脈沖噴吹清灰過(guò)程的噴吹氣流偏斜影響

劉侹楠，林龍沅，顏翠平，陳海焱

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621000）

根據(jù)我國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)，全國(guó)煙（粉）塵排放量1 538萬(wàn)t，其中工業(yè)煙塵排放量1 232.6萬(wàn)t，占全國(guó)煙塵排放總量的80.1%，因此為了進(jìn)一步減少煙塵排放總量，開(kāi)展工業(yè)煙塵收集技術(shù)和裝備的研究具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。在目前工業(yè)除塵領(lǐng)域中，常用的粉塵收集裝置主要有慣性除塵器[1]、旋風(fēng)除塵器[2]等粗效過(guò)濾除塵器和電除塵器[3]、濕式除塵器[4]、袋式除塵器[5]、濾筒除塵器[6]等高效過(guò)濾除塵器。其中作為高效除塵裝置，袋式（濾筒）除塵器以除塵效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到廣泛的應(yīng)用。

袋式除塵器一般由濾袋室和清灰機(jī)構(gòu)兩大部分組成，含塵氣流在負(fù)壓或正壓的作用下進(jìn)入至濾袋室，經(jīng)過(guò)過(guò)濾，粉塵附著在濾袋的外壁，凈氣通過(guò)濾袋后經(jīng)排氣口排出。為了避免粉塵在濾袋外壁大量的粘附，造成除塵器壓力損失過(guò)大，每隔一段時(shí)間必須對(duì)進(jìn)行濾袋清灰。清灰的方式有振動(dòng)清灰、反吹清灰、氣環(huán)反吹清灰、脈沖噴吹清灰等多種方式，其中脈沖噴吹清灰是應(yīng)用最多的一種清灰方式[7-9]。脈沖清灰主要是利用壓縮空氣經(jīng)噴吹口進(jìn)入濾袋，壓縮空氣形成的高速氣流引射周圍氣流一道進(jìn)入濾袋內(nèi)部，使得濾袋表面發(fā)生抖動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)濾袋表面的清灰。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)更有效的清灰，學(xué)者們分別從影響清灰的結(jié)構(gòu)參數(shù)上開(kāi)展了一系列研究。林龍沅等[10]、張情等[11]研究了不同型式的噴口對(duì)濾筒清灰效果的影響，探討不同噴口型式形成的噴吹氣流對(duì)濾筒側(cè)壁壓力的影響。Yan等[12]采用氣流散射器改善了濾筒上、下部分清灰的均勻性問(wèn)題。呂娟等[13]通過(guò)優(yōu)化噴吹壓力與噴吹距離等清灰參數(shù)來(lái)改善6 m長(zhǎng)濾袋的清灰效果。Qian等[14-15]建立了最佳噴吹距離與噴吹孔徑的函數(shù)關(guān)系式，并分析孔管截面積比對(duì)濾筒清灰效果的影響的原理。李倩倩等[16]和Li等[17]闡述了噴吹距離和噴吹壓力等清灰參數(shù)對(duì)濾筒側(cè)壁壓力的影響，并對(duì)系統(tǒng)清灰前后系統(tǒng)阻力和粉塵殘余量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

綜上所述，在濾袋的脈沖噴吹清灰研究領(lǐng)域，學(xué)者們做了大量而卓有成效的研究工作，主要圍繞噴口型式、噴吹距離、噴吹壓力、噴吹孔徑以及孔管截面積比等清灰參數(shù)對(duì)濾袋清灰性能的影響。而在脈沖噴吹清灰過(guò)程，當(dāng)壓縮氣流通過(guò)噴吹管上的噴口噴出時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)慣性，高速氣流不可避免地都會(huì)發(fā)生偏斜現(xiàn)象，噴吹氣流偏斜將影響濾袋側(cè)壁清灰的均勻性，而在現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)和除塵器清灰設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范中，并沒(méi)有涉及相關(guān)的噴吹氣流偏斜的影響說(shuō)明。這可能主要是因?yàn)橛捎诿}沖噴吹氣流時(shí)間短、速度大，難以被觀測(cè)和測(cè)試，針對(duì)該問(wèn)題，根據(jù)脈沖噴吹氣流在高速流動(dòng)過(guò)程中密度會(huì)發(fā)生急劇變化的特點(diǎn)，采用紋影法，應(yīng)用自建的脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究噴吹氣流偏斜現(xiàn)象以及氣流偏斜對(duì)濾筒清灰性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 平臺(tái)

脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示，該平臺(tái)主要包括3個(gè)部分，即供氣裝置、清灰裝置和采集裝置。其中供氣裝置主要包括WW-0.9/10B-Q型全無(wú)油潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐和氣包；清灰裝置包括DMF-ZM-25直角型電磁脈沖閥；SXC-8A1型脈沖控制儀；直徑為147 mm，長(zhǎng)度為1 000 mm的濾筒；直徑為25 mm噴吹管3根；每根噴吹管設(shè)置不同型式的噴口，可分為噴孔式噴口與噴嘴式噴口。噴孔式噴口直徑大小分別為20、8 mm，噴嘴式噴口直徑為8 mm，具體噴口型式示意圖如圖2所示。采集裝置包括QSY8115型壓電式壓力傳感器、QSY-7709型電荷放大器、QSY-USB-8512E便攜式數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)等。為了測(cè)量偏斜噴吹氣流對(duì)濾筒迎流區(qū)域、中間區(qū)域和背流區(qū)域清灰壓力的影響，在濾筒的迎流方位、中間方位和背流方位共布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。測(cè)點(diǎn)距離(測(cè)點(diǎn)到濾袋口的距離)分別為 200（上測(cè)點(diǎn)）、500（中測(cè)點(diǎn)）、900 mm（下測(cè)點(diǎn)）。

圖1 脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulse-jet experimental platform

圖2 噴口型式示意圖Fig.2 Schematic diagram of different types of jet hole

圖3 濾筒測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Location of measuring points on filter cartridge

1.2 方法

紋影法是一種常用的光學(xué)觀測(cè)方法，在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較多，其原理是利用光在被測(cè)流場(chǎng)中的折射率梯度正比于流場(chǎng)的氣流密度的原理，將流場(chǎng)中密度梯度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橛涗浧矫嫔舷鄬?duì)光強(qiáng)的變化。在本實(shí)驗(yàn)中，由于壓縮氣流自噴口高速噴出，氣流密度變化較大，因此采用紋影法能夠拍攝出噴口高速氣流的偏斜現(xiàn)象。圖4為紋影法光路原理。

圖4 紋影法光路原理Fig.4 Optical path principle of schlieren method

本實(shí)驗(yàn)中采用側(cè)壁壓力峰值作為清灰性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用紋影儀作為噴吹氣流偏斜的拍攝手段。噴吹壓力為0.3～0.6 MPa，噴吹距離為120～180 mm。脈沖寬度為0.08 s。通過(guò)空氣壓縮機(jī)自動(dòng)啟停和手動(dòng)調(diào)節(jié)減壓閥來(lái)控制噴吹壓力；噴吹距離由升降臺(tái)自由調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，脈沖控制儀控制電磁閥閥門開(kāi)啟，壓縮氣流進(jìn)入噴吹管至噴口噴出，此時(shí)壓力傳感器接收到壓力信號(hào)，壓力信號(hào)由電荷放大器放大，傳送至數(shù)據(jù)采集儀，并最終在計(jì)算機(jī)上輸出。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，求平均值。將脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放置如圖2紋影儀的觀測(cè)區(qū)域，每進(jìn)行一組脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)，記錄1次紋影儀拍攝結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同噴孔孔徑對(duì)氣流偏斜的影響

噴吹壓力分別為0.3、0.4、0.5 MPa，直徑分別為20、8 mm的2組不同噴孔式噴口的氣流紋影圖如圖5—7所示。由圖可以看出，噴吹壓力越大，氣流偏斜影響區(qū)域越大，這是因?yàn)閲姶祲毫?.3 MPa增大至0.5 MPa，壓縮氣流與周圍環(huán)境的壓差增大，當(dāng)電磁脈沖閥打開(kāi)后，壓縮氣流在壓差的作用下，沿著噴吹管流動(dòng)的水平速度也增大；當(dāng)氣流從噴孔噴出時(shí)，受水平速度的影響，氣流偏斜的影響區(qū)域越大。

