引射式旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

鄭淵博 宋濤 李欣雨 倪龍

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

2 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)空氣質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。由2018 年全球環(huán)境績(jī)效指數(shù)報(bào)告[1]分析可得，中國(guó)在空氣質(zhì)量等領(lǐng)域較為滯后。根據(jù)我國(guó)2016 年1 月1 日開(kāi)始全國(guó)正式實(shí)施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012），參與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)主要有六項(xiàng)指標(biāo)，分別為細(xì)顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和一氧化碳。其中顆粒物（如PM10，PM2.5）是造成空氣質(zhì)量較差的主要因素之一。此外，流行病學(xué)研究顯示PM2.5 會(huì)導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病急劇增加。其主要原因是PM2.5 中重金屬和有機(jī)污染物含量豐富[2]，人體吸入后，會(huì)引起支氣管上皮細(xì)胞[3]和肺部上皮細(xì)胞[4]壞死或發(fā)生病變。長(zhǎng)期暴露在被顆粒物污染的空氣中是造成加速大腦衰老的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素[5]，更有研究顯示，老年人和小孩長(zhǎng)期暴露在這種環(huán)境中會(huì)造成認(rèn)知能力下降[6-7]。人們一天（或一生）中大約有80～90%時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)[8]，因此過(guò)濾掉空氣中的顆粒物，為室內(nèi)提供干凈空氣勢(shì)在必行。

過(guò)濾是除去空氣中的細(xì)微顆粒物最常用的方法，即讓氣體通過(guò)編織的或壓制的纖維網(wǎng)狀過(guò)濾材料來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體和顆粒物分離。這種通過(guò)濾筒或?yàn)V袋的除塵方法優(yōu)點(diǎn)是分離效率高。但由于顆粒物會(huì)填充濾料的部分孔隙而在濾料表面形成粉料層，隨著粉料層的建立，氣體通過(guò)濾料的壓降增加，并且濾料易磨損，因此需要及時(shí)處理和更換報(bào)廢的濾筒和濾袋。除過(guò)濾外，離心分離是另一種常用的分離方法。旋風(fēng)分離器是典型代表，含塵氣體進(jìn)入分離器后，在旋風(fēng)分離器內(nèi)部做旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，其中密度大的顆粒物隨外旋渦向下旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，最終被帶至旋風(fēng)分離器底部灰斗而分離。而密度小的空氣隨內(nèi)旋渦向上旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，最終干凈空氣從溢流管排出。旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)緊湊、處氣量大、制造成本低、便于維護(hù)和操作等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如工藝生產(chǎn)[9]、顆粒物篩選[10]、PM2.5 和PM10 檢測(cè)[11]、生物取樣[12]等。盡管旋風(fēng)分離器有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，流場(chǎng)十分復(fù)雜。例如流場(chǎng)中存在的短路流和灰斗區(qū)域內(nèi)部循環(huán)流會(huì)加劇顆粒物溢流跑粗而減小分離效率。此外，諸多研究顯示傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器分割粒徑較大，對(duì)于粒徑較小的顆粒物分離效率較低。為了提高旋風(fēng)分離器的性能，學(xué)者們從不同角度做了大量研究，主要是為了提高旋風(fēng)分離器的分離效率和降低旋風(fēng)分離器的壓降。一些學(xué)者試圖通過(guò)改變旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)提高旋風(fēng)分離器的性能，例如優(yōu)化溢流管的長(zhǎng)度[13]和直徑[14]，改變進(jìn)氣管尺寸[15]和入口收縮角度[16]等。這些研究使得旋風(fēng)分離器的性能在一定程度上得到了提高，但旋風(fēng)分離器底部灰斗中顆粒物累積需定時(shí)清除，其間歇除塵的運(yùn)行機(jī)制還是沒(méi)有改變，無(wú)法達(dá)到連續(xù)分離顆粒物的效果。

