旋风预热器阻力特性机理的研究

２００８．Ｎｏ．６０引言
旋风预热器系统必须具备使气固两相能充分分
散均布、迅速换热和高效分离等功能。

系统中连接管道的设计应以保证换热时间和空间，并使物料良好均匀分散为重点；旋风筒的主要功能是使气固分离，其分离效率的高低直接关系到系统的热效率。

因此，着眼点应该是高效并兼顾低阻，以降低系统热耗和无用循环。

预热器系统的压损主要产生在旋风筒上，管道系统所占的比例小，考虑预热器系统的降阻主要从降低旋风筒的阻力损失着手。

１旋风预热器内运动状态
通过透明有机玻璃的冷态模拟试验可以观察到，
携带粉尘的气体流进入旋风筒的进口后，快速旋转并与从蜗壳里旋转回来的旋转回流相遇，形成汇流，通常汇流沿蜗壳的旋转速度约是进气流的两倍左右。

受到回流压迫以及与回流汇合加速后的离心力作用，进口流在沿蜗壳向前运动的同时变窄，原以进口宽相同的粉尘带在转过约９０°后就变成沿壁面旋转运动的粉尘条带，在旋风筒的中心区域形成一个稀相区。

粉尘条带随气流一起旋转向下运动，气流运动仍遵循不可压缩流体的运动规律，到达旋风筒锥体，一直可延伸到锥体的端部。

这部分下旋气流由于具有黏滞性，带动了内筒下圆柱形气柱，并逐步发展成像刚体一样的旋转气流。

下旋气流到达锥体底部后，在重力和惯性力的双重作用下实现气固分离，气体转而向上，随着内筒下面旋转着的气流上升，直至从内筒排出。

向下旋转运动的气流称为外涡旋，旋转上升的气流称内涡旋。

２旋风预热器压损分析
旋风预热器的工作过程是一个复杂的三维、湍流
两相运动过程，旋风筒内流场是一个三元流场，速度矢量可分解为三个分量：切向分速度Ｖｔ、轴向分速度
Ｖｚ和径向分速度Ｖｒ。

使粉尘颗粒被收集分离起主导作用的流速分量是Ｖｔ和Ｖｒ，由于进入旋风筒的气流
速度方向与立轴不相交，故进口气流对立轴存在一个动量矩，促使气流绕立轴旋转，产生离心力。

Ｖｔ产生径向加速度Ｖｔ２／ｒ，使粉尘颗粒在半径方向产生由里向外的离心沉降速度，把粉尘颗粒推到旋风筒壁而被分离，又称主流；Ｖｒ是把粉尘颗粒在半径方向由外向内推到中心部涡核区而随上升气流从内筒排出。

切向流速Ｖｔ与径向流速Ｖｒ是流场各流速风量中一对主要矛盾，对旋风筒的分离效率起主要作用。

其次是轴向分速Ｖｚ，它和径向流速Ｖｒ一起构成旋风筒内的次流，对粉尘的分离也有一定的影响。

通过以往的旋风筒流场测定，沿半径方向，切向速度的变化是十分显著的，而且有一定的规律性。

根据切向速度沿半径方向的不同分布规律，可将预热器划分为准自由涡流旋转区和强迫涡流旋转区。

它们的交界处切向速度最大，该点半径称为涡核半径，通常为出口管半径的０．５￣０．７倍。

在预热器壁附近，切向速度稍大于进口气流速度。

在准自由涡流旋转区域，随着半径的减小切向速度不断增加，在涡核半径处，切向速度可达４０￣６０ｍ／ｓ，为进口气流速度２～３倍。

在强迫涡流区域，切向速度随着半径减少而迅速减少，其规律近似为线形关系。

根据试验数据统计出来的切向速度规律可以用下式表达：Ｖｔ＝Ｋ／ｒｎ，在自由涡流区域
旋风预热器阻力特性机理的研究
彭学平，陶从喜
（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津
３００４００）
摘要：从旋风预热器的压损机理研究出发，把旋风筒的压损分为有效能和无效能，提出了旋风预热器的阻力特性计算方法，并在已投产的生产线上得到了验证。

