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長江大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目 名 稱 螺旋型旋風(fēng)分離器設(shè)計
院 （系） 機械工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級 裝備10901班
學(xué) 生 姓 名 張晶
指 導(dǎo) 教 師 張慢來
輔 導(dǎo) 教 師 張慢來
開題報告日期 2013年4月19日
螺旋型旋風(fēng)分離器的設(shè)計
學(xué)生：張晶，機械工程學(xué)院（過程裝備與控制工程系）
指導(dǎo)老師：張慢來，工作單位，長江大學(xué)機械工程學(xué)院
一、 題目來源:
生產(chǎn)實踐
二、 研究目的和意義:
由于旋風(fēng)分離器有很多優(yōu)點，如制造維護費用較低，無運動部件，具有較好的自適應(yīng)性等，而且它能適用于高溫高壓的大流量氣固分離而維持較低的壓頭損失。所以，旋風(fēng)分離器廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油、建筑、機械、電力、輕紡、食品等工業(yè)部門。為此，對于旋風(fēng)分離器的設(shè)計及其結(jié)構(gòu)的改進是一種趨勢，也是一種潮流。螺旋型旋風(fēng)分離器是一種新型結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器,這種旋風(fēng)分離器的最主要特點是其筒體內(nèi)擁有一定圈數(shù)的螺旋型通道,從而能夠形成有利于顆粒分離的氣體流場。
因此，設(shè)計一種高效的分離器，具有明顯的經(jīng)濟效益。
三、 閱讀的主要參考文獻及資料名稱：
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四、 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向：
旋風(fēng)分離器應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來 ,已有百余年的歷史 ,對于捕集、 分離 5～10μm 以上的顆粒效率較高。由于能耗相對比較小 ,結(jié)構(gòu)簡單可靠 ,廣泛地應(yīng)用于冶金、 化工、 石油、 建筑、 機械、電力、 輕紡、 食品等工業(yè)部門。旋風(fēng)分離器中顆粒分離的機理是:顆粒由于離心力的作用克服氣流的阻力向壁面運動 ,到達(dá)壁面附近后 ,由于邊界層內(nèi)較小的湍流 ,顆粒會沿著壁面進入灰斗中 ,從而得到分離。對于微細(xì)顆粒(粒徑小于5μm) ,由于其所受到的離心力小于氣流對其的阻力 ,因此 ,一般來說 ,這一類顆粒很難得到分離。隨著工業(yè)裝置生產(chǎn)規(guī)模的提高以及操作條件變得更為苛刻 ,對旋風(fēng)分離器性能的要求也不斷提高。一方面要求旋風(fēng)分離器有更強的捕集細(xì)粉的能力;另一方面要求旋風(fēng)分離器的壓降進一步減少 ,以降低能耗。所以 ,迫切需要研究出高效能且低能耗的新型旋風(fēng)分離器。而通常是采用有針對性地開發(fā)新結(jié)構(gòu)或優(yōu)化各部分尺寸的匹配關(guān)系的方法來減少不利因素的影響 ,以達(dá)到高效的目的。國內(nèi)外已有許多學(xué)者在這方面做出了大量試驗研究 ,也提出了很多可行的措施和設(shè)計方案并已應(yīng)用于實際工程中。本文在回顧前人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上 ,提出今后旋風(fēng)分離器的發(fā)展趨勢。
旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究現(xiàn)狀與主攻方向
2. 1 旋風(fēng)分離器進口結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
普通旋風(fēng)分離器單體大多采用了單切向進口或蝸向的進口結(jié)構(gòu)形式 ,氣固兩相流進入旋風(fēng)分離器后 ,隨著遠(yuǎn)離旋風(fēng)分離器排氣芯管入口截面 ,平衡塵粒逐漸減小 ,即空間點上顆粒分離能力逐漸增強。因此 ,優(yōu)化改進位于旋風(fēng)分離器上部的進口結(jié)構(gòu)形式是旋風(fēng)分離器技術(shù)改進的可行措施。但是采用切向或蝸向單進口結(jié)構(gòu)形式易造成旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流場的軸不對稱(渦核偏向 270 ° 一側(cè)) ,不但增大了旋風(fēng)分離器的阻力 ,而且增加了排氣芯管短路流。所以趙兵濤等，提出優(yōu)化改進旋風(fēng)分離器進口結(jié)構(gòu) ,首先增設(shè)了進口回轉(zhuǎn)通道 ,通過試驗得出所有增設(shè)回轉(zhuǎn)通道的旋風(fēng)分離器分離效率均大于無回轉(zhuǎn)通道的效率。因為阻力系數(shù)的變化可影響進口速度的變化 ,進口速度的大小反映出旋風(fēng)分離器分離能力的強弱。當(dāng)阻力系數(shù)較小時 ,進口速度較大 ,表明旋風(fēng)分離器分離能力強 ,由于回轉(zhuǎn)通道的增設(shè) ,使顆粒在進入旋風(fēng)分離器腔體前進行預(yù)分離 ,從而使分離效率增大 ,但隨著回轉(zhuǎn)角度的繼續(xù)增大 ,二次返混影響增大 ,這就使得分離效率在 90 ° 甚至 270 ° 以后有所減小 ,但總體仍高于0 ° 的分離效率。所以改變其回轉(zhuǎn)角度 ,就改變了兩相流含塵濃度分布 ,使含塵濃度外濃內(nèi)淡 ,從而減少短路流的攜塵量。
同時若采用雙進口回轉(zhuǎn)通道形式 ,則有利于降阻增效 ,由于進氣口面積增大為原來的 2 倍 ,使進口氣流速度減半 ,從而降低了阻力;由于采用漸縮的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) ,減小了顆粒到達(dá)捕集壁面的距離 ,從而提高了分離效率;進一步的流場定結(jié)果表明 ,雙進口結(jié)構(gòu)由于采用在旋風(fēng)分離器內(nèi)多點對稱進氣 ,增強了旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場的軸對稱性 ,使短路流攜塵量減少 ,同時實現(xiàn)了降阻增效 ,又增強了氣流場軸對稱性 ,以降低旋風(fēng)分離器阻力。具體試驗結(jié)果表明 ,將旋風(fēng)分離器常規(guī)進口結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進為采用單進口等寬通道進口結(jié)構(gòu)時 ,旋風(fēng)分離器回轉(zhuǎn)角度為 90 ° 時性能較優(yōu) ,比 0 ° (無回轉(zhuǎn)通道)時的阻力降低 14. 73 % ,效率提高 2. 48 %。采用雙進口漸縮通道進口結(jié)構(gòu)時 ,旋風(fēng)分離器性能優(yōu)于所有單進口 ,比 0 ° (無回轉(zhuǎn)通道) 時的阻力降低33. 06 %,效率提高 3. 95 %。
2. 2 旋風(fēng)分離器出口結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)氣流中 ,顆粒物受離心力作用作徑向向外(朝向筒錐壁) 運動 ,運動速度可由顆粒物所受的離心力及氣流阻力的運動方程求得。顯然旋風(fēng)分離器分離的目的就是使顆粒物盡快到達(dá)筒錐體邊壁。因此 ,延長顆粒物在旋風(fēng)分離器中的運動時間 ,在氣流作用下提高顆粒物與筒錐體壁相撞的概率 ,可以提高旋風(fēng)分離器除塵效率。Y. Zhu[2]提出的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu) 如圖2所示,
