直通導(dǎo)葉式旋流管的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李文超，楊占華，李明華

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

直通導(dǎo)葉式旋流管是一種重要的氣固分離設(shè)備，在石油化工、冶金、環(huán)保等許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用.直通導(dǎo)葉式旋流管作為一種具有結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、分離效率高等特點的旋風(fēng)分離器，特別適合于高溫、高壓、含塵濃度高的情況下使用.隨著能源緊缺和對技術(shù)要求的提高[1]，對直通導(dǎo)葉式旋流管的設(shè)計和應(yīng)用提出了更加嚴(yán)格的要求.目前，比較著名的分離機械公司有瑞典的阿法拉伐 (Alfa-laval)公司，美國的頗爾 (PALL)公司，德國的克勞斯-馬非(Krauss-Maffei)公司，俄羅斯的進步機械廠[2]等，其生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，已經(jīng)形成了適合于各種機械設(shè)備的旋風(fēng)分離器系列產(chǎn)品.我國研發(fā)的旋風(fēng)分離設(shè)備性能明顯落后于國外，技術(shù)成熟的產(chǎn)品相對較少.

1 工作原理及性能特點

圖1是一個典型的直通導(dǎo)葉式旋流管.直通導(dǎo)葉式旋流管由導(dǎo)流管、導(dǎo)流葉片和排氣管組成.其工作原理是:含有灰塵的顆粒首先進入導(dǎo)流管，在導(dǎo)流葉片的作用下產(chǎn)生離心力，氣流中密度比空氣大的粒子依靠慣性力向外運動至旋風(fēng)分離器的器壁，大的顆粒從排塵口分離出來，分離后的凈化氣體從排氣管排出.這種獨特的結(jié)構(gòu)能夠并列地布置成多管式直通式旋流管分離器，并且不會出現(xiàn)氣流不均勻的問題，但是由于出氣口和排塵口在同一個方向，不利于及時地將顆粒排出旋流管，一般設(shè)計有抽塵裝置輔助排塵[3].

圖1 直通式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)原理圖

直通導(dǎo)葉式旋流管在1948年首次由Umeny[4]提出，與其他形式的旋流管相比，直通導(dǎo)葉式旋流管的性能上具有以下特點[5]:1)進氣阻力低、氣體處理量大、壓力損失較小;2)體積小、無活動部件、工藝布局合理、便于安裝;3)制造成本低，而且在大多數(shù)場合維護費用也低;4)既可以分離固體顆粒也可以分離液滴，有時通過合適的設(shè)計可以實現(xiàn)二者同時分離;5)依據(jù)使用條件，可使用鋼板、金屬鑄造、合金、鋁和陶瓷等多種材料制造.

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

在國外，直通導(dǎo)葉式旋流管主要應(yīng)用于催化裂化三旋裝置和凈化空氣、排液等方面，另外在軍工方面，直通導(dǎo)葉式旋流管還應(yīng)用在裝甲車輛、航空航天、船舶潛艇上的的第一級空氣的凈化.

美國UOP公司[6]設(shè)計出了一種利用環(huán)隙排塵的直通導(dǎo)葉式旋流管，如圖2所示.這種旋流管成功地應(yīng)用在催化裂化三旋裝置中，并且具有壓降小、分離效率高、三旋內(nèi)催化劑分布均勻等特點.與傳統(tǒng)的三旋分離器相比，在處理相同氣量的氣體時，采用直通導(dǎo)葉式旋流管的三旋分離器體積較小，所用的旋流管總數(shù)數(shù)量較少.由于我國的三旋入口濃度仍然較高，石化行業(yè)以提高分離效率為目的，采用直通導(dǎo)葉式旋流管的三旋分離器比傳統(tǒng)的三旋分離器的分離效率稍低，所以在我國石化行業(yè)中沒有大范圍的應(yīng)用.

圖2 傳統(tǒng)式和直流式三旋分離器的對比

美國伊利諾斯州大學(xué)的 Yuanhui Zhang[7]發(fā)明了一種導(dǎo)葉式直流旋風(fēng)分離器，該旋風(fēng)管主要用于凈化空氣.該裝置對于粒徑大于10 μm的顆粒，分離效率可以達到90%，粒徑大于7 μm的顆粒，分離效率達到77%.

美國PALL(頗爾)公司在旋風(fēng)管等的設(shè)計中，擁有旋風(fēng)分離元件等核心技術(shù)和產(chǎn)品.英國挑戰(zhàn)者2坦克改進型采用的就是PALL公司雙級旋風(fēng)管過濾技術(shù)，如圖3所示.該旋流管組件的分離效率為90%，阻力1.3 kPa左右，兩級串聯(lián)的旋流管粗濾器，效率98%，阻力2.5 kPa左右.

圖3 PALL公司的旋風(fēng)分離元件示意圖

Frederic Pierrr[8]設(shè)計了一種帶有開縫結(jié)構(gòu)改變排液性能的旋風(fēng)管，如圖4所示，旋風(fēng)管管壁的側(cè)縫沿著螺旋線方向開設(shè)，方向與氣流螺旋線方向垂直，該結(jié)構(gòu)能夠提高旋風(fēng)管的排液能力，但是旋風(fēng)管的二次氣流沒有經(jīng)過凈化，直接進入了排氣管中.

