長錐體旋風除塵器的設計【說明書+CAD】

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目 錄 長錐體旋風除塵器的設計摘要 XIII 1前言 1 2選題背景 2 2.1國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2 2.2本設計研究的方向 3 2.3 XCX旋風除塵器的工作原理和優(yōu)缺點 3 3計算 5 3.1旋風除塵器的基本尺寸設計 5 3.2旋風除塵器的基本參數(shù)計算 8 3.3旋風除塵器的其他附件的設計及選用 10 3.4旋風除塵器的安裝形式 20 3.5焊接工藝 22 4計算流體動力學的基本理論 23 4.1計算流體動力學的基本方程 23 4.2標準 κ -ε 模型的控制方程統(tǒng)一形式 24 5結(jié)果分析過程 25 5.1前處理 25 5.2結(jié)果分析 26 6影響XCX旋風除塵器效率的因素 32 6.1除塵器結(jié)構(gòu)尺寸對其性能的影響 32 7影響XCX旋風除塵器壓降的因素 35 8結(jié)論與建議 35 8.1 保證排灰口的嚴密性 35 8.2 設置灰塵隔離室 36 8.3改進除塵器的結(jié)構(gòu) 36 9總結(jié) 36 參考文獻 37 致謝 39 長錐體旋風除塵器的設計摘要 學 生： 指導教師： [摘要] 旋風除塵器由進口管、筒體、錐體、排氣管、灰斗幾部分組成，旋風除塵器是利用氣流旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的離心力，使粉塵從含塵氣流中分離出來的。氣流做旋轉(zhuǎn)運動時，粉塵在離心力的作用下甩向外壁，到達外壁的粉塵在下旋氣流和重力的共同作用下沿壁面落入灰斗。本設計主要介紹了旋風除塵器各部分結(jié)構(gòu)尺寸的確定以及旋風除塵器性能的計算。以普通旋風除塵器設計為基礎，結(jié)合現(xiàn)代此類相關課題的研究方法，設計出符合一定壓力損失和除塵效率要求的除塵器，在CAD/CAM軟件輔助設計的基礎上，繪制旋風除塵器裝配圖、零件圖。本設計分以下幾部分對以上內(nèi)容進行了討論：首先，通過查閱資料計算出旋風除塵器各部分尺寸；其次，繪制出旋風除塵器裝配圖及旋風除塵器各零部件圖；最后，整理資料，選取與論文相關的英文文獻進行翻譯并完成設計說明書。 [關鍵詞] 旋風除塵器，壓力損失，除塵效率 Design of long cone cyclone dust collector Student: Tutor: [Abstract] Cyclone dust collector comprises an inlet pipe, cylinder, cone, an exhaust pipe, an a few parts, cyclone dust collector is the centrifugal force generated by the airflow rotation process, the dust is separated from the gas stream. Air rotating movement, the role of dust under the centrifugal force thrown to the wall to wall, the dust in air and under action of gravity along the wall into ash hopper. This paper introduces the design calculation of cyclone dust collector to determine the size and structure of each part of the cyclone dust collector performance. To the ordinary cyclone design as the foundation, combining the research methods of modern such issues, designed in line with certain pressure loss and the dust removal efficiency requirements of the precipitator, based on CAD/CAM software aided design, drawing the cyclone assembly diagram, parts diagram. This design is divided into the following parts of the above contents are discussed: firstly, through access to information to calculate the size of each part of the cyclone dust collector; secondly, draw the cyclone dust collector cyclone assembly drawing and parts drawing; finally, data sorting, selection and the related English literature translation and complete the design specification. [Key Words] Cyclone separator, pressure loss, the dust removal efficiency III 前言 長錐體旋風除塵器的設計 1前言 隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)中散發(fā)的各種粉塵已成為污染車間和室內(nèi)外大氣的主要污染物，高濃度的懸浮粉塵使大氣能見度降低；某些懸浮粉塵在適宜條件下還會爆炸，威脅生產(chǎn)安全和人生安全，也是引起塵肺等職業(yè)病的根源。