液体旋流分离器压力损失的研究.pdf

液体旋流分离器压力损失的研究 * 邱传毅 1 矫学成 2 矫学真 3 1. 大连市环境保护发展有限公司， 辽宁 大连 116023;2. 大连市环境科学设计研究院， 辽宁 大连 116023; 3. 哈尔滨工业大学市政环境工程学院， 哈尔滨 150090 摘要 液体旋流分离器是水环境污染治理的主要设备之一。压力损失是衡量液体旋流分离器分离过程能耗大小的重要 技术指标， 也是选择水泵扬程的依据。当前液体旋流分离器设计过程还缺少具体量化的理论依据。通过液体旋流分离 器的性能实验， 得出液体旋流分离器各部结构尺寸、 形状、 相对比例对压力损失的不同影响程度， 提出结构参数的最佳取 值范围。为液体旋流分离器的设计提供了依据及应遵循的原则。并在实验结果的基础上， 归纳汇总出一般常用型液体 旋流分离器压力损失的计算公式， 该计算公式具有一般性。 关键词 液体旋流分离器; 分离效率; 压力损失; 压力损失系数 DOI 10. 7617 /j. issn. 1000 － 8942. 2013. 03. 002 THE RESARCH ON HYDROCYCLONE PRESSURE LOSS Qiu Chuanyi1Jiao Xuecheng2Jiao Xuezhen3 1. Dalian Environmental Protection Development Co． ，Ltd． Dalian 116023，China; 2. Dalian Design and Research Institute of Environmental Science， Dalian 116023，China; 3. School of Municipal and Environmental Engineering ，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China AbstractHydrocyclone is one of the major equipments for treatment of polluted water． The pressure loss is an important technical indication for uating the energy consumption during the separating process． It is also a basis for choosing the water pump lift． At present，it is still deficient in theoretical foundation on the specific quantization of hydrocyclone design． The perance experiment of hydrocyclone was carried out in order to provide a theoretical basis for the design of hydrocyclone． The experiment elicited different effects on the pressure loss by the structure size，shape and relative proportions of hydrocyclone．The best value scope of configuration parameters had been proposed．This experiment also provided a principle that should be followed for the design of hydrocyclone． Furthermore，the ula of pressure loss for hydrocyclone was induced based on this study，which had universality． Keywordshydrocyclone;separation efficiency;pressure loss;pressure loss coefficient * 2005 年度大连市第三批科技项目 2005E21SF143 。 0引言 液体旋流分离器在实际应用中有 2 个最主要技术 指标， 即压力损失和分离效率。