旋流分離理論在氣-液分離器設計中的應用

宋 杰

（新航集團設計一所，河南 新鄉 453049）

旋流分離理論在氣-液分離器設計中的應用

宋 杰

（新航集團設計一所，河南 新鄉 453049）

從研究旋流器分離理論出發，闡明了影響二相流分離設備性能指標的幾個關鍵因素，提出二相分離器結構設計措施，從而為氣液、氣固分離器設計提供了重要的理論基礎，使二相流分離器的效率得到提高。

旋流分離原理；性能；結構設計

本文從研究旋流分離理論出發，闡述了二相流分離器的設計基礎，并根據自己設計經驗，提出了提高二相流分離器效率的結構性設計措施，供從事水力旋流器、旋風除塵器的工程技術人員在設計過程中參考。

1 旋流概述

1.1 旋流形成條件

流體質點一方面沿軸線向前移動，同時，又繞該軸旋轉運動便稱之為旋流運動。這種運動由渦流和軸向流疊加而成，具體包括自由渦和強制渦。其產生條件主要包括以下三個條件：

（1）流體不是理想流體；

（2）作用在流體上的力中有無勢的質量力；

（3）流體是非正壓性流體。

在這三種情況下流體中運動中才能形成旋流。

1.2 旋流分離原理

旋流分離的原理為：氣流以一定的速度由進氣口進入分離器時，由直線運動轉化為圓周運動，旋轉的氣流絕大部分沿器壁自筒體呈螺旋形向下朝錐體流動形成外旋流，氣流在旋轉過程中產生離心力，將密度較大的介質甩向筒壁，一旦與筒壁接觸便失去慣性力，并依靠入口氣流速度產生的動量和向下分離介質自身的重力共同作用，推動被分離顆粒沿壁面下落，進入排塵口（排液口）分離出去，當旋轉下降的外旋流在到達錐體時，因圓錐體的收縮面向分離器的中心靠攏。根據旋轉矩不變定理，其切向速度不斷提高，當到達錐體某一截面時，即以同樣的旋轉方向從分離器的中部由下反轉而上繼續做螺旋方向流動，形成內旋流，最后被凈化后的氣流由溢流管2排出旋流器外，即達到了分離的目的。具體見旋流分離原理圖1。

圖1 旋流分離原理圖

1.3 旋流器的特點

（1）結構簡單，設備本身無運動件，不需特殊的附屬設備，安裝占用空間小。

（2）操作、維護方便，流阻適中、節能、修理費用低。

（3）操作彈性較大，性能穩定，不受溫度、濃度的限制。

2 影響氣-液分離器性能指標的因素

氣-液分離器是根據旋流分離理論進行設計的，具體結構主要包括旋流器、介質進口、分離后氣體的出口（溢流管）、排液口等。該類產品的關鍵性指標主要包括流阻及分離效率，因此，在產品設計時，盡可能的降低產品的流阻，提高產品的分離效率作為設計的關鍵。

2.1 流阻分析

流阻是氣-液分離器的重要技術指標，流阻的產生由幾種原因，其中最主要的是旋流器內流體旋轉時產生的離心力，流體具有粘性，又在旋轉，因而消耗能量，表現為流阻損失；其次是旋流器入口（介質進口）面積的突變引起的局部壓力損失及筒壁與旋轉介質之間由于摩擦而產生的沿程損失。具體流阻大小為：

式中，

△P 為流阻，Pa；

ζ為流阻系數；ζ的選取通常根據經驗公式

ρ 為介質密度，kg/m3；

ν 為流速，m/s。

R為旋流器半徑，m；

r0為溢流管半徑，m。

2.2 分離效率分析

產品的分離效率與介質在旋流器內的速度分布及壓力分布密切相關。

2.2.1 流場中氣流的速度分布

由于旋流器內流體的運動是一種復雜的三元空間的螺旋運動，其內部任一點的速度可分為切向速度Vt、徑向速度Vr和軸向速度Vs。目前，流體在旋流器內的運動規律已被實踐證明是自由渦與強制渦的組合運動，介質在旋流器內的分離效率速與下列因素有關。

（1）切向速度Vt

切向速度的大小對于分離器分離效率的高低起著主導作用，混合氣體在切向速度的作用下，使要分離介質由里向外離心沉降。

排氣管以下任一截面處的切向速度Vt沿半徑的變化規律可分為三個區域（見圖2）。

圖2 切向速度分布圖

靠近分離器內表面的Ⅰ區內，切向速度Vt為一常數，通過下列經驗公式可求出：

式中，

νt1為混合氣體在Ⅰ區的切向速度，m/s；

νj為混合氣體進入分離器的速度，m/s；

D0為分離器的圓柱體部分直徑，m；

de為分離器的排氣管直徑，m；

Fj為分離器的進口截面積，m2。

由分離器中心到最大切向速度面，即排氣管下部的中心氣流，通常稱為強制控制旋流區Ⅲ。類似于剛體的旋轉運動，切向速度Vt與半徑r之比為一常數 ω0。

Ⅰ區Ⅲ和之間氣體的旋轉則表示另一種性質，稱為半自由旋流區Ⅱ，其切向速度分布規律為：

其中，n為速度分布指數（一般取0.5～0.9）。

（2）徑向速度Vr

徑向速度是影響分離器性能的重要因素。約在旋流器有效高度中點徑向速度Vr為零的點稱為分界點，在分界點上部徑向速度方向指向筒壁，形成外向流；在分界點以下速度方向指向旋流器中心形成內旋流。在內旋流作用下使要分離的介質由外向內推至漩渦中心，阻止分離物的沉降，所以，徑向速度越大，分離器的分離能力越差。

