新型旋风管内颗粒浓度分布的实验研究

第 8 卷 第 3 期 过 程 工 程 学 报 Vol.8 No.3
2008 年 6 月 The Chinese Journal of Process Engineering June 2008
新 型 旋 风 管 内 颗 粒 浓 度 分 布 的 实 验 研 究
孙 治 谦 , 金 有 海 , 王 建 军 , 张 艳
[ 中 国 石 油 大 学 ( 华 东 ) 机 电 工 程 学 院 , 山 东 东 营 257061]
摘 要 : 在 Shell 型 旋 风 管 基 础 上 进 行 了 结 构 与 尺 寸 的 优 化 匹 配 , 得 到 一 种 新 型 高 效 旋 风 管 . 采 用 等 动 采 样 方 法 , 对
新 型 旋 风 管 内 的 颗 粒 浓 度 场 进 行 了 测 试 与 分 析 . 实 验 结 果 表 明 , 新 型 旋 风 管 开 有 排 尘 槽 的 锥 形 排 尘 结 构 有 较 好 的 分 离
效 果 , 并 在 一 定 程 度 上 可 以 降 低 颗 粒 的 返 混 ; 加 设 导 流 锥 结 构 可 显 著 减 少 短 路 流 , 并 能 使 细 小 颗 粒 受 到 较 强 的 惯 性 作
用 而 得 到 分 离 . 灰 斗 上 方 区 域 , 沿 轴 向 向 上 颗 粒 浓 度 呈 下 降 的 趋 势 , 表 明 内 旋 流 对 颗 粒 具 有 较 强 的 二 次 分 离 作 用 . 对
粒 级 效 率 的 估 算 结 果 表 明 , 新 型 旋 风 管 可 将 粒 径 大 于 7 µm 的 颗 粒 全 部 除 净 ,3∼7 µm 的 细 小 颗 粒 的 粒 级 分 离 效 率 可 达
86% 以 上 , 而 相 同 操 作 条 件 下 Shell 型 旋 风 单 管 仅 能 将 10 µm 以 上 的 颗 粒 除 净 . 本 工 作 为 旋 风 管 的 结 构 改 进 、 尺 寸 优
化 乃 至 工 业 推 广 应 用 提 供 了 必 要 的 基 础 .
关 键 词 : 旋 风 管 ; 等 动 采 样 ; 颗 粒 浓 度 分 布
中 图 分 类 号 :TQ051.8 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1009−606X(2008)03−0432−06
1 前 言
催 化 裂 化 第 三 级 旋 风 分 离 器 ( 简 称 三 旋 ) 是 催 化 裂 化
装 置 能 量 回 收 系 统 的 关 键 设 备 , 其 性 能 的 好 坏 直 接 影 响
烟 气 轮 机 的 叶 片 寿 命 和 能 量 回 收 系 统 的 长 周 期 安 全 运
行 [1] . 目 前 , 国 内 外 大 多 数 三 旋 都 是 采 用 立 管 式 多 管 旋
风 分 离 器 , 其 核 心 部 件 是 导 叶 式 旋 风 管 . 因 此 , 对 三 旋
的 研 究 归 结 于 对 单 管 的 性 能 研 究 .
国 外 普 遍 应 用 的 催 化 裂 化 立 管 式 三 旋 最 早 由 美 国
Shell 公 司 于 20 世 纪 60 年 代 开 发 应 用 ,1975 年 英 荷 Shell
公 司 取 消 了 旋 风 管 的 泄 料 盘 , 克 服 了 泄 料 孔 易 被 堵 塞 的
缺 点 . 工 业 应 用 发 现 , 由 此 旋 风 管 组 成 的 三 旋 可 完 全 除
净 20 µm 以 上 的 颗 粒 , 但 大 于 10 µm 的 颗 粒 约 有 3%∼6%
由 排 气 芯 管 逃 逸 . 国 内 对 于 旋 风 管 的 研 究 起 步 较 晚 , 虽
然 中 国 石 油 大 学 等 相 继 开 发 出 了 一 系 列 高 效 旋 风 管 , 但
是 在 工 程 应 用 中 仍 存 在 堵 塞 、 磨 损 、 单 管 压 降 偏 高 等 问
题 [2−5] . 因 此 , 需 要 在 研 究 国 内 外 典 型 旋 风 管 的 基 础 上 ,
不 断 改 进 和 开 发 新 型 高 效 低 阻 旋 风 管 , 以 提 高 三 旋 的 各
项 性 能 指 标 .