降低压力损失、 提高分 离效 率， 是 液 体 旋 流 分 离 器 最 基 本、 最 重 要 的 研究。 ［1- 7］。液体旋流分离器的压力损失是表示分离器 的抵抗能力， 是决定分离系统中水泵扬程的重要依据。 压力损失一般用压力损失系数 ζ 来表示 无量纲 。 当前液体旋流分离器设计缺少量化的依据。减 少压力损失依赖于液体旋流分离器的结构性能优化 组合设计， 而结构性能优化组合设计又依赖于它的基 础实验研究。 本文就流入速度及分离器各部尺寸比的大小对压 力损失的影响进行研究， 并根据这些实验结果， 整理汇 总成计算公式， 实践结果表明， 该计算公式具有一般性。 1实验装置 实验装置如图 1 所示。在悬浊液箱中注入自来 水 清水 ， 该流体由变速泵输出， 经流量计、 调节阀、 排向旋流分离器， 流经旋流分离器的少量流体从下部 的下向流排出口排入下向流收贮箱内;大部分流体 经上部的排出管排入上向流收贮箱内。实验中， 分离 器入、 出口的压力分别由电子压力计 精度为 1 Pa 5 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 和 U 型管微压计来测定， 压力测定点直管段长度分 别为 La 120 mm， Lb 100 mm。 图 1实验装置 本研究所使用的旋流分离器如图 2 所示。各部 分可 以 交 换组 合。即 圆筒内径 D 分 别为 25， 75， 125， 175 mm 4 种; 矩形入口槡bh 分别为6. 9， 9. 8， 13， 17， 25 mm 5 种 b 和 h 分别为矩形入口的宽度和 高度 ; 上向流排出管直径 D0分别为 12， 20， 25， 40， 50 mm 5 种; 下向流排出管直径 Du分别为 8， 11， 15， 18， 22 mm 5 种; 上向流排出管长度 S 分别为 0， 40， 65， 90， 140， 190， 240， 290 mm 8 种; 分离器高度 圆 筒 锥筒 H 为 383 ～ 2 152 mm 6 种， 圆筒高度 H1 为 105， 185 mm2 种， 锥筒高度 H2分别为 278， 366， 490， 736， 1 180， 1 967 mm 6 种; 锥角 θ 分别为 3、 5、 8、 12、 16、 22 6 种; 流入形式为 切线型和涡旋型 2 种;试 料 浓 度 δf分 别 为 0. 2 、 0. 4 、 0. 6 、 0. 8 、 1. 0 、 1. 3 6 种。 2实验结果 2. 1流入速度 Vi对压力损失 ΔP 的影响 流入速度 Vi对压力损失 ΔP 的影响如图 3 所示。 图 3 中， 将上向流排出管内径 D0作为参数， 流入 形式为切线流入， 实验范围内， ΔP 与 Vi存 在 着如 式 1 的关系。 ΔP ∝ Vn i 1 当 D0分别为 12， 20， 25， 40， 50 mm 时， 利用回归 分析法计算指数 n 分别等于 1. 832、 1. 791、 1. 776、 1. 776、 1. 794， n 增大， 意味着紊流增大， 即雷诺数 Re 增大， 一般取 n 1. 8。 压力损失系数 ζ 是损失水头 ΔP/γ 与入口管路 内速度水头 V2 i/2g 的比值， 即 ζ ΔP 2g/ γV 2 i 。ζ 是压力损失系数; γ 是流体的比重; g 是重力加速度; 图 2液体旋流分离器结构 图 3流入速度对压力损失的影响 ν20是 20 ℃ 时流体的运动黏性系数; D0是上向流排出 管内径， Re Vi槡 bh/ν20， Re 对 ζ 的影响如图 4 所示。 图 4雷诺数对压力损失系数的影响 从图 4 可以看出 随着 Re 的增大， ζ 呈下降趋势。 6 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 2. 2上向流排出管内径 D0对压力损失系数 ζ 的影响 在 0. 4≤Du/D0≤1 即 Du≤D0 、 槡bh 6. 9 ～ 25 mm内普通常用型液体旋流分离器， ζ 与 D0存在 式 2 的关系。 ζ ∝ D － m 0 2 式中 m 为槡bh的函数， 在 1. 21 ～ 1. 93 变化。m 随槡bh 的减小而减小， 反之亦然， 如图 5 所示。 图 5上向流排出管内径对压力损失系数的影响 从图 5 可以看出 随着 D0的增大， ζ 明显减小， 随 着 Du的增大， ζ 也随着减小， 但没有 D 0的影响显著。 