旋風(fēng)分離器旋渦尾端位置實(shí)驗(yàn)測(cè)量及影響因素研究

高飛 劉杰 孫紹華

摘要：為了能夠?qū)πL(fēng)分離器的漩渦尾端位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，利用筒錐式旋風(fēng)分離器，通過(guò)紅墨水式示蹤可視化地實(shí)施分離器內(nèi)流型，對(duì)軸向和徑向不同位置的壓力信號(hào)實(shí)施具體測(cè)量分析，并探討了旋風(fēng)分離器旋渦尾端位置的因素。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器;旋渦尾端;位置實(shí)驗(yàn);測(cè)量;影響因素

中圖分類號(hào)：TQ051.8??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：2096-6903（2021）07-0000-00

0 引言

旋風(fēng)分離器為屬于在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣固分離設(shè)備，旋風(fēng)分離器在氣化及石油流化催化裂化等過(guò)程中都能夠加以應(yīng)用，其在實(shí)際應(yīng)用方面可以會(huì)出現(xiàn)有塵氣體跟隨切向進(jìn)入到旋風(fēng)分離器中的現(xiàn)象，在分離器中也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部和外部旋流流動(dòng)的情況，在外旋流旋轉(zhuǎn)下行使得向內(nèi)旋流轉(zhuǎn)變且內(nèi)旋流旋轉(zhuǎn)上行，隨后氣體從分離器頂部中心升氣管排出。外旋可以改變內(nèi)旋流的位置，旋風(fēng)分離器旋渦尾端的部位升氣管下口到旋渦尾端的距離在具體設(shè)置的時(shí)候，通常情況下可以使得其能夠保持旋渦長(zhǎng)度或自然旋風(fēng)長(zhǎng)。旋渦尾端的位置及運(yùn)動(dòng)特性對(duì)具體分離的效率存在著較大影響，也容易造成錐體排塵口附近磨損等問(wèn)題，并且也要在準(zhǔn)確測(cè)定旋渦尾端計(jì)算準(zhǔn)確的自然旋風(fēng)長(zhǎng)度。在工業(yè)旋風(fēng)分離器錐體或料腿上部也存在著環(huán)形的壁面沉積物或拋光環(huán)及磨蝕的環(huán)形溝槽等情況。人們主要是以可視灰環(huán)或環(huán)狀磨損位置對(duì)旋渦尾端的位置確定有效的自然旋風(fēng)長(zhǎng)計(jì)算公式，但是其得到的旋渦長(zhǎng)度變化趨勢(shì)和exander式之間為相反的關(guān)系。隨后主要是利用加熱石蠟煙氣示蹤和粉塵示蹤及閃頻觀測(cè)儀照相觀測(cè)等方式探究旋渦尾端的運(yùn)動(dòng)特性，且充分調(diào)整頻閃頻率的，最終實(shí)現(xiàn)渦尾“凍結(jié)”，觀察得出附著在分離器內(nèi)壁上的旋渦，減少旋渦尾端位置隨處理氣量容量，在粉塵濃度增加及升氣管直徑增大而明顯升高的情況下，渦核彎向器壁并利用分離器內(nèi)氣體旋轉(zhuǎn)的頻率附著在器壁旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]的環(huán)。結(jié)合旋轉(zhuǎn)頻率及入口氣量變化的實(shí)際情況，更準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)漩渦尾端所具有的細(xì)致結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)行為當(dāng)前還并不清晰，在多點(diǎn)壓力傳感器對(duì)旋風(fēng)分離器軸和徑向不同位置的壓力在時(shí)間變化的信號(hào)實(shí)施測(cè)量后，明確為自然旋風(fēng)長(zhǎng)，得到具體位置。

1 旋風(fēng)分離器旋渦尾端位置實(shí)驗(yàn)測(cè)量

旋風(fēng)分離器旋渦尾端位置實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，是基于筒錐型旋風(fēng)分離器實(shí)施的測(cè)量，所采取的的分離器顯示為的筒徑為300 mm，選取的分離器的筒體段長(zhǎng)顯示為420 mm，錐體長(zhǎng)為660 mm，錐體下口的直徑為120 mm，下部銜接主要是1500 mm的料腿，料腿末端進(jìn)行封閉，之后利用有機(jī)玻璃實(shí)施制造，而試驗(yàn)裝置及結(jié)構(gòu)尺寸以料腿上端截面為基準(zhǔn)面（z=0）[1]?，z軸向上主要為正向，而分離器各測(cè)點(diǎn)的壓力在多點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)采集系統(tǒng)測(cè)量的基礎(chǔ)上選擇的壓力傳感器利用CYG505型固態(tài)壓阻式壓力傳感器，其分辨率明顯更高，由此檢測(cè)得出10～20 Pa的微壓。氣壓信號(hào)在測(cè)量過(guò)程中利用引壓管引至多點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)采集系統(tǒng)傳感器的接口，如圖1所示。

