛應(yīng)用于煤礦、冶金、建筑、石油等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。1.2 發(fā)展節(jié)能環(huán)保型工業(yè)鍋爐的必要性1.2.1 我國(guó)煤炭資源水平現(xiàn)狀我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)之一。長(zhǎng)期以來，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中一直占有主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年一次能源消費(fèi)量，煤占67.0，大大超出了27的世界平均水平。中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)顯示：2004年，中國(guó)一次能源生產(chǎn)總量18.46億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)15.2%；消費(fèi)總量19.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)15.2%。其中原煤產(chǎn)量19.56億噸，增長(zhǎng)17.3%，消費(fèi)18.7億噸，增長(zhǎng)14.4%；原油產(chǎn)量1.75億噸，增長(zhǎng)2.9%，消費(fèi)2.9億噸，增長(zhǎng)16.8%。國(guó)家發(fā)改委能源局2004年公布，中國(guó)能源消費(fèi)總量已經(jīng)位居世界第二，約占世界能源消費(fèi)總量的11%。從國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局了解到，2005年上半年我國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到9.4億噸，同比增產(chǎn)8292萬(wàn)噸、增長(zhǎng)9.7。僅上海市2003年一次能源消費(fèi)就達(dá)6698萬(wàn)噸標(biāo)煤，比2002年增長(zhǎng)了9.5%，其中，煤炭消耗占59.2%，石油占34.8%，天然氣占1%，水電、核電等其他能源占5%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭用于鍋爐生產(chǎn)蒸汽發(fā)電的約占31.5%，用于工業(yè)鍋爐和窯爐的約占40%，民用煤約占20%，其它占7.5%。我國(guó)有工業(yè)鍋爐約53萬(wàn)臺(tái)，平均容量2.5蒸噸/小時(shí)，熱效率約65。年耗煤占我國(guó)煤炭產(chǎn)量的35左右，達(dá)3.0-3.5億噸。歐、美等國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率在80以上，與之相比低10到20個(gè)百分點(diǎn)21。電站鍋爐的熱效率比工業(yè)鍋爐、窯爐和民用爐灶要高得多，但與世界上發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距仍很大。到2003年為止，我國(guó)電力總裝機(jī)容量達(dá)3.91億千瓦，其中燃煤火電機(jī)組占2.90億千瓦，年耗煤約8.4億噸，全國(guó)平均供電煤耗為381克/度，而國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家平均供電煤耗為313克/度，相差68克/度。按2005年經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要電量2.27萬(wàn)億度來計(jì)算，同發(fā)電量我國(guó)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，一年就多消耗1.32億噸煤。這樣低的熱效率意味著大量煤碳的浪費(fèi)，并給環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染。1.2.2 煤炭生產(chǎn)和應(yīng)用對(duì)于環(huán)境的影響煤炭對(duì)于環(huán)境的污染是貫穿于煤炭的采集、運(yùn)輸、燃燒等過程之中的。在煤炭的開采過程中，大量的粉塵會(huì)進(jìn)入空氣之中，直接影響了當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量。著名的云崗石窟就是一個(gè)典型的例子。在距離云崗石窟不到一公里的地區(qū)就有華宮儲(chǔ)煤場(chǎng)和吳官屯礦儲(chǔ)煤場(chǎng)這兩座煤場(chǎng)。而這兩座煤場(chǎng)出產(chǎn)的原煤直接堆放所造成的黑色揚(yáng)塵對(duì)于云崗石窟內(nèi)的壁畫，雕刻等造成了嚴(yán)重的影響；而由于附近的兩座煤矸石山含硫量極高且自燃現(xiàn)象嚴(yán)重，又造成了該地區(qū)出現(xiàn)了局部酸雨的現(xiàn)象。這對(duì)于那些具有悠久歷史的文化瑰寶是具有毀滅性破壞的。而根據(jù)大同市環(huán)境監(jiān)測(cè)站連續(xù)兩年對(duì)云崗石窟總懸浮顆粒物、二氧化硫、降塵、硫酸鹽化速率、氮氧化物和一氧化碳的監(jiān)測(cè)，由于石窟周邊區(qū)域居民取暖、炊事用煤，冬季云崗石窟降塵和硫酸鹽化速率比夏季高出一倍左右。長(zhǎng)此以往，云崗石窟將最終成為歷史，從我們的視線中永遠(yuǎn)地消失。而同樣地，開采過程中的廢水如果處理不當(dāng)，也會(huì)污染附近的河流、湖泊造成水質(zhì)的污染；同時(shí)，煤礦開采也會(huì)造成當(dāng)?shù)赝寥赖奈廴九c退化。而由于開采所造成的地表塌陷，河流斷流等地質(zhì)災(zāi)害也是一個(gè)重大的問題。而在煤炭的運(yùn)輸過程中對(duì)于鐵路沿線地區(qū)的污染也是相當(dāng)嚴(yán)重的。運(yùn)輸煤炭的列車就像一個(gè)“移動(dòng)污染源”，所經(jīng)過的地區(qū)空氣中黑灰含量都很高，對(duì)于當(dāng)?shù)氐木用窦皠?dòng)植物的健康都有巨大的影響。煤炭的燃燒對(duì)于大氣的污染更為嚴(yán)重。由于化石燃料的燃燒需要排放出各種污染物。在排放到大氣的污染物中，99%的氮氧化物（NOX）、99%的一氧化碳（CO）、91%的二氧化硫（SO2）、78%的二氧化碳（CO2）、60%的粉塵和43%的碳化氫是化石燃料燃燒過程中產(chǎn)生的，其中煤燃燒所產(chǎn)生的污染物又占絕大多數(shù)。我們能源以煤為主，燃煤產(chǎn)生的大氣污染物占污染物排放總量的比例較大。例如，二氧化硫占87%，氮氧化物占67%，一氧化碳71%，煙塵占60%。而據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，1995年度，全國(guó)廢氣排放量為12.3億立方標(biāo)米，廢氣中煙塵排放量為1478萬(wàn)噸，二氧化硫（SO2）排放量1891萬(wàn)噸，工業(yè)排放廢氣量為10.7億立方標(biāo)米，工業(yè)煙塵排放量837.9萬(wàn)噸，工業(yè)二氧化硫排放量1405萬(wàn)噸。1995年SO2排放量較1990年增加了26.4%，煙塵排放量增加了70%5。