■秦建鋒 桑小田 張紀(jì)元

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450004〕

基于FLUENT棉花加工旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

■秦建鋒 桑小田 張紀(jì)元

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450004〕

旋風(fēng)除塵器憑借其高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)良特性在棉花加工行業(yè)除塵領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。籽棉采收過(guò)程中，不可避免地?fù)接幸恍┘?xì)小的灰砂、泥土、干枯破碎棉葉或棉稈等雜物。特別是機(jī)采棉在烘干、軋花、清理等工序以及氣力輸送過(guò)程中與機(jī)器或輸送管道擊打、摩擦、碰撞等，待物料與氣流分離后，大量的短絨、棉葉棉稈屑等粉塵隨氣流被排放到空氣當(dāng)中。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18353-2008明確規(guī)定，棉花加工企業(yè)作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵濃度不大于10 mg/m3,排向大氣的粉塵濃度最高不超過(guò)120 mg/m3。目前，軋花廠旋風(fēng)除塵器使用效果參差不齊。旋風(fēng)除塵器的使用過(guò)程中出現(xiàn)以下問(wèn)題：壓力損失較大導(dǎo)致出現(xiàn)外吸花吸力不足影響棉花輸送效率；大量粉塵排放車間與大氣中，除塵效率越來(lái)越不能滿足棉花加工行業(yè)國(guó)家環(huán)保標(biāo)注要求。本文對(duì)棉花加工行業(yè)旋風(fēng)除塵器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有棉花加工廠使用的旋風(fēng)除塵器的基礎(chǔ)上提出了增加錐體式排灰斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于ANSYS FLUENT對(duì)旋風(fēng)除塵器的錐形筒體長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、棉花加工粉塵特性

棉花加工粉塵主要包括棉稈、葉碎屑，短纖維等有機(jī)粉塵以及塵土等無(wú)極粉塵，并且數(shù)量分散度較大的是短纖維性粉塵。棉花加工中無(wú)極粉塵與普通粉塵特性基本一致，在流體分析中可以假定為球形粉塵，而纖維性粉塵形狀是不規(guī)則的，多是長(zhǎng)扁形的，其運(yùn)動(dòng)受與流體接觸面的大小影響較大。針對(duì)不規(guī)則形狀的塵粒，粒徑的表示方法有定向徑、篩分徑、沉降粒徑。在工業(yè)上棉纖維性粉塵多采用沉降的方法計(jì)算粒子直徑。沉降法測(cè)量得到粒徑有斯托克斯直徑與空氣動(dòng)力學(xué)直徑。根據(jù)文獻(xiàn)知棉纖維的斯托克斯直徑，如表1所示。從表中可以看出，棉纖維長(zhǎng)度對(duì)纖維斯托克斯直徑的影響不大，基本維持在31.38 μm左右，符合日本學(xué)者桶口健治證明的纖維性粉塵空氣動(dòng)力學(xué)直徑僅同斷面有關(guān)的規(guī)律。所以在后面的仿真分析當(dāng)中可以忽略纖維長(zhǎng)度對(duì)旋風(fēng)除塵器除塵性能的影響。

表1 棉纖維斯托克斯直徑表

二、旋風(fēng)除塵器兩相流的數(shù)學(xué)模型及邊界條件

（一）湍流模型的選擇及參數(shù)的設(shè)置

旋風(fēng)除塵器內(nèi)的流動(dòng)屬于復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)。本文假定旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流動(dòng)為各向同性的穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體。氣相所選用的數(shù)值計(jì)算方法是利用歐拉坐標(biāo)系下的RNGk-ε湍流模型。RNGk-ε模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上提出的一種改進(jìn)形式，并且適合于旋流占優(yōu)的流動(dòng)。RNGk-ε模型中k和ε的運(yùn)輸方程為：

（二）離散相模型

由于棉花加工含塵空氣中纖維性粉塵的體積分?jǐn)?shù)小于10%，并且可以忽略顆粒與顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)相的影響，本文采用相間耦合的離散相模型（DPM）。在拉格朗日坐標(biāo)系下對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、分離效率及壓力損失進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