圖4 Frederic Pierrr設(shè)計的旋風(fēng)管

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，直通導(dǎo)葉式旋流管的研究起步比國外晚，現(xiàn)在主要應(yīng)用于凈化天然氣、循環(huán)流化床鍋爐、煤礦井下除塵等方面，我國的研究人員主要以研究提高分離效率為目標(biāo)，沒有重視其他方面的研究，研究水平普遍低于國外水平.

王建軍、滿曉偉、金有海等[8-9]人設(shè)計研制出了一種用于凈化天然氣固相或氣相雜質(zhì)的帶有開縫結(jié)構(gòu)的直通導(dǎo)葉式旋風(fēng)管，如圖5所示.由于該旋風(fēng)管中導(dǎo)流管的開縫結(jié)構(gòu)，部分氣流能夠從側(cè)縫進入排氣管，導(dǎo)流管的側(cè)縫總面積與芯管下端口面積之和大于排氣管面積，氣流的流通面積增加了，旋風(fēng)管內(nèi)氣流的流動阻力降低了，從而降低了壓力損失.該旋風(fēng)管的導(dǎo)流管以一定的角度開設(shè)了一條側(cè)縫，使得待凈化的氣體到達該處后，存在氣固兩相差，顆粒由于慣性被分離出來，提高了分離效率.該旋風(fēng)管氣液分離效率為94%，能夠完全分離直徑大于25 μm的顆粒.該旋風(fēng)管對于天然氣管道凈化天然氣方面，有著廣闊的應(yīng)用前景.

圖5 開縫結(jié)構(gòu)的直流導(dǎo)葉式旋風(fēng)管

劉愛林、時銘顯[10]采用平均速度場的模式和常渦動粘度假設(shè)簡化了雷諾方程，改進了徑向速度的假設(shè);并通過大量試驗對直通導(dǎo)葉式旋風(fēng)管的流場進行了測定與分析，得到了整個流場的無量綱形式的三相速度數(shù)值解.

霍豐源[11]設(shè)計研制出了一種新型直流旋風(fēng)除塵器，如圖6所示.該除塵器中，導(dǎo)流葉片與軸向成45°夾角，使得氣體旋轉(zhuǎn)的離心力更大，提高了分離效率.出風(fēng)口設(shè)有直角梯形狀排塵斗，解決了與傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器中被分離的灰塵被渦流旋轉(zhuǎn)帶起而引起的二次污染的問題.該直流旋風(fēng)除塵器具有結(jié)構(gòu)簡單、可以水平使用、阻力較低、分離效率高等特點.

圖6 直流式旋風(fēng)除塵器

李晶、劉國榮[12]針對氨法脫硫裝置中去除脫硫塔出口煙氣中嚴(yán)重夾帶霧沫的現(xiàn)象，設(shè)計出了一種新式導(dǎo)葉直流式旋流管.該旋流管具有除霧效果好，壓力損失小等特點，實現(xiàn)了高效除霧、脫氨一體化的目的.通過試驗室冷漠試驗表明，氨出口濃度在35 ppm以下時，效率可達98.6%，壓力損失降低了379 Pa，氨的損失較小.

3 發(fā)展趨勢

直通導(dǎo)葉式旋流管是一種極為復(fù)雜的三維、兩相流運動，至今還有許多流體力學(xué)中的難題尚未解決.與其他形式的旋風(fēng)分離器相比，直通式旋風(fēng)分離器起步較晚，基礎(chǔ)理論研究的內(nèi)容較少，也沒有成熟完整的數(shù)學(xué)模型，因此，直通導(dǎo)葉式旋流管的設(shè)計不得不依賴于經(jīng)驗設(shè)計和大量的試驗.目前，我們應(yīng)該在開展試驗研究的同時，積極依靠計算流體力學(xué) (CFD)數(shù)值模擬的優(yōu)勢，深入了解分離機理的研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的創(chuàng)新，不斷提高直通式旋風(fēng)分離器的性能指標(biāo).今后主要提高和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方向有:提高直通導(dǎo)葉式旋流管的設(shè)計計算精度、降低設(shè)計成本、提高設(shè)計效率;優(yōu)化直通導(dǎo)葉式旋流管自身結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu);研究重點從旋流管整體特性的研究轉(zhuǎn)向流動細節(jié)的研究，即以流場中顆粒軌跡的研究，深化研究流場內(nèi)顆粒的運動軌跡，了解旋流管的分離特性.

4 結(jié)論

直通導(dǎo)葉式旋流管是裝甲車輛和民用中重型車輛空氣濾清器中廣泛應(yīng)用的一種空氣預(yù)濾器.在裝甲車輛中，隨著推進裝置的發(fā)展，這就要求空氣濾清器具有體積小和布置靈活的特點.將體積小流量大的直通導(dǎo)葉式旋流管作為一級濾清器，能夠有效地縮小進氣系統(tǒng)的體積，并能夠根據(jù)空間靈活布置.作為進氣系統(tǒng)中的主要部件之一，直通導(dǎo)葉式旋流管是空氣濾清器粗濾器發(fā)展的主流，逆轉(zhuǎn)式旋流管粗濾器流量小、體積大，已經(jīng)不太適用于裝甲車輛的進氣系統(tǒng).因此，研究開發(fā)高效、低阻、流量范圍寬的直通式旋流管是極其迫切和有意義的.

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[12] 劉 晶.導(dǎo)葉直流式旋流管的開發(fā)研究 [D].北京:中國石油大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.