SO2是形成酸雨的原兇，而近幾年來，我國(guó)的酸雨受害地區(qū)呈不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)。NOx主要來源于煤炭的高溫燃燒，它有加劇溫室效應(yīng)和臭氧層破壞的作用。CO2則是最主要的溫室氣體。1.2.3 我國(guó)能源發(fā)展的政策根據(jù)最新的中國(guó)的能源狀況與政策白皮書的介紹, 中國(guó)能源發(fā)展堅(jiān)持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展和安全發(fā)展。堅(jiān)持發(fā)展是硬道理，用發(fā)展和改革的辦法解決前進(jìn)中的問題。落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，堅(jiān)持以人為本，轉(zhuǎn)變發(fā)展觀念，創(chuàng)新發(fā)展模式，提高發(fā)展質(zhì)量。堅(jiān)持走科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少、經(jīng)濟(jì)效益好、安全有保障的能源發(fā)展道路，最大程度地實(shí)現(xiàn)能源的全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。而作為節(jié)能減排重點(diǎn)對(duì)象之一的工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)該堅(jiān)持走科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化道路3。所以像火力發(fā)電這樣的燃煤大戶，為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，應(yīng)該注意提高煤炭資源的利用率及降低其環(huán)保影響。煤炭是我國(guó)主要能源，80%以上的煤炭以直接燃燒方式被利用。燃煤工業(yè)鍋爐廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活等領(lǐng)域。工業(yè)鍋爐是我國(guó)第二大燃煤用戶，每年燃煤45億噸。但是目前，燃煤工業(yè)鍋爐普遍技術(shù)落后，熱效率低，污染嚴(yán)重，污染物排放總量接近電站鍋爐。因此我國(guó)迫切需要發(fā)展工業(yè)鍋爐高效燃燒和煙氣除塵一體化技術(shù)，徹底解決工業(yè)鍋爐的燃燒與污染問題。目前各城市都在急于尋求適用的燃煤工業(yè)鍋爐技術(shù)，半懸浮回燃式拋煤機(jī)工業(yè)鍋爐將使鍋爐效率提高10以上，并大大減少煙塵的排放，能有效解決工業(yè)鍋爐能耗高、污染重的技術(shù)難題，可作為工業(yè)鍋爐的新型爐型大范圍進(jìn)行推廣和應(yīng)用。1.3 拋煤機(jī)鍋爐簡(jiǎn)介拋煤機(jī)鍋爐是我國(guó)50年代末開始生產(chǎn)的，主要容量有35t/h、20t/h、10t/h。其產(chǎn)品大部分用于孤立電網(wǎng)的發(fā)電站或大型工廠的自備電站。拋煤機(jī)鍋爐的特點(diǎn)是火床燃燒和懸浮燃燒的結(jié)合，其燃燒過程的強(qiáng)烈使運(yùn)行的安全性、可靠性、煤種的適應(yīng)性、燃燒效率等性能指標(biāo)都優(yōu)于鏈條爐，對(duì)燃料結(jié)焦特性的限制較為寬松，負(fù)荷變化迅速1。而相對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，它在造價(jià)與維護(hù)成本上也有著很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。以下是拋煤機(jī)鍋爐火場(chǎng)床燃燒的過程22： 圖1-1拋煤機(jī)鍋爐火場(chǎng)床燃燒示意圖圖1-1表示了風(fēng)力機(jī)械拋煤機(jī)鍋爐的火床燃燒過程。爐排面起端部分上面的燃料，除了在播撒時(shí)飛行過程中已經(jīng)在爐膛中吸收了少量熱量以外，其燃燒情況大致與鏈條爐相似：主要依靠來自爐膛的輻射熱來加熱和引燃，燃燒自上而下發(fā)展，隨著爐排的移動(dòng)，沿爐排長(zhǎng)度形成燃料加熱干燥、析出揮發(fā)分和焦碳燃燒幾個(gè)階段（見圖中的區(qū)域a）。區(qū)域b中的燃燒則具有拋煤機(jī)爐子的各項(xiàng)特點(diǎn)：在這個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)落下的煤?？偸巧w在正在燃燒或?qū)⑷急M的焦碳層上，下部引燃作用十分強(qiáng)烈，著火條件優(yōu)越；而且煤粒經(jīng)過爐內(nèi)分選，落在爐排每個(gè)斷面上的煤的粒度組成比較一致，因此爐排強(qiáng)度可以提高，能適應(yīng)的煤種范圍也比較廣。其次，由于燃燒的燃料層較薄，而且比較均勻地分布在爐排面上，因此沿爐排長(zhǎng)度方向上各斷面上的燃燒情況是相似的，火床上面的氣體成分也比較均勻，化學(xué)不完全燃燒損失一般很小。同時(shí)由于煤層薄，燃燒又很猛烈，因此爐子的熱慣性較小，調(diào)節(jié)靈敏。此外，煤粒在爐膛中穿過高溫?zé)煔鈺r(shí)，一部分表明已經(jīng)焦化，加之火床中煤粒的粒度又比較一致，因此無論燃煤性質(zhì)是否屬于粘結(jié)，火床中一般都不會(huì)出現(xiàn)結(jié)大塊渣的現(xiàn)象。但是拋煤機(jī)鍋爐同樣存在有很嚴(yán)重的問題：a. 由于爐膛溫度較低，致使許多煤粉尚未燃燒就被排出去了，造成飛灰中碳含量非常高，造成嚴(yán)重的效率降低及環(huán)境污染。b. 由于爐膛體積有限，導(dǎo)致煤粉內(nèi)的碳未能完全燃燒，同樣會(huì)導(dǎo)致燃燃料損失和燃燒效率的降低。因此，改善拋煤機(jī)鍋爐的燃燼率、提高燃燒效率；減少粉塵和有害氣體的排放，是開發(fā)高效潔凈半懸浮式拋煤機(jī)鍋爐的關(guān)鍵技術(shù)。隨著我國(guó)對(duì)于合理、節(jié)約利用資源和大力發(fā)展環(huán)境保護(hù)的要求不斷提高，在燃煤領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)改造是不可避免的。而要解決拋煤機(jī)鍋爐中存在的這些問題，方法主要分為兩大類：一是從爐內(nèi)燃燒的燃料和空氣的角度入手，如改變?nèi)剂戏N類或者是改變空氣組分；二是改變拋煤機(jī)鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如加入飛灰回燃技術(shù)。本文的研究背景就是建立在回燃式拋煤機(jī)鍋爐飛灰分離系統(tǒng)之上的。下圖是回燃式拋煤機(jī)鍋爐示意圖（圖1-2）20：圖1-2 回燃式拋煤機(jī)鍋爐示意圖1.4 旋風(fēng)除塵器在拋煤機(jī)鍋爐中的運(yùn)用在拋煤機(jī)鍋爐系統(tǒng)中加入煙氣飛灰分離收集環(huán)節(jié)，使未燃盡的煤炭被捕集回收，可以提高燃料的使用率，降低環(huán)境污染。在拋煤機(jī)鍋爐系統(tǒng)中使用的旋風(fēng)除塵器做為一種氣固分離設(shè)備，它與傳統(tǒng)煤粉爐使用的氣固分離設(shè)備（如靜電除塵器和布袋除塵器）有著不同的作用。