§ 5-3 旋风除尘器
cyclone separator
旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的,用来分离粒径大于 10μm的尘粒
旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的,用来分离粒径大于 5— 10μm以上的的颗粒物 。 工业上已有 100多年的历史 。
特点：结构简单,占地面积小,投资低,
操作维修方便,压力损失中等,动力消耗不大,可用于各种材料制造,能用于高温,高压及腐蚀性气体,并可回收干颗粒物 。
缺点：效率 80%左右,捕集 <5μm颗粒的效率不高,一般作预除尘用 。
一、工作原理
1,除尘器内气流与尘粒的运动
气流从宏观上看可归结为三个运动：外涡旋,内涡旋,上涡旋 。
内上内外
含尘气流由进口沿切线方向进入除尘器后,沿器壁由上而下作旋转运动,这股旋转向下的气流称为 外涡旋 （ 外涡流 ）,外涡旋到达锥体底部转而沿轴心向上旋转,最后经排出管排出 。 这股向上旋转的气流称为 内涡旋 （ 内涡流 ） 。 外涡旋和内涡旋的旋转方向相同,含尘气流作旋转运动时,尘粒在惯性离心力推动下移向外壁,到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗 。
气流从除尘器顶部向下高速旋转时,顶部压力下降,一部分气流会带着细尘粒沿外壁面旋转向上,
到达顶部后,在沿排出管旋转向下,从排出管排出 。 这股旋转向上的气流 称为上涡旋 。
2,气流的速度
为方便,常把内外旋流气体的运动分解为三个速度分量：切向速度 Vθ,径向速度 Vr,轴向速度 Vz。
1） 切向速度
切向速度是决定气流合速度大小的主要速度分量,也是决定气流质点离心力和颗粒捕集效率的主要因素 。
切向速度的分布外筒壁速度分布气流中心
Di
D
Di De
外涡旋内涡旋
2．气流的速度
a,切向速度 Vt
外涡旋,Vt随半径 r的减小而增大,在内外涡旋的交界面上 Vt最大,交界面半径 r0≈(0.66～
0.65)rp,rp为排出管半径 。
内涡旋,Vt随半径 r的减小而减小 。
某一断面上的切向速度分布规律为：
外旋,n=0.5,有
内旋,n=-1,有
内外交界面,n=0,有 Vt=常数，最大，对应直径为 Di,Di=(0.6～ 1.0)De(排气管直径 )。
常数 nt rV
crV t 2
—常数—rV t /
B,径向速度 Vr：
假设内外涡旋的交界面是圆柱面,外涡旋均匀通过该柱面进入内涡旋,那麽认为气流通过此圆柱面时的平均速度就是外涡旋气流的平均径向速度 Vr。
Q—— 处理气体量； F—— 假想圆柱面表面积 。
FQV r /?
二、临界粒径与压降
1.半分离直径 cut diameter
分级效率为 50%的粉尘粒径为 半分离直径或切割直径 dc50。
临界粒径 dcp愈小,除尘效率愈高 。
2.除尘器内的压力 降 pressure drop
除尘器内的压力 分布
pressure distribution
压力分布全压静压
·
f t f
d
· · f t f d
Vt
Vr
尘粒在旋风器中受到两个力的作用,
a.离心力
b.向心力
离心力 ft：
向心力 fd：
(Rep≤1时 )
球形
r
Vd
r
Vmf t
p
t
t
2
3
2
6
prd dVf3?
在交界面上尘粒有三种情况：
① ft>fd 移向外壁
② fd>ft 移向内壁
③ ft=fd 进去 50%,出来 50%,即除尘效率为 50%。
一般而言,dp(100%)≈2-3dp(50%)
为什麽忽略了粉尘的质量呢？ 因为重力等于 mg,离心力
设 Vt=30m/s,r=0.1m，
离心力远远大于重力,故重力可忽略 。
y
VmF t
t
2
900
8.9
1.0
9002
g
r
V
F
t
t
重力
半分离直径的求法：
1,拉波尔经验表达式,适用于切线,螺旋,
蜗壳式入口旋风器 。
H,B—— 气流入口的宽度与高度；
L1,L2—— 圆筒与圆锥的高度 。
2
1
2
50?
