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E型旋風(fēng)除塵器設(shè)計(jì)
摘 要
旋風(fēng)除塵器是一種利用離心力將粉塵顆粒從粉塵氣體中分離出來(lái)的裝置。自從用于工業(yè)生產(chǎn)以來(lái)，被廣泛用于石油、化工、冶金、礦山、機(jī)械等各個(gè)行業(yè)。本論文主要詮釋了E型旋風(fēng)除塵器，涵蓋有除塵器的整體結(jié)構(gòu)、原理性的概述、關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及其選材等等。本次設(shè)計(jì)以普通旋風(fēng)除塵器為基礎(chǔ)，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下和自己去圖書(shū)館查閱大量有關(guān)除塵設(shè)備的書(shū)籍網(wǎng)頁(yè)等一步一步完善的。在論文的完善過(guò)程中，我深入了解了許多與化工有關(guān)的知識(shí)，分析了主要影響除塵效率的因素，結(jié)合現(xiàn)代研究方法，根據(jù)所學(xué)習(xí)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)，查閱資料，設(shè)計(jì)出符合課題所給條件的旋風(fēng)除塵器。并且借助于于CAD/CAM等相關(guān)軟件，繪制出除塵器的零件圖、裝配圖。
關(guān)鍵詞：E型旋風(fēng)除塵器；強(qiáng)度校核；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；壓力損失；除塵效率
ABSTRACT
Cyclone dust remover is a device that separates dust particles from dust gas by centrifugal force. Ever since it was used in industrial production, it has been widely used in petroleum, chemical, metallurgy, mining, machinery and other industries. This paper mainly interprets the E cyclone dust collector, covering the overall structure of the dust collector, the outline of the principle, the strength checking of the key parts and the selection of the material and so on. The design is based on the common cyclone dust collector, and is improved by the guidance of the guidance of the teacher and the library web pages of a large number of dust removal equipment to be consulted by the library. In the process of perfecting the paper, I have deeply understood a lot of knowledge related to the chemical industry, analyzed the factors that mainly affect the efficiency of dust removal, and combined with the modern research methods, based on the related specialties of study, and consulted the data, and designed the cyclone dust catcher that meets the conditions given by the subject. With the help of CAD/CAM and other related software, the parts drawing and assembly drawing of the duster are plotted.
Key words pressure loss;strength checking;Structural design;dust removal efficiency;E cyclone dust collector
目錄
1 序言 1
2 E型旋風(fēng)除塵器的工作原理及各項(xiàng)性能參數(shù) 2
2.1 旋風(fēng)除塵器的基本工作原理 2
2.2 E型旋風(fēng)除塵器內(nèi)部的壓力損失和除塵效率 6