靜電除塵器和布袋除塵器的作用主要是捕集鍋爐燃燒產(chǎn)生的灰塵，達(dá)到減小環(huán)境污染的目的，它們的安裝位置通常是在整個(gè)鍋爐系統(tǒng)尾部溫度較低的地方。而本實(shí)驗(yàn)研究的旋風(fēng)除塵器則是安裝在溫度較高的位置，主要是用來分離爐膛內(nèi)排出的燃燒煙氣中尚未燃燼的煤碳，使之能夠再次被送回燃燒室進(jìn)行燃燒，從而提高煤碳的使用效率同時(shí)降低對(duì)于環(huán)境的負(fù)擔(dān)。本課題實(shí)驗(yàn)所使用的研究模型正是基于用于拋煤機(jī)鍋爐飛灰回燃系統(tǒng)的旋風(fēng)除塵器而設(shè)計(jì)的。1.5 本課題的研究?jī)?nèi)容I. 課題的立題依據(jù) 旋風(fēng)除塵器作為鍋爐煙氣飛灰分離系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分，長(zhǎng)久以來，關(guān)于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究已經(jīng)有許多人研究過了。但是，到至今為止，對(duì)于旋風(fēng)除塵器排氣管段的位置問題，并沒有太多人注意過。目前，幾乎所有的旋風(fēng)除塵器采取的都是中置的方案。然而，由于改變排氣管的位置將改變旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的特性，所以，旋風(fēng)除塵器排氣管的偏置有可能增加其分離效率和降低壓力損耗。由于現(xiàn)有的關(guān)于這方面的文獻(xiàn)資料比較有限，所以本課題的目的就是通過冷態(tài)模化實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)旋風(fēng)除塵器排氣管偏置所產(chǎn)生的分離效率及壓力損失上的影響做一個(gè)詳細(xì)的研究，并為旋風(fēng)除塵器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的思路。II. 課題研究?jī)?nèi)容a. 通過冷態(tài)?；瘜?shí)驗(yàn)研究旋風(fēng)除塵器排氣管插入深度對(duì)于分離效率和壓力損失的影響，并確定一個(gè)最佳的插入深度。b. 通過冷態(tài)?；瘜?shí)驗(yàn)研究旋風(fēng)除塵器排氣管偏置對(duì)分離效率和除塵器壓力損失的影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析排氣管偏置對(duì)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生的作用并研究流場(chǎng)變化引起對(duì)應(yīng)分離效率與壓力損失變化的原因。綜合評(píng)估排氣管偏置對(duì)提高旋風(fēng)除塵器性能的作用，并確定最佳方案。第二章 旋風(fēng)除塵器理論基礎(chǔ)2.1 旋風(fēng)除塵器的發(fā)展歷史及研究進(jìn)展 從 1886 年Morse的第一臺(tái)圓錐形旋風(fēng)分離器使用至今，已有一百多年的時(shí)間了。旋風(fēng)分離器早期用于食品工業(yè)，主要用于氣力輸送谷物的收集。隨著近現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，旋風(fēng)分離器在眾多需要?dú)夤谭蛛x的領(lǐng)域使用范圍越來越廣。這主要與旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)有關(guān)。旋風(fēng)分離器有以下幾個(gè)特點(diǎn):a. 本身無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需特殊的附屬輔助設(shè)備，占地面積小，制造、安裝費(fèi)用較少。b. 操作、維護(hù)簡(jiǎn)便，壓力損失中等，阻力損失不大，運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用較低 。c. 操作彈性較大，性能穩(wěn)定，不受含塵氣體的濃度、溫度限制。對(duì)于粉塵的物理性質(zhì)無特殊要求，同時(shí)可根據(jù)工作條件的不同要求，選用不同材料制作或內(nèi)襯各種不同的耐磨、耐熱材料，以提高使用壽命4。從最初的設(shè)計(jì)到如今，在旋風(fēng)除塵器投入使用的這一百多年里，人們對(duì)于提高其分離效率與降低其壓力損失的研究始終沒有停止過。趙兵濤在文獻(xiàn)6中介紹了從上個(gè)世紀(jì)70年代至今，國(guó)內(nèi)外眾多科研人員對(duì)于旋風(fēng)除塵器內(nèi)部氣固兩相分離模型做出的研究。彭雷4論文中也介紹了旋風(fēng)分離器的幾何尺寸、切割粒徑和能量耗散的發(fā)展變化情況以及旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)研究的發(fā)展。陳宏基和姜大志10，楊麗萍9，徐劍等8對(duì)于通過改變旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來提高效率和降低阻力損耗均做了深入的研究。2.2 旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)的相關(guān)概念1.氣流在旋風(fēng)除塵器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)氣流從旋風(fēng)除塵器入口進(jìn)入除塵器內(nèi)部之后大部分會(huì)沿筒壁向下做螺旋運(yùn)動(dòng)，形成外旋流。在這個(gè)過程中，大部分的顆粒會(huì)由于離心力的作用而被甩向壁面并由于重力的原因下落至底部灰斗被收集，而少部分的顆粒會(huì)隨著氣流繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣流進(jìn)入錐體部分之后，隨著錐體半徑的急劇收縮，根據(jù)“旋轉(zhuǎn)矩不變”原理，其切向速度不斷提高。當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到錐體的某一特定位置之后，便會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，向上繼續(xù)做螺旋運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)旋流并從排氣管排出；同時(shí)其夾帶的少部分顆粒物也會(huì)一并逃逸。上灰環(huán)的形成：所謂上灰環(huán)，指的就是當(dāng)含塵氣體進(jìn)入旋風(fēng)除塵器之后，有一部分顆粒會(huì)在筒體上部靠近蓋板處的環(huán)形區(qū)域內(nèi)做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)，并最后沿排氣管外壁直接進(jìn)入排氣管入口，與內(nèi)旋流一起排出，形成短路流，造成分離效率下降。形成上灰環(huán)的主要原因是由于在環(huán)形區(qū)域做完一圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣流在回到入口處的時(shí)候會(huì)受到新進(jìn)入氣流的補(bǔ)充，旋轉(zhuǎn)速度增大，其內(nèi)部塵粒獲得的動(dòng)量將使之保持在環(huán)形區(qū)域內(nèi)繼續(xù)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.