旋風分離器自然旋風長的影響因素

高助威， 王 娟， 王江云， 毛 羽

(1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 北京 102249； 2.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室， 北京 102249)

旋風分離器是用于氣、固分離的工業設備。其內部流場為雙渦旋轉(雙旋流)流場，內旋渦(內旋流)通常會在軸向位置某一位置發生偏轉，稱為旋渦“尾端”[1]。Alexander[2]最早發現這一現象，并定義旋渦尾端到排氣管下口的距離為自然旋風長。通常認為，旋渦尾端會造成顆粒的返混與堵塞，增加了運動流體的不穩定性，影響氣、固分離效率。在旋渦尾端上部區域(自然旋風長區域)，為旋風分離器的有效分離空間；在旋渦尾端以下(超出自然旋風長部分)，氣、固分離效率是較低的。所以，自然旋風長的計算對旋風分離器的高度設計較為重要。此外，在Leith等[3]、Dietz等[4]計算旋風分離器分離效率的模型中，都采用了Alexander提出的自然旋風長經驗公式，而不是旋風分離器的物理高度。因此，自然旋風長的研究對分離器的優化設計具有重要的意義。

眾多國內外學者對旋風分離器內旋轉流動進行了分析和研究[5-10]。Bryant等[11]通過實驗證明入口截面面積和排氣管直徑對自然旋風長的影響較大。姬忠禮等[12]采用頻閃觀測儀進行流場測定，通過加塵實驗，發現在灰環所在截面上的最大切向速度約為排氣管下口截面切向速度的12%，因此將最大切向速度沿軸向衰減88%的截面定義為旋渦尾端，軸向高度為自然旋風長。杜得喜等[13]運用計算流體力學(CFD)方法的研究結果表明，旋渦尾端氣流速度方向發生突變，使此區域湍流度增加，旋渦尾端的雷諾數徒增，因此將湍動能峰值處定義為旋渦尾端，軸向高度為自然旋風長。魏耀東等[14]運用激光多普勒測速儀(LDV)對氣相流場進行分析，討論了速度場(切向速度、軸向速度)的衰減特性以及雙渦之間的能量傳遞，認為排氣管下端到準自由渦消失位置的軸向距離為自然旋風長。錢付平等[15]依據曲面響應法并利用統計軟件Minitab V14分析旋風分離器的自然旋風長，結果表明，除入口面積和排氣管直徑影響自然旋風長外，入口氣速、筒體高度以及排氣管插入深度也會不同程度地影響自然旋風長。高翠芝等[16]認為，當旋風分離器內外旋流之間的能量傳遞達到穩定狀態時，旋轉氣流到達旋渦尾端位置。

目前，旋風分離器內自然旋風長的計算模型多數為經驗性公式，缺乏實驗數據及流場分析的支持，而且不同公式計算結果存在較大的矛盾。因為旋渦尾端是復雜的湍流動力學現象，影響因素較多，如果將影響因素僅僅歸結為筒體直徑、排氣管直徑和入口面積3個主要因素，忽略其他結構參數及操作參數的影響，則計算模型準確性及適用性較差。因此，筆者在概述旋風分離器內自然旋風長機理的基礎上，通過對內部能量傳遞與損耗的分析，闡述了旋渦尾端的存在機理，分析了前人關于自然旋風長理論計算中經驗公式的局限性，總結了筒體的高/徑比、入口面積、排氣管直徑和插入深度、錐體、排塵結構的設計、壁面粗糙度等幾何參數，以及入口氣速和入口濃度、入口雷諾數、旋轉強度、抽氣量與氣體回流量等操作參數對自然旋風長的影響，希望為旋風分離器高度的設計優化提供參考。

1 旋渦尾端的機理分析

旋風分離器是利用離心力作用，進行氣、固分離的設備。含塵氣流進入旋風分離器，呈現雙渦分布(內、外旋流分布)，外旋流(準自由渦)對氣、固分離起到積極作用，提供能量；而內旋流(準強制渦)則消耗能量，旋轉氣流是由外旋流(準自由渦)傳遞能量給內旋流(準強制渦)，驅動內旋流旋轉，如圖1所示。

