濾筒結(jié)構(gòu)對除塵器性能影響的CFD研究

郗 元 ，趙赫民 ，代 巖

（1.大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124221；2.吉林大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

1 引言

隨著國家加大對空氣污染整治力度，對煙塵排放濃度提出了更高要求，大多數(shù)企業(yè)開始轉(zhuǎn)向有著更高除塵能力、較小的運行費用的袋式除塵器[1-2]。如何有效提高除塵器的工作性能，對于大氣污染的防治和治理有著重大意義和深遠(yuǎn)影響。

文獻(xiàn)[3]針對某一大型袋式除塵器在不同流速下流場不均勻度情況進行研究，利用CFD技術(shù)計算得出不同流速下不同濾袋流量分配系數(shù)；文獻(xiàn)[4]結(jié)合濾袋不同材質(zhì)展開研究，以濾袋滲透率和介質(zhì)厚度作為透氣強度的評價標(biāo)準(zhǔn)，通過控制這兩個參數(shù)實現(xiàn)除塵器中的最佳工作性能；文獻(xiàn)[5]對不同長度的濾袋進行CFD數(shù)值模擬研究，通過分析流量、壓力和速度的分布均勻性，得出袋長為10m的濾袋流量分配最為均勻；文獻(xiàn)[6]對除塵器的最佳進氣位置進行了模擬分析，為實現(xiàn)高效、耐用的袋式除塵器的最佳入口速度提出了建議。上述研究分別從流量分配系數(shù)、材料屬性、濾袋長度、入口位置和風(fēng)速等方面提高了除塵器的工作性能，而并沒有關(guān)注市場上常見的不同結(jié)構(gòu)濾筒形狀，如圓形濾筒，橢圓形濾筒，圓臺形濾筒，矩形濾筒對于流場均勻性的影響。

通過建立不同結(jié)構(gòu)濾筒的計算流體力學(xué)模型，分析不同結(jié)構(gòu)濾筒內(nèi)氣流分布規(guī)律，以流量分配均勻性和濾袋表面過濾風(fēng)速作為評價指標(biāo)，對不同濾筒結(jié)構(gòu)下除塵器的內(nèi)部流場展開數(shù)值分析，確定不同濾筒結(jié)構(gòu)的選用標(biāo)準(zhǔn)。

2 物理模型及數(shù)值計算

2.1 模型參數(shù)

結(jié)合國內(nèi)某型號袋式除塵器，其箱體主要尺寸為（800×800×1000）mm，進風(fēng)和出風(fēng)口尺寸為均為（300×300）mm。選取市場上常見的濾筒結(jié)構(gòu)及常規(guī)尺寸，保證總過濾面積相近，各濾筒（袋）結(jié)構(gòu)尺寸分別為圓形濾筒φ325×660、橢圓濾筒365×290×600、圓臺濾筒 φ320×φ220×750、矩形濾筒 325×215×600、濾袋 φ140×1000。利用CREO3.0對流道模型進行構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 不同結(jié)構(gòu)濾筒模型流道模型建立Fig.1 Flow ChannelΜodel of Dust Collector

2.2 邊界條件及算法選取

除塵器此時處理風(fēng)量工況為1945m3/h，因此各區(qū)域邊界條件設(shè)置如下：氣流流入處設(shè)為速度入口，速度大小設(shè)為6.0m/s；氣流出口設(shè)為壓力出，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；濾袋表面選擇多空跳躍邊界條件，滲透率設(shè)為8×10-9，濾袋厚度設(shè)為2mm，其余壁面均設(shè)置為不可移動壁面。求解方法選用SIMPLE，選擇二階迎風(fēng)格式，其相比于一節(jié)迎風(fēng)格式具有更高精度，且不會引起假擴散現(xiàn)象[7-8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流量分配均勻性

流量分配系數(shù)是單個濾筒（袋）含塵氣體處理流量與所有濾筒（袋）含塵氣體平均處理流量之比。

式中：Ki—i（i=1，2，3…n）號濾筒流量分配系數(shù)，值越接近1.0，表明流量分配越均勻；Qi—i號濾筒含塵氣體處理量（m3/s）；Qm—平均含塵氣體處理流量（m3/s）。數(shù)值模擬計算，如表1所示。其中濾筒（袋）編號對應(yīng)圖1中各濾筒（袋）的編號。

