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目錄 畢業(yè)設計任務書.................................................................................................................Ⅰ 開題報告.............................................................................................................................Ⅱ 指導教師審查意見...……………………………………………………………………..Ⅲ 評閱教師評語.....................................................................................................................Ⅳ 答辯會議記錄…………………………………………………………………………….Ⅴ 中文摘要………………………………………………………………………………….Ⅵ 外文摘要………………………………………………………………………………….Ⅶ 前言 1 1 選題背景 1 1.1 國內發(fā)展情況 2 1.2 國外發(fā)展情況 2 1.3 旋風除塵器的主要優(yōu)缺點 3 2 設計方案 3 2.1 旋風除塵器的除塵原理 3 2.2 Muschelknautz模型基本原理 4 2.3螺旋型旋風分離器結構及特點 5 3 設計過程 6 3.1旋風除塵器的基本尺寸設計 6 3.2 旋風除塵器的基本參數計算 8 3.3 旋風除塵器的其他附件的設計及選用 10 3.4 旋風除塵器的安裝形式 18 3.5 焊接工藝 20 4 計算流體動力學的基本理論 21 4.1 計算流體動力學的基本方程 21 4.2 標準 κ -ε 模型的控制方程統(tǒng)一形式 22 5 結果分析過程 23 5.1 前處理 23 5.2 結果分析 24 6 總結 30 參考文獻 30 致謝 32 3 設計過程 螺旋型旋風分離器設計 前言 一項最新研究表明，過去一個世紀里大氣中的粉塵與以前相比增加了兩倍以上。這種顯著變化影響了全球的氣候以及生態(tài)系統(tǒng)，因此除塵已經迫在眉睫，并且當前,我國的經濟建設高速發(fā)展,社會對環(huán)境保護的要求也越來越高，除塵設備面臨巨大的發(fā)展機遇。隨著環(huán)境保護事業(yè)的發(fā)展,僅用各種除塵器治理煙塵污染顯然是不夠的。因此需要開發(fā)新型的，高效的除塵器。 在常見的除塵器中旋風除塵器由于有維護使用方便,結構簡單,耐高溫,對高濃度粉塵適應性比較好等優(yōu)點而被廣泛應用,是治理小型鍋爐煙塵污染的主要設備,亦常用于高濃度含塵氣體的初級凈化,或在生產中用來作為粉 料氣體的運輸設備。但是其缺點又嚴重制約其發(fā)展[1]。 本文所要討論的是旋風除塵器。文中將主要從旋風除塵器在國內外的的發(fā)展現(xiàn)狀和主要發(fā)趨勢趨勢；旋風除塵器的結構設計理論；旋風除塵器內部流場模擬以及旋風除塵器性能分析幾個方面展開論述。 在設計的過程中引用和參考了大量相關文獻。由于本人水平有限，設計中難免有不妥之處，敬請指正，以便及時修改，謝謝！ 1 選題背景 當前,我國的經濟建設高速發(fā)展,人民的生活水平不斷提高,社會對環(huán)境保護的要求也越來越高,作為控制固定污染源中顆粒物對大氣污染的主要設備——除塵設備面臨巨大的發(fā)展機遇. 除塵設備性能綜述除塵設備是用來控制污染源排放的顆粒物對大氣的污染,保護大氣環(huán)境的設備。 這些粉塵在空氣中依靠自身的重力幾乎不沉降,能較長時間懸浮在大氣中,影響城市的空氣質量；它們常常吸附著其它有害氣體,被吸人人體內后對人體呼吸系統(tǒng)危害進一步加大；當大氣溫度下降的時候,它們又成為水蒸氣的凝結核,使城市中濃霧增加。隨著環(huán)境保護事業(yè)的發(fā)展,僅用各種除塵器治理煙塵污染顯然是不夠的。因此需要開發(fā)新型的，高效的除塵器。 旋風除塵器維護使用簡單,方便,耐高溫,對高濃度粉塵適應性比較好,是治理小型鍋爐煙塵污染的主要設備,亦常用于高濃度含塵氣體的初級凈化,或在生產中用來作為粉料氣體的運輸設備。 1.1 國內發(fā)展情況[10] 目前我國使用旋風除塵器主要用于解決燃煤爐窯的煙塵凈化，但仍然在研究和開發(fā)高效旋風除塵器?，F(xiàn)在多與含堿水溶液并用組成多種形式的脫硫除塵器,成為我國環(huán)保科技界研究提高脫硫除塵效率的主攻方向之一。 目前開發(fā)的主要新品種有：帶二次風的旋風除塵器、切向射流旋風除塵器、中心帶轉動葉片的旋風除塵器。 我國對旋風除塵器進行了大量研究。