螺旋式气固分离装置的改进

1. 问题描述

空气中的粉尘严重影响人体健康，采用除尘设备去除空气中粉尘的影响，对人们的生活健康起着重要作用。除尘器的种类繁多，包括机械式除尘器、过滤式除尘器、电除尘器和湿式除尘器四大类，其中机械式除尘器使用较早、操作方便，现多以旋风除尘器为主。由于其具有能捕集较小尘粒、气固分离效率高等优点，在工业除尘中应用较为广泛。

气固分离效率和压力损失是旋风除尘器追求的两个主要参数，但由于其效率较低，一般用作粗除尘。针对传统旋风除尘器存在分离室内下降气流与上升气流有相互干涉的不足，出现了螺旋离心除尘器。螺旋离心除尘器使气流在螺旋杆与离心筒组成的螺旋通道中旋转流动，克服了气流的干涉问题。尘粒在离心力和重力的作用下，会沿离心筒壁向下运动，但由于气流与尘粒在同一通道内，使气固分离效率受到限制。

一种处理方法是在离心筒上开出小孔，颗粒在离心力的作用下，从离心筒上的小孔飞离，达到除尘的目的。但这种做法对颗粒的飞行方向要求较高，部分颗粒仍残留在离心筒壁无法带出离心筒。同时，离心筒壁开有小孔，也使部分气流进入储尘器，从而搅动储尘器内粉尘飞扬，有部分粉尘会通过小孔返回到离心室，出现返混现象。

2. 基于基元模型的矛盾分析

螺旋离心除尘器的原理主要是依靠离心力的作用将运动至分离室外侧的粉尘与气体进行隔离。其最终目的是得到含尘量低的空气。而现有方案使得其分离效率不高，这是一个不相容问题。

根据可拓学的形式化描述，其条件物元为

L=M1= (Om1,cm1,vm1)=(分离室，分离效率，低)

目标物元为

G=M2= (Om2,cm2,vm2)=(分离后的气体，含尘量，低)

则该问题属于一个不相容问题，描述为

P=G*L=M 2↑M1=(Om2,cm2,vm2)*(Om1,cm1,vm1)

针对分离室外壁开设小孔的处理方案，运用事元的蕴含规则来分析上述问题产生的原因。由事元的蕴含规则，有

A 1⇐A2⇐A3⇐A4

其中，

从事元A蕴含的分析中可以看出，分离室中的尘粒能否穿过小孔，与其所受的作用力方向有关。分离室分离效率高体现在单位时间内通过小孔的尘粒数量较多。若增大小孔的尺寸，则气体和尘粒会一起穿过小孔，分离的可靠性不能保证。

在该问题中，可以抽出一组既相互制约又相互依存的矛盾参数。即待改善的参数为：物质或事物的数量（NO.26）；导致恶化的参数为：可靠性（NO.27）。这样可以利用TRIZ冲突矩阵进行求解。

3. 基于TRIZ创新原理的可行解预测

查询经典的TRIZ矛盾矩阵表，得到推荐的发明原理为：#18振动原理；#3局部特性原理；#28机械系统替代原理；#40复合材料原理。这些发明原理的具体内容如下。

振动原理#18 a. 使物体振动；b. 如果已在振动，则提高它的振动频率（达到超声波频率）；c. 利用共振频率；d. 用压电振动器替代机械振动器；e. 利用超声波振动同电磁场配合。

局部特性原理#3 a. 从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡到不一致结构；b. 物体的不同部分应当具有不同的功能；c. 物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件。

机械系统替代原理#28 a. 用光学、声学、味学等设计原理代替力学设计原理；b. 用电场、磁场和电磁场同物体相互作用；c. 由恒定场转向不定场，由时间固定的场转向时间变化的场，由无结构的场转向有一定结构的场；d. 利用铁磁颗粒组成的场。

复合材料原理#40 由同种材料转为复合材料。

根据上述原理得到启示：在分离室壁面单独设置一个区域，通过施加另一个作用力或场的作用，将全部尘粒带出离心筒。

4. 可行解的基元变换

根据TRIZ原理解的提示，可以在分离室边壁开设一区域来替代小孔，再让尘粒集中通过该区域即可。做变换T1，使

其中，

这样，就避免了对尘粒飞行方向高的要求，也大大减少了气体的含混。为了增加装置的可靠性，现只需考虑用什么方法使尘粒聚集。

参考静电除尘原理，可做变换T2，使

T 2 M1=M1⊕M11

其中，

M 11= 静( 电装置，功能，聚集颗粒)。

根据物元发散性（一征多物），有

M11−|{M12}

其中，M12=(喷雾装置，功能，聚集颗粒)。

因此，得到两种可行的方案解。方案一：采用静电装置来聚集颗粒；方案二：采用喷雾装置来将尘粒聚集。然后可选取相应的评价指标，利用可拓的优度评价方法对两种方案进行评估（略）。

5. 最终方案

改进后的螺旋气流通道的截面图如图7−12所示。在分离室中上部外壁上设有雾化喷嘴，其作用是由水雾捕获经由下部通道未分离出的微小颗粒，使其积聚成较大的颗粒状而分离。

图7−12 安装有雾化喷嘴的螺旋气流通道截面图

1—上裙板；2—下裙板；3—分离室外壁； 4—分离室下壁；5—细缝；6—喷雾装置

由于气流在螺旋气流通道内高速流动，必然会在侧壁细缝的附近产生一定的负压将在细缝附近飘动的微小尘粒再次带入螺旋气流通道内。因此，将改进装置的外壁和下壁分别向圆柱形密封罩侧壁的斜下方延伸形成上裙板和下裙板，以阻止尘粒再次带入螺旋气流通道内。同时，为从螺旋气流通道飞出的粉尘颗粒营造一相对平静的空间，以利于粉尘颗粒减速后沉降。改进后螺旋气固分离装置总体结构示意如图7−13所示。

图7−13 改进后的螺旋式气固分离装置的结构示意

1—螺旋气流通道；2—圆柱形密封罩；3—出口；4—锥形集尘器；5—法兰；6—螺栓；7—进口