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視頻主要介紹了旋風分離器在噴霧干燥機組中的應(yīng)用及設(shè)計難點。講解了旋風分離器的分離原理，并通過CFD流體仿真展示了內(nèi)部復(fù)雜的氣流分布。同時指出了旋風分離器設(shè)計中存在的計算模型局限性和實際工程中的挑戰(zhàn)，強調(diào)了設(shè)計過程中需要綜合考慮的因素和實驗驗證的重要性。

? ? ? 旋風分離器是噴霧干燥機組的重要部件。前年寫過這個題目，因為它在很多行業(yè)都有應(yīng)用，所以是我點贊最多的短視頻之一，本風就來重做一次。旋風分離器的設(shè)計難點在于它是一種對氣流非常敏感的設(shè)備，對于噴霧干燥機組的大多數(shù)零部件而言，比如風機、加熱器、塔體等等，稍微放大尺寸，加大余量，不會有太多不良后果。

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

　　旋風分離器，顧名思義，風裹挾顆粒進入后是共同螺旋流動的粉因為密度較大，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。旋風分離器實際可以把旋風分離器看作氣流離心機，和離心機的原理類似，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，教科書上也是這個意思，但這些只是比較宏觀的現(xiàn)象。實際上，旋風分離器的設(shè)計、計算仍是一門正在不斷深入發(fā)展的學科，每種計算模型都有適用范圍，也為能涵蓋所有的設(shè)計條件。這無非是因為所謂計算式就是條件與結(jié)果之間關(guān)系的數(shù)學表達式。

　　旋風設(shè)計計算之所以難度較大，根源是因空氣動力學，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分離器，計算時需要設(shè)定氣流的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，且不說不同構(gòu)型的旋風分離器的圈數(shù)不同，我們來看這個比較標準的旋風的cfd 流體仿真，并非所有的氣流都會完美的從上轉(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)氣流才會探至底。主氣流會在排風口及其在下椎體的投影所構(gòu)成的圓柱形氣膜面不斷進入排風口。

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

　　然后我們再來看旋風分離器內(nèi)部的壓力分布，從藍色到綠色到黃色、紅色，壓力是越來越高的。壓力分布也是風速分布，而風速越高分離效果越好。

　　可見剛進旋風的貼外壁的內(nèi)側(cè)分離效果是最好的，整個柱段的分離效果都不錯。到了排風口以下，隨著氣流不斷進入排風口，風速逐漸降低，分離效果逐漸下降。到了錐體下部，由于風速已經(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，很可能還會被折返氣流夾帶排出。你看，僅僅旋風分離器內(nèi)部的流場就是如此復(fù)雜，所以旋風分離器想要非常精確的設(shè)計計算是難度很大的工程，實際也總和理論計算有一定差距。

　　這是因為空氣的可壓縮性、風速、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。所以相對布袋除塵器，相對固定的分離木薯旋風分離器就是一種概率性的設(shè)計。設(shè)計的優(yōu)劣不僅要考慮大的理論計算方向，還要用實踐經(jīng)驗修正，以避免設(shè)計缺陷造成工程性失誤。

　　后面我們會重點解說此類問題，具體的計算是在很多教材上都有。這里需要指出的是，旋風分離器的計算并非那種可以從頭算到尾，得出唯一準確的結(jié)果的模式，或者說真實的工程計算都是如此。尤其很多化工計算和空氣動力學計算，是用恰當?shù)臄?shù)值涵蓋可預(yù)期的絕大多數(shù)現(xiàn)實工況。旋風分離器計算的核心就在于風阻和切割粒徑的平衡取舍。排風機的全壓來自分離器風阻風、管道風阻、塔內(nèi)負壓、臺風動壓之和，尤其分離器風阻是主要阻力來源。

　　常見的食品噴霧干燥的旋風風阻為700至2000帕斯卡，兩級旋風風阻在3000帕斯卡左右，而中壓風機的風壓一共才4000帕斯卡左右。如果旋風設(shè)計風阻小，分離效果就差，易跑粉。如果設(shè)計風阻過大，就容易超過排風機風壓，那么風量就無法達到設(shè)計值，干燥塔的產(chǎn)能就不夠了。

　　我在前面的情書里也說過，對于和環(huán)境聯(lián)通的開放式大中型干燥機組來說，同樣的蒸發(fā)量，不同季節(jié)，也就是不同的祛風濕含量時，風量是有很大差異的。而在不同的海拔高度，即使風的質(zhì)量流量相同，因為空氣密度不同，空氣的體積流量也有很大差異。而不同的產(chǎn)品配方，干燥塔的排風溫度不同，風的熱利用率就不同，也會造成機組風量的區(qū)別。而旋風分離器是對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，旋風分離器的尺寸也會有區(qū)別，西北高原和東部沿海的尺寸也會不同，如果說塔型加大一些，還不會有太大影響。

　　旋風移位成比例縮放，就會造成分離效我和風阻匹配關(guān)系的混亂，這是很多工程案例失敗的根源。前面說了，因為空氣流暢和本體的復(fù)雜性，現(xiàn)在并沒有一個完美的計算式可以準確計算旋風分離器，所以旋風分離器的完整設(shè)計過程就類似設(shè)計飛機，先要充分的計算來構(gòu)建數(shù)學模型基礎(chǔ)，然后進行cfd 流體仿真觀察流程，排查明顯缺陷，然后導(dǎo)入試驗風洞驗證風阻計算。當然，和飛機、汽車這些外流體動力學構(gòu)型不同，它們是將外形縮比模型置于風筒中觀察。旋風分離器是內(nèi)流體構(gòu)型，是縮比模擬不同構(gòu)型的旋風將氣流吹觀測。

　　最后當實際調(diào)試中還要進行檢測，不斷驗證和優(yōu)化理論數(shù)據(jù)，才完成一個設(shè)計，循環(huán)不斷提高設(shè)計精度。

　　我們在這里再說一下常見的幾個計算式的原理。剛才說過，所謂計算式就是條件與結(jié)果之間的數(shù)學關(guān)系表達。因為旋風分離器設(shè)計條件的過于復(fù)雜，一個計算是難以包含全部，所以發(fā)明者都是從自我認知的主要條件入手，經(jīng)過多次試驗觀測，找出它們與結(jié)果之間的數(shù)學關(guān)系。

　　比如化工原理教材給出的計算式，主要條件就是離心力和氣流在旋風內(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構(gòu)型的影響。2S模型的原理是計算排風管入口處的分離，氣膜風速儀依然對旋風外殼構(gòu)型考慮不多，對一些明顯的設(shè)計缺陷，比如排風管插入過淺造成短路的現(xiàn)象等沒有考慮。第三個經(jīng)驗計算是直接用進出口的比值來確定風阻，顯然只對特定購型和風速范圍的旋風分離器有效。第四個計算模型則主要考慮氣動摩擦總面積對風阻的影響，顯然忽視了不同部位不同的風速影響，也忽視了錐體底部是低風速的無效分摩擦面積。

　　當然，這幾種常用計算式的計算結(jié)果的誤差其實還可以接受，但我們要認識到現(xiàn)有理論計算的局限，才能對設(shè)計本身保持敬畏之心，所謂蘸蘸鱗鱗，如履薄冰才是負責的設(shè)計態(tài)度。本集我們先說到這里，在下一集我們從構(gòu)建標準的旋風分離器數(shù)學模型入手，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)計缺陷。實際上對于一個仍在發(fā)展的學科，我們不能說某某構(gòu)型或者計算就是完美的，甚至也不能說就是對，是的，但我們?nèi)钥梢圆粩嘈拚切┙?jīng)驗證的缺陷。

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