旋流分离理论在气-液分离器设计中的应用
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气 一液分离 器是 根据旋 流分离 理论 进行 设计 流动形成外旋流 ， 气 流在旋转过程 中产生离心力 ， 将 的 ， 具体结构 主要包括旋流器 、 介质进 口、 分离后气 密度 较 大 的介 质 甩 向筒 壁 ，一 旦 与筒 壁接 触 便 失 去 体 的出 口（ 溢 流管 ） 、 排 液 口等 。该 类 产 品 的关 键 性 指 惯 性 力 ，并依 靠 人 口气 流速 度 产生 的动量 和 向下 分 标 主要 包 括 流 阻 及分 离 效 率 ， 因此 ， 在 产 品设 计 时 ， 离介质 自身的重力共同作用 ，推动被分离颗粒沿壁 尽可能的降低产品的流阻 ，提高产 品的分离效 率作 面下落 ， 进入排尘 口（ 排液 口） 分离 出去 ， 当旋转下降 为设计 的关 键 。 的外旋流在到达锥体时 ，因圆锥体 的收缩 面向分离 ２ ． １ 流 阻分析
器 的中心靠拢 。根据旋转矩不变定理 ， 其切 向速度不
流阻是气 一液分离器 的重要技术指标 ，流阻的
断提高 ， 当到达锥体某一截面时， 即以同样的旋转方 产生 由几种原因 ，其 中最 主要的是旋流器内流体旋
向从分离器的中部 由下反转而上继续做螺旋方向流 转 时产生的离心力 ， 流体具有粘性 ， 又在旋转 ， 因而
中图分类号 ： Ｔ Ｈ １ ２ ２
文献标识码 ： Ｂ
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ ×（ ２ ０ １ ３） ０ １ — ０ １ ３ ２ — ０ ３
本 文从研究旋 流分离理论 出发 ，阐述 了二相流 动 ， 形成 内旋 流 ， 最后被净化后的气 流由溢流管 ２ 排 分离器的设计基础 ， 并根据 自己设计经验 ， 提 出了提 出旋流器外 ， 即达到了分离的目的。 具体见旋流分离 高二相流分离器效率的结构性设计措施 ，供从事水 原 理 图 １ 。 力旋流器 、旋风除尘器的工程技术人员在设计过程 中参考 。
条 件 主要 包括 以下 三个条 件 ： （ １ ） 流 体不 是理 想 流体 ； （ ２ ） 作 用在 流 体上 的力 中有 无 势 的质 量力 ； （ ３ ） 流 体 是非 正压 性 流体 。
附属设备 ， 安装 占用空间小。
（ ２ ） 操作 、 维 护方 便 ， 流 阻适 中 、 节能、 修 理 费 用低。
称为半 自由旋流区 Ⅱ， 其切 向速度分布规律为 ： ｒ ＝常数 （ ２ ） 其 中， ｎ为速度分布指数（ 一般取 ０ ． ５ ０ ． ９ ） 。 （ ２ ） 径向速度
Ｐ为介质密度 ， ｋ ｇ ／ ｍ ３ ；
为流速 ， ｍ ／ ｓ 。
径向速度是影 响分离器性 能的重要 因素 。约在 ｒ ｏ 为溢流管半径 ， ｍ 。 旋流器有效高度 中点径向速度 ， 为零的点称为分界 ２ ． ２ 分 离效 率 分析 点， 在分界点上部径 向速度方向指 向筒壁 ， 形成外 向 产 品的分离效率 与介质在旋 流器 内的速度分布 流 ；在分界点 以下速度方 向指向旋流器中心形成 内 及压力分布密切相关 。 旋流。在 内旋流作用下使要分离的介质 由外 向内推 ２ ． ２ ． １ 流场 中气 流 的速度 分 布 阻止分离物的沉降 ， 所 以， 径 向速度越 由于旋流器 内流体 的运动是一种复杂的三元空 至漩 涡中心 ， 分离器的分离能力越差 。 间的螺旋运动 ，其 内部任一点 的速度可分为切向速 大 ，
（ ３ ） 操作 弹性 较 大 ， 性 能 稳定 ， 不受温度、 浓 度 的 限制 。
在这三种情况下流体 中运动中才能形成旋流。 １ ． ２ 旋 流分 离原 理
口进入分离器 时 ， 由直线运动转化为圆周运动 ， 旋转 的气流绝大部分沿器壁 自筒体呈螺旋形 向下朝锥体
旋流分离的原理为 ：气流 以一定 的速度 由进气 ２ 影 响气 一液分 离器 性能指标 的因素