当 D0大于一定值时 本实验为 40 mm ， D u的变化对 ζ 已经没有影响。 Du/D0对 ζ 的组合影响， 如图 6 所示。 图 6下、 上向流排出管内径比对压力损失系数的影响 从图 6 可以看出 普通常用型液体旋流分离器， 在 Du/D0≈0. 3 ～ 0. 5， ζ 为最大值。 2. 3入口尺寸槡bh 对压力损失系数 ζ 的影响 在 0. 4≤Du/D0≤1 及槡bh 10 ～ 25 mm 的任意 Du/D0， ζ 与槡bh 存在式 3 的关系。 ζ ∝ 槡bh y 3 式中 y 为 D0的函数， 在 1. 37 ～ 2. 49 变化， 随着 D0的 减小， y 值逐渐增大， 如图 7 所示。 图 7入口尺寸对压力损失系数的影响 一般地， 若增大槡bh，ζ 也会随着增大， 这是由于 分离器内部准自由涡增强， 与液体旋流分离器内部流 场的测试相吻合 ［8］。 2. 4圆筒部内径 D 对压力损失系数 ζ 的影响 图 8 是圆筒部内径 D 对压力损失系数 ζ 的影响， 无论 D0尺寸大小， ζ 与 D 之间存在式 4 的关系。 ζ ∝ Dp 4 图 8圆筒部的内径对压力损失系数的影响 指数 p 0. 493， D 对 ζ 的影响与槡bh 和 D0比较起 来要小的多。 2. 5分离器全高 H 对压力损失系数 ζ 的影响 图 9 是分离器全高 H 对压力损失系数 ζ 的影响， 在 H/D0＜ 40 及槡bh ≥13 mm 的条件下， 无论 D 0尺寸 大小， ζ 与 H 总存在式 5 的关系。 ζ ∝ H －q 5 指数 q 0. 95。 7 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 图 9全高对压力损失系数的影响 2. 6上向流排出管插入长度 S 对压力损失系数 ζ 的 影响 从图 10 可看出 上向流排出管插入长度 S 对压 力损失系数 ζ 几乎没有影响。 图 10上向流排出管插入长度对压力损失系数的影响 2. 7流入形式对压力损失 ΔP 的影响 在同种的工况下， 涡旋型流入形式和切线型流入 形式的线型几乎是一样的， 如图 11 所示。同样的流入 速度，涡旋型流入形式的压力损失 ΔP 稍微小一点。 3压力损失计算式 通过实验结果， 明确旋流分离器各部结构尺寸对 压力损失的影响， 归纳整理这些影响， 得到全压力损 失系数 ζ 计算公式见式 6 。 ζ f 槡bh y Dm 0 D p Hq 6 式中 f 是抵抗系数; 各指数在实验中已经求得， 即 m 1. 21 ～ 1. 93、 y 1. 37 ～ 2. 49、 p 0. 5、 q 0. 95。 为了确 定 指 数 m， D0对 ζ 的 影 响 用 无 量 纲 的 槡bh /D0替代， 对应各种槡bh 的值，槡bh /D0对 ζ 的影 图 11流入形式对压力损失的影响 响如图 12 所示。对于槡bh ≥13 mm、槡bh /D0≥0. 4 的液体旋流 分 离器 一 般常用型 ， 指数 m 1. 72 定值 。 图 12入口尺寸与上向流排出管内径比对压力损失系数 ζ 的影响 同样， 为了确定指数 y， 槡bh 对 ζ 的影响用无量纲 的槡bh /D0替代， 对应各种 Du/D0值，槡bh /D0对 ζ 的 影响如图 13 所示。 图 13入口尺寸与上向流排出管内径比对压力损失系数的影响 对于 Du/D0≤1、 槡bh /D0≥0. 4 的液体旋流分离 8 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 器 一般常用型 ， 指数 y 1. 94 定值 。 因此， 对于 D≥125 mm、 H≥383 mm 的液体旋流 分离器， 使用一般常规尺寸比， 即槡bh /D0≥0. 4、槡bh ≥13 mm、 Du/D0≤1、 Vi 10 m/s， 全压力损失系数 ζ 的计算公式整理为式 7 。 ζ f bh0. 99 D1. 72 0 D0. 5 H0. 95 7 抵抗系数 f 可从图 14 得到f 102; 图中 ζ Y 轴 与 bh0. 99 D1. 72 0 D0. 5 H0. 95 X 轴 平方差比例 R2 0. 9936。 图 14全压力损失系数 4与普里特 Plitt L R 计算公式的比较 将压力损失水头 ΔP/γ Δh 带入式 7 中， 则 Δh 5. 2 10 －6Q2 / bh 1. 01D1. 72 0 D －0. 5H0. 