表1 不同結(jié)構(gòu)筒（濾）袋流量分配系數(shù)Tab.1 Flow Distribution Coefficient of Filter Cartridge（bag）

濾袋結(jié)構(gòu)和橢圓結(jié)構(gòu)流量分配最為均勻，四筒結(jié)構(gòu)（圓形結(jié)構(gòu)、圓臺結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)）流量分配系數(shù)在數(shù)值1.0周圍波動較大，表明流量分配最不均勻。其中后排濾筒（2號濾筒和4號濾筒）處理含塵氣體流量較大，后排濾筒容易損壞。對比圓形、圓臺和矩形結(jié)構(gòu)可知，圓形濾筒效果較優(yōu)。

最大流量不均勻幅值是同一結(jié)構(gòu)中最大流量與最小流量分配系數(shù)之差，如式（2）所示。

式中：△Kqi—最大流量不均勻幅值，最大流量不均勻幅值△Kqi≥0，且該值越接近0，表明流量分配越均勻；Kqimax—最大流量分配系數(shù)；Kqimin—最小流量分配系數(shù)。不同結(jié)構(gòu)最大流量不均勻幅值，如表2所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)最大流量不均勻幅值Tab.2 Maximum Flow Uneven Amplitude

表3 不同結(jié)構(gòu)綜合流量不均勻幅值Tab.3 Copositive Flow Uneven Amplitude

由表2可看出，圓臺濾筒最大流量不均勻幅值最大，圓形濾筒與矩形濾筒相差不大。橢圓濾筒和濾袋最大不均勻幅值最小，分析結(jié)果與之前相同。由最大流量不均勻幅值也可看出，圓形濾筒△Kqi=0.3397，為三者之中最低，再次證明了圓形結(jié)構(gòu)較圓臺結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)較優(yōu)。而圓臺濾筒流量分配最不均勻。

為綜合考慮各個濾袋流量分配偏差，對流量分配進行全面評價，引用綜合流量不均勻幅值△進行評估，如式（3）所示。

式中：N—某結(jié)構(gòu)下濾袋個數(shù)。

3.2 濾袋表面過濾風(fēng)速分析

為準(zhǔn)確分析濾袋表面過濾風(fēng)速分布情況，采用文獻(xiàn)[9]的方法，將不同結(jié)構(gòu)濾筒（袋）等面積分為8份，每兩份交接處設(shè)為一條數(shù)值線，以圓形濾袋為例，數(shù)值線劃分示意圖，如圖2所示。由于除塵器懸掛濾筒結(jié)構(gòu)均關(guān)于中間截面y=523左右對稱，故只需提取除塵器一側(cè)濾筒進行分析。同時，采用x.y方式進行不同濾筒（袋）表面數(shù)值線位置描述，其中x表示該模型下濾筒（袋）編號，y表示具體哪條表面數(shù)值線，如圓形濾筒1.1，即為1號圓形濾筒中1號表面數(shù)值線。在橢圓濾筒上，如圖3所示。

圖2 濾袋表面數(shù)值線劃分示意圖Fig.2 Numerical Line Partition on Filter Bag Surface

圖3 橢圓形濾筒結(jié)構(gòu)半側(cè)數(shù)值線上速度分布Fig.3 Velocity Numerical Line of Oval Cartridge

數(shù)值線1.3位于兩濾筒交接間隙處，數(shù)值線1.2則是位于射流直接沖刷區(qū)，與圓形濾筒濾袋間隙數(shù)值線速度小于射流直接沖刷區(qū)數(shù)值線相同，橢圓濾筒數(shù)值線1.3速度最大，其次是數(shù)值線1.2。這主要因為同排兩濾筒間隙過小引起的。數(shù)值線1.3最大速度達(dá)到9m/s左右，數(shù)值線1.2最高速度也達(dá)到8m/s左右，且整體速度遠(yuǎn)高于圓形濾筒結(jié)構(gòu)，說明橢圓濾筒極易損壞。

