差异旋风分离器并联性能测量及流场分析

通过改变旋向和芯管直径,设计了3种差异旋风分离器,并按中心对称方式组成了3种并联方案:相同分离器、旋向差异分离器和芯管差异分离器并联。在冷态实验装置上,测量了单分离器和并联分离器的性能,并利用FLUENT软件分析了并联分离器的流场。结果表明,并联分离器的效率均高于单分离器,且效率-气速曲线未出现"驼峰";与相同分离器并联相比,旋向交替变化时并联总压降较小,分离效率也更低,但各分离器流量分配均匀,未发现"窜流"现象;当芯管有差异时,并联总压降增大,各分离器进口流量分配不均匀,且进、出口流量平均相差6.0%,公共灰斗中存在"窜流",旋流稳定性变差,效率降低。为了保证并联分离器的性能,应采用相同分离器对称并联的方式。     

螺旋并联分配管对旋风分离器分离性能的影响

为兼顾高分离精度及大处理量的要求,微小型旋风分离器并联得到越来越多应用。运用离散相模型和实验研究了螺旋并联分配管对旋风分离器分离性能的影响,分析了螺旋分配管分级和改变“序态”特性。结果表明,大颗粒易于从分配管前端出口逸出,依次进入旋风分离器固体颗粒呈现不同粒径分布,总体呈现分级特性;螺旋管对细颗粒物具有改变“序态”作用,进入旋风分离器颗粒粒径呈现外小内大趋势,内部相比外部颗粒浓度更高;内侧大颗粒构成的粒子环促进细小颗粒的去除,从而提高旋风分离器分离效率。实验进一步验证螺旋分配管分级和改变“序态”特性。研究结果对微小型旋风分离器并联设计具有指导意义。     

并联旋风分离器的旋流稳定性分析

分别选用2台和4台直径300 mm的相同PV型旋风分离器作为分离元件,共用进气管、集气室和排尘室,以中心对称方式组成两种并联分离器,并通过数值模拟比较单分离器与两种并联方案中各分离元件气相流动的特点. 气体介质为常温常压空气,入口气速15~30 m/s. 结果表明,2台或4台并联时各分离元件流量偏差分别不超过0.35%和0.28%,压降最大偏差为0.79%和0.43%,流量分配均匀,灰斗内窜流返混不明显,且4台并联时效果更好. 4台并联时分离元件排尘段的稳定性指数比2台并联或单分离器降低过半,旋流稳定性显著增强. 对称排列的分离元件在公共灰斗中会形成具有自稳定性的对称涡系,对分离元件内旋进涡核的摆动有约束作用,旋流稳定性增强.     

水力旋流器新型出口挡板结构对分离性能的影响

针对小直径水力旋流器,设计了不同内置挡板式的溢流管和底流管,实验研究了新型出口挡板结构对水力旋流器分离性能的影响。研究结果表明：内置挡板溢流管适用于处理量较大的工况,与传统溢流管相比,分离效率略有降低,但在高流量下其压降的降低幅度可达11.11%,挡板宜采用相对较窄、较短、三块120°间隔设计方式;底流管内置挡板采用十字交叉结构可稳定内旋流,使分离效率最大可提高5.96%;新型内置挡板的溢流口与底流口相耦合,可同时实现提高分离效率和降低压降的目标。此外,在相同情况下,发现溢流管内置挡板可消除水力旋流器内部的“空气柱”,据此推断“空气柱”并非由内部空气形成,而是其内部负压中心形成的某种湍流程度较高的强制旋流涡。     

