旋风分离器塑粉气固分离实验设计研究

在货架制造行业里需要对板材进行喷塑涂色，而在喷塑过程中将会产生大量的塑粉粉尘，这类粉尘易于被吸入肺部，对工人身体产生永久伤害。由此，在工作车间内引入塑粉分离收集装备就显得尤为重要。旋风分离器被广泛应用于气固分离，众多学者[1-5]对旋风分离器的结构和内部流场特性做了大量而详细的研究工作，但对具体的含粉尘气体的气固分离实验研究较少。文章将对旋风分离器分离塑粉的性能进行详细的实验研究。

1 实验原理

含有塑粉空气经过罗茨风机抽送，通过管道输送进入旋风分离器。当含有塑粉气体沿着切向入口进入旋风分离器后，含尘气流就会在旋风分离器内部产生强烈旋转，与此同时，旋转气流还会沿着筒体呈螺旋形向下运动，密度大的塑粉在离心力作用下就会被甩向器壁并被壁面捕获，在重力和向下运动的外旋流作用下，沿筒壁下落流入灰斗内。旋转的气流在筒体内收缩向中心流动，形成内旋流向上运动，经排气管流出。

2 实验仪器设备

RLP变频调速器：功率2.2kW，恒转矩型，输入三相AC380V，输出三相AC380V。3L14型三叶罗茨鼓风机：进口风量4.6m3/min，极限压力9.8kPa，配套电机2.2kW，额定转速2900r/min。Y-100精密压力表：量程0-5000Pa。涡街流量计，旋风分离器。

3 实验实施和数据处理结果

3.1 塑粉注入质量流恒定

（1）实验之前，检查连接变频器的三相电路是否连接好，连接罗茨风机与变频器的三相电路是否连接好，注水管是否已关闭。

（2）利用电子称对装有塑粉的瓶进行称重，记下读数Q1。

（3）闭合连接变频器的三相电路的开关。

（4）将变频器控制面板上的旋钮逆时针旋转至底，然后按下控制面板上的“运行”按钮。

（5）缓慢顺时针旋转面板上的旋钮，观察面板上的数值，与此同时，记录下管道上压力表的读数P，流量计读数Q。

（6）打开注塑粉管道上的球形阀，让塑粉流入管道，同时启动计时器。

图1 实验现场图

图2 灰斗内塑粉

图3 入口流速与分离效率的关系

图4 入口流速平方与入口总压的关系

图5 塑粉注入质量流与分离效率的关系

图6 入口流速平方与入口静压的关系

（7）待瓶中塑粉流完，停止计时器，记下读数T，并同时关闭球形阀。

（8）按下变频器控制面板上的“停止”按，取下塑粉瓶，用电子秤对其称重，记下读数为Q2。

（9）取下灰斗，并用毛刷轻轻将筒壁的塑粉扫至筒底，然后将灰斗内的塑粉取出放于电子秤上称重，记下电子秤读数为Q5。

（10）将灰斗安装回分离器上，按下变频器控制面板上的“运行”按钮，顺时针将旋转面板上的旋钮旋转到底，让风机旋转30s左右，然后按下“停止”按钮。重复步骤9操作，记下电子秤读数为Q3。