近幾年的主要成果有： （1）多進口旋風除塵器，分割粒徑小于1.0μm，在燃媒電廠鍋爐、水泥回轉窯、軋鋼加熱爐上應用，取得很好的效果。 （2）旋流除塵器減阻桿，可保證在原除塵效率不降低的前程下，減少阻力約30%。在除塵效率降低小于3%時，減少阻力約70%， （3）陶瓷多管旋風除塵器。 （4）帶有二次風的旋風分離器。 1.2 國外發(fā)展情況[20] 國外的旋風除塵器主要是用于氣固兩相流的分離。并有很多人進行相關的研究并提出相關理論，為旋風除塵器的發(fā)展做出突出貢獻。 Muschelknautz（1970）提出了臨界載荷的概念，開發(fā)了一個分析模型來解釋這一現(xiàn)象的改善。在這個模型中，通過分析得到：隨著質量負荷的增加效率也提高[12]。 Hoffmann(1992)提出旋風分離器器壁上的靜壓等于橫截面上的靜壓加上旋轉流中的動壓，使CFD計算結果和實際測量的結果之間的誤差減小[4]。 Obermair-Staudinger(2001)研究了排料口的氣體流動，壓降和分離效率得出不同結構的排風口的分離效率和壓降數值[17] 1.3 旋風除塵器的主要優(yōu)缺點 1.3.1 旋風除塵器的優(yōu)點 (1)旋風除塵器內部沒有運動部件。維護方便。 (2)制作、管理十分方便。 (3)處理相同風量的情況下體積小，結構簡單，價格便宜。 (4)作為預除塵器使用時，可以立式安裝，使用方便。 (5)處理大風量時便于多臺并聯(lián)使用，效率阻力不受影響。 (6)可耐400℃高溫，如采用特殊的耐高溫材料，還可以耐受更高的溫度。 (7)除塵器內設耐磨內襯后，可用以凈化含高磨蝕性粉塵的煙氣。 (8)可以干法清灰，有利于回收有價值的粉塵。 1.3.2 旋風除塵器的缺點 (1) 卸灰閥如果漏損會嚴重影響除塵效率。 (2)磨損嚴重，特別是處理高濃度或磨損性大的粉塵時，入口處和錐體部位都容易磨壞。 (3)除塵效率不高(對捕集粒徑小于5um的微細粉塵和塵粒密度小的粉塵，效率較低)，單獨使 用有時滿足不了含塵氣體排放濃度的要求。 (4)由于除塵效率隨筒體直徑增加而降低，因而單個除塵器的處理風量受到一定限制。 2 設計方案 2.1 旋風除塵器的除塵原理 旋風除塵器由筒體、錐體、進氣口、排氣管、和卸灰口等組成，如圖1。旋風除塵器的工作過程是當含塵氣體由切向進氣口進入旋風除塵器時，氣流將由直線運動變?yōu)閳A周運動。旋轉氣流的絕大部分沿器壁自圓筒體呈旋轉形向下、朝錐體流動，形成外旋氣流。含塵氣體在旋轉過程中產生離心力，將密度大于氣體的塵粒甩向器壁。塵粒一旦與器壁接觸，便失去徑向慣性力而靠向下的動量和向下的重力沿壁面下落，進入排灰管。旋轉下降的外旋氣體到達錐體時，因圓錐形的收縮而向中心靠攏。根據“旋轉矩”不變原理，其切向速度不斷提高，塵粒所受離心力也不斷加強。當氣流達到錐體下端時，即以同樣的旋轉方向從旋風除塵器中部，由下反轉向上，繼續(xù)做螺旋流動，即內旋氣流。最后凈化氣體經排器氣管排出管轉矩”不變原理，其切向速度不斷提高，塵粒所受離心力也不斷加強。當氣流達到錐體下端時，即以同樣的旋轉方向從旋風除塵器中部，由下反轉向上，繼續(xù)做螺旋流動，即內旋氣流。最后凈化氣體經排器氣管排出管外。 圖1 旋風除塵器分離原理圖 2.2 Muschelknautz模型基本原理[20] 在過去的30多年里，斯圖加特大學Edgar Muschelknautz教授和他的同事一直致力于旋風除塵器的分離機理模型的研究，提出了到現(xiàn)在為止最接近旋風除塵器實際情況的模型方法。 首先，對最新的MM模型方法所包含的三個主要特征作一個簡單的概述。 1　 考慮旋風除塵器器壁材料的粗糙度和捕集顆粒對器壁粗糙度的影響。 2　 考慮顆粒沉降或入口質量濃度變化的影響。 3　 考慮旋風除塵器分離料的粒徑分布。 正是由于這些特征，才是MM模型有別于其他旋風除塵器的模型方法，也包含它本身起源的平衡軌道模型。在大多數實際應用中，這些特征使得該模型能以合理的精度進行可靠的模擬計算。 對于一般筒式旋風除塵器而言，首先用經驗公式計算矩形入口旋風除塵器的入口收縮系數α (1) 式中 ，c0是旋風除塵器入口氣固兩相流中的顆粒質量與氣體質量的比值。 若已知α以及Vin，Rin，R之后，則可以計算器壁表面的切向速度和軸向速度。Trefz和Muschelknutz認為大約入口氣量的10%走旋風除塵器的短環(huán)路，這部分氣體沿著旋風除塵器的頂板和升氣管的外壁以螺旋方式進入升氣管而排出。這部分氣體量一般占入口氣量的4%-16%，平均值是10%，其余約90%的氣體沿器壁內流動并由外漩渦進入內漩渦。 2.3螺旋型旋風分離器結構及特點 螺旋型旋風分離器是一種新型的旋風分離器, 其結構如圖1 所示。這種旋風分離器的筒 體由若干圈螺旋形通道組成, 含塵氣體在螺旋通道中做旋轉運動, 顆粒受離心力作用到達邊壁被捕集。實驗已經證實, 與普通旋風分離器相比, 螺旋型旋風分離器具有體積小、阻力低、收塵效率高、處理氣體量大等優(yōu)點. 3 設計過程 3.1旋風除塵器的基本尺寸設計 旋風除塵器的設計一般用計算法或經驗法。