多孔擾流板對臥式濾筒除塵器流場的優(yōu)化研究

劉 景,謝小鵬,,盧小輝,唐 超

(1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510641) (2.東莞匯樂技術(shù)股份有限公司,廣東 東莞 523925)

隨著國家對含塵廢氣排放要求的提高,除塵器的需求量也日益增大[1]。濾筒除塵器由于其具有效率高、體積小、便于維護等優(yōu)點,被廣泛用于較高含塵量工作環(huán)境的通風除塵[2]。除塵效率是除塵器的重要技術(shù)參數(shù),除塵器內(nèi)部氣流組織對除塵效率有很大的影響[3],因此針對氣流組織的優(yōu)化成為除塵器優(yōu)化研究的主要方向之一。除塵器內(nèi)部流場復(fù)雜,需要借助計算流體動力學(xué)(CFD)仿真手段來獲得流場特征,進而提出優(yōu)化方案。目前大部分研究都集中在立式濾筒除塵器,對臥式濾筒除塵器的研究較少。

在除塵器內(nèi)部增設(shè)擾流板是一種有效、易行的流場優(yōu)化方法[4],然而擾流板結(jié)構(gòu)參數(shù)對優(yōu)化效果有著重要的影響,因此需要計算出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。張智雄等[5]在側(cè)進氣臥式濾筒除塵器進風口處添加導(dǎo)流板,以及在濾筒上方添加3種不同類型擋板來優(yōu)化流場,結(jié)果表明采用分離式擋板優(yōu)化效果最佳;袁娜等[6]在除塵器進風口處增設(shè)擋板,并模擬了不同擋板角度對氣流均勻性的影響,發(fā)現(xiàn)擋板角度在165°～170°時流場均勻性最佳;張相亮等[7]通過數(shù)值模擬研究了進氣擾流板不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對袋式除塵器氣流分布的影響程度,得出影響進氣均布程度的排序為:板長L>擋板前后偏角θ>板數(shù)n>擋板上端距灰斗頂部截面高度H。以上文獻中的擾流板形狀大多為多排直面或曲面型擾流板,需考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多,在實際應(yīng)用時大大增加了擾流板設(shè)計的復(fù)雜度。

為優(yōu)化除塵器流場,同時降低擾流板設(shè)計的復(fù)雜度,縮短生產(chǎn)周期,本文以在除塵器入口處增設(shè)多孔擾流板作為流場優(yōu)化的方法,通過CFD仿真正交試驗研究多孔擾流板三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場均勻性的影響,并選取最優(yōu)參數(shù)組合對流場進行優(yōu)化。

1 計算模型與數(shù)值方法

1.1 幾何模型

以企業(yè)現(xiàn)有臥式濾筒除塵器(圖1a)為研究對象,建立其簡化三維模型(圖1b)。反吹倉尺寸為1 500 mm×480 mm×1 640 mm,濾室總體尺寸為1 500 mm×660 mm×2 000 mm,室內(nèi)共有6個按倒三角形排布、尺寸為φ350 mm×660 mm的濾筒(圖1c),進風口尺寸為φ270 mm,出風口尺寸為φ346 mm。

圖1 臥式濾筒除塵器幾何模型

1.2 數(shù)值模型與邊界條件

借助FLUENT軟件模擬除塵器內(nèi)部流場。將氣體視為恒溫不可壓縮流體,入口采用速度入口,速度為20 m/s,方向與入口截面垂直;出口采用壓力出口,出口靜壓設(shè)為-3 000 Pa。湍流模型采用標準k-ε模型,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,壓力離散采用PRESTO,對流相采用二階迎風離散格式。

濾筒采用多孔跳躍介質(zhì)模型,該模型為普通多孔介質(zhì)模型的一維簡化模型,具有良好的收斂性、魯棒性。該模型用達西定律和一個額外附加的慣性損失結(jié)合來定義薄膜內(nèi)外的壓力變化[8]:

(1)

式中:ΔP為薄膜內(nèi)外的壓力變化量,μ為流體黏度,α為滲透率,v為垂直于薄膜表面的速度分量,C2為壓力階躍系數(shù),ρ為流體密度,Δm為薄膜厚度。此次模擬滲透率設(shè)置為1.02×10-12m2,濾紙厚度為2 mm。由于過濾風速低,因此忽略第二項阻力[9]。

