再谈旋流板设计计算

旋流板技术问世50多年，在理论研究和应用技术方面都趋于成熟。笔者在上世纪八、九十年代先后发表过文献[1]~[4]，认为已经比较充分地解决了旋流板几何参数准确计算的问题。近日拜读文献[5]等若干涉及旋流板几何参数设计方面的文章，觉得尚需作一些澄清，同时有必要上溯到工艺设计阶段的部分内容加以介绍，以求更加准确地理解旋流板尺寸设计的真谛。为保持连贯性并避免概念混乱，所有字符的含义以及附图均沿用文献[1]~[4]。1　对文献[5]的商榷意见文献[5]介绍了计算机辅助几何设计CAGD（ComputerAidedGeometryDesign）软件用于旋流板尺寸设计的心得。运用现代计算机应用新技术解决比较繁琐的旋流板几何参数计算问题，无疑是十分有益的尝试，前提在于输入条件的充要性和准确性。就文献[5]所举实例看，至少存在两方面重要偏差：其一，对旋流板几何参数计算必要的初始参数（文献[5]称关键参数）的识别不准确；其二，实际上已经把叶片厚度定义为0。旋流板几何参数设计计算的初始参数，应该是罩筒内径（即叶片外径）Dz、盲板直径Dm、叶片仰角α、叶片数m、叶片厚度δ，这些初始参数根据工艺专业指定的旋流板开孔面积A0，通过选取或者试算确定。如果有切圆，切圆直径Dq也是初始参数，实际工程中绝大多数选用切向板（即切圆同盲板圆再谈旋流板设计计算王志雅（上海互联环保工程技术中心，上海　200086）摘　要　通过对《旋流板捕雾器的三维参数化设计与应用》中部分内容的讨论，澄清一些对旋流板设计计算不正确的观点。展示一个旋流板实例的设计计算过程，进一步阐述旋流板设计计算的程序和方法。关键词　旋流板；设计；计算中图分类号：TQ015　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：2095-817X（2015）01-0026-003收稿日期：2014-08-20作者简介：王志雅（1946—），男，高级工程师，主要从事烟气脱硫等环保工程的设计及总承包管理。重合），极少有切圆的例子，所以这里不讨论这个参数。根据上述初始参数，利用文献[1]~[4]提供的公式，可以准确计算出旋流板全部几何参数，包括罩筒高度hz（文献[5]称罩筒长度）、叶片径向角β、叶片外缘曲线的弦长l以及绘制旋流板零部件施工图的全部参数。文献[5]认定的初始参数中没有叶片厚度，而代之以罩筒高度，这显然不对。叶片厚度不可能由其它参数计算得出，只能由设计者预计腐蚀速率依据工程经验选定。罩筒高度也只能由上述初始参数通过计算得出，不应该是设计者任意选定的。而且，文献[5]的表1中，罩筒高度的数值230mm也是错误的，经计算应该是199mm。从文献[5]通篇的表述以及附图可以看出，该文实际上已经把旋流板叶片厚度定义为0了，这既不合乎常理，也会对旋流板的设计造成误差。业内公认（金属板制）旋流板的制造通常有两种方法：其一是叶片和盲板整体下料，将每片叶片的开缝线切开，并把各叶片按图纸扳成仰角，再将叶片外缘同罩筒焊接；其二是各叶片及盲板分别下料，再按规定的仰角将各叶片同罩筒及盲板组焊。第一种方法制作简单，容易保证尺寸正确，所以采用较多。这种方法本身决定了其叶片投影重叠度ε略小于零。文献[5]认为“对于捕雾和除尘操作而言，要求重叠度ε略大于零，即旋流叶片的水平投影有重叠且无缝隙。所以本设备的制造必须采用第二种方法进行制造”。可能该文担心叶片的水平投影没有重叠会发生泄漏，这其实是一种误解，旋流除雾板的气流穿孔速度是比较高的，在气流的夹带下不会发生泄漏。实际工程中大量在用的旋流除雾板，绝大多数是按第一种··化工与医药工程第36卷　第1期　2015年2月出版ChemicalandPharmaceuticalEngineering2015，36(1)装备应用与研究　方法制造的。文献[5]认为“适当减少叶片数量（m=12~18），可以减少雾滴分散程度，便于回收”。这也是对旋流板收雾过程的一种误解。旋流板叶片数的多少对收雾效率并没有显著影响，在旋流板设计中，叶片数同罩筒直径有关，叶片数m的选取一般要调整罩筒高度hz及叶片外缘曲线的弦长l在适当的尺度，不要过大或者过小。此外，叶片数m通常选择为偶数。文献[5]认为“旋流板叶片与罩筒之间的相交线是一段三维曲线”，这是不对的，平面同圆柱面的相交线只能是二维曲线。旋流板叶片与罩筒之间的相交线是一段椭圆弧，这在文献[1]中已经有详细的描述。文献[5]还认为“不论采用多么精确的尺寸和约束条件，由于直线和圆弧不可重合的特点，旋流板叶片与盲板之间的连接肯定存在间隙（除非叶片个数无穷大）”。这里说的是用第二种方法制造的旋流板，但该文显然对旋流板叶片与盲板之间的连接情况存在误解。用第二种方法制造的旋流板，其叶片同盲板连接的部分是与盲板圆柱面完全吻合的一段椭圆弧，这在文献[1]中也已经有详细的描述。2　旋流板设计计算实际工作中旋流板从工艺到设备专业的设计常常由同一人完成，即便划分专业阶段，最好设备专业人员能掌握一些工艺计算知识，工艺专业人员能掌握一些设备计算知识，更利于上下游沟通衔接，避免差错。为此，本文除了不再重复文献[1]~[4]已经介绍的旋流板几何参数计算公式的推导外，将旋流板设计的介绍向前延伸到工艺设计阶段的相关内容。