由于旋風除塵器目前的設計都是用經驗公式或者半經驗。因此，我們采用經驗法來選型。 在旋風除塵器結構尺寸中，以旋風筒直徑、氣體入口及排氣管尺寸對除塵器性能影響最為明顯。 筒體直徑，旋風除塵器筒體直徑越小，粉塵所受的離心力越大，其除塵效率也就越高。但筒徑過小，易引起堵塞及已分離粉塵的二次飛揚等問題。工程上使用的旋風筒直徑一般不小于150mm。為保證除塵效率不致降低過多，筒徑一般不宜大于1000mm。若處理氣量大，則應考慮采用并聯(lián)組合式或多管式旋風除塵器。 由于處理量為4800m3/h，處理量比較大，因此采取幾個旋風除塵器的并聯(lián)使用，通過粗略計算，采用2個旋風除塵器并聯(lián) 。原始數據： 介質 溫度(℃) 工作壓力 密度(kg/m3) 顆粒直徑 （微米） （atm） 空氣 20 3.0 11.20 30 無煙煤顆粒 1550 處理量 4800m3/h 3.1.1 筒體直徑的計算 (2) 其中Vp除塵器筒體凈空橫截面平均流速（2.5~4 m/s）,此處取Vp=4，代入數據Q=1.333m3/s，計算得D=0.653m,取整得D=672mm。 3.1.2 其他結構尺寸的計算 1.入口尺寸 旋風除塵器入口斷面多為矩形。設寬度為ｂ，高度為ａ，面積為Ａ，則旋風除塵器類型系數Ｋ＝A/D2＝ab/D2，Ｋ 值一般范圍是0.07～0.30。對小型除塵器而言，K值可取較小值，以降低阻力損失，提高收塵效率，但除塵器體積相應增大；對大型除塵器而言，由于其一般多用于預收塵，從減小除塵器體積考慮，K值則應取大值。入口高寬比a/b一般為1～4。 2.排氣管直徑de 排氣管直徑是影響除塵器阻力損失的最顯著因子，對分離效率是次顯著因子。增大排氣管直徑，可大幅降低阻力損失，但也會降低其收塵效率。一般排氣管直徑與旋風筒直徑之比在0.4～0.7左右。 3.排氣管插入深度hc。 排氣管插入深度是影響除塵器分離效率的最顯著因子，對阻力損失則是不顯著因子。插入深度過短，入口粉塵會直接逸流；插入深度過長，徑向匯流又會增大，同樣對分離效率不利。一般認為：排氣管插入深度以略低于入口下沿較為適當。 4.筒體高度h 適當增加筒體高度，對提高分離效率有利。通常取h＝（0.7～２）D為宜。 5.錐體高度H-h 與圓錐角α有關。增大錐體高度，對降低阻力提高效率都有好處，但應與筒體高度綜合考慮。一般取h+H-h=(3～4)D 比較合適。圓錐角α一般取20°～30°為宜。α過小，錐體高度過大，α過大，對卸料不利，錐體內壁磨損也會增加。 根據所查資料確定其他結構與筒體直徑的比例關系，從而確定其尺寸。 名稱 筒體直徑 升氣管直徑 排灰口直徑 筒體長度 錐體長度 升氣管長度 入口高度 入口寬度 排氣管插入深度 符號 D de D2 h H-h s a b hc 尺寸（mm） 672 336 200 1008 1680 1328 296 148 268 表2 旋風除塵器的基本尺寸 3.2 旋風除塵器的基本參數計算 3.2.1入口速度的計算 旋風除塵器入口風速的使用范圍在（10～26）m/s之間，一般?。?2～20）m/s。風速過小，分離效率較低，入口管會造成積塵和堵塞；風速過大，阻力相應較大，同時已分離的粉塵的返混、反彈等現(xiàn)象加劇，分離效率也會下降。在實用中，小型除塵器多用較低的風速，大型除塵器則用較高的風速。 （3） 帶入數據得vi=15.217m/s 3.2.2計算漩渦指數n （4） 帶入D=0.672m，T=293 K得n=0.744505158 3.2.3計算流體粘度μ （5） 代入數據t=20，T=293得 μ=1.82e10-5 pa.s 3.2.4計算分割粒徑d50 （6） 修正系數： （7） 代入數據得 θm= 9.6084 d50 = 9.56784x10-6 m = 9.568μm 要求處理的無煙煤粒徑為30μm，因此計算合理。 3.2.5 壓力損失的計算 旋風除塵器阻力損失主要包括進口損失、出口損失及旋渦流場損失，其中排氣管中的損失占較大分量。旋風除塵器阻力損失一般用下式表示： （8） 其中ζ--阻力系數，由于選用的是螺旋型旋風除塵器，查《螺旋型旋風分離器兩相流場的數值模擬》易 林, 王燦星( 浙江大學機械與能源工程學院, 杭州310027)得ζ=5。 ρ--氣體密度，11.20kg/m3。 帶入數據計算得 Pa 3.2.6分級除塵效率的計算 leith-licht公式為常用的分級效率ηｘ與粒徑d的經驗關聯(lián)式，此式計算較復雜，但與實際比較接近。 （9） ｃ—旋風除塵器形狀幾何參數的函數；φ—修正后的慣性參數，見下式 （10） （11） l—除塵器旋風自然折返長度， 帶入相應數據得 C = 37.37 Φ = 0.128 ηx = 94.3075% 要求設計的分離效率為85%，故上述設計滿足要求。 3.3 旋風除塵器的其他附件的設計及選用 3.3.1風機的選型 根據處理量Q=4800m3/h，含塵量 L=35g/l，計算的壓降426.076 pa。