Q
HBg
d
p
c
21
2
1 222 LL
HH
LL
N
临界粒径 dcp
根据假想圆筒理论求取
由 ft=fd 得：
r0—— 假想圆柱面半径
当处理气量为 Q(m3/s)时,则
代入上式得：
2
1
2
00
018
t
r
cp V
yV
d
2
1
2
9
VL
Q
d
pi
cp
rii VLrQ?2?
2,阻力：
ξ—— 阻力系数
缺乏实验数据时,可用下式表示：
K—— 常数,等于 20— 40；
A—— 进口面积,a× b；
L—— 筒体长度；
H—— 锥体长度；
dpp—— 排出管直径 。
g
VP
2
2
2
n
n
n
pp
TP
PT
PP
HLd
DKA
2
ξ的求法：
1） Shepherd— Lapple式,
2） Louis— Thodore式,
aD
BHk
3
1
2
3
1
1
2
38.7
L
D
L
D
kD
HB
e
（二）捕集效率
1,经验式：水田木村典夫
D—— 旋风器的直径
2,由 的关系图查取
3．
33.0
14.0
1
1
50
2 8 3
67.011
6 9 3.0e x p1
T
Dn
d
d n
c
p
d
50d
d p与?
diiR总
（四）影响效率的因素
1．工作条件
1） 进口速度 VI,VI增大,则切向速度 Vθ增大,dcp减小,效率增大 。 但不能过大,过大会影响气流运动的方向 （ 剧烈,
方向混乱 ）,破坏了正常的涡流运动,另外阻力会加大,故常选用 V2=12— 25m/s。
2） 除尘器的结构尺寸
一般而言,直径越小,Ft越大,则效率越小,过小易逃逸 。
出口管直径减小,则 r0减小,减少了内涡旋,则效率增大 。
但 dpp减小阻力会增大,故不能太小 。
筒体长度增大,则效率增大,但过大阻力会增大,所以,筒体长度不大于 5倍筒体直径 。 另外,希望锥体长度大一点,
这样会使切向速度大和距器壁短 。
旋风器斜放对效率影响不大 。
2,流体性质
对于气体而言,μ增大对除尘不利,dcp增大,效率减小 。 温度增大,则 μ增大,温度高或 μ增大都会使效率减小 。
粉尘粒径与密度：离心力跟粒径的三次方成正比,向心力跟粒径的一次方成正比 。 综合来说,dp增大则效率增大,又因为
所以,ρp小,难分离,影响捕集效率 。
2
1
50
1?
p
cd?
3,分离器的气密性
漏风率,0%,5%,15%
η,90%,50%,0
要求保证旋风器的严密性 。
旋风器一般,① 用于粒子较大 （ >10μm）
的场合；
② 除尘效率不太高；
③ 浓度较高时作为初级处理；
④ 可串联使用 。
三、旋风除尘器的分类及选型
（ 一 ） 旋风除尘器的分类
1,按气体流动状况分：
切流返转式旋风除尘器：常用的型式为直入式和螺壳式 。 含尘气体由筒体沿侧面沿切线方向导入 。
轴流式旋转除尘器：轴流直流式和轴流反旋式 。
2,按结构形式分,圆筒体,长锥体,旁通式,扩散式 。
（二）旋风除尘器的选型旋风除尘器的选型一般选用计算法和经验法 。
计算法,① 由入口浓度 c0,出口浓度 ce（ 或排放标准 ） 计算除尘效率 η；
② 选结构型式；
③ 根据选用的除尘器的分级效率 ηd（ 分级效率曲线 ） 和净化粉尘的粒径频度分布 f0,计算 ηT,若 ηT>η,即满足要求,否则按要求重新计算 。
④ 确定型号规格
⑤ 计算压力损失 。
经验法,① 计算所要求的除尘效率 η；
② 选定除尘器的结构型式；
③ 根据选用的除尘器的 η— Vi实验曲线,确定入口风速 Vi；
④ 根据气量 Q,入口风速 Vi计算进口面积 A；
⑤ 由旋风器的类型系数
求除尘器筒体直径 D,然后便从手册中查到所需的型号规格 。
2DAk?