为简单明了，同样也举一旋流除雾板的实例加以说明。某WSA（WetSulphurAcid）湿法硫酸装置的尾气，经水洗后用旋流板除雾，水洗塔内径为2m。水洗后尾气的温度为35℃，压力为0.1MPa（abs），其成分及流量如下表：成分流量/kg/hN220540CO2970NO23O22620SO219H2O800H2SO40（水洗前＞1）NO1Argon351总量25304经计算，气流重度γ=1.28kg/m3，流量V=19768.75m3/h=5.49m3/s。选择按第一种方法制作的外向切向旋流板，由于系统压降的限制，要求旋流板阻力（压降）△P不大于250Pa（即25mmH2O）。首先，选择旋流板的气流穿孔强度因子F0。对于旋流除雾板，F0一般可在11~17之间选取，本例选取F0=15kg0.5/m0.5s。用公式（mmH2O）校核旋流板压降，其中ξ0为阻力系数，由于气流通过旋流板前没有同向旋转运动，应当取ξ0=1.7；取重力加速度g=9.81m/s2。经计算△P=23.5mmH2O，符合压降要求。用公式计算所需要的旋流板开孔面积，经计算A0=0.4142m2。上述工艺设计的计算公式和方法均源自文献[6]。下面利用文献[1]~[4]中的相关公式计算旋流除雾板的各项几何参数。首先根据工况和工程经验选取叶片数m=40、叶片（和盲板）厚度δ=0.003m、叶片仰角α=25°、罩筒内径Dz=1.984m，由于需要采用价格昂贵的904L不锈钢制作除雾板，罩筒厚度也选取3mm。再利用公式计算出盲板直径Dm=1.570m。用公式计算得sinβ=0.79133，进而得β=-52.31°（外向板取负值）。用公式和，由试差法求得和=39.660°。用公式计算得罩筒高度hz=0.102m。用公式计算得叶片外缘曲线弦长l=0.156m。接下来进入旋流板施工图绘制阶段。组装后的旋流板部件图，无论二维投影图还是三维图形的绘制都没有太大难度，本文就不再冗述。这里仅就部分同仁反映比较困难的落料图的画法，通过本案例作一介··王志雅.再谈旋流板设计计算绍。这是一个很典型的大盲板的案例，比较一般的情况可以参看文献[4]中提供的实例。图1是旋流板叶片和盲板连在一起的落料图，图中可以看出，开缝线全部切开后，每片叶片同盲板仍然有一小段连接在一起，当叶片按图纸规定角度扳成仰角时，叶片同盲板连接的局部发生扭曲塑性变形。图2是单片叶片的落料图，它给出每片叶片的详细尺寸，以便准确地绘出图1。在有电脑控制的自动切割设备的条件下，将图1和图2的信息输入电脑，可以实现按设计自动准确地下料加工。至于落料图尺寸的计算公式以及绘制方法，在文献[1]及[4]中已有详细说明，这里就不再重复。图1　叶片及盲板落料图Fig.1　Theblankingdrawingofvanesandblindplate图2　单片叶片落料图Fig.2　Theblankingdrawingofvane不断有同仁反映旋流板设计计算繁杂而不易搞懂，其实旋流板几何参数的计算虽然繁琐但并不高深，只要按照合理的步骤，使用电子计算器就能快捷地完成。如果在电脑上利用Excel工作表编个小程序，使用起来会更方便自如。参考文献[1]王志雅.旋流板叶片落料图的画法[J].化工机械，1979，(6):38.[2]王志雅.对旋流板开孔面积计算的浅见[J]．化工设备设计，1981,18(1):4-8．[3]王志雅．对旋流板开孔面积计算的浅见补篇[J]．化工设备设计，1982,19(2):27．[4]王志雅．旋流板几何参数的设计计算[J]．化工设备设计，1996,33(1):16-19．[5]穆传冰．旋流板捕雾器的三维参数化设计与应用[J]．化工设备与管道，2012,49(2):24-27．[6]谭天恩．旋流板技术及其在化肥工业中的应用[J]．化肥工业，1978（旋流板专辑）：3-27．Re-discussionofCalculationandDesignofWhirlwindPlateWangZhiya（ShanghaiInternetEnvironmentalTechnologyCenter,Shanghai,200086）Abstract:Bydiscussingthecontentin“3DParametricalDesignandApplicationofWhirlwindFog-removalDevice”,someincorrectnessinthedesignofwhirlwindplatewasclassified.Exampledwiththecalculationprocessforonewhirlwindplate,theprocedureandmethodfordesigningandcalculatingwhirlwindplateweredemonstrated.Keywords:whirlwindplate;design;calculation··化工与医药工程第36卷　第1期　2015年2月出版ChemicalandPharmaceuticalEngineering2015，36(1)