等離子體焊接除塵裝置設計與數(shù)值模擬

吳仲偉 夏金兵 時惜今

1.合肥工業(yè)大學機械工程學院，合肥，2300092.德克薩斯A&M大學機械工程系，卡城，77843

0 引言

目前大型結構件的生產(chǎn)主要采用焊接方式完成。在焊接高溫作用下會產(chǎn)生大量煙塵，尤其是直徑在0.1～10 μm之間的微細有毒煙塵顆粒對操作人員的健康危害極大，將嚴重影響企業(yè)正常生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展。目前使用的車間通風除塵方式成本高、能耗大、效果差、效率低，為保護操作者的身體健康和優(yōu)化作業(yè)環(huán)境，開展除塵原理及其關鍵技術研究，設計高效除塵設備迫在眉睫。

PARK等[1]采用對流/擴散方程的數(shù)值解法研究了帶電粒子在靜電除塵器中的運動規(guī)律，實驗和模擬結果表明：增大湍流擴散系數(shù)可提高除塵過程初期的微細顆粒收集效率。HAQUE等[2]依據(jù)計算流體力學對線-板狀靜電除塵器進行建模，利用Navier-Stokes雷諾平均方程及k-ε湍流模型模擬氣流流動規(guī)律，通過增設耦合系統(tǒng)來求解靜電除塵器結構參數(shù)對電場的影響，并利用離散相模型來分析顆粒相，最終得到了內部模擬數(shù)據(jù)并由實驗結果獲得驗證。NIKAS等[3]采用數(shù)值模擬方法研究了靜電除塵原理，并應用k-ω湍流模型研究了靜電場中帶電粒子的動力學規(guī)律，討論了電壓對除塵效率的影響。TALAIE等[4]模擬了電場強度及特性曲線，預測了粒子運動，分析了電暈鞘半徑隨電壓加載的變化情況，得到了與實驗數(shù)據(jù)吻合的結果。JIANG等[5]針對現(xiàn)有靜電除塵器凈化效率較低的問題，提出了采用脈沖等離子體技術的除塵方案，通過對比選擇適當頻率的高壓脈沖直流電源，得到了最佳峰值電壓，并提高了除塵效率。高得力等[6]在低雷諾數(shù)值下對靜電除塵器進行了仿真，建立了低濃度氣固兩相流歐拉-拉格朗日混合湍流模型，同時對不同流速、線電壓及粒徑下的除塵效果進行了分析，驗證了其模型的準確性。陳匯龍等[7]對感應荷電噴霧中噴嘴與環(huán)狀電極的靜電場進行了數(shù)值模擬，分析了靜電場的分布特性，他們發(fā)現(xiàn)在較高電壓及較小電極間距下，可獲得較好的感應荷電噴霧效果。劉功智等[8]采用雙極不對稱荷電增強方式來提高過濾除塵器對呼吸性粉塵的集塵效率。

目前國內外對除塵技術及其設備所開展的理論研究和除塵設備的設計工作側重于煙塵大面積擴散后污染的治理，但治理成本過高，凈化除塵效果并不理想，且占用空間，影響作業(yè)；此外，上述研究多為理論模型的分析與計算，有關等離子體除塵設備的結構與工藝參數(shù)對除塵效果影響方面的應用研究較少，從而導致等離子體除塵方式在焊接工程領域得不到有效的推廣和應用。

針對上述問題，本文提出了實時追蹤焊接煙塵源并就地凈化的多級除塵工藝，設計了適用于工程實際的小型化等離子體除塵裝置，開展了對煙塵顆粒的流動特性及捕獲過程的研究工作，對設計的除塵裝置進行了荷電計算與三維電場分析，以確定合理的關鍵結構參數(shù)，研究了煙塵顆粒在電場中的運動規(guī)律，利用多物理場耦合軟件COMSOL對焊接煙塵粒子運動軌跡及其變化規(guī)律進行了數(shù)值模擬分析，討論了不同初始條件對焊接煙塵吸附性能的影響，以獲取顯著的凈化效果。