2.3 影響性能的幾何因素 9
3 E型旋風(fēng)除塵器的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇 14
3.1 E型旋風(fēng)除塵器各部分尺寸的確定 14
3.2 E型旋風(fēng)除塵器強(qiáng)度的校核 16
3.3 計(jì)算E型旋風(fēng)除塵器的壓力損失 23
3.4 風(fēng)機(jī)的選擇 24
3.5 排塵閥的選擇 24
3.6 連接方式的選擇 27
結(jié)論 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
1 序言
自工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展速度也越來(lái)越快，所以不可避免的廢氣排放也越來(lái)越多，會(huì)嚴(yán)重污染我們居住的地球。地球是我們?nèi)祟?lèi)賴以生存的家園，地球是我們的母親，我們不能自私的為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)、改善生活就以破壞地球生態(tài)環(huán)境為代價(jià)，所以說(shuō)營(yíng)造一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境是當(dāng)下刻不容緩的任務(wù)。
旋風(fēng)除塵器是利用含塵氣體進(jìn)入一個(gè)容器后，發(fā)生旋轉(zhuǎn)之后產(chǎn)生了離心力，將粉塵從含塵氣體中分離開(kāi)來(lái)的一種干式氣-固分離裝置。自工業(yè)革命以來(lái)旋風(fēng)除塵器發(fā)展至現(xiàn)在已有百余年歷史?，F(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、礦山、機(jī)械、等需要除塵的地方。旋風(fēng)除塵器作為控制較大直徑的排放顆粒物，其對(duì)于5~10um以上的粉塵效率較高。具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器身無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，不需要特殊的附屬設(shè)備，制造、投資少、安裝簡(jiǎn)單方便，占地面積很小實(shí)用；易于維護(hù)操作簡(jiǎn)便，較小的壓力損失而且需要?jiǎng)恿Σ徊淮?，運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)費(fèi)用較低；因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單所以性能穩(wěn)定，操作彈性較大，不受含塵氣體的濃度、溫度限制。
本次設(shè)計(jì)具體課題是 E型旋風(fēng)除塵器，屬于異性進(jìn)口型旋風(fēng)除塵器，用于鍋鏟煙氣凈化，保證排出氣體達(dá)標(biāo)為環(huán)保工作貢獻(xiàn)一份力量。該除塵器是近年開(kāi)發(fā)研制的一種新型高效旋風(fēng)除塵器。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為擁有異性進(jìn)口及結(jié)合漸縮形導(dǎo)流擋板。此設(shè)計(jì)主要由筒體、錐體、進(jìn)氣管、排氣管和排灰口等組成，在獲得符合條件的性能的同時(shí)力求達(dá)到加工工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、美觀、易于維護(hù)等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)力求層次分明，圖形結(jié)合，內(nèi)容詳細(xì)。
本次設(shè)計(jì)參考和引用了一些關(guān)于除塵器的論著、教材、手冊(cè)等，由于經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和水平有限，殷切希望我的指導(dǎo)老師批評(píng)指正，提出寶貴意見(jiàn)。
2 E型旋風(fēng)除塵器的工作原理及各項(xiàng)性能參數(shù)
2.1 旋風(fēng)除塵器的基本工作原理
2.1.1 旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)
