[自制工具]旋風(fēng)集塵器分離器的原理及設(shè)計(jì)參數(shù)

1、看了很多木有們DIY的旋風(fēng)分離器，真是八仙過(guò)海各顯神通，做出來(lái)的尺寸、比例也是五花八門(mén)。在翻閱了論壇上關(guān)于旋風(fēng)集塵器的帖子之后，感覺(jué)多數(shù)木有的DIY主要還是以模仿為主，似乎缺少那么點(diǎn)理論依據(jù)，于是我查閱了一些技術(shù)資料?？催^(guò)之后感覺(jué)在工業(yè)上要比較準(zhǔn)確地分析和設(shè)計(jì)一個(gè)旋風(fēng)分離器還是很復(fù)雜的，需要考慮風(fēng)壓、流速、粉料粒徑、密度、粘度、桶壁光滑程度等諸多因素，這些對(duì)于我們收集木屑的用途來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜了，很多數(shù)據(jù)也是不可能掌握的，所以我本著避繁就簡(jiǎn)、簡(jiǎn)單實(shí)用的原則摘錄一些資料，希望能對(duì)以后DIY旋風(fēng)分離器的木友有所幫助。工業(yè)上最常用的旋風(fēng)式分離裝置有兩種形式：旋風(fēng)分離器：切向入口，本體為筒體+錐體型這種形

2、式的旋風(fēng)分離裝置最常見(jiàn)，當(dāng)然其入口、出口及灰斗處都有若干種變形可供選用，后面細(xì)說(shuō)。木有們DIY的旋風(fēng)集塵器大多也是這個(gè)原理的，起碼都是入風(fēng)口在本體的切向，但DIY的集塵器本體就只是一個(gè)錐體，沒(méi)有做成筒體+錐體形式的，可能是受?chē)?guó)外那個(gè)成品旋風(fēng)分離器DUST DEPUTY的影響吧。絕大多數(shù)DIY這種造型分離器的木有都是采用花瓶作為錐體本體，比如=saga=f117whw做的這個(gè)：旋風(fēng)管：具有軸向?qū)Я魅~片入口，本體為直筒型在木有DIY的集塵器中有類(lèi)似這樣旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)的，比如xuelichina做的“大型旋風(fēng)集塵器”以及 岳陽(yáng)樓 用飲水機(jī)水桶改造的集塵器：這兩位木有的集塵器雖然本體是直筒結(jié)構(gòu)，但進(jìn)風(fēng)口還

3、是采用與筒體切向，而不是標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)管那樣從筒體頂蓋處軸向進(jìn)風(fēng)。從筒體頂蓋軸向進(jìn)風(fēng)的好處是氣流軸向?qū)ΨQ，且因采用導(dǎo)流板，給進(jìn)氣流一定的向下的速度，使夾雜著灰塵的空氣更快地向下運(yùn)動(dòng)，而不僅僅是靠重力。先說(shuō)說(shuō)旋風(fēng)式分離器的一些基本概念和原理吧。按照第一張圖所示，夾雜著塵粒的氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入筒體后，沿筒內(nèi)壁做向下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中由于離心力的作用，氣流內(nèi)的塵粒被甩向桶壁，實(shí)現(xiàn)氣體和固體的分離，塵粒在重力作用下沿桶壁旋轉(zhuǎn)下降落入灰斗。這個(gè)由上而下沿桶壁的旋流叫外旋流。錐體使得外旋流的旋轉(zhuǎn)半徑不斷減小，根據(jù)“旋轉(zhuǎn)矩”不變?cè)?，在錐體里外旋流的切向速度不斷提高。當(dāng)氣流到達(dá)錐體某一位置，既在分離器中部形成