旋 风 管 内 是 复 杂 的 三 维 湍 流 旋 流 场 , 颗 粒 运 动 伴 随
扩 散 与 碰 撞 , 其 初 始 条 件 也 有 一 定 的 随 机 性 , 迄 今 尚 无
法 完 全 从 气 固 两 相 流 基 本 方 程 出 发 用 数 值 模 拟 来 求 解 ,
国 内 外 的 研 究 者 只 能 在 大 量 的 气 固 两 相 流 动 参 数 测 量
实 验 的 基 础 上 , 结 合 各 自 的 假 设 及 理 论 分 析 建 立 相 关 的
分 离 机 理 模 型 . 因 此 , 固 相 颗 粒 浓 度 分 布 的 测 量 是 研 究
旋 风 分 离 机 理 的 基 础 之 一 .
目 前 在 旋 风 分 离 器 或 旋 风 管 内 气 固 两 相 流 动 参 数
的 实 验 研 究 大 多 集 中 在 纯 气 相 流 场 , 对 固 相 颗 粒 浓 度 分
布 的 研 究 相 对 较 少 , 而 对 于 旋 风 分 离 器 内 固 相 颗 粒 浓 度
分 布 的 研 究 多 集 中 于 蜗 壳 式 旋 风 分 离 器 [6−8] , 对 于 导 叶
式 旋 风 管 内 固 相 颗 粒 浓 度 分 布 的 研 究 还 少 见 报 道 , 仅 有
[9,10]
王 建 军 等 针 对 PDC 和 PSC 型 旋 风 管 进 行 了 相 关 研
究 , 得 到 了 旋 风 管 内 颗 粒 浓 度 分 布 的 一 般 规 律 , 提 出 了
在 旋 风 管 内 的 不 同 区 域 存 在 不 同 的 颗 粒 分 离 机 理 的 观
点 . 本 工 作 采 用 等 动 采 样 的 方 法 , 全 面 测 定 新 型 旋 风 管
内 颗 粒 浓 度 场 , 绘 制 了 颗 粒 总 浓 度 分 布 曲 线 、 粒 级 浓 度
分 布 曲 线 以 及 中 位 粒 径 分 布 曲 线 , 总 结 出 颗 粒 浓 度 沿 径
向 和 轴 向 的 分 布 特 点 , 为 旋 风 管 的 结 构 改 进 、 尺 寸 优 化
乃 至 工 业 推 广 应 用 提 供 了 必 要 的 基 础 .
2 实 验
2.1 实 验 背 景
本 研 究 在 美 国 壳 牌 公 司 的 Shell 型 旋 风 管 的 基 础 上
进 行 结 构 与 尺 寸 的 优 化 匹 配 , 将 旋 风 管 排 气 芯 管 内 径 由
147 mm 增 加 到 154 mm, 在 排 气 芯 管 末 端 增 设 导 流 锥 ,
且 用 开 有 2 条 排 尘 槽 的 锥 形 排 尘 结 构 取 代 直 筒 形 排 尘 结
构 , 得 到 了 一 种 新 型 高 效 旋 风 管 , 其 结 构 与 尺 寸 如 图 1
所 示 .
通 过 性 能 实 验 发 现 , 在 入 口 流 量 Q i =2100∼2700
m 3 /h、 入 口 粉 尘 浓 度 C i =1 g/m 3 、 底 部 泄 气 率 q=0 的 相 同
操 作 条 件 下 , 新 型 旋 风 管 比 Shell 型 基 准 旋 风 管 的 分 离
效 率 高 出 约 3%∼5%, 而 两 者 的 压 降 基 本 相 当 , 这 表 明
新 型 旋 风 管 具 有 良 好 的 分 离 性 能 . 通 过 对 新 型 旋 风 管 的
流 场 测 试 发 现 , 其 主 要 分 离 空 间 和 锥 形 排 尘 结 构 内 气 流
收 稿 日 期 :2007−10−11, 修 回 日 期 :2008−01−22
作 者 简 介 : 孙 治 谦 (1983−), 男 , 山 东 省 青 岛 市 人 , 硕 士 研 究 生 , 化 工 过 程 机 械 专 业 , 主 要 从 事 多 相 流 分 离 方 面 的 研 究 ,Tel: 15963885817,
E-mail: iamsunzhiqian@163.com; 王 建 军 , 通 讯 联 系 人 ,Tel: 13589951904, E-mail: wangjianjun0992@126.com.