在普通旋風(fēng)分離器中增加一個筒壁 ,這一筒壁將旋風(fēng)分離器內(nèi)部空間劃分為 2個環(huán)形區(qū)域 ,同時 ,排氣芯管被移到了下方 ,排氣芯管中的上升氣流也變成了下降氣流 ,顆粒物在內(nèi)外 2 個環(huán)形區(qū)域內(nèi)都得到了分離 ,事實上 ,這種旋風(fēng)分離器相當(dāng)于將 2 個旋風(fēng)子結(jié)合到了一起。從理論上講 ,這種結(jié)構(gòu)改進提高了顆粒物被收集的概率。Zhu 型旋風(fēng)分離器試驗結(jié)果(氣流流量范圍為 10～40 L/ min ,粒徑范圍為 0. 6～8. 8μm 顆粒物)與 Stairmand 高效旋風(fēng)分離器進行了比較 ,改進后的旋風(fēng)分離器 ,除塵效率得到提高 ,并且隨氣流流量的增大而增大;同時 ,對于相同無因次尺寸的旋風(fēng)分離器來說 ,前者的阻力也小于后者。Y. Zhu 考慮各方面因素給出相應(yīng)優(yōu)化綜合指標(biāo) ,得出改進后的旋風(fēng)分離器性能優(yōu)于傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器。但這種改動后的旋風(fēng)分離器較原有傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)稍為復(fù)雜。由于旋風(fēng)分離器對微細(xì)顆粒物效率較低 ,尤其對粉塵粒徑小于 10μm 的顆粒的除塵效率隨著顆粒直徑減小逐漸降低。也就是說 ,在旋風(fēng)分離器的運行過程中 ,絕大部分微細(xì)粉塵穿透了分離區(qū)域 ,導(dǎo)致對微細(xì)粉塵效率下降。Plomp 等[3]提出在頂部增加二次分離附件 POC 的方法 圖3。POC 二次分離利用排氣芯管強旋流作用 ,使微細(xì)粉塵受離心力作用向邊壁運動 ,并與擋板相撞后通過縫隙掉入擋板下部的殼體中 ,另一部分即使在一開始沒有與邊壁相撞 ,但由于始終受到離心力的作用 ,在到達(dá) POC 頂部時 ,其中也會有很大一部分
通過縫隙處而進入擋板與殼體之間的空間 ,隨后由于 POC 中主氣流的約 10 %通過縫隙形成滲透流。在滲透流的推動下 ,顆粒物被吹出殼體。研究結(jié)果得知 ,在特定結(jié)構(gòu)尺寸和運行條件下總效率比改進前提高了 2 %～20 %,POC 的阻力約為旋風(fēng)分離器本體 10 %,該阻力與滲透氣流量無關(guān)
(在所給參數(shù)范圍內(nèi)) 對于直徑較大的旋風(fēng)分離器 ,尤其在原旋風(fēng)分離器性能不是很高的情祝下 ,加裝 POC 的辦法能提高旋風(fēng)分離器的性能 ,特別是對 3μm 以上粉塵分離很有效。
2. 3 旋風(fēng)分離器錐體結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
Xiang Rongbiao 等研究了錐體尺寸對用于大氣采樣的小型旋風(fēng)分離器的影響情況 ,以顆粒大小和氣流流速為變化參數(shù) ,對 3 個具有不同下部直徑錐體的旋風(fēng)分離器測出了效率。測定結(jié)果得知:錐體下部直徑大小對旋風(fēng)分離采樣器的效率影響顯著 ,但是并不顯著影響不同粒徑顆粒物效率之間的變化程度。當(dāng)錐體下部開口部分直徑大于排氣芯管直徑時 ,該錐體參數(shù)的減小 ,在不明顯增加阻力的前提下 ,采樣效率會隨之提高;由阻力測試結(jié)果還可看出錐體開口部分