如下圖1所示：當(dāng)含塵氣體以一定的速度從進(jìn)氣口進(jìn)入除塵器時(shí)候，由直線運(yùn)動(dòng)漸變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)氣流的大部分氣體沿著除塵器壁沿著圓筒體呈螺旋形向下朝著錐體底部運(yùn)動(dòng)，這樣的氣流稱(chēng)為外旋氣流。旋轉(zhuǎn)向下的外旋氣流在達(dá)到錐體時(shí)，因?yàn)閳A錐形而進(jìn)行收縮而向著除塵器的下中部分靠攏，根據(jù)“旋轉(zhuǎn)矩”不變?cè)?，除塵器底部就會(huì)形成真空負(fù)壓，其切向速度不斷提高。當(dāng)氣流到達(dá)某一位置時(shí)，即以同樣的旋轉(zhuǎn)方向在除塵器內(nèi)部由下而上沿著除塵器幾何中心繼續(xù)做螺旋運(yùn)動(dòng)，最后凈化氣經(jīng)排氣管排向器外，我們稱(chēng)這樣的氣流為內(nèi)旋氣流。含塵氣體受到旋轉(zhuǎn)將會(huì)產(chǎn)生離心力，就會(huì)把密度大的粉塵顆粒甩向器壁。粉塵顆粒跟器壁接觸后，因?yàn)槭T性，所受向下的重力和入口時(shí)的初速度沿著器壁滑落，掉入排灰管，從而達(dá)到除塵的目的。其中，有一部分的粉塵顆粒從氣流中逃出，還有另一小部分氣體，攜帶著粉塵向除塵器頂蓋流動(dòng)，然后沿著排氣管管壁朝下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到排氣管下部分后，反向朝上上隨著上升的氣流從排氣管排出到大氣中，分散在此的粉塵顆粒也就一起被帶走。
圖1 旋風(fēng)除塵器
1—排氣管；2—頂蓋；3—排灰管；
4-圓錐體；5—原筒體；6—進(jìn)氣管
2.1.2 E型旋風(fēng)除塵器內(nèi)部氣體流通狀況
實(shí)際上含塵氣體在旋風(fēng)除塵器中的運(yùn)動(dòng)特別復(fù)雜并無(wú)太大規(guī)律的。在1949年的時(shí)候Ter.linden通過(guò)實(shí)驗(yàn)把氣體的運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)部分：徑向運(yùn)動(dòng)速度、切向運(yùn)動(dòng)速度和軸向運(yùn)動(dòng)速度。
（1）切向運(yùn)動(dòng)速度
含塵氣體因?yàn)榍邢蛩俣茸饔?，迫使里面的粉塵顆粒進(jìn)行離心沉降。除塵器頂蓋部分以下任意一個(gè)截面上的沿半徑變化規(guī)律大致分為三大塊區(qū)域：靠近器壁為Ⅰ?區(qū)，切向速度=常數(shù)。Alexander在通過(guò)實(shí)驗(yàn)后得出以下公式：
（1）
式中：
—含塵氣體在Ⅰ?區(qū)內(nèi)的切向速度，m/s；
—含塵氣體進(jìn)入除塵器的初始速度，m/s；
—旋風(fēng)除塵器圓筒直徑，m；
—旋風(fēng)除塵器排氣管直徑，m；
—旋風(fēng)除塵器進(jìn)口截面積，。
旋風(fēng)除塵器幾何中心到 “最大切向速度面”，也就是排氣管下部的中心氣流，稱(chēng)之為強(qiáng)制旋流區(qū)Ⅲ??。與旋轉(zhuǎn)半徑r之比為一固定常數(shù)，也就是角速度w。
Vtr-1=常數(shù) （2）
Ⅰ、?Ⅲ??區(qū)之間的區(qū)域稱(chēng)之為Ⅱ區(qū)。
（3）
其中n稱(chēng)速度分布指數(shù)，一般在0.5~0.9范圍內(nèi)。
圖2 切向速度分布
假設(shè)除塵器內(nèi)部氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力忽略不計(jì)的話，根據(jù)角動(dòng)量守恒，那么n=1.此時(shí)與其旋轉(zhuǎn)半徑r的乘積，也就是旋轉(zhuǎn)矩為一常數(shù)的氣流，我們稱(chēng)它為自由旋流。由于摩擦力不可能忽略不計(jì)，我們可以把Ⅱ區(qū)的氣流近似看作自由旋流。下表1為不同研究者根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的n值。
表1 速度分布指數(shù)n的測(cè)定值
測(cè)定者
n值
測(cè)定者
n值
Lissman
1
Ter.Linden
0.52
Rosin
0
First
0.88
Stairmand
0.5
Alexander
0.5~0.75
Shepherd﹠Lapple
0.5~0.7
池森龜鶴
0.7~0.8
procket
0.5
井伊谷鋼一
0.8
其中，Alexander給出了n值的關(guān)系式:
（4）
式中：
D0—旋風(fēng)除塵器圓筒直徑，m；
T—絕對(duì)溫度，K；
n——速度分布指數(shù)。
n值與數(shù)Re是有關(guān)的，Re越大的話n越向1靠攏，反之。n也隨著排氣管直徑減小而減小，反之。n也隨著排灰管直徑的減小而增大，反之。當(dāng)排灰管直徑跟圓筒體直徑相等，也就是沒(méi)有錐體的時(shí)候，n的值可以取1。
（2）徑向運(yùn)動(dòng)速度Vr
徑向速度即含塵氣體沿著圓筒體半徑方向的速度，它可以使得含塵顆粒沿著半徑方向，由筒壁向旋渦中心運(yùn)動(dòng)，阻礙含塵顆粒的下降，影響分離。即徑向速度越大分離效率也就會(huì)更低。
（3）軸向運(yùn)動(dòng)速度Vz
