多孔介質(zhì)散射器對(duì)濾筒除塵器清灰性能的影響研究

李嵐溪　胥海倫　劉　東　葉會(huì)文（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　綿陽　621010）

?

多孔介質(zhì)散射器對(duì)濾筒除塵器清灰性能的影響研究

李嵐溪胥海倫劉東葉會(huì)文
（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院綿陽621010）

【摘要】現(xiàn)有濾筒除塵器清灰存在濾筒頂部失效，底部壓力太大的缺點(diǎn)，提出采用多孔介質(zhì)氣體散射器進(jìn)行干擾濾筒除塵器內(nèi)清灰的流場，并采用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：噴嘴進(jìn)口壓力相同情況下，多孔介質(zhì)氣流散射器孔隙率為0.87時(shí)清灰性能最好；多孔介質(zhì)氣流散射器孔隙率相同情況下，噴嘴進(jìn)口壓力為0.5MPa時(shí)清灰性能最好。

【關(guān)鍵詞】濾筒除塵器；清灰性能；多孔介質(zhì)；數(shù)值模擬

0　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大氣污染日益嚴(yán)重，其中顆粒污染不但會(huì)對(duì)人體健康造成不同程度的危害，對(duì)大氣能見度、氣候、建筑物、動(dòng)植物也會(huì)有一定程度的影響[1]。除塵器是除塵行業(yè)的主力軍，其中濾筒除塵器由于具有特殊的褶皺構(gòu)造具有體積小、相對(duì)過濾面積大、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，從而使得濾筒除塵器的應(yīng)用日趨廣泛[2]。但由于濾筒結(jié)構(gòu)和脈沖流場特性等因素的影響，濾筒清灰時(shí)存在的頂部失效，底部壓力太大等問題仍是濾筒除塵器技術(shù)改進(jìn)的難點(diǎn)問題[3,4]。針對(duì)濾筒除塵器清灰而言，Yunlou Qian等人[5]通過實(shí)驗(yàn)得出最佳噴吹距離；林莉君等人[6]利用自制脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)得出了最佳噴吹組合方式；楊迪等人[7]通過實(shí)驗(yàn)研究噴吹壓力和脈沖噴吹寬度對(duì)脈沖噴吹濾筒除塵器清灰效果的影響。張情等人[8-10]對(duì)采用普通噴孔和超音速引流噴嘴加氣流散流器時(shí)的濾筒除塵器清灰效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)后者可以有效提高清灰效率。

從氣流散熱流場結(jié)構(gòu)分析，氣流散射器的結(jié)構(gòu)形狀會(huì)改變氣流流場進(jìn)而影響其清灰效果。本文提出基于多孔介質(zhì)散射器的結(jié)構(gòu)形狀，并采用數(shù)值模擬的方法研究孔隙率和進(jìn)口壓力對(duì)濾筒清灰效果影響。

1　基于多孔介質(zhì)散射的濾筒幾何結(jié)構(gòu)簡述

基于常用的Φ325×660mm濾筒，并按照其尺寸進(jìn)行建模，如圖1所示。

圖1　濾筒清灰?guī)缀文Ｐ褪疽鈭DFig.1 The geometric model of the cartridge filter

為了更清楚表述濾筒的特性，定義噴嘴頂部寬度為w1，高度為H1，散射器底部寬度為w2，高度為H2，濾筒壁寬度為w3，濾筒高度為H3。且w1=22mm，H1=76mm，w2=100mm，H2=102mm， w3=55mm，H3=660mm。

2　數(shù)學(xué)模型和邊界條件

采用流動(dòng)控制方程對(duì)流體在整個(gè)濾筒的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并且作如下假設(shè)：

（1）采用理想氣體作為工作介質(zhì)，不可壓縮且在多孔介質(zhì)中流動(dòng)為層流，其余部分流場為紊流；

（2）流體流動(dòng)為定常流動(dòng)；

（3）流體和固體的物性參數(shù)為定值；

（4）散射器、濾筒壁表面光滑；

（5）忽略重力浮力等影響。具體的控制方程如下：

固體區(qū)域能量方程為：

紊流脈動(dòng)動(dòng)能方程為：

耗散率ε的控制方程為：

式（1）～（5）中，v為速度，ρ為密度，g為自由落體加速度，τ為應(yīng)力張量，p為當(dāng)?shù)貕毫?，μ為?dòng)力粘度，T為溫度，cp為流體的定壓比熱，K為固體的導(dǎo)熱系數(shù)，c1、c2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