切向速度在三個(gè)速度分量中，切向速度對(duì)于分離效率的影響是最為明顯的。顆粒在做螺旋運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)受到切向速度的作用，產(chǎn)生離心沉降。所以切向速度越大則分離效果越好。根據(jù)11，在旋風(fēng)除塵器內(nèi)部的切向速度是強(qiáng)制與自由兩股渦流合成的蘭金復(fù)合渦。自由渦在外部，而內(nèi)部是一股強(qiáng)制渦流。渦流的最高速度發(fā)生在兩個(gè)渦流交界處，可以達(dá)到進(jìn)口平均速度的1.7倍。下圖為旋風(fēng)除塵器筒體內(nèi)部切向速度分布4（圖2-1）： 圖2-1切線速度分布3.軸向速度 旋風(fēng)除塵器筒體中外旋流的軸向速度向下，而內(nèi)旋流則相反。軸向速度決定了塵粒在旋風(fēng)除塵器內(nèi)部停留時(shí)間的長(zhǎng)短。根據(jù)4軸向速度不僅沿徑向上的分布復(fù)雜，而且沿軸向上的變化也很大，軸對(duì)稱性不如切向速度。4.徑向速度通常徑向速度的方向是指向旋風(fēng)除塵器幾何中心的。徑向速度決定了塵粒的沉降速度。相較于切向和軸向速度，徑向速度要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且測(cè)量起來非常困難。5.渦流由于旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場(chǎng)非常復(fù)雜，流動(dòng)產(chǎn)生的各類渦流對(duì)于分離器的分離效果和壓力損失影響很大。以下介紹的是兩個(gè)最主要的渦流：a. 短路流。正如前面提到的，短路流指的就是在旋風(fēng)除塵器蓋板、桶內(nèi)壁和排氣管外壁組成的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，有部分氣流會(huì)由于除塵器頂部壓力下降而不再向下做螺旋運(yùn)動(dòng)，而是沿排氣管外壁面向蓋板頂部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)頂部后又管壁向下至排氣管入口處隨內(nèi)旋流一起排出。短路流的存在會(huì)使得其夾帶的塵粒一起逃逸，造成旋風(fēng)除塵器分離效率的下降。b. 旋進(jìn)渦核。旋進(jìn)渦核PVC(Precessing Vortex Core)是在強(qiáng)旋流流場(chǎng)中產(chǎn)生的一種三維、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象。強(qiáng)旋流表現(xiàn)在流體中心受力，旋渦區(qū)偏離中心軸，并且繞著中心軸線旋進(jìn)。旋進(jìn)渦核很容易引起低頻高幅值的壓力、速度振蕩和隨機(jī)湍流，除了產(chǎn)生很大的噪音和分離效率的下降之外，壓力波動(dòng)還可能會(huì)對(duì)設(shè)備的殼體產(chǎn)生過壓現(xiàn)象；由振蕩所引起的系統(tǒng)共振還會(huì)影響系統(tǒng)的正常操作及縮短工作壽命。142.3 切割粒徑的推導(dǎo)15切割粒徑是反映旋風(fēng)除塵器性能的一個(gè)基本指標(biāo)。它主要由旋風(fēng)除塵器內(nèi)部氣流的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況所決定。在除塵器內(nèi)，粒子能否被分離的影響因素主要是它在內(nèi)外旋流交界面上所受到的兩個(gè)力之間的大小關(guān)系：螺旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力和氣流向心運(yùn)動(dòng)時(shí)施加在粒子上的向心阻力。當(dāng)離心力大于向心阻力時(shí)，粒子被甩向桶壁，進(jìn)而被捕集；當(dāng)離心力小于向心阻力時(shí)，粒子在向心氣流的帶動(dòng)下進(jìn)入內(nèi)旋流，進(jìn)而從排氣管中逃逸出去；當(dāng)離心力等于向心阻力時(shí)，則從理論上來說，粒子受外力和為零，在交界面上不停旋轉(zhuǎn)。而實(shí)際上，由于各種隨機(jī)因素的影響，處于這種平衡狀態(tài)的塵粒有50%的可能性進(jìn)入內(nèi)旋流，也有50%的可能性移向桶壁，此時(shí)的除塵效率為50%，即為切割粒徑。其推導(dǎo)方法如下：對(duì)于球形粒子，由斯托克斯定律可得：（式2-1） 其中，為交界面處氣流的切向速度，；的大小可根據(jù)下式計(jì)算：（式2-2） 其中為旋轉(zhuǎn)半徑可由下式計(jì)算：（式2-3） 其中為旋風(fēng)除塵器處理風(fēng)量，；分別為交界圓柱面的半徑和高度，；（式2-4）所以，越小說明旋風(fēng)除塵器的分離效率越高。第三章 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介如圖3-1所示,整個(gè)旋風(fēng)除塵器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由振動(dòng)給料機(jī)，氣固混合管段，旋風(fēng)除塵器模型，灰斗，引風(fēng)機(jī)和壓降、速度測(cè)量裝置組成。由于實(shí)際運(yùn)行過程中大多數(shù)的旋風(fēng)除塵器是處于負(fù)壓工作狀態(tài)，所以本實(shí)驗(yàn)也采取同樣負(fù)壓設(shè)置。選定的固體顆粒與空氣在氣固混合管段進(jìn)行充分混合之后沿切線進(jìn)入旋風(fēng)除塵器。含塵氣體在旋風(fēng)除塵器內(nèi)部做螺旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的離心力將絕大部分顆粒甩向壁面，并通過底部灰斗進(jìn)行收集。氣體及少量剩余顆粒物沿螺旋路徑到達(dá)除塵器錐體底部之后反向向上繼續(xù)做螺旋運(yùn)動(dòng)，從排氣管通過引風(fēng)機(jī)被排出通入空氣中。 圖3-1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖 3.2 相似模化3.2.1 旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)尺寸本實(shí)驗(yàn)使用的旋風(fēng)除塵器由切線入口室、除塵器筒體、集灰斗和排氣管段組成。由于本實(shí)驗(yàn)是冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)驗(yàn)室模型的各項(xiàng)參數(shù)必須根據(jù)實(shí)際工況中使用的旋風(fēng)除塵器進(jìn)行相似?；詽M足幾何相似。?；茖?dǎo)過程如下： 原形參數(shù)： 煙氣流量 =110000 m3/h 煙氣溫度 =600 筒內(nèi)煙氣上升速度 =5m/s 筒體直徑 =2.8 m 入口寬度 =0.7 m 入口高度 =2=1.4 m 排氣管直徑 =1/2=1.4 m 灰斗集灰口直徑 =1/4=0.7 m 圓筒高 =2=4.8 m計(jì)算過程： 根據(jù)筒內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)相似，流量比例常數(shù)CQ等于：（式3-1） 其中為線性比例常數(shù)，為速度比例常數(shù)，()代表原形。