谷曉嬌，陳長征，谷艷玲，陸 鶴

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

基于Fluent的袋式除塵器氣箱入口直徑取值研究

谷曉嬌，陳長征，谷艷玲，陸 鶴

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

目前大氣污染問題日益嚴峻，工業(yè)廢氣的除塵已成為一個十分重要的研究方向，袋式除塵器是廣泛應用于治理大氣污染的除塵設備之一。采用氣箱噴吹的清灰方式可以降低袋式除塵器的使用成本，而這種清灰方式存在噴吹氣體的壓力和流速不均勻的現(xiàn)象。為了保證除塵效果，基于計算流體力學軟件Fluent研究氣箱入口直徑的取值對噴吹氣體分布均勻性的影響。通過一系列的數值模擬實驗表明，入口直徑取值過大，壓力分布均勻性下降但不明顯，入口直徑取值過小會產生局部流速增大的現(xiàn)象，影響濾袋使用壽命。

袋式除塵器；氣箱噴吹；入口直徑；壓力分布；氣體流速

0 前言

現(xiàn)在人類產業(yè)活動飛躍發(fā)展，有害物質排出的速度已經超越了自然的凈化能力。因此，對生活環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的影響，平衡產業(yè)活動和環(huán)境保護之間的關系已經成為了一個社會問題[1]。為了防止產業(yè)活動對大氣環(huán)境造成污染，我國制定了工業(yè)煙氣排放標準，一般工業(yè)廢氣在排放前需要經過除塵設備的處理才能排放到大氣中。

目前，袋式脈沖除塵器是應用最廣的除塵設備之一，它是以濾布為過濾材料來達到分離有害物質的目的，具有處理風量大、占地面積小、凈化效率高、工作可靠、結構簡單、維修量小等特點[2]。袋式除塵器的運行實踐表明，清灰系統(tǒng)結構設計的合理性是保證袋式除塵器成功運行的關鍵因素。合理的結構設計不僅可以降低除塵器使用成本，還能提高除塵效率，延長濾袋的使用壽命[3]。袋式除塵的清灰方式主要分為兩大類，一類是氣箱噴吹的清灰方式，另一類是管噴吹的清灰方式，氣箱噴吹與管噴吹相比具有更好的經濟性且便于維修，但是氣箱噴吹的均勻性需要通過合理的氣箱結構來保證[4]。氣箱入口直徑的取值直接影響著噴吹氣體是否能均勻散布于每個布袋，保證氣箱噴吹的除塵效果和降低濾袋使用成本。研究袋式除塵器氣箱噴吹入口直徑對其清灰過程的影響對提高袋式除塵設備的使用效率很有意義。

1 模擬工具及研究方法簡介

Fluent是國際知名的CFD軟件,集成了非常豐富的參數化方案和物理模型,可用于多種流體問題的數值模擬。Fluent軟件包由前處理、求解器及后處理三大模塊組成。數值計算具體過程包括建立幾何模型、劃分網格、確定計算模型、定義邊界條件、Fluent計算求解、結果整理與分析6部分[5]。其中前四個步驟屬于前處理部分，由Gambit軟件完成，最后一部分的結果整理與分析借助Tecplot軟件完成。

利用Fluent6.3對袋式除塵器氣箱內流場進行數值模擬，并對不同進風口徑下的流場分布云圖進行比較分析，從而選出一種能使流場較均勻的分布在氣箱內的入口直徑，優(yōu)化氣箱式袋式除塵器的氣箱結構，改善氣箱式噴吹氣體分布不均勻的現(xiàn)狀。

流體流動都滿足三大基本定律，即質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[6]。因此，本文的數值計算需要將連續(xù)性方程、N-S方程和能量守恒方程三大方程聯(lián)立起來求解。

Fluent主要控制方程如下:

(1)

(2)

(3)

2 袋式除塵器氣箱數值模擬實驗

以玻璃爐窯廠所采用的氣箱式脈沖袋式除塵器的尺寸大小及結構特征建立幾何模型并劃分網格，在保證網格足夠細密的同時盡量減少網格數量以提高收斂的穩(wěn)定性。然后進行邊界條件的設置，設置壓力入口邊界條件pressure inlet、出口邊界條件outflow及壁面wall[7]。采用常用的進口噴吹壓力0.3 MPa對除塵器氣箱區(qū)域進行數值模擬。

2.1 氣箱壓力分布模擬

分別模擬在氣箱噴吹入口直徑為φ600 mm和φ800 mm兩種情況下氣箱內的壓力分布，圖1為入口直徑φ600 mm的壓力分布云圖，圖2為入口直徑φ800 mm的壓力分布云圖。

圖1 入口直徑φ600 mm的壓力分布云圖Fig.1 Pressure distribution map of inlet Φ600 mm

圖2 入口直徑φ800 mm的壓力分布云圖Fig.2 Pressure distribution map of inlet Φ800 mm

比較圖1與圖2的實驗結果可知在噴吹壓力相同的條件下，當氣箱入口直徑較大時，氣箱內的壓力分布均勻性相對下降。

2.2 氣箱速度分布模擬

分別模擬在氣箱噴吹入口直徑為600 mm和800 mm兩種情況下氣箱內的氣體流速分布，圖3為入口直徑600 mm的速度分布云圖，圖4為入口直徑800 mm的速度分布云圖。