（11）将旋转面板上的旋钮旋转不同角度，重复步骤5～10。

（12）重复以上步骤3次，取各项读数的平均值，将数据记录于表1。

3.2 风机鼓风量恒定

（1）实验之前，检查连接变频器的三相电路是否连接好，连接罗茨风机与变频器的三相电路是否连接好，注水管是否已关闭。

（2）利用电子称对装有塑粉的瓶进行称重，记下读数Q1。

（3）闭合连接变频器的三相电路的开关。

（4）将变频器控制面板上的旋钮逆时针旋转至底，然后按下控制面板上的“运行”按钮。

（5）将旋转面板上的旋钮顺时针旋转到底，此时风机满速运转，输送风量最大。

（6）打开注塑粉管道上的球形阀，将球形阀打开一部分，让塑粉流入管道，同时启动计时器。

（7）待瓶中塑粉流完，停止计时器，记下读数T，并同时关闭球形阀。

图7 入口流速平方与压降的关系

图8 入口塑粉浓度与分离效率的关系

表1 塑粉注入质量流恒定旋风分离器塑粉气固分离实验数据记录表

表2 风机鼓风量恒定旋风分离器塑粉气固分离实验数据记录表

表3 塑粉注入质量流恒定旋风分离器塑粉气固分离实验数据处理表

（8）按下变频器控制面板上的“停止”按，取下塑粉瓶，用电子秤对其称重，记下读数为Q2。

（9）取下灰斗，并用毛刷轻轻将筒壁的塑粉扫至筒底，然后将灰斗内的塑粉取出放于电子秤上称重，记下电子秤读数为Q5。

（10）增大球形阀开口，重复步骤5～10。

（11）重复以上步骤3次，取各项读数的平均值，将数据记录于表2。

3.3 实验数据记录与处理

根据，可以求出各个分离器入口流速下分离器入口总压，并做出入口流速平方与入口总压关系图。由于旋风分离器出口直接通入大气，所以出口处静压为0，所以出口总压等于出口动压。根据质量守恒，求出出口平均速度，进而求出出口平均动压，并做出入口流速平方与压降的关系图。图3～图8分别表示的是入口流速与分离效率的关系、入口流速平方与入口静压的关系、入口流速平方与入口总压的关系、入口流速平方与压降的关系、塑粉注入质量流与分离效率的关系、入口塑粉浓度与分离效率的关系。

4 结果讨论

图2表示的是灰斗内塑粉收集情况，从图中可以发现，塑粉不仅仅是落在灰斗底部，在灰斗壁面上也有厚厚的塑粉层，这说明在对旋风分离器进行数值计算的时候，仅仅将灰斗底部设为捕集面是欠妥的，这还要考虑颗粒的粘结性，若颗粒易于在灰斗壁面富集，这时应该将灰斗壁面同样设为捕集面，对于那些不易粘结，在灰斗壁面易产生反弹的颗粒，则将灰斗底部设为捕集面就够了。

表4 风机鼓风量恒定旋风分离器塑粉气固分离实验数据处理表

实验研究了塑粉注入质量流恒定下旋风分离器塑粉气固分离分效率的变化和旋风分离器入口流速恒定下旋风分离器塑粉气固分离效率变化,并将结果绘于图3、图5和图8。

从图3可以发现，在塑粉注入质量流恒定下，旋风分离器入口流速的增加并没有提高旋风分离器对塑粉的分离效率，而是先出现了一段下降趋势，然后再上升的情况。在低入口流速下分离效果有可能会好，这是因为在低速下，旋风分离器内部气体湍动能低，塑粉颗粒受气体脉动影响小，此时塑粉受到的惯性力占主体，因此，塑粉颗粒在惯性力的作用下得到了较好的分离。随着入口流速的增加，旋风分离器内部气体的湍动能也得到了增加，相比较于颗粒受到的惯性力，塑粉颗粒受到气体脉动产生的曳力不可忽视，因此部分塑粉颗粒更可能随着气体短路流或者上旋流而逃逸，降低了旋风分离器的分离效率。当入口流速达到一定数值时，旋风分离器内部塑粉颗粒受到的惯性力再次超过曳力占据主体时，旋风分离器的分离效率将会再次得到提高。高流速气体进入旋风分离器，不仅有利于提高旋风分离器的分离效率，而且也大大的增加了气体的处理量，这也是为什么一般的工业旋风分离器都具有较高的入口流速。但是，旋风分离器入口流速并不是越高越好，如果气体中夹带的颗粒较大，并且易于破碎，那么在高速旋转气流中受到的离心力就越大，与筒壁相撞受到的作用力就越大，那么它就越容易破碎成更小的粉尘颗粒，它的分离效果反而会下降。本章中并未出现在高速入口流速下分离效率下降的情况，这是因为本章所分离的塑粉已经是很细小的粉末颗粒，不易于二次破碎。因此，针对实际的分离颗粒物性选择合适的分离操作参数是设计人员与现场的操作人员所必须牢记的。

图8表示了在入口气体流速相同下入口塑粉浓度与塑粉分离效率的关系图，从图中可以直观地发现，旋风分离器对塑粉的分离效率随着入口塑粉浓度的增加而增加，这是因为入口塑粉浓度的增加有利于空气中塑粉颗粒碰撞粘结，形成大的颗粒团，而形成后的大颗粒团之间碰撞粘结的概率将会更大，从而使原本分散在空气中的细小颗粒得到富集分离。

图4、图6、图7表示了入口流速平方与旋风分离器的入口静压、入口总压、压降之间的关系，从图中可以发现，旋风分离器入口流速平方与旋风分离器入口静压、入口总压、压降成线性关系，这与文献[6]利用数值计算方法得出的结论一致，这说明利用数值计算方法来预测旋风分离器性能是一种可行的方法。

5 结语

综合实验数据可得，旋风分离器在入口气体流速为下对塑粉分离效率最高，分离效率在以上，达到了工厂对旋风分离器分离效率的要求，也说明旋风分离器可用于喷塑车间塑粉粉尘分离与收集，改善工人作业环境，提高工人作业环境质量。