1 除塵原理

1.1 除塵工藝與整體裝置

本文采用了吸塵-濾塵-荷電-除塵的焊接煙塵多級凈化工藝，設計了以等離子體除塵為主的一體化除塵裝置，如圖1所示。一級三相無刷風機高速旋轉，使焊接產(chǎn)生的有毒煙塵由集氣吸塵罩吸入濾袋式除塵裝置，集氣吸塵罩通過活動接頭與過濾式除塵裝置相連接，集氣吸塵罩可實現(xiàn)多角度的轉動；除塵裝置安裝在焊接機器人上，并同步運動，追蹤焊接煙塵源，集中吸入焊接煙塵；過濾式除塵裝置采用導氣管輸送煙塵，蜂窩過濾器利用過濾片的摩擦吸附作用對吸入的大顆粒煙塵進行粗過濾，以清除大顆粒煙塵(平均粒徑dp≥10 μm)；微細有毒煙塵顆粒(dp在0.1～10 μm之間)采用等離子體靜電吸附除塵方式進行吸附處理，等離子體發(fā)生裝置的針狀鎢絲電極對過濾后的煙塵微粒進行電暈荷電，鎢絲電極固定安裝在基座上；后置的等離子體靜電吸附裝置用于吸附煙塵微粒；最后經(jīng)過二級三相無刷風機排出潔凈空氣，以實現(xiàn)對焊接有毒煙塵的凈化。

(a)焊接煙塵多級凈化工藝

(b)整體除塵裝置圖1 除塵工藝及其裝置Fig.1 Fume removal process and device

1.2 等離子體除塵裝置設計

根據(jù)等離子體除塵工藝設計了平板式等離子體靜電吸附裝置，結構模型如圖2所示。經(jīng)過預過濾后的微細煙塵通過密封銅對絲引導進入該裝置內，為確保焊接煙塵進入電極板間時可達到理想的驅進速度，設置前后導流板，使微細煙塵的流速減??；配置的兩塊長方形電極板分別作為放電極板和集塵極板，放電極板產(chǎn)生靜電將微細煙塵顆粒吸附在集塵極板上；經(jīng)過凈化的潔凈空氣在通過密封銅對絲后，再采用二級三相無刷風機排出；絕緣板上的螺栓可用于提高密封性和緊固性，且方便拆卸。

圖2 平板式靜電等離子體除塵裝置Fig.2 Flat-panel electrostatic plasma fume removal device

1.3 荷電分析與計算

焊接煙塵粒子在靜電場的作用下會吸附在集塵極板上，因此煙塵粒子在進入靜電場之前要通過電暈放電使其自身帶電以實現(xiàn)吸附，且焊接煙塵粒子的帶電量對粒子在靜電場中的運動規(guī)律有重要的影響。在靜電場中，電場荷電和擴散荷電都會發(fā)生作用，當粒徑dp≥1 μm時，主要為電場荷電；當0.4 μm

(1)

(2)

式中，Qf為電場荷電的電荷量，C；ε為粒子相對介電常數(shù)，一般煙塵粒子取ε=5～6；ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；E為荷電電場強度，V/m；t為煙塵粒子在電場中的運動時間，s；τq為時間常數(shù)，s；Qd為擴散荷電的電荷量，C；kB為玻爾茲曼常數(shù)，kB=1.381×10-23J/K；T為絕對溫度，K；e為電子的電荷量，e=1.6×10-19C；ρe為電荷密度，C/m;μ為氣體的黏滯系數(shù)，Pa·s。

時間常數(shù)τq可用來評價煙塵粒子荷電速度的快慢。當t=τq時，導電粒子荷電達到飽和狀態(tài)電荷量的50%；當t=10τq時，導電粒子荷電可達到飽和狀態(tài)電荷量的91%。在靜電式除塵器中，τq通常為10-3～10-2s，因此當t為0.1～1.0 s時，導電粒子荷電即可達到飽和狀態(tài)電荷量的99%。