試驗(yàn)介質(zhì)多數(shù)情況下為常溫空氣，在吸風(fēng)負(fù)壓狀態(tài)下有效實(shí)施，且分離器入口氣速主要是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)畢托管測(cè)量計(jì)算得出的，在示蹤試驗(yàn)顯示的旋渦尾端試驗(yàn)方面應(yīng)用紅墨水作為示蹤液體對(duì)旋渦尾端觀測(cè)中介。

2 旋風(fēng)分離器液體示蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果

旋風(fēng)分離器示蹤液體在旋風(fēng)分離器壁面的運(yùn)動(dòng)軌跡是在較大氣速（vin=30 m/s）[2]?的背景下，液體進(jìn)入旋風(fēng)分離器會(huì)主要是沿著壁面螺旋產(chǎn)生下行的趨勢(shì)，在筒體與錐體部分，液體在壁面容易形成更為清晰穩(wěn)定的螺旋狀液帶。在料腿上部位其螺旋的液帶形成略微傾斜的封閉液環(huán)沿壁面快速旋轉(zhuǎn)。液環(huán)以較快速率旋轉(zhuǎn)且存在著上下擺動(dòng)的情況，其平衡位置處于z=670 mm附近。液環(huán)位置下的液體無(wú)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，沿著筒壁斜明顯出現(xiàn)向下滑落的趨勢(shì)。這也就說(shuō)明液環(huán)位置中，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度也會(huì)明顯呈現(xiàn)為更大程度上減弱的現(xiàn)象，由此可以得出液環(huán)位置處于旋渦尾端位置。在入口壓力減小的情況下，示蹤液體的旋轉(zhuǎn)螺距也會(huì)不斷增大，但液環(huán)位置也會(huì)基本保持不變，在氣速繼續(xù)減小到一定值的時(shí)候，液體在進(jìn)入旋風(fēng)分離器之后沒(méi)有能夠形成旋轉(zhuǎn)而是直接沿壁面出現(xiàn)滑落的現(xiàn)象。這也就能夠得出在氣速較小的情況下，旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流無(wú)法得以有效旋轉(zhuǎn)。

3 旋風(fēng)分離器的靜壓分布

示蹤實(shí)驗(yàn)相對(duì)更為直觀便利，適合實(shí)驗(yàn)室透明的分離器配合更加便利且利用范圍更為廣泛的旋渦尾端判定方法，對(duì)分離器內(nèi)壓力特性加以測(cè)量。不同人口氣速基礎(chǔ)上旋風(fēng)分離器不同高度（z）橫截面的靜壓分布不同，也可以得出分離器筒體及錐體空間內(nèi)，各橫截面的靜壓沿徑向變化也更為明顯，且其在中心處壓力值始比較小的，其變化也呈現(xiàn)為呈典型v型，而分布形態(tài)所出現(xiàn)的軸向的變化不夠顯著，在液環(huán)位置下部空間（z=670mm以下[3]?），壓力滑徑向分布得以呈現(xiàn)為平坦的發(fā)展趨勢(shì)，徑向壓力梯度與切向速度的梯度關(guān)系更為密切，壓力梯度相對(duì)更小，其主要顯示為切向速度梯度比較小及氣流旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯降低，因此能夠有效得出料腿上部（z=670 mm[4]?），氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度出現(xiàn)更快衰減的發(fā)展期，這一特點(diǎn)驗(yàn)證出液體示蹤的結(jié)果，且壓力梯度急劇衰減的位置與液環(huán)位置確保一致，其也能夠作為旋渦尾端的主要標(biāo)志。在不同氣速支持下，壓力梯度變緩的位置需要進(jìn)一步保持一致，使得氣速對(duì)尾端位置影響明顯更小。

4 旋風(fēng)分離器不同橫截面的壓力信號(hào)分析

由相關(guān)觀測(cè)能夠顯示出，旋渦尾端主要傾向于器壁并快速旋轉(zhuǎn)，其顯著的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)比較突出，因此，在入口氣速顯示為20m/s的情況下，對(duì)不同高度的橫截面測(cè)點(diǎn)壓力確定方面，得出具體的時(shí)間序列信號(hào)，深入考察旋渦尾端的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)^[1]。

