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用于袋式除尘器的拉瓦尔型喷嘴脉冲清灰性能分析

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  • 标签:拉瓦尔型喷嘴; 袋式除尘器; 脉冲清灰; 计算流体动力学
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为了改善袋式除尘器脉冲清灰性能,基于航空航天等领域拉瓦尔喷管技术,设计了适用于脉冲喷吹袋式除尘器
的新型喷嘴———拉瓦尔型喷嘴,运用 CFD 仿真技术结合实验研究,分析喷吹压力和喉部直径对喷嘴清灰性能的影响,
并与相同孔径常规喷嘴对滤袋的响应和清灰效?#24335;?#34892;?#21592;?#20998;析。结果表明: 采用拉瓦尔型喷嘴进行清灰时,滤袋侧壁
正压力峰值是常规喷嘴的 1. 29 倍; 拉瓦尔型喷嘴对长袋的清灰效果更为明显,一次喷吹清灰效率可达 96%,证明该拉
瓦尔型喷嘴在袋式除尘领域具有较好的应用前景。
关键词: 拉瓦尔型喷嘴; 袋式除尘器; 脉冲清灰; 计算流体动力学
DOI: 10. 13205 /j.hjgc.201906023
ANALYSIS ON PULSE DUST CLEANING PERFORMANCE OF
LAVAL NOZZLE USED FOR BAG FILTERS
HU Feng-yuan
1
,TAN Zhi-hong
1
,XIONG Gui-long
1
,LIU Li-bing
2
,WEI Lin-sheng
1
( 1. School of Resources,Environmental & Chemical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China;
2. School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)
Abstract: A new nozzle Laval nozzle applicable to pulse-jet bag filter was designed based on the Laval nozzle technology in
aerospace field for improving the pulse cleaning performance of bag filter. By use of CFD simulation technology and in
combination with experimental study,this paper analysed the influence of injection pressure and throat diameter on cleaning
performance,and conducted comparative analysis on response and dust cleaning efficiency of common nozzles with the same
bore diameter. The results showed: when Laval nozzle was used for dust cleaning,it had the positive pressure peak value of
bag sidewall 1. 29 times more than that of common nozzles; and Laval nozzle had a more significant dust cleaning effect on long
bags,with one-time dust cleaning efficiency up to 96%. Therefore,Laval nozzle had a better application prospect in bag filter
field.
Keywords: Laval nozzle; bag filter; pulse cleaning; CFD( computational fluid dynamics)
* 国家自然科学基金项目( 51666011) ; 江西省自然科学基金重点项目
( 20171ACB21008) ; 江西省自然科学基金青年项目( 20161BAB216112) 。
收稿日期: 2018-11-18
0 引 言
袋式除尘器以其稳定高效的除尘功能,已应用到
各工业除尘领域,是主流的常规除尘设备之一
[1]
清灰作为袋式除尘的关键工序之一,是滤料过滤粉尘
后的再生过程
[2-3]
。良好的清灰系统可?#21592;?#35777;除尘器
低阻高效运行,清灰效果不好导致滤料的再生能力
差,过量粉尘渗透进入滤料纤维层中难以清除,滤袋
短期内发生“糊袋”现象,造成滤袋的过滤性能急剧
下降,系统运行阻力过大,能耗增加,影响除尘器的正
常稳定运行
[4]
。因此,发展用于袋式除尘器的高效
低阻喷?#23548;?#26415;很有必要。
喷嘴是使气流获得高速动能并实?#25351;?#33021;量利用
率的关键部件之一。火箭发动机和喷气式飞机推进
系统主要运用拉瓦尔喷管实现动力需要
[5-6]
,在其他
工业领域,超音速喷嘴也广泛应用于雾化、等离子喷
涂、超细粉体等行业并取得了良好的效果。Si 等
[7]
设计了一?#20540;?#21387;超音速喷雾器用于熔融金属的气体
雾化,与常用的雾化器相比,设计的拉瓦尔型雾化器
具有更好的低压雾化能力; Shikalov 等
[8]
利用拉瓦尔
喷管代替现有喷管模拟冷喷涂喷射器流动特性,准确
计算出喷管内颗粒速度值; Bian 等
[9]
提出了利用拉环 境 工 程 第 37 卷
瓦尔喷嘴气体急剧膨胀而产生的低温效应液化天然
气; Vanmore 等
[10]
设计了拉瓦尔型喷嘴对不锈钢材
料进行微磨料射流加工,提高压缩空气和研磨颗粒的
速?#21462;?#22312;工业除尘领域,有关清灰气流作用形式和清
灰系统结构的研究已成为一个重要的研究?#36739;頡?