因此選用以下風機 機號 轉速（r/min） 流量（m3/h） 全壓（pa） 內效率 內功率（kw） 所需功率（kw） 電機型號 電機功率（kw） 15.5C 800 48568 1667 78.2 26.82 32.47 Y2255-4 37 表3 風機的參數 3.3.2 法蘭的計算選用與校核 1.法蘭選型 法蘭的技術要求應符合GB/T9119-2000的規(guī)定。鋼制平面法蘭材料選用Q235。 2.法蘭強度的校核 根據GB/T 17186-1997 對法蘭進行校核。 1　 符號或代號 Aa — 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總截面積，mm2 ; Ab — 實際使用的螺栓總截面積，Ab=0.78 5d2k,mm2; Am — 需 要的螺栓總截面積，取Aa與Ap中的較大值，mm2; Ap — 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總截面積，mm2 ; bD — 墊片寬度，mm; CA — 重心與頸部小端距離，mm; DG — 墊片平均直徑，mm; D — 法蘭外徑，mm； Di — 法蘭內徑，mm; Db — 法蘭螺栓中心圓直徑，mm; Di — 接管內徑，mm; d6 — 螺栓孔直徑，mm; db'—螺栓孔計算直徑，nrm; do— 計 算需要的螺栓螺紋小徑，mm dk— 實 際選用的螺栓螺紋小徑，mm; e — 重心距離，mm; fa— 密封安全系數，fa=1.2; FG—預緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N; Fp— 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N; F— 流體靜壓總軸向力，F(xiàn)=0.78 5，N; FD— 流體靜壓力作用在法蘭內徑截面上的軸向力，F(xiàn)D=0.78 5，N; FT — 流體靜壓總軸向力與作用于法蘭內徑截面上的軸向力之差，F(xiàn)T=F-FD，N; Ft — 操作狀態(tài)下最大允許墊片壓緊力，N; h— 法蘭頸部高度，mm; k1— 預緊墊片系數，mm; k0— 操作墊片系數，mm; KD — 常溫下墊片材料的變形阻力，MPa; KD t— 設計溫度下墊片材料的變形阻力，MPa; L— 設計螺栓載荷，N； La — 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，N; Lp — 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，N; Ma —預緊狀態(tài)下需要的法蘭力矩,N·MM; Mp— 操作狀態(tài)下需要的法蘭力矩，N·MM; N — 螺栓數量，個； c— 螺栓的設計裕度，mm; p— 設計壓力，MPa; S— 力臂,mm； tf— 法蘭厚度，mm； tn— 接管厚度，mm; ts— 接管計算厚度，mm; y — 墊片松弛系數，對于金屬墊片，y=1.0； 對于軟墊片和金屬軟墊片，y=1.1; — 常溫下螺栓材料的許用應力（見GB1 50第4章）,MPa; — 設計溫度下螺栓材料的許用應力（見GB1 50第4章），MPa; — 常溫下法蘭材料的許用應力（見GB1 50第4章),MPa; — 設計溫度下法蘭材料的許用應力（見GB1 50第4章）,MPa; — 管 道材料的屈服極限； δ0— 法 蘭頸部小端有效厚度，mm; δ1— 法 蘭頸部大端有效厚度，mm； Z — 齒形墊片的齒數； W — 法蘭抗彎截面系數，mm3, 2　 計算 相關材料的選用 據GB150，螺栓材料為40Cr，法蘭材料選用35號鋼。 3　 墊片的選用 由于旋風除塵器操作溫度為常溫200C，查閱相關手冊在t<800C時選擇橡膠平墊片。查表得其墊片系數: 在預緊狀態(tài)下 N/mm 在操作狀態(tài)下 k1=0.5bD mm 墊片壓緊力 a) 預緊狀態(tài)下需要的墊片最小壓緊力按式計算： FG = 3.14DGk0KD N （12） b） 操 作 狀態(tài)下需要的墊片最小壓緊力按式計算： Fp = 3.14DGk1pfs N （13） c） 操 作 狀態(tài)下墊片最大允許的壓緊力 對于金屬平墊片按式計算： Fpt= 3.14DGk0KDt N （14） 對于金屬齒形墊片按式計算： N （15） 要求 Fpt >Fp，但不超過墊片的允許壓縮載荷。 