胥 奎

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

在有爆炸危險(xiǎn)粉塵存在的工廠、礦山、礦井等工業(yè)作業(yè)場所，其沉積在地表、設(shè)備、井巷上的各類可燃性、爆炸性粉塵是作業(yè)場所中安全生產(chǎn)潛在的危險(xiǎn)[1]。其中可燃性粉塵在除塵管道中的沉積厚度會造成潛在的爆炸的危險(xiǎn)[2]。大量試驗(yàn)證明，1 mm厚的可燃性粉塵在6 kPa的外力作用下能夠達(dá)到爆炸濃度[3]。因此，要求工業(yè)場所除塵管道粉塵沉積的厚度不能超過1 mm[4]，要進(jìn)行定期清掃；對管道粉塵厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測，提醒厚度異常，有效避免爆炸危險(xiǎn)的發(fā)生。

粉塵沉積厚度的檢測在國內(nèi)處于起步階段，雖然針對沉積規(guī)律已開展研究，比如胡大山等[5]對粉塵在除塵管道內(nèi)沉積行為進(jìn)行了分析，但是卻沒有得到相應(yīng)的檢測方法。

文中借鑒氣體-粉塵兩相流理論，利用Fluent對通風(fēng)除塵管道的粉塵分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬[6]，分析了了管道內(nèi)粉塵的沉積規(guī)律，提出一種質(zhì)量檢測轉(zhuǎn)化為厚度檢測的新型粉塵沉積厚度檢測方法。并通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測技術(shù)的分辨率和精度。

1 通風(fēng)除塵管道內(nèi)粉塵分布規(guī)律

應(yīng)用CFD的Fluent作為計(jì)算平臺，采用基于同位網(wǎng)格的SIMPLE算法對除塵管道內(nèi)的粉塵分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1.1 建立幾何模型及劃分網(wǎng)格

選取拋光打磨車間常用除塵管道直徑是600 mm，粉塵沉積厚度檢測需要在管道下方開孔，根據(jù)檢測中使用的傳感器感應(yīng)直徑，此處選擇開孔直徑為35 mm。

然后采用Fluent的前處理軟件GAMBIT建立開孔安裝了厚度檢測單元的通風(fēng)除塵管道幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置Elements 為Hex，設(shè)置Type 為Cooper，在Spacing文本框中輸入1，即網(wǎng)格步長為1，其他參數(shù)保持默認(rèn)。劃分網(wǎng)格后的GAMBIIT幾何模型如圖1所示。網(wǎng)格劃分后通風(fēng)除塵管道左側(cè)均設(shè)為入口邊界，通風(fēng)除塵管道右側(cè)均設(shè)為出口邊界[7-10]。

圖1 劃分網(wǎng)格后的GAMBIT幾何模型

1.2 數(shù)值模擬的邊界條件和塵源參數(shù)

采用歐拉模型對管道內(nèi)粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，假定此管中的流動(dòng)形態(tài)為湍流，采用k-epsilon模型計(jì)算相關(guān)數(shù)值。

計(jì)算模型設(shè)定如表1所示，邊界條件設(shè)定如表2所示，離散相參數(shù)設(shè)定如表3所示，粉塵塵源參數(shù)如表4所示[11-15]。

表1 計(jì)算模型設(shè)定表

表2 邊界條件設(shè)定表

表3 離散相參數(shù)設(shè)定表

1.3 模擬結(jié)果及分析

粉塵速度流線圖如圖2所示，流體從左側(cè)入口以10 m/s速度進(jìn)入管道，在整個(gè)管道軸向上呈由高到低的狀態(tài)分布，同時(shí)開孔處的速度流線高低分布趨勢和管道內(nèi)一致。管道軸向粉塵濃度分布云圖如圖3所示，管道橫截面粉塵濃度分布云圖如圖4所示。

表4 粉塵塵源參數(shù)設(shè)定表

圖2 管道軸向速度流線圖

圖3 管道軸向粉塵濃度分布云圖

圖4 管道橫截面粉塵濃度分布云圖

從模擬結(jié)果可以看出，開孔直徑35 mm時(shí)，開孔處的濃度與管道底部未開孔處基本一致。開孔對整個(gè)管道內(nèi)的流場不會帶來任何影響，更加不會帶來粉塵的附加沉積。因此，對管道底部的粉塵沉積厚度檢測只需要關(guān)注開孔處的沉積厚度。