关键词：旋风预热器；压损；有效能；无效能；阻力特性计算
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｏｆｃｙｃｌｏｎｅｐｒｅｈｅａｔｅｒ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏａｖａｉｌａｂｌｅａｎｄｉｎｖａｌｉｄａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｄｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｙｃｌｏｎｅｐｒｅｈｅａｔｅｒ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ；ａｖａｉｌａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ；ｉｎｖａｌｉｄａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎＦｉｒｓｔａｕｔｈｏｒ＇ｓａｄｄｒｅｓｓ：ＴｉａｎｊｉｎＣｅｍｅｎｔＩｎｄｕｓｔｒｙＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４００，Ｃｈｉｎａ
中图分类号：ＴＱ１７２．６２２．２６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－９８７７（２００８）０６－００１３－
０３
１３－－
２００８．Ｎｏ．６
的速度分布指数ｎ＝０．５￣０．７，强迫涡流区域ｎ＝－１。

旋风筒的压损主要由三部分组成：进口阻力损失、旋涡废物废物流场的阻力损失（包括气流旋转冲撞产生的能量损失、沿筒内壁的摩擦阻力损失、旋转向下的气流在锥部折返向上的局部阻力损失、内涡旋气流与外涡旋气流间摩擦碰撞产生的能量损失等）以及出口阻力损失（包括由内涡旋引起旋风筒内筒出口段气流强烈旋转产生的能量损失以及出口局部阻力损失等）。

这三项能量的损失，有些对粉尘的分离起有效作用，称为有效能，有些则对粉尘分离不起任何作用，称为无效能，如出口能量损失就属此类，而进口能量损失与旋涡废物废物流场的能量损失既有有效能量也有无效能量。

有效能和无效能在旋风筒总能量中所占比例是不同的，据有人根据测定资料和理论分析，旋风筒内无效能量的比例可占到５０％～６０％，有的甚至达到８７％。

当然，旋风筒中有效能利用率的高低，主要与旋风筒的结构形式、几何尺寸以及气流运动参数等有关，所以对于旋风筒的开发设计应着眼于在保证分离效率的同时，通过结构的优化提高旋风筒有效能的利用。

３旋风预热器阻力特性计算
旋风预热器阻力损失大小主要取决于旋风筒结
构参数（包括结构形式、内部结构等）和操作参数（包括处理风量、料粉浓度和温度压力等），其数学模型通常可表示为：
!Ｐ＝ξ
（Ｋ，θ）ρＶｉ２ｆ（ｘ）／２式中：
ρ
———介质密度；Ｖｉ———
进口风速（通常用进口风速表示旋风筒的特征工作风速）；
ξ（Ｋ，θ）———
不同结构参数旋风筒的阻力损失系数；
ｆ（ｘ）———
料粉浓度对阻力损失的修正函数。

对于ξ（Ｋ，θ），很多学者进行过卓有成效的理论研究，他们在转圈理论、筛分理论及边界层理论等的指导下，并与实际相结合建立了几十种数学模型。

在一定的范围内，这些模型都能得到近似的描述和计算。

但目前随着旋风预热器技术的发展进步，为了更好地适应水泥行业的新型干法预分解系统的旋风预热器，根据此次旋风筒冷态模拟试验结构，笔者对旋风筒模型进行了大量的分析、计算和修正，提出旋风预热器的阻力特性计算模型如下。

３．１阻力特性计算的推导
根据旋风筒的结构，把旋风筒压力分布按图１进
行划分，从进口断面ｊ－ｊ开始到内筒延长圆柱面ｎ－ｎ为粉尘收集分离空间，从ｎ－ｎ面到内筒的进口处断面
ｓ－ｓ为涡核区，从ｓ－ｓ面到内筒的出口断面ｍ－ｍ为内
筒排气段。