4　 螺栓 螺栓載荷 a)預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計算： （16） b)操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計算： Lp=y(F十F p)=y(0.78 5＋3.14DGk1pfs) N （17） 若La>Lp，對于軟墊片或金屬軟墊片可按式計算，La'代替La: （18） 螺栓總截面積 a)預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總截面積按下式計算： mm2 （19） b)操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總截面積按下式計算： mm2 （20） c)需要的螺栓總截面積Am，取Aa與Ap中的較大值； d)螺栓的螺紋根徑按下式計算： （21） 式中，：值按以下規(guī)定： 對于剛性螺栓： 當時，c=3m m；當時，c=1 mm； 對于中間值，可用內插法計算c, 對于彈性螺栓：c=0 實際選用的剛性螺栓的螺紋小徑或彈性螺栓芯桿直徑dk應不小于do。 螺栓設計載荷 a）預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷按下式計算： N （22） b）操作狀態(tài)下螺栓設計載荷按下式計算： L＝L p N （23） 5　 法蘭類型 a)對焊法蘭，包括帶頸對焊法蘭 b)平焊法蘭，包括帶頸平焊和承插焊法蘭及板式平焊法蘭 c)松套法蘭，包括翻邊環(huán)和平焊環(huán)板式松套法蘭 我們在這里選擇板式平焊法蘭 法蘭力矩 預緊狀態(tài)下法蘭力矩按式計算： Ma ＝ L·SG N·mm （24） b）操作狀態(tài)下法蘭力矩按式（30)計算： Mp = FD·SD ＋ FT·ST 十 FG·SG N·mm （25） 力臂按下表計算，且FG=Fp 表5 操作狀態(tài)下法蘭載荷的力臂 mm 圖7 平焊法蘭 法蘭抗彎截面系數 焊接法蘭 危險截面 A-A的法蘭抗彎截面系數： （26） 以上各式中： （27） 對于的法蘭，；Di<500mm的法蘭， 強度條件 在預緊或操作狀態(tài)下，法蘭力矩在每一截面上引起的應力必須滿足下列強度條件： （28） （29） 經過計算結果如下： 計算應力 許用應力 DN 結果 Mpa Mpa Mpa Mpa 400 2.620 44.257 166 166 500 2.873 51.254 166 166 1000 3.813 61.810 166 166 表6 法蘭校核結果 由結果可知，所選用的法蘭滿足要求。 3.3.3灰斗的設計 1.灰斗容積的計算 旋風除塵器每小時集塵量 （30） 其中L為含塵量（g/m3） Q處理量(m3/s) η為除塵效率 帶入數據得：m=158.4365556kg 即得每小時集塵的體積V=m/ρp = 0.0582444 m3 圖8 灰斗的基本結構尺寸 從結構圖可知灰斗的容積為上半部圓筒和下半部錐體（將下半部近視為圓錐）的體積，即 錐底部分是旋風除塵器壓力最低的地方，杜絕錐底漏風是保證旋風筒分離效率的重要措施。旋風除塵器一般都裝有卸灰裝置，其作用是保證已分離粉塵的順利下卸及除塵器運行中卸灰時錐底的氣密性。卸灰裝置分干式和濕式兩種，旋風除塵器多采用干式卸灰裝置。 回轉式卸灰閥是依靠旋轉的剛性分格輪來實現(xiàn)除塵器的卸灰和密封的。剛性分格輪由電機帶動旋轉，粉塵充滿由刮板組成的扇形空間后連續(xù)排出，電機適宜轉速由卸灰量的大小來確定。在這里我們選擇星形卸灰閥。 名稱 數據 型號 YJD 2 YJD 4 YJD 6 YJD 8 YJD 10 YJD 12 YJD 14 YJD 16 YJD 18 YJD 20 YJD 26 YJD 30 YJD 40 YJD 50 卸料量l/r 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 26 30 40 50 r/min Z型 25-40 工作溫度℃ T≤80℃ T≤200℃ 物料 粉狀，顆粒狀 電機 型號 Y801-4 Y802-4 Y90S-4 Y90L-4 Y100L1-4 Y100L2-4 Y112M-4 Y132S-4 KW 0.55 0.75 1.1 1.5 2.2 3 4 5.5 r/min 1390 1400 1430 1430 1430 重量（kg） 53 71 86 101 121 141 161 181 191 221 251 301 491 681 表7 YJD卸灰閥技術數據 根據初步計算結果選擇YJD-2型卸灰閥，該型號的卸灰閥每小時卸灰量為3.6m3/h，根據安裝要求設定灰斗直徑D=2500mm，每隔3小時卸一次灰。則3小時內灰斗內收集的滑石粉為1.5726m3,由于灰斗不可能裝滿滑石粉后才開啟卸灰閥，因此，取一個系數C=1.5，則灰斗的容積V0=1.5x1.5726=2.3589m3，經過計算取h1=300mm ，h2=350mm 。 灰斗卸灰法蘭選擇圓形的，即與之對應的卸灰閥也選擇YJD-B型。