濾筒筒壁及氣體散射器的數(shù)學(xué)模型用孔隙率、粘性阻力系數(shù)及內(nèi)部阻力系數(shù)來定義，其相關(guān)常數(shù)具體計(jì)算方程如下。

半經(jīng)驗(yàn)公式Ergun方程為：

Blake－Kozeny方程為：

粘性阻力系數(shù)為：

內(nèi)部阻力系數(shù)為：

式（6）～（9）中，L為充填床的深度，n為孔隙率，Dp為粒子平均直徑。

為了簡化計(jì)算，通過軸對(duì)稱條件對(duì)濾筒截面進(jìn)行模擬，具體邊界條件設(shè)置如下：

（1）噴嘴、散射器、濾筒中心采用軸對(duì)稱邊界條件；

（2）噴嘴入口截面為系統(tǒng)入口，采用壓力進(jìn)口；

（3）除塵箱頂面、側(cè)面為模型出口，采用壓力出口；

（4）噴嘴外壁、除塵箱底面為固體壁面；

（5）散射器、濾筒壁面采用多孔介質(zhì)邊界條件；

（6）模型內(nèi)部有流體通過的其他面均設(shè)置為內(nèi)部界面。

在劃分模型網(wǎng)格時(shí)，整體取較小的網(wǎng)格尺寸且模型劃分網(wǎng)格尺度因區(qū)域不同而有所差異。另外，對(duì)于不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行區(qū)域分割劃分，盡量采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)于小部分不規(guī)則區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。噴頭、散射器、濾筒壁的網(wǎng)格劃分如圖2。

圖2　網(wǎng)格示意圖Fig.2 Numerical mesh for different regions

3　結(jié)果和討論

3.1孔隙率對(duì)除塵效果的影響

圖3為濾筒內(nèi)壁壓力值隨著濾筒長度的變化關(guān)系圖。為了研究氣流散射器孔隙率對(duì)清灰性能的影響，當(dāng)噴嘴進(jìn)口壓力Pin設(shè)為定值0.6MPa時(shí)，分別對(duì)孔隙率ε=0.01，0.5，0.8，0.87，0.9，1的6種狀況下氣體經(jīng)過散射器后濾筒內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬。從圖中可以看出，隨著從上至下濾筒長度的增加，濾筒內(nèi)壁上壓力值增加；且當(dāng)孔隙率ε=0.87時(shí)，濾筒內(nèi)壁壓力值增加趨勢最平緩，反應(yīng)出此時(shí)濾筒內(nèi)壁上壓力值變化最為平均。另外，從圖上可以看出，與其他孔隙率相比，當(dāng)孔隙率ε=0.87時(shí)，濾筒內(nèi)壁上壓力值由負(fù)值變化為正值時(shí)濾筒長度最短，即此時(shí)濾筒清灰失效段最短。因此，在以上6種孔隙率中，當(dāng)孔隙率ε=0.87時(shí)，可以達(dá)到最佳清灰性能。

圖3　不同孔隙率、相同進(jìn)口壓力下濾筒內(nèi)壁壓力值隨濾筒長度變化關(guān)系Fig.3 The relationship of the length of the filter cartridge and the pressure of the inner wall at the same inlet-pressure and different porosities

3.2進(jìn)口壓力對(duì)除塵效果的影響

圖4給出了當(dāng)孔隙率ε=0.87時(shí)，分別在噴嘴進(jìn)口壓力Pin=0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa時(shí)，濾筒內(nèi)壁面壓力值隨從上至下濾筒長度的變化關(guān)系。從圖4中可以看出，隨著從上至下濾筒長度的增加，濾筒內(nèi)壁上壓力值增加。當(dāng)噴嘴進(jìn)口壓力Pin=0.5MPa時(shí)，濾筒內(nèi)壁壓力值增加趨勢最平緩，反應(yīng)出此時(shí)濾筒內(nèi)壁上壓力值變化最為平均；且此時(shí)濾筒內(nèi)壁上壓力值由負(fù)值變化為正值時(shí)濾筒長度最短，即此時(shí)濾筒清灰失效段最短。