由于本實(shí)驗(yàn)計(jì)算中將實(shí)體和模型的入口速度v和筒內(nèi)煙氣上升速度vup設(shè)為相同，所以根據(jù)上式，可得（式3-2）所以幾何相似比等于6。則模型的寬度b=0.7/6=0.12，其余的參數(shù)根據(jù)旋風(fēng)除塵器設(shè)計(jì)手冊(cè)得出如下（表3-1）： 表3-1旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì)尺寸入口高度 aa=2b=0.24 m筒體直徑=4b=0.46 m排氣管直徑=0.25 m灰斗集灰口直徑=0.1 m圓筒高=1.5D=0.7 m錐體高=2.5D=1.1 m總高HH=+=1.8 m排氣管插入深度m*排氣管插入深度的確定過程將后文詳細(xì)闡述旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)見圖3-2 。 圖3-2 旋風(fēng)除塵器設(shè)計(jì)尺寸(單位：cm)3.2.2 顆粒粒徑及流場(chǎng)特性的模化由于本實(shí)驗(yàn)是冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，所以需要對(duì)于實(shí)際高溫?zé)煔庵蓄w粒物的粒徑進(jìn)行相似模擬,以獲得對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室條件下的顆粒粒徑，從而使得筒內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際情況相似。在各類相似準(zhǔn)則中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)流動(dòng)狀況產(chǎn)生比較明顯影響的是斯托克斯準(zhǔn)則和雷諾準(zhǔn)則Re。斯托克斯準(zhǔn)則表達(dá)的是顆粒慣性力與氣流阻力之比。慣性力是促使氣固兩相分離的力，而阻力則相反。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們無法使得斯托克斯準(zhǔn)則完全相等，只能盡量保持接近。下面是斯托克斯數(shù)的表達(dá)式：（式3-3） 其中：為顆粒密度與空氣密度之差。由于顆粒密度遠(yuǎn)大于空氣密度，所以可以近似認(rèn)為等于顆粒密度；為實(shí)際顆粒和實(shí)驗(yàn)顆粒的粒徑；為原型和模型的特征速度；為氣體粘度，對(duì)于實(shí)際煙氣=，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)室冷空氣=；為原型的特征尺寸，這里選擇筒徑；推導(dǎo)過程：I） 實(shí)際工況下的：（式3-4） II） 實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的：（式3-5）因?yàn)橐ＷCI，II狀態(tài)下兩斯托克斯數(shù)相等，所以：（式3-6）即實(shí)驗(yàn)室模擬使用的顆粒粒徑為原型的四分之一。雷諾準(zhǔn)則Re在粘性流體受迫運(yùn)動(dòng)中，是對(duì)流動(dòng)狀態(tài)起決定作用的因素，故模型中Re值應(yīng)保證和實(shí)物中的Re值相等。但當(dāng)流動(dòng)Re小于第一臨界Re數(shù)或大于第二臨界Re數(shù)時(shí)，慣性力成為決定性因素，粘性力影響可忽略，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與Re數(shù)的大小無關(guān)。此時(shí)稱流動(dòng)處于自?；癄顟B(tài)。通常進(jìn)入自?；瘏^(qū)的Re4。而根據(jù)雷諾數(shù)公式：（式3-7） 其中： 為流體密度； 為當(dāng)量直徑； 為流體流動(dòng)速度； 為氣體粘度，對(duì)于實(shí)際煙氣=，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)室冷空氣=；推導(dǎo)過程：I） 實(shí)際工況下的Re：（式3-8） II） 實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的：（式3-9） 所以原型和實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的雷諾數(shù)皆處于第二自?；瘏^(qū)。3.2.3 顆粒分布 典型的拋煤機(jī)鍋爐的飛灰粒度分布見表3-2表3-2 拋煤機(jī)鍋爐飛灰粒度分布根據(jù)3.2.2的計(jì)算，實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)使用的顆粒的粒徑分布應(yīng)為（表3-3）：表3-3 顆粒粒徑分布（顆粒物總重量：1000g）10的含量5000目2.611%110 g20的含量2500目5.223%120 g44的含量1250目10.442%190 g74的含量800目1956%140 g149的含量200目7527%270 g3.3 偏置角度及偏置距離本實(shí)驗(yàn)采用了6個(gè)偏置角度及對(duì)應(yīng)每個(gè)角度上4個(gè)偏置距離，加上排氣管中置的方案，一共25個(gè)工況。各工況點(diǎn)排氣管位置如圖3-3所示。根據(jù)相對(duì)偏心距L的定義：（式3-10）所有實(shí)驗(yàn)工況組合如下（表3-4）表3-4實(shí)驗(yàn)工況序號(hào)偏置方向（）偏置距離S（mm）相對(duì)偏心距（L）其它實(shí)驗(yàn)條件1000系統(tǒng)入口風(fēng)速：19 m/s系統(tǒng)入口濃度：6000 mg/m3測(cè)試溫度：202010010301501440250245035033690100107901501489025024990350331013510010111351501412135250241313535033141801001015180150141618025024171803503318225100101922515014202252502421225350332227010010232701501424270250242527035033圖3-3 表示了旋風(fēng)除塵器蓋板上偏置點(diǎn)位置圖3-3 偏置角度及距離3.4 測(cè)量設(shè)備及給料系統(tǒng)I本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量設(shè)備分為以下幾種：a. 稱量用電子秤。JM型數(shù)字式電子秤，主要用來稱量測(cè)試前后顆粒物的質(zhì)量。使用測(cè)試后收集的顆粒質(zhì)量除以入口給料量即可以獲得對(duì)應(yīng)工況的分離效率。b. 笛形管（均速管流量計(jì)）。主要用于測(cè)量旋風(fēng)除塵器系統(tǒng)前后的全壓差。c. U型管壓差計(jì)。本實(shí)驗(yàn)中主要用它來連接旋風(fēng)除塵器系統(tǒng)前后的笛形管，以直接讀出系統(tǒng)的壓力損失。