單個(gè)粉塵顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要受力有：曳力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力、Basset力、Saffman升力和Magnus力、重力等。由于棉纖維性粉塵顆粒尺寸較小、濃度稀疏，在旋風(fēng)除塵器內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中主要受流動(dòng)阻力以及重力的作用，其他外力相對(duì)較小而忽略不計(jì)。根據(jù)牛頓第二定律，可以得出顆粒在拉格朗日坐標(biāo)系下作用力微分方程為：

（三）邊界條件

1.入口邊界條件。

入口邊界條件采用速度入口，以及入口的湍流強(qiáng)度以及水力當(dāng)量直徑。

入口速度為實(shí)際工況速度：12 m/s；

雷諾數(shù)ReDH由當(dāng)量直徑計(jì)算得出。

計(jì)算后得出的入口邊界條件如表2所示。

表2 湍流強(qiáng)度及進(jìn)口當(dāng)量直徑計(jì)算表

2.出口邊界條件。

氣流連續(xù)相的出口設(shè)置為自由發(fā)展outflow；排灰口為與實(shí)際應(yīng)用一致，也采用不密封自由發(fā)展outflow的邊界條件；入口以及排氣出口顆粒相邊界條件設(shè)置為escape。

3.顆粒入口。

假設(shè)粉塵顆粒在進(jìn)口處均勻進(jìn)入旋風(fēng)除塵器，采用面射流源，并且顆粒的速度與進(jìn)口處連續(xù)相的速度相同，也即12m/s；棉纖維粉塵的密度在1 500 kg/m3左右;經(jīng)實(shí)際檢測(cè)入口質(zhì)量流為0.095 kg/s（皮棉清理管網(wǎng)）。

三、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）棉花加工旋風(fēng)除塵器出現(xiàn)的問(wèn)題

目前棉花加工廠旋風(fēng)除塵器的使用存在除塵效率低，壓力損失大，大量粉塵排向大氣，且實(shí)際檢測(cè)排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家保準(zhǔn)120 mg/m3。通過(guò)實(shí)際觀察分析，排除除塵器進(jìn)氣口、排氣口以及排氣口深入筒體內(nèi)部深度等結(jié)構(gòu)尺寸的因素。出現(xiàn)大量粉塵排出的原因是目前棉花加工廠旋風(fēng)除塵器的使用方式，目前通常將旋風(fēng)除塵器并聯(lián)使用，為便于粉塵的排出，在旋風(fēng)除塵器排灰口處通過(guò)方形管道連接排雜絞龍，排雜絞龍將粉塵排出。這樣沙克籠排灰口直接與大氣相連，沒有一定的密封，再加上絞龍對(duì)粉塵的機(jī)械作用力，粉塵將會(huì)二次揚(yáng)塵，尤其是纖維性粉塵，排灰口處出現(xiàn)返混現(xiàn)象。在旋風(fēng)除塵器內(nèi)旋流的作用下，大量粉塵將會(huì)從排氣口排除。

（二）相關(guān)解決措施

為解決目前軋花廠旋風(fēng)除塵器使用中的問(wèn)題，提出了一下改進(jìn)設(shè)計(jì)：錐形筒體底部增加錐形排灰斗。這樣錐體的下部腔體的突然增大，風(fēng)速相對(duì)降低，錐體部分又可以形成二次增強(qiáng)外旋流，再次除塵，減少出現(xiàn)返混想象，返混粉塵也不易于進(jìn)入內(nèi)旋氣流；另外，增加旋風(fēng)除塵器錐體的長(zhǎng)度尺寸，減少不完全密封對(duì)除塵效率的影響。增加錐體部分長(zhǎng)度尺寸，也會(huì)減小錐體底部氣流的速度，氣流速度的降低將會(huì)減少返混現(xiàn)象，但是錐體部分長(zhǎng)度尺寸過(guò)大，將會(huì)增加除塵的壓力損失，外吸花力將會(huì)減小。為此，本文基于FLUENT對(duì)錐體部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既減少返混現(xiàn)象的發(fā)生，也不會(huì)過(guò)大增加壓力損失，保證實(shí)際生產(chǎn)的壓力要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的旋風(fēng)除塵器模型及結(jié)構(gòu)尺寸，如圖2所示。