第 3 期 孙 治 谦 等 : 新 型 旋 风 管 内 颗 粒 浓 度 分 布 的 实 验 研 究 433
475
555
605
680
−350
−155
0
25
185
275
φ154
φ250
φ 480
z (mm)
图 1 旋 风 管 结 构 尺 寸 与 截 面 布 置
Fig.1 Structural dimensions of cyclone tube
and section configuration
的 旋 转 强 度 比 Shell 型 旋 风 管 高 , 边 壁 下 行 流 和 中 心 区
域 上 行 流 速 度 较 大 , 这 对 保 持 较 高 的 分 离 效 率 非 常 有 利 .
为 进 一 步 揭 示 新 型 旋 风 管 的 分 离 机 理 , 本 工 作 在 性 能 实
验 及 流 场 测 试 的 基 础 上 , 全 面 测 定 新 型 旋 风 管 内 颗 粒 浓
度 , 对 旋 风 管 内 颗 粒 浓 度 分 布 的 形 态 及 特 点 进 行 深 入 研
究 .
2.2 实 验 装 置
本 实 验 装 置 主 要 由 鼓 风 机 、 通 风 管 道 系 统 、 旋 风 管
本 体 、 测 量 系 统 、 加 尘 装 置 和 采 样 系 统 六 部 分 组 成 . 装
置 见 图 2. 鼓 风 机 由 两 台 离 心 式 风 机 串 联 , 旋 风 管 的 筒
体 及 灰 斗 均 由 厚 度 为 6 mm 的 透 明 有 机 玻 璃 制 成 , 排 气
管 及 导 向 叶 片 均 为 钢 件 . 实 验 用 粉 尘 为 滑 石 粉 , 其 中 位
粒 径 为 10.13 µm.
加 尘 采 用 气 力 输 送 方 式 , 利 用 压 缩 机 提 供 的 压 缩 空
气 , 将 粉 尘 通 过 喷 射 加 料 器 连 续 送 入 旋 风 管 入 口 管 道 ,
与 鼓 风 机 送 来 的 空 气 充 分 混 合 后 进 入 进 气 室 , 经 导 向 叶
片 产 生 旋 转 运 动 后 进 入 旋 风 管 分 离 空 间 . 在 惯 性 力 作 用
下 , 分 离 下 来 的 粉 尘 进 入 灰 斗 后 被 收 集 , 而 分 离 后 的 净
化 气 体 则 由 排 气 芯 管 进 入 排 气 室 , 由 出 口 管 线 经 烟 囱 排
入 大 气 . 整 个 装 置 处 于 正 压 下 操 作 .
Discharge
into the air
10
9 8 7
6
5
4
3
21 20
18 19
Air
2
Air
1 12
17
13 25 14 15 16
24
22 23
1. Ashpit 14. Rotor flowmeter
2. Cyclone tube 15. Vacuum gauge
3. Guide vane 16. Vacuum pump
4. Intake room 17. Valve
5. Outlet 18. Compressor
6. Exhaust room 19. Condensator
7. Exhaust pipeline 20. Gas tank
8. Pitot tube 21. Adding dust equipment
9. Thermometer 22. Electromotor
10. U manometer 23. Fan
11. Small pitot tube 24. Intake pipeline
12. Sampling probe 25. Accumulative flowmeter
13. Filter box and filter film
11
图 2 颗 粒 浓 度 测 量 的 实 验 装 置 简 图
Fig.2 Experimental set-up of measurement for particle concentration distribution
2.3 实 验 方 法
本 实 验 采 用 等 动 采 样 法 测 量 颗 粒 浓 度 [6] .