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，零軸向速度面與除塵器器壁是平行的，包括錐體部位，外層流厚度也基本恒定。軸向速度分布構(gòu)成了氣流的外層下行、內(nèi)層上行的氣體雙層旋轉(zhuǎn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
2.1.3 渦流
渦流也叫二次渦流，在除塵器當(dāng)中稱(chēng)為次流，它由軸向速度Vz與徑向速度Vr構(gòu)成且對(duì)除塵器的性能有很大的影響。下面四種為常見(jiàn)渦流，并給出分析：
（1）短路流
由于徑向速度和軸向速度的雙重作用，旋風(fēng)除塵器排氣管、其頂蓋外面與圓筒內(nèi)壁之間將會(huì)形成局部渦流（上渦流），這會(huì)導(dǎo)致大量粉塵顆粒向除塵器幾何中心流動(dòng)，沿著排氣管外表面下降，最后隨中心氣流排出氣體的氣體一起排出排氣管，嚴(yán)重影響除塵效率。
（2）縱向旋渦流
因?yàn)榕艢夤軆?nèi)含塵氣體的有效流通面積會(huì)小于排氣管管端以下內(nèi)旋流的有效流通面積，這會(huì)導(dǎo)致在排氣管下端部分產(chǎn)生了節(jié)流，導(dǎo)致排氣管附近氣體徑向流動(dòng)速度增大，使得氣體對(duì)粉塵的曳力超過(guò)了其所受的離心力而造成了“短路”，這種現(xiàn)象被稱(chēng)作為縱向旋渦流。
（3）外層旋流中的局部渦流
除塵器器壁都不是絕對(duì)光滑的，比如焊縫等，這種不光滑的器壁導(dǎo)致會(huì)產(chǎn)生與主流方向垂直的渦流，雖然影響較小，但是可能會(huì)造成除塵器器壁附近，或者已經(jīng)被分離的粉塵重新進(jìn)入內(nèi)層旋流從而大大影響了除塵器的除塵效率。
（4）底部夾帶
因?yàn)榕呕夜芨浇纬傻木植空婵諏?dǎo)致氣體由上而下變?yōu)橛上露系倪\(yùn)動(dòng)，形成的局部真空，重新將粉塵卷起，特別是細(xì)粉塵，從而經(jīng)過(guò)排氣管排到大氣中，大大影響了除塵效率。
2.2 E型旋風(fēng)除塵器內(nèi)部的壓力損失和除塵效率
2.2.1 壓力損失?P
主要的壓力損失有：含塵氣體在除塵器內(nèi)部與筒壁摩擦；進(jìn)口管的摩擦；氣體從直線運(yùn)動(dòng)漸變?yōu)榍€運(yùn)動(dòng)；含塵氣體進(jìn)入旋風(fēng)除塵器內(nèi)部，會(huì)膨脹或者壓縮等。實(shí)驗(yàn)表明在通常情況下，壓力損失?P=1000Pa~2000Pa。測(cè)量壓力損失時(shí)，我們可以測(cè)得氣體進(jìn)入進(jìn)氣管和排出排氣管之間的差來(lái)表示。即：
而全壓
（Pq）=靜壓（Pz）+動(dòng)壓（PD） （5）
又
其中
—旋風(fēng)除塵器進(jìn)、出口全壓，Pa；
—旋風(fēng)除塵器進(jìn)、出口靜壓，Pa；
—旋風(fēng)除塵器進(jìn)、出口動(dòng)壓，Pa；
—旋風(fēng)除塵器進(jìn)、出口速度，m/s；
ρ—?dú)怏w密度，。
為了方便計(jì)算壓力損失時(shí)我們可以引用一個(gè)阻力系數(shù)ξ。定義為旋風(fēng)除塵器的壓力損失與進(jìn)口動(dòng)壓頭之比，即：
ξ=
即：
ξ
式中：
ξ—阻力系數(shù)；
?P—旋風(fēng)除塵器壓力損失，單位Pa；
其他符號(hào)意義不變。
下表2為幾種常見(jiàn)的阻力系數(shù)計(jì)算公式參考：
表2 阻力系數(shù)計(jì)算式
作者
公式
Shepherd-Lapple
First
Alexander
Stairmand
Barth
注：Shepherd-Lapple的公式是常用的阻力系數(shù)計(jì)算式。
2.2.2 除塵效率
除塵效率一般分為總除塵效率和分級(jí)效率，計(jì)算時(shí)候通常用到以下步驟進(jìn)行運(yùn)算。
第一步：測(cè)定粉塵的粒級(jí)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)f，包括進(jìn)口粉塵的百分?jǐn)?shù)補(bǔ)集粉塵的百分?jǐn)?shù)或者出口處的粉塵粒徑分布的百分?jǐn)?shù)，粉塵粒級(jí)分布的積分分?jǐn)?shù)E和大于粒徑x的質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)。其中=1-E。
第二步：用理論或者半經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出E型旋風(fēng)除塵器在氣體密度，粉塵密度，進(jìn)口氣速，粘度等情況下的條件下對(duì)某一粉塵粒徑x的分離效率。
第三步：計(jì)算出總效率η
其中：
（6）
通常與x的經(jīng)驗(yàn)式為：
（7）
其中：
（8）
其中：
C—旋風(fēng)除塵器尺寸比的函數(shù)；
L—旋風(fēng)除塵器的自然長(zhǎng)度，l=2.3，單位m；
