对具有最佳分离效率的旋风尺寸存在性的研究

《Advanced Powder Technology》：Investigation into the existence of cyclone size providing the best separation efficiency

　　

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  考察了旋风筒尺寸对临界粒径影响的相关实验结果。
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  分析了用于估算临界粒径的数学模型。
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  探讨了旋风筒尺寸缩减在旋风筒效率方面是否存在极限。
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  旋风过滤器可能具有一个尺寸，该尺寸可提供最小的临界粒径。

引言

旋风颗粒过滤器如今被广泛应用，其设计和应用领域不断扩展，包括矿物加工、污染控制和相分离过程等。其日益增长的人气可归因于多种因素，包括其设计简单、无运动部件、适应各种流体和操作条件、兼容不同建筑材料、成本低廉以及性能令人满意。这些特点也引起了学术界的关注。在过去的一个世纪里，旋风过滤器的使用稳步增加，伴随着越来越多的学术研究旨在了解其行为并提高其性能预测的准确性。

尽管旋风过滤器的结构很简单，但多相流却相当复杂。由于存在大量独立参数，这种复杂性进一步加剧。一个经典的切向入口逆流旋风器有八个明显的几何参数，包括表面粗糙度、出口通道壁厚、流体入口通道形状、沉降管的存在和长度、集灰箱的形状和尺寸、出口通道几何形状以及筒体几何形状。对于流体而言，参数包括类型、温度、压力、入口速度、颗粒密度、形状、刚度、浓度、粒径分布以及化学和物理均匀性。考虑到这些参数，至少可以确定15个独立的无量纲量。对于拥有如此多独立变量的问题，无论是实验上还是理论上，找到完整的解几乎是不可行的。相反，最合适的方法是考察那些似乎最有效的有限数量的参数，并生成有用的关系。在这种情况下，用于估算效率或临界粒径的最简单模型考虑了旋风器入口截面的几何宽度（长度或涡数）、流体密度、流体粘度和流体入口速度，以及颗粒密度。数学模型正在开发中，以考虑其他参数的影响。这些研究基于实验、分析、计算流体力学（CFD）和统计学基础，采用不同的方法产生不同的解决方案。本研究使用了一些这些方法。

相对简单的模型，如Lapple [1] 模型，纳入了前面提到的基本参数[1]。一旦确定应用位置并选定旋风器类型，唯一剩下的变量就是旋风器的尺寸和流体入口速度，因为旋风器尺寸比、流体和颗粒特性都保持不变。可以看出，旋风器尺寸是影响性能的最重要参数之一。因此，它值得仔细考虑。本研究考察了旋风器尺寸对临界粒径的影响，后者是旋风器分离效率的关键指标。图1展示了切向入口逆流旋风器的主要尺寸。给定图1中所示的八个尺寸，可以计算旋风器的设计和性能。除了这些尺寸外，旋风器入口、出口、排气口和集灰箱等细节也会影响结果。此外，粗糙度、流体出口通道厚度和公差是大多数模型通常不考虑的影响参数。虽然这些参数的影响有时可以相互抵消，但它们也可能增加误差。这会导致实验值和计算值之间出现显著偏差。

在旋风过滤器中，减小旋风器的尺寸会降低雷诺数并增加摩擦效应，这对性能参数有显著影响。直径在15至30毫米之间的旋风器通常用于空气质量测量。在该领域，有相对较多的实验研究，适合本文的目的。这些旋风器中的大多数由Smith等人[2]定义的SR系列旋风器组成。虽然这些研究中所用的旋风器略有不同，但其总体尺寸相同。在实验研究中，Kenny和Gussman [3]、Kenny等人[4]、Kenny等人[5]和Kenny等人[6]的研究对于聚合数据非常重要。这些数据将用于本研究。这些旋风器组的入口截面为圆形。

较大的旋风器通常使用矩形入口。在本组中，使用了Z旋风器系列[7]、SFYB旋风器系列[8]、YVS高效Stairmand旋风器系列[9]、[10]以及Lapple旋风器系列[11]、[12]的数据。对于高效Stairmand旋风器，与SR系列旋风器不同，不同研究者在不同的实验条件下进行了研究。由于这些差异反映在这些研究的结果中，因此有必要在公差范围内评估结果。这些研究可列为Zhao（2012）[13]、Saltzman和Hochstrasser（1983）[14]、Hsiao等人[15]、Lin等人[16]和Karakas [17]。