假定煙塵粒子很快完成荷電，則式(1)可以轉換為

(3)

又考慮到氣體分子平均自由程λ，則可推導出兩種荷電聯(lián)合作用的電荷量表達式[10]：

(4)

煙塵經(jīng)預過濾后再進入電暈荷電區(qū)的粒徑極小，通常僅攜帶單電荷；選用6根直徑為0.3 mm的針狀鎢絲電極，采用圓周陣列布置形成電場，脈沖電源可產(chǎn)生高能脈沖，使基值電壓維持在電暈電壓附近，同時避免反電暈現(xiàn)象發(fā)生，以確保荷電裝置的荷電效率[10]。采用小型化設計，脈沖電源電壓為3 kV，保證擊穿電場強度在1×106～2×106V/m范圍內，以達到較為滿意的荷電效果。

利用COMSOL Multiphysics中靜電分析模塊對荷電裝置電極面施加電勢，并設置絕緣面和零電勢面，獲得三維電場整體分布。如圖3a所示，鎢絲電極周圍已經(jīng)形成了電場，6根鎢絲電極的電場互不影響。如圖3b所示，在鎢絲電極的徑向切面內，電場電勢在0～3 kV范圍內變化，電極表面的電場電勢為3 kV，且往外電勢迅速減小。為提高煙塵粒子的荷電效率，需增加鎢絲電極圓周分布的數(shù)量及增大鎢絲長度。

(a) 三維電場整體分布(6根鎢絲電極圓周分布)

(b)鎢絲電極的電場分布(放大)圖3 鎢絲電極的三維電場分布(U =3 kV)Fig.3 Three-dimensional electric field distribution of tungsten electrodes(U =3 kV)

如圖4所示，垂直切面(兩鎢絲電極軸線所在平面)內，鎢絲電極的電勢關于電極軸線呈對稱分布，電勢在電極軸線處最大，且隨著與電極軸線距離的增大而迅速減小，各電極電場之間互不干擾，可正常起暈(電極表面在空氣介質中的放電現(xiàn)象)。

圖4 垂直切面內兩鎢絲電極的電勢變化趨勢 (U =3 kV)Fig.4 Variation trend of electric potential between two tungsten electrodes on vertical section(U =3 kV)

1.4 等離子體靜電除塵三維電場分析

對平板式等離子體靜電吸附裝置的兩電極板施加1.2 kV電壓，三維電場分布如圖5a所示，電極板中間區(qū)域電勢分布較為均勻，邊緣處電勢迅速減小。如圖5b所示，在垂直于x軸的yz切面上，兩邊緣處電勢的減小速率較快，考慮到氣流流動壁效應，邊緣處氣流速度小，對焊接煙塵吸附影響較小。

(a)平板式靜電除塵裝置三維電場分布

(b)yz切面電場邊緣電勢圖5 等離子體靜電除塵三維電場(U =1.2 kV)Fig.5 Three-dimensional electric field of plasma electrostatic fume removal(U =1.2 kV)

在等離子體靜電吸附裝置的電場內，煙塵粒子主要受到重力、電場力、黏滯力和慣性力的作用。煙塵顆粒以一定的初速度進入電場，在電場力作用下向集塵極板運動，通常受到與相對運動方向相反的黏滯力作用，煙塵顆粒的重力忽略不計，根據(jù)動力學定律，可得

Fe-FR-Fi=0

(5)

Fe=QpE′FR=3πdpμvp

Fi=mdvp/dt

式中，F(xiàn)e為電場力；FR為黏滯力；Fi為慣性力；E′為除塵電場強度，V/m；Qp為煙塵粒子所帶電荷量，C；dp為煙塵粒子的粒徑，m；m為煙塵粒子的質量，g；vp為煙塵粒子的驅進速度，m/s。