—該點(diǎn)的圓錐部分直徑，，單位m；
—排灰口直徑，單位m；
—排氣管插入筒體深度，單位m；
h—除塵器筒體長(zhǎng)度，單位m；
a—進(jìn)口高度，單位m；
b—進(jìn)口寬度，單位m；
—筒體直徑，單位m；
—排氣管直徑，單位m；
H—除塵器高度，單位m；
—修正的慣性參數(shù)，其中；
—分別為固體、氣體的密度，單位；
—?dú)怏w粘度，單位Pa.s；
—?dú)怏w進(jìn)口速度，單位；
d—粉塵顆粒直徑，單位m；
n—速度分布指數(shù)。
由于各種原因，上述（1）、（2）即壓力損失和除塵效率有一定的局限性，是計(jì)算結(jié)果存在一定誤差，其主要原因如下所述：
①上述計(jì)算公式是理論公式，并沒(méi)有考慮粉塵顆粒間的相互影響。
②事實(shí)上，被補(bǔ)集的顆?？赡軙?huì)被二次夾帶，影響計(jì)算。
2.3 影響性能的幾何因素
2.3.1 幾何尺寸
（1） 除塵器筒體直徑
實(shí)驗(yàn)證明，旋風(fēng)筒筒體直徑越小含塵氣體的旋轉(zhuǎn)半徑就越小隨之粉塵顆粒所受的離心力越大，從而提高除塵效率。但是，如果筒體直徑過(guò)小，導(dǎo)致排氣管器壁與除塵器圓筒越相接近的話可能會(huì)造成較大直徑的顆粒分離到除塵器筒壁時(shí)反彈到中心氣流再次逸出，大大降低了除塵效率。而且，如果是粘性粉塵的話除塵器圓筒直徑太小很會(huì)容易引起堵塞。經(jīng)研究表明，一般筒體直徑不小于50~70mm。工程上常用的除塵器（多管式旋風(fēng)除塵器除外）在200mm以上。
（2） 旋風(fēng)除塵器的高度H
較大的高度可以提高其除塵效率。因?yàn)檩^大的高度可以使粉塵進(jìn)入筒體的停留的時(shí)間比較長(zhǎng)，有利于除塵，而且可以讓未進(jìn)入排氣管的粉塵顆粒從中心氣流分離出來(lái)。而且，當(dāng)除塵器尺寸增大時(shí)，還可以避免對(duì)灰斗的磨損與腐蝕。但是，如果說(shuō)無(wú)限延長(zhǎng)高度的話，將會(huì)占用較大的空間，而且還會(huì)浪費(fèi)材料。在選取H時(shí)候，往往取圓通段的高度，即h=（1.5~2）。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以采用圓錐結(jié)構(gòu)，通過(guò)減小旋轉(zhuǎn)半徑使得切向速度不斷提高，從而提高離心率，增大除塵效率。而且，圓錐體可以迫使已經(jīng)分離出來(lái)的粉塵可以更好地進(jìn)入排灰管。圓錐高度與圓錐體的半錐角α和排灰口直徑有關(guān)，當(dāng)高度不變時(shí)，椎體角度α較大時(shí)，導(dǎo)致氣流旋轉(zhuǎn)半徑減小，氣流在除塵器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)較快，從而導(dǎo)致了氣流與器壁撞擊，降低除塵效率。通常情況下半錐角α一般不大于，或者不大于減粉塵顆粒的內(nèi)摩擦角，另外，它還取決于粉塵的物理性質(zhì)。通常α為~。在此，為了方便引入了除塵器自然長(zhǎng)度l這一概念，其意義為排氣管下端至旋風(fēng)除塵器自然旋轉(zhuǎn)頂端的最小距離。
（9）
為防止在錐壁已分離出來(lái)的粉塵顆粒被二次夾帶，排灰管直徑≥。而一般取。圓錐高度（H-h）=（2~2.5）。
（3） 旋風(fēng)除塵器進(jìn)口
①進(jìn)口型式
旋風(fēng)除塵器的進(jìn)口型式主要有切向進(jìn)口、螺旋面進(jìn)口、漸開(kāi)線進(jìn)口、螺殼進(jìn)口和軸向進(jìn)口。其中因?yàn)榍邢蜻M(jìn)口制造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊已被廣泛應(yīng)用工業(yè)除塵系統(tǒng)。
②進(jìn)口管的型式與位置
進(jìn)口管分為矩形和圓形兩種。矩形進(jìn)口管與器壁整個(gè)相切，而圓形進(jìn)口管與器壁只有一點(diǎn)相切，顯而易見(jiàn)所以采用矩形比較合適。有一種位置是與頂蓋相平，可以更好地消除旋流；另一種與頂蓋有一定距離，這可以使得粉塵集中在頂蓋下的上旋流中，然后進(jìn)入主流進(jìn)行分離，可以減少短路。但是矩形高度a和寬度b比例要合適，長(zhǎng)而窄的可以增加接觸面，但是太長(zhǎng)的話，為保證氣體在圓筒中的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N，必須加長(zhǎng)筒體。寬度b越小，臨界粒徑越小，除塵效率越高。下面公式為進(jìn)口管高度和寬度的比例：
A/b=2~3
其中
b=（0.2~0.25）;a=（0.4~0.75）
（4） 排氣管
