袋式除塵器流場(chǎng)模擬與結(jié)果分析

汪倩玉

摘 要：以混凝土攪拌站袋式除塵器為研究目標(biāo)，在solidworks中建立袋式除塵器的三維實(shí)體，利用fluent流體分析軟件對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其內(nèi)部的速度、壓力以及流體軌跡等參數(shù)分布，來(lái)探究影響除塵器使用壽命的因素，為袋式除塵器的優(yōu)化提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：袋式除塵器;流場(chǎng);數(shù)值模擬;Fluent

中圖分類(lèi)號(hào)：X513 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-112-03

Flow field simulation and result analysis of bag filter

Wang Qianyu

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Hydropower，Henan Zhengzhou 450045）

Abstract：Taking the bag filter of concrete mixing station as the research goal， the three-dimensional entity of bag filter is built in solidworks， and the internal flow field is numerically simulated by fluent fluid analysis software to obtain the internal velocity， pressure and fluid trajectory. Parameter distribution to explore the factors affecting the service life of the dust collector， providing theoretical support for the optimization of the bag filter.

Keywords： Bag filter; Flow field; Numerical simulation; Fluent

CLC NO.： X513 ?Document Code： AArticle ID： 1671-7988（2020）04-112-03

前言

混凝土攪拌站是城市建設(shè)過(guò)程中粉塵排放的重要源頭，混凝土設(shè)備在拌和過(guò)程中，由于其原材料含有砂石骨料以及粉料，不可避免的會(huì)出現(xiàn)粉塵泄露問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員身體健康以及經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生負(fù)面影響。因此環(huán)保型混凝土攪拌站必須配有可靠的除塵系統(tǒng)來(lái)有效控制粉塵排放。袋式除塵器是利用氣固分離原理過(guò)濾氣體中的顆粒物，對(duì)工作環(huán)境要求極低，其核心部件——濾袋，除塵效率高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

袋式除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布不均勻，容易出現(xiàn)極個(gè)別濾袋破損的問(wèn)題，針對(duì)這一現(xiàn)象，嚴(yán)重降低氣流運(yùn)動(dòng)阻力，除塵效率也隨之降低。基于此現(xiàn)象，本文對(duì)實(shí)際工況下袋式除塵器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究濾袋破損原因。

1 數(shù)值模擬

1.1 袋式除塵器原理

袋式除塵器的工作原理是當(dāng)含塵氣體從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后，一部分粉塵由于自重作用散落在灰斗內(nèi)，另一部分的氣體被濾袋阻攔，附在濾袋表面。當(dāng)粉塵積攢到一定厚度后，濾袋的滲透率下降，氣流的擾動(dòng)又會(huì)使表面的粉塵脫落。當(dāng)灰塵內(nèi)的粉塵積攢到一定量后，下方泄壓閥開(kāi)啟，粉塵可以再次回收利用。

1.2 建立模型與網(wǎng)格劃分

幾何模型參照MC-64袋式除塵器1：1在SolidWorks進(jìn)行建模，見(jiàn)圖1，整個(gè)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分為進(jìn)口、出口、上箱體、箱體、濾袋、灰斗共六大部分。濾袋排布情況為8列×6排，整體模型尺寸長(zhǎng)寬高為1890×1678×3367mm，入出口為圓柱體，截面直徑300mm?；叶犯叨葹?00mm，拔模角度25。中箱體高度2000mm，設(shè)置6排濾袋，每排8個(gè)，濾袋直徑120mm，高度2000mm。

本文采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格共同劃分的方式^[1]，其中濾袋和箱體部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

1.3 控制方程

將進(jìn)風(fēng)口空氣看做是不可壓縮氣體，利用Fluent仿真軟件模擬袋式除塵器時(shí)，關(guān)于模型的選取，Bourdin^[2]等研究學(xué)者采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε和realizable k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)前者比后者得出的結(jié)果誤差更小^[3]。因此本文選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行模擬，速度與壓力耦合方式為simple算法。控制方程有連續(xù)性方程，動(dòng)量守恒方程，湍動(dòng)能k方程和耗散率方程。具體的控制方程如下。

（1）連續(xù)性方程：

（2）動(dòng)量守恒方程：

（3）湍動(dòng)能方程：

（4）耗散率方程：

各項(xiàng)參數(shù)的具體含義參見(jiàn)文獻(xiàn)^[4]。

1.4?邊界條件設(shè)定

袋式除塵器內(nèi)部是極其復(fù)雜的三維流場(chǎng)， 模擬工況溫度T= 155℃的含塵氣體，密度ρ=0.815kg/m³，為方便計(jì)算與快速收斂，采用 SIMPLE算法，本研究對(duì)邊界條件進(jìn)行最大程度的簡(jiǎn)化：

1.4.1 進(jìn)出口邊界條件

進(jìn)口采用速度入口，進(jìn)口速度設(shè)置為常數(shù)，出口設(shè)置為壓力出口，湍流強(qiáng)度與水力直徑設(shè)置為2.25%和300mm。