直徑不宜小于排氣芯管直徑。從理論上講 ,錐體下部直徑減小能引起切向速度的提高 ,從而離心力增大;對于具有相同筒體直徑的旋風(fēng)分離器 ,若錐體開口小 ,則最大切向速度靠近錐壁 ,這使得顆粒能夠更好地分離 ,同時 ,如果錐體開口較小 ,渦流將觸及錐壁 ,使顆粒又有可能重新進入出氣氣流 ,但是后者與前者相比對旋風(fēng)采樣器影響較小。所以 ,適當(dāng)減小錐體下部直徑有利于效率的提高。已有分析得出 ,排氣管下口直徑比(De/ D) 的變化對旋風(fēng)分離器的效率及壓降有顯著影響 ,流場測試結(jié)果表示直徑比減小 ,內(nèi)旋流區(qū)縮小 ,離心力場增強 ，故分離效率提高 ,但壓降也急劇上升 ,因此為了解決上述矛盾。陳建義等[5]提出在減小徑比同時 ,在排氣管上沿環(huán)向開若干條縱向的狹縫。該狹縫一方面增加了氣流出口的通流面積 ,從而有效地降低了壓降。另外 ,由于開縫方向和環(huán)向成一定角度且順著氣流方向 ,所以氣流是急劇改變方向后才進人縫隙的。這樣氣流
中所夾帶的顆粒則由于慣性大而難以進入狹縫而逃逸 ,從而確保了旋風(fēng)分離器效率不致下降。并通過試驗測出 ,這樣不但使效率提高 ,壓降也比用常規(guī)的排氣管低 ,同時還可以有效改善 “頂灰環(huán)” 和 “短路流” 等不利影響。同時 ,在一定處理氣量下 ,分離空間高度增加后 ,一方面含塵氣流在旋風(fēng)分離器內(nèi)平均停留時間延長 ,可促進氣固進一步分離;另一方面 ,從灰斗及排塵口返混上來的顆粒獲得二次分離的機會增多 ,因而可有效抑制返混對分離的不利影響 ,并且分離空間高度的改變幾乎不會對壓降產(chǎn)生影響。針對循環(huán)流化床鍋爐飛灰分離器必須具有的特點(即必須具有足夠高的分離效率 ,提供足夠多的物料進行循環(huán) ,以滿足爐內(nèi)燃燒、 脫硫和傳熱等方面的需要) ,華中科技大學(xué)[6]、 浙江大
學(xué)[7]提出了一種新型的旋風(fēng)分離器 — — — 下排氣式旋風(fēng)分離器(圖 4) 。此種新型旋風(fēng)分離器一般垂直布置 ,它同樣是利用旋轉(zhuǎn)含塵氣流產(chǎn)生的離心力 ,將粉塵從氣流中分離出來的一種氣固分離裝置。其基本結(jié)構(gòu)類同于上排氣旋風(fēng)分離器 ,只是其排氣方式為順流 ,即于分離器下方采用排氣管引出空氣 ,氣流入口可采用直切式或蝸殼式等型式。含塵氣流內(nèi)筒體側(cè)面沿切向?qū)?,氣流在筒體內(nèi)旋轉(zhuǎn)向下 ,大部分氣流至排氣管排出 ,另有小部分氣流則繼續(xù)下旋 ,到達(dá)底板時折轉(zhuǎn)流動方向 ,逆著排氣管向上運動到排氣口排出 ,分離出來的粉塵則進入錐體灰斗排出。華中科技大學(xué)、 浙江大學(xué)、 西安交通大學(xué)以及清華大學(xué)[6～8]等單位對這類旋風(fēng)分離器進行了詳盡的試驗及理論研究。結(jié)果表明 ,該旋風(fēng)分離器能明顯改善鍋爐的結(jié)構(gòu)布置 ,而且還可以提高分離效率 ,特別適合于循環(huán)床鍋爐 ,現(xiàn)已應(yīng)用于各種容量循環(huán)床鍋爐的設(shè)計。
2. 4 旋風(fēng)分離器排塵結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
縱觀過去的 100 多年 ,旋風(fēng)分離器的主要研究方向還是集中在進出口狀況 ,渦流檢測和筒體上 ,相對于排塵結(jié)構(gòu)部分則很少有人注意。國內(nèi)外只有極少數(shù)學(xué)者進行過相關(guān)的研究。1982 年 Mothes[9]發(fā)現(xiàn)沿筒壁下降的下旋流與從灰斗上升的氣流在錐體底部位置交換特別頻繁 , 于是他提出在此加一 防混錐的方法。
