梯级阵列纵向涡尘雾聚并系统

1.本发明涉及工业除尘(雾)领域，尤其涉及梯级阵列纵向涡尘雾聚并系统和设计方法。


背景技术：

2.工业领域的多种场合面临除尘(雾)的要求，达到资源回收再生和环境保护的目的。比如，冷却塔中的水雾收集，电厂烟气处理中的细颗粒污染物过滤，冶金、机械加工产生的粉尘回收，海洋船舶进气系统中的盐雾气溶胶滤清等。
3.除尘(雾)装置的基本原理包括惯性拦截和静电吸附，两种机理均使目前的除尘(雾)装置对于微米级以上大颗粒的滤除能力较高，但对于亚微米或纳米级颗粒，由于惯性效应微弱，气流随动性强，荷电量小，滤除效率较低，远未达到收集和排放要求。
4.解决微小颗粒滤除困难问题的基本途径是将小颗粒聚并为大颗粒。目前采用的聚并方式为湍流聚并和荷电聚并，其中荷电聚并利用异性电荷相吸使颗粒碰撞，聚并效率较高，但需要附加电能输入，能耗较高，湍流聚并利用流场中的湍流扩散效应实现颗粒的碰撞，具有一定的随机性，聚并效率不高。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种梯级阵列纵向涡尘雾聚并系统，可将涡流由无序变为可控，无需附加电能输入即可大幅提高颗粒聚并效率，达到聚并除尘(雾)系统高效低耗的目的。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种梯级阵列纵向涡尘雾聚并系统，系统流道内具有梯级阵列纵向涡发生器和尘雾收集装置，所述的梯级阵列纵向涡发生器位于尘雾收集装置上游，所述的梯级阵列纵向涡发生器内具有若干组涡流元件，若干组涡流元件中相邻两组涡流元件组中涡流元件的尺寸沿系统流道主流方向按组渐次扩大。
7.进一步的，每组涡流元件内的涡流元件呈阵列排布，系统流道同一流向上的相邻两个涡流元件组诱发的纵向涡的尺寸、强度、方向均相同，相邻纵向涡内随涡旋动的小惯性颗粒轨迹相交。
8.优选的，所述的涡流元件为斜置凸片，系统流道同一流向上的涡流元件中的各个斜置凸片的沿系统流道的流道壁面的展向尺寸和凸出尺寸沿系统流道主流方向渐次扩大。
9.优选的，所述的涡流元件为凹槽结构，系统流道同一流向上的涡流元件中的各个凹槽结构的凹面深度和凹面面积沿系统流道主流方向渐次扩大。
10.优选的，所述的涡流元件为螺旋片，系统流道同一流向上的涡流元件中的各个螺旋片的叶片宽度或者攻角沿系统流道主流方向渐次扩大。
11.进一步的，所述的涡流元件安装于系统流道的流道壁面。
12.进一步的，所述的系统流道内具有通道式的格栅，所述的涡流元件安装于格栅的内壁面。
13.进一步的，所述的尘雾收集装置具有颗粒收集结构，该颗粒收集结构的结构密度与梯级阵列纵向涡发生器出口的颗粒尺寸分布相适配。
14.进一步的，所述的梯级阵列纵向涡发生器的涡流元件尺寸采用如下步骤确定：
15.a、根据可衡量颗粒物气流随动性的斯托克斯数(st)的定义：
[0016][0017]
其中，ρ
p
为颗粒本身的密度，u为气流速度，d
p
为颗粒物尺寸，μ为气流动力粘度，l为扰流元件尺度，st数的物理意义是颗粒松弛时间和流动特征时间的比值，st数越小，颗粒跟随性越强，越容易随涡旋动，st数越大，颗粒跟随性越弱，越容易与涡流间产生滑移；
[0018]
b、根据st数的定义，涡流元件尺度按下式确定：
[0019][0020]
c、获得含尘雾气流中的颗粒物尺寸分布后，令st＝0.1i，其中i＝1～n，计算出各尺寸级别颗粒随涡旋动所需的元件尺度l
a,i
，其中i＝1～n，l
a,i
为第n级颗粒尺寸级别对应的旋动尺度；
[0021]
d、令st＝2，计算最大尺寸级别n级颗粒与纵向涡间产生速度滑移所需的元件尺度l