圖1 旋風分離器內能量傳遞形式示意圖Fig.1 Energy transfer characteristics in cyclone separator

在湍流耗散和壁面摩擦阻力的影響下，能量會出現衰減。當外旋流損耗的能量(即傳遞給內旋流的能量和壁面摩擦消耗的能量之和)達到一定程度時，內、外旋流能量相等，流動達到平衡。超出此臨界值，外旋流能量不足以驅動內旋流加速旋轉，直至外旋流完全轉變為內旋流(準自由渦消失)，出現旋渦尾端[17]，如圖2所示。

旋渦尾端是復雜的湍流動力學現象，不僅發生在旋風分離器中，而且也會在其他旋流設備中出現。程兆龍等[18]應用自然旋風長的概念于提升管出口中，優化了SVQS旋流快分系統。旋流設備一般是連續操作的動態過程，旋渦尾端的存在會造成渦核擺動，使效率降低。

圖2 旋渦尾端灰環現象[17]Fig.2 Sketch illustration of the large annular ring[17]

2 自然旋風長經驗公式的局限性

當旋風分離器中存在旋渦尾端時，自然旋風長為旋渦尾端到排氣管下口截面的軸向距離。渦核尾端的確定對自然旋風長的理論計算有重要影響。目前對自然旋風長的研究，將影響因素主要歸結為筒體直徑、入口面積和排氣管直徑3個方面。

Alexander[2]最早實驗發現在長旋風分離器內存在自然旋風長，之后，Zeng[19]、Bryant等[11]對此進行深入研究，并提出了經驗表達式，如下所示。

Alexander提出[2]：

(1)

Bryant等提出[11]：

(2)

姬忠禮等[12,20]對直筒型旋風分離器進行加塵實驗，將最大切向速度沿軸向衰減到88%的截面與排氣管下口截面之間的距離定義為自然旋風長，并結合實驗給出了自然旋風長的經驗公式。然而此公式是在入口速度恒定的情況下得到的，而一般的旋風分離器設定入口流量為工藝固定參數，因此需要對該公式進一步修正。

姬忠禮等提出[12]：

(3)

魏耀東等提出[14]：

(4)

運用文獻[14]中數據進行自然旋風長的對比分析，a=178 mm，b=92 mm，D=300 mm，de=100 mm。代入上述公式中，結果見表1。

表1 自然旋風長計算結果Table 1 The results of natural cyclone length

可以發現，對自然旋風長的預測計算，Alexander[2]、Bryant等[11]、姬忠禮等[12]、魏耀東等[14]經驗公式的結果各不相同，有的相差較大，準確性及適用性較差。然而，自然旋風長(旋渦尾端)是復雜的流體動力學問題，不僅筒體直徑、入口面積和排氣管直徑對其影響較大，其他結構及操作參數亦在不同程度上會對其產生影響。因此想要得到較為準確的自然旋風長表達式，考慮其他因素對自然旋風長的影響是十分必要的。

3 自然旋風長的影響因素

3.1 結構參數對自然旋風長的影響

3.1.1 筒體的高/徑比

當旋風分離器模型采用直筒型時，可以將旋風分離器內旋轉流流場隨高/徑比(H/D)的增加而變化的過程分為兩部分。當筒體的高/徑比較小時，不出現旋渦尾端，即無自然旋風長(但存在自然旋風長的預期值)；當筒體的高/徑比較大時，有旋渦尾端存在，即有自然旋風長。

(1)無自然旋風長

當旋風分離器的高/徑比較小時，如圖3(a)所示，入口處氣流所提供的能量能帶動整個區域內流體的高速旋轉，旋渦可以延伸到旋風分離器的下部，且旋渦的軸對稱很好。旋轉流的準自由渦結構沿軸向向下的衰減變化很小，整個旋轉流區域的角動量和準自由渦的角動量沿軸向向下衰減緩慢。

圖3 旋風分離器的自然旋風長Fig.3 Natural vortex length of cyclone separator(a) Short cylinder structure; (b) Long cylinder structure