由此可得

(6)

對于平板式等離子體靜電吸附裝置，因為焊接煙塵粒子在電場中的運動時間短暫，且煙塵顆粒的粒徑dp數(shù)值很小，所以在通常情況下式(6)中的指數(shù)部分可忽略，即

(7)

其中，標準狀態(tài)下，μ=1.820 3×10-5Pa·s，當施加1.2 kV電壓時，兩電極板間的電場強度Ep=1×105V/m，所得結果如圖6所示，可以看出，驅進速度vp隨粒徑dp的增大而增大。

圖6 不同粒徑粒子驅進速度變化趨勢Fig.6 Variation trend velocity of particles with several particle sizes

在靜電場中，煙塵粒子粒徑dp對粒子所帶電荷量Qp有重要影響，當粒徑dp≥1 μm時，主要為電場荷電，此時Qp≈Qf，將式(3)代入式(7)，可得

(8)

由式(8)可知，帶電煙塵粒子的驅進速度vp與荷電電場強度E、兩電極板間電場強度Ep和粒子粒徑dp成正比，與氣體黏滯系數(shù)μ成反比。但式(8)只適用于焊接煙塵中大多數(shù)類型的煙塵顆粒，對于粒徑極小的粒子，需引入坎寧安修正系數(shù)CC=1+Aλ/dp，在標準狀態(tài)下，平均自由程λ=0.066 5 μm，常數(shù)A=1.234。即可得到修正后粒子的驅進速度：

(9)

設B為兩電極板間距，帶電焊接煙塵粒子進入電場后，粒子驅進速度vp方向與氣流速度va方向垂直。假定除塵效率為100%時，從放電極位置進入電場的煙塵粒子落在集塵極上的時間t=B/ω，則電極板長度

(10)

實際上，靜電除塵器中焊接煙塵顆粒的運動十分復雜,實際電場空間各點的電場強度與圖5a的仿真結果存在偏差，且煙塵粒子也不是理想球形，粒徑分布情況較為復雜，因此由理論計算所得到的粒子驅進速度vp與實際數(shù)值之間同樣存在較大偏差。綜合理論推導與仿真分析，考慮結構設計需要，確定B=12 mm，L=100 mm，通過改變Ep可得到不同的煙塵粒子驅進速度vp，進而可得到理論氣流速度va，并結合實際因素可推斷出實際除塵效率。

2 數(shù)值模擬與分析

利用COMSOL Multiphysics模擬軟件建立流體力學混合物模型及粒子追蹤模型，并對等離子靜電吸附裝置中的帶電煙塵粒子運動軌跡及吸附過程進行仿真分析[11]?？紤]理想情況，焊接煙塵顆粒群以水平初速度從放電極板邊緣(z=12 mm)進入電場，假設煙塵粒子為理想球形，相同粒徑分布。

設置恒定條件溫度T=293.15 K，標準大氣壓為101.325 kPa，帶電粒子受重力作用，將不同粒徑粒子均視為攜帶單電荷。實際情況下，粒子入口氣流速度(即氣流速度初始值)v0取決于除塵裝置風機的性能參數(shù)。理論分析中，可根據(jù)式(10)計算出入口氣流速度v0。

2.1 煙塵粒徑變化的影響

設置焊接煙塵顆粒與氣體介質的兩相層流流場，U=1.2 kV，入口氣流速度v0=0.167 m/s，對兩種粒徑(dp=1 μm和0.5 μm)下的焊接煙塵顆粒運動軌跡及吸附過程進行仿真對比。

如圖7所示，因存在附壁效應，故邊緣區(qū)域氣流速度va的減小速率很快，并趨近零；但在yz和xz兩垂直切面上，絕大部分區(qū)域保持穩(wěn)定的流速。煙塵粒子將隨著氣流運動進入電場，并吸附到集塵極板上[12]。

(a)氣流速度分布(yz垂直切面)