四、旋风除尘器的设计
步骤：
尺寸比例确定；
旋风除尘器的压力降；
效率 。
（ 一 ） 尺寸比例
1,筒体直径 D,D愈小,愈能分离细小颗粒,
但过小易引起堵塞 。
为此,有人用
作为限制指标 。 D,150-200mm～ 800-1100mm
若处理气量大,可并联使用或采用多管式旋风器 。
2,入口尺寸 （ 圆形和矩形 ）
为减小颗粒的入射角,一般采用矩形 （ 长 H、
宽 B,面积 A,）
类型系数 k一般取 0.07-0.3,蜗壳型入口的 k
较大,D较小,处理气量 Q大,H/B为 2-4。
smrV r /5 0 0
2
22 DHBDAk
3,排气管,多为圆形,且与筒体同心,一般
d=(0.4-0.6)D0。
深度 h,切线式 h小,则压损小,但效率降低 。
经验取 h≈)De或稍低于入口管底部 。
4,筒体 L1 \锥体 L2：
L1=（ 1.4-2.0） D
L2=（ 2.0-3.0） D
L1+ L2≤5D≈（ 3-4） D
L1/ L2≈1.5/2.5较宜 。
5,圆锥角 α,一般取 20?-30?
6．排尘口直径 Dc,Dc=(0.25-0.5)D0,一般
Dc≥70mm
重力沉降室的设计
（ 一 ） 设计要求
1,保证粉尘能沉降,L足够长；
2,气流在沉降室的停留时间要大于尘粒沉降所需的时间 。
3,能 100%沉降的最小粒径 tV
H
V
L?
2
1
m i n
m i n
1818
gLg
HV
g
Vd
p
t
p
t
（ 二 ） 设计的主要内容
根据粒径 dp算出 1） Vt；
2） 初始确定,V,H,,根据求长度 L。
3） 根据进气量 Q求宽度 B,Q=VBH.
cyclone separator
旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的,用来分离粒径大于 10μm的尘粒
旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的,用来分离粒径大于 5— 10μm以上的的颗粒物 。 工业上已有 100多年的历史 。
特点：结构简单,占地面积小,投资低,
操作维修方便,压力损失中等,动力消耗不大,可用于各种材料制造,能用于高温,高压及腐蚀性气体,并可回收干颗粒物 。
缺点：效率 80%左右,捕集 <5μm颗粒的效率不高,一般作预除尘用 。
一、工作原理
1,除尘器内气流与尘粒的运动
气流从宏观上看可归结为三个运动：外涡旋,内涡旋,上涡旋 。
内上内外
含尘气流由进口沿切线方向进入除尘器后,沿器壁由上而下作旋转运动,这股旋转向下的气流称为 外涡旋 （ 外涡流 ）,外涡旋到达锥体底部转而沿轴心向上旋转,最后经排出管排出 。 这股向上旋转的气流称为 内涡旋 （ 内涡流 ） 。 外涡旋和内涡旋的旋转方向相同,含尘气流作旋转运动时,尘粒在惯性离心力推动下移向外壁,到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗 。
气流从除尘器顶部向下高速旋转时,顶部压力下降,一部分气流会带着细尘粒沿外壁面旋转向上,
到达顶部后,在沿排出管旋转向下,从排出管排出 。 这股旋转向上的气流 称为上涡旋 。
2,气流的速度
为方便,常把内外旋流气体的运动分解为三个速度分量：切向速度 Vθ,径向速度 Vr,轴向速度 Vz。
1） 切向速度
切向速度是决定气流合速度大小的主要速度分量,也是决定气流质点离心力和颗粒捕集效率的主要因素 。
切向速度的分布外筒壁速度分布气流中心
Di
D
Di De
外涡旋内涡旋
2．气流的速度
a,切向速度 Vt
外涡旋,Vt随半径 r的减小而增大,在内外涡旋的交界面上 Vt最大,交界面半径 r0≈(0.66～
0.65)rp,rp为排出管半径 。
内涡旋,Vt随半径 r的减小而减小 。
某一断面上的切向速度分布规律为：
外旋,n=0.5,有
内旋,n=-1,有
内外交界面,n=0,有 Vt=常数，最大，对应直径为 Di,Di=(0.6～ 1.0)De(排气管直径 )。
常数 nt rV
crV t 2
—常数—rV t /
B,径向速度 Vr：
假设内外涡旋的交界面是圆柱面,外涡旋均匀通过该柱面进入内涡旋,那麽认为气流通过此圆柱面时的平均速度就是外涡旋气流的平均径向速度 Vr。
Q—— 处理气体量； F—— 假想圆柱面表面积 。
FQV r /?
