除尘器

诱导喷嘴改进滤筒除尘器清灰效果的数值模拟

作者:现场报码,2017开奖记录开奖结果    来源:www.    发布时间:2019-04-17 10:05:39

【摘要】采用计算流体动力学数值模拟方法,对规格为Ø325mm×660mm滤筒在采用高效诱导喷嘴(超音速引流喷嘴和气流散射器)喷吹时的内部流场进行研究。通过分析喷吹气流在滤筒内的压力分布云图和喷嘴处的速度分布图,得出模拟结果与脉冲喷吹实验结果基本一致,验证了数值模拟的可靠性和实验的准确性。进而从微观上分析得出采用诱导喷嘴可使气流更加稳定的进入滤筒内部,以此确保滤筒长度方向上内壁清灰压力的均匀性,对滤筒清灰效果有明显的改善作用,为解决滤筒的清灰问题提供了一定的指导。

【关键词】数值模拟;诱导喷嘴;滤筒;清灰效果

清灰效果的好坏直接影响脉冲滤筒除尘器的除尘效率,而粗短型滤筒的清灰尤为困难。目前,行业中通常采用普通喷口的形式对滤筒除尘器进行脉冲喷吹清灰,这样容易造成滤筒上部形成负压,其清灰效果差,使过滤面积严重浪费,且易使滤筒破损目前,有关脉冲喷吹滤筒除尘器清灰系统设计参数的选择大多是借鉴脉冲喷吹布袋除尘器的相关设计手册和模拟研究结果,并且主要集中在对小口径长滤筒的清灰研究。

本篇文章介绍运用自制脉冲喷吹实验台,采用高效诱导喷嘴对常用的Ø325mm×660mm滤筒进行脉冲喷吹清灰实验研究,已得出最佳工况参数下滤筒侧壁压力峰值及其到达时间。为了从微观上进

一步分析诱导喷嘴的作用与原理,同时,验证喷吹实验的准确性,本研究借助计算流体动力学方法,在与喷吹实验相同的条件下采用高效诱导喷嘴对常用的Ø325mm×660mm粗短型滤筒进行模拟,通过对气流的流场和滤筒侧壁压力分布的分析,得出采用诱导喷嘴确保了滤筒长度方向上内壁清灰压力的均匀性,且对滤筒清灰效果有明显的改善作用,对滤筒清灰装置的优化设计具有重要意义。

1建立数值模拟平台

1.1数值模拟方法

用计算流体力学软件CFD对滤筒脉冲除尘器的清灰过程进行模拟,给出喷吹气流在诱导喷嘴处的气流速度分布、滤筒内侧壁的压力分布场。在划分模型网格时,整体取较小的网格尺度。为保证网格质量,对模型进行区域划分,并在诱导喷嘴处做网格加密区,以增加模拟的准确性和真实性。网格划分见图1。

1-图1 模型及加密区网格划分图.png

1.2物理模型的建立及简化

(1)物理模型为750mm×750mm×1300mm(长×宽×高)的除尘器,包括净气箱、除尘箱和下收尘箱体。影响模拟计算结果的主要参数:喷吹管径、喷吹孔径、诱导喷嘴尺寸、滤筒规格、喷吹间距均按照具体实物大小尺寸建立1∶1模型。

(2)喷吹管直径为Ø25mm,长750mm,喷吹管上钻Ø22mm的孔,孔上再安装PLC超音速引流喷嘴和CC200滤筒清灰气流散射器,引流喷嘴上钻出Ø16mm的孔径。诱导喷嘴如图2所示。

2-图2 诱导喷嘴的结构.png

(3)滤筒规格尺寸:外径325mm,内径215mm,长度660mm,滤筒褶数155,过滤面积9.7m²。

(4)将脉冲气流视为理想气体(ideal-gas)来考虑。

(5)喷吹间距(散流器底部距花板的距离)为60mm。

(6)滤筒褶皱结构复杂,建模计算时将滤筒结构假定为圆筒的多孔跳跃介质来考虑。

(7)不考虑滤筒壁面的径向位移。

(8)常温下计算,不考虑温度对流场的影响。

3-图3 脉冲阀进口压力曲线图.png

1.3模型的边界条件和初始条件

图3为脉冲阀进口压力曲线图,可以看出脉冲阀在很短的时间内就上升到最大值,并维持此最大压力值,同时气包容积很大,可供给稳定的脉冲压力,因此系统入口处可简化为恒压入口,而脉冲清灰过程为可压缩、三维非稳态湍流过程。采用标准k-e湍流模型模拟滤筒清灰过程,稳态湍流流场采用Coupled算法,喷吹时间为80ms,求解时间步长为0.002s。

设喷吹管入口截面为系统入口,采用压力进口(pressureinlet)边界条件,其压力为0.6MPa;设喷吹管末端Ø15mm的喷吹孔、净气箱顶面和下除尘箱底面为模型出口,采用压力出口(pressureoutlet)边界条件;净气箱壁面、除尘箱壁面、下除尘箱体壁面、喷吹管外壁、诱导喷嘴外壁、花板、滤筒底面为固体壁面,采用壁面函数法边界条件;滤筒采用多孔跳跃(porousjump)边界条件,渗透率1×10-9m²;模型内部有流体通过的其他面均设置为内部界面(interior)。模拟中指定压力进出口的输运标量值,在湍流指定方法下拉菜单中选择Intensity and Hydraulic Diameter并指定湍流强度I和水力直径DH。

4-模拟中指定压力进出口的输运标量值计算.png

式中:u'为速度脉动量;uavg为平均速度;DH为水力直径。

有限厚度的多孔介质的压强变化是用达西定律和一个附加的惯性损失来定义的:

