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視頻主要介紹了旋風(fēng)分離器在噴霧干燥機(jī)組中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)難點(diǎn)。講解了旋風(fēng)分離器的分離原理，并通過CFD流體仿真展示了內(nèi)部復(fù)雜的氣流分布。同時(shí)指出了旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)中存在的計(jì)算模型局限性和實(shí)際工程中的挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮的因素和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的重要性。

? ? ? 旋風(fēng)分離器是噴霧干燥機(jī)組的重要部件。前年寫過這個(gè)題目，因?yàn)樗诤芏嘈袠I(yè)都有應(yīng)用，所以是我點(diǎn)贊最多的短視頻之一，本風(fēng)就來重做一次。旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于它是一種對(duì)氣流非常敏感的設(shè)備，對(duì)于噴霧干燥機(jī)組的大多數(shù)零部件而言，比如風(fēng)機(jī)、加熱器、塔體等等，稍微放大尺寸，加大余量，不會(huì)有太多不良后果。

　　而旋風(fēng)分離器需要充分考慮到分離效果和風(fēng)阻的平衡，過大或者過小，任何參數(shù)都會(huì)造成比較嚴(yán)重的后果。

　　旋風(fēng)分離器，顧名思義，風(fēng)裹挾顆粒進(jìn)入后是共同螺旋流動(dòng)的粉因?yàn)槊芏容^大，被拋向氣壁，最終落于底部，而氣流則從底部螺旋上升至排氣管口，最終排出。旋風(fēng)分離器實(shí)際可以把旋風(fēng)分離器看作氣流離心機(jī)，和離心機(jī)的原理類似，決定分離效果的是流速、直徑和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。流速越快，直徑越大，離心力越大圈數(shù)越多，分離次數(shù)越多，分離過程越充分，分離效果就越好。

　　宏觀上可以這么理解，教科書上也是這個(gè)意思，但這些只是比較宏觀的現(xiàn)象。實(shí)際上，旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)、計(jì)算仍是一門正在不斷深入發(fā)展的學(xué)科，每種計(jì)算模型都有適用范圍，也為能涵蓋所有的設(shè)計(jì)條件。這無非是因?yàn)樗^計(jì)算式就是條件與結(jié)果之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

　　旋風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算之所以難度較大，根源是因空氣動(dòng)力學(xué)，因空氣，因空氣中包含的本體就是復(fù)雜的、不均一的、可膨脹可壓縮的、奇形怪狀、有大有小的。而渦流渦旋又增加了復(fù)雜度。比如化工原理的給出的旋風(fēng)分離器，計(jì)算時(shí)需要設(shè)定氣流的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，且不說不同構(gòu)型的旋風(fēng)分離器的圈數(shù)不同，我們來看這個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)的旋風(fēng)的cfd 流體仿真，并非所有的氣流都會(huì)完美的從上轉(zhuǎn)到底，然后從中心螺旋上升，而是因下錐體外殼的不斷收縮，只有少數(shù)氣流才會(huì)探至底。主氣流會(huì)在排風(fēng)口及其在下椎體的投影所構(gòu)成的圓柱形氣膜面不斷進(jìn)入排風(fēng)口。

　　還有一些氣流未能貼旋風(fēng)的外壁流動(dòng)，而是貼排風(fēng)管外壁流動(dòng)，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)少，旋轉(zhuǎn)直徑小，當(dāng)然也就難以達(dá)到理論計(jì)算的分離效果了也未能有一種計(jì)算模型可以完全精確的表述上述現(xiàn)象。

　　然后我們?cè)賮砜葱L(fēng)分離器內(nèi)部的壓力分布，從藍(lán)色到綠色到黃色、紅色，壓力是越來越高的。壓力分布也是風(fēng)速分布，而風(fēng)速越高分離效果越好。