为了估算旋风过滤器的分离效率和/或临界粒径，已开展了许多研究。包含参数最少的最简单模型是Lapple [1] 模型[1]。包含更多参数的更高级模型是Barth [18] 模型[18]，它更准确且被广泛使用。Leith和Licht [19] 模型考虑了尺度效应和旋风器的几何参数[19]。该模型可用于计算效率和临界粒径。该模型类似于Iozia和Leith [20] 模型[20]，后者也包含大量参数。Dirgo和Leith（1985）模型[9]与这些模型类似。新模型通常旨在克服现有模型的弱点。Muschelknautz [21] 模型[21]更为全面，考虑了浓度和摩擦以改进Barth模型，并得出更好的结果。Dietz [22] 模型[22]类似于Leith-Licht模型，并采用多区域方法开发。Li和Wang [23]以及Mothes和L?ffler [24]模型使用类似方法推导，并纳入了不同的效应。Avci和Kara?oz（2003）模型也考虑了气体的摩擦效应[25]。在不同时期，基于新发现修改了参数定义[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。

除了这些研究外，还通过统计分析获得了相关性关系。这些相关性关系可以针对特定旋风器系列或更通用。该类别中的研究包括John和Reischl [31]、Kenny和Gussman [3]、Saltzman和Hochstrasser [14]、Moore和McFarland（1990年和1993年）[11]、[12]、Kuo和Tsai（2001）[32]、Lidén和Gudmundsson（1997）[33]以及Zhao [34]的研究。Azadi等人[35]使用CFD研究了旋风器尺寸的影响[35]。许多研究调查了不同数学模型和相关性关系在估算切割粒径和旋风器性能方面的潜力。在此背景下，Zhao等人[36]、Mumcu和Avci（2023）[37]、Pukkella等人[38]、Wang等人[39]以及Jokovi?等人[40]是引人注目的例子。

如上所述，关于旋风分离器的众多实验、理论和数值研究已开展并发表。这些研究中出现的总体趋势是，随着旋风器直径的减小，分离效率增加，换言之，临界粒径减小。然而，减小旋风器尺寸时分离效率是否总是增加以及这是否有限制的问题尚未得到解决。本研究探讨这些问题，并呈现发现。因此，主要目标是调查是否存在一种旋风器尺寸，在几何相似且流体入口条件相同的旋风器中产生最小的临界粒径，如果存在，则对其进行估算。为此，首先使用文献中的实验数据评估旋风器尺寸的影响。然后，重新评估文献中用于估算临界粒径和分离效率的理论和统计模型方法，以查看是否达到极限旋风器尺寸。为得出该结论而选择的数学模型将详细说明，并从该模型获得极限旋风器直径，与实验研究获得的结果进行比较。

在实际应用中，由于流量是固定的，减小旋风器尺寸将需要使用更多相似的并联旋风器以恒定速度运行以维持相同的流量。在本研究中，假设在恒定流量条件下，将以恒定入口速度使用相似的并联旋风器，并且它们的性能将完全相同。

在本研究中，我们调查了旋风器直径和临界粒径的相对变化，而不是估算绝对值。因此，相应地提供了关系和评估。

章节摘要

材料与方法

为了考察旋风器尺寸对临界粒径的影响，首先评估了实验研究的结果。为达到此目的，最合适的 数据可从旋风器系列的研究中获得。在此背景下，在考察的尺寸范围内评估了GK、SCC、VSCC、ESCC、Z、SFYB、YVS（高效Stairmand）和Lapple旋风器系列的实验结果。

结果与讨论

在所考察的模型中，已选择了四个模型来表征旋风器直径与临界粒径关系方面的不同情况。选择了Barth、Leith-Licht、Muschelknautz和Avci-Kara?oz模型。Barth模型以平方根方式变化，而Leith-Licht的尺度变化比Barth模型更慢。另外两个模型有可能证明极限旋风器直径的存在。

结论

临界粒径是估算旋风过滤器分离性能的最重要参数之一。较小的临界粒径通常表示更高的效率。因此，我们的目标是减小临界粒径。通过选择改善性能的几何比来实现良好的设计。根据理论模型方法，提高该设计效率最有效的方法之一是减小旋风器尺寸，而另一个方法是

作者贡献声明（CRediT）

Rumeysa Yalindag：撰写——初稿、软件、调查、正式分析。Atakan Avci：撰写——初稿、监督、方法论、调查、概念构思。Irfan Karagoz：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

Rumeysa Yalindag|Atakan Avci|Irfan Karagoz