旋风筒的总阻力损失系数：
ξ＝ξｊ＋ξｎ，所以!Ｐ＝（ξｊ＋ξｎ）ρ
Ｖｉ２／２式中：
ξｊ———
断面ｊ－ｊ到ｎ－ｎ的阻力损失系数即有效能阻力损失系数；
ξｎ———
断面ｎ－ｎ经ｓ－ｓ到ｍ－ｍ的阻力损失系数即无效能阻力损失系数。

图１旋风筒压损分布
巴特（Ｂａｒｔｈ）从理论上作了相应调整，为方便计算，他将以进口风速Ｖｉ为准数计算阻力损失系数ξ，改为以内筒延长圆柱面ｎ－ｎ断面的切向速度Ｕ为准数计算阻力损失系数ε，用!Ｐｊ表示有效能量的损失，!Ｐｎ表示无效能量的损失，所以旋风筒的总阻力损失：!Ｐ＝!Ｐｊ＋!Ｐｎ。

其中：!Ｐｊ＝εｊρ
Ｕ２／２!Ｐｎ＝ρ（Ｕ２Ｖｎ／２）２／３＋ρＵ２／２＝εｎρ
Ｕ２／２εｊ＝ＫｒＲｅ０．１９５３ｓ／ａ・（ＤＨ）２．３３２．５（１－ｆＲｒＵＶｎ
）２－!
###"###$
%###&###’
１εｎ＝Ｋｅ
０．１９５３ｓ／ａ
・（ＤＨ
）２．３３１．２６（ＵＶｎ
）２／３＋!###"###$
%###&###’
１Ｕ＝１．７３５Ｆ
ｊ
(Ｒ
Ｒｒ
)*ｎ
Ｖ
ｉ
式中：
ｆ———
边壁摩擦阻力系数，由Ｍｕｓｃｈｅｌｋｎａｔｚ公式确定，ｆ＝０．００５（１＋３．５ｘ(）；Ｈ———
旋风筒总高度，ｍ；Ｒ———
旋风筒柱体半径，ｍ；ｒ———
旋风筒出口内筒半径，ｍ；Ｆｊ———
旋风筒进口截面积，ｍ２；Ｖｎ———
内涡旋气柱轴向速度，即旋风筒内筒出口１４－－
２００８．Ｎｏ．６
风速，ｍ／ｓ，Ｖ
ｎ＝Ｑ
πｒ２
，Ｑ为气体流量，ｍ３／ｓ；
Ｖｉ——
—旋风筒进口风速，ｍ／ｓ；
ρ——
—流体密度，ｋｇ／ｍ３；
ｎ——
—涡旋指数，它与旋风筒结构及流体性质等因素有关，理想流体为１．０，实际流体
为０．５～０．９；
ｘ——
—料粉浓度，ｋｇ／ｋｇ；
ｓ——
—旋风筒内筒插入深度，ｍ；
ａ——
—旋风筒进风口高度，ｍ；
Ｋ——
—旋风筒结构系数，主要与旋风筒几何结构有关，通过试验确定三心大蜗壳旋风筒
Ｋ＝０．２５～０．４０。

ε＝εｊ＋εｎ
∴"Ｐ＝ερＵ２／２＝（εｊ＋εｎ）・ρＵ２／２
１＝εｊ／ε＋εｎ／ε
式中：
εｊ／ε——
—有效能量利用率；
εｎ／ε——
—无效能量损失率。

从上式可以看出，若旋风筒εｊ／ε值大，εｎ／ε值相对小，则此旋风筒的有效能量利用率高，性能就好，反之性能就差。

结合上述计算，求出：
ξ＝３．０１Ｆ
ｊ
Ｒ２
Ｒ
ｒ!"２ｎ
#$ε
即：ξ＝３．０１Ｆ
ｊ
Ｒ２
Ｒ
ｒ!"２ｎ
%&Ｋｅ０．１９５３ｓ／ａ・（ＤＨ）２．３３
ｒＲ
２．５
１－ｆＲ
ｒ
Ｕ
Ｖ
ｎ
!"２－
’
(
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*
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１
＋
１．２６
Ｕ
Ｖ
ｎ
!"２／３＋
’
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１
-/ / // . / / // 0
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2
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3
旋风筒的总阻力损失："Ｐ＝ξρＶｉ２／２
影响流体黏度的主要因素是温度，温度高时气体
黏度增加，与理想流体的偏差越大，所以分布指标ｎ降低。