圖4　相同孔隙率、不同進(jìn)口壓力下濾筒內(nèi)壁壓力值隨濾筒長度變化關(guān)系Fig.4 The relationship of the length of the filter cartridge and the pressure of the inner wall at the same porosity and different inlet-pressures

4　結(jié)論

對(duì)不同孔隙率、相同進(jìn)口壓力及相同孔隙率、不同進(jìn)口壓力下濾筒除塵器中的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)噴口進(jìn)口壓力相同，多孔介質(zhì)氣流散射器孔隙率為0.87時(shí)，濾筒除塵器的清灰性能最好。

（2）當(dāng)多孔介質(zhì)氣流散射器孔隙率相同，噴口進(jìn)口壓力為0.5MPa時(shí)，濾筒除塵器的清灰性能最好。

參考文獻(xiàn)：

[1]張殿印,張學(xué)義.除塵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[2]張殿印,王純.除塵器手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[3]張一幟,陳海焱,覃金珠.濾筒除塵器及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].能源與環(huán)境,2009,(5):47-49.

[4]楊軍瑞,胥海倫,陳海焱.脈沖噴吹濾筒除塵器在低塵環(huán)境中應(yīng)用的可行性分析[J].能源環(huán)境保護(hù),2010,24(2): 6-9.

[5] Yunlou Qian, Yuanxia Bi, Qing Zhang. The optimized relationship between jet distance and nozzle diameter of a pulse-jet cartridge filter[J]. Power Technology, 2014, (266):191-195.

[6]林莉君,陳海焱,周喜,等.脈沖噴吹濾筒除塵器清灰性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào),2009,39(4):148-151.

[7]楊迪,陳海焱,李懷玉.噴吹壓力和脈沖寬度對(duì)脈沖噴吹濾筒除塵器清灰效果的影響[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2008, (5):73-76.

[8]張情,陳海焱,巨敏,等.誘導(dǎo)噴嘴改進(jìn)濾筒脈沖清灰效果的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程,2012,30(1):62-65.

[9]張情,陳海焱,巨敏,等.誘導(dǎo)噴嘴改進(jìn)濾筒清灰效果的數(shù)值模擬[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2014,8(7):2975-2979.

[10]巨敏,陳海焱,張情,等.濾筒除塵器脈沖清灰動(dòng)分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2013,7(3):1091-1094.

Effect of Diffusers Based on Porous Media on the Dust Cleaning in Cartridge Filters

Li Lanxi Xu Hailun Liu Dong Ye Huiwen
( School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

【Abstract】Due to the losing efficacy of the dust-cleaning at the top of the cartridge filters and the overlarge pressure at the bottom, this paper proposes to interfere the dust-cleaning fluid flow in the cartridge filters with gas diffusers based on porous media. The influence of the inlet-pressure and the diffusers based on porous media on these characteristicsis simulated. Results are as follows.At the same inlet-pressure of the nozzles, the dust-cleaning performance shows the best when the porosity of the porous media is 0.87. At the same porosityof theporousmedia, the dust-cleaningperformanceshowsthe best when the inlet-pressureofthenozzlesis 0.5MPa.

【Keywords】cartridge filters; dust-cleaning performance; porous media; numerical simulation

中圖分類號(hào)X964

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：1671-6612（2016）01-087-03

基金項(xiàng)目：四川省科技創(chuàng)新苗子工程（2014—066）；自然科學(xué)基金（11572269）

作者簡介：李嵐溪（1992.08-），女，在讀碩士研究生，E-mail：381006005@qq.com

通訊作者：劉東（1984.11-），男，博士，副教授，E-mail：dtld123@126.com

收稿日期：2015-08-10