Measurement of the downward flow rate of different levels inside a cyclone

1 引言 　　旋风除尘器内不同高度断面上的过流量，对上行流来讲为上升流量，对下行流来讲为下降注量，上升流量和下降流量的忽略漏风因素时应该是相等的。为简单起见，将断面上的过流量简称为下降流量。下降流量是旋风除尘器一个重要性能指标，研究旋风除尘器内沿高度下降流量的分布规律及如何增加断面上的下降流量，是很有实际意义的。 2 实验模型及上、下行流区过流量的平衡计算 　　实验模型为筒体直径D=340mm的Stairmand高效型旋风除尘器[1]，实验中控制系统处理风量L=0.1237m3/s，测量断面的划分见图1。以断面1例，由实验所得四方位轴向速度分布的测量计算结果拟合所得轴向速度表达式为 　vz=5.67108×107r6 - 3.04708×107r5 6.33889× 106r4 - 609267 r3 22966.6 r2 -28.6704r - 1.91616 　　(1) 　　式中vz为轴向速度，m/s；r为测量点距轴心的距离，m。 　　所绘曲线如图2中实线所示，图中散点为拟合前四方位轴向速度平均值。 　　　 　　 　　　　图1 实验模型的断面划分　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 常规旋风除尘器断面1处轴向速度分布 　　因此，从图2可知上升流量L u 为： 　　 　　　　　　（2） 　　下降流量L d为： 　　 　　　　　　　（3） 　　将式（1）代入式（2）和式（3）得上、下行流区过流量分别为L u =0.1821m3/s，L d =0.1713 m3/s 　　由此可见，由于实验过程中存在的误差以及公式拟合时的误差，积分所得的上、下行流区过流量并不相同，其判别的大小反映了整体误差的大小。此时、上、下行流区地流量的相对误差 　　　　　　 　　由于该相对误差不大，下文将上、下行流区过流量的平均值L=0.1767 m3/s作为该断而后下降流量。 3 断面1以上短路流量的验算 　　从上述上、下行流区过流量的计算已经知道，断面1处的下降流量为0.1767 m3/s。因此时旋风除尘器的处理流量为0.2317 m3/s，所以，其差值0.055 m3/s便是断面1以上从下行注区向心流入上行流区的空气流量。这部分流量占除尘器处理风量的23.7%。 　　在除尘器排气芯管入口断面0至断面1仅30mm的高度范围（占除尘器总高度1360mm的2.2%）内，就有占总处理风量23.7%的空气进入上行流而被排出除尘器，这说明在除尘器入口和排气芯管入口附近存在很大的短路流量（下文中将断面1以上部分进入上行流区的注量统称为短路流量）。尽管这部分含尘空气并不是像管流那样直接从除尘器入口流到排气芯管入口，要经过一定角度的旋转运行，但含尘空气在除尘器内这样短的停留时间，不可能给粉尘提供足够的分离能力。因此笔者认为，旋风除尘器入口附近很大的短路流量，将是提高旋风除尘器效率的一个方向。 　　旋风除尘器的短路流量理论上还可以通过径向速度对排气芯管入口断面0至断面1的芯管假想处长管壁面积的积分求得。为此，将每一断面处，排气芯管半径r=0.085m时的径向速度进行四个方位的平均，然后将径向速度对高度（这里以测量断面编号代替）的分布进行多项式拟合，其结果如图3所示。 　　由图3可知芯管入口断面0与断面1之间径向速度的轴向分布，为简便起见，短路流量按平均速度计算： 　　平均径向速度 　　流通面积S=2πrh=2π× 0.085 × 0.03 = 0.01602m2 　　所以短路流量Ls= 　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 常规旋风除尘器内径向速度的轴向分布 　　这里按径向速度计算所得的短路流量0.0521 m3/s比前面按轴向速度计算所得的短路流量0.055 m3/s小5.3%。原因是按径向速度计算短路流量时，没有考虑排气芯管与筒壁之间环形空间的二次流问题。从测量所得全流场轴向速度的分布可明显看出，排气芯管外壁附近向下的轴向速度增大，这部分流体沿芯管外壁向下注到芯管入口断面迅速短路排出除尘器。因此，实际情况是在芯管入口断面处有更大的径向速度。而上述计算中（图3）芯管入口断面0的径向速度是通过断面11至断面1的径向速度沿轴向的分布规律外延得到，其量值必然偏小，从而导致计算所得的短路流量偏小。 　　鉴于上述分析，并考虑到误差并不大的实际情况，笔者认为由轴向速度分布计算所得的短路流量和由径向速度分布计算所得的短路流量是吻合的。因此，无论是从流场测定结果与前人所得结果的对比，还是从上、下行流区过流量的平衡，或者从按不同途径计算所得的短路流量能够较好地吻合，都证明了本文实验方法的可靠、所得实验结果的准确。

4 安装减阻杆前后下降流量的比较
　　按照前面轴向速度对流通面积积分的方法，一并计算常规旋风除尘器安装了不同类型减阻杆^[2]后下降流量的变化，并将各种情况下不同断面处下降流量占除尘器总处理流量的百分比绘入图4（为方便起见，以减阻杆型号代替安装减阻杆后除尘器的型号），为表明上、下行流区过流量的平均值即下降流量与实际上、下地流区过流量差别的大小，图4中同时描绘出了误差带。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 减阻前后下降流量的比较

　　从图4可看出各模型的短路流量及下降流量沿除尘器高度的变化。与常规旋风除尘器相比，安装全长减阻杆1^#和4^#后使短路流量增加但安装非全长减阻杆H₁和H₂后使短路流量减少。安装1^#和4^#后下降流量沿流程的变化规律与常规旋风除尘器基本相同，呈线性分布，三条线近科平行下降。但安装H₁和H₂后，分布呈折线而不是直线，其拐点恰是减阻杆从下向上插入所伸到的断面位置。由此还可以看到，非全长减阻杆使得其伸至断面以上各断面的下降流量增加，下降流量比常规除尘器还大，但接触减阻杆后，下降流量减少很快，至锥体底部达到或低于常规除尘器的量值。
　　短路流量的减少可提高除尘效率，增大断面的下降流量，又能使含尘空气在除尘器内的停留时间增长，为粉尘创造了更多的分离机会。因此，非全长减阻杆虽然减阻效果不如全长减阻杆，但更有利于提高旋风除尘器的除尘效率。

5 结论
　　常规旋风除尘器排气芯管入口断面附近存在高达24%的短路流量，这将严重影响整体除尘效果。如何减少这部分短路流量，将是提高效率的一个研究方向。非全长减阻杆减阻效果虽然不如全长减阻杆好，但由于其减小了常规旋风除尘器的短路流量及使断面下降流量增加、使旋风除尘器的除尘效率提高，将更具实际意义。

6 参考文献
　　1 CJ Staimand. The design and performance of cyclone separator. Trans Instn Chem Engrs, 1951, 29: 356-383.
　　2 王连泽，彦启森，三维旋转流场特征与压力损失关系的研究，工程力学，1998，15（4）：43-49。