周宇菘
湖南惟创环境科技有限公司，湖南 长沙
摘 要: 本文对扩散式旋风除尘器排气管结构参数的选择进行了研究。通过改变排气管的管径、插入深度和出口长度等参数，利用Fluent软件，对扩散式旋风除尘器的分离效率和压力损失和内部流场进行了仿真模拟。结果表明：排气管管径影响分离效率，压力损失随着管径的减小而增大。插入深度和出口长度影响内部流场分布，从而影响分离效率，但两者对压力损失影响较小。该结论对扩散式除尘器设计具有实际意义。
关键词: 排气管; 扩散式旋风除尘器; 数值模拟
1 引言
扩散式旋风除尘器是一种有倒锥体的旋风除尘器，它与一般旋风除尘器的不同点就是在倒锥体下方有一反射屏。由于其结构相对于一般旋风除尘器有很大不同，内部流场必然不同。但内部流场是怎样一种状态？其对粉尘分离效率、风力压力损失影响怎样？从目前已有的文献看，对扩散式旋风除尘器的研究并不多。
旋风除尘器的分离效率和压力损失是评价其性能的重要指标。分离效率受旋风除尘器内部流场的影响，而结构是流场分布最主要的决定因素。目前，在旋风除尘器的结构研究中，研究较多的是进气方式对分离性能的影响，对排气管的研究相对较少。本文采用数值模拟计算的方法研究排气管结构对扩散式旋风除尘器性能的影响，对扩散式旋风除尘器的结构优化设计提供一定的依据。
2 扩散式旋风除尘器的结构及研究内容
如图1所示，扩散式旋风除尘器采用涡壳式进口，筒体直径为D，排气管直径De、插入筒体的深度为Hc，排气管出口长度为He。在文献1的基础上，分析排气管结构对扩散式旋风除尘器的压力损失和分离效率的影响，主要包括不同排气管直径De、排气管插入深度Hc、排气管出口长度He等。
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图1 除尘器结构
2.1 压力损失
压力损失为进口和出口的全压之差。它是分离过程中所必须损耗的能量，一般包括三部分，即进口损失、出口损失和旋涡流场的损失，其计算公式可写成如下形式[2，3]：
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（1）
式中，Δp为压力损失；ρ为气流密度，kg/m3；、uj为进、uc出口速度，m/s；ζ0为阻力系数，与除尘器结构形式、尺寸、及雷诺数有关。
2.2 分离效率
采用数值模拟方法计算旋风除尘器的分离效率可按如下公式：
η=nN （2）
式中，η为分离效率，n为除尘器收集的颗粒数，N为从进口射入的颗粒总数。
模拟用的颗粒是密度为1550kg/m3的无烟煤，颗粒粒径服从Rosin-Rammer分布，即大于直径d的颗粒的质量分数为
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，分布指数n取1.7。考虑到颗粒运动的随机性，每种粒径颗粒都分别计算5次再求均值。
旋风除尘器的压力损失和分离效率是一对相互制约的矛盾，分离效率的提高就会以压力损失的增大为代价，所以在设计和选型时要综合考虑结构因素，以达到取得高效低阻的效果。
3 模拟结果及分析
3.1 排气管直径
在筒体直径D一定的情况下，排气管直径De变化时颗粒的分离效率和压力损失如图2、图3所示。由图看出，排气管直径为0.6D时颗粒分离效率比其它情况下较大，而达到0.7D时效率较小。压力损失随着管径的增大先减小后增大，在0.6D时压力损失达到最小值，最大的压力损失出现在0.3D处。
由图2、3还发现，压力损失最大时其分离效率并不是最大。这说明除了压力损失对分离效率影响较大外，管径对效率也有影响。在一定进口速度下，排气管径较小时，气流流通量小，造成分离空间存在较大的静压，从而影响颗粒的分离。在大的排气管径下，虽然流通量增大，但是进入筒体的气流受到压缩，在旋转向下运动过程中，更容易从排气管的下端直接进入排气管[4]，增大了颗粒逸出的机会，从而使分离效率降低。
此外，在同一管径下，压力损失与速度近似成二次曲线关系，这与式（1）的表示基本一致。
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3.2 排气管插入深度