除塵器是控制和治理粉塵的主要設備，也是除塵系統(tǒng)中的主要設備，是從塵氣流中將粉塵分離出來并加以捕集的裝置。20世紀60年代以后，隨著大氣污染的日趨嚴重，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，各國對環(huán)境保護普遍重視，制定了嚴格的粉塵排放標準，從而促進了除塵技術的進一步發(fā)展，特別是高效、新型除塵器的研制也得到了快速的發(fā)展。尤其是最近幾十年，除塵器的發(fā)展更是日新月異。在眾多類別的除塵器中尤其以旋風除塵器的應用最為廣泛，發(fā)展更為迅速。除塵機理和性能決定了這種除塵器的應用范圍和效果，而實際情況中，污染物的種類也有差別，所以選用合適的除塵設備，不僅節(jié)省人力、物力和財力，而且容易達到理想的除塵效果。長錐體旋風除塵器是一種不錯的除塵器，它主要由排灰管、圓錐體、圓柱體、進氣管、排氣管以及頂蓋組成。XCX型旋風除塵器其進氣口采用了蝸殼斜底板的形式，進氣口斷面較小且為方形，錐體較長。主要由蝸殼、螺旋形斜底板、錐體和設有弧形減阻器的排氣管組成。根據(jù)處理風量可組合成多管式除塵器，它運行可靠，可以處理高溫含塵氣體，適合捕集粒徑的煙塵。 下面為兩個長錐體旋風除塵器的實體圖。 2選題背景 2.1國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 旋風除塵器于1885年開始使用，已發(fā)展成為多種型式。按氣流進入的方式，可分為切向進入式和軸向進入式兩類。在相同壓力損失下，后者能處理的氣體約為前者的3倍，且氣流分布均勻。普通旋風除塵器由簡體、椎體和進、排氣管等組成。旋風除塵器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造、安裝和維護管理，設備投資和操作費用都較低，已廣泛用來從氣流中分離固體和液體粒子，或從液體中分離固體粒子。在普通操作條件下，作用于粒子上的離心力是重力的5～2500倍，所以旋風除塵器的效率顯著高于重力沉降室。大多用來去除0.3um以上的粒子，并聯(lián)的多管旋風除塵器裝置對3um的粒子也具有80～85%的除塵效率。選用耐高溫、耐磨蝕和腐蝕的特種金屬或陶瓷材料構(gòu)造的旋風除塵器，可在溫度高達1000℃，壓力達500*105Pa的條件下操作。從技術、經(jīng)濟諸方面考慮旋風除塵器壓力損失控制范圍一般為500～2000Pa。因此，它屬于中效除塵器，且可用于高溫煙氣的凈化，是應用廣泛的一種除塵器，多應用于鍋爐煙氣除塵、多級除塵及預除塵。它的主要特點是對細小塵埃（<5μm）d的去除效率較低。 從二十世紀而是年代末到六十年代初，是廣泛地對旋風器進行科學試驗與理論概括階段1928年波羅克（Prockact）第一次對旋風器進行測定開始，結(jié)束了對旋風器盲目使用的階段。在這階段中，不少單位或個人對旋風器進行大量的科學試驗和理論分析。通過大量數(shù)據(jù)的測定，了解一些有關壓力損失和除塵效率的影響因素：氣流進口速度、溫度、粉塵顆粒的密度、分散度、氣流的粘度、結(jié)構(gòu)形式及尺寸的比例關系。對旋風器的捕集分離機理也在理性上有一個飛躍的發(fā)展，對于旋風器的 第39頁（共39頁） 選題背景 流場從只見漩渦流動，發(fā)展到即見漩渦又見到匯流的流動，粉塵從氣溶膠中分離的機理最先類比平流沉降發(fā)展起來的“轉(zhuǎn)圈理論”飛躍而成為“篩分理論”。其中以巴特從1956年提出，1964年最后試驗論證的系統(tǒng)理論較為突出。第世紀十年代初到現(xiàn)在。這個階段的特點是企圖把旋風器捕集分離能力推向超微顆粒的分離。通過相似理論和量綱分析，把流場的物理量和旋風器的尺寸都用一基準尺寸為準的無量綱來表達。由于旋風器內(nèi)的流場是紊流流場，又有圓筒與圓錐邊壁局限的有邊界層的流動，1972年Leith與Licht類比電力除塵器的分離機理，提出紊流混摻邊界層分離理論，并提出通過這機理的分級除塵效率的計算公式。另一方面，通過流場分析，旋風器內(nèi)的流場是兩種性質(zhì)不同的漩渦及流向相反的源流或匯流疊加起來的流場。1963年西德西門子公司的科研機關，，在分析了這種流場的基礎上，發(fā)現(xiàn)如果把旋風器捕集分離器捕集分離的空間移動到旋風源疊加的流場內(nèi)，則除塵器捕集分離的能力將會大為增加，因而DSE的旋風器，這種旋風器可捕集分離到0.4μm的顆粒，向超微顆粒進軍邁出了第一步。1983年許宏慶在論文中提出旋風除塵器內(nèi)徑向速度分布呈現(xiàn)非軸對稱性現(xiàn)象，研究出抑制湍流耗散的降阻技術。2001年浙江大學研究發(fā)現(xiàn)除塵器方腔內(nèi)的流場偏離其幾何中心，并呈中間為強旋流動和邊壁附近為弱旋的準自由蝸區(qū)的特點。隨著數(shù)學模型的完善和計算機仿真的引入，旋風除塵器的研究與設計將更為深入。 2.2本設計研究的方向 本設計主要是對旋風除塵器的除塵效率的提高進行設計，設計出長錐體旋風除塵器。 下面為一個XCX旋風除塵器的實體圖 2.3 XCX旋風除塵器的工作原理和優(yōu)缺點 工作原理：XCX旋風除塵器是半螺旋線型旁通分離室的氣旋型除塵裝置含塵氣體進入后，氣體獲得旋轉(zhuǎn)速度同時分成上、下兩部分。灰塵在排風管下端，既而旋轉(zhuǎn)氣流分界處產(chǎn)生強烈地分離作用。較粗顆粒分離至外壁，在下旋轉(zhuǎn)氣流作用下帶向除塵排塵口。較細的灰塵顆粒，由上旋轉(zhuǎn)氣流帶往上部在頂蓋的板下面形成強烈灰塵環(huán)并發(fā)生灰聚集現(xiàn)象，經(jīng)回風口再進入除器，分離至排塵口。凈化后的核心氣流，經(jīng)排風管排至大氣。 XCX旋風除塵器的優(yōu)點 (1)XCX旋風除塵器內(nèi)部沒有運動部件，維護方便。 (2)制作、管理十分方便。 (3)處理相同風量的情況下體積小，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。 (4)作為預除塵器使用時，可以立式安裝，使用方便。 (5)處理大風量時便于多臺并聯(lián)使用，效率阻力不受影響。 (6)可耐高溫，如采用特殊的耐高溫材料，還可以耐受更高的溫度。 (7)除塵器內(nèi)設耐磨內(nèi)襯后，可用以凈化含高磨蝕性粉塵的煙氣。 (8)可以干法清灰，有利于回收有價值的粉塵。 XCX旋風除塵器的缺點 (1)卸灰閥如果漏損會嚴重影響除塵效率。 (2)磨損嚴重，特別是處理高濃度或磨損性大的粉塵時，入口處和錐體 部位都容易磨壞。 (3)除塵效率不高(對捕集粒徑小于的微細粉塵和塵粒密度小的粉塵，效率較低)，單獨使用有時滿足不了含塵氣體排放濃度的要求。 (4)由于除塵效率隨筒體直徑增加而降低，因而單個除塵器的處理風量受到一定限制。 計算 3計算 3.1旋風除塵器的基本尺寸設計 旋風除塵器的設計一般用計算法或經(jīng)驗法。由于旋風除塵器的目前的設計都是經(jīng)驗公式或者半經(jīng)驗公式。因此，我們采用經(jīng)驗法來選型。 在旋風除塵器結(jié)構(gòu)尺寸中，以旋風筒直徑、氣體入口及排氣管尺寸對除塵器性能影響最為明顯。 筒體直徑，旋風除塵器筒體直徑越小，粉塵所受的離心力越大，其除塵效率也就越高。但筒徑過小，易引起堵塞及已分離粉塵的二次飛揚等問題。工程上使用的旋風筒直徑一般不小于。為保證除塵效率不致降低過多，筒徑一般不宜大于。若處理氣量大，則應考慮采用并聯(lián)組合式或多管式旋風除塵器。 由于處理量為，處理量比較大，因此采取幾個旋風除塵器的并聯(lián)使用，通過粗略計算，采用個旋風除塵器并聯(lián)。 表1原始數(shù)據(jù) 進氣量（） 密度（） 可分離粒徑 含塵量（） 除塵效率 3.1.1筒體直徑的計算 (2) 其中為除塵器筒體凈空橫截面平均流速（）,此處取，代入數(shù)據(jù)，計算得,根據(jù)XCX四管的型號選取。 3.1.2其他結(jié)構(gòu)尺寸的計算 1.入口尺寸 旋風除塵器入口斷面多為矩形。設寬度為，高度為，面積為，則旋風除塵器類型系數(shù)， 值一般范圍是。對小型除塵器而言，值可取較小值，以降低阻力損失，提高收塵效率，但除塵器體積相應增大；對大型除塵器而言，由于其一般多用于預收塵，從減小除塵器體積考慮，值則應取大值。入口高寬比一般為?，F(xiàn)取 2.排氣管直徑 排氣管直徑是影響除塵器阻力損失的最顯著因子，對分離效率是次顯著因子。增大排氣管直徑，可大幅降低阻力損失，但也會降低其收塵效率。一般排氣管直徑與旋風筒直徑之比在0.4～0.7左右?，F(xiàn)取 3.排氣管插入深度。 排氣管插入深度是影響除塵器分離效率的最顯著因子，對阻力損失則是不顯著因子。插入深度過短，入口粉塵會直接逸流；插入深度過長，徑向匯流又會增大，同樣對分離效率不利。一般認為：排氣管插入深度以略低于入口下沿較為適當?，F(xiàn)取 4.筒體高度 適當增加筒體高度，對提高分離效率有利。通常取為宜?，F(xiàn)取 5.錐體高度 與圓錐角有關。增大錐體高度，對降低阻力提高效率都有好處，但應與筒體高度綜合考慮。一般取比較合適。現(xiàn)取。圓錐角一般取為宜。過小，錐體高度過大，過大，對卸料不利，錐體內(nèi)壁磨損也會增加。 圖 5 旋風除塵器的基本尺寸圖 根據(jù)所查資料確定其他結(jié)構(gòu)與筒體直徑的比例關系，從而確定其尺寸。 表2 旋風除塵器的基本尺寸 名稱 筒體直徑 升氣管直徑 排灰口直徑 筒體長度 錐體長度 升氣管長度 入口高度 入口寬度 排氣管插入深度 符號 比例 1 0.5 0.25 1.33 2.85 1.025 0.24 0.24 0.9 尺寸（m） 0.8 0.4 0.2 1.064 2.28 0.82 0.192 0.192 0.72 3.2旋風除塵器的基本參數(shù)計算 3.2.1入口速度的計算 旋風除塵器入口風速的使用范圍在之間，一般取。風速過小，分離效率較低，入口管會造成積塵和堵塞；風速過大，阻力相應較大，同時已分離粉塵的返混、反彈等現(xiàn)象加劇，分離效率也會下降。在實用中，小型除塵器多用較低的風速，大型除塵器則用較高的風速。 （3） 帶入數(shù)據(jù)得，可以看出假定的速度大小合適，其他數(shù)據(jù)可用。 但由于XCX型旋風除塵器的進口截面較小，在處理相同的氣量情況下與其他除塵器相比其進口速度較高，所以計算的結(jié)果符合實際情況。 3.2.2計算漩渦指數(shù)n （4） 帶入，得 3.2.3計算流體粘度μ （5） 代入數(shù)據(jù)，得 3.2.4計算分割粒徑 特征長度 （6） （7） 平均徑向速 （8） 切向速度 （9） （10） l—除塵器旋風自然折返長度， 帶入相應數(shù)據(jù)得: 要求處理的滑石粉粒徑為30μm，因此計算合理。 3.2.5壓力損失的計算 旋風除塵器阻力損失主要包括進口損失、出口損失及旋渦流場損失，其中排氣管中的損失占較大分量。旋風除塵器阻力損失一般用下式表示： （11） 其中ζ--阻力系數(shù)，由于選用的是XCX型旋風除塵器，這里。 --氣體密度，。 帶入數(shù)據(jù)計算得 現(xiàn)取 符合XCX型旋風除塵器的實際情況。 3.2.6分級除塵效率 粒徑 質(zhì)量百分數(shù) 平均粒徑 分級除塵效率 總除塵效率 （12） 由于要求設計的分離效率為，故上述設計滿足要求。 3.3旋風除塵器的其他附件的設計及選用 3.3.1風機的選型 根據(jù)處理量，含塵量，計算的壓降。因此選用以下風機 機號 轉(zhuǎn)速() 流量 全壓 電機型號 NO.4.5 2900 10580 1667 Y132S2-2B35 表3 風機的參數(shù) 3.3.2法蘭的計算選用與校核 1.法蘭選型 法蘭的技術要求應符合GB/T9119-2000的規(guī)定。鋼制平面法蘭材料選用Q235。 