实 验 前 , 首 先 用 流 场 测 试 技 术 测 定 出 所 有 采 样 点 的
气 流 速 度 . 采 样 过 程 中 , 将 采 样 嘴 对 准 采 样 点 来 流 方 向 ,
调 节 抽 吸 泵 阀 门 , 根 据 流 量 计 读 数 保 证 采 样 气 速 与 采 样
点 气 流 速 度 相 等 . 采 用 干 法 捕 集 采 样 颗 粒 , 在 一 定 采 样
时 间 内 , 抽 取 一 定 量 的 含 尘 气 流 , 被 抽 出 的 颗 粒 捕 集 在
滤 盒 内 的 滤 膜 上 , 然 后 在 精 度 为 万 分 之 一 的 天 平 上 称
重 , 可 计 算 得 出 分 离 器 内 各 采 样 点 总 浓 度 C. 将 已 称 重
的 被 采 集 粉 尘 颗 粒 样 品 分 散 于 按 照 仪 器 要 求 制 备 好 的
空 白 液 中 , 在 Coulter LS230 型 粒 度 分 析 仪 上 进 行 粒 度
分 析 , 得 到 样 品 的 粒 度 分 布 , 即 可 计 算 得 采 样 点 粒 径 为
d p 的 颗 粒 的 浓 度 C(d p ). 每 次 采 样 时 间 控 制 在 3∼15 min,
每 个 测 点 采 样 3 次 取 平 均 值 .

434 过 程 工 程 学 报 第 8 卷
采 样 误 差 可 由 文 献 [7] 提 供 的 公 式 进 行 修 正 , 采 样 截
面 布 置 见 图 1. 图 3∼8 中 坐 标 原 点 取 在 旋 风 管 的 几 何 中
心 处 .
3 结 果 与 分 析
3.1 颗 粒 浓 度 沿 径 向 的 分 布 特 点
根 据 新 型 旋 风 管 的 结 构 特 点 , 分 5 个 区 域 全 面 测 量
旋 风 管 内 颗 粒 总 浓 度 、 粒 级 浓 度 及 中 位 粒 径 的 分 布 . 实
验 结 果 表 明 , 在 不 同 的 区 域 内 , 颗 粒 浓 度 沿 径 向 的 分 布
呈 现 出 不 同 的 特 点 .
(1) 入 口 圆 柱 环 形 空 间
导 向 叶 片 以 下 , 旋 风 管 内 壁 与 排 气 芯 管 外 壁 间 的 环
形 区 域 称 为 入 口 圆 柱 环 形 空 间 . 由 图 3 可 以 看 出 , 不 同
粒 径 (d p ) 的 颗 粒 浓 度 分 布 形 态 大 致 相 同 , 沿 半 径 (r) 方 向
呈 外 高 内 低 分 布 , 颗 粒 由 于 受 到 很 强 的 离 心 力 的 作 用 而
被 甩 到 旋 风 管 边 壁 附 近 并 形 成 高 浓 区 . 随 着 颗 粒 粒 径 的
增 大 , 其 相 对 浓 度 逐 渐 降 低 , 表 明 大 粒 径 颗 粒 受 到 的 离
心 力 较 大 , 容 易 分 离 .
C(d p
)/C i
(d p
)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
z=−350 mm
d p
(µm)
2.92
5.11
8.147
11.83
15.65
0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95
图 3 圆 柱 环 形 空 间 颗 粒 粒 级 浓 度 沿 径 向 的 分 布
Fig.3 Particle grade concentration distributions in the column
annular space at different radial positions
含 尘 气 流 经 导 向 叶 片 产 生 旋 转 运 动 后 , 在 入 口 圆 柱
环 形 空 间 仅 得 到 初 步 分 离 , 湍 流 、 旋 转 流 及 二 次 流 尚 未
得 到 充 分 的 发 展 , 因 此 除 边 壁 区 域 外 , 颗 粒 浓 度 变 化 较
为 平 稳 .