b，n
，l
b，n
为最大滑移尺度；
[0022]
e、第1级涡流元件尺度确定为1级颗粒尺寸级别对应的旋动尺度l
a，1
，第2级涡流元件尺度确定为2级颗粒尺寸级别对应的旋动尺度
la，2
，第(n-1)级涡流元件尺度确定为n-1级颗粒尺寸级别对应的旋动尺度l
a，(n-1)
；确保最大旋动尺度小于最大滑移尺度，即确保l
a,i,max
＜l
b，n
，即当某级颗粒旋动尺度大于最大级颗粒的滑移尺度时，不再增大涡流元件的尺度。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
含尘雾气流经过涡流元件时，形成一系列纵向涡。同一纵向涡内，小颗粒随涡旋动，大颗粒轴向运动，不同尺寸颗粒间的速度滑移提高了颗粒间的聚并概率，使颗粒整体尺寸沿流向逐渐增大。并排相邻的纵向涡旋流方向一致，随涡旋动的小颗粒间碰撞概率提高，也使颗粒尺寸沿流向逐渐增大。涡流元件尺寸逐渐扩大，目的在于形成尺寸和强度更大的纵向涡，使部分颗粒始终保持随涡旋动，即以梯级阵列纵向涡维持颗粒间的高碰撞聚并概率。流出纵向涡发生器的颗粒具有足够大的尺寸，适应下游除尘雾装置的惯性分离要求，达到高效除尘雾的目的。
[0025]
1、单一纵向涡内，小颗粒与大颗粒间产生显著的轨迹交叉和速度滑移，提高大、小颗粒间的碰撞聚并概率；展向相邻纵向涡方向相同，轨迹相交，旋动小颗粒持续碰撞，提高小颗粒间的聚并效率；通过沿系统流道主流方向按组渐次扩大的涡流元件；
[0026]
2.纵向涡尺寸强度沿主流方向以可控幅度扩大，适应长大颗粒的随涡旋动，重复实现上述的碰撞聚并强化机理；
[0027]
3.纵向涡显著扩大了颗粒物在有限流道空间内的行进距离，延长了颗粒物的滞留时间，以此间接提高碰撞聚并概率；
[0028]
4、阵列纵向涡发生器出口的颗粒物粒径普遍长大到微米级以上，使下游尘雾收集装置的滤除效率大幅提高，可减小尘雾收集装置的结构密度，以减小气动阻力，降低系统能
耗。
附图说明
[0029]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0030]
图1是采用本发明的实施例。
[0031]
图2是图1中格栅单通道、单个壁面的凸片安置示意图。
[0032]
图3是图1中格栅单通道的四级凸片安置示意图。
[0033]
图4是本发明实施例所聚并的雾滴群的尺寸分布图。
[0034]
图5是本发明中单一纵向涡内不同尺寸颗粒聚并增强机理的示意图。
[0035]
图6是本发明中展向相邻纵向涡间同尺寸等级小颗粒聚并增强机理示意。
[0036]
图中1、四级凸片组 2、三级凸片组 3、二级凸片组 4、一级凸片组 5、格栅壳体 6、法兰 7、单通道 8、上游凸片 9、初始大颗粒 10、大颗粒轨迹 11、小颗粒 12、聚并大颗粒 13、纵向涡 14、下游凸片 15、同组相邻凸片。
具体实施方式
[0037]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
[0038]
对应如图4所示的雾滴群，设计如图1至图3所示的梯级阵列纵向涡尘雾聚并系统。
[0039]
雾滴为含盐水滴，雾滴密度ρ
p
＝1100kg/m3，气流速度为u＝5m/s，气流动力粘度17.9
×
10-6
pa
·
s，颗粒物最小尺寸5μm，最大尺寸45μm，分为9个尺寸级别。在300mm
×
300mm的流道中，进行除雾系统设计。
[0040]
根据经验数据，st数分别取0.1、0.2、0.3、
…
、0.9来计算对应的la。
[0041][0042]