II根據(jù)入口濃度c=8000 mg/m3，v=19 m/s 由以下的式子可以計(jì)算出顆粒的給料濃度：（式3-11）為防止顆粒聚合，在正式實(shí)驗(yàn)之前需進(jìn)行攪拌處理。顆粒通過一臺(tái)型號(hào)為ZG-10的電磁給料機(jī)加入。而通過使用前的標(biāo)定，給料機(jī)給料過程均勻，可以滿足實(shí)驗(yàn)需要。3.5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法3.5.1 壓力損失的測(cè)量3.5.1.1 笛形管工作原理 本實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量系統(tǒng)壓力損失的工具是笛形管，其工作原理如下：圖3-4 笛形管工作原理如圖3-4所示，笛形管安裝在管道中央垂直于氣流來流方向位置。按照等面面積環(huán)法，我們將管道分成面積相等的若干個(gè)圓環(huán)并在笛形管上的對(duì)應(yīng)位置開全壓測(cè)量孔。當(dāng)氣流流經(jīng)笛形管的時(shí)候，各個(gè)測(cè)壓孔可以獲得氣流的全壓。由于這若干個(gè)測(cè)壓孔是相通的，所以當(dāng)使用總壓管將各點(diǎn)測(cè)值匯總到一起并連接到U型管的一端時(shí)，這一端的壓力就是氣流的全壓。從管壁出接出一根靜壓管，連接到U型管的另一端，此時(shí)U型管的液面差就是測(cè)試截面的動(dòng)壓。為了保證笛形管不會(huì)對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生過于嚴(yán)重的影響，造成測(cè)量誤差，根據(jù)文獻(xiàn)2，在保證剛度的條件下，笛形管越細(xì)越好，一般取。因此在本實(shí)驗(yàn)中，笛形管的管徑取為5 mm。對(duì)于全壓孔，直徑也是越小越好，但是為了防止堵塞，全部測(cè)壓孔面積的總和不應(yīng)超過笛形管內(nèi)總截面積的30%。所以，本實(shí)驗(yàn)中笛形管的全壓孔直徑定為3 mm。 3.5.1.2 壓力測(cè)點(diǎn)的確定 壓力測(cè)量的關(guān)鍵在于如何有效測(cè)地選擇截面上測(cè)量點(diǎn)。 I進(jìn)口段全壓測(cè)點(diǎn)的分布。對(duì)于像入口管段這樣的矩形管道，為了能測(cè)得全壓和流速的平均值，必須把截面用經(jīng)緯線分成若干面積相等的小矩形2。小矩形面積的數(shù)量取決于管道的邊長(zhǎng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于矩型截面管道邊長(zhǎng)小于500 mm的情況，均勻分布的小矩形數(shù)量（測(cè)點(diǎn)排數(shù)）應(yīng)該為3排。所以本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)入口段全壓測(cè)點(diǎn)分布為（圖3-6）：II. 出口段全壓測(cè)點(diǎn)的分布。根據(jù)12,由于出口管段是圓管，而氣流圓管道截面上的速度分布是不均勻的，因而全壓不能單純?nèi)〗孛嬷悬c(diǎn)的測(cè)定值。截面上測(cè)點(diǎn)的位置可按等截面分環(huán)法確定。對(duì)于圓截面管道，如圖3-5所示，可將其劃分成幾個(gè)等面積的同心圓環(huán)，測(cè)點(diǎn)則定于等到分圓環(huán)截面的中心線與管直徑的交點(diǎn)處，令各點(diǎn)劃線相對(duì)圓心的距離為，管道半徑為，圓截面積為，則有：（式3-12）由圖可知：（式3-13）（式3-14）（式3-15）（式3-16）所以：（式3-17）若以管壁做為基準(zhǔn)，則測(cè)點(diǎn)距離管壁的距離為：（式3-18）通常來說，截面上劃分的圓環(huán)數(shù)愈多，所測(cè)數(shù)據(jù)平均后的結(jié)果愈接近實(shí)際值，然而也不能太多。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般對(duì)于直徑為250 mm的圓管，圓環(huán)數(shù)量取4個(gè)。所以根據(jù)上述公式，本實(shí)驗(yàn)中出口全壓測(cè)量點(diǎn)依次取=81 mm，=48 mm，=26 mm，=8 mm。根據(jù)軸對(duì)稱性，在兩邊各取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，一共8點(diǎn)。圖3-7為出口管截面測(cè)點(diǎn)分布情況。圖3-5等截面分環(huán)法示意圖圖3-7 出口管道截面上的測(cè)點(diǎn)分布圖3-6 進(jìn)口管段動(dòng)壓測(cè)點(diǎn)分布將兩根總壓管分別連接在U形管的兩端，即可直接測(cè)出旋風(fēng)除塵器系統(tǒng)前后壓力損失。3.5.2 分離效率的測(cè)量 分離效率的測(cè)量方法主要有三種：質(zhì)量法，濃度法和質(zhì)量濃度法。本實(shí)驗(yàn)采用的是質(zhì)量法。（式3-19） 質(zhì)量法即通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后顆粒物的質(zhì)量，以實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量除以實(shí)驗(yàn)前的質(zhì)量求得效率 第四章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析4.1 排氣管插入深度的確定排氣管的插入深度對(duì)于旋風(fēng)除塵器分離效果有直接的影響，一般來說，如過插入深度過淺的話，容易造成排氣管入口處發(fā)生粉塵短路的現(xiàn)象；而如果插入深度過深的話雖然可以減少短路流造成的損失，但又會(huì)使得塵粒直接隨內(nèi)旋流夾帶排出的幾率增大。本實(shí)驗(yàn)利用5.2的微珠進(jìn)行分離效率和壓力損失的測(cè)試，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果以確定最佳的插入深度。下圖（圖4-1）是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線：圖4-1排氣管插入深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖可知，當(dāng)插入深度為0.85D時(shí)，分離效率最高，為91.6%。所以本實(shí)驗(yàn)排氣管的插入深度確定為0.85D，即39.1 cm。4.2 排氣管偏置對(duì)于分離效率和壓力損失的影響。