4、由下而上的旋風(fēng)，并由排氣口排除，這個(gè)中部的由下而上的旋流稱為內(nèi)旋流。外旋流轉(zhuǎn)化為內(nèi)旋流的區(qū)域稱為回流區(qū)。下面說(shuō)說(shuō)旋風(fēng)式集塵器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1.筒體直徑 D0一般來(lái)說(shuō)筒體直徑越小，旋轉(zhuǎn)半徑也越小，塵粒所受離心力越大，分離器的效率也就越高。但當(dāng)筒體直徑過(guò)小的時(shí)候，桶壁和內(nèi)插的排氣管壁之間距離過(guò)小，容易造成塵粒反彈至中心上升氣流中被帶走，反而使分離效率降低。2.筒體及錐體高度 H通常高效率的旋風(fēng)分離器都有較大的高度比例，它不但使進(jìn)入筒體的塵粒停留時(shí)間增長(zhǎng)，有利于分離，而且能使上旋流中夾帶的尚未達(dá)到排氣管的塵粒有更多機(jī)會(huì)從上旋流中分離出來(lái)， 從而提高分離效率。一般來(lái)說(shuō)圓筒段的高度 h=(1.52)D0圓

5、錐段的高度 （H-h）=(22.5)D0也就是說(shuō)分離器的總高度 H是筒體直徑D0的3.54.5倍科學(xué)地確定某個(gè)旋風(fēng)分離器的高度還是比較繁瑣的，其中設(shè)計(jì)到自然渦旋長(zhǎng)度等概念，不過(guò)這里有個(gè)稍簡(jiǎn)單的公式可以參考：(H-S)/D0=-1.09(Ax/Ain)+4.49H分離器高度S排氣管插入深度D0筒體直徑Ax排氣口截面面積Ain進(jìn)氣口截面面積這個(gè)結(jié)論是MacLean等人1978年申請(qǐng)的專(zhuān)利，但并未說(shuō)明這個(gè)最優(yōu)高度是如何發(fā)現(xiàn)的。此外還有兩個(gè)參數(shù)與圓錐段的高度（H-h）密切相關(guān)，就是圓錐體的半錐角和排灰口直徑D2。半錐角，就是錐體壁與垂直線之間的角度，一般取13°15°。這個(gè)角度不宜

6、過(guò)大，如過(guò)大，氣流旋轉(zhuǎn)半徑快速縮小，容易造成內(nèi)旋流撞擊器壁，從而帶走沿器壁旋轉(zhuǎn)下降的塵粒，降低分離效率。排灰口直徑D2的大小要適中，一般取D2=(1/24/5)de 注：de是出風(fēng)管直徑排灰口尺寸過(guò)小容易造成塵粒不能及時(shí)排出，而直徑過(guò)大則會(huì)有較多氣流進(jìn)入灰斗，將已捕集的灰塵重新卷起。3.進(jìn)風(fēng)口形式根據(jù)前面講的旋風(fēng)分離裝置的分類(lèi)，進(jìn)風(fēng)口可分為切向和軸向兩大類(lèi)。軸向進(jìn)口是最好的形式，它可以最大限度地避免進(jìn)入氣體與旋轉(zhuǎn)氣流之間的干擾。對(duì)于切向進(jìn)風(fēng)口來(lái)說(shuō)，蝸殼式要優(yōu)于簡(jiǎn)單的切向進(jìn)風(fēng)，因?yàn)槲仛な竭M(jìn)口可以減少氣流對(duì)筒內(nèi)氣流的沖擊和干擾。而且蝸殼式進(jìn)口加大了入口氣流與中心排氣管的距離，不但可以避免入口氣流直

7、接沖擊排氣管對(duì)排氣管本身的造成的荷載，還可以避免入口氣流直接從排氣口逃逸。4.進(jìn)風(fēng)口的形狀對(duì)于進(jìn)風(fēng)口的形狀，一般有矩形和圓形兩種。從效果上講圓形管與桶壁只有一點(diǎn)相切，而矩形口與桶壁有一條邊相切，所以矩形口效果更佳。但對(duì)于木友DIY來(lái)說(shuō)，因?yàn)橛玫降募瘔m軟管都是圓形的，要做圓形轉(zhuǎn)矩形的轉(zhuǎn)接頭比較麻煩，而且真要做的話這個(gè)轉(zhuǎn)接頭還要盡量的長(zhǎng)（平滑轉(zhuǎn)換），以避免產(chǎn)生過(guò)多紊流，所以恐怕對(duì)于木友DIY而言還是選圓形進(jìn)口更現(xiàn)實(shí)一些。5.進(jìn)風(fēng)口位置最佳的進(jìn)風(fēng)口位置應(yīng)該是緊貼本體的頂蓋，否則會(huì)在進(jìn)風(fēng)口和頂蓋之間產(chǎn)生上旋流，并在頂蓋附近形成灰環(huán)，而這個(gè)灰環(huán)中的塵粒在下降過(guò)程中比較容易通過(guò)排風(fēng)口逃逸?；噎h(huán)的直觀形態(tài)可