CFB锅炉大型化气固流动非均匀性研究进展

循环流化床(CFB)锅炉大型化发展的必然结果是炉膛截面尺寸和并联回路的增加,流化床锅炉炉内燃烧和传热过程很大程度上取决于炉内气固流动特性,因此横向气固流动均匀性对锅炉的安全运行具有重要影响。笔者从静态和动态2个方面分析了大型CFB锅炉气固流动横向非均匀性问题。静态非均匀性问题包括布风均匀性和并联回路引起的气固流量沿截面的偏差以及各回路流量分配偏差,在稳定运行条件下不随时间变化。分离器的阻力特性是分离器的重要特性参数,在相同气相流量下,固体颗粒浓度对分离器压降的影响是非单调的,分离器压降随固体颗粒浓度的增加先减小后缓慢增加,理论上并联回路控制方程的解存在多值性,因此多回路并联条件下各分离器循环流率存在偏差。CFB锅炉炉内悬吊屏影响颗粒局部浓度分布,进而影响各分离器固体颗粒循环流率的分配。分离器出口烟道的形式对分离器气固两相的流量分配存在不容忽视的影响。在布风均匀性方面,两侧进风和后墙进风方式均会引起风室不同程度的布风不均。大型CFB锅炉在低负荷运行过程中,存在炉膛两侧床压大幅长周期波动的现象,该现象即为动态气固流动横向非均匀性问题,其产生的主要原因是大截面的布风系统,一次风降低导致的布风失稳以及多回路并联的不均匀性。横向波动数学模型主要是基于气固两相流系统横向波动固有频率的假设,当扰动接近系统固有频率时,会产生较大幅度的横向波动。目前动态非均匀性问题还缺少实验室尺度的深入系统研究,相关机理仍较模糊,是气固流动非均匀性问题的主要研究方向,同时布风不均和密相区气固流动的耦合作用还有待进一步研究。     

天然气净化用多管旋风分离器的分离性能

为了系统评价天然气净化用多管旋风分离器的分离性能,在线测量了入口气速6~24 m/s、入口颗粒浓度30~2000 mg/m3范围内多管旋风分离器的分离效率和分级效率. 结果表明,多管旋风分离器的分离效率和分级效率都随入口气速和入口颗粒浓度增大而提高. 与单管旋风分离器相比,在相同实验条件下,多管旋风分离器的分离效率下降2%~15%;单管旋风分离器基本能除净粒径大于10 mm的颗粒,而多管旋风分离器只能去除15 mm以上的颗粒. 多管旋风分离器的压降主要是内部单管旋风分离器的压降,占整个压降的80%~90%.     

基于响应曲面法径向入口旋风分离器的结构优化

采用流体力学软件对不同结构径向入口旋风分离器的气固两相流场进行了数值模拟,并基于响应曲面法得到旋风分离器的压降模型及分离效率模型。结果表明升气管直径和入口角度对旋风分离器的分离性能影响较大,且两者对旋风分离器分离性能的影响有着很强的交互作用;直筒段高度、锥体高度及升气管插入深度对分离性能影响相对较弱;下降管直径对分离效率影响较大,但对压降影响较弱;随着下降管长度的增大,压降不断增大,分离效率先减小后增大;在考虑压降及分离效率权重的基础上,得到了最优性能的旋风分离器结构,通过比较该结构旋风分离器的分离性能,发现模拟值和模型预测值吻合良好。     

输气站场多管旋风分离器流场分析

为了系统评价输气站场用多管导叶式旋风分离器的分离性能,模拟计算了入口速度7~27 m/s、颗粒密度1000~5000 kg/m3、颗粒浓度2.5~2500 g/m3、操作压力1~5 MPa条件下21管旋风分离器的分离效率和压降. 结果表明,多管旋风分离器的压降主要来自单管压降,约占整个压降的80%~90%,旋风子单独使用和并联使用时其流场分布规律相同,沿轴向对称分布,中心涡核处压力最低;分离效率和压降均随入口速度增大而增加,粒径为1~10 mm的固体颗粒分离效率从30.57%增加到63.86%,压降从9053 Pa增加到116864 Pa,在入口速度7~27 m/s范围内基本能除尽粒径大于6 mm的颗粒;随颗粒密度增加,分离效率增大,压降几乎不变;操作压力增大分离效率降低,而压降略增加. 各单管间进气量波动均不超过5%.     