為了進(jìn)一步表征噴吹壓力對(duì)噴孔氣流速度的影響，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法，對(duì)直徑為20 mm的噴孔式噴口進(jìn)行數(shù)值模擬，比較在噴吹壓力在0.3、0.5 MPa時(shí)，噴孔氣流的變化規(guī)律。圖8為直徑20 mm噴孔式噴口氣流速度云圖。當(dāng)噴吹壓力由0.3 MPa增大至0.5 MPa后，提取結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣流核心區(qū)最大速度由249 m/s增大至381 m/s，水平方向分速度由66 m/s增大至79 m/s，豎直方向分速度由240 m/s增大至373 m/s。

圖5 噴吹壓力為0.3 MPa時(shí)噴孔式噴口氣流紋影圖Fig.5 Schlieren diagram of airflow from jet hole when jet pressure is 0.3 MPa

圖6 噴吹壓力為0.4 MPa時(shí)噴孔式噴口氣流紋影圖Fig.6 Schlieren diagram of airflow from jet hole when jet pressure is 0.4 MPa

圖7 噴吹壓力為0.5 MPa，噴孔式噴口氣流紋影圖Fig.7 Schlieren diagram of airflow from jet hole when jet pressure is 0.5 MPa

圖8 直徑為20 mm噴孔式噴口氣流速度云圖Fig.8 Air velocity cloud diagram of jet hole with a diameter of 20 mm

從圖5—7中還可以看出，在相同噴吹壓力下，直徑20 mm噴孔產(chǎn)生的氣流偏斜現(xiàn)象比直徑8 mm噴孔的明顯。這是因?yàn)閲娍卓讖皆酱?，噴吹氣流量就越大，噴吹氣流的水平運(yùn)動(dòng)慣性就越大。此外，從實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)噴吹壓力為0.3 MPa時(shí)，直徑8 mm噴口的噴吹氣流幾乎不發(fā)生偏斜現(xiàn)象，這說(shuō)明在較低的噴吹壓力下，采取較小的直徑，可以避免噴孔式噴口噴出的氣流偏斜現(xiàn)象。

2.2 不同噴口型式對(duì)濾筒側(cè)壁壓力峰值的影響

圖9為不同噴吹壓力下，噴嘴式噴口的氣流紋影圖。從圖中可以看出，噴管采用噴嘴式噴口后，噴吹口氣流未發(fā)生氣流偏斜現(xiàn)象。這主要是因?yàn)閴嚎s氣流從噴吹口噴出后，通過(guò)噴嘴的導(dǎo)流作用，氣流運(yùn)動(dòng)與管嘴方向保持一致，說(shuō)明噴嘴式噴口有效矯正了噴吹氣流的偏斜現(xiàn)象。

通過(guò)比較噴孔式噴口氣流對(duì)濾筒迎流面和背流面的側(cè)壁壓力峰值，來(lái)探究氣流偏斜對(duì)濾筒不同方位清灰性能的影響。噴吹距離為120 mm時(shí)，噴孔式噴口氣流濾筒迎流面和背流面及噴孔式與噴嘴式噴口在濾筒中間區(qū)域的側(cè)壁壓力峰值變化曲線如圖10a、b所示。由圖10可知，氣流偏斜造成了濾筒不同方位壁面上所受到的壓力不均勻。濾筒迎流面的上部、中部和下部所受到的壓力最大，中間區(qū)域次之，背流面最小，差值范圍在差值大小范圍在47～146 Pa之間，這是由于氣流偏斜造成了濾筒各個(gè)面氣量不均，迎流面脈沖噴吹氣流量最大，背流面脈沖噴吹氣流量最小，因而產(chǎn)生了濾筒側(cè)壁壓力不均現(xiàn)象。