这说明旋风预热器的流体阻力在热态下比冷态下低，不仅是因为气体的密度下降，而且其气流切向速度分布规律由于ｎ值的变化也是不同的。

３．２阻力特性的应用分析
利用阻力特性计算公式，分别对目前已经投产的某５０００ｔ／ｄ和２５００ｔ／ｄ生产线的大蜗壳型旋风预热器和某２０００ｔ／ｄ生产线的常规型旋风预热器的理论压力损失进行计算，并与实际生产中的压力损失进行对照，见表１～表３。

从表１～表３可以看出，大蜗壳型旋风预热器的有效能利用率还是比较高的，基本在４５％以上，而常规型旋风预热器的有效能利用率则相对较低，基本在３５％～４５％之间。

这就说明通过旋风筒结构的优化，大蜗壳型旋风预热器不论在有效能的利用，还是在系统阻力的降低方面还是有较大的优势，这也从理论上说明了大蜗壳型旋风预热器在节能降阻上的优越性。

表１某５０００ｔ／ｄ生产线大蜗壳型旋风预热器压力损失
表２某２５００ｔ／ｄ生产线大蜗壳型旋风预热器压力损失
表３某２０００ｔ／ｄ生产线的常规型旋风预热器压力损失
同时从总体上来说，阻力特性计算所得的理论压力损失基本上还是与生产实际压力损失相吻合的，这也在一定程度上验证了旋风预热器理论压力损失计算的准确性和代表性，当然也存在一定范围的偏差，估计主要是由于实际生产是受多因素的影响，比如原燃料特性和操作参数的不同而带来旋风筒压损的波动，特别是旋风筒入口可能存在积料而改变其入口风速的大小，从而导致旋风筒压损的计算误差，这一点在老式旋风筒中表现得尤为明显。

４小结
通过对旋风预热器的阻力特性的理论分析，得出了有效能及无效能的计算公式，并结合实际投产的预热器对其进行了相关计算，结果表明大蜗壳型旋风预热器的有效能较常规型的明显为高，说明大蜗壳型旋风预热器的降阻效果较好，是今后预热器的发展方向，旋风预热器的无效能的消耗也是很大的，这也是它今后需进一步改进的地方。

（编辑顾志玲）旋风预热器Ｃ１Ｃ２Ｃ３Ｃ４Ｃ５总计理论压力损失／Ｐａ１０５３７２７８０６６２３５０９３７１７有效能量利用率／％４１．８３７．３３７．２３８．０３６．４
无效能量利用率／％５８．２６２．７６２．８６２．０６３．６
实际压力损失／Ｐａ１１１０７７０６８０６８０８１０４０５０旋风预热器Ｃ１Ｃ２Ｃ３Ｃ４Ｃ５总计理论压力损失／Ｐａ７２４５２０５３５５２９４６４２７７２有效能量利用率／％４６．６４８．４４８．７４８．２４７．２
无效能量利用率／％５３．４５１．６５１．３５１．８５２．８
实际压力损失／Ｐａ７００５５０６００５００５００２８５０
旋风预热器Ｃ１Ｃ２Ｃ３Ｃ４Ｃ５总计理论压力损失／Ｐａ６８３５４８５６９５６４４５１２８１４有效能量利用率／％４５．９４８．１４９．０４８．５４６．１
无效能量利用率／％５４．１５１．９５１．０５１．５５３．９
实际压力损失／Ｐａ７００４７０４１５５４０５２０２６４５
彭学平，等：旋风预热器阻力特性机理的研究１５
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