MVR系统中管柱式气液旋流分离器性能研究

机械式蒸汽再压缩技术中,蒸发器产生的蒸汽进入压缩机前需要进行气液分离,考虑到结构紧凑性与分离稳定性,本文提出采用管柱式气液旋流分离器进行此操作,对其进行了结构参数设计和Fluent数值计算。经过研究：发现溢流管和底流管尺寸对分离器性能影响较大,改变二者数值大小,当溢流管直径为50mm、底流管直径为40mm时,溢流管和底流管的气、液相体积分数可分别达到1,且满足文献中对于出口流速的要求;证明了分离器流场内外旋流与内旋流的运动规律,两者旋向相同,运动方向相反;相比较单入口,采用双入口的管柱式气液旋流分离器,内部流场参数分布高度对称,分离过程更加稳定;适当增加旋流器直径,可降低流体通过压降,缩短纯液相区与纯气相区间过渡区域,改善分离器性能。     

旋风分离器的并联方式

<正> 一、引言 旋风分离器作为一种有效的除尘设备,已广泛应用于各种气体的净化。虽然,人们在提高旋风分离器分离(除尘)效率、降低压降等方面,已作了大量的研究和改进工作,但是,在将多个旋风分离器并联使用时,如何采用合理的并联方式以提高分离效率和降低压降,还未引起人们足够的注意。本文拟就这一问题进行探讨。     

旋风分离器入口结构改进及其对“短路流量”的影响

常规切向进口旋风分离器的气流进入旋风分离器后必定要经过排气芯管外壁和筒体内壁之间,因此不可避免会使得相当一部分气流没有经过分离空间而直接从排气芯管底部排出(短路流量),这也是影响旋风分离器分离效率的重要因素之一。在前人工作的基础上,对旋风分离器的进口结构进行了改进:使得旋风分离器的入口具有一定截面角,并借助数值计算技术,分别对传统的和具有一定入口截面角旋风分离器内的三维流场进行了数值模拟,计算了芯管底部的"短路流量",结果表明:进口具有一定截面角可以明显减小芯管底部的"短路流量",这对改善旋风分离器的分离效率具有重要的实际意义。     

Characteristics of the collection efficiency for a double inlet cyclone with clean air

Two single inlet cyclones and a double inlet cyclone were designed and fabricated to evaluate, and compare, their collection efficiencies. Two single inlet cyclones had different inlet sizes and vortex finder diameters. The double inlet cyclone had two inlet parts that divided the cyclone inlet in two. Clean air was introduced to the inlet near the cyclone wall, and particle-laden air was introduced to the inlet away from the cyclone wall. This double inlet made the clean air swirl in the region near the vortex finder, and the particle-laden air swirl in the region close to cyclone wall. The performance of the double inlet cyclone was evaluated at various clean air flow rates, keeping the particle-laden air flow rate constant.The collection efficiency of the double inlet cyclone was found to be 5–15% greater than that of the single inlet cyclone with the same inlet size and vortex finder diameter. As the flow rate of clean air was increased, the collection efficiency increased. This result indicates the possibility of achieving higher collection efficiencies with a double inlet cyclone.     

Effects of the Inlet Section Angle on the Flow Field of a Cyclone

The gas flow fields of a cyclone with different inlet section angles have been studied numerically. The gas flow fields were simulated by means of the Reynolds Stress Transport Model (RSTM). The velocities and pressure drop profiles of these cyclones were investigated. The shortcut flow rates at the bottom of the vortex finder were calculated with different inlet section angles. To analyze the relationship between the inlet section angle and the vortex finder insertion deepness, this paper details the shortcut flow rates at the bottom of the vortex finder for three vortex finder insertion depths. The results indicate that the inlet section angle can decrease the shortcut flow from the bottom of the vortex finder, which has practical importance for the improvement of the separation efficiency. The inlet section angle can also decrease the pressure coefficient of a cyclone. When the inlet section angle is 45 °, the level of decrease is up to 30 %. However, the effect of the inlet section angle on the separation performance is related to the dimension of the vortex finder, i.e., the insertion depth and diameter of the vortex finder, and the effect is different when the cyclone has different vortex finder insertion depths.     