為此，本研究提出了帶有引射裝置的新型旋風(fēng)分離器，即利用引流機(jī)使得一部分氣流從底流管排除，進(jìn)而有效抑制灰斗口顆粒物的二次返混現(xiàn)象，使得細(xì)小顆粒物的分離效率得以提升。同時(shí)，引流的存在也使得旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)了連續(xù)排污，不需要定期處理灰斗內(nèi)的顆粒沉積。因此，引射式旋風(fēng)分離器對(duì)于改進(jìn)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)細(xì)小顆粒物去除以及室內(nèi)空氣品質(zhì)提升具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法及原理

1.1 引射式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸

經(jīng)學(xué)者研究，增長(zhǎng)旋風(fēng)分離器圓柱段與圓錐段的長(zhǎng)度可以在一定程度上提高分離細(xì)小顆粒物的效率[17]。另外旋風(fēng)分離器錐角過(guò)大會(huì)增大顆粒物被夾帶進(jìn)內(nèi)旋渦流的可能性，故旋風(fēng)分離器的錐角不宜大于20°。本文的帶引射裝置的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示，設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖如圖1 所示。為方便顆粒物排出，排污管與引流管呈45°角。為降低顆粒物在拐角處沉積的可能性，底流管與排污管用40°半徑為5 mm 的圓弧連接。入口管徑取為DN15 可保證實(shí)驗(yàn)流量不至于過(guò)低。此外，引射式旋風(fēng)分離器所用材質(zhì)為高硼硅，壁厚為3.3 mm。

表1 帶引流功能的新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 引射式旋風(fēng)分離器樣機(jī)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及原理

為研究各操作參數(shù)對(duì)引射式旋風(fēng)分離器性能的影響，搭建了如圖2 原理所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。為降低室內(nèi)空氣原有顆粒物對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的干擾，首先用初效和中效過(guò)濾器過(guò)濾掉空氣中原有的顆粒物，被過(guò)濾的室內(nèi)空氣再與由微型螺旋給料機(jī)送入的顆粒物混合。然后由入口離心風(fēng)機(jī)加壓后切向送入引射式旋風(fēng)分離器，在旋風(fēng)分離器內(nèi)形成內(nèi)外兩個(gè)旋渦流，內(nèi)旋渦的干凈氣流經(jīng)溢流管流出，部分氣體裹挾著顆粒物沿底流管進(jìn)入排氣管，再經(jīng)過(guò)引流離心風(fēng)機(jī)排入灰斗中進(jìn)行水浴處理，以免顆粒物擴(kuò)散至室內(nèi)空氣中造成污染。本實(shí)驗(yàn)選取實(shí)驗(yàn)顆粒物時(shí)充分考慮了大氣中實(shí)際顆粒物的情況，大氣中的顆粒物的產(chǎn)生主要包括工業(yè)尾氣的排放、路邊的揚(yáng)塵[17]等幾個(gè)因素。二氧化硅是自然界較為常見(jiàn)的材料，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，其顆粒物形狀近似球狀，與實(shí)際空氣中的顆粒物有較高的相似性。故本實(shí)驗(yàn)的顆粒物選用10 μm 二氧化硅顆粒物。

圖2 引射式旋風(fēng)分離器實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖

引射式旋風(fēng)分離器的分離效率由式（1）計(jì)算：

式中：E 為分離效率，%；mu為底流口顆粒物的質(zhì)量，μg；mi為入口顆粒物的質(zhì)量，μg；Ci為入口顆粒物的質(zhì)量濃度，μg/m3；Co為溢流口顆粒物的質(zhì)量濃度，μg/m3；Qi為入口流體的體積流量，m3/h；Qo為溢流口流體的體積流量，m3/h。

入口及溢流口顆粒物的質(zhì)量濃度可由TSI-9306激光粒子計(jì)數(shù)器測(cè)出，入口及溢流口流體的體積流量由渦街流量計(jì)測(cè)得，代入式（1）即可求得分離效率E。