圓形濾筒結(jié)構(gòu)半側(cè)表面數(shù)值線，如圖4所示。如圖可知靠近入風(fēng)口的兩條數(shù)值線（1.7和1.8）風(fēng)速最大，前排濾袋與后排濾袋交界處速度最低，處于該區(qū)域的數(shù)值線1.3、1.4速度最高為2m/s；靠近壁面的數(shù)值線1.1、1.2由于受到沿著壁面伸展的回流影響，速度稍大。對于后濾筒，整體速度明顯比前排濾筒小得多，后排兩濾筒間隙處數(shù)值線2.7速度最大，射流沖擊區(qū)速度約為6m/s。

圖4 圓形濾筒結(jié)構(gòu)半側(cè)數(shù)值線上速度分布Fig.4 Velocity Distribution of Circular Cartridge Numerical Line

圖5 圓臺濾筒結(jié)構(gòu)半側(cè)數(shù)值線上速度分布Fig.5 Velocity Numerical Line of Circular Truncated Cartridge

圓臺濾筒結(jié)構(gòu)半側(cè)數(shù)值線上速度分布，如圖5所示。其中圓臺濾筒前后排濾筒在1200mm到1580mm入射區(qū)域濾袋表面速度分布相似，同排濾筒間隙處速度最大（數(shù)值線1.3），最大速度約為7m/s。射流直接沖刷區(qū)次之（數(shù)值線1.2），最大速度約為6m/s。但是由于圓臺濾筒結(jié)構(gòu)沿著垂直方向橫截面越來越小，使得兩者在非射流影響區(qū)差別較大，圓臺結(jié)構(gòu)下部分速度分布整體較小，但是數(shù)值線1.2在1050mm左右突然階躍，且幅值較大，最大值接近3m/s。圓形和圓臺濾筒表面速度大體相似，但圓臺濾筒非射流影響區(qū)氣流分布不均勻。對比矩形濾筒，如圖6所示。在入口射流影響區(qū)速度最大，氣流入射口處最大速度在6m/s附近波動，非入射射流影響區(qū)濾袋表面速度大多小于1m/s，明顯優(yōu)于前幾種結(jié)構(gòu)；對比后排濾筒，與圓形和圓臺濾筒相似，最大速度接近8m/s，但矩形濾筒處于高速區(qū)的濾筒面積較小，整體看矩形濾筒數(shù)值線速度分布較為平滑，說明氣流相比之下較為均勻，且整體速度較小，因此矩形濾筒為最理想四筒結(jié)構(gòu)。

圖6 矩形濾筒結(jié)構(gòu)半側(cè)數(shù)值線上速度分布Fig.6 Velocity Numerical Line of Rectangle Cartridge

濾袋結(jié)構(gòu)半側(cè)數(shù)值線上速度分布，如圖7所示。濾袋結(jié)構(gòu)前、中、后排濾袋速度分布相似，前排濾袋速度最大是由于靠近入射口，受到入射射流直接沖刷，而后排濾筒受到射流沖擊壁面形成的沿壁面伸展高速回流影響。由于最大速度較大，使得濾袋極易破壞。綜上所述，對于五種結(jié)構(gòu)的橫坐標(biāo)在1200mm到1580mm區(qū)間內(nèi)速度都明顯高于其他區(qū)域，這是因為1200mm到1580mm處為進風(fēng)口位置，該處濾袋收到告訴射流沖擊，使得過濾速度過高。此外還可以看出，1200mm以下，即遠(yuǎn)離進風(fēng)口，速度整體為遞減的趨勢。通過以上分析，對于濾袋表面速度分布矩形濾筒最優(yōu)，圓形濾筒次之，橢圓濾筒和濾袋最差。

圖7 濾袋結(jié)構(gòu)半側(cè)數(shù)值線上速度分布Fig.7 Velocity Numerical Line of Filter Bag

4 結(jié)論

圓形濾筒最大流量不均勻幅值△Kqi為0.3397，綜合流量不均勻幅值△為0.1396，且各筒流量分配系數(shù)接近1.0，綜合考慮各流量分配系數(shù)，圓形濾筒流量分配較合理，使用壽命較長。根據(jù)濾筒（袋）表面過濾風(fēng)速數(shù)值線分析法，得出矩形濾筒表面速度較小且均勻，圓形濾筒次之。在常規(guī)工況四筒結(jié)構(gòu)布置時，建議選取圓柱濾筒或矩形濾筒作為除塵器過濾濾芯，內(nèi)流場最為理想。