從圖10中可以看出，隨著噴吹壓力增大，噴口不論是否加裝噴嘴，濾筒側(cè)壁壓力峰值均隨之增大。通過(guò)比較有、無(wú)噴嘴的濾筒側(cè)壁壓力峰值變化規(guī)律來(lái)看，在濾筒的上測(cè)點(diǎn)位置，加裝噴嘴時(shí)，脈沖噴吹氣流在濾筒側(cè)壁形成的壓力略大于噴孔。在濾筒的中測(cè)點(diǎn)位置，加裝噴嘴與普通噴孔所測(cè)得的壓強(qiáng)幾乎相等。這說(shuō)明避免脈沖噴吹氣流的偏斜現(xiàn)象有利于濾筒上部清灰性能的改善。在濾筒的下測(cè)點(diǎn)位置，由于脈沖噴吹氣流在濾筒底部的反沖作用，濾筒下部區(qū)域壓力峰值相比中上部區(qū)域的都要大。對(duì)比有、無(wú)噴嘴的濾筒下測(cè)點(diǎn)側(cè)壁壓力峰值，噴孔式噴口形成的壓強(qiáng)要大于噴嘴式噴口，這主要是因?yàn)閲娮焓絿娍趯?duì)于噴吹氣流起到導(dǎo)流的作用，在導(dǎo)流過(guò)程中，氣流的流速和方向會(huì)發(fā)生微小的改變，最終使得被導(dǎo)流的噴吹氣流存在壓強(qiáng)損失，反映在濾筒下測(cè)點(diǎn)位置測(cè)得氣流壓強(qiáng)有所減小。

圖9 噴嘴式噴口氣流紋影圖Fig.9 Schlieren diagram of airflow from jet nozzle

圖10 噴吹距離為120 mm時(shí)側(cè)壁壓力峰值的變化曲線Fig.1 0 Peak pulse pressure variation curve when jet distance is 120 mm

噴吹距離為180 mm時(shí)，噴孔式噴口與噴嘴式噴口在濾筒中間區(qū)域的側(cè)壁壓力峰值變化曲線如圖11所示。從圖中可以看出，隨著噴吹距離增大，采用噴嘴出口的噴吹氣流在濾筒側(cè)壁中、上部區(qū)域形成的壓力峰值皆大于噴孔。這主要是因?yàn)殡S著噴吹距離增大，即噴吹氣流至濾筒口距離的增大，噴吹口氣流偏斜距離越長(zhǎng)，此時(shí)偏斜的影響更大，甚至存在部分偏斜氣流偏離了濾筒口而溢流至濾筒外部，因此采用噴嘴可以有效改善該現(xiàn)象。在噴吹壓強(qiáng)為0.6 MPa時(shí)，噴吹氣流的速度更快，此時(shí)普通噴口盡管存在偏斜，但全部的噴吹氣流已基本進(jìn)入濾筒內(nèi)部，避免了部分偏斜氣流溢散至濾筒外部，因此此時(shí)濾筒下測(cè)點(diǎn)區(qū)域壓強(qiáng)略大于噴嘴噴吹氣流。

圖11 噴吹距離為180 mm時(shí)濾筒中間區(qū)域側(cè)壁壓力峰值變化曲線Fig.1 1 Peak pulse pressure variation curve of middle region when injection distance is 180 mm

4 結(jié)論

1）將紋影法應(yīng)用于觀測(cè)脈沖噴吹氣流的偏斜現(xiàn)象。噴吹口氣流偏斜現(xiàn)象與噴吹壓力及噴吹口口徑有關(guān)，噴吹壓力和噴口口徑越大，氣流偏斜影響區(qū)域越大，但在較低噴吹壓力和較小的孔徑條件下，氣流偏斜的現(xiàn)象乎可以忽略。

2）氣流偏斜容易造成濾筒側(cè)壁壓力分布不均，濾筒迎流面壓力要略大于背流面壓力，差值大小范圍在47～146 Pa之間。采用噴嘴式噴口可以避免脈沖噴吹氣流發(fā)生偏斜現(xiàn)象。由噴嘴噴出的氣流在濾筒側(cè)壁中上部區(qū)域形成的壓力峰值略大于噴孔，在濾筒下部區(qū)域壓強(qiáng)則小于噴孔，采用噴嘴可以改善濾筒側(cè)壁壓力分布的均勻性。