Kirch[10]也就這一方向做了試驗 ,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)灰斗滿載時 ,防混錐能夠提高效率 ,但是對于灰斗不滿的旋風(fēng)分離器 ,防混錐的效果又不是太明顯 。
由于已有試驗表明:錐體底部的下行流量并不為 0 ,表明有一部分氣流進入了灰斗 ,因為灰斗底部堵死 ,氣流必將反向重新進入錐體的內(nèi)旋流中 ,這將會攪起已被分離出的顆粒并把其中較細(xì)的顆粒再次帶入內(nèi)旋流中 ,產(chǎn)生所謂的 “灰斗返混” 問題 ,這也是影響分離效率的一個重要問題。所以有部分學(xué)者提出在旋風(fēng)分離器錐體底部增設(shè)一直管 ,可使含塵氣流進入直管后進一步分
離。實際上 ,工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常能看到具有一直管的旋風(fēng)分離器 (如 CFBC、 PFBC 以及 FCC 等) 。然而 ,除了最早推薦這種結(jié)構(gòu)的 Keche 外 ,國外僅有 Hoffamnn[11]以及 Stefan Obermair[12]對此進行過進一步的研究。國內(nèi)基本沒有學(xué)者對此進行過研究。Hoffmann 等[11]是最早對底部加直管旋風(fēng)分離器進行專門研究的學(xué)者之一。他通過試驗表明 ,增設(shè)直管可以使渦旋尾部停留在直管中(圖 6) ,從而增加了旋風(fēng)分離器的有效分離空間 ,改善了分離性能。Stefan Obermair 等[12]研究了加直管 ,
帶防對于混錐和普通的旋風(fēng)分離器三者的流場 (圖7) ,氣流軸向速度 ,切向速度和 RMS(均方根值)都繪出圖像做出了具體的對比研究。發(fā)現(xiàn)在 3種結(jié)構(gòu)中氣流都形成了雙渦旋結(jié)構(gòu) ,流動方式基本類似 ,但分離效率卻有很大不同。結(jié)構(gòu)A ,也即普通帶灰斗旋風(fēng)分離器 ,錐體中潛在的尾渦流繼續(xù)進入灰斗 ,由于灰斗中強烈的渦流和低端的高速湍流 ,這種類型的旋風(fēng)分離器很難有好的分離效率。而對于帶防混錐的結(jié)構(gòu) B ,其灰斗和分離器的粒子交換減少了 ,這也導(dǎo)致了灰斗中流體軸向和切向速度的降低。但是 ,沿外壁的二次氣流并沒有全部進入灰斗 ,一部分直接流向中間和上升流混合了進入排氣管 ,這個情況則會對分離效率產(chǎn)生負(fù)面影響。但總的來講防混錐改善了分離效率。但是增設(shè)直管的旋風(fēng)分離器的流場則比較理想 ,其灰斗中湍流明顯減弱 ,大部分區(qū)域 RMS 值為 0。從其反折向上的上升渦流隨著高度的增加 ,渦流區(qū)域越來越小 ,但其切向速度仍很大 ,這樣便增大了離心力的作用 ,利于灰粒分離;又由于直管的增設(shè) ,使灰粒更加可能在直管中脫離內(nèi)渦流而隨外渦流下降?？梢酝耆龠M外壁二次流通過出灰口 ,二次渦流帶動氣流從下而上回到旋風(fēng)分離器分離空間中。但由于灰斗、 直管中氣流的高速切向運動和較低湍流的影響。錐體中的流場由于排塵結(jié)構(gòu)的改變而改變 ,但是渦流的結(jié)構(gòu)狀況卻沒有變化。錢付平[13]也針對灰斗返混 ,對底部加直管的旋風(fēng)分離器內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬 ,發(fā)現(xiàn)在接近直管的底部 ,氣流切向速度平均 3～4 m ,而該端面的軸向速度分布也表明氣流旋轉(zhuǎn)至此 ,軸向速度接近于 0 ,這足以說明 ,通過增設(shè)直管 ,就將渦流尾端引入到直管內(nèi)了。然而 ,盡管加直管能取得好的分離效果 ,但是直管并不是越長越好 ,應(yīng)有一最優(yōu)長度。另外 ,不同筒體直徑的旋風(fēng)分離器對應(yīng)的最優(yōu)直管長度是否存在一定的關(guān)系以及不同直管長度時旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒運動情況還需進一步研究。