除尘器

脉冲喷吹滤筒除尘器喷吹清灰实验与数值模拟

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-01-09 13:30:05

摘要:通过喷吹实验台对147×1000mm滤筒的脉冲喷吹清灰过程进行了实验测试,运用数据采集系统得到了滤筒表面压力峰值的动态变化曲线图;并利用CFD模拟滤筒的清灰过程,计算过程采用非稳态计算方法,得到了不同喷吹时刻滤筒表面的压力峰值。在喷吹压力一定的条件下,沿滤筒长度方向上,正压力峰值到达时间是逐渐增加的;滤筒内压力峰值并非随着喷吹时间的增加而不断增大,当喷吹时间大于60ms时,随着喷吹时间的增加压力峰值有下降趋势。模拟得到的压力峰值曲线与实验曲线变化趋势一致。

关键词:滤筒除尘器;脉冲喷吹;数值模拟;压力峰值;喷吹时间

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新型过滤材料的不断出现,使得滤筒除尘器的效率和经济性优于传统的袋式除尘器,它具有体积小、单位体积过滤面积大、效率高、阻力低、更换滤筒及维护管理方便等优点,具有广阔的发展前景。在滤筒除尘器中,过滤装置与清灰装置是其主要组成部分,而清灰效果是影响脉冲滤筒除尘器除尘效率及运行经济效益的关键。

由于滤筒为多褶结构,滤筒除尘器的清灰相对比较困难。Hump Hries等人通过推导得出,在选定滤料且过滤处于平衡状态后,影响喷吹效果的主要因素是压力峰值及其到达时间,所受的压力越大、压力峰值到达时间越短,喷吹效果就越好。本文通过脉冲清灰实验台对滤筒脉冲喷吹清灰过程进行了研究,为了更直观地了解喷吹气流与滤筒间的相互作用,使用FLUENT软件对脉冲喷吹清灰过程进行了模拟,得到了喷吹过程中滤筒内压力场、速度场等的变化情况。

1实验

1.1实验设备及参数

1)实验设备

包括提供实验气源的UDI-7型螺杆空气压缩机,DBR-4000型减压阀,DCF-2L-B型直角脉冲阀,Y-YD-7044型压电式传感器,QSY-1电荷放大器,USB-8512E便携式数据采集仪和计算机。

2)实验参数

脉冲阀一次喷吹面积为6.0~8.0m2。直径为25mm的喷吹管(长1000mm,在中间位置只开一个喷吹孔)喷吹孔径为9.0mm,喷吹距离为180mm,气包压力为0.60MPa,喷吹时间为100ms;实验所用滤筒为直径147mm、长1000mm的普通聚酯滤筒。传感器分别布置在滤筒的上、中、下3个位置(见图1)。3个测点与滤袋口的距离分别为100,500,900mm。测点1,2分别是脉冲阀出口的全压和动压测点,X为喷吹距离,L为滤筒长度。

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1.2实验结果

实验记录了滤筒上、中、下3个测点的压力测试值,得到测试曲线,见图2。从图2中可以看出:

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1)滤筒上部有较大的负压力峰值,沿滤筒长度方向负压力峰值有降低的趋势。这是因为在滤筒口部气流还未充分膨胀,速度较大,在极短时间后产生较大的负压,再加上冲击气流运动后的负压作用,使得滤筒口部的负压明显增加,所以也使已经被清除掉的粉尘又再次被吸附到滤料表面,造成滤筒上部清灰效果不好。

2)在喷吹压力一定的条件下,沿滤筒长度方向,正压力峰值到达时间是逐渐增加的。上部在20ms时达到压力峰值,为0.28kPa;中部在40ms时达到压力峰值,为0.75kPa;底部在60ms时达到压力峰值,为2.1kPa。

3)滤筒侧壁正压力峰值随测点距离的增加而增加。在滤筒长度方向上压力分布是不均匀的,上部受到的压力最小,中部次之,底部最大。这是由于诱导气流随着高速压缩气体进入滤筒,在滤筒上部形成负压区,所以滤筒上部压力峰值较小;在压缩空气继续向下运动的过程中膨胀作用比较明显,压力会有所上升,所以滤筒中部压力较高;但压缩空气又不可能无限制地膨胀,气体的消耗伴随着整个过程,特别是到了滤筒底部,气体本身的压力就相对较低了,但因为滤筒底部是封闭的,当压缩空气运动到滤筒底部时,会受到滤筒底部的冲击而对滤筒侧壁产生正压,这股冲击气流和主导气流共同作用使滤筒底部压力达到最大。

2数值模拟

2.1模型建立

为了便于建模及计算,对实验台进行了如下简化:

