旋风集尘器/分离器 的原理及设计参数

 本帖最后由 bombcat 于 2010-11-4 12:22 编辑

看了很多木有们DIY的旋风分离器，真是八仙过海各显神通，做出来的尺寸、比例也是五花八门。在翻阅了论坛上关于旋风集尘器的帖子之后，感觉多数木有的DIY主要还是以模仿为主，似乎缺少那么点理论依据，于是我查阅了一些技术资料。看过之后感觉在工业上要比较准确地分析和设计一个旋风分离器还是很复杂的，需要考虑风压、流速、粉料粒径、密度、粘度、桶壁光滑程度等诸多因素，这些对于我们收集木屑的用途来说过于复杂了，很多数据也是不可能掌握的，所以我本着避繁就简、简单实用的原则摘录一些资料，希望能对以后DIY旋风分离器的木友有所帮助。

工业上最常用的旋风式分离装置有两种形式：
①旋风分离器：切向入口，本体为筒体+锥体型

这种形式的旋风分离装置最常见，当然其入口、出口及灰斗处都有若干种变形可供选用，后面细说。木有们DIY的旋风集尘器大多也是这个原理的，起码都是入风口在本体的切向，但DIY的集尘器本体就只是一个锥体，没有做成筒体+锥体形式的，可能是受国外那个成品旋风分离器DUST DEPUTY的影响吧。

绝大多数DIY这种造型分离器的木有都是采用花瓶作为锥体本体，比如=saga=f117whw做的这个：

②旋风管：具有轴向导流叶片入口，本体为直筒型

在木有DIY的集尘器中有类似这样旋风管结构的，比如xuelichina做的“大型旋风集尘器”

以及 岳阳楼 用饮水机水桶改造的集尘器：

这两位木有的集尘器虽然本体是直筒结构，但进风口还是采用与筒体切向，而不是标准旋风管那样从筒体顶盖处轴向进风。从筒体顶盖轴向进风的好处是气流轴向对称，且因采用导流板，给进气流一定的向下的速度，使夹杂着灰尘的空气更快地向下运动，而不仅仅是靠重力。

先说说旋风式分离器的一些基本概念和原理吧。按照第一张图所示，夹杂着尘粒的气体从进气口进入筒体后，沿筒内壁做向下的旋转运动，在这个过程中由于离心力的作用，气流内的尘粒被甩向桶壁，实现气体和固体的分离，尘粒在重力作用下沿桶壁旋转下降落入灰斗。这个由上而下沿桶壁的旋流叫外旋流。锥体使得外旋流的旋转半径不断减小，根据“旋转矩”不变原理，在锥体里外旋流的切向速度不断提高。当气流到达锥体某一位置，既在分离器中部形成由下而上的旋风，并由排气口排除，这个中部的由下而上的旋流称为内旋流。外旋流转化为内旋流的区域称为回流区。

下面说说旋风式集尘器的设计要点：

1.筒体直径 D0
一般来说筒体直径越小，旋转半径也越小，尘粒所受离心力越大，分离器的效率也就越高。但当筒体直径过小的时候，桶壁和内插的排气管壁之间距离过小，容易造成尘粒反弹至中心上升气流中被带走，反而使分离效率降低。

2.筒体及锥体高度 H
通常高效率的旋风分离器都有较大的高度比例，它不但使进入筒体的尘粒停留时间增长，有利于分离，而且能使上旋流中夹带的尚未达到排气管的尘粒有更多机会从上旋流中分离出来， 从而提高分离效率。
一般来说圆筒段的高度 h=(1.5~2)D0
圆锥段的高度 （H-h）=(2~2.5)D0
也就是说分离器的总高度 H是筒体直径D0的3.5~4.5倍

科学地确定某个旋风分离器的高度还是比较繁琐的，其中设计到自然涡旋长度等概念，不过这里有个稍简单的公式可以参考：
(H-S)/D0=-1.09(Ax/Ain)+4.49
H——分离器高度
S——排气管插入深度
D0——筒体直径
Ax——排气口截面面积
Ain——进气口截面面积
这个结论是MacLean等人1978年申请的专利，但并未说明这个最优高度是如何发现的。

此外还有两个参数与圆锥段的高度（H-h）密切相关，就是圆锥体的半锥角α和排灰口直径D2。
半锥角α，就是锥体壁与垂直线之间的角度，一般取13°~15°。这个角度不宜过大，如α过大，气流旋转半径快速缩小，容易造成内旋流撞击器壁，从而带走沿器壁旋转下降的尘粒，降低分离效率。
排灰口直径D2的大小要适中，一般取D2=(1/2~4/5)de     注：de是出风管直径
排灰口尺寸过小容易造成尘粒不能及时排出，而直径过大则会有较多气流进入灰斗，将已捕集的灰尘重新卷起。