(2) 渐 扩 环 形 空 间
旋 风 管 内 壁 与 导 流 锥 外 壁 间 的 环 形 区 域 称 为 渐 扩
环 形 空 间 . 由 图 4 可 知 , 与 入 口 环 形 空 间 相 比 , 渐 扩 环
形 空 间 在 r/R

第 3 期 孙 治 谦 等 : 新 型 旋 风 管 内 颗 粒 浓 度 分 布 的 实 验 研 究 435
所 回 升 , 是 因 为 此 截 面 在 导 流 锥 下 部 , 不 可 避 免 地 存 在
短 路 气 流 夹 带 部 分 颗 粒 由 排 气 芯 管 逃 逸 的 现 象 , 造 成 此
处 局 部 浓 度 小 幅 升 高 . 短 路 流 对 旋 风 管 的 分 离 效 率 有 较
大 的 影 响 , 应 当 尽 可 能 地 降 低 主 流 中 短 路 流 的 比 例 . 由
于 旋 风 管 底 部 附 近 存 在 二 次 流 , 携 带 部 分 颗 粒 产 生 返 混
夹 带 , 因 而 影 响 了 颗 粒 浓 度 分 布 , 使 其 在 由 边 壁 到 中 心
下 降 的 同 时 产 生 小 幅 度 的 波 动 .
(4) 排 尘 锥 内
如 图 6 所 示 , 与 环 形 空 间 、 分 离 空 间 相 比 , 排 尘 锥
内 的 颗 粒 浓 度 明 显 增 大 , 但 基 本 上 仍 呈 内 低 外 高 的 变 化
趋 势 . z=475 mm 截 面 颗 粒 浓 度 分 布 与 主 要 分 离 空 间 相
似 , 而 z=555 mm 截 面 的 颗 粒 浓 度 较 高 , 且 在 靠 近 中 心
区 域 有 小 幅 升 高 . 这 是 由 于 z=555 mm 截 面 位 于 排 尘 锥
出 口 下 端 , 其 气 流 湍 流 度 较 大 , 存 在 一 定 的 涡 旋 流 . 在
靠 近 排 尘 锥 内 壁 处 , 颗 粒 浓 度 已 达 到 入 口 浓 度 的 3 倍 以
上 , 表 明 从 分 离 空 间 分 离 下 来 的 颗 粒 在 排 尘 锥 边 壁 形 成
高 浓 区 , 并 不 断 排 向 排 尘 锥 出 口 .
C/C i
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
z (mm)
475
555
0.0 0.1 0.2 0.3
图 6 排 尘 锥 内 颗 粒 总 浓 度 沿 径 向 的 分 布
Fig.6 General particle concentration distributions in the
discharge dust cone at different radial positions
由 图 7 可 知 , 与 z=475 mm 截 面 相 比 ,z=555 mm
截 面 上 颗 粒 中 位 粒 径 分 布 较 为 平 缓 , 相 对 粒 径 均 集 中 在
0.25∼0.4 之 间 , 尤 其 是 排 尘 锥 内 壁 边 壁 处 颗 粒 中 位 粒 径
仅 为 入 口 的 0.4 左 右 . 出 现 上 述 情 况 的 原 因 在 于 , 新 型
旋 风 管 在 排 尘 锥 侧 壁 上 开 设 有 排 尘 侧 缝 , 使 边 壁 附 近 的
颗 粒 ( 尤 其 是 大 颗 粒 ) 得 以 顺 利 排 出 , 从 而 在 很 大 程 度 上
避 免 了 排 尘 锥 内 部 的 径 向 返 混 现 象 , 有 利 于 提 高 分 离 效
率 .
(5) 灰 斗 内
灰 斗 内 颗 粒 总 浓 度 分 布 呈 现 出 中 间 高 、 两 头 低 的 形
态 , 峰 值 出 现 的 位 置 位 于 排 尘 锥 下 口 附 近 靠 近 内 壁 的 区
域 . 峰 值 的 出 现 表 明 大 部 分 颗 粒 由 排 尘 锥 边 壁 排 到 灰 斗
r/R
内 , 形 成 了 局 部 的 高 浓 区 域 . 在 灰 斗 的 中 心 区 域 , 颗 粒
浓 度 较 低 , 表 明 只 有 较 少 的 颗 粒 由 上 行 流 带 到 上 层 空 间 .