法蘭尺寸參照一下設計： 型號 фA фB фC E F M H h ф YJD02型 250 210 150 650 420 122.5 225 12 9 YJD04型 280 240 180 758 526 140 280 15 11 YJD06型 300 260 200 778 536 150 300 15 11 YJD08型 320 280 220 798 546 160 320 15 13 YJD10型 340 300 240 880 628 170 340 18 13 YJD12型 360 320 260 900 638 180 360 `18 17 YJD14型 380 340 280 920 648 190 380 20 17 YJD16型 400 360 300 960 678 200 400 20 17 YJD18型 420 380 320 980 688 220 440 22 17 YJD20型 440 400 340 1000 698 230 460 22 17 YJD26型 500 460 400 1150 740 260 520 24 17 YJD30型 540 500 440 1190 755 280 560 24 17 圖9 B型卸灰閥外形結構及尺寸 灰斗的壁厚設計，灰斗蓋要承受上部旋風除塵器的重力，因此此處設計比較重要，查閱相關資料，結合實際情況，當壁厚取6mm時，通過計算分析，結果如下： 灰斗蓋最大位移在其中心部位，最大位移量為0.2439mm，由應力分析可知，最大應力在灰斗蓋邊緣，σmax=21.597Mpa ?；叶飞仙w材料選用中低碳鋼，選用30號碳鋼，其屈服強度為294Mpa>σmax=21.597Mpa，故滿足強度要求，厚度設計合格。 3.4 旋風除塵器的安裝形式 通過前面的計算分析，旋風除塵器采用兩筒并聯(lián)，并聯(lián)除塵器數目不多時（一般不超過8個）可以采用單管并聯(lián)，這時，每個除塵器有其自己的進氣管和排氣管，各自與近期干管和排氣干管相連，或者各自單獨向大氣排氣；每個除塵器可以有單獨的灰斗，也可以合用一個灰斗。 3.4.1 進氣管并聯(lián)方式 單個旋風除塵器并聯(lián)，進氣幾乎都是切向的。進氣管和排氣管不同并聯(lián)方式如下。圖12（a）是最簡單的入口并聯(lián)方式，在進氣管中氣體和灰塵的流動是堆成的，兩個除塵器中的工作情況相同，效率和阻力相同的。圖12（b）所示的連接，難使所有支管入口壓力相同，但安裝比較方便。圖12（c）是另一種連接方式，每經過一個除塵器的入口以后，主管道就會縮小一些，進入并聯(lián)的除塵器氣流可以自我補償，達到氣流基本平衡；這是因為最大的氣流產生的最大壓力降，從而使流量減少。通過對比，本設計選用第1種進口方式。 3.4.2 排氣管并聯(lián)方式 并聯(lián)除塵器與排氣干管連接時，往往為了回收壓力而采用蝸卷式出口。因為這種出口的方式可以隨意安排，故可根據具體情況采用不同的連接方式，圖13是幾個例子，其中，圖13（a）為對稱并聯(lián)，圖13（b）、（c）、（d）、（e）為不對稱并聯(lián)。由于排氣管設計比較自由，因此采用常規(guī)設計。 3.4.3 排灰口并聯(lián)方式 并聯(lián)的旋風除塵器共用一個灰斗比各自有一個灰斗的優(yōu)點是可以減輕清除積灰時的麻煩。缺點是一旦漏風將嚴重破除塵器正常工作。圖4是共用灰斗示意?；覊m從旋風除塵器C1和C2經過孔口E1和E2進入灰斗D。如果兩個除塵器相同，則它們從入口到出口的壓力降是一樣的，灰斗D中的氣體是靜止的。如果由于某種原因，例如其中一個除塵器被灰塵堵塞，氣流受到限制，以致在E1點的壓力大于E2點的，則氣體就從E1帶著一些灰塵經過D流道E2，而從除塵器C2的排氣管流出去。因此，必須控制壓力和流動狀況。把旋風除塵器做的完全一樣，并且注意這個問題使并聯(lián)的除塵器的差異盡量減少，也防止各個除塵器中的流動狀況變的不同。針對這一情況在工程應用中應按組合除塵器數量將灰斗分格如圖14所示。因此，灰斗的設計采用分格設計。 圖14 灰斗結構形式 3.5 焊接工藝 3.5.1 筒體焊接結構設計 1.筒體與筒體以及筒體與上灰環(huán)焊縫焊接接頭型式和尺寸選用GB/T9119-2000。 2.根據GB/T518-95選用焊絲的牌號H10Mn，根據GB12470-70選用焊劑的牌號HJ431型號HJ401-H08A。 3.焊接采用埋弧焊，對焊縫進行100%的射線探傷檢測，要求GB3325-87中的II級為合格。 4.灰斗的焊接也按上述標準施行。 3.5.2 接管與筒體焊接結構設計 1.筒體與接管的焊接接頭型式和尺寸選用GB/T9119-2000。 2.根據GB/T 518-95《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號J502，型號E5003。 3.焊接采用手工電弧焊，對焊縫進行100%的射線探傷檢測，要求GB3325-87中的II級為合格。 3.5.3 板式平焊法蘭與接管焊接結構設計 1.板式平焊法蘭與接管焊接接頭尺寸選用GB/T9119-2000選用。 2.根據GB/T518-95《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號J507型號E5015。 3.