圖3 入口直徑φ600 mm的流速分布云圖Fig.3 Flow velocity distribution map of inlet Φ600 mm

圖4 入口直徑φ800 mm的流速分布云圖Fig.4 Flow velocity distribution map of inlet Φ800 mm

比較圖3與圖4的實驗結果發(fā)現(xiàn)在噴吹壓力相同的條件下，當氣箱入口直徑較小時，氣箱內的速度分布均勻性相對較差，有的區(qū)域在噴吹的過程中長期處于氣流流速較高的狀態(tài)。

3 數值計算結果的考察分析

3.1 壓力分布數據分析

噴吹入口直徑為φ600 mm時氣箱內壓力分布的具體分布數據詳見圖5，由圖中數據可知除塵器花板區(qū)域各點的壓力值在0.299 MPa到0.301 MPa之間，分布均勻性良好。

圖5 入口直徑φ600 mm的壓力值散點圖Fig.5 Pressure value scatter diagram of inlet Φ600 mm

噴吹入口直徑為φ800 mm時氣箱內壓力分布的具體分布數據詳見圖6，由圖中數據可知除塵器花板區(qū)域各點的壓力值在0.298 MPa到0.301 MPa之間，分布均勻性良好。

比較圖5與圖6，當入口直徑增大時，壓力分布均勻性下降，但其下降程度十分微小，在一定范圍內可以忽略不計。

圖6 入口直徑φ800 mm的壓力值散點圖Fig.6 Pressure value scatter diagram of inlet Φ800 mm

3.2 速度分布數據分析

噴吹入口直徑為φ600 mm時氣箱內速度分布的具體分布數據詳見圖7，由圖中數據可知除塵器花板區(qū)域各點的流速值在0到6.0 m/s之間。

圖7 入口直徑φ600 mm的流速值散點圖Fig.7 Flow velocity value scatter diagram of inlet Φ600 mm

噴吹入口直徑為φ800 mm時氣箱內速度分布的具體分布數據詳見圖8，由圖中數據可知除塵器花板區(qū)域各點的速度值在0到3.0 m/s 之間。

圖8 入口直徑φ800 mm的流速值散點圖Fig.8 Flow velocity value scatter diagram of inlet Φ800 mm

比較圖7與圖8，當入口直徑增大時，花板上的氣體流速分布均勻性提高，且其均勻程度變化明顯，當入口直徑減小時，會有局部區(qū)域在較高的流速狀態(tài)下工作，這樣的工況會降低濾袋的使用壽命，在工程實踐中應避免這一現(xiàn)象的發(fā)生[8]。

4 結論

袋式除塵器采用氣箱式噴吹時，氣箱入口直徑越大氣體在氣箱內的壓力分布越不均勻，但這種不均勻程度的變化極為微小，在工程中往往可以忽略不計。當氣箱入口直徑減小時則會加快局部區(qū)域的流速，而這部分的流速增長速度較快，從而縮短高速狀態(tài)下的濾袋使用壽命。在袋式除塵器的使用中，更換濾袋是設備使用的主要成本，因此應盡量采用較大的氣箱入口直徑，以保障濾袋的使用壽命。

[1] 高潔,狄曉亮,李呈．氧化鎂的發(fā)展趨勢及其生產方法[J]．化工生產與技術,2005, 12(5): 36-40.

[2] 胡慶福,胡曉湘,宋麗英．中國專用氧化鎂開發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展建議[J]．化工進展,2005, 24(1): 28-31.

[3] Zhao Xia,Yao Qun,Chen Xing. Study on Techniques of dilute phase pneumatic dust conveying systems with bag filters[J]. Industrial safety and environmental protection,2012,38(7):80-82.

[4] Boulkroune A,Tadjine M,Saad M. How to design a fuzzy adaptive controller based on observers for uncertain affine nonlinear systems [J]. Fuzzy sets and systems,2008,159(8):926-948.

[5] 王仲.變工況布袋除塵器特性研究[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2009.

[6] 金國淼, 袁紐, 華鋒, 等. 除塵設備[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005, 174-180.

[6] Jin Guomiao, Yuan Niu, Hua Feng, etal. Dust removal equipment [M]. Bei Jing: Chemical industry press, 2005, 174-180.

[7] Park J H, Park G T, Kim S H, Moon C J. Direct adaptive self-structuring fuzzy controller for non affine nonlinear system[J]. Fuzzy sets and systems, 2005,153(3):429-445.

[8] 谷艷玲，陳長征，谷曉嬌．模糊控制在袋式除塵溫度控制中的應用研究[J]．機械設計與制造，2015(4)：270-272．

Research on the inlet diameter of the bag filter gas tank based on Fluent

GU Xiao-jiao，CHEN Chang-zheng，GU Yan-ling，LU He

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870,China)

Air pollution is becoming more and more serious at present. Dust removal of industrial waste is a very important research direction. Bag dust collector is one of dust removal equipment widely used in air pollution. Cleaning dust by gas tank blown can reduce cost of bag filter, but it may cause uneven pressure and flow velocity of the gas. In order to ensure the dust removal effect, the influence of the inlet diameter value of gas tank on the distribution uniformity of the blown gas is studied based on fluid dynamics software Fluent. A series of simulation experiment show that the larger inlet diameter can make the uniformity of pressure distribution obsolete decrease, and too small diameter can make the local flow velocity increase, which it affect service life of the bag.

bag filter；gas tank blown；inlet diameter； pressure distribution；gas flowing velocity

2015-10-15；

2015-12-11

國家自然科學基金資助項目(51205259；51305276)

谷曉嬌(1989-)，女，沈陽工業(yè)大學博士研究生。主要研究方向：流體傳動與控制技術。

TH6；TH16

A

1001-196X(2016)03-0024-04