令st＝0.1，计算l
a,1
，得l＝4.244mm，取l
a,1
为4.3mm。
[0043]
令st＝0.2，计算l
a,2
，得l＝8.488mm，取l
a,2
为8.5mm。
[0044]
令st＝0.3，计算l
a,3
，得l＝12.731mm，取l
a,3
为12.8mm。
[0045]
令st＝0.4，计算l
a,4
，得l＝16.975mm，取l
a,4
为17mm。
[0046]
令st＝0.5，计算l
a,5
，得l＝21.219mm，取l
a,5
为21.3mm。
[0047]
令st＝0.6，计算l
a,6
，得l＝25.463mm，取l
a,6
为25.5mm。
[0048]
令st＝0.7，计算l
a,7
，得l＝29.707mm，取l
a,7
为30mm。
[0049]
令st＝0.8，计算l
a,8
，得l＝33.951mm，取l
a,8
为34mm。
[0050]
令st＝0.9，计算l
a,9
，得l＝38.194mm，取l
a,9
为38.2mm。
[0051]
令st＝2，计算l
b，9
，得l＝17.284mm，即l
a，imax
＜l
b，9
时，i取4。
[0052]
故至l
a，4
为止，不再增大涡流元件的尺度。
[0053]
取单通道755mm
×
55mm，共25个通道组成一个通道格栅。
[0054]
一般工业管道内的流动核心区处于湍流状态，具有较为显著的展向速度分量，有利于颗粒间的相互作用和聚并，但在近壁面区域，流动具有分层的特点，展向速度分量小，不利于颗粒间的相互作用和聚并。为进一步强化通道核心区的颗粒聚并，可在流道中设置通道式格栅，在格栅内壁面安装涡流元件。格栅越密，颗粒聚并的强化程度越高。
[0055]
如此，根据上述计算，设计如下梯级阵列纵向涡尘雾聚并系统，包括格栅壳体5，格栅壳体5内的设有呈5*5矩形阵列分布的格栅，将格栅壳体5内分隔呈5*5的格栅单通道7。每个格栅单通道7分布有四组凸片组，分别为一级凸片组4、二级凸片组3、三级凸片组2、四级凸片组1。
[0056]
一级凸片组4、二级凸片组3、三级凸片组2、四级凸片组1沿单通道7内的主流方向依次分布。其中每个凸片组内的各个凸片结构、尺寸均相同，固定在单通道7的壁面上。相邻两个凸片组内的凸片尺寸，为渐次增大，便于使单通道7内的纵向涡尺度和强度沿主流方向逐渐提高，便于适应逐渐增大的颗粒尺寸。
[0057]
在上述梯级阵列纵向涡尘雾聚并系统中，尘雾收集装置的结构密度取决于纵向涡发生器出口的颗粒尺寸分布，因聚并后的颗粒尺寸较大，惯性效应显著，尘雾收集装置可以较低的结构密度达到较高的收尘雾效率，达到充分减低流动阻力、降低系统能耗的目的。比如，对于折流叶片式尘雾收集装置，对应逐渐增大的颗粒，可扩大叶片间距或减小折转角；对于轴流旋风式尘雾收集装置，可减小叶片厚度或叶片攻角；对于编织结构式尘雾收集装置，则可采用较小的织物丝径或较大的网孔尺寸。
[0058]
相应的，在本发明中，涡流元件的结构形式也并不仅仅局限于上述实施例中的凸片，也可设为凹槽结构或者螺旋片。当涡流元件设计为凹槽结构，则系统流道同一流向上的涡流元件中的各个凹槽结构的凹面深度和凹面面积沿系统流道主流方向渐次扩大。当涡流元件设计为螺旋片，则系统流道同一流向上的涡流元件中的各个螺旋片的叶片宽度或者攻角沿系统流道主流方向渐次扩大。上述设计目的在于使单一阵列(单通道)的纵向涡尺度和强度沿主流方向逐渐提高，适应逐渐增大的颗粒尺寸。
[0059]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。