李嵐溪　胥海倫　劉　東　葉會文（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　綿陽　621010）

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多孔介質(zhì)散射器對濾筒除塵器清灰性能的影響研究

李嵐溪胥海倫劉東葉會文
（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院綿陽621010）

【摘要】現(xiàn)有濾筒除塵器清灰存在濾筒頂部失效，底部壓力太大的缺點，提出采用多孔介質(zhì)氣體散射器進(jìn)行干擾濾筒除塵器內(nèi)清灰的流場，并采用數(shù)值方法進(jìn)行計算，結(jié)果表明：噴嘴進(jìn)口壓力相同情況下，多孔介質(zhì)氣流散射器孔隙率為0.87時清灰性能最好；多孔介質(zhì)氣流散射器孔隙率相同情況下，噴嘴進(jìn)口壓力為0.5MPa時清灰性能最好。

【關(guān)鍵詞】濾筒除塵器；清灰性能；多孔介質(zhì)；數(shù)值模擬

0　引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大氣污染日益嚴(yán)重，其中顆粒污染不但會對人體健康造成不同程度的危害，對大氣能見度、氣候、建筑物、動植物也會有一定程度的影響[1]。除塵器是除塵行業(yè)的主力軍，其中濾筒除塵器由于具有特殊的褶皺構(gòu)造具有體積小、相對過濾面積大、空間利用率高等優(yōu)點，從而使得濾筒除塵器的應(yīng)用日趨廣泛[2]。但由于濾筒結(jié)構(gòu)和脈沖流場特性等因素的影響，濾筒清灰時存在的頂部失效，底部壓力太大等問題仍是濾筒除塵器技術(shù)改進(jìn)的難點問題[3,4]。針對濾筒除塵器清灰而言，Yunlou Qian等人[5]通過實驗得出最佳噴吹距離；林莉君等人[6]利用自制脈沖噴吹實驗臺實驗得出了最佳噴吹組合方式；楊迪等人[7]通過實驗研究噴吹壓力和脈沖噴吹寬度對脈沖噴吹濾筒除塵器清灰效果的影響。張情等人[8-10]對采用普通噴孔和超音速引流噴嘴加氣流散流器時的濾筒除塵器清灰效果進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)后者可以有效提高清灰效率。

從氣流散熱流場結(jié)構(gòu)分析，氣流散射器的結(jié)構(gòu)形狀會改變氣流流場進(jìn)而影響其清灰效果。本文提出基于多孔介質(zhì)散射器的結(jié)構(gòu)形狀，并采用數(shù)值模擬的方法研究孔隙率和進(jìn)口壓力對濾筒清灰效果影響。

1　基于多孔介質(zhì)散射的濾筒幾何結(jié)構(gòu)簡述

基于常用的Φ325×660mm濾筒，并按照其尺寸進(jìn)行建模，如圖1所示。

圖1　濾筒清灰?guī)缀文Ｐ褪疽鈭DFig.1 The geometric model of the cartridge filter

為了更清楚表述濾筒的特性，定義噴嘴頂部寬度為w1，高度為H1，散射器底部寬度為w2，高度為H2，濾筒壁寬度為w3，濾筒高度為H3。且w1=22mm，H1=76mm，w2=100mm，H2=102mm， w3=55mm，H3=660mm。

2　數(shù)學(xué)模型和邊界條件

采用流動控制方程對流體在整個濾筒的流動進(jìn)行數(shù)值模擬，并且作如下假設(shè)：

（1）采用理想氣體作為工作介質(zhì)，不可壓縮且在多孔介質(zhì)中流動為層流，其余部分流場為紊流；

（2）流體流動為定常流動；

（3）流體和固體的物性參數(shù)為定值；

（4）散射器、濾筒壁表面光滑；

（5）忽略重力浮力等影響。具體的控制方程如下：

固體區(qū)域能量方程為：

紊流脈動動能方程為：

耗散率ε的控制方程為：

式（1）～（5）中，v為速度，ρ為密度，g為自由落體加速度，τ為應(yīng)力張量，p為當(dāng)?shù)貕毫Γ虨閯恿φ扯龋琓為溫度，cp為流體的定壓比熱，K為固體的導(dǎo)熱系數(shù)，c1、c2為經(jīng)驗常數(shù)。

濾筒筒壁及氣體散射器的數(shù)學(xué)模型用孔隙率、粘性阻力系數(shù)及內(nèi)部阻力系數(shù)來定義，其相關(guān)常數(shù)具體計算方程如下。