2 粉塵沉積厚度檢測方法

2.1 基本原理

采用基于稱重原理的厚度檢測，將單位面積上的粉塵沉積質(zhì)量轉(zhuǎn)換為沉積厚度。其基本原理如圖5所示，在通風(fēng)除塵管道底部開一個(gè)測試小孔，稱重感應(yīng)單元安裝在開孔底部，對沉積在感應(yīng)面的粉塵進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測，并轉(zhuǎn)換成沉積厚度。

圖5 檢測基本原理圖

圖5中，管道底部開孔處的粉塵全部沉降在稱重感應(yīng)單元內(nèi)，根據(jù)感應(yīng)單元檢測的粉塵質(zhì)量，結(jié)合開孔面積和粉塵堆積密度，可以得到管道內(nèi)沉積粉塵的厚度。特別需要注意的是，開孔處和連接管、感應(yīng)單元和連接管均需要良好密封，避免粉塵的附加沉積。

2.2 粉塵質(zhì)量-厚度數(shù)學(xué)關(guān)系

當(dāng)檢測管道內(nèi)粉塵沉積厚度時(shí)，需要在管道底部開孔安裝沉積粉塵感應(yīng)單元，開孔的面積即為計(jì)算粉塵厚度-質(zhì)量關(guān)系的面積，而不是稱重感應(yīng)單元的面積。

假設(shè)被檢測的管道開孔面積為S，沉積粉塵的堆密度為ρ，則可得出厚度L和質(zhì)量M的關(guān)系[16]。

(1)

假設(shè)開孔的半徑r，則式(1)變換為

(2)

由式(2)可以得到粉塵沉積單位厚度與單位質(zhì)量變化量的關(guān)系 。

(3)

由此可見，稱重感應(yīng)單元的分辨率越大，粉塵沉積厚度的分辨率就越大。

本文對通風(fēng)除塵管道內(nèi)粉塵分布規(guī)律的數(shù)值模擬中，管道底部開孔直徑為35 mm，拋光鋁粉的堆密度ρ取0.4 g/cm3，根據(jù)式(3)計(jì)算得出0.1 mm沉積粉塵的質(zhì)量。

ΔM=0.1×πr2ρ=38.484 mg

即當(dāng)稱重感應(yīng)單元的質(zhì)量分辨率達(dá)到38.484 mg時(shí)，可實(shí)現(xiàn)0.1 mm的粉塵沉積厚度檢測。

2.3 稱重單元設(shè)計(jì)

圖6為稱重單元結(jié)構(gòu)圖。稱重感應(yīng)面為便于粉塵的收集，設(shè)計(jì)成漏斗狀集塵斗，整個(gè)單元密封，保證收集的粉塵不被揚(yáng)起，引起非正常的質(zhì)量變化。集塵斗固定在稱重傳感器的應(yīng)力端，同時(shí)集成了溫度補(bǔ)償。

1-集塵斗；2-稱重傳感器圖6 稱重單元結(jié)構(gòu)圖

2.4 信號處理

由于0.1 mm的厚度檢測要求稱重分辨率在38 mg，除了稱重傳感器的分辨率高，還需要信號轉(zhuǎn)換部分也要有足夠高的分辨率，才能識別粉塵沉積質(zhì)量mg級的變化。因此，此處選用的AD轉(zhuǎn)換器是24位的，其對模擬信號的識別范圍為0～224。

稱重傳感器的參數(shù)為：激勵(lì)電壓Vcc，靈敏度kv，量程Gm；24位AD轉(zhuǎn)換器參數(shù)為：放大倍數(shù)Ag，參考電壓Vref，AD轉(zhuǎn)換值Nd(含加載和皮重)，“零加載”(皮重)的AD值是Nc。

假設(shè)Va為稱重傳感器初始輸出電壓，Vi為加載沉積粉塵后稱重傳感器的輸出電壓，Gi是實(shí)際加載粉塵的質(zhì)量。

根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換公式，可得AD轉(zhuǎn)換值Nd與Va、Vi的數(shù)學(xué)關(guān)系。