圖6 平面（FF）板式平焊鋼制管法蘭 公稱通徑DN 連接尺寸 密封面 法蘭厚度C 法蘭外徑D 螺栓中心圓直徑K 螺栓孔徑L 螺栓 d f 數(shù)量n 螺紋規(guī)格 400 580 130 30 16 M27 480 2 38 500 715 320 33 20 M30 619 2 46 800 915 880 40 28 M38 845 5 52 表4 平面（FF）板式平焊鋼制管法蘭尺寸系列表 2.法蘭強度的校核 根據(jù)GB/T 17186-1997 對法蘭進行校核。 1　 符號或代號 Aa — 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總截面積，mm2 ; — 實際使用的螺栓總截面積，,mm2; Am — 需 要的螺栓總截面積，取Aa與Ap中的較大值，mm2; Ap — 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總截面積，mm2 ; bD — 墊片寬度，mm; CA — 重心與頸部小端距離，mm; DG — 墊片平均直徑，mm; D — 法蘭外徑，mm； Di — 法蘭內(nèi)徑，mm; Db — 法蘭螺栓中心圓直徑，mm; Di — 接管內(nèi)徑，mm; d6 — 螺栓孔直徑，mm; db'—螺栓孔計算直徑，mm; do— 計 算需要的螺栓螺紋小徑，mm dk— 實 際選用的螺栓螺紋小徑，mm; e — 重心距離，mm; fa— 密封安全系數(shù)，fa=1.2; FG—預緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N; Fp— 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N; F— 流體靜壓總軸向力，F(xiàn)=0.78 5，N; FD— 流體靜壓力作用在法蘭內(nèi)徑截面上的軸向力，F(xiàn)D=0.78 5，N; FT — 流體靜壓總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的軸向力之差，F(xiàn)T=F-FD，N; Ft — 操作狀態(tài)下最大允許墊片壓緊力，N; h— 法蘭頸部高度，mm; k1— 預緊墊片系數(shù)，mm; k0— 操作墊片系數(shù)，mm; KD — 常溫下墊片材料的變形阻力，MPa; KD t— 設計溫度下墊片材料的變形阻力，MPa; L— 設計螺栓載荷，N； La — 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，N; Lp — 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，N; Ma —預緊狀態(tài)下需要的法蘭力矩,N·MM; Mp— 操作狀態(tài)下需要的法蘭力矩，N·MM; N — 螺栓數(shù)量，個； c— 螺栓的設計裕度，mm; p— 設計壓力，MPa; S— 力臂,mm； tf— 法蘭厚度，mm； tn— 接管厚度，mm; ts— 接管計算厚度，mm; y — 墊片松弛系數(shù)，對于金屬墊片，y=1.0； 對于軟墊片和金屬軟墊片，y=1.1; — 常溫下螺栓材料的許用應力（見GB1 50第4章）,MPa; — 設計溫度下螺栓材料的許用應力（見GB1 50第4章），MPa; — 常溫下法蘭材料的許用應力（見GB1 50第4章),MPa; — 設計溫度下法蘭材料的許用應力（見GB1 50第4章）,MPa; — 管 道材料的屈服極限； δ0— 法 蘭頸部小端有效厚度，mm; δ1— 法 蘭頸部大端有效厚度，mm； Z — 齒形墊片的齒數(shù)； W — 法蘭抗彎截面系數(shù)，mm3, 2　 計算 相關材料的選用 據(jù)GB150，螺栓材料為40Cr，法蘭材料選用35號鋼。 3　 墊片的選用 由于旋風除塵器操作溫度為常溫200C，查閱相關手冊在t<800C時選擇橡膠平墊片。查表得其墊片系數(shù): 在預緊狀態(tài)下 N/mm 在操作狀態(tài)下 k1=0.5bD mm 墊片壓緊力 a) 預緊狀態(tài)下需要的墊片最小壓緊力按式計算： FG = 3.14DGk0KD N （13） b） 操 作 狀態(tài)下需要的墊片最小壓緊力按式計算： Fp = 3.14DGk1pfs N （14） c） 操 作 狀態(tài)下墊片最大允許的壓緊力 對于金屬平墊片按式計算： Fpt= 3.14DGk0KDt N （15） 對于金屬齒形墊片按式計算： N （16） 要求 Fpt >Fp，但不超過墊片的允許壓縮載荷。 4　 螺栓 螺栓載荷 a)預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計算： （17） b)操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計算： Lp=y(F十F p)=y(0.78 5＋3.14DGk1pfs) N （18） 若La>Lp，對于軟墊片或金屬軟墊片可按式計算，La'代替La: （19） 螺栓總截面積 a)預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總截面積按下式計算： mm2 （20） b)操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總截面積按下式計算： mm2 （21） c)需要的螺栓總截面積Am，取Aa與Ap中的較大值； d)螺栓的螺紋根徑按下式計算： （22） 式中，：值按以下規(guī)定： 對于剛性螺栓： 當時，c=3mm；當時，c=1mm； 對于中間值，可用內(nèi)插法計算c, 對于彈性螺栓：c=0 實際選用的剛性螺栓的螺紋小徑或彈性螺栓芯桿直徑dk應不小于do。 