3.进风口形式
根据前面讲的旋风分离装置的分类，进风口可分为切向和轴向两大类。轴向进口是最好的形式，它可以最大限度地避免进入气体与旋转气流之间的干扰。
对于切向进风口来说，蜗壳式要优于简单的切向进风，因为蜗壳式进口可以减少气流对筒内气流的冲击和干扰。而且蜗壳式进口加大了入口气流与中心排气管的距离，不但可以避免入口气流直接冲击排气管对排气管本身的造成的荷载，还可以避免入口气流直接从排气口逃逸。

4.进风口的形状
对于进风口的形状，一般有矩形和圆形两种。从效果上讲圆形管与桶壁只有一点相切，而矩形口与桶壁有一条边相切，所以矩形口效果更佳。但对于木友DIY来说，因为用到的集尘软管都是圆形的，要做圆形转矩形的转接头比较麻烦，而且真要做的话这个转接头还要尽量的长（平滑转换），以避免产生过多紊流，所以恐怕对于木友DIY而言还是选圆形进口更现实一些。

5.进风口位置
最佳的进风口位置应该是紧贴本体的顶盖，否则会在进风口和顶盖之间产生上旋流，并在顶盖附近形成灰环，而这个灰环中的尘粒在下降过程中比较容易通过排风口逃逸。
灰环的直观形态可参见=saga=f117whw的透明上盖集尘器视频：  http://www.56.com/u83/v_NTEzODcyMzI.html

6.排气管形式
在相同直径下，排气管下段采用收缩的形式既不影响分离效率，又能降低压力损失。

7.排气管直径 de
在一定范围内，排气管直径越小，分离效率越高，但压力损失也越大，反之亦然。当D0/de=2.5~3时分离效率最高，如在此基础上再减少排气管直径，则效率提升缓慢，但压力损失骤增。一般常取de=(0.3~0.5)D0

8.排气管插入深度 hc
这也是个关键参数，插入深度过大，排气管与锥体底部的距离就缩短了，这回减少气体在桶内旋转的圈数，同时也更容易吸起灰斗中已经捕集的尘粒，同时插入深度过大还会造成旋流与排气管外壁摩擦增加，从而增大压力损失。但插入深度过小甚至不插入则会使内旋流不稳定，同时也容易造成气流短路，降低分离效率。所以插入深度要适当，一般取hc≥0.8a (a是进气口高度)，通常在没有特殊考虑的时候会取hc=a，也就是排气管下沿和进气口下沿持平。

9.排料口及灰斗
下图是4种常用的排料口结构：

它们的性能如下表：

最简单的a型排料口分离效率最低，因为旋涡尾部会延伸到灰斗中已捕集的尘粒表面，并夹带其中一部分尘粒逃逸。
b型是在锥体底部和灰斗之间增加一段圆筒（高度通常至少是旋风分离器本体的一半），这被认为是最佳设计，但因所需轴向空间太大，现实中往往不能实现。
c和d都是通过加装稳涡器来实现的，稳涡器的作用是在涡旋尾部提供一个平滑的表面，让旋涡可以附着在它上面，帮助旋转涡稳定在中心处。这种设计时在没有充足的轴向高度实现b的时候一个很好的折中。
在使用稳涡器的时候要，要给稳涡锥周围留出足够的空间，在c结构中，如果排料口尺寸为3/4de（de是排气管直径），那图中间隙空间约为1/3de。稳涡锥本身的角度为90°~120°。

灰斗也就是木友DIY时常用的大桶，它的密封尤其重要，否则漏气容易扬起已捕集的尘粒。


最后根据上面这些原理、原则，对前面引用的几位木友的作品稍作点评，如有谬误之处，请几位木友不要怪罪。

=saga=f117whw的分离器比较明显的一个问题是锥桶偏矮胖了，这样不利于提高分离效率，另外出灰口直径过大，甚至比排气管直径还大很多。

xuelichina的“大型旋风集尘器”是直筒结构，筒体紧凑，但进出风口尺寸显得过大了，进口气流明显会直接冲击到插入的排风管上。

岳阳楼这个用矿泉水桶改造的分离器也存在本体直径过大的问题，同时因为水桶本身形状的原因进气口距离筒体上盖较远，恐怕会形成比较严重的上灰环，造成细小粉末逃逸。

虽然理论上各位木友的设备还都有改进的余地，但是受材料和加工手段所限，用塑胶制品DIY改造的话还是很难面面俱到的。不过我也看到有些木友是采用白铁钣金的方式来制作旋风分离器，这样做的话在材料和造型上就不太受什么限制了，应该可以达到更接近理论完美的水平。