4.1 壓力時(shí)域信號(hào)

旋風(fēng)分離器不同高度橫截面壓力所呈現(xiàn)出的時(shí)域信號(hào)不同，分離器上部部位（2-160mm）[5]?，壁面壓力信號(hào)波動(dòng)幅度明顯更小，其中心區(qū)域波動(dòng)幅度也比較大，且這一波動(dòng)具有周期性特點(diǎn)，變化也比較快，且在料腿上部位置（z=670mm）[6]?，壓力信號(hào)劇烈波動(dòng)的徑向位置逐漸向壁面方向變化，壁面壓力會(huì)在-500～-3500[7]? Pa范圍內(nèi)發(fā)生劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象，中心壓力的波動(dòng)不明顯，在料腿上部（z=820mm）[8]?位置，其中心及壁面壓力信號(hào)的波動(dòng)幅度逐漸減弱，這一情況下壁面壓力信號(hào)劇烈波動(dòng)的位置也對(duì)應(yīng)徑向壓力梯度急劇降低的區(qū)間，這是旋渦尾端碰壁的另外的標(biāo)志。在圖中能夠看出，在分離器中旋流相對(duì)比外旋流更為強(qiáng)烈的波動(dòng)，在達(dá)到旋渦尾端位置之后，旋渦尾端碰向壁面，而傳感器會(huì)受到中心渦核區(qū)快速波動(dòng)的影響，其壓力數(shù)值出現(xiàn)上升，波動(dòng)的幅度會(huì)更大程度上增大，而壁面也會(huì)出現(xiàn)更為劇烈波動(dòng)的壓力信號(hào)輸出。

4.2 壓力信號(hào)的頻譜分析

任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)序信號(hào)可以顯示為不同頻率的正弦波信號(hào)的無(wú)限增加現(xiàn)象，傅里葉變換算法可以最終顯示為原始時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換的情況，其也會(huì)更容易得到應(yīng)用到分析的頻域信號(hào)（信號(hào)的頻譜），在累加的情況下得出信號(hào)中所存在著的不同正弦波信號(hào)的頻率和幅值。對(duì)圖中的壓力信號(hào)實(shí)施相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速傅里葉分析，結(jié)果顯示，基于快速傅里葉變換處理方式，筒體段及錐體段及壁面壓力信號(hào)也沒(méi)有更為明顯的主頻，中心壓力信號(hào)包含有1個(gè)150 Hz的主峰頻率，在料腿上部渦尾區(qū)域（z=670 mm）[9]?和中心及壁面壓力信號(hào)峰值頻率為150 H，而壁面處幅值要比中心測(cè)點(diǎn)幅值明顯更大，在其劇烈波動(dòng)的時(shí)候，其所具有的信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)倍頻，渦尾區(qū)之下（z=820 mm）[10]?，壓力信號(hào)有1個(gè)峰，其頻率主要為150 Hz，但幅值相對(duì)更低，因此得出，尾端處壓力特征顯著，其自身適用性特點(diǎn)比較突出。