图4和表1分别显示了在筒体直径一定时排气管不同插入深度时的效率和压力损失，可以看出，当插入深度为0.9D时，旋风除尘器的效率最大，分离效率中最大值与最小值之间最多达相差16%，但此时的压力损失相差不大，这说明在速度一定的情况下，排气管插入深度对压力损失影响并不大。造成此时分离效率不同的主要因素是旋风除尘器内部流场结构发生了变化。
排气管不同插入深度时分离空间（以Z=750mm为例）内部流场的速度分布如图4所示。在旋风除尘器内，切向速度是影响颗粒分离最主要的因素。从图4可以看出，在Hc/D=0.9，即插入深度为0.9D时分离空间的外涡旋中切向速度（切向速度的正方向是用右手定则来判断的，在该模型中气体流入的方向与旋转轴（Z轴）的正方向刚好相反，所以为负值）是最大的，而此时轴向速度分布基本相同。由此可见，插入深度越大，减小了分离空间，其切向速度就越小，从而减小了分离效率。但是过小的插入深度也不利于提高分离效率，因为插入深度过小，除尘器的最大负压区越接近排气管口[4]，会使得颗粒更容易到达排气管的负压区而形成短路流。
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图4排气管不同插入深度时的分离效率
表1排气管不同插入深度时的压力损失
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图5不同插入深度时分离空间的速度分布
6Z1、Z2、Z3、Z4、Z5依次表示Hc/D=0.8，0.9，1.1，1.2，1.33
3.3 排气管出口长度
排气管出口长度对分离效率的影响如图5所示。由图看出，当He/D=0.67时，各种粒径的颗粒分离效率最大，与之相接近的是He/D=0.53。表2是在进气速度为15m/s，不同出口长度时的压力损失。从表2可以看出，出口长度对旋风除尘器的压力损失影响很小。笔者认为，影响颗粒分离效率的主要因素是流场结构的不同。
图6是排气管出口长度变化时分离空间以（Z=850mm为例）切向、轴向速度分布，这和一般旋风除尘器的流场分布[5]不同。可以看出，He/D=0.67时的切向速度比其他都大，这和在此结构时具有最大的分离效率相一致，而不同出口长度时对应的轴向速度分布基本一样，这说明此时切向速度对分离效率有至关重要的影响。
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图6出口长度变化时的分离效率
表2排气管不同出口长度时的压力损失
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图7 排气管不同出口长度的分离空间的速度分布
Z1、Z2、Z3、Z4、Z5依次表示He/D=0.2，0.4，0.53，0.67，0.87
4 结论
排气管结构对扩散式旋风除尘器的性能有重要影响，通过数值模拟试验研究表明：（1）排气管直径De与除尘器筒体直径D的比值是重要的结构参数。在筒体直径一定的情况下，当De/D=0.6时，分离效率比其它管径都大，此时所对应的压力损失最小。压力损失随着管径的减小而增大，并且压力损失与气流进口速度之间符合理论公式表示的二次曲线关系。（2）排气管插入筒体的深度和排气管出口长度影响除尘器内部气流流场分布，从而影响分离效率。当插入深度为0.9D和出口长度为0.67D时分离效率最大。而插入深度和出口长度对除尘器的压力损失影响较小。此数值模拟的结果对扩散式旋风分离器的结构优化设计具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 操波,高广德.扩散式旋风除尘器三维气相场的数值模拟[J].系统仿真技术,2007,3(3):164-168.
[2] 金国淼.除尘设备[M],北京:化学工业出版社,2002.8.
[3] 余战英,魏铜生,陈晓宇,等.不同结构因素下方形旋风分离器分离性能的实验研究[J].动力工程,2004,24(1)148-151.