引射式旋風(fēng)分離器由于引射裝置的存在，使得進(jìn)入引射式旋風(fēng)分離器的氣體并不是都從溢流管排出，部分氣體會(huì)攜帶著顆粒物從底流管排出，故引入分流比的這一參數(shù)，分流比是指底流流體的體積流量與進(jìn)流流體的體積流量的比值，通過(guò)入口、溢流口的渦街流量計(jì)可測(cè)得入口、溢流口處流體的體積流量，而底流流量即為入口流量與溢流口流量的差值，從而可求得分流比F。

式中：F 為分流比，%；Qu為底流口流體的體積流量，m3/h；Qo為溢流口流體的體積流量，m3/h；Qi為入口流體的體積流量，m3/h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

引射式旋風(fēng)分離器的入口流量對(duì)分離效率和分流比的影響如圖3 所示，分離效率隨著入口流量的增加而增加。當(dāng)入口流量達(dá)到11.01 m3/h 時(shí)，分離效率開(kāi)始慢慢降低。同時(shí)分流比隨著入口流量的增加而減小，但減小的幅度逐漸變緩，這是因?yàn)楫?dāng)引射式旋風(fēng)分離器的入口流量增大時(shí)，氣體進(jìn)入引射式旋風(fēng)分離器的切向速度就會(huì)變大，從而減小了顆粒物在引射式旋風(fēng)分離器內(nèi)的停留時(shí)間，且切向速度的增大會(huì)使得引射式旋風(fēng)分離器的內(nèi)旋渦不穩(wěn)定，造成溢流管處的短路流現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，從而破壞了引射式旋風(fēng)分離器內(nèi)部原本較為穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，使得引射式旋風(fēng)分離器的分離效率降低。另外入口流量對(duì)壓降的影響由圖4可知，引射式旋風(fēng)分離器的壓降也會(huì)隨著入口流量的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。引射式旋風(fēng)分離器的入口壓力對(duì)分離效率、分流比和壓降的影響如圖5 和圖6 所示，入口壓力對(duì)引射式旋風(fēng)分離器分離效率，分流比和壓降的影響非常小，由此可見(jiàn)引射式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)幾乎不受入口壓力影響。

圖3 入口流量對(duì)分離效率、分流比的影響

圖4 入口流量對(duì)能量損失的影響

圖5 入口壓力對(duì)分離效率、分流比的影響

圖6 入口壓力對(duì)能量損失的影響

引射式旋風(fēng)分離器的入口濃度對(duì)分離效率、分流比和壓降的影響由圖7 和圖8 可得，隨著入口濃度的增加，引射式旋風(fēng)分離器的分離效率先增加。當(dāng)入口濃度達(dá)到9812.75 μg/m3后，分離效率為88%。當(dāng)入口濃度繼續(xù)增加時(shí)，分離效率漸漸趨于穩(wěn)定。而分流比幾乎不隨入口濃度的變化而變化，由此可見(jiàn)顆粒物的濃度對(duì)引射式旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)影響不大。另外，顆粒物濃度的增加使得氣流的摩擦損失增大，所以入口濃度的增加使得引射式旋風(fēng)分離器的壓降呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。入口濃度的持續(xù)增加并不能使得分離效率持續(xù)增加，且會(huì)造成壓降的持續(xù)增大（如圖8 所示），因此較為合適的入口濃度為8796.58 μg/m3。