d 50
/d 50i
图 7 排 尘 锥 内 中 位 粒 径 沿 径 向 的 分 布
Fig.7 Middle particle size distributions in the discharge
dust cone at different radial positions
由 图 8 可 知 ,z=605 mm 的 截 面 上 , 粒 径 为 10 µm
以 上 的 大 颗 粒 粒 级 浓 度 很 低 , 这 是 绝 大 多 数 大 颗 粒 在 排
尘 锥 内 由 排 尘 侧 缝 甩 到 灰 斗 边 壁 从 而 得 到 分 离 的 又 一
印 证 . 在 r/R

436 过 程 工 程 学 报 第 8 卷
C/C i
图 9 旋 风 管 内 颗 粒 总 浓 度 沿 轴 向 的 分 布
Fig.9 General particle concentration distributions in
the cyclone tube at different axial positions
由 图 10 可 知 , 粒 径 为 2.92 µm 的 颗 粒 从 灰 斗 到 入
口 圆 柱 环 形 空 间 的 浓 度 变 化 趋 势 为 先 升 高 , 在 排 尘 锥 下
口 出 现 峰 值 , 而 后 降 低 . 在 z=400∼550 mm 范 围 内 沿 轴
向 向 上 的 颗 粒 浓 度 减 小 的 梯 度 较 大 , 而 在 z=0∼400 mm
范 围 内 减 幅 较 小 , 说 明 大 部 分 细 小 颗 粒 在 前 一 范 围 内 得
到 了 较 充 分 的 二 次 分 离 , 虽 然 后 一 范 围 内 二 次 分 离 的 效
果 明 显 降 低 , 但 仍 有 一 定 的 效 果 , 表 明 要 获 得 较 高 的 分
离 效 率 , 需 要 保 证 足 够 的 分 离 空 间 , 充 分 利 用 内 旋 流 对
细 小 颗 粒 进 行 二 次 分 离 .
C(d p
)/C i
(d p
)
1.6
1.2
0.8
0.4
0.0
0 100 200 300 400 500 600 700
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
r=25 mm
r (mm)
25
55
z (mm)
d p
(µm)
2.92
5.11
8.147
11.83
15.65
0 100 200 300 400 500 600 700
z (mm)
图 10 颗 粒 粒 级 浓 度 沿 轴 向 的 分 布
Fig.10 Particle grade concentration distributions in
the cyclone tube at different axial positions
可 近 似 认 为 , 导 流 锥 下 口 z=25 mm 截 面 处 位 于 内
旋 流 区 域 的 颗 粒 全 部 由 排 气 芯 管 逃 逸 , 可 利 用 下 式 估 算
各 级 颗 粒 粒 级 效 率 (η), 并 将 结 果 绘 于 图 11.
η=-
1 Cd ( ) C( d ).
(1)
p i p
由 图 11 可 知 , 新 型 旋 风 管 可 将 粒 径 大 于 7 µm 的 颗
粒 全 部 除 净 , 对 3∼7 µm 的 细 小 颗 粒 除 尘 效 果 也 相 当 理
想 , 而 相 同 操 作 条 件 下 Shell 型 旋 风 单 管 仅 能 除 净 10 µm
以 上 的 颗 粒 . 这 充 分 表 明 新 型 旋 风 管 与 Shell 型 基 准 旋
风 管 相 比 , 具 有 较 高 的 粒 级 分 离 效 率 和 良 好 的 分 离 性 能 .
η (%)
100
98
96
94
92
90
88
86
图 11 各 级 颗 粒 粒 级 效 率 曲 线
Fig.11 Particle grade efficiency curve at all levels of partile grade
4 结 论
2 4 6 8 10 12 14 16
d p
(µm)
在 美 国 壳 牌 公 司 Shell 型 旋 风 管 的 基 础 上 进 行 了 结
构 与 尺 寸 的 优 化 匹 配 , 得 到 一 种 新 型 高 效 旋 风 管 . 采 用
等 动 采 样 的 方 法 全 面 测 定 新 型 旋 风 管 内 颗 粒 浓 度 , 其 分
布 特 点 如 下 :
(1) 导 流 锥 下 口 截 面 中 心 区 域 附 近 浓 度 有 所 回 升 ,
短 路 气 流 夹 带 部 分 颗 粒 由 排 气 芯 管 逃 逸 ; 主 要 分 离 空 间
底 部 存 在 二 次 流 , 携 带 部 分 颗 粒 产 生 返 混 夹 带 , 导 致 颗
粒 浓 度 在 由 边 壁 到 中 心 下 降 的 同 时 产 生 小 幅 度 的 波 动 .