　　可見剛進(jìn)旋風(fēng)的貼外壁的內(nèi)側(cè)分離效果是最好的，整個(gè)柱段的分離效果都不錯(cuò)。到了排風(fēng)口以下，隨著氣流不斷進(jìn)入排風(fēng)口，風(fēng)速逐漸降低，分離效果逐漸下降。到了錐體下部，由于風(fēng)速已經(jīng)很低，幾乎全部向上折返，也就沒有了分離作用。如果含粉量很大，排出又不暢，很可能還會(huì)被折返氣流夾帶排出。你看，僅僅旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)就是如此復(fù)雜，所以旋風(fēng)分離器想要非常精確的設(shè)計(jì)計(jì)算是難度很大的工程，實(shí)際也總和理論計(jì)算有一定差距。

　　這是因?yàn)榭諝獾目蓧嚎s性、風(fēng)速、直徑、圈書造成氣流的非均一性，本體的密度、粒徑、分布、外形等等造成顆粒的非均勻性。所以相對(duì)布袋除塵器，相對(duì)固定的分離木薯旋風(fēng)分離器就是一種概率性的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅要考慮大的理論計(jì)算方向，還要用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)修正，以避免設(shè)計(jì)缺陷造成工程性失誤。

　　后面我們會(huì)重點(diǎn)解說此類問題，具體的計(jì)算是在很多教材上都有。這里需要指出的是，旋風(fēng)分離器的計(jì)算并非那種可以從頭算到尾，得出唯一準(zhǔn)確的結(jié)果的模式，或者說真實(shí)的工程計(jì)算都是如此。尤其很多化工計(jì)算和空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，是用恰當(dāng)?shù)臄?shù)值涵蓋可預(yù)期的絕大多數(shù)現(xiàn)實(shí)工況。旋風(fēng)分離器計(jì)算的核心就在于風(fēng)阻和切割粒徑的平衡取舍。排風(fēng)機(jī)的全壓來自分離器風(fēng)阻風(fēng)、管道風(fēng)阻、塔內(nèi)負(fù)壓、臺(tái)風(fēng)動(dòng)壓之和，尤其分離器風(fēng)阻是主要阻力來源。

　　常見的食品噴霧干燥的旋風(fēng)風(fēng)阻為700至2000帕斯卡，兩級(jí)旋風(fēng)風(fēng)阻在3000帕斯卡左右，而中壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓一共才4000帕斯卡左右。如果旋風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)阻小，分離效果就差，易跑粉。如果設(shè)計(jì)風(fēng)阻過大，就容易超過排風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，那么風(fēng)量就無法達(dá)到設(shè)計(jì)值，干燥塔的產(chǎn)能就不夠了。

　　我在前面的情書里也說過，對(duì)于和環(huán)境聯(lián)通的開放式大中型干燥機(jī)組來說，同樣的蒸發(fā)量，不同季節(jié)，也就是不同的祛風(fēng)濕含量時(shí)，風(fēng)量是有很大差異的。而在不同的海拔高度，即使風(fēng)的質(zhì)量流量相同，因?yàn)榭諝饷芏炔煌?，空氣的體積流量也有很大差異。而不同的產(chǎn)品配方，干燥塔的排風(fēng)溫度不同，風(fēng)的熱利用率就不同，也會(huì)造成機(jī)組風(fēng)量的區(qū)別。而旋風(fēng)分離器是對(duì)空氣的體積流量非常敏感的設(shè)備，這就造成所謂理論上的額定值和實(shí)際工作值的巨大差距。也就是說，不僅南方的1000塔和北方的1000塔的塔體尺存不同，旋風(fēng)分離器的尺寸也會(huì)有區(qū)別，西北高原和東部沿海的尺寸也會(huì)不同，如果說塔型加大一些，還不會(huì)有太大影響。