分流型芯管对导叶式旋风管内颗粒逃逸的控制

Experimental and computational fluid dynamics was used in this study to predict the escape particles and evaluate the performance of PSC type cyclone tube with slotted vortex finder.The simulation results showed that the PSC type cyclone tube could remove the particles with a diameter greater than 5 μm.The PSC type cyclone tube increased the grade efficiency of particles with a diameter greater than 2 μm as compared with the Shell type cyclone tube.Short circuit flow occurred around the vortex finder slots and there was almost no short circuit flow under the vortex finder inlet.Most small particles escaped from vortex finder slots of the PSC type cyclone tube.The slotted vortex finder could develop “upwards flow” near the vortex finder inlet outside wall and control the escape particles under the vortex finder inlet.The force analysis of particles near the slotted vortex finder slots showed that gas flow carried the particles with a diameter smaller than 3 μm out the separator.     

Collection efficiencies of various designs of post‐cyclone

Post‐cyclone (PoC) is a novel secondary dust separator, which collects a certain fraction of the particles escaping through the vortex finder of a reverse flow cyclone. Due to the residual swirl in the vortex finder, the particles in the effluent air are concentrated at the wall of the vortex finder in an outer annulus. The particles in the outer annulus are split from the main stream and collected in a bleed flow. This paper presents the experimentally determined collection efficiencies of various designs of PoC. Depending on the design, operating conditions and the size and density of the particles, PoC can reduce the emission of the parent cyclones by 5% to 50%. In some experiments, the bleed flow from PoC is recycled back to the inlet of the cyclone. Significant improvement in the removal of fines occurs when the bleed flow is recycled to the inlet.     

Effects of flow and geometrical parameters on the collection efficiency in cyclone separators

A mathematical model has been developed for calculation of cut-off size and fractional efficiencies in cyclone separators, by taking into account the effects of flow, particle and geometrical parameters, and acceleration assuming that the mixture of fluid and particles is homogenous, and acceleration diminishes depending on the friction and geometry. Collection efficiency curves and cut-off size values predicted by the proposed model showed a good agreement with experiments over a wide range of inlet velocities for different types of cyclones. Comparison of the obtained results with semi empirical models available in literature also indicated that the present model may be used successfully for determination of the performance of a tangential inlet cyclone. Analyses of the effects of various parameters reveals that, in addition to flow and geometrical parameters, surface friction, vortex length and flow regimes play an important role on cyclone performance especially in small cyclones.     

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入手之处。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。     

旋风分离器芯管结构改进的试验研究

在PV型旋风分离器的基础上对其芯管结构进行了改进,并通过正交试验得到了一种新的斜切芯管结构。性能对比试验结果表明,当入口气速为20m/s时,相对于基准模型,改进结构的压降平均降低10%,跑损率降低15%。     

气液旋流分离器进口宽高比优化的数值模拟

利用FLUENT提供的RSM和DPM模型对不同入口高度和宽度的气液旋流分离器进行了数值模拟. 结果显示,当增大宽度或高度时切向速度与分离效率减小,但压降降低;当宽度大于环形空间的间隙时,部分进气流量直接作用于排气管上,影响内部流场;减小入口宽度或高度时引起的压降无明显差别,但减小宽度可提高分离效率而高度则相反. 入口高度(a)与分离器筒体直径(D)的比值a/D和宽度(b)与分离器筒体直径(D)的比值b/D约为0.2时,压降基本相同,但分离效率相差约3.6%. a/D约为0.38时,分离效率约为95.6%,压降约为340 Pa;而b/D约为0.25时效率为96.3%,压降约为320 Pa,入口宽度对分离器性能的影响比入口高度更显著.     

双入口直切式旋风分离器流场内旋进涡核现象的研究

主要研究了双入口直切式旋风分离器流场中的一种涡核非稳态现象———旋进涡核。实验表明 ,旋进涡核存在于分离器排尘口下部及锥体中下部 ,在排尘口处涡核摆动最强烈 ,同时涡核的摆动在一定操作参数下具有一定的频率和幅值 ,因此势必会造成粉尘的夹带返混 ,致使分离器效率降低。与单入口旋风分离器相比 ,双入口直切式旋风分离器内旋进涡核频率降低 ,幅值减小 ,但范围不变。说明入口形式是否轴对称对旋进涡核的存在与否不起主要作用