5-附加的惯性损失来定义公式.png

式中:μ为层流粘度,a为渗透率,C2为压强跃升系数,v为法向速度,Δm为介质厚度。本次模拟滤筒为多孔介质模型,渗透率1×10-9m²。

使用fluent计算时,初始条件即为过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。

2模拟结果及分析

通过fluent数值模拟,可以看出喷吹气流经过诱导喷嘴并进入滤筒内部后系统的整个流场(如图4),滤筒内壁上的压力分布情况(如图5)以及诱导喷嘴处的矢量图(见图6)。

6-图4 模型流场三维图.png

7-图5 滤筒内部压力图.png

8-图6 诱导喷嘴速度矢量图.png

从图5可以看出,压力值在滤筒中部大,沿滤筒径向方向逐渐减小,这是因为在计算时将滤筒壁面设置为多孔跳跃介质,气体在穿过时会有一定的损失,之前的测试的是滤筒壁面向内4mm处的压

力值,为了与喷吹实验相对对应,应从滤筒最外侧的壁面向内取4mm查看滤筒侧壁压力值。

沿滤筒长度方向侧壁压力值逐渐增大,这是由于滤筒上部的气流速度较高,气流没有完全充分膨胀作用于滤筒侧壁就沿着气流方向向下流动,流动过程中继续膨胀,气流的动压不断的转化为静压,使得滤筒下部具有较大的压力值。模拟结果显示,在滤筒壁向内4mm处得出上、中、下3个测点的压力峰值分别为735、1157和1680Pa,可以看出使用诱导喷嘴可以确保滤筒长度方向上内壁清灰压力的均匀性。

从图6看出,高效诱导喷嘴可3次诱导气体,脉冲喷吹的主导气体通过超音速引流喷嘴时通过侧孔可诱导大量气体并开始膨胀,这是第1次诱导气体;之后主导气体和诱导气体一并以大大约490m/s的平均速度流出,在引流喷嘴出口处高速的气流再次卷吸周边气体,形成第2次诱导气体;在散射器出口部分气流速度大于周围气体速度,第3次卷吸周边气体,形成诱导,使更多的气体进入滤筒内部。其次,气体通过气流散射器使气流分散,速度减缓,这样有利于气体以大面积、低速度进入滤筒内部,气流的动压减小了,其静压就会增大,有利于加大清灰力度。与此同时,从图中还可以清楚地看到,在气流散射器底部形成2个涡,其涡内压力低于涡外压力,这有利于提高脉冲气流和诱导气流的稳定性,使得气流顺畅的进入滤筒内部进行清灰。这样可以防止高速气流直接进入滤筒内部,并对滤筒底部造成严重冲击,而滤筒内部由于速度过高而使压力降低,这在滤筒上部表现的尤为明显,从理论上分析最终的结果是使到达滤筒壁面的压力不均匀,并且是底部压力高、上部压力小的情况,根据燃煤锅炉的织物过滤:脉冲喷射过滤器中的粉尘去除理论,此种状况对清灰极为不利。

9-图7 非稳态不同时刻滤筒侧壁压力值.png

图7是80ms的非稳模拟中不同时刻滤筒侧壁压力值,图中的横坐标为脉冲时间,纵坐标为滤筒侧壁压力峰值,计算机每2ms记录一次数据,在分析数据时每隔10ms读取数据并列于表中。结果发现,30ms之前清灰过程处于不平衡状态,清灰开始时滤筒侧壁压力均为负值,随着时间的推移,压力值急剧增大后又迅速减少,这是由于脉冲气流不稳定性造成的。此清灰过程是一个从喷管入口开始迭代的动态非稳态过程,在0~10ms这段时间里,进入滤筒的气流速度极高,形成负压;在10~20ms这段时间里,清灰气流卷吸周围的气体并一起开始向下进入滤筒内部,由于气体的不稳定性造成一个高峰,根据实验的对照来看这个压力峰值是不存在的,且对清灰没有任何作用,模拟中新的现象也许是由于其他原因造成的,这有待进一步的研究;紧着在20~30ms这段时间里,滤筒内的清灰气流与诱导气流掺和扩散作用于滤筒壁面,形成相对稳定的清灰气流;30ms后壁面各测点压力趋于稳定,这才是清灰气流真正作用的时段,同时可以看出在40ms时达到最大峰值,这里要强调的是我们所说的峰值压力,是指稳定状态下的压力峰值。实测的最大侧壁压力峰值的到达时间分别为38.79、39和39.67ms,模拟与实测的峰值到达时间相一致。图8是脉冲喷吹实验测试结果与模拟滤筒侧壁压力值的对比,可以看出滤筒上、中、下各测点的模拟压力值与实验中测得的压力峰值(上、中、下3个测点的压力值分别为960、1120和1670Pa)基本吻合,这也证实了实验的准确性和模拟结果的可靠性。因此,滤筒内喷吹气流压力分布可以借助fluent数值模拟的方法来分析。不使用高效诱导喷嘴,采用普通喷嘴时,滤筒上、中、下3个测点的压力值分别为230、410和1920Pa。

10-图8 实验与模拟滤筒侧壁压力值对比.png

3结论

(1)用fluent软件对Ø325mm×660mm的滤筒进行脉冲喷吹清灰过程的模拟,结果与实验结果基本相符,说明可以采用fluent模拟研究分析滤筒脉冲喷吹的清灰过程,同时也验证了实验结果的准确性。

(2)气流散射器有分散气流、减缓气流速度、诱导气体、形成涡流稳定气流的作用,以此确保滤筒长度方向上内壁清灰压力的均匀性,这对于粗短型滤筒清灰具有良好的改善作用。

(3)侧壁压力峰值的同时到达,使得整条滤筒在同一时刻达到最大的清灰力度,避免不同步时造成的部分吸灰现象。

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