(b)氣流速度分布(xz垂直切面)圖7 氣流速度場及其分布 (dp=1 μm，v0=0.167 m/s，U =1.2 kV)Fig.7 Flow velocity field and its distribution (dp=1 μm，v0=0.167 m/s，U =1.2 kV)

焊接煙塵粒子進入電場后，電勢對煙塵粒子吸附效果有重要影響，當煙塵粒子與集塵極板接觸時即視為完成吸附。如圖8所示，煙塵粒子在dp=1 μm條件下，當t=0.02 s時，初始狀態(tài)時進入電場的煙塵顆粒群還在電場中，尚未到達集塵極板；當t=0.08 s時，最初進入電場的煙塵顆粒均已吸附在集塵極板上，此時粒子運動速度最大值為0.75 m/s，煙塵顆粒已全部完成吸附，該條件下可實現(xiàn)煙塵凈化。

(a)t=0.02 s

(b)t=0.08 s圖8 粒子運動軌跡 (dp=1 μm，v0=0.167 m/s，U =1.2 kV)Fig.8 Particle trajectory (dp=1 μm，v0=0.167 m/s，U =1.2 kV)

如圖9所示，煙塵粒子在dp=0.5 μm條件下，當t=0.06 s時，初始狀態(tài)時進入電場間的煙塵顆粒群只有少量到達集塵極板；當t=0.1 s時，最初進入電場的煙塵顆粒均已吸附在集塵極板上，此時粒子運動速度最大值為1.7 m/s，且后續(xù)的煙塵顆粒群也已進入電場，其粒子運動速度v′<0.6 m/s，并重復上述運動過程。

(a)t=0.06 s (b) t=0.1 s圖9 粒子運動軌跡 (dp=0.5 μm，v0=0.167 m/s，U =1.2 kV)Fig.9 Particle trajectory (dp=0.5 μm，v0=0.167 m/s，U =1.2 kV)

由圖8和圖9可知，煙塵粒子粒徑dp的變化對吸附效率有重要影響，隨著dp的減小，有效吸附所需時間減少，進入電場的煙塵顆粒能夠瞬時吸附在集塵極板上(t<0.1 s)。有毒微細煙塵顆粒采用靜電吸附方法時，可達到快速且有效的除塵效果。

2.2 入口氣流速度變化的影響

設置dp=0.1 μm，U=1.2 kV，對兩種入口氣流速度(v0=0.167 m/s和0.501 m/s)下的焊接煙塵顆粒運動軌跡及吸附過程進行仿真對比。

如圖10所示，其流場氣流速度分布規(guī)律與圖7相似，在yz和xz兩垂直切面的絕大部分區(qū)域，氣流速度va較為穩(wěn)定。由圖7可以看出，當入口氣流速度v0=0.167 m/s時，氣流速度最大值為0.24 m/s；由圖10可以看出，當入口氣流速度v0=0.501 m/s時，氣流速度最大值為0.65 m/s。

如圖11所示，煙塵粒子在dp=0.1 μm、入口氣流速度v0=0.167 m/s條件下，當t=0.02 s時，初始狀態(tài)時進入電場間的煙塵顆粒群已到達集塵極板并完成吸附，此時粒子運動速度最大值為18 m/s；當t=0.1 s時，后續(xù)有大量的煙塵顆粒也已進入電場，其粒子運動速度v′<6 m/s，并重復上述運動過程。

如圖12所示，當入口氣流速度v0=0.501 m/s時，煙塵顆粒群的粒子運動軌跡與圖11一致，煙塵顆粒與集塵極板接觸時，兩種情況下具有相同的粒子運動速度最大值為18 m/s。進入電場間的煙塵顆粒均可實現(xiàn)煙塵粒子的快速有效吸附，進而實現(xiàn)煙塵的凈化。

由圖11和圖12可知，入口氣流速度v0的變化對煙塵粒子吸附效率沒有顯著影響。

(a)氣流速度分布(yz垂直切面)