(4)

由此可推導(dǎo)得出式(5)。

(5)

加載電壓Vi與加載質(zhì)量Gi存在如下的關(guān)系，如式(6)所示。

(6)

可以得出：

(7)

綜合式(5)和式(7)，推導(dǎo)出Nd的數(shù)學(xué)算式。

(8)

同理，可以得到初始電壓Va對應(yīng)的“零加載”(皮重)的AD值Nc的數(shù)學(xué)式。

(9)

推到得出Va的算式為

(10)

將式(10)帶入式(8)中進(jìn)行推算得出AD轉(zhuǎn)換值Nd與Nc的關(guān)系式。

(11)

(12)

根據(jù)稱重傳感器的參數(shù)和AD轉(zhuǎn)換器的性能，在某次應(yīng)用中稱重傳感器激勵(lì)電壓Vcc=5 V，靈敏度kv=2 mV/V，量程Gm=113 g；AD轉(zhuǎn)換器放大倍數(shù)Ag是64，參考電壓Vref設(shè)為2.5 V。帶入式(12)后發(fā)現(xiàn)稱重傳感器1 mg的變化對應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器變化值44，也就是說38 mg質(zhì)量變化(沉積粉塵厚度0.1 mm)對應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器變化值1 672，可見理論分辨率可以達(dá)到0.01 mm[17-18]。

綜上可見，該種沉積粉塵厚度檢測方法的分辨率高，能夠檢測粉塵沉積厚度。

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證通風(fēng)除塵管道粉塵分布規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果和粉塵沉積厚度檢測方法，進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖7所示。系統(tǒng)主要由定量發(fā)塵器、靜電除塵器、空壓機(jī)、風(fēng)硐、風(fēng)速測定儀、電腦控制平臺及風(fēng)機(jī)組成。

圖7 粉塵沉積厚度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了便于實(shí)驗(yàn)，在風(fēng)硐中間加裝一節(jié)與風(fēng)硐直徑相同的管道，其下端開孔直徑為35 mm用于安裝設(shè)計(jì)的粉塵沉積厚度傳感器，該加裝的管道上半部能夠活動(dòng)的打開進(jìn)行手動(dòng)厚度測量。實(shí)驗(yàn)中將拋光打磨車間產(chǎn)生的鎂鋁合金粉末裝入發(fā)塵器，風(fēng)硐風(fēng)速設(shè)定為8 m/s，使用精度0.01 mm的深度游標(biāo)卡尺作為標(biāo)準(zhǔn)器件來量取沉積粉塵的實(shí)時(shí)厚度值，并與沉積粉塵傳感器的測量厚度值進(jìn)行對比。設(shè)定環(huán)境相對濕度小于80%RH，溫度為(20±5) ℃。

通過游標(biāo)卡尺對風(fēng)硐粉塵沉積厚度和開孔處的沉積厚度進(jìn)行了29次測量，得到兩處的厚度數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 風(fēng)硐和開孔處粉塵沉積厚度結(jié)果

如圖8所示，風(fēng)硐的粉塵沉積厚度和開孔處的沉積厚度變化規(guī)律一致，開孔處并沒有附加的粉塵沉積，驗(yàn)證了通風(fēng)除塵管道的分布規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

經(jīng)過29次測量后，該種厚度檢測技術(shù)的分辨率達(dá)到0.01 mm，精度達(dá)到0.07 mm，如圖9所示。

圖9 測量誤差

4 結(jié)論

(1)基于CFD的氣固兩相流理論，根據(jù)氣體-粉塵流動(dòng)的特性，對通風(fēng)除塵管道內(nèi)粉塵分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到粉塵分布規(guī)律。

(2)基于數(shù)值模擬的粉塵分布規(guī)律，提出了一種高精度的粉塵沉積厚度檢測方法，并將質(zhì)量檢測轉(zhuǎn)化為厚度檢測。

(3)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通風(fēng)除塵管道粉塵分布規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果和粉塵沉積檢測方法的分辨率和精度，表明分辨率達(dá)到0.01 mm，精度達(dá)到0.07 mm。