通常來(lái)說(shuō)排氣管型式有下面兩種型式，在排氣管直徑相同的情況下，排氣管下端既可以采用收縮式，也可以采用常規(guī)圓筒式。第一種型式可以優(yōu)先考慮，因?yàn)槭湛s式既不影響其除塵效率，也可以大幅度降低阻力損失。通常情況下，排氣管直徑越小的話，其除塵效率會(huì)增加，但壓力損失也會(huì)隨著增大。研究表明當(dāng)時(shí)，會(huì)獲得最大的除塵效率。而通常（0.3~0.5）。
（5） 排氣管的插入深度
也對(duì)除塵器的性能有較大影響。如果插入過(guò)深，會(huì)減少含塵氣體在除塵器中的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N從而增加二次夾帶，同事，插入過(guò)深也會(huì)增加氣體與排氣管管壁的摩擦力，增加了壓力損失。如果深度過(guò)低或者不插入，會(huì)造成正常旋流核心的彎曲或者因?yàn)槠茐亩鴮?dǎo)致其處于不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)表明，。
（6） 灰斗
灰塵被排出的裝置，此處氣流接近于高湍流，很可能會(huì)造成二次夾帶。而且，灰斗處為負(fù)壓，如果沒(méi)妥善處理可能會(huì)造成灰斗漏氣，導(dǎo)致被補(bǔ)集的灰塵在此進(jìn)入中心旋流中逸出。
2.3.2 操作條件
（1） 進(jìn)口氣速及氣體流量Q
進(jìn)口氣速
通常情況下，越高，除塵效率越高。但是太高的話，氣流的湍動(dòng)程度增加，從而導(dǎo)致二次夾帶更加嚴(yán)重。而且，太高的話，粉塵微粒與器壁的摩擦增大，會(huì)導(dǎo)致大的粉塵顆粒粉碎，大大降低了除塵效率。氣體通過(guò)旋風(fēng)除塵器的壓力損失和氣體進(jìn)口速度的平方成正比，所以，太高時(shí)雖然會(huì)增加除塵效率，但是會(huì)大大增加壓力損失，會(huì)造成大量能量損失，既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。而且，太大的會(huì)增加氣體與除塵器之間的摩擦，會(huì)降低除塵器的使用壽命。所以取一個(gè)合適的值。經(jīng)驗(yàn)表明的范圍為10~20m/s。
氣體流量Q
氣體流量Q對(duì)除塵效率的影響可以用下式估算：
（10）
式中：
—分別為a、b條件下的總除塵效率，%；
—分別為a、b條件下的氣體體積流量，。
（2） 氣體的密度ρ、粘度、壓力P和溫度T
經(jīng)研究表明：當(dāng)氣體的密度越大時(shí)，臨界粒徑也會(huì)越大，從而影響了除塵效率。但是在除塵器當(dāng)中，固體的密度往往大于氣體的密度，所以在除塵器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該優(yōu)先考慮固體的密度，也就是說(shuō)，氣體的密度可以忽略不計(jì)。
通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)溫度升高時(shí)，除塵器壓力損失會(huì)減少。壓力損失隨著氣體密度的增加而增加。至于粘度，除塵器的除塵效率會(huì)隨著氣體粘度的增加而降低，但是通常我們不考慮粘度對(duì)除塵器壓力的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，所通過(guò)氣體的粘度會(huì)增大，除塵效率會(huì)適當(dāng)降低。
下式為當(dāng)氣體流量不變即為一固定常數(shù)時(shí)候，粘度對(duì)除塵效率的影響的近似計(jì)算公式：
（11）
其中：
—分別為a、b條件下的總除塵效率，%；
—分別為a、b條件下的氣體體積流量，。
（3）氣體含塵濃度
當(dāng)氣體中含塵濃度增加時(shí)，粉塵顆粒的凝聚性和團(tuán)聚性能提高，從而提高了除塵器的除塵效率。而且，當(dāng)粉塵大顆粒移動(dòng)產(chǎn)生了空氣曳力，會(huì)帶著較小直徑的粉塵顆粒分離。
下式為總除塵效率隨含塵濃度的估算變化式：
（12）
式中：
—分別為a、b條件下的含塵濃度，單位（標(biāo)）。
因?yàn)槟Σ亮Φ淖饔?，?dāng)氣體中有少量含塵顆粒時(shí)，會(huì)使得氣體內(nèi)部的摩擦力增加會(huì)使得旋流速度降低，從而減小了離心力，所以在有些時(shí)候，含有塵粒的氣體壓力損失會(huì)小于清潔氣體。當(dāng)粉塵濃度為1~2時(shí)，壓力損失可以降低到清潔氣體的60%，濃度增加到2~50時(shí)，壓力損失較少。但超過(guò)了50時(shí)候，會(huì)有較大的壓力損失。下式可以近似計(jì)算含塵氣體濃度對(duì)壓力損失的影響：
（13）
式中：
—含塵氣體的壓力損失，單位Pa；
—清潔氣體的壓力損失，單位Pa；
C—進(jìn)口粉塵的濃度，單位（標(biāo)）。
（4）固體粉塵的物理性質(zhì)
①：粒徑d對(duì)旋 風(fēng)塵器性能有較大影響。實(shí)驗(yàn)表明，大的粉塵顆粒會(huì)受到大的離心力，所以，較大的粉塵顆粒越多，除塵效率就會(huì)相對(duì)應(yīng)的提高。