(b)氣流速度分布(xz垂直切面)圖10 氣流速度場及其分布 (dp=0.1 μm，v0=0.501 m/s，U =1.2 kV)Fig.10 Flow velocity field and its distribution (dp=0.1 μm，v0=0.501 m/s，U =1.2 kV)

(a)t=0.02 s (b) t=0.1 s圖12 粒子運動軌跡 (dp=0.1 μm，v0=0.501 m/s，U =1.2 kV)Fig.12 Particle trajectory (dp=0.1 μm，v0=0.501 m/s，U =1.2 kV)

2.3 板間電壓變化對吸附的影響

設置dp=0.05 μm，v0=0.501 m/s，對兩種電壓(U=0.6 kV和2.4 kV)下的煙塵顆粒運動軌跡及吸附過程進行仿真對比。在兩種電壓條件下，流場氣流速度分布規(guī)律與圖10相同，即當入口氣流速度v0=0.501 m/s時，氣流速度最大值為0.65 m/s。

如圖13所示，當U=0.6 kV，t=0.02 s時，初始狀態(tài)時進入電場間的煙塵顆粒群已到達集塵極板并完成吸附，此時粒子運動速度最大值為36 m/s；當t=0.1 s時，后續(xù)有大量的煙塵顆粒也已進入電場，其粒子運動速度v′<15 m/s，并重復上述運動過程。

(a)t=0.02 s (b) t=0.1 s圖13 粒子運動軌跡 (dp=0.1 μm，v0=0.501 m/s，U =0.6 kV)Fig.13 Particle trajectory (dp=0.1 μm，v0=0.501 m/s，U =0.6 kV)

圖14 粒子運動軌跡 (dp=0.1 μm，v0=0.501 m/s，U =2.4 kV)Fig.14 Particle trajectory (dp=0.1 μm，v0=0.501 m/s，U =2.4 kV)

如圖14所示，當U=2.4 kV時，增大了板間電壓，煙塵顆粒群的粒子運動規(guī)律與圖13相同，但煙塵粒子運動速度加快。當t=0.1 s時，煙塵顆粒與集塵極板接觸時，粒子運動速度最大值為72 m/s，此時不僅有大量煙塵顆粒被吸附在集塵極板上，同時還有大量煙塵顆粒持續(xù)不斷地快速進入電場。

由圖13和圖14可知，電壓U的變化對粒子吸附效率有明顯的影響，隨著U的增大，煙塵顆粒運動速度加快，進而可提高吸附效率。

綜上所述，粒子運動速度v′是表征除塵效率的重要參數(shù)，運動速度越快，除塵效率越高。

3 結論

(1) 基于吸塵-濾塵-荷電-除塵的焊接煙塵凈化工藝，設計了以等離子體靜電吸附除塵為主的一體化除塵裝置；通過荷電計算與等離子體三維電場分析，驗證了等離子體除塵方法的可行性，并確定了該裝置的重要結構參數(shù)：兩電極板間距B=12 mm，電極板長度L=100 mm。

(2)討論了平板式等離子體除塵裝置中，帶電煙塵粒子在不同初始條件下的運動軌跡及吸附情況，分析了煙塵粒徑dp、入口氣流流速v0和板間電壓U的變化對煙塵粒子吸附效果的影響，結果表明：粒徑dp越小，粒子運動速度v′越快，吸附效率越高；增大電壓U，也可顯著增大粒子運動速度v′，進而可獲得快速有效的除塵效果。

(3)仿真分析結果表明：板間電壓在0.6～2.4 kV范圍內，在電場中運動時間t≥0.1 s時，對0.1～1 μm粒徑的煙塵顆粒(特別是微細顆粒)能夠實現(xiàn)快速有效地吸附，能獲得很好的凈化效果。

后續(xù)將開展等離子體除塵裝置的制造與實驗研究，并應用于焊接車間，以實現(xiàn)改善焊接生產(chǎn)環(huán)境的目的。