5 旋風(fēng)分離器旋渦尾端位置影響因素

在分離器筒體及錐體段，靜壓沿徑向主要是呈現(xiàn)為V型分布的形態(tài)，且存在著梯度比較大的特點(diǎn)，而具料腿頂部區(qū)域則存在著靜壓梯度急劇衰減且逐漸趨于平坦的趨勢(shì)，這一特點(diǎn)能夠作為漩渦尾端識(shí)別的主要標(biāo)志，由此識(shí)別的旋渦尾端位置與液體示蹤顯示的液環(huán)位置幾乎保持一致。在筒體及錐體段，分離器內(nèi)旋流壓力信號(hào)也存在著一定波動(dòng)頻率，而外旋流則則沒(méi)有較為明顯的主頻，在旋渦尾端碰壁位置處，壁面壓力信號(hào)也存在著內(nèi)旋流的波動(dòng)頻率，并包含著較高的幅值。旋風(fēng)分離器旋渦尾端位置所受到的入口氣速的影響也比較小，但也會(huì)隨著入口面積比的增加而出現(xiàn)上移，隨排氣管直徑的增加而向下方延伸。對(duì)于旋渦尾端位置計(jì)算方面，多數(shù)情況下都注重分析入口面積比和排氣管直徑D，這些數(shù)據(jù)具有主導(dǎo)作用，為了考察尾端位置的影響因素，在考察人口氣速和人口面積比及排氣管直徑D等方面對(duì)尾端位置的影響情況的時(shí)候加以實(shí)施^[2]。為了能夠進(jìn)一步排除操作參數(shù)存在著的影響，也需要考核人口氣速下尾端位置跟隨入口變化而出現(xiàn)的變化情況，旋渦尾端位置的區(qū)別相對(duì)更小，在相關(guān)實(shí)驗(yàn)具體實(shí)踐的時(shí)候，利用人口氣速20m/s開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)不同排氣管直徑及入日面積比下尾端位置與文獻(xiàn)值的對(duì)比得出，旋風(fēng)分離器旋渦尾端位置會(huì)跟著人口面積比的增大而存在著明顯上移的發(fā)展趨勢(shì)，而在排氣管直徑的增加也會(huì)向下延伸。將實(shí)驗(yàn)值和自然旋風(fēng)長(zhǎng)計(jì)算公式得出的預(yù)測(cè)值對(duì)比，能夠得出計(jì)算公式預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值均具有一定偏差。其能夠得出液環(huán)旋轉(zhuǎn)速度較快且上下擺動(dòng)的時(shí)候，所呈現(xiàn)出的液環(huán)位置隨加液量及加液時(shí)間變化還不夠顯著，位置相對(duì)更為穩(wěn)定，在液環(huán)的影響下，液體也會(huì)沿著沿料腿壁斜向下灑落，其無(wú)法形成旋轉(zhuǎn)，這表明液環(huán)之下的轉(zhuǎn)強(qiáng)度會(huì)急劇衰減，液環(huán)位置也就是旋渦尾端位置，旋轉(zhuǎn)氣流在液環(huán)處存在著劇烈地翻轉(zhuǎn)上行的發(fā)展趨勢(shì)。這一液環(huán)位置和前面測(cè)得的不同方位壁面壓力出現(xiàn)突變的區(qū)域也會(huì)明顯保持完全一致，方位壁面壓力最低位置相對(duì)比液環(huán)位置更高，這也是壁面壓力測(cè)點(diǎn)位置固定之后，不會(huì)完全捕捉旋渦負(fù)壓核心，示蹤液體的密度相對(duì)比試驗(yàn)氣體明顯更大，重力的影響加大了示蹤液體的軸向運(yùn)動(dòng)距離等因素所造成的，在實(shí)際分析和實(shí)驗(yàn)研究方面明確旋風(fēng)分離器漩渦尾端位置^[3]。

6 結(jié)語(yǔ)

在旋風(fēng)分離器旋渦尾端位置實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，根據(jù)示蹤實(shí)驗(yàn)可視化分析旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)，可以有效得出液體在旋風(fēng)分離器壁面具有螺旋狀下行的趨勢(shì)，在比較大的氣速影響下，液體會(huì)在料腿上部形成封閉的液環(huán)，這一液環(huán)所在位置也就是旋渦尾端的位置。在氣速的減小基礎(chǔ)上，液體旋轉(zhuǎn)螺距會(huì)隨之變大，但是液環(huán)位置一般不變。在壓力測(cè)量方面可以有效得出壓力徑向梯度急劇衰減的位置為旋渦尾端的位置，這一位置和示蹤實(shí)驗(yàn)所得旋渦尾端位置基本一致。在分離器簡(jiǎn)體及錐體段確定的時(shí)候，其中所利用的分離器內(nèi)旋流壓力信號(hào)呈現(xiàn)為一定的波動(dòng)頻率。而外旋流區(qū)壓力信號(hào)則設(shè)置較為明顯的主頻。在尾端部位分析的時(shí)候進(jìn)一步得出壁面壓力信號(hào)所具有的內(nèi)旋流的波動(dòng)特性，而在尾端下部空間，壓力波動(dòng)頻率及幅值也會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步減小。尾端位置隨著入口面積比的增加而發(fā)生顯著上移趨勢(shì)，隨排氣管直徑的增加而向下延伸。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-05-19

作者簡(jiǎn)介：高飛（1979—），男，河北三河人，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

Experimental Measurement of the Position of the Vortex Tail end of a Cyclone Separator and its Influencing Factors

GAO Fei， LIU Jie， SUN Shaohua

（Langfang Polytechnic Institute， Langfang Hebei 065000）

Abstract：In order to be able to accurately measure the position of the tail end of the vortex of the cyclone separator， utilizing the cone-shaped cyclone separator， visually implement the flow pattern in the separator through red ink tracer， implement specific measurement and analysis of pressure signals at different positions in the axial and radial directions， the factors of the position of the tail end of the vortex of the cyclone separator are also discussed.

Keywords： Cyclone separator; Vortex tail end; Position experiment; Measurement; Influence factor