摘 要： 从研 究旋流器分 离理论 出发 ， 阐明了影响二相流分 离设备性 能指 标的几个关键 因素 。 提 出二相 分 离器结构设计
措施 ， 从 而 为 气液 、 气 固分 离器设 计提 供 了 重要 的理 论 基 础 ， 使 二 相 流 分 离 器的 效 率 得 到 提 高 。 关键词 ： 旋 流 分 离原 理 ； 性能； 结 构 设 计
１ 旋 流 概 述
１ ． １ 旋 流形 成 条件
１ ． 气流进 口 ２ ． 溢 流管 ３ ． 橙封盖 ４ ． 圆 柱体 ５ ． 圆锥体 ６ ． 排尘 （ 液） １ ： ３
图１ 旋 流 分 离 原理 图 流体质点一方 面沿轴线 向前移动 ， 同时 ， 又绕该 ． ３ 旋流器的特点 轴旋转运动便称之为旋流运动。这种运动 由涡流和 １ （ １ ） 结构简单 ， 设备本身无 运动件 ， 不需特殊 的 轴 向流叠加而成 ， 具体包括 自由涡和强制涡 。 其产生
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ０ ～ ０ ６
作者 简介 ： 宋 杰（ １ ９ ７ １ 一） ， 河南 人 ， 工程师 ， 本科 ， 从事流体机械的研究 。
１ ３ ２
《 装备制造技术） ） ２ ｏ １ ３ 年第 １ 期 消耗能量 ， 表现为流阻损失 ； 其次是旋流器人 口（ 介 质进 口）面积 的突变引起 的局部压Байду номын сангаас损失及筒壁与 旋转介质之间 由于摩擦而产生的沿程损失。具体流 阻大小为 ：
Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ ， ２ ０ １ ３
旋流分 离理 论在气 一液分 离器设计 中的应 用
宋 杰
（ 新航集团设计一所 ， 河南 新乡 ４ ５ ３ ０ ４ ９ ）
（ １ ）
式 中，
△Ｐ为流 阻 ， Ｐ ａ ；
刚体 的旋转运动 ，切 向速度 与半径 ｒ 之 比为一 常 数 ０ 。
为流阻系数 ； 的选取通常根据经验公式
＝１ ． ５ ６ ｛ １ ． ９ （ ） 一１ Ｊ
ｒｏ
Ｉ 区 Ⅲ和之间气体的旋转则表示另 一种性质 ，
ＡＰ＝ ×—
二
为混合气体进入分离器 的速度 ， ｉ ｒ ｄ ｓ ； 为分离器 的圆柱体部分直径 ， ｍ； 为分离器的排气管直径 ， ｍ；
为分离器的进 口截面积 ， ｍ ｚ 。 由分离器 中心到最大切向速度 面，即排气管下 部的中心气流 ， 通常称为强制控制旋流区Ⅲ。类似于
器 的中心靠拢 。根据旋转矩不变定理 ， 其切 向速度不
流阻是气 一液分离器 的重要技术指标 ，流阻的
断提高 ， 当到达锥体某一截面时， 即以同样的旋转方 产生 由几种原因 ，其 中最 主要的是旋流器内流体旋
向从分离器的中部 由下反转而上继续做螺旋方向流 转 时产生的离心力 ， 流体具有粘性 ， 又在旋转 ， 因而
中图分类号 ： Ｔ Ｈ １ ２ ２
文献标识码 ： Ｂ
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ ×（ ２ ０ １ ３） ０ １ — ０ １ ３ ２ — ０ ３
本 文从研究旋 流分离理论 出发 ，阐述 了二相流 动 ， 形成 内旋 流 ， 最后被净化后的气 流由溢流管 ２ 排 分离器的设计基础 ， 并根据 自己设计经验 ， 提 出了提 出旋流器外 ， 即达到了分离的目的。 具体见旋流分离 高二相流分离器效率的结构性设计措施 ，供从事水 原 理 图 １ 。 力旋流器 、旋风除尘器的工程技术人员在设计过程 中参考 。
条 件 主要 包括 以下 三个条 件 ： （ １ ） 流 体不 是理 想 流体 ； （ ２ ） 作 用在 流 体上 的力 中有 无 势 的质 量力 ； （ ３ ） 流 体 是非 正压 性 流体 。
附属设备 ， 安装 占用空间小。
（ ２ ） 操作 、 维 护方 便 ， 流 阻适 中 、 节能、 修 理 费 用低。