Shim 等
[11]
研究发现: 在 2 m /min 过滤速度条件下,
带有双环向狭缝的喷嘴相比于孔喷嘴和管喷嘴,具有
更好的清灰性能和更低的粉尘排放; 杨超等
[12]
对基
于拉瓦尔效应的超音速喷嘴雾化性能进行了分析,得
到理想的雾滴粒径和均匀的雾云分布; 林龙沅等
[13]
研究了超音速喷嘴形成的脉冲诱?#35745;?#27969;、诱导流量与
诱导距离对滤筒清灰效果的影响,得到滤筒清灰效果
是断面平均流速与诱导距离二者相互作用的结果。
张情等
[14]
运用自制脉冲喷吹实验台,采用超音速引
流喷嘴和气流散射器对 325 mm×660 mm 滤筒进行
脉冲清灰实验研究,发现采用诱导喷嘴清灰时,沿滤
筒长?#30830;较?#28165;灰压力更均匀,对滤筒清灰效果明显。
Qian 等
[15]
研究了喷嘴与喷吹管截面积比对滤筒除尘
器清灰效果的影响,得到最佳喷嘴面积比为 38. 72%。
超音速喷嘴在工业领域已经得到了广泛应用,除尘器
领域对超音速气流喷吹的研究主要集?#24615;?#28388;筒式除
尘器,通过减小喷嘴、散射器的直径或者提高喷吹压
力的方法得到超音速气流,对喷嘴的结构设计并无理
论依据,且对超音速气流作用机理没?#22411;?#25972;解释。滤
袋的响应和滤筒不同,在袋式除尘领域对超音速喷嘴
脉冲清灰的研究相对较少。
本文基于拉瓦尔技术与空气动力学原理,设计一
种适用于袋式除尘器清灰系统的拉瓦尔型喷嘴,分析
喷吹压力及喉部直径对清灰效果的影响,并对超长滤
袋进行脉冲喷吹数?#30340;?#25311;和实验研究,?#21592;?#20998;析采用
拉瓦尔型喷嘴与相同孔径常规直喷嘴滤袋响应和清
灰效率。
1 研究方法
1. 1 袋式除尘器新型喷嘴———拉瓦尔型喷嘴设计
喷气式飞机推进系统及风?#35789;?#39564;等高速气流场
中,拉瓦尔喷管可以实现亚音速气流加速到音速直至
超音速,产生激波音爆等效应
[16]
。这种超音速喷管
设计采用缩扩型结构,即分为收缩段、喉部和扩张段,
亚音速气流在渐缩截面内加速,在喉部达到音速后开
始扩张,于喷嘴出口实现超音速。
为适应袋式除尘清灰工况,在现有清灰条件下气
源为压缩空气,设计压力为低压脉冲压力,最大喷吹
压力为 0. 8 MPa。喷嘴上游压力由喷吹气包提供,喷
吹气流通过喷嘴向袋内空间喷射,根据压强等熵公
[17]
?#33539;?#35774;计马赫数。
P
P3
= 1 +
k - 1
2
M
2
(
3
)
k
k-1
( 1)
A3
A2
=
1
M3
2
k + 1 ( )
1 +
k - 1
2
M
2
[ (
3
) ]
k+1
2( k-1)
( 2)
式中: P、P3 分别为喷嘴上、下游压力,Pa; A2、A3 分别
为喉部和出口面积,m
2
; M3 为出口马赫数; k 为绝热
指数( 对于处理烟气,k = 1. 4) 。
由于脉冲清灰气流来源?#36739;?#22402;直于喷嘴轴线,为
减小气流偏转角,在收缩段前加一段稳流段,?#26723;?#36827;
入喷嘴的气流紊流度,根据实验?#25945;?#21943;嘴安装孔尺
寸,稳定段直径为 25 mm,为了实现脉冲气流流速均
匀增加且与喷嘴壁面?#29615;?#29983;分离,保证收缩段出口气
流均匀稳定,收缩段采用五次曲线设计
[18]
。五次曲
线表达式为:
R - R2
R1 - R2
= 1 - 10
x
L1 ( )
3
+ 15
x
L1 ( )
4
- 6
x
L1 ( )
5
[ ]( 3)
式中: R2 为喷嘴喉部半径,m; R1 为入口半径,m; L1
为收缩段轴向长度,m; R、x 分别为?#25105;?#25130;面处径向
半径与轴向距离,m。设计脉冲宽度为 0. 1 s,则根据
气体流量得到喉部直径为 15 mm,由面积等熵公式得
到扩张段出口面积。设计喷嘴定义为拉瓦尔型喷嘴,
通道结构及尺寸如图 1 所示。
图 1 拉瓦尔型喷嘴通道结构及尺寸
Fig.1 Channel structure and size of Laval type nozzle
1. 2 CFD 仿真
以单条滤袋作为脉冲清灰仿真研究对象,将引流
区域、喷吹管、喷嘴及滤袋内外部空间作为计算区域,
计算对象的几?#25991;?#22411;如图 2 所示。喷吹管入口采用
压力入口边界条件,考虑脉冲阀开闭过程压缩空气的
811第 6 期 胡峰源,等: 用于袋式除尘器的拉瓦尔型喷嘴脉冲清灰性能分析
压力变化,入口边界条件采用 UDF 自定义函数; 脉冲
清灰过程中,清灰气流的流动状态是高?#30830;?#32447;性的复
杂流动,属于湍流流动,且流动速度会超过音速。因
此,在 CFD 计算过程中采用可压缩、非稳态的数学模
型和 Realization k-ε 双方程模型。
图 2 单条滤袋计算几?#25991;?#22411;
Fig.2 Geometric model of single filter bag
1. 3 实验设计
脉冲清灰实验系统如图 3 所示,喷吹管长3. 5 m,
开有 M36 的螺纹孔用于安装实验喷嘴; ?#37096;?#26041;形花板
下悬挂 0. 16 m×12 m 的 PTFE ?#26448;?#29627;纤滤袋。高压
脉冲气流由 V-0. 6/8 活塞式空压机产生; 高精度和高
频率的 AST 电容式微压传感器( 量程: -3 ~ 3 kPa,误差
≤0. 25%BFSL) 用于测取花板上下?#20849;? Model 4610 加