8、參見(jiàn)=saga=f117whw的透明上蓋集塵器視頻： 6.排氣管形式在相同直徑下，排氣管下段采用收縮的形式既不影響分離效率，又能降低壓力損失。7.排氣管直徑 de在一定范圍內(nèi)，排氣管直徑越小，分離效率越高，但壓力損失也越大，反之亦然。當(dāng)D0/de=2.53時(shí)分離效率最高，如在此基礎(chǔ)上再減少排氣管直徑，則效率提升緩慢，但壓力損失驟增。一般常取de=(0.30.5)D08.排氣管插入深度 hc這也是個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，插入深度過(guò)大，排氣管與錐體底部的距離就縮短了，這回減少氣體在桶內(nèi)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，同時(shí)也更容易吸起灰斗中已經(jīng)捕集的塵粒，同時(shí)插入深度過(guò)大還會(huì)造成旋流與排氣管外壁摩擦增加，從而增大壓力損失。但插入深

9、度過(guò)小甚至不插入則會(huì)使內(nèi)旋流不穩(wěn)定，同時(shí)也容易造成氣流短路，降低分離效率。所以插入深度要適當(dāng)，一般取hc0.8a (a是進(jìn)氣口高度)，通常在沒(méi)有特殊考慮的時(shí)候會(huì)取hc=a，也就是排氣管下沿和進(jìn)氣口下沿持平。9.排料口及灰斗下圖是4種常用的排料口結(jié)構(gòu)：它們的性能如下表：最簡(jiǎn)單的a型排料口分離效率最低，因?yàn)樾郎u尾部會(huì)延伸到灰斗中已捕集的塵粒表面，并夾帶其中一部分塵粒逃逸。b型是在錐體底部和灰斗之間增加一段圓筒（高度通常至少是旋風(fēng)分離器本體的一半），這被認(rèn)為是最佳設(shè)計(jì)，但因所需軸向空間太大，現(xiàn)實(shí)中往往不能實(shí)現(xiàn)。c和d都是通過(guò)加裝穩(wěn)渦器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，穩(wěn)渦器的作用是在渦旋尾部提供一個(gè)平滑的表面，讓旋渦可以附

10、著在它上面，幫助旋轉(zhuǎn)渦穩(wěn)定在中心處。這種設(shè)計(jì)時(shí)在沒(méi)有充足的軸向高度實(shí)現(xiàn)b的時(shí)候一個(gè)很好的折中。在使用穩(wěn)渦器的時(shí)候要，要給穩(wěn)渦錐周?chē)舫鲎銐虻目臻g，在c結(jié)構(gòu)中，如果排料口尺寸為3/4de（de是排氣管直徑），那圖中間隙空間約為1/3de。穩(wěn)渦錐本身的角度為90°120°?；叶芬簿褪悄居袲IY時(shí)常用的大桶，它的密封尤其重要，否則漏氣容易揚(yáng)起已捕集的塵粒。最后根據(jù)上面這些原理、原則，對(duì)前面引用的幾位木友的作品稍作點(diǎn)評(píng)，如有謬誤之處，請(qǐng)幾位木友不要怪罪。=saga=f117whw的分離器比較明顯的一個(gè)問(wèn)題是錐桶偏矮胖了，這樣不利于提高分離效率，另外出灰口直徑過(guò)大，甚至比排氣管直徑還大很多。xuelichina的“大型旋風(fēng)集塵器”是直筒結(jié)構(gòu)，筒體緊湊，但進(jìn)出風(fēng)口尺寸顯得過(guò)大了，進(jìn)口氣流明顯會(huì)直接沖擊到插入的排風(fēng)管上。岳陽(yáng)樓這個(gè)用礦泉水桶改造的分離器也存在本體直徑過(guò)大的問(wèn)題，同時(shí)因?yàn)樗氨旧?/p>