螺栓設計載荷 a）預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷按下式計算： N （23） b）操作狀態(tài)下螺栓設計載荷按下式計算： L＝L p N （24） 5　 法蘭類型 a)對焊法蘭，包括帶頸對焊法蘭 b)平焊法蘭，包括帶頸平焊和承插焊法蘭及板式平焊法蘭 c)松套法蘭，包括翻邊環(huán)和平焊環(huán)板式松套法蘭 我們在這里選擇板式平焊法蘭 法蘭力矩 預緊狀態(tài)下法蘭力矩按式計算： Ma ＝ L·SG N·mm （25） b）操作狀態(tài)下法蘭力矩按式（30)計算： Mp = FD·SD ＋ FT·ST 十 FG·SG N·mm （26） 力臂按下表計算，且FG=Fp 表5 操作狀態(tài)下法蘭載荷的力臂 mm 圖7 平焊法蘭 法蘭抗彎截面系數(shù) 焊接法蘭 危險截面 A-A的法蘭抗彎截面系數(shù)： （27） 以上各式中： （28） 對于的法蘭，；Di<500mm的法蘭， 強度條件 在預緊或操作狀態(tài)下，法蘭力矩在每一截面上引起的應力必須滿足下列強度條件： （29） （30） 經(jīng)過計算結(jié)果如下： 計算應力 許用應力 DN 結(jié)果 Mpa Mpa Mpa Mpa 400 2.620 44.257 166 166 500 2.873 51.254 166 166 800 3.813 61.810 166 166 表6 法蘭校核結(jié)果 由結(jié)果可知，所選用的法蘭滿足要求。 3.3.3灰斗的設計 1.灰斗容積的計算 旋風除塵器每小時集塵量 （31） 其中L為含塵量（g/m3） Q處理量(m3/s) η為除塵效率 帶入數(shù)據(jù)得： 即得每小時集塵的體積 圖8 灰斗的基本結(jié)構(gòu)尺寸 從結(jié)構(gòu)圖可知灰斗的容積為上半部圓筒和下半部錐體（將下半部近視為圓錐）的體積，即 錐底部分是旋風除塵器壓力最低的地方，杜絕錐底漏風是保證旋風筒分離效率的重要措施。旋風除塵器一般都裝有卸灰裝置，其作用是保證已分離粉塵的順利下卸及除塵器運行中卸灰時錐底的氣密性。卸灰裝置分干式和濕式兩種，旋風除塵器多采用干式卸灰裝置。 回轉(zhuǎn)式卸灰閥是依靠旋轉(zhuǎn)的剛性分格輪來實現(xiàn)除塵器的卸灰和密封的。剛性分格輪由電機帶動旋轉(zhuǎn)，粉塵充滿由刮板組成的扇形空間后連續(xù)排出，電機適宜轉(zhuǎn)速由卸灰量的大小來確定。在這里我們選擇星形卸灰閥。 名稱 數(shù)據(jù) 型號 YJD 2 YJD 4 YJD 6 YJD 8 YJD 10 YJD 12 YJD 14 YJD 16 YJD 18 YJD 20 YJD 26 YJD 30 YJD 40 YJD 50 卸料量l/r 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 26 30 40 50 r/min Z型 25-40 工作溫度℃ T≤80℃ T≤200℃ 物料 粉狀，顆粒狀 電機 型號 Y801-4 Y802-4 Y90S-4 Y90L-4 Y100L1-4 Y100L2-4 Y112M-4 Y132S-4 KW 0.55 0.75 1.1 1.5 2.2 3 4 5.5 r/min 1390 1400 1430 1430 1430 重量（kg） 53 71 86 101 121 141 161 181 191 221 251 301 491 681 表7 YJD卸灰閥技術數(shù)據(jù) 根據(jù)初步計算結(jié)果選擇YJD-2型卸灰閥，該型號的卸灰閥每小時卸灰量為3.6m3/h，根據(jù)安裝要求設定灰斗直徑D=2500mm，每隔3小時卸一次灰。則3小時內(nèi)灰斗內(nèi)收集的滑石粉為1.5726m3,由于灰斗不可能裝滿滑石粉后才開啟卸灰閥，因此，取一個系數(shù)C=1.5，則灰斗的容積V0=1.5x1.5726=2.3589m3，經(jīng)過計算取h1=400mm ，h2=900mm 。 灰斗卸灰法蘭選擇圓形的，即與之對應的卸灰閥也選擇YJD-B型。法蘭尺寸參照一下設計： 型號 фA фB фC E F M H h ф YJD02型 250 210 150 650 420 122.5 225 12 9 YJD04型 280 240 180 758 526 140 280 15 11 YJD06型 300 260 200 778 536 150 300 15 11 YJD08型 320 280 220 798 546 160 320 15 13 YJD10型 340 300 240 880 628 170 340 18 13 YJD12型 360 320 260 900 638 180 360 `18 17 YJD14型 380 340 280 920 648 190 380 20 17 YJD16型 400 360 300 960 678 200 400 20 17 YJD18型 420 380 320 980 688 220 440 22 17 YJD20型 440 400 340 1000 698 230 460 22 17 YJD26型 500 460 400 1150 740 260 520 24 17 YJD30型 540 500 440 1190 755 280 560 24 17 圖9 B型卸灰閥外形結(jié)構(gòu)及尺寸 灰斗的壁厚設計，灰斗蓋要承受上部旋風除塵器的重力，因此此處設計比較重要，查閱相關資料，結(jié)合實際情況，當壁厚取20mm時，通過計算機分析，結(jié)果如下： 圖10 灰斗上蓋位移圖 圖11 灰斗上蓋應力圖 由位移圖可知，灰斗蓋最大位移在其中心部位，最大位移量為0.2439mm，由應力圖可知，最大應力在灰斗蓋邊緣，σmax=21.597Mpa ?；叶飞仙w材料選用中低碳鋼，選用30號碳鋼，其屈服強度為294Mpa>σmax=21.597Mpa，故滿足強度要求，厚度設計合格。 