二、临界粒径与压降
1.半分离直径 cut diameter
分级效率为 50%的粉尘粒径为 半分离直径或切割直径 dc50。
临界粒径 dcp愈小,除尘效率愈高 。
2.除尘器内的压力 降 pressure drop
除尘器内的压力 分布
pressure distribution
压力分布全压静压
·
f t f
d
· · f t f d
Vt
Vr
尘粒在旋风器中受到两个力的作用,
a.离心力
b.向心力
离心力 ft：
向心力 fd：
(Rep≤1时 )
球形
r
Vd
r
Vmf t
p
t
t
2
3
2
6
prd dVf3?
在交界面上尘粒有三种情况：
① ft>fd 移向外壁
② fd>ft 移向内壁
③ ft=fd 进去 50%,出来 50%,即除尘效率为 50%。
一般而言,dp(100%)≈2-3dp(50%)
为什麽忽略了粉尘的质量呢？ 因为重力等于 mg,离心力
设 Vt=30m/s,r=0.1m，
离心力远远大于重力,故重力可忽略 。
y
VmF t
t
2
900
8.9
1.0
9002
g
r
V
F
t
t
重力
半分离直径的求法：
1,拉波尔经验表达式,适用于切线,螺旋,
蜗壳式入口旋风器 。
H,B—— 气流入口的宽度与高度；
L1,L2—— 圆筒与圆锥的高度 。
2
1
2
50?
Q
HBg
d
p
c
21
2
1 222 LL
HH
LL
N
临界粒径 dcp
根据假想圆筒理论求取
由 ft=fd 得：
r0—— 假想圆柱面半径
当处理气量为 Q(m3/s)时,则
代入上式得：
2
1
2
00
018
t
r
cp V
yV
d
2
1
2
9
VL
Q
d
pi
cp
rii VLrQ?2?
2,阻力：
ξ—— 阻力系数
缺乏实验数据时,可用下式表示：
K—— 常数,等于 20— 40；
A—— 进口面积,a× b；
L—— 筒体长度；
H—— 锥体长度；
dpp—— 排出管直径 。
g
VP
2
2
2
n
n
n
pp
TP
PT
PP
HLd
DKA
2
ξ的求法：
1） Shepherd— Lapple式,
2） Louis— Thodore式,
aD
BHk
3
1
2
3
1
1
2
38.7
L
D
L
D
kD
HB
e
（二）捕集效率
1,经验式：水田木村典夫
D—— 旋风器的直径
2,由 的关系图查取
3．
33.0
14.0
1
1
50
2 8 3
67.011
6 9 3.0e x p1
T
Dn
d
d n
c
p
d
50d
d p与?
diiR总
（四）影响效率的因素
1．工作条件
1） 进口速度 VI,VI增大,则切向速度 Vθ增大,dcp减小,效率增大 。 但不能过大,过大会影响气流运动的方向 （ 剧烈,
方向混乱 ）,破坏了正常的涡流运动,另外阻力会加大,故常选用 V2=12— 25m/s。
2） 除尘器的结构尺寸
一般而言,直径越小,Ft越大,则效率越小,过小易逃逸 。
出口管直径减小,则 r0减小,减少了内涡旋,则效率增大 。
但 dpp减小阻力会增大,故不能太小 。
筒体长度增大,则效率增大,但过大阻力会增大,所以,筒体长度不大于 5倍筒体直径 。 另外,希望锥体长度大一点,
这样会使切向速度大和距器壁短 。
旋风器斜放对效率影响不大 。
2,流体性质
对于气体而言,μ增大对除尘不利,dcp增大,效率减小 。 温度增大,则 μ增大,温度高或 μ增大都会使效率减小 。
粉尘粒径与密度：离心力跟粒径的三次方成正比,向心力跟粒径的一次方成正比 。 综合来说,dp增大则效率增大,又因为
所以,ρp小,难分离,影响捕集效率 。
2
1
50
1?
p
cd?