半經(jīng)驗公式Ergun方程為：

Blake－Kozeny方程為：

粘性阻力系數(shù)為：

內(nèi)部阻力系數(shù)為：

式（6）～（9）中，L為充填床的深度，n為孔隙率，Dp為粒子平均直徑。

為了簡化計算，通過軸對稱條件對濾筒截面進(jìn)行模擬，具體邊界條件設(shè)置如下：

（1）噴嘴、散射器、濾筒中心采用軸對稱邊界條件；

（2）噴嘴入口截面為系統(tǒng)入口，采用壓力進(jìn)口；

（3）除塵箱頂面、側(cè)面為模型出口，采用壓力出口；

（4）噴嘴外壁、除塵箱底面為固體壁面；

（5）散射器、濾筒壁面采用多孔介質(zhì)邊界條件；

（6）模型內(nèi)部有流體通過的其他面均設(shè)置為內(nèi)部界面。

在劃分模型網(wǎng)格時，整體取較小的網(wǎng)格尺寸且模型劃分網(wǎng)格尺度因區(qū)域不同而有所差異。另外，對于不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行區(qū)域分割劃分，盡量采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于小部分不規(guī)則區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。噴頭、散射器、濾筒壁的網(wǎng)格劃分如圖2。

圖2　網(wǎng)格示意圖Fig.2 Numerical mesh for different regions

3　結(jié)果和討論

3.1孔隙率對除塵效果的影響

圖3為濾筒內(nèi)壁壓力值隨著濾筒長度的變化關(guān)系圖。為了研究氣流散射器孔隙率對清灰性能的影響，當(dāng)噴嘴進(jìn)口壓力Pin設(shè)為定值0.6MPa時，分別對孔隙率ε=0.01，0.5，0.8，0.87，0.9，1的6種狀況下氣體經(jīng)過散射器后濾筒內(nèi)的流動特性進(jìn)行模擬。從圖中可以看出，隨著從上至下濾筒長度的增加，濾筒內(nèi)壁上壓力值增加；且當(dāng)孔隙率ε=0.87時，濾筒內(nèi)壁壓力值增加趨勢最平緩，反應(yīng)出此時濾筒內(nèi)壁上壓力值變化最為平均。另外，從圖上可以看出，與其他孔隙率相比，當(dāng)孔隙率ε=0.87時，濾筒內(nèi)壁上壓力值由負(fù)值變化為正值時濾筒長度最短，即此時濾筒清灰失效段最短。因此，在以上6種孔隙率中，當(dāng)孔隙率ε=0.87時，可以達(dá)到最佳清灰性能。

圖3　不同孔隙率、相同進(jìn)口壓力下濾筒內(nèi)壁壓力值隨濾筒長度變化關(guān)系Fig.3 The relationship of the length of the filter cartridge and the pressure of the inner wall at the same inlet-pressure and different porosities

3.2進(jìn)口壓力對除塵效果的影響

圖4給出了當(dāng)孔隙率ε=0.87時，分別在噴嘴進(jìn)口壓力Pin=0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa時，濾筒內(nèi)壁面壓力值隨從上至下濾筒長度的變化關(guān)系。從圖4中可以看出，隨著從上至下濾筒長度的增加，濾筒內(nèi)壁上壓力值增加。當(dāng)噴嘴進(jìn)口壓力Pin=0.5MPa時，濾筒內(nèi)壁壓力值增加趨勢最平緩，反應(yīng)出此時濾筒內(nèi)壁上壓力值變化最為平均；且此時濾筒內(nèi)壁上壓力值由負(fù)值變化為正值時濾筒長度最短，即此時濾筒清灰失效段最短。

圖4　相同孔隙率、不同進(jìn)口壓力下濾筒內(nèi)壁壓力值隨濾筒長度變化關(guān)系Fig.4 The relationship of the length of the filter cartridge and the pressure of the inner wall at the same porosity and different inlet-pressures

4　結(jié)論

對不同孔隙率、相同進(jìn)口壓力及相同孔隙率、不同進(jìn)口壓力下濾筒除塵器中的流動特性進(jìn)行了數(shù)值分析，并結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)噴口進(jìn)口壓力相同，多孔介質(zhì)氣流散射器孔隙率為0.87時，濾筒除塵器的清灰性能最好。

（2）當(dāng)多孔介質(zhì)氣流散射器孔隙率相同，噴口進(jìn)口壓力為0.5MPa時，濾筒除塵器的清灰性能最好。

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Effect of Diffusers Based on Porous Media on the Dust Cleaning in Cartridge Filters

Li Lanxi Xu Hailun Liu Dong Ye Huiwen
( School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

【Abstract】Due to the losing efficacy of the dust-cleaning at the top of the cartridge filters and the overlarge pressure at the bottom, this paper proposes to interfere the dust-cleaning fluid flow in the cartridge filters with gas diffusers based on porous media. The influence of the inlet-pressure and the diffusers based on porous media on these characteristicsis simulated. Results are as follows.At the same inlet-pressure of the nozzles, the dust-cleaning performance shows the best when the porosity of the porous media is 0.87. At the same porosityof theporousmedia, the dust-cleaningperformanceshowsthe best when the inlet-pressureofthenozzlesis 0.5MPa.

【Keywords】cartridge filters; dust-cleaning performance; porous media; numerical simulation

中圖分類號X964

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-087-03

基金項目：四川省科技創(chuàng)新苗子工程（2014—066）；自然科學(xué)基金（11572269）

作者簡介：李嵐溪（1992.08-），女，在讀碩士研究生，E-mail：381006005@qq.com

通訊作者：劉東（1984.11-），男，博士，副教授，E-mail：dtld123@126.com

收稿日期：2015-08-10