95 8 式中 Δh 为压力损失水头， m; Q 为流量， L/s; b 为入 口宽度， m; h 为入口高度， m; D0为上向流排出管内 径， m; D 为圆筒部内径， m; H 为分离器全高， m。 Plitt 分别对圆筒部内径为 31. 75， 63. 5， 152. 4 mm 的液体旋流分离器， 采用浓度为 8 ～ 13 的石灰石 和石英砂悬浊液进行了大量的实验 ［9］， 根据实验结 果进行分析得到的压力损失水头为 Δh 1.88Q1. 78e0. 0055ki/R0. 37D0. 94 i H0. 28 x D2 u D2 0 0. 87 9 式中 Δh 为压力损失水头， kPa; Q 为流量， L/min; ki 为悬浊液体积浓度， ; R 为圆筒部半径， cm; Di为入 口直径， cm; Hx为上向流排出管与下向流排出口之间 的高度， cm; Du为下向流排出口内径， cm; D0为上向流 排出管内径， cm。 式 8 与 Plitt 式 9 相比较， Plitt 在公式中考虑了 悬浊液浓度的影响， 实际上悬浊液浓度对压力损失基 本没有影响， 通过式 9 中的 e0. 0055ki项计算也可以得到 影响甚微的结果。此外， Plitt 还考虑了 Du的影响， 在 本实验当中， 当 D0＞ 40 mm 时， Du的变化对压力损失 已没有影响。H 与 Hx结构参数的取值也少有差异。 从压力损失的计算结果来看， Plitt 公式 9 的结 果比本公式 8 大。 5结论 1通过实验研究， 分析了液体旋流分离器各部 结构尺寸因素对压力损失的影响， 提出液体旋流分离 器降低压力损失结构参数的取值范围， 为旋流分离器 的设计提供了依据和应遵循的原则。 2在实验结果的基础上， 归纳出一般常用型旋 流分离器压力损失的计算公式， 并与国际上一直流行 的普里特 Plitt L R 计算式进行分析比较， 从压力损 失的计算结果来看， Plitt 计算式 9 的结果比式 8 大。实践证明， 本计算公式具有一般性。 3本压力损失实验研究的流体主要使用自来 水， 当使用玻璃珠 日本东芝公司产的 EMB- 10 悬浊 液为介质时， 其中试料中位粒径 d50 为 38. 6 μm、 真 密度为 2. 5、 介质的质量分数为 0. 2 ～ 1. 5 ， 实验 结果表明悬浊液浓度变化对压力损失基本没有影响。 参考文献 ［1］矫学成， 山本恭二， 矫学真． 开孔圆筒式液体旋流除尘器的研究 ［J］． 通风除尘， 1998， 17 1 29- 34. ［2］Yamamot Kyoji， Jiao Xuezhen， Jiao Xuecheng．Cyclonedust collector with a perforated rotating cylinder［J］．Memoirs of the Faculty Engineering， Okayama University， 1994， 28 2 21- 31. ［3］Yamamot Kyoji，Jiao Xuecheng，Xiao Xuezhen． Small type hydro- cyclone with a perforated inner cylinder［J］． Memoirs of the Faculty Engineering，Okayama University， 1999， 33 2 19- 24. ［4］矫学成， 王贵林， 张勇， 等． 超小型液体旋流分离器的研究［J］． 环境污染治理技术与设备， 2005， 6 1 90- 93. ［5］矫学成， 王贵林， 张勇， 等． 液体旋流分离器分离效率的研究 ［J］． 环境工程学报， 2007， 1 5 139- 144. ［6］矫学成， 闪红光， 王贵林， 等． 液体旋流分离器内部流场分布的 测试与研究［J］． 环境污染治理技术与设备， 2003， 4 2 84- 88. ［7］Plitt L R．A mathematical model of the hydrocyclone classifiers ［J］． CIM，1976， 52 12 114- 123. 作者通信处矫学成116023大连市沙河口区连山街 58 号大连市 环境科学设计研究院 电话 0411 84661492 E- mailjiao-xuecheng 163． com 2012 － 07 － 11 收稿 9 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期