(2) 灰 斗 上 方 区 域 , 沿 轴 向 向 上 的 颗 粒 浓 度 呈 下 降
的 趋 势 , 表 明 内 旋 流 对 颗 粒 具 有 较 强 的 二 次 分 离 作 用 .
要 获 得 较 高 的 分 离 效 率 , 需 要 保 证 足 够 的 分 离 空 间 , 充
分 利 用 内 旋 流 对 细 小 颗 粒 的 二 次 分 离 作 用 .
(3) 颗 粒 由 排 尘 锥 边 壁 排 到 灰 斗 内 , 形 成 了 局 部 高
浓 区 域 , 使 灰 斗 内 颗 粒 的 总 浓 度 分 布 呈 现 中 间 高 、 两 头
低 的 形 态 ; 灰 斗 中 心 区 域 的 颗 粒 浓 度 较 低 , 只 有 较 少 的
颗 粒 随 上 行 流 带 到 上 层 空 间 .
(4) 开 有 排 尘 槽 的 锥 形 排 尘 结 构 有 较 好 的 分 离 效
果 , 并 在 一 定 程 度 上 可 以 降 低 颗 粒 的 返 混 ; 加 设 导 流 锥
结 构 可 显 著 减 少 短 路 流 , 并 能 使 细 小 颗 粒 受 到 较 强 的 惯
性 分 离 作 用 而 得 到 分 离 .
(5) 对 颗 粒 粒 级 效 率 的 估 算 结 果 充 分 表 明 , 新 型 旋
风 管 具 有 较 高 的 粒 级 分 离 效 率 .
符 号 表 :
C 粉 尘 浓 度 (g/m 3 ) C i 入 口 粉 尘 浓 度 (g/m 3 )
C(d p ) 粉 尘 粒 级 浓 度 (g/m 3 ) C i (d p ) 入 口 粉 尘 粒 级 浓 度 (g/m 3 )
d 50 颗 粒 中 位 粒 径 (µm) d 50i 入 口 颗 粒 中 位 粒 径 (µm)
d p 颗 粒 粒 径 (µm) q 旋 风 管 底 部 泄 气 率
Q i 旋 风 管 入 口 流 量 (m 3 /h) r 旋 风 管 径 向 坐 标 (mm)
R 旋 风 管 半 径 (mm) z 旋 风 管 轴 向 坐 标 (mm)
η 颗 粒 粒 级 效 率

第 3 期 孙 治 谦 等 : 新 型 旋 风 管 内 颗 粒 浓 度 分 布 的 实 验 研 究 437
参 考 文 献 :
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Experimental Study on Particle Concentration Distribution in a Novel Cyclone Tube
SUN Zhi-qian, JIN You-hai, WANG Jian-jun, ZHANG Yan
[College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum (East China), Dongying, Shandong 257061, China]
Abstract: A novel cyclone tube design is obtained on the basis of structural and dimensional optimization of Shell-type cyclone tube. By
using isokinetic sampling method, the particle concentration distribution in the novel cyclone tube is measured and analyzed. The
experimental result demonstrates that discharge dust cone with slots has better separation effect, flowguide cone can reduce short circuit
flow greatly and makes small grain separated because of the strong inertia. Particle concentration decreases with axial coordinates
increasing above the ashpit, which indicates that the inner revolving flow has a strong secondary separation effect. The estimation on
particle grade efficiency suggests that the novel cyclone tube can separate particles of 7 µm completely, for small particles of 3∼7 µm, its
grade separation efficiency is above 86%. On contrast, Shell-type cyclone tube can only separate particles larger than 10 µm completely
in the same operation condition. This work provides a necessary basis for structural improvement, dimensional optimization and even
industrial application of cyclone tube.
Key words: cyclone tube; isokinetic sampling; partical concentration distribution