(2)有自然旋風長

當旋風分離器的高/徑比增加到一定程度后，如圖3(b)所示，旋轉流的準自由渦沿軸向向下衰減很快，直到某一截面完全衰減。此時角動量存在著2個明顯不同的衰減區，快速衰減區和緩慢衰減區，且旋風分離器的有效分離高度要小于其實際高度。如果高/徑比持續增加，這時旋渦尾端旋轉誘發的能量不足以帶動整個尾端以下的區域旋轉，從而導致能量的重新分配。在這種情況下，旋渦尾端開始移動，直到某一軸向截面位置，其轉動的能量足以帶動其下面區域的氣流旋轉，此時尾渦將停留在此截面處，并在此截面上高速旋轉。由于旋渦尾端移動，從而導致了自然旋風長的變化，因此在有效旋風長以內截面的切向速度出現了波動。但是隨著旋風分離器高/徑比繼續增加，其切向速度的變化趨勢越來越平緩。

3.1.2 入口面積

在入口氣量恒定的條件下，減小入口面積會使切向速度增大，使旋流的旋轉強度增加。Alexander[2]的研究表明，自然旋風長隨入口面積的增大而減少。高翠芝等[22]實驗測量旋渦尾端并分析其壓力信號，發現旋渦尾端位置受入口氣速的影響較小，但隨著入口面積的增加而上移，隨著排氣管直徑的增加而向下延伸。

3.1.3 排氣管直徑和插入深度

在一定范圍內，減小排氣管直徑，有利于提高旋流的穩定性，減少旋風分離器內部能量損耗。Hoffmann等[23-28]實驗結果表明，旋風分離器排氣管插入深度不影響渦核尾端位置，但排氣管直徑對自然旋風長有重要影響，自然旋風長隨排氣管直徑的增大而增大。然而錢付平等[15]實驗結果表明，自然旋風長隨排氣管直徑的增大以及插入深度的減小呈現拋物線變化，在某一極值處達到最大值。

3.1.4 錐體

Hoeksira等[29-30]、胡瓅元等[31-34]實驗結果表明，與帶有錐體結構的旋風分離器相比，直筒型旋風分離器切向速度沿軸向存在明顯的衰減。高翠芝[35]認為，自然旋風長在直筒型與同錐形旋風分離器中表現不同，故將直筒型旋風分離器內旋流的自然衰減稱之為自然旋風長；對筒錐型，則稱之為旋風長度，如圖4所示。姬忠禮等[12]發現，旋風分離器錐體可以增加自然旋風長，在進行旋風分離器結構設計時，其筒體分離空間應小于自然旋風長。Peng等[36]通過調整頻閃頻率將渦尾“凍結”，觀察到附著在分離器內壁上的旋渦，發現旋渦尾端位置隨處理氣量減小、粉塵濃度增加及排氣管直徑增大而升高，渦核彎向器壁以分離器內氣體旋轉的頻率附著在器壁旋轉形成封閉的環。

圖4 通過頻閃光觀所觀測到的旋渦尾端[36]Fig.4 Vortex end by stroboscope[36](a) Cyclone; (b) Swirl tube

3.1.5 排塵口的設計

自然旋風長受穩渦板或穩渦錐的影響。在工業用的旋風分離器中，一般采用穩渦設備以減小能量的耗散，使自然旋風長大于旋風分離器物理高度，提高流動的穩定性。Muschelknautz等[37]發現，旋渦尾端會彎曲碰向分離器壁面。吳小林等[38]采用防范混錐減小了排塵口處的PVC強度，增加了自然旋風長度。

3.1.6 壁面粗糙度

當壁面粗糙度較大時，增加了旋風分離器外旋流的能量消耗，從而使得外旋流傳遞給內旋流的能量減少，加速了內外旋流能量平衡的過程。高翠芝等[39]采用煙氣作為示蹤粒子，實驗研究表明，較大的壁面粗糙度增加了能量的耗散，減小了自然旋風長。

3.2 操作參數對自然旋風長的影響

3.2.1 入口氣速和入口濃度

當入口速度較大時，旋流的旋轉強度較高，外旋流能量較大。Hoffmann等[26]通過實驗討論了入口速度和入口濃度因素對自然旋風長的影響，發現自然旋風長隨入口速度的增加而增加，但幾乎不隨入口顆粒濃度的變化而變化；錢付平等[15]研究表明，入口尺寸的增加導致自然旋風長減小，入口氣速提高，自然旋風長有較明顯的增加。