焊后對焊縫進行100%的射線探傷檢測，要求GB3325-87中的II級為合格。 第37頁（共34頁） 4 計算流體動力學的基本理論 4.1 計算流體動力學的基本方程 對于所有的流動，F(xiàn)LUENT都是解質量和動量守恒方程。對于包括熱傳導或可壓性的流動，需要解能量守恒的附加方程。對于包括組分混合和反應的流動，需要解組分守恒方程或者使用PDF模型來解混合分數的守恒方程以及其方差。當流動是湍流時，還要解附加的輸運方程。 1.質量守恒方程 質量守恒方程又稱連續(xù)性方程： （31） 該方程是質量守恒方程的一般形式，它適用于可壓流動和不可壓流動。源項Sm是從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質量（比方說由于液滴的蒸發(fā)），源項也可以是任何的自定義源項。 二維軸對稱問題的連續(xù)性方程為： （32） 2. 動量守恒方程 在慣性（非加速）坐標系中i方向上的動量守恒方程為： （33） 其中p是靜壓，tij是下面將會介紹的應力張量，r gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力（如離散相相互作用產生的升力）。Fi包含了其它的模型相關源項，如多孔介質和自定義源項。 應力張量由下式給出： （34） 上式的物理意義可以參閱流體力學教科書，其中會講得很清楚。 對于二維軸對稱幾何外形，軸向和徑向的動量守恒方程分別為： （35） 以及 其中： （36） w是漩渦速度（具體可以參閱模擬軸對稱渦流中漩渦和旋轉流動的信息）[19] 4.2 標準 κ -ε 模型的控制方程統(tǒng)一形式 由于旋風除塵器內的流體處于湍流狀態(tài)，而標準 κ -ε 模型是目前使用最廣泛的湍流模型，所以采用該模型對旋風除塵器內的流場進行模擬。模擬時，控制方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、κ 方程及ε 方程。為了便于對各個控制方程進行分析，并用同一個程序對各個控制方程進行求解，在數值計算中發(fā)展了黏性流體力學的統(tǒng)一形式 （37） 其展開形式為 （38） 式中：φ 為通用變量，可以代表 u、v、w 和 T 等求解變量；Γ 為廣義擴散系數；S 為廣義源項。式 (1) 中各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。對于特定的方程，φ 、Γ 和 S 具有特定的形式，表 7給出了3個符號與各特定方程的對應關系。 表 7　通用控制方程中各符號的具體形式 所有控制方程都可以經過適當的數學處理，將方程中的因變量、時變項、對流項和擴散項寫成標準形式，然后將方程右端的其余各項集中在一起定義為源項，從而化為通用微分方程，只需要考慮通用微分方程 (37) 的解，寫出求解方程 (37) 的源程序，就足以求解不同類型的流體流動及傳熱問題。對于不同的φ，只要重復調用該程序，并給出 Γ 和 S 的適當表達式以及適當的初始條件和邊界條件，便可求解[15]。 5 結果分析過程 5.1 前處理 GAMBIT是專用的前處理軟件包，用來為CFD模擬生成網格文件。它提供了多種網格單元，可以根據用戶的要求自動完成網格的劃分。根據設計尺寸進行三維造型并導入GAMBIT。分割實體并劃分網格，設置邊界條件 圖15 劃分網格圖 啟動FLUENT導入網格文件，檢查網格模型，選擇求解器并設定運行環(huán)境，選定計算模型，設置材料特性，設置邊界條件，調整用于控制求解的有關參數，初始化流場，計算求解。 圖16 殘差圖 5.2 結果分析 5.2.1 旋風除塵器內流場速度分布 在旋風除塵器工作過程中，切向速度起主要分離作用，粉塵在切向速度作用下高速旋轉運動，在離心力作用下粉塵被分離沉降。氣體旋轉切向速度（可視同入口氣體速度）是個關鍵參數，切向速度越大，處理氣量增大，最重要的是顆粒受離心力大，易甩向外筒內壁被分離收集。但是切向速度過大會引起以下現(xiàn)象： （1） 氣體湍流及甩到邊壁的顆粒因切向速度過大發(fā)生碰撞被重新?lián)P起，返回氣相形成返混現(xiàn)象。 （2） 使徑向氣體速度變大，上行軸向氣體速度也增大，顆粒停留時間縮短灰斗返氣夾帶變多。 （3）壓降增大[19]。 由上圖可知沿X=0面上的最大切向速度分布在旋風除塵器升氣管底部附近，前兩種現(xiàn)象嚴重是會影響分離效率。通過大量的理論計算和實驗結果表明切向速度在12—26m/s時較適合。 由圖16可知, 在排氣管下端的分離空間內, 切向速度分布云圖的軸對稱性較好。在圓柱形筒體部分, 氣流的流動較為穩(wěn)定, 渦核在軸線中心; 在圓錐形筒體及排灰斗部分, 氣流擾動比較厲害, 旋流出現(xiàn)了明顯的擺尾現(xiàn)象, 渦核也偏離了軸心,在漩渦的中心部分, 切向速度較小。 上圖可明顯看出旋風除塵器內部z=0平面上外旋氣體與內旋氣體分布。 5.2.2 壓力分布 旋風除塵器壓力損失是由于渦旋能量、固體負荷以及氣體壁面摩擦作用的結果。