（3）軸向速度Vs

軸向速度的分布構成了分離器外層下行、內層上行的氣體雙層旋轉流動結構的重要因素，是作為旋流分離器的分離的基礎。

（4）二次渦的產生

其是由軸向、徑向速度合成產生的，對分離器分離效率影響較大。

2.2.2 流場中氣流的壓力分布

旋流器內的壓力分布直接影響著分離器的分離效率、分離器內流阻大小及旋流器內的動力損耗。

在旋流器內半徑r處取一微元體，其縱斷面面積為dA、厚度為dr、密度為ρ，則微元體的質量為：

圖3 旋流器內流體受力圖

作用在微元體上的離心力為：

作用在微元體上的表面壓力為P，作用于r+dr處表面壓力為P+dP，因此，作用于微元體上總壓力為

根據力的平衡原理，在徑向方向上作用于微元體上的外力之和為零，由于重力在此方向上無分量，因此，微元體在此方向上受到的壓力與離心力平衡，即：

將自由渦速度公式（公式2）應用到旋流器入口速度關系上去，可得：

式中，

νi為旋流器入口切向速度，m/s；

R為旋流器半徑，m。

由公式（7）與公式（8）可得旋流器的流阻

根據公式（9）可以看出，旋流器內部壓力隨入口速度的平方而變化，同時隨著旋流器的半徑R與任意半徑r之比的2n次方成正比。但無論n取何值，△P永遠大于零，當半徑r越小時，流阻就越大，當r減小到某個值時，P=△P；當P=0時就是半徑r處壓力r處壓力為零，當半徑r繼續減小，r處壓力出現負值，即在旋流器中心出現負壓空氣柱，負壓空氣柱的形狀由溢流管與沉液口的尺寸綜合決定。同時，負壓空氣柱的直徑和形狀也隨著壓力的大小而改變，空氣柱從內部限制了被分離微粒的上升，因此，壓力分布也影響著旋流器的分離效率。

3 結構設計

為了保證氣-液分離器的性能指標，根據旋流分離相關理論，確認氣-液分離器結構時必須從以下幾個方面進行設計。

3.1 旋流器的內表面品質

旋流器內部要非常光滑與精密，任何輕微的粗糙或角度上的誤差都能影響產品的流阻與分離效率的大小。

3.2 合理選擇氣流的進口面積、旋流器直徑與溢流管之間的比例

下表給出國外資料推薦錐度為20°的旋流器設計參數。

表1 錐度為20°時水力旋流器設計參考數據表

（1）旋流器直徑與處理介質流量的關系

旋流器直徑對處理量的關系見下式：

式中 K、g、H 均為常數，所以 Q∝DD0，在一定結構的旋流器中D0與D存在著固定的比例關系，因此，Q∝D2。即旋流器處理的介質量與旋流器的直徑平方成正比。

（2）旋流器直徑與分離粒度的關系

（3）介質進口當量直徑

介質進口當量直徑通常與旋流器直徑成一定的比例關系，即：du/D=0.13～0.16。

（4）溢流管直徑D0

流管直徑可以用來調節分離效率，當溢流管中夾帶的被分離物的粒度改變時，即改變了分離效率。

（5）沉液口直徑

在旋流器其他結構及工作條件確定的情況下，沉液口直徑增大，則旋流器軸線附近上升氣流流速降低，溢流夾帶的微粒變小，從而提高了分離效率。

（6）溢流管插入深度

溢流管插入的過深或過淺都將使分離效率下降，一般取插入深度為柱體高度的0.5倍。

3.3 進氣方式

氣液分離器的進氣方式分為軸向進氣與切向進氣。其中切向進氣的進口裝置制造簡單，是較為常見的進氣形式。軸向進氣是另一種進氣方式，這種方式可最大限度地避免由進口進入的氣體與旋流之間的干擾。這種進氣方式在高壓水分離器上得到廣泛應用，但由于進口處未設置預旋導葉，使氣流進入旋流器內不能很好的形成旋流，從而影響分離效率，因此，采用這種進氣方式應在產品的進口處增加導葉,以便更好的形成旋流，從而提高分離效率。

3.4 流器的結構形式

旋流器的結構形式主要有：收斂式旋流器和擴散式旋流器兩種形式。

收斂式旋流器由于氣流的加速，致使被分離微粒的離心力較大，分離效率較高；而擴散式分離器由于在任一截面處氣流的速度相對收斂式旋流器氣流速度減小，微粒受到的離心力減小，分離效率相對較低，為此，采取在錐形底部增加反射屏的方式，使被分離微粒順著反射屏和倒圓錐的縫隙落下去不至于被中心主氣流重新卷走，從而提高了分離效率，因此，下高壓水分離器的倒錐體底部增加反射屏。

4 結束語

綜上所述，通過對影響二相流分離器分離效率因素的分析，并根據自己的設計經驗，提出了可行性的設計措施，為以后高效分離設備的設計奠下堅實的基礎。

[1]江宏俊.流體力學[M].西安：西安交通大學流體力學教研室，1985.

[2]孫一堅.簡明通風設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[3]金國淼.除塵設備設計[M].上海：上?？茖W技術出版社，1983.

Application of Cyclone Separator Theory in the Design of the two-phase flow separator

SONG Jie
（AVIC Xinxiang Aviation Ltd.First Institute，Xinxiang Henan 453049，China）

From research cyclone separation theory to clarify the impact of gas-liquid separator performance of several key factors,put forward the structural design of the gas-liquid separator measures.So provide solid theory basis for designing of gas-liquid,gas-liquid separator.Cyclone separatorare improved.

cyclone separation principle；performance；structural design

TH122

B

1672-545X（2013）01-0132-03

2012-10-06

宋 杰（1971—），河南人，工程師，本科，從事流體機械的研究。