②：粉塵顆粒的密度對(duì)除塵效率也有較大影響。越大，除塵效率越高。
總結(jié)：影響除塵器工作效率的有很多因素，除了上述主要的幾點(diǎn)外，還有很多因素。比如說(shuō)：除塵器內(nèi)壁是否光滑也會(huì)影響除塵器的效率。當(dāng)內(nèi)壁比較粗糙時(shí)，會(huì)引起旋流，使得一些分離的粉塵顆粒重新進(jìn)入到中心氣流，進(jìn)入排氣管逸出，最后降低除塵效率；除塵器軸心處是很大的負(fù)壓，在此處應(yīng)該保證密封性足夠強(qiáng)，否則的話會(huì)大大降低了除塵效率甚至破壞除塵器的作用；氣體的相對(duì)濕度也會(huì)影響，如果氣體的含水量比較多的話，很有可能會(huì)造成粉塵附著在器壁上，最后形成堵塞，從而影響除塵器的性能。
3 E型旋風(fēng)除塵器的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇
3.1 E型旋風(fēng)除塵器各部分尺寸的確定
3.1.1 型式的選擇
E型旋風(fēng)除塵器是近年來(lái)新發(fā)明的一種旋風(fēng)除塵器，屬于異形進(jìn)口型旋風(fēng)除塵器。采用異形進(jìn)口型是因?yàn)闅饬髟诹魉佥^大的區(qū)域有很大的流通面積，這可以更好地消除工渦流對(duì)除塵效率的影響。而且之所以采用E 型旋風(fēng)除塵器，是因?yàn)榇顺龎m器具有漸縮形導(dǎo)流擋板。漸縮形導(dǎo)流擋板可以使得含塵氣體進(jìn)入除塵器由直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)，在此擋板的作用下顆粒的徑向分離距離變得更小，從而提高了離心力從而增加了除塵效率。另外，導(dǎo)流擋板會(huì)與除塵器圓筒頂端保持一定的縫隙，這樣可以較大幅度的減少空氣阻力。
3.1.2 確定進(jìn)口風(fēng)速
根據(jù)推薦取
3.1.3 確定E型旋風(fēng)除塵器的尺寸：
下表3為幾種較為典型的比例關(guān)系：
表3 常用旋風(fēng)除塵器幾何尺寸的比例關(guān)系
項(xiàng)目
比例關(guān)系
—
b
（0.2~0.25）
a
（0.4~0.75）
（0.3~0.5）
（0.3~0.75）
h
（1.5~2.0）
H-h
（2.0~2.5）
（1）進(jìn)口面積的確定
取a=2b，則a=0.32m，b=0.16m
（2）筒體尺寸
筒體直徑:
因?yàn)閎=（0.2~0.25） 取b=0.20
那么=5b=5x0.16=0.80m
符合前面所述的在50~75mm以上。
筒體長(zhǎng)度h：
因?yàn)閔=（1.5~2.0）
取h=1.5=1.5x0.80=1.20m
（3）錐體尺寸
錐體長(zhǎng)度H-h：
因?yàn)镠-h=（2.0~2.5）
取H-h=2.0=2.0x0.8=1.60m；
排灰口直徑：
因?yàn)镈2=（0.15~0.4）
取=0.2=0.20.80=0.16m；
（4）出口管直徑與插入深度
出口管直徑：
因?yàn)?
取=0.4=0.4x0.80=0.32m；
插入深度：
因?yàn)?
取=0.5=0.5x0.80=0.40m；
（5）E型旋風(fēng)除塵器高度的確定
a:旋風(fēng)除塵器高度H
因?yàn)镠-h=1.6m
其中h=1.2m
則
H=1.2+1.6=2.8m
b:旋風(fēng)除塵器自然長(zhǎng)度l
（14）
則
3.2 E型旋風(fēng)除塵器強(qiáng)度的校核
3.2.1 筒體和錐體的強(qiáng)度校核
（1） 材料選擇
因?yàn)槌龎m器的工作壓力0.15MPa和溫度150度根據(jù)《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》第四版表8-30選用Q-235B材料。
（2） 確定參數(shù)
設(shè)計(jì)壓力：0.15MPa，為0.80m，由主編譚蔚《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》附錄1表可知=113Mpa。
（3） 計(jì)算厚度
由《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》式（3-12）圓筒的計(jì)算壁厚公式的計(jì)算公式為：
（15）
式中：
為壁厚，單位mm；
為圓筒設(shè)計(jì)壁厚，單位mm；
為容器設(shè)計(jì)壓力，單位MPa；
為圓通內(nèi)徑，單位mm；
為設(shè)計(jì)溫度在下筒體材料的許用應(yīng)力，單位MPa；
為焊接接頭系數(shù)；
C為壁厚附加量，單位mm；
其中
式中：
—鋼板厚度負(fù)偏差，mm；
—腐蝕裕量，mm。
表4 焊接接頭系數(shù)
無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例
焊接接頭形式
全部
局部
雙面焊對(duì)接接頭或相當(dāng)于雙面焊的對(duì)接接頭
1.0