1.4.2 濾袋邊界條件

本文選用多空跳躍模型來(lái)定義濾袋，該模型能夠模擬已知速度和壓降的具有一定厚度的薄膜其滲透率為1.71xE- llm2，厚度為1mm，壓力變化滿(mǎn)足達(dá)西定律。

1.4.3 壁面邊界條件

除塵器箱體及濾袋下方定義為無(wú)滑移壁面，XYZ三個(gè)方向的速度分量為0。

2?模擬結(jié)果與分析

2.1?速度分布

按照上節(jié)邊界條件設(shè)置對(duì)袋式除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，選取ZX截面得到各截面上的速度云圖以及速度矢量圖。

由圖2到圖5可知，當(dāng)含有粉塵的氣體以8m/s的速度單口直入進(jìn)氣口時(shí)，進(jìn)口和出口的氣流速度較大，約為9.7m/s～ 10.4 m/s。氣流進(jìn)入灰斗，由于流動(dòng)截面積突然增大，X方向出現(xiàn)明顯的射流現(xiàn)象，湍流強(qiáng)度增大。射流長(zhǎng)度超過(guò)灰斗半長(zhǎng)以后，速度逐漸降低。后壁面較之前壁面，風(fēng)速較大，對(duì)濾袋下端造成很大沖擊。一部分含塵氣流沿壁面上升，另一部分氣流沿后壁面下降，在灰斗內(nèi)形成回流和渦流。部分回流沿前壁面上升，并與入口射流相碰撞，使射流方向向上發(fā)生偏移，造成二次揚(yáng)塵，影響粉塵自重下落，同時(shí)嚴(yán)重磨損濾袋底部以及靠近后壁面的濾袋，降低其使用壽命。含塵氣體通過(guò)濾袋后進(jìn)入上箱體流通面積的迅速減小使得出口的風(fēng)速達(dá)到最大值。

從圖5壓強(qiáng)分布云圖可以看出，濾袋部分引起的壓力損失最大，其它結(jié)構(gòu)引起的壓降較小。壓強(qiáng)在最大在灰斗后壁處。濾袋壓強(qiáng)的分布不均勻，中部的壓強(qiáng)比要比外周濾袋的壓強(qiáng)大。較大的壓強(qiáng)會(huì)使濾袋表面組織纖維松散，除塵器若長(zhǎng)期保持這種工作狀態(tài)，濾袋表面會(huì)出此案針刺小洞，引起粉塵的泄露。

2.2 濾袋質(zhì)量流量分析

在進(jìn)行模擬的過(guò)程中，在濾袋的下端設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)進(jìn)入個(gè)濾袋的質(zhì)量流量，檢測(cè)各個(gè)濾袋的質(zhì)量流率能夠真實(shí)反映出除塵器內(nèi)部的氣流分布情況，具體數(shù)值見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，濾袋的質(zhì)量流率與其位置有很大關(guān)系，處于箱體中部的濾袋質(zhì)量流率比兩端稍大，這與進(jìn)風(fēng)口位置有關(guān)。進(jìn)風(fēng)口處在對(duì)稱(chēng)位置處，距離中部濾袋的位置近，射流的作用也會(huì)使質(zhì)量流率增大。每排第一個(gè)濾袋的質(zhì)量流量是最大的，往后開(kāi)始減小。其中第五排第一個(gè)濾袋的數(shù)值最大，為0.0094364742kg/s。

3 改進(jìn)建議

含塵氣體在除塵器內(nèi)部流動(dòng)速度具有不均勻性，其速度變化范圍較大，進(jìn)風(fēng)口的射流是由于流動(dòng)面積突然增大造成的，會(huì)磨損濾袋下端，因此可以在濾袋下端設(shè)置導(dǎo)流板來(lái)改善進(jìn)風(fēng)口射流的現(xiàn)象，降低對(duì)濾袋的沖擊作用。

除塵器內(nèi)部的壓力場(chǎng)也具有不均勻性，導(dǎo)致不同濾袋過(guò)濾效率不同，若增加進(jìn)口直徑改善射流現(xiàn)象又會(huì)受到實(shí)際工況進(jìn)口的限制。因此今后的研究可以考慮改變進(jìn)口位置，增設(shè)導(dǎo)流板來(lái)優(yōu)化袋式除塵器。

4 結(jié)論

本文以MC-64袋式除塵器為原型進(jìn)行流場(chǎng)模擬，得出主要結(jié)論如下：

（1）含塵氣體流速以及壓強(qiáng)分布在除塵器內(nèi)部就有不均勻性，由于進(jìn)口的射流作用，導(dǎo)致后壁面濾袋磨損嚴(yán)重，影響其使用壽命。

（2）針對(duì)進(jìn)口射流現(xiàn)象，提出在濾袋底部增設(shè)導(dǎo)流板，改變進(jìn)口位置的建議來(lái)降低濾袋底部的磨損。

參考文獻(xiàn)

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