1)忽略压力表、脉冲控制仪、数据采集仪等检测仪器。

2)针对脉冲阀提供的脉冲气源,根据姜艳艳在《小型干式除尘器在矿井粉尘治理技术中的应用与研究》中测得的脉冲阀动压变化曲线(见图3),可以看出当喷吹压力为0.60MPa时,脉冲阀出口压力瞬间达到最大值,之后在0.30s的时间内动压值基本不变,而喷吹过程只有0.10s,故可以将其简化为恒压源。

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3)由于滤筒褶皱结构的复杂性,当用其实际结构来建模时,网格划分比较混乱,导致计算无法进行。因此本文把滤筒近似简化为圆筒的多孔介质。

4)由于本模型是轴对称的,为了计算方便,只取模型的一半对其进行模拟即可。为了获得较好的网格质量,对模型进行了区域划分,并对重点区域喷嘴出口与滤筒进行了加密处理,以减小计算误差,提高计算精度。

2.2数值计算方法

本模型划分网格尺度为7~10mm,结构化网格占80%之多。连续相模型采用标准的K-ε湍流方程模型、非稳态3D分离隐式求解器,求平均值以使计算结果稳定可靠。为提高计算精度,压力-速度耦合采用SIMPLEC算法,计算时喷吹时间取100ms,求解步长取2/1000ms。

由于本除尘器模型结构对称,模型对称面处设为对称边界条件symmetry;滤筒除尘器的入口边界条件选用的是pressure inlet压力入口边界条件;出口边界采用pressure outlet压力出口边界;壁面是静止的,因此固体壁面边界为无滑移条件,在壁面处具有零梯度条件即壁面的三相速度都为零;由于滤筒的多褶结构,在不影响计算结果的前提下,设置为Porous-jump多孔跳跃介质,采用的渗透率为4.2×10-6m2。有限厚度的多孔介质的压力变化是用达西定律和一个附加的惯性损失来定义的:

Δp=-(μ·υ/α+C2·1/2ρ·υ2)Δm(1)

式中Δp为压力;μ为层流运动黏度;α为渗透率;υ为法向速度;C2为压力跃升系数;ρ为流体密度;Δm为介质厚度。

2.3数值模拟结果

滤袋的几何尺寸为直径Φ=147mm,长度L=1000mm,喷吹时间τ=100ms,喷吹距离X=180mm,喷嘴直径D=9.0mm,喷吹管直径D=25mm,气包压力为0.60MPa,通过模拟得出滤筒上、中、下3个测点在不同时刻的压力峰值,如图4所示。

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1)由图4可以看出,在喷吹压力一定的条件下,沿滤筒长度方向,正压力峰值到达时间是逐渐增加的。上部在20ms时达到压力峰值0.20kPa,而中部在40ms时达到压力峰值0.55kPa,底部在60ms时达到压力峰值1.6kPa。各时刻的压力云图如图5所示。由压力云图可以看出在40,60ms时滤筒上部存在较大的负压值,这也是在滤筒实际清灰过程中造成滤筒上部清灰效果不好的原因。

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2)滤筒表面上、中、下3个测点压力峰值的测试值与模拟值的对比如图6所示。可以看出模拟得到的变化趋势与实测趋势是一致的,但是模拟得到的压力峰值小于测试值,而且随着测点距离的增加两者差距增大。原因一是由于模拟是对实验的一个简化计算,因此模拟结果与实验结果会存在一定的误差;二是因为脉冲喷吹气流自上而下喷射的过程是瞬间进行的,当气流喷射到一定的距离后,由于滤料的透气性,会使一部分空气透过滤料扩散到滤筒外,因此滤料透气性的不同会导致气体的压力损失也有所不同。由于滤料的透气性与渗透率之间没有具体的换算公式,故模拟结果与实验结果会存在一定的差异,渗透率的问题有待进一步探讨。

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3)各测点压力峰值并非随着喷吹时间的增加而不断增大,当喷吹时间超过60ms时,随着喷吹时间的增加,压力峰值有下降趋势,这与党小庆等人对脉冲袋式除尘器进行数值模拟得到的结果是一致的,即延长压缩空气喷吹时间对压力峰值的提高不起作用。

3结论

3.1通过运用冷态实验台对直径147mm、长1000mm滤筒进行的喷吹实验得到喷吹时的压力曲线图,通过对曲线进行分析得出滤筒上部有较大的负压力峰值,沿滤筒长度方向负压峰值有降低的趋势;在喷吹压力一定的条件下,沿滤筒长度方向,正压力峰值到达时间是逐渐增加的;滤筒侧壁正压力峰值随测点距离的增加而增加。

3.2模拟得到的滤筒压力峰值曲线的变化趋势与通过实验得到的变化趋势相一致,证实了数值模拟结果的可靠性。

3.3通过分析模拟得到的曲线图发现,滤筒内压力峰值并非随着喷吹时间的增加而不断增大,当喷吹时间大于60ms时,随着喷吹时间的增加压力峰值有下降趋势。

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