0.85
單面焊對(duì)接接頭（沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板）
0.9
0.8
因?yàn)樵摮龎m器為單面焊對(duì)接接頭（沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板），所以根據(jù)表4取0.9。
表5 鋼板負(fù)偏差
（mm）
鋼板厚度
2
2.2
2.5
2.8~3.0
2.2~3.5
3.8~4
4.5~5.5
負(fù)偏差
0.13
0.14
0.15
0.16
0.18
0.2
0.2
鋼板厚度
6~7
8~25
26~30
32~34
42~50
42~45
52~60
負(fù)偏差
0.6
0.8
0.9
1
1.2
1.2
1.3
腐蝕速度不大于0.05mm/a時(shí)，低合金鋼和碳素鋼管在單面腐蝕和雙面腐蝕的情況下分別取1mm、 2mm，而不銹鋼不考慮；當(dāng)腐蝕速度大于0.05mm/a時(shí)，單面腐蝕和雙面腐蝕分別取時(shí)2mm、雙面為4mm。不銹鋼不作考慮。所以本次取為1mm，根據(jù)上表3-3取負(fù)偏差=0.18mm。
圓整后取為2mm，又因?yàn)棰偬妓劁摵偷秃辖痄摬荒苄∮?mm高合金鋼不能小于2mm。本次所用材料為Q235-B的碳素鋼所以取3mm。綜合初次可以取3mm厚的Q235-B碳素鋼鋼板作為制作除塵器的材料。
（4） 校核氣壓強(qiáng)度
（16）
查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》書(shū)中式4-7得：
（17）
顯而易見(jiàn)。。所以，符合強(qiáng)度要求。
（5） 排氣管的校核
對(duì)于的圓筒：
假設(shè)：
（18）
查《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》書(shū)中圖5-5知道A=0.0001，由附表2查得碳素鋼常溫時(shí)彈性模量為148 MPa，系數(shù)B為115MPa。
用《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》書(shū)中計(jì)算外壓力公式：
（19）
有上述可知,所以符合要求。
3.2.2 支座選擇與計(jì)算
除塵器應(yīng)該為立式容器。立式容器的支座有耳式支座（又稱(chēng)為懸掛式支座）、支承式支座和裙式支座等等。由上述計(jì)算得到壁厚比較薄，由《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》一書(shū)表6-18，假設(shè)選定AN型吊耳式支座1：其中支座材料選用Q235A。
當(dāng)高度與直徑比不大于5，且總高度不大于10m圓筒形立式容器，其每個(gè)支座實(shí)際承受的載荷可用下列式子計(jì)算：
（20）
式中：
為設(shè)備總質(zhì)量，（包括殼體及其附件，內(nèi)部介質(zhì)及保溫層的質(zhì)量），單位kg；
g為重力加速度，取10m/s；
為偏心載荷，單位N；
為偏心距，單位mm；
Q為支座實(shí)際承受的載荷，單位KN；
D為支座安裝尺寸，單位mm；
h為水平力作用點(diǎn)至地板高度，單位mm；
K為不均勻系數(shù)，安裝三個(gè)支座時(shí)候，K=1；3個(gè)以上時(shí)，K=0.83；
n為支座數(shù)量，單位（個(gè)）；
為螺栓分布圓直徑，計(jì)算公式為：
（21）
P為水平力，取水平風(fēng)載荷和水平地震力的組合兩者中的最大者，單位N。
其中：
（22）
（23）
式中：
為地震系數(shù)，由下表選??；
為容器外徑，單位mm；
為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，不高于10m取1.0；
為容器總高度，單位mm；
為10m高度處的基本風(fēng)壓值，單位。
表6 地震影響系數(shù)
地震烈度
7
8
9
最大地震加速度
0.1g
0.15g
0.2g
0.3g
0.4g
0.08
0.12
0.16
0.24
0.32
求偏心載荷
設(shè)備總質(zhì)量取m0=1500kg，地震系數(shù)取=0.16，則水平地震力為：
風(fēng)壓高度變化系數(shù)取=1.0，則水平風(fēng)載荷為：
由于，所以取。
取支座個(gè)數(shù)n=4個(gè)，所以不均勻系數(shù)k=0.83；；水平力作用點(diǎn)到底板的高度h=250mm；Se=250mm。
由以上條件可以求出：
顯而易見(jiàn)，Q<[Q]，所以AN型耳式支座1符合要求。
3.2.3 支腿的強(qiáng)度校核
初選定支腿所用材料為Q235-B，d為40.00mm、l為2.50m，所以由靜力平衡方程求出支反力：
剪力和彎矩方程為：
Q=2817.50 (0
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