1.3 流場均勻性評價標準

(2)

ΔK=Ki max-Ki min

(3)

(4)

1.4 模型可靠性驗證

對模型進行結(jié)構(gòu)性與非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分,并調(diào)節(jié)網(wǎng)格尺寸得到不同網(wǎng)格數(shù)量的劃分方案。通過對比進風口軸線上15個監(jiān)測點的速度來驗證網(wǎng)格無關(guān)性,結(jié)果如圖2所示。由圖可知,4種網(wǎng)格劃分方案計算結(jié)果偏差均在3%以內(nèi),且當網(wǎng)格數(shù)量達到300萬以上時,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,計算結(jié)果幾乎不變,表明網(wǎng)格無關(guān)性良好。最終選擇300萬網(wǎng)格劃分方案對除塵器進行模擬研究,該方案網(wǎng)格最小正交質(zhì)量為0.139,網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

通過實驗測量風機在不同頻率下工作時除塵器的入口全壓和處理風量,并與模擬值進行對比,驗證仿真的準確性,結(jié)果如圖3所示。

圖3 模擬值與實際測量值對比圖

由圖可知,模擬值與測量值最大誤差僅為6.82%,說明該數(shù)值模型能夠較好地模擬實際氣流組織情況。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化前除塵器流場數(shù)值模擬

圖4(a)為氣體過進風口截面速度云圖,從圖中可以看出,氣體在進入濾室時存在明顯的射流現(xiàn)象。圖4(b)中,入口氣流遇到壁面后,大部分沿著壁面向上進入濾筒區(qū)域,濾室左側(cè)的氣流速度要明顯高于右側(cè)。入口處的射流使濾室內(nèi)形成大范圍回流,不僅影響塵粒的自然沉降,降低除塵效率,而且增大了氣體與壁面、氣體與氣體間的摩擦,從而增加了運行阻力。

圖4 優(yōu)化前氣流數(shù)值模擬圖

圖4(c)中,6號濾筒靠近進風口,導(dǎo)致該濾筒底部出現(xiàn)局部高風速的現(xiàn)象,顯著縮短濾筒的使用壽命。受濾室回流的影響,各濾筒之間風速差異較大,降低了流場均勻性。1～3號濾筒上表面風速普遍高于下表面,這種局部風速不均的現(xiàn)象也進一步降低了整體的過濾效率。

2.2 擾流板結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖5(a)所示,擾流板由A、B、C三面構(gòu)成,每個面上均開設(shè)通孔以均散入口氣流。擾流板寬度與濾室寬度相等,圖中所注尺寸(單位:mm)均為固定尺寸,其中B面與濾室壁面之間的距離為ΔL,通過調(diào)節(jié)ΔL即可計算出A、B、C面的長度。

通過設(shè)置不同的孔面積占比率f和孔型T,再調(diào)整ΔL的大小,即可得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多孔擾流板,其中不同的f通過調(diào)節(jié)孔徑大小來實現(xiàn),并保證每次調(diào)節(jié)時孔與孔之間的相對位置不變。

2.3 參數(shù)實驗設(shè)計與結(jié)果分析

表1 因素水平表

表2 正交試驗結(jié)果

表3 多因素方差分析表

圖6 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對的影響

2.4 優(yōu)化后除塵器流場數(shù)值模擬

優(yōu)化后氣流數(shù)值模擬圖如圖7所示。圖7(a)與圖4(a)對比可以看出,擾流板對入口射流起到了明顯的抑制作用。圖7(b)中,濾室回流強度相比于優(yōu)化前也明顯減弱。

圖7 優(yōu)化后氣流數(shù)值模擬圖

圖8 優(yōu)化前后各濾筒流量分配系數(shù)

3 結(jié)論

1)在除塵器進風口處增設(shè)多孔擾流板是一種簡易、有效的流場優(yōu)化方法,對提升流場均勻性、降低濾筒風速有明顯的效果。

2)當多孔擾流板孔型為圓孔時,只需考慮孔面積占比率即可,相比于傳統(tǒng)的多排擾流板設(shè)計更加簡單。