　　旋風(fēng)移位成比例縮放，就會(huì)造成分離效我和風(fēng)阻匹配關(guān)系的混亂，這是很多工程案例失敗的根源。前面說了，因?yàn)榭諝饬鲿澈捅倔w的復(fù)雜性，現(xiàn)在并沒有一個(gè)完美的計(jì)算式可以準(zhǔn)確計(jì)算旋風(fēng)分離器，所以旋風(fēng)分離器的完整設(shè)計(jì)過程就類似設(shè)計(jì)飛機(jī)，先要充分的計(jì)算來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)，然后進(jìn)行cfd 流體仿真觀察流程，排查明顯缺陷，然后導(dǎo)入試驗(yàn)風(fēng)洞驗(yàn)證風(fēng)阻計(jì)算。當(dāng)然，和飛機(jī)、汽車這些外流體動(dòng)力學(xué)構(gòu)型不同，它們是將外形縮比模型置于風(fēng)筒中觀察。旋風(fēng)分離器是內(nèi)流體構(gòu)型，是縮比模擬不同構(gòu)型的旋風(fēng)將氣流吹觀測(cè)。

　　最后當(dāng)實(shí)際調(diào)試中還要進(jìn)行檢測(cè)，不斷驗(yàn)證和優(yōu)化理論數(shù)據(jù)，才完成一個(gè)設(shè)計(jì)，循環(huán)不斷提高設(shè)計(jì)精度。

　　我們?cè)谶@里再說一下常見的幾個(gè)計(jì)算式的原理。剛才說過，所謂計(jì)算式就是條件與結(jié)果之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)。因?yàn)樾L(fēng)分離器設(shè)計(jì)條件的過于復(fù)雜，一個(gè)計(jì)算是難以包含全部，所以發(fā)明者都是從自我認(rèn)知的主要條件入手，經(jīng)過多次試驗(yàn)觀測(cè)，找出它們與結(jié)果之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

　　比如化工原理教材給出的計(jì)算式，主要條件就是離心力和氣流在旋風(fēng)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，顯然很有道理，但旋轉(zhuǎn)圈數(shù)本身是人為設(shè)定值，也沒有充分考慮不同旋風(fēng)構(gòu)型的影響。2S模型的原理是計(jì)算排風(fēng)管入口處的分離，氣膜風(fēng)速儀依然對(duì)旋風(fēng)外殼構(gòu)型考慮不多，對(duì)一些明顯的設(shè)計(jì)缺陷，比如排風(fēng)管插入過淺造成短路的現(xiàn)象等沒有考慮。第三個(gè)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算是直接用進(jìn)出口的比值來確定風(fēng)阻，顯然只對(duì)特定購(gòu)型和風(fēng)速范圍的旋風(fēng)分離器有效。第四個(gè)計(jì)算模型則主要考慮氣動(dòng)摩擦總面積對(duì)風(fēng)阻的影響，顯然忽視了不同部位不同的風(fēng)速影響，也忽視了錐體底部是低風(fēng)速的無效分摩擦面積。

　　當(dāng)然，這幾種常用計(jì)算式的計(jì)算結(jié)果的誤差其實(shí)還可以接受，但我們要認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有理論計(jì)算的局限，才能對(duì)設(shè)計(jì)本身保持敬畏之心，所謂蘸蘸鱗鱗，如履薄冰才是負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)態(tài)度。本集我們先說到這里，在下一集我們從構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的旋風(fēng)分離器數(shù)學(xué)模型入手，結(jié)合CSD流體仿真技術(shù)，解說一下常見的構(gòu)型特征和設(shè)計(jì)缺陷。實(shí)際上對(duì)于一個(gè)仍在發(fā)展的學(xué)科，我們不能說某某構(gòu)型或者計(jì)算就是完美的，甚至也不能說就是對(duì)，是的，但我們?nèi)钥梢圆粩嘈拚切┙?jīng)驗(yàn)證的缺陷。

　　這就好比經(jīng)驗(yàn)并不能告訴你最佳的方案，但它可以避免讓你犯同樣的錯(cuò)誤。人類文明就在不斷探索和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)步發(fā)展。