圖7 入口濃度對(duì)分離效率、分流比的影響

圖8 入口濃度對(duì)能量損失的影響

圖9 反映了引流流量對(duì)引射式旋風(fēng)分離器分離效率和分流比的影響。由于入口流量不變，引流流量的增加使得分流比持續(xù)增加。當(dāng)引流流量不高于5.2 m3/h時(shí)，分離效率隨引流流量的增加而增大的較為明顯。當(dāng)引流流量高于5.2 m3/h，分離效率隨引流流量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)緩慢。引流流量的增大使得從底流管流出的氣體越多，從而能夠帶走更多在底流口附近循環(huán)的顆粒物，減少了顆粒物被二次夾帶返回內(nèi)旋渦中從而進(jìn)入溢流管的可能性。入口流量維持在12.2 m3/h 不變，入口顆粒物濃度一定，隨著引流流量的增加，溢流口流量減小，而隨著顆粒物二次返混現(xiàn)象的減緩，溢流口顆粒物濃度也隨之降低，最終使得引射式旋風(fēng)分離器的分離效率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。但當(dāng)引流流量超過(guò)5.2 m3/h 時(shí)，顆粒物由于受到底流的拖拽力影響而容易直接進(jìn)入不利于顆粒物分離的內(nèi)旋渦，這反而促進(jìn)了短路流的發(fā)生，從而使得引射式旋風(fēng)分離器的分離效率不在上升，而是趨于穩(wěn)定。引射式旋風(fēng)分離器的壓降隨著引流流量的變化如圖10 所示，隨著引流流量的增加引射式旋風(fēng)分離器的壓降逐漸減小，但當(dāng)引流流量較大時(shí)，引流所造成的壓降損失便不可忽略。所以綜合考慮引射式旋風(fēng)分離器的分離效率和能耗，引流流量不宜過(guò)大，對(duì)本系統(tǒng)而言，合理的引流流量為5.2 m3/h，此時(shí)引射式旋風(fēng)分離器的分流比為42.7%，分離效率為87.7%。

圖9 引流流量對(duì)分離效率、分流比的影響

圖10 引流流量對(duì)能量損失的影響

為了比較各操作參數(shù)對(duì)引射式旋風(fēng)分離器性能指標(biāo)的影響大小，定義一個(gè)敏感性指標(biāo)S 來(lái)進(jìn)行衡量，敏感性指標(biāo)S 的定義由式（3）可得：

式中：A 為分離性能指標(biāo)（分離效率、分流比、溢流口濃度、壓降）；B 為操作參數(shù)歸一化處理值；n 則為實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。

為了使各操作參數(shù)處于同一數(shù)量級(jí)，具有可比性，此處對(duì)各操作參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化處理值B 可由式（4）得出：

式中：B 為操作參數(shù)歸一化處理值；xi為操作參數(shù)某次實(shí)驗(yàn)工況的測(cè)量值；xmin為操作參數(shù)實(shí)驗(yàn)工況中最小測(cè)量值；xmax為操作參數(shù)實(shí)驗(yàn)工況中最大測(cè)量值。

通過(guò)式（3）和式（4）即可計(jì)算出各操作參數(shù)對(duì)引射式旋風(fēng)分離器各性能參數(shù)的敏感性指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如表2 所示：

表2 操作參數(shù)對(duì)分離性能敏感性指標(biāo)對(duì)比表

通過(guò)表2 可以看出，就本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況而言，引流流量的改變對(duì)引射式旋風(fēng)分離器分離效率所產(chǎn)生的影響最大，其次是入口流量，然后是入口濃度，而入口壓力對(duì)分離效率的影響最小。對(duì)于分流比，引流流量的變化所產(chǎn)生影響最大，其次是入口流量，而入口濃度和入口壓力的改變對(duì)分流比均影響較小。改變?nèi)肟诹髁繉?duì)溢流口濃度產(chǎn)生的影響最大，其次是引流流量，然后是入口濃度，對(duì)溢流口濃度影響最小的是入口壓力。對(duì)于能量損失，改變引流流量對(duì)其產(chǎn)生的影響最大，其次是入口濃度，然后是入口流量，而改變?nèi)肟趬毫?duì)其產(chǎn)生的影響最小。

3 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器相比，引射式旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)了可連續(xù)分離并且消除了由底部集污槽所引起的二次返混現(xiàn)象。

2）增大引流流量可有效提高分離效率，綜合考慮各性能指標(biāo)，對(duì)本系統(tǒng)而言，最優(yōu)的引流流量為5.2 m3/h，此時(shí)分離效率可達(dá)87.7%。

3）引流流量在入口流量、入口壓力、入口濃度、引流流量四個(gè)參數(shù)中對(duì)引射式旋風(fēng)分離器的分離效率、分流比和能量損失的影響最大，而入口壓力對(duì)分離效率、分流比和能量損失幾乎沒(méi)有影響。