3.2.2 入口雷諾數

在常用的旋風分離器中，雷諾數通常足夠大，所以大多數旋風分離器在較好的性能下工作。早期研究認為，入口雷諾數對自然旋風長的影響較小；然而最近的研究表明，入口雷諾應力對自然旋風長有較大的影響。Buttner[40]指出，旋風分離器條件可以分為以下2種情況：

(1)Ln≥H，這種情況下，自然旋風長大于等于旋風分離器的實際高度，旋渦尾端到達旋風分離器的底部，甚至灰斗。此時，旋風分離器效率較高，是優越的操作條件。這種情況需要較高的入口雷諾數(2×103～2×104)，H/D在2～10之間。

圖5 自然旋風長的說明[40]Fig.5 Explanation of natural vortex length[40](a) Cyclone operation with Ln≥H; (b) Operation with Ln

(2)Ln15)的旋風分離器中。

3.2.3 旋轉強度

旋轉強度是表征旋轉流體運動強弱的參數，與入口雷諾數、旋轉動量、旋流數等參量有關。旋轉強度隨流動方向逐漸衰減，但較高的入口雷諾數有利于抑制這種衰減。一般來說，導致氣體旋轉動量減小的因素都會降低自然旋風長。此時，旋渦的特性與旋轉陀螺非常相似。因為二者的旋轉質量都受到摩擦阻力的影響，本身都是不穩定的，處于旋進狀態。旋轉動量矢量繞地球重力方向運動；而旋渦端部的旋轉動量矢量則繞分離器中心低壓區渦核旋進。魏耀東等[14]認為，旋轉強度越高，準自由渦區延伸的越遠，自然旋風長越長。通常定義流場的旋轉角動量與軸向速度動量乘以筒體半徑的比值為旋風分離器的旋流數。宋健斐等[41]研究表明，在入口氣量恒定的情況下，入口面積減小能使幾何旋流數增加，提高運動流體的穩定性，提高外旋流的能量。

3.2.4 抽氣量和氣體回流量

自然旋風長隨底部抽氣量(從收塵灰斗向外抽氣)的增加而增加，隨氣體回流量(如料腿竄氣)的增加而減小[24]。

4 結 語

旋渦尾端的存在對旋風分離器內顆粒返混、壁面磨損與料腿結垢或堵塞等都有重要影響。然而，旋渦尾端問題影響因素較多，如果將影響因素僅歸結為筒體直徑、排氣管直徑和入口面積3個主要因素，忽略其他結構參數及操作參數的影響，則計算模型準確性及適用性較差。目前，自然旋風長的計算公式多為經驗公式，不僅缺乏流場分析和實驗數據的支持，而且相互之間計算結果相差較大。因此考慮其他因素對自然旋風長的影響是十分必要的。

目前，在計算旋風分離器分離效率的模型中，一般采用Alexander提出的自然旋風長經驗公式，而不是旋風分離器的物理高度。因此，自然旋風長的研究對分離器的優化設計具有重要的意義。在旋風分離器的設計計算中，使筒體的設計高度小于自然旋風長度，不產生旋渦尾端，能夠增強旋風分離器的流動穩定性，從而提高分離效率。因此，旋渦尾端的計算模型不僅要考慮入口面積、筒體直徑、排氣管直徑3個方面，還需要考慮如筒體的高/徑比、入口面積、排氣管直徑和插入深度、錐體、排塵結構的設計、壁面粗糙度等幾何參數，以及入口氣速和入口濃度、入口雷諾數、旋轉強度、抽氣量和氣體回流量等操作參數對自然旋風長的影響。通過大量的實驗數據驗證，深度分析自然旋風長的內在機理，總結經驗公式，從而更為準確地計算自然旋風長，為旋風分離器高度的設計優化提供參考。

符號說明：

a——入口截面高度，mm；

b——入口截面寬度，mm；

D——旋風分離器筒體直徑，mm；

de——排氣管直徑，mm；

H——旋風分離器筒體高度，mm；

K——入口截面系數；

Ln——自然旋風長，mm；

r——柱坐標，mm；

R——筒體半徑，mm；

Vt——切向速度，m/s；

Vz——軸向速度，m/s。