称为半 自由旋流区 Ⅱ， 其切 向速度分布规律为 ： ｒ ＝常数 （ ２ ） 其 中， ｎ为速度分布指数（ 一般取 ０ ． ５ ０ ． ９ ） 。 （ ２ ） 径向速度
Ｐ为介质密度 ， ｋ ｇ ／ ｍ ３ ；
为流速 ， ｍ ／ ｓ 。
径向速度是影 响分离器性 能的重要 因素 。约在 ｒ ｏ 为溢流管半径 ， ｍ 。 旋流器有效高度 中点径向速度 ， 为零的点称为分界 ２ ． ２ 分 离效 率 分析 点， 在分界点上部径 向速度方向指 向筒壁 ， 形成外 向 产 品的分离效率 与介质在旋 流器 内的速度分布 流 ；在分界点 以下速度方 向指向旋流器中心形成 内 及压力分布密切相关 。 旋流。在 内旋流作用下使要分离的介质 由外 向内推 ２ ． ２ ． １ 流场 中气 流 的速度 分 布 阻止分离物的沉降 ， 所 以， 径 向速度越 由于旋流器 内流体 的运动是一种复杂的三元空 至漩 涡中心 ， 分离器的分离能力越差 。 间的螺旋运动 ，其 内部任一点 的速度可分为切向速 大 ，
（ ３ ） 操作 弹性 较 大 ， 性 能 稳定 ， 不受温度、 浓 度 的 限制 。
在这三种情况下流体 中运动中才能形成旋流。 １ ． ２ 旋 流分 离原 理
口进入分离器 时 ， 由直线运动转化为圆周运动 ， 旋转 的气流绝大部分沿器壁 自筒体呈螺旋形 向下朝锥体
旋流分离的原理为 ：气流 以一定 的速度 由进气 ２ 影 响气 一液分 离器 性能指标 的因素
摘 要： 从研 究旋流器分 离理论 出发 ， 阐明了影响二相流分 离设备性 能指 标的几个关键 因素 。 提 出二相 分 离器结构设计
措施 ， 从 而 为 气液 、 气 固分 离器设 计提 供 了 重要 的理 论 基 础 ， 使 二 相 流 分 离 器的 效 率 得 到 提 高 。 关键词 ： 旋 流 分 离原 理 ； 性能； 结 构 设 计
１ 旋 流 概 述
１ ． １ 旋 流形 成 条件
１ ． 气流进 口 ２ ． 溢 流管 ３ ． 橙封盖 ４ ． 圆 柱体 ５ ． 圆锥体 ６ ． 排尘 （ 液） １ ： ３
图１ 旋 流 分 离 原理 图 流体质点一方 面沿轴线 向前移动 ， 同时 ， 又绕该 ． ３ 旋流器的特点 轴旋转运动便称之为旋流运动。这种运动 由涡流和 １ （ １ ） 结构简单 ， 设备本身无 运动件 ， 不需特殊 的 轴 向流叠加而成 ， 具体包括 自由涡和强制涡 。 其产生
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ０ ～ ０ ６
作者 简介 ： 宋 杰（ １ ９ ７ １ 一） ， 河南 人 ， 工程师 ， 本科 ， 从事流体机械的研究 。
１ ３ ２
《 装备制造技术） ） ２ ｏ １ ３ 年第 １ 期 消耗能量 ， 表现为流阻损失 ； 其次是旋流器人 口（ 介 质进 口）面积 的突变引起 的局部压Байду номын сангаас损失及筒壁与 旋转介质之间 由于摩擦而产生的沿程损失。具体流 阻大小为 ：
Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ ， ２ ０ １ ３
旋流分 离理 论在气 一液分 离器设计 中的应 用
宋 杰
（ 新航集团设计一所 ， 河南 新乡 ４ ５ ３ ０ ４ ９ ）
（ １ ）
式 中，
△Ｐ为流 阻 ， Ｐ ａ ；
刚体 的旋转运动 ，切 向速度 与半径 ｒ 之 比为一 常 数 ０ 。
为流阻系数 ； 的选取通常根据经验公式
＝１ ． ５ ６ ｛ １ ． ９ （ ） 一１ Ｊ
ｒｏ
Ｉ 区 Ⅲ和之间气体的旋转则表示另 一种性质 ，
ＡＰ＝ ×—
二
为混合气体进入分离器 的速度 ， ｉ ｒ ｄ ｓ ； 为分离器 的圆柱体部分直径 ， ｍ； 为分离器的排气管直径 ， ｍ；
为分离器的进 口截面积 ， ｍ ｚ 。 由分离器 中心到最大切向速度 面，即排气管下 部的中心气流 ， 通常称为强制控制旋流区Ⅲ。类似于