下表（表4-1）為25個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表4-1 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序號(hào)偏置方向（）偏置距離S（mm）相對(duì)偏心距（L）插入深度總壓差(kPa)分離效率(%)10000.85D1.50 91.60 20100.10.85D1.46 91.88 30150.140.85D1.09 90.17 40250.240.85D0.94 83.00 50350.330.85D1.04 82.58 690100.10.85D1.51 92.20 790150.140.85D0.97 92.87 890250.240.85D0.93 89.96 990350.330.85D0.9086.25 10135100.10.85D1.52 92.42 11135150.140.85D1.04 91.61 12135250.240.85D0.98 91.61 13135350.330.85D0.96 91.30 14180100.10.85D1.50 92.53 15180150.140.85D1.16 92.66 16180250.240.85D1.06 88.40 17180350.330.85D1.05 88.50 18225100.10.85D1.56 92.25 19225150.140.85D1.28 94.12 20225250.240.85D1.19 90.06 21225350.330.85D1.06 88.40 22270100.10.85D1.58 92.06 23270150.140.85D1.15 91.62 24270250.240.85D1.11 92.04 25270350.330.85D1.11 85.38 4.2.1 排氣管偏置對(duì)于分離效率的影響 通過對(duì)于數(shù)據(jù)的整理，我們可以發(fā)現(xiàn)排氣管位置的變化對(duì)于分離效率的影響是非常明顯的（圖4-2a，4-2b）：圖4-2a圖4-2b根據(jù)圖4-2a，我們可以看到并不是所有工況的分離效率都相較于中置情況均有所上升。在相對(duì)偏心距為0.1到0.14的范圍內(nèi)，分離效率基本都能有所提高，而從0.14往后效率反而有所降低。根據(jù)圖4-2b可以發(fā)現(xiàn)，效率上升的工況主要集中90225之間。在其中效率上升最多的是偏置方向?yàn)?25，相對(duì)偏心距為0.14的情況，上升了2.52%。我們主要從排器管外壁上的離體流區(qū)（detached flow）以及排氣管入口截面上的旋進(jìn)渦核現(xiàn)象這兩方面入手，對(duì)旋風(fēng)除塵器分離效率隨排氣管位置變化而升高的原因進(jìn)行分析。I離體流區(qū)。離體流區(qū)的定義：當(dāng)流體在排氣管與筒壁之間高速流動(dòng)時(shí)，由于排氣管外壁面比較粗糙，對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生磨擦，使得靠近排氣管外壁面的一部分流體的切向速度變得遠(yuǎn)小于中間部分流體的切向速度，造成流體沿流動(dòng)截面出現(xiàn)速度梯度，從而在排氣管外壁面形成一定厚度的滯留層。由于在這個(gè)滯留層內(nèi)部切向速度比較小，會(huì)造成流體中的塵粒聚集在其中，并最終沿排氣管外壁進(jìn)入內(nèi)旋流形成短路流，從而降低了分離效率。根據(jù)18，在排氣管外壁90290之間都有可能存在有離體流區(qū)，離體流區(qū)的厚度因模型的尺寸和實(shí)驗(yàn)工況而異。排氣管偏置使得對(duì)應(yīng)偏置方向上流體的流動(dòng)空間被壓縮，造成流體的流動(dòng)速度經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的過程，從而使得這個(gè)位置上的離體流區(qū)被破壞，造成了分離效率的提高。另外，如圖4-2b所示，分離效率在相對(duì)偏心距為0.1至0.14的位置上基本保持逐漸增大的趨勢(shì)，這說明離體流區(qū)的厚度范圍就這個(gè)區(qū)域附近，所以將排氣管偏向此處可以消除它對(duì)于分離效率的影響。II 旋進(jìn)渦核對(duì)于分離效率的影響。在前文2.1.5中已經(jīng)對(duì)于旋進(jìn)渦核做了簡(jiǎn)單的介紹。根據(jù)16，下圖（圖4-3）表示了旋進(jìn)渦核中心對(duì)于切向速度的影響：圖4-3圖中，是幾何中心，為渦核中心。為距離渦核中心最近器壁上的一點(diǎn)，為距離渦核中心最遠(yuǎn)器壁上的一點(diǎn)，和應(yīng)該在同一條直線上，顯然， 。但是根據(jù)角動(dòng)量守恒，通過和的角動(dòng)量的通量是平衡的，顯然，從渦核中心到器壁點(diǎn)的切向速度值比渦核中心到器壁點(diǎn)的值大，由徑向壓力梯度公式：（式4-1）（其中為壓力，為切向速度，為流體密度）可知，氣流切向速度分布導(dǎo)致徑向壓力分布和渦核中心附近的負(fù)壓區(qū)存在，從而造成回流，使得附近區(qū)域的細(xì)微顆粒較快地進(jìn)入內(nèi)旋流區(qū)，這可能是造成細(xì)微顆粒分離效率比較低的一個(gè)原因。而文獻(xiàn) 13也通過排氣管內(nèi)切向速度沿軸向的變化證實(shí)了旋進(jìn)渦核對(duì)于分離效率的影響：由于旋進(jìn)渦核造成的反饋機(jī)理，排氣管內(nèi)部氣流的切向速度會(huì)沿軸向衰減，因而會(huì)使得流場(chǎng)沿軸向上出現(xiàn)逆向的壓力梯度，從而在排氣管入口處產(chǎn)生回流，影響了分離效率。 研究對(duì)象的選擇。根據(jù)16，旋進(jìn)渦核現(xiàn)象并不僅僅局限于排氣管入口處附近，而是存在于旋風(fēng)除塵器整個(gè)空間之內(nèi)。但是根據(jù)19，由于在排塵口附近，渦核已與器壁接觸。當(dāng)顆粒落在排塵口處時(shí)，由于渦核與器壁面接觸，就易攪起沉積在器壁上的顆粒，造成排塵口處顆粒返混，使其隨渦核進(jìn)入內(nèi)旋流，從而極易從芯管中排出，大大地降低了顆粒的分離效率。鑒于本實(shí)驗(yàn)研究的是排氣管偏置對(duì)于分離效率和壓力損失的影響，所以我們選取排氣管入口截面作為研究對(duì)象。根據(jù)19中的相關(guān)圖表（圖4-4）我們可以發(fā)現(xiàn)：圖4-4 PVC幅值沿徑向位置的變化旋進(jìn)渦核在幅值在排氣管入口處呈雙峰分布，且最大幅值較其他截面處要大，所以排氣管入口處渦核發(fā)生偏心振動(dòng)容易造成粉塵反混。 分離效果提高的原因分析。在文章前面的部分已經(jīng)明確了旋進(jìn)渦核對(duì)于分離效率的影響，所以在這一部分我們可以嘗試?yán)眯M(jìn)渦核對(duì)于分離效率的影響進(jìn)行分析。根據(jù)前面幾部分的解釋，我們可以認(rèn)為當(dāng)旋進(jìn)渦核消除的時(shí)候旋風(fēng)除塵器的分離效率會(huì)上升。根據(jù)P. A. Yazdabadi 等13對(duì)于排氣管內(nèi)旋進(jìn)渦核的研究結(jié)果，我們可以利用排氣管偏置前后內(nèi)部切向速度軸對(duì)稱性的不同，研究偏置之后排氣管內(nèi)旋進(jìn)渦核的存在情況，進(jìn)而分析分離效率提高的原因。根據(jù)13當(dāng)旋進(jìn)渦核現(xiàn)象被消除的時(shí)候，即旋進(jìn)渦核中心和排氣管幾何中心相重合的時(shí)候，排氣管內(nèi)的切向速度分布會(huì)更具軸對(duì)稱性（見圖4-5a和圖4-5b）。圖4-5b 消除旋進(jìn)渦核現(xiàn)象后排氣管內(nèi)切向速度分布圖4-5a 存在旋進(jìn)渦核現(xiàn)象時(shí)排氣管內(nèi)切向速度分布所以如果我們能夠獲得偏置前后排氣管內(nèi)部切向速度的分布情況，通過比較兩者的軸對(duì)稱情況，就可以更為直觀地分析偏置對(duì)于分離效率的改善情況。4.2.2 排氣管偏置對(duì)于壓力損失的影響通過觀察圖4-6a和圖4-6b我們可以發(fā)現(xiàn)，排氣管偏置對(duì)于壓力損失的改善同樣非常明顯。