3,分离器的气密性
漏风率,0%,5%,15%
η,90%,50%,0
要求保证旋风器的严密性 。
旋风器一般,① 用于粒子较大 （ >10μm）
的场合；
② 除尘效率不太高；
③ 浓度较高时作为初级处理；
④ 可串联使用 。
三、旋风除尘器的分类及选型
（ 一 ） 旋风除尘器的分类
1,按气体流动状况分：
切流返转式旋风除尘器：常用的型式为直入式和螺壳式 。 含尘气体由筒体沿侧面沿切线方向导入 。
轴流式旋转除尘器：轴流直流式和轴流反旋式 。
2,按结构形式分,圆筒体,长锥体,旁通式,扩散式 。
（二）旋风除尘器的选型旋风除尘器的选型一般选用计算法和经验法 。
计算法,① 由入口浓度 c0,出口浓度 ce（ 或排放标准 ） 计算除尘效率 η；
② 选结构型式；
③ 根据选用的除尘器的分级效率 ηd（ 分级效率曲线 ） 和净化粉尘的粒径频度分布 f0,计算 ηT,若 ηT>η,即满足要求,否则按要求重新计算 。
④ 确定型号规格
⑤ 计算压力损失 。
经验法,① 计算所要求的除尘效率 η；
② 选定除尘器的结构型式；
③ 根据选用的除尘器的 η— Vi实验曲线,确定入口风速 Vi；
④ 根据气量 Q,入口风速 Vi计算进口面积 A；
⑤ 由旋风器的类型系数
求除尘器筒体直径 D,然后便从手册中查到所需的型号规格 。
2DAk?
四、旋风除尘器的设计
步骤：
尺寸比例确定；
旋风除尘器的压力降；
效率 。
（ 一 ） 尺寸比例
1,筒体直径 D,D愈小,愈能分离细小颗粒,
但过小易引起堵塞 。
为此,有人用
作为限制指标 。 D,150-200mm～ 800-1100mm
若处理气量大,可并联使用或采用多管式旋风器 。
2,入口尺寸 （ 圆形和矩形 ）
为减小颗粒的入射角,一般采用矩形 （ 长 H、
宽 B,面积 A,）
类型系数 k一般取 0.07-0.3,蜗壳型入口的 k
较大,D较小,处理气量 Q大,H/B为 2-4。
smrV r /5 0 0
2
22 DHBDAk
3,排气管,多为圆形,且与筒体同心,一般
d=(0.4-0.6)D0。
深度 h,切线式 h小,则压损小,但效率降低 。
经验取 h≈)De或稍低于入口管底部 。
4,筒体 L1 \锥体 L2：
L1=（ 1.4-2.0） D
L2=（ 2.0-3.0） D
L1+ L2≤5D≈（ 3-4） D
L1/ L2≈1.5/2.5较宜 。
5,圆锥角 α,一般取 20?-30?
6．排尘口直径 Dc,Dc=(0.25-0.5)D0,一般
Dc≥70mm
重力沉降室的设计
（ 一 ） 设计要求
1,保证粉尘能沉降,L足够长；
2,气流在沉降室的停留时间要大于尘粒沉降所需的时间 。
3,能 100%沉降的最小粒径 tV
H
V
L?
2
1
m i n
m i n
1818
gLg
HV
g
Vd
p
t
p
t
（ 二 ） 设计的主要内容
根据粒径 dp算出 1） Vt；
2） 初始确定,V,H,,根据求长度 L。
3） 根据进气量 Q求宽度 B,Q=VBH.