其中,前者占主要部分,但是由于該項會影響分離效率,所以不能減小。由圖18可以看出靜壓沿徑向由外向內減小,中心軸向附近靜壓較低,甚至出現(xiàn)負壓區(qū)域。此時,在旋風除塵器中心位置出現(xiàn)真空區(qū)域,在中心線附近氣體沿徑向壓力梯度最大,主要因為除塵器中心線附近存在很強的強制渦。中心軸線附近的靜壓遠低于進口處的壓力, 并從排灰斗延伸至排氣管出口均為負壓, 這樣使得除塵器圓錐體底部及排灰斗易出現(xiàn)滯流或返流現(xiàn)象, 不利于粉塵分離[ 4 ] 。同時,沿著軸向位置壓力降低很小,也說明相比切向速度徑向速度變化顯得很小,不再同一數量級上。圖19的動壓云圖則反映旋風除塵器內速度分布,在強制渦與準自由渦交界面處動壓最大。在準自由渦區(qū),隨徑向半徑減小,動壓增大;在強制渦區(qū),隨半徑較小,動壓逐漸減小。其中,動壓分布呈不完全對稱性,這是由于切向速度不對稱性造成的。總壓分布在中心區(qū)域都存在著明顯的擺動現(xiàn)象。 5.2.3 分離效率分析 圖21 煤粉體積濃度分布云圖 由滑石粉體積分布云圖可知：滑石粉主要分布在旋風除塵器的內壁面，當滑石粉顆粒由于離心力作用向外運動，滑石粉在壁面積累，因此壁面處滑石粉體積濃度比較大。顆粒在離心力作用下與壁面相撞，原有的徑向動量幾乎變?yōu)榱?，速度也急劇減小，此時顆粒由于重力作用沉降。因此凡是到達壁面的顆粒都可以認為被收集。 分離效率的計算： 進口面的平均體積濃度為：7.00x10-6，進口面的平均體積濃度為：4.2328x10-7。則效率： 由于設計要求的除塵效率為85%以上。因此分析合理。 5.2.4 旋風除塵器磨損 在許多旋風分離器中，侵蝕磨損是工廠運行和維修部門最關心的問題。當旋風分離器分離工作時，顆粒會磨損金屬傳送管線和旋風分離器。 一般采用以下兩種方法來減少磨損：一是降低旋風分離器內的速度，另一種是通過改進硬件設施來減少旋風分離器的磨損。降低速度，意味著增加入口或出口面積，這種方法很少采用，尤其是對于已建成的裝置來說，因為降低速度必然會降低分離效率。因此，作為一個實際問題，如果磨損影響到旋風分離器的運行時，一般需改變旋風分離器的硬件設施。典型的硬件改變方法有以下幾種。 ① 安裝防磨板（固定的或可拆卸的，安裝在內部或外部）。 ② 采用相同的方法更換旋風分離器磨損部位。 ③ 用厚板更換磨損部分。 ④ 用硬的、耐磨性能高的結構材料來更換磨損部分． ⑤ 用耐火材料、陶瓷、磚或其他類型的襯里來修理或代替磨損掉的金屬。 ⑥ 改善設計缺陷或結構缺陷的方法如下。 a . 凸出的焊縫或凹痕會使得顆粒以一定的角度沖擊下游部位。入口管道、排氣管道或排料管道的封頭、接管或料腿都會出現(xiàn)這類問題。 b ．伸到流場內的法蘭會嚴重影響穎粒在內壁附近流動的平穩(wěn)性。 c ．可視孔、觀察孔、人孔以及伸入壁面測量探頭與壁面不平齊時或高出壁面。 d ．回轉閥或底部密封不嚴出現(xiàn)的泄漏會使部分氣體進人旋風分離器內部后，會將顆?！皯腋　逼饋矶p旋風分離器下部區(qū)域，同時還會增加顆粒本身的磨碎程度。這尤其是適用于吸風式系統(tǒng)，因為此時如果底部密封不好的話，氣體就會進人旋風分離器底部。 由上圖可知：最大磨損發(fā)生在錐段和筒體的連接部分及筒體下部分，最大腐蝕量為。 則每年的沖蝕量為： 因此旋風除塵器內要加內襯或涂防磨損涂層。金屬殼里面涂一層耐磨材料。耐磨涂層的材料為聚氨脂。聚氨脂是指在主鏈結構中臺有氨基甲酸醋重復單元鏈節(jié)的一類高分子彈性體材料。它具有較高的抗拉、抗壓和抗撕裂強度。它的機械性能是聚氯乙烯的3-4倍，耐磨性是天然橡膠的5倍，耐油性是丁睛橡膠的5倍。耐寒性保證脆性溫度低達-30℃～-50℃，耐高溫最高達130℃。另外還具有許多較好的綜合物理機械性能，例如耐輻射、耐臭氧、耐疲勞性、彈性好、延伸率高(可達50％以上)等優(yōu)點。聚氨脂的這些特點本可以滿足旋風除塵器工況特點，并且耐磨性好，因此本文選用聚氨脂作為耐磨襯材料。制作方法采用澆鑄的方式。根據GB11647-89對旋風除塵器上部分面缺陷的規(guī)定，根據計算結果，在這里耐磨涂層在磨損比較嚴重的地方應加厚，因此筒體和錐段內壁涂層厚度為4mm。 6 總結 在完成畢業(yè)設計的這段時間里，我收獲頗多： 通過這次畢業(yè)設計使我了解到旋風除塵器在工業(yè)和環(huán)保等各個方面的應用。并且除塵設備仍然處于不斷的發(fā)展。理解旋風除塵器的常規(guī)設計過程，對影響旋風除塵器性能的因素有了一個大致的了解，以及以后的改進措施有了初步的了解。 通過改進進口截面積來改降低進口速度，減小壓降，降低能耗，同時還要確保分離效率，實現(xiàn)產能比最大化，提高經濟效益。 參考文獻 [1] 王海剛,劉石.不同湍流模型在旋風分離器三維數值模擬中的應用和比較[J].熱能動力工程,2003,18(4):337-342. 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