圖4-6a圖4-6b 根據(jù)圖4-6a，我們可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的偏置工況都可以帶來壓力損失的降低，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的經(jīng)濟(jì)性和國(guó)家的節(jié)能要求都是非常有利的。其中以偏置方向?yàn)?0，相對(duì)偏心距為0.33時(shí)壓力損失降低的最多，接近38%。從圖4-6b中可以看出，在偏置方向?yàn)?，相對(duì)偏心距0.240.33的范圍內(nèi)，壓力損失反而又所上升，那是因?yàn)楫?dāng)排氣管向此方向偏置時(shí)，會(huì)對(duì)氣流入口流通面積有所壓縮，從而造成了壓力損失的上升。在此，我們嘗試從排氣管內(nèi)流場(chǎng)特性改變的角度來分析壓力損失降低的原因。 我們可以通過對(duì)比偏置前后排氣管內(nèi)部速度場(chǎng)（主要是切向速度和軸向速度）的分布情況，分析偏置對(duì)于排氣管內(nèi)降低壓力損失的原因。文獻(xiàn)17介紹的是通過添加減阻桿實(shí)現(xiàn)減小旋風(fēng)除塵器排氣管內(nèi)阻力的實(shí)驗(yàn)研究。雖然沒有牽涉到排氣管的偏置，但是我們可以借鑒這篇文章對(duì)于排氣管內(nèi)部阻力變化的分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析說明。 根據(jù)17，我們知道當(dāng)外旋氣流經(jīng)過一系列螺旋運(yùn)動(dòng)之后，到達(dá)錐體底部并反向向上形成內(nèi)旋流進(jìn)入排氣管并最終離開除塵器。此時(shí)排氣管內(nèi)的內(nèi)旋流從理論上講已經(jīng)是清潔氣流，無需進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)來分離顆粒物。所以此時(shí)的螺旋運(yùn)動(dòng)對(duì)于氣流來說，只是帶來了能量的損耗，而且氣流旋轉(zhuǎn)切向速度越大，則螺旋運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，那么能量的損失就越大，最直接的反映就系統(tǒng)壓力損失的提高。而且正如文獻(xiàn)13里介紹的那樣，正是由于排氣管內(nèi)部?jī)?nèi)旋流的存在，才會(huì)在排氣管內(nèi)形成旋進(jìn)渦核，從而在排氣管入口附近產(chǎn)生軸向回流區(qū)，增加系統(tǒng)阻力并減小分離效率。文獻(xiàn)17通過對(duì)比加入減阻桿前后排氣管內(nèi)部切向速度和軸向速度曲線的趨勢(shì)的不同，說明了減阻桿對(duì)于排氣管內(nèi)流場(chǎng)的改善情況，從而解釋了排氣管內(nèi)阻力下降的原因。本實(shí)驗(yàn)中，我們也可以通過對(duì)比偏置前后排氣管內(nèi)部切向速度和軸向速度分布情況，說明偏置對(duì)于壓力損失降低的原因。下面是文獻(xiàn)17中關(guān)于加入減阻桿前后排氣管內(nèi)壓力損失變化的解釋過程：首先根據(jù)17中的相關(guān)圖表（圖4-7a和圖4-7b），我們可以觀察到未加減阻桿情況下，排氣管內(nèi)部切向和軸向速度曲線圖：圖4-7b時(shí)平均軸向速度圖4-7a 時(shí)平均切向速度 此時(shí)，切向速度比較大且變化幅度比較大，這些都會(huì)加大氣體的能量損耗。而軸向速度從管壁向中心逐漸減小，且速度梯度比較大，在中心處甚至出現(xiàn)了負(fù)速度區(qū)，即反向流動(dòng)區(qū)，從前文的介紹中我們已經(jīng)知道，反向流動(dòng)區(qū)對(duì)于壓力損耗和分離效率都有不利的影響。通過加入減阻桿之后，我們可以發(fā)現(xiàn)排氣管內(nèi)的切向和軸向速度曲線發(fā)生了很大的變化（圖4-8a和圖4-8b）：圖4-8a插入減阻桿后的時(shí)平均切向速度圖4-8b插入減阻桿后的時(shí)平均軸向速度 加入減阻桿之后，排氣管內(nèi)的切向速度曲線變得平緩了許多，而且其各個(gè)位置上的切向速度大小也均隨之降低。這說明排氣管內(nèi)氣流的螺旋運(yùn)動(dòng)減弱了，其能量消耗也有所降低。而加入減阻桿之后，排氣管內(nèi)部軸向上的回流區(qū)也消失了，這同時(shí)也減少了系統(tǒng)的阻力損失。所以，當(dāng)排氣旋管內(nèi)壓力損失減小的時(shí)候，其內(nèi)部切向和軸向速度的曲線也會(huì)變得平緩，而且各點(diǎn)的切向速度均會(huì)有所減?。欢瑫r(shí)軸向速度的負(fù)速度區(qū)也會(huì)有縮減，回流區(qū)會(huì)被減小甚至完全消除。同樣地，如果能獲得偏置前后管內(nèi)切向和軸向速度的分布圖，比較兩者曲線的趨勢(shì)和各點(diǎn)的數(shù)值大小，就可以進(jìn)一步分析偏置前后排氣管內(nèi)壓力損失的改善情況。4.3最佳工況的確定從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，排氣管偏置對(duì)于提高旋風(fēng)除塵器的分離效率和降低其壓力損失都有所幫助。分離效率的提高主要集中在相對(duì)偏心距為0.10.14，偏置方向90225之間。在其中效率上升最多的是偏置方向?yàn)?25，相對(duì)偏心距為0.14的情況，上升了2.52%。而壓力損失的降低則比較普遍，其中以偏置方向?yàn)?0，相對(duì)偏心距為0.33時(shí)壓力損失降低的最多，接近38%。所以經(jīng)過綜合考慮，我們選取偏置方向?yàn)?25，相對(duì)偏心距為0.14的工況為本實(shí)驗(yàn)的最佳工況。因?yàn)榇斯r的分離效率比中置情況下高2.52%而壓力損失卻下降了110Pa。第五章 結(jié)論本文通過冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，研究了旋風(fēng)除塵器排氣管的布置對(duì)分離效率和壓力損失的影響規(guī)律，并嘗試從旋進(jìn)渦核及排氣管內(nèi)部流場(chǎng)特性變化的角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：I. 通過對(duì)于0.45D0.95D范圍內(nèi)不同插入深度的實(shí)驗(yàn)，本文確定了一個(gè)最佳的插入深度0.85D。在此條件下，除塵器的分離效率達(dá)到最高。II. 通過對(duì)于各個(gè)偏置方向和偏置距離的測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)排氣管偏置對(duì)于旋風(fēng)除塵器的分離效率和壓力損失都有明顯的影響，其中某些位置可以提高分離效率，而大多數(shù)位置都可以有效地降低系統(tǒng)的壓力損失。相對(duì)于中置情況，在某些偏置工況下旋風(fēng)除塵器的分離效率會(huì)有一定的上升，其中分離效率提高最多的是偏置方向?yàn)?25，相對(duì)偏心距為0.14的情況，上升了2.52%。而排氣管偏置之后，大部分工況下系統(tǒng)的壓力損失同樣會(huì)有不同程度的降低，其中偏置方向?yàn)?0，相對(duì)偏心距為0.33時(shí)壓力損失降低的最多，接近38%。通過綜合比較，確定偏置方向?yàn)?25，相