由于排塵口處于負(fù)壓較大的部位 ,保證排塵口的嚴(yán)密性對提高分離效率有重要作用。試驗數(shù)據(jù)表明 ,漏風(fēng) 5 % ,則分離效率降低 50 %;漏風(fēng) 10 %～15 % ,則效率降至 0。反之 ,如能從排塵口抽出部分氣流卻能提高分離效率。早在1951 年 ,Stairmand[14]就認(rèn)為料斗抽氣能提高旋風(fēng)分離器的分離效率 ,但是一直沒有被人重視。直到 1986 年 ,Sage & Wright[15]才對抽氣量和抽氣位置與分離效率的關(guān)系進行了試驗研究結(jié)果認(rèn)為 ,料斗抽氣比出口管抽氣更有效 ,如能從排塵口抽出 10 %的氣流 ,可以使排出氣體中的含塵濃度減少 40 %。抽出的小股氣流經(jīng)過二次小旋風(fēng)子凈化 ,根據(jù)凈化的程度 ,或者直接排出(送至主旋風(fēng)分離器的排氣口) ,或者返回到主旋風(fēng)分離器的入口 ,再進行凈化。Gil 等 (2002)[16]在PFBC 旋風(fēng)分離器料腿底部增設(shè)一氣體抽吸噴嘴 ,通過對料腿內(nèi)部壓力場和速度場(氣相) 的測量得出:當(dāng)料腿中氣體抽吸率(占進口總氣量的百分比)大于 0. 3 %時 ,渦旋會深深地被吸入料腿。小的抽氣率會產(chǎn)生巨大的切向速度 ,這樣不但改善了旋風(fēng)分離器性能 ,而且可以確保顆粒輸送至排放設(shè)備。Gil 沒有給出不同抽氣率下旋風(fēng)分離器的分離性能。抽氣率并不是越大越好 ,應(yīng)有一最優(yōu)值。
五、 主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路：
主要研究內(nèi)容：
(1) 旋風(fēng)分離技術(shù)及進展
(2) 設(shè)計方案設(shè)計
(3) 設(shè)備定尺計算
(4) 結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度計算
(5) 旋風(fēng)分離器分離性能預(yù)測
重點研究的關(guān)鍵問題：
1螺旋型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計；
2螺旋型旋風(fēng)分離器工作方式；
3螺旋型旋風(fēng)分離器相關(guān)零件的強度校核。
六、 完成畢業(yè)設(shè)計所必須具備的工作條件及解決的方法：
1.查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，了解基本的工作原理；
2.根據(jù)工作原理和工作方式確定結(jié)構(gòu)組成；
3.查閱國內(nèi)螺旋型旋風(fēng)分離器，進行型號規(guī)格選擇；
4.依據(jù)給定參數(shù)選擇類型；
5.根據(jù)參數(shù)進行計算分析確定結(jié)構(gòu)具體尺寸；
6.畫裝配圖；
7.畫出零件圖。
七、 工作的主要階段、進度與時間安排：
第一周：查閱相關(guān)資料，了解螺旋型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)及特性。
第二周：選出一兩篇外文期刊和十幾篇中文期刊和相關(guān)資料。
第三至四周：完成開題報告和外文翻譯。
第五周：進行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計，并根據(jù)初步方案畫出結(jié)構(gòu)草圖。
第六至八周：根據(jù)任務(wù)書中所給數(shù)據(jù)，結(jié)合方案和機構(gòu)圖進行各種設(shè)計計算，校核和修改。
第九至十一周：畫裝配圖和各零件的零件圖。
第十二至十五周：完成畢業(yè)設(shè)計論文。
八、 指導(dǎo)老師審查意見：