圖2 旋風(fēng)除塵器三維模型及結(jié)構(gòu)尺寸圖

四、結(jié)構(gòu)優(yōu)化旋風(fēng)除塵器數(shù)值模擬及結(jié)果分析

對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及錐體式排灰口的增加，旋風(fēng)除塵器內(nèi)部性能參數(shù)將會(huì)發(fā)生顯著變化。為便于對(duì)旋風(fēng)除塵器性能指標(biāo)的分析，在旋風(fēng)除塵器XOY面上取Y等于2 100 mm、1 800 mm、1 500 mm、1 200 mm、900 mm、600、300 mm、100 mm、50 mm、20 mm處取X在[-3.3 3.3]范圍內(nèi)的7條徑向線段，如圖3所示。為驗(yàn)證提出的棉花加工旋風(fēng)除塵器的優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，基于FLUENT對(duì)旋風(fēng)除塵器的內(nèi)部靜壓、動(dòng)壓、總壓以及切向、徑向、軸向速度分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬以及性能分析研究。

圖3 線段標(biāo)記示意圖

（一）壓力分布

壓力損失是旋風(fēng)除塵器性能指標(biāo)之一，為研究?jī)?yōu)化后旋風(fēng)除塵器內(nèi)部分布情況，對(duì)旋風(fēng)除塵器內(nèi)部的靜壓、動(dòng)壓以及總壓的分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并與優(yōu)化前旋風(fēng)除塵器進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 靜壓、動(dòng)壓、總壓分布云圖

圖5 優(yōu)化前XOY面總壓變化趨勢(shì)

圖6 優(yōu)化后XOY面總壓變化趨勢(shì)

從圖4為優(yōu)化后XOY面靜壓、動(dòng)壓以及總壓分布云圖，可以看出優(yōu)化后旋風(fēng)除塵器內(nèi)部壓力分布對(duì)稱性比較好，靜壓、動(dòng)壓以及總壓在排灰口處均達(dá)到最??；圖5與圖6為優(yōu)化前后旋風(fēng)除塵器XOY面總壓力分布變化趨勢(shì)圖，對(duì)比分析可以看出優(yōu)化后旋風(fēng)除塵器排灰口處壓力比優(yōu)化前壓力稍大，增強(qiáng)排灰口出壓力可以減少在大氣壓的作用下出現(xiàn)返混現(xiàn)象，并且壓力損失完全控制在滿足實(shí)際應(yīng)用范圍之內(nèi)。

（二）速度分布

圖7 軸向速度、切向速度、速度大小分布云圖

圖8 優(yōu)化前XOY面切向速度變化趨勢(shì)

圖9優(yōu)化后XOY面切向速度變化趨勢(shì)

圖7 為優(yōu)化后XOY面的軸向速度、切向速度、速度大小分布云圖，從圖中可以看出各方向速度分布對(duì)稱性較好，在旋風(fēng)除塵器的排灰后附近速度均達(dá)到最??；圖8與圖9為優(yōu)化前后旋風(fēng)除塵器XOY面切向速度對(duì)比圖，切向速度大小是影響旋風(fēng)除塵器除塵效率的主要因素之一，較大的切向速度產(chǎn)生較大的離心力，易于粉塵排出，從圖中可以看出優(yōu)化后最大切向速度增加，切向速度增大，粉塵將收到較大的離心力，更有利于粉塵的捕集。

（三）優(yōu)化后纖維性粉塵顆粒軌跡模擬

圖10為優(yōu)化后旋風(fēng)除塵器顆粒軌跡模擬，從圖中可以看出，纖維性粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡，沿壁面進(jìn)入捕集口被分離出來(lái)，對(duì)纖維性粉塵捕集率比較高。在棉花加工生產(chǎn)線實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，優(yōu)化后旋風(fēng)除塵器除塵效率明顯提高，粉塵排放量未低于目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 優(yōu)化后顆粒軌跡模擬

五、結(jié)論

本文針對(duì)棉花加工粉塵特性，提出了棉花加工旋風(fēng)除塵器排灰口處增加錐形排灰斗改進(jìn)措施，并基于FLUENT模擬分析優(yōu)化后旋風(fēng)除塵器內(nèi)部壓力、速度分布云圖，進(jìn)而旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)理論分析以及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了棉花加工旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及尺寸優(yōu)化的合理性?！?/p>