3.4旋風除塵器的安裝形式 通過前面的計算分析，旋風除塵器采用四筒并聯(lián)，并聯(lián)除塵器數(shù)目不多時（一般不超過8個）可以采用單管并聯(lián)，這時，每個除塵器有其自己的進氣管和排氣管，各自與近期干管和排氣干管相連，或者各自單獨向大氣排氣；每個除塵器可以有單獨的灰斗，也可以合用一個灰斗。 3.4.1進氣管并聯(lián)方式 單個旋風除塵器并聯(lián)，進氣幾乎都是切向的。進氣管和排氣管不同并聯(lián)方式如下。圖12（a）是最簡單的入口并聯(lián)方式，在進氣管中氣體和灰塵的流動是堆成的，兩個除塵器中的工作情況相同，效率和阻力相同的。圖12（b）所示的連接，難使所有支管入口壓力相同，但安裝比較方便。圖12（c）是另一種連接方式，每經(jīng)過一個除塵器的入口以后，主管道就會縮小一些，進入并聯(lián)的除塵器氣流可以自我補償，達到氣流基本平衡；這是因為最大的氣流產(chǎn)生的最大壓力降，從而使流量減少。通過對比，本設計選用第三種進口方式。 圖12 旋風除塵器進氣并聯(lián)方式 3.4.2排氣管并聯(lián)方式 并聯(lián)除塵器與排氣干管連接時，往往為了回收壓力而采用蝸卷式出口。因為這種出口的方式可以隨意安排，故可根據(jù)具體情況采用不同的連接方式，圖13是幾個例子，其中，圖13（a）為對稱并聯(lián)，圖13（b）、（c）、（d）、（e）為不對稱并聯(lián)。由于排氣管設計比較自由，因此采用常規(guī)設計。 圖13 除塵器出口的并聯(lián)方式 3.4.3排灰口并聯(lián)方式 并聯(lián)的旋風除塵器共用一個灰斗比各自有一個灰斗的優(yōu)點是可以減輕清除積灰時的麻煩。缺點是一旦漏風將嚴重破除塵器正常工作。圖4是共用灰斗示意?；覊m從旋風除塵器C1和C2經(jīng)過孔口E1和E2進入灰斗D。如果兩個除塵器相同，則它們從入口到出口的壓力降是一樣的，灰斗D中的氣體是靜止的。如果由于某種原因，例如其中一個除塵器被灰塵堵塞，氣流受到限制，以致在E1點的壓力大于E2點的，則氣體就從E1帶著一些灰塵經(jīng)過D流道E2，而從除塵器C2的排氣管流出去。因此，必須控制壓力和流動狀況。把旋風除塵器做的完全一樣，并且注意這個問題使并聯(lián)的除塵器的差異盡量減少，也防止各個除塵器中的流動狀況變的不同。針對這一情況在工程應用中應按組合除塵器數(shù)量將灰斗分格如圖14所示。因此，灰斗的設計采用分格設計。 圖14 灰斗結(jié)構(gòu)形式 3.5焊接工藝 3.5.1筒體焊接結(jié)構(gòu)設計 1.筒體與筒體以及筒體與上灰環(huán)焊縫焊接接頭型式和尺寸選用 計算流體動力學的基本理論 GB/T9119-2000。 2.根據(jù)GB/T518-95選用焊絲的牌號H10Mn，根據(jù)GB12470-70選用焊劑的牌號HJ431型號HJ401-H08A。 3.焊接采用埋弧焊，對焊縫進行100%的射線探傷檢測，要求GB3325-87中的II級為合格。 4.灰斗的焊接也按上述標準施行。 3.5.2接管與筒體焊接結(jié)構(gòu)設計 1.筒體與接管的焊接接頭型式和尺寸選用GB/T9119-2000。 2.根據(jù)GB/T 518-95《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號J502，型號E5003。 3.焊接采用手工電弧焊，對焊縫進行100%的射線探傷檢測，要求GB3325-87中的II級為合格。 3.5.3板式平焊法蘭與接管焊接結(jié)構(gòu)設計 1.板式平焊法蘭與接管焊接接頭尺寸選用GB/T9119-2000選用。 2.根據(jù)GB/T518-95《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號J507型號E5015。 3.焊后對焊縫進行100%的射線探傷檢測，要求GB3325-87中的II級為合格。 4計算流體動力學的基本理論 4.1計算流體動力學的基本方程 對于所有的流動，F(xiàn)LUENT都是解質(zhì)量和動量守恒方程。對于包括熱傳導或可壓性的流動，需要解能量守恒的附加方程。對于包括組分混合和反應的流動，需要解組分守恒方程或者使PDF模型來解混合分數(shù)的守恒方程以及其方差。當流動是湍流時，還要解附加的輸運方程。 1.質(zhì)量守恒方程 質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程： （32） 該方程是質(zhì)量守恒方程的一般形式，它適用于可壓流動和不可壓流動。源項Sm是從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量（比方說由于液滴的蒸發(fā)），源項也可以是任何的自定義源項。 二維軸對稱問題的連續(xù)性方程為： （33） 2. 動量守恒方程 在慣性（非加速）坐標系中i方向上的動量守恒方程為： （34） 其中p是靜壓，tij是下面將會介紹的應力張量，r gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力（如離散相相互作用產(chǎn)生的升力）。Fi包含了其它的模型相關源項，如多孔介質(zhì)和自定義源項。 應力張量由下式給出： （35） 上式的物理意義可以參閱流體力學教科書，其中會講得很清楚。 對于二維軸對稱幾何外形，軸向和徑向的動量守恒方程分別為： （36） 以及 其中： （37） w是漩渦速度（具體可以參閱模擬軸對稱渦流中漩渦和旋轉(zhuǎn)流動的信息） 4.2標準 κ -ε 模型的控制方程統(tǒng)一形式 由于旋風除塵器內(nèi)的流體處于湍流狀態(tài)，而標準 κ -ε 模型是目前使用最廣泛的湍流模型，所以采用該模型對旋風除塵器內(nèi)的流場進行模擬。模擬時，控制方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、κ 方程及ε 方程。為了便于對各個控制方程進行分析，并用同一個程序?qū)Ω鱾€控制方程進行求解，在數(shù)值計算中發(fā)展了黏性流體力學的統(tǒng)一形式 （38） 其展開形式為 結(jié)果分析過程 （39） 式中：φ 為通用變量，可以代表 u、v、w 和 T 等求解變量；Γ 為廣義擴散系數(shù)；S 為廣義源項。式 (1) 中各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。對于特定的方程，φ 、Γ 和 S 具有特定的形式，表 7給出了3個符號與各特定方程的對應關系。 表 7　通用控制方程中各符號的具體形式 所有控制方程都可以經(jīng)過適當?shù)臄?shù)學處理，將方程中的因變量、時變項、對流項和擴散項寫成標準形式，然后將方程右端的其余各項集中在一起定義為源項，從而化為通用微分方程，只需要考慮通用微分方程 (37) 的解，寫出求解方程 (37) 的源程序，就足以求解不同類型的流體流動及傳熱問題。對于不同的φ，只要重復調(diào)用該程序，并給出 Γ 和 S 的適當表達式以及適當?shù)某跏紬l件和邊界條件，便可求解。 5結(jié)果分析過程 5.1前處理 GAMBIT是專用的前處理軟件包，用來為CFD模擬生成網(wǎng)格文件。它提供了多種網(wǎng)格單元，可以根據(jù)用戶的要求自動完成網(wǎng)格的劃分。根據(jù)設計尺寸進行三維造型并導入GAMBIT。分割實體并劃分網(wǎng)格，設置邊界條件。 圖15 劃分網(wǎng)格圖 啟動FLUENT導入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格模型，選擇求解器并設定運行環(huán)境，選定計算模型，設置材料特性，設置邊界條件，調(diào)整用于控制求解的有關參數(shù)，初始化流場，計算求解。 圖16 殘差圖 5.2結(jié)果分析 5.2.1旋風除塵器內(nèi)流場速度分布 在旋風除塵器工作過程中，切向速度起主要分離作用，粉塵在切向速度作用下高速旋轉(zhuǎn)運動，在離心力作用下粉塵被分離沉降。氣體旋轉(zhuǎn)切向速度（可視同入口氣體速度）是個關鍵參數(shù)，切向速度越大，處理氣量增大，最重要的是顆粒受離心力大，易甩向外筒內(nèi)壁被分離收集。但是切向速度過大會引起以下現(xiàn)象： （1） 氣體湍流及甩到邊壁的顆粒因切向速度過大發(fā)生碰撞被重新?lián)P起，返回氣相形成返混現(xiàn)象。 （2） 使徑向氣體速度變大，上行軸向氣體速度也增大，顆粒停留時間縮短灰斗返氣夾帶變多。 （3） 壓降增大。 圖16 X=0切向速度 由上圖可知沿X=0面上的最大切向速度分布在旋風除塵器升氣管底部附近，前兩種現(xiàn)象嚴重是會影響分離效率。通過大量的理論計算和實驗結(jié)果表明切向速度在12—26m/s時較適合。 由圖16可知, 在排氣管下端的分離空間內(nèi), 切向速度分布云圖的軸對稱性較好。在圓柱形筒體部分, 氣流的流動較為穩(wěn)定, 渦核在軸線中心; 在圓錐形筒體及排灰斗部分, 氣流擾動比較厲害, 旋流出現(xiàn)了明顯的擺尾現(xiàn)象, 渦核也偏離了軸心,在漩渦的中心部分, 切向速度較小。 圖17 Z=0切向速度 上圖可明顯看出旋風除塵器內(nèi)部z=0平面上外旋氣體與內(nèi)旋氣體分布。 5.2.2壓力分布 旋風除塵器壓力損失是由于渦旋能量、固體負荷以及氣體壁面摩擦作用的結(jié)果。其中,前者占主要部分,但是由于該項會影響分離效率,所以不能減小。由圖18可以看出靜壓沿徑向由外向內(nèi)減小,中心軸向附近靜壓較低,甚至出現(xiàn)負壓區(qū)域。此時,在旋風除塵器中心位置出現(xiàn)真空區(qū)域,在中心線附近氣體沿徑向壓力梯度最大,主要因為除塵器中心線附近存在很強的強制渦。中心軸線附近的靜壓遠低于進口處的壓力, 并從排灰斗延伸至排氣管出口均為負壓, 這樣使得除塵器圓錐體底部及排灰斗易出現(xiàn)滯流或返流現(xiàn)象, 不利于粉塵分離[ 4 ] 。同時,沿著軸向位置壓力降低很小,也說明相比切向速度徑向速度變化顯得很小,不再同一數(shù)量級上。圖19的動壓云圖則反映旋風除塵器內(nèi)速度分布,在強制渦與準自由渦交界面處動壓最大。在準自由渦區(qū),隨徑向半徑減小,動壓增大;在強制渦區(qū),隨半徑較小,動壓逐漸減小。其中,動壓分布呈不完全對稱性,這是由于切向速度不對稱性造成的。總壓分布在中心區(qū)域都存在著明顯的擺動現(xiàn)象。 圖18 x=0靜壓分布云圖 圖19 x=0動壓分布云圖 圖20 x=0總壓分布云圖 5.2.3分離效率分析 圖21 滑石粉體積濃度分布云圖 由滑石粉體積分布云圖可知：滑石粉主要分布在旋風除塵器的內(nèi)壁面，當滑石粉顆粒由于離心力作用向外運動，滑石粉在壁面積累，因此壁面處滑石粉體積濃度比較大。顆粒在離心力作用下與壁面相撞，原有的徑向動量幾乎變?yōu)榱悖俣纫布眲p小，此時顆粒由于重力作用沉降。因此凡是到達壁面的顆粒都可以認為被收集。 分離效率的計算： 進口面的平均體積濃度為：7.00x10-6，出口面的平均體積濃度為：4.2328x10-7。則效率： 由于設計要求的除塵效率為90%以上。因此分析合理。 5.2.4旋風除塵器磨損 在許多旋風分離器中，侵蝕磨損是工廠運行和維修部門最關心的問題。當旋風分離器分離工作時，顆粒會磨損金屬傳送管線和旋風分離器。 一般采用以下兩種方法來減少磨損：一是降低旋風分離器內(nèi)的速度，另一種是通過改進硬件設施來減少旋風分離器的磨損。降低速度，意味著增加入口或出口面積，這種方法很少采用，尤其是對于已建成的裝置來說，因為降低速度必然會降低分離效率。因此，作為一個實際問題，如果磨損影響到旋風分離器的運行時，一般需改變旋風分離器的硬件設施。典型的硬件改變方法有以下幾種。 ① 安裝防磨板（固定的或可拆卸的，安裝在內(nèi)部或外部）。 ② 采用相同的方法更換旋風分離器磨損部位。 ③ 用厚板更換磨損部分。 ④ 用硬的、耐磨性能高的結(jié)構(gòu)材料來更換磨損部分． ⑤ 用耐火材料、陶瓷、磚或其他類型的襯里來修理或代替磨損掉的金屬。 ⑥ 改善設計缺陷或結(jié)構(gòu)缺陷的方法如下。 a . 凸出的焊縫或凹痕會使得顆粒以一定的角度沖擊下游部位。入口管道、排氣管道或排料管道的封頭、接管或料腿都會出現(xiàn)這類問題。 b ．伸到流場內(nèi)的法蘭會嚴重影響穎粒在內(nèi)壁附近流動的平穩(wěn)性。 c ．可視孔、觀察孔、人孔以及伸入壁面測量探頭與壁面不平齊時或高出壁面。 d ．回轉(zhuǎn)閥或底部密封不嚴出現(xiàn)的泄漏會使部分氣體進人旋風分離器內(nèi)部后，會將顆?！皯腋　逼饋矶p旋風分離器下部區(qū)域，同時還會增加顆粒本身的磨碎程度。這尤其是適用于吸風式系統(tǒng)，因為此時如果底部密封不好的話，氣體就會進人旋風分離器底部。 由上圖可知：最大磨損發(fā)生在錐段和筒體的連接部分及筒體下部分，最大腐蝕量為。 則每年的沖蝕量為： 因此旋風除塵器內(nèi)要加內(nèi)襯或涂防磨損涂層。金屬殼里面涂一層耐磨材料。耐磨涂層的材料為聚氨脂。聚氨脂是指在主鏈結(jié)構(gòu)中臺有氨基甲酸醋重復單元鏈節(jié)的一類 影響xcx旋風除塵器效率 高分子彈性體材料。它具有較高的抗拉、抗壓和抗撕裂強度。它的機械性能是聚氯乙烯的3-4倍，耐磨性是天然橡膠的5倍，耐油性是丁睛橡膠的5倍。耐寒性保證脆性溫度低達-30℃～-50℃，耐高溫最高達130℃。另外還具有許多較好的綜合物理機械性能，例如耐輻射、耐臭氧、耐疲勞性、彈性好、延伸率高(可達50％以上)等優(yōu)點。聚氨脂的這些特點本可以滿足旋風除塵器工況特點，并且耐磨性好，因此本文選用聚氨脂作為耐磨襯材料。制作方法采用澆鑄的方式。根據(jù)GB11647-89對旋風除塵器上部分面缺陷的規(guī)定，根據(jù)計算結(jié)果，在這里耐磨涂層在磨損比較嚴重的地方應加厚，因此筒體和錐段內(nèi)壁涂層厚度為3mm。 6影響XCX旋風除塵器效率的因素 6.1除塵器結(jié)構(gòu)尺寸對其性能的影響 XCX旋風除塵器的各個部件都有一定的尺寸比例，每一個比例關系的變動，都 能影響旋風除塵器的效率和壓力損失。其中除塵器直徑、進氣口尺寸、排氣管直徑為主要影響因素。 6.1.1進氣口 XCX旋風除塵器的進氣口是形成旋轉(zhuǎn)氣流的關鍵部件，是影響除塵效率和 壓力損失的主要因素。切向進氣的進口面積對除塵器有很大的影響，進氣口面積相對于筒體斷面小時，進入除塵器的氣流切線速度大，有利于粉塵的分離。 6.1.2圓筒體直徑和高度 圓筒體直徑是構(gòu)成XCX旋風除塵器的最基本尺寸。旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度對粉塵產(chǎn)生的離心力與圓筒體直徑成反比，在相同的切線速度下，筒體直徑D越小，氣流的旋轉(zhuǎn)半徑越小，粒子受到的離心力越大，塵粒越容易被捕集。因此，應適當選擇較小的圓筒體直徑，但若筒體直徑選擇過小，器壁與排氣管太近，粒子又容易逃逸；筒體直徑太小還容易引起堵塞，尤其是對于粘性物料。當處理風量較大時，因筒體直徑小處理含塵風量有限，可采用幾臺除塵器并聯(lián)運行的方法解決。并聯(lián)運行處理的風量為各除塵器處理風量之和，阻力僅為單個除塵器在處理它所承擔的那部分風量的阻力。但并聯(lián)使用制造比較復雜，所需材料也較多，氣體易在進口處被阻擋而增大阻力。因此，并聯(lián)使用時臺數(shù)不宜過多。筒體總高度是指除塵器圓筒體和錐筒體兩部分高度之和。增加筒體總高度，可增加氣流在除塵器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，使含塵氣流中的粉塵與氣流分離的機會增多，但筒體總高度增加，外旋流中向心力的徑向速度使部分細小粉塵進入內(nèi)旋流的機會也隨之增加，從而又降低除塵效率。筒體總高度一般以4倍的圓筒體直徑為宜，錐筒體部分，由于其半徑不斷減小，氣流的切向速度不斷增加，粉塵到達外壁的距離也不斷減小，除塵效果比圓筒體部分好。因此，在筒體總高度一定的情況下，適當增加錐筒體部分的高度，有利提高除塵效率。一般圓筒體部分的高度為其直徑的1.5倍，錐筒體高度為圓筒體直徑的2.5倍時，可獲得較為理想的除塵效率。 6.1.3排風管 排風管的直徑和插入深度對XCX旋風除塵器除塵效率影響較大。排風管直徑必須選擇一個合適的值，排風管直徑減小，可減小內(nèi)旋流的旋轉(zhuǎn)范圍，粉塵不易從排風管排出；有利提高除塵效率，但同時出風口速度增加，阻力損失增大。若增大排風管直徑，雖阻力損失可明顯減小，但由于排風管與圓筒體管壁太近，易形成內(nèi)、外旋流“短路”現(xiàn)象，使外旋流中部分未被清除的粉塵直接混入排風管中排出，從而降低除塵效率。一般認為排風管直徑為圓筒體直徑的0.5~0.6倍為宜。排風管插入過淺，易造成進風口含塵氣流直接進入排風管，影響除塵效率；排風管插入過深，易增加氣流與管壁的摩擦面，使其阻力損失增大，同時，使排風管與錐筒體底部距離縮短，增加灰塵二次返混排出的機會。排風管插入深度一般以略低于進風口底部的位置為宜。 6.2操作工藝參數(shù) 在XCX旋風除塵器尺寸和結(jié)構(gòu)定型的情況下，其除塵效率關鍵在于運行因素的影響。 6.2.1流速 旋風除塵器是利用離心力來除塵的，離心力愈大，除塵效果愈好。在圓周運動(或曲線運動)中粉塵所受到的離心力為：F=ma 式中：F——離心力，N； m——粉塵的質(zhì)量，kg； a——粉塵的離心加速度，m/s2。 因為，a=VT2/R 式中：VT——塵粒的切向速度，m/s； R——氣流的旋轉(zhuǎn)半徑，m。 所以，F(xiàn)=mVT2/R 可見，在旋風除塵器的結(jié)構(gòu)固定(R不變)，粉塵相同(m穩(wěn)定)的情況下，增加旋風除塵器入口的氣流速度，旋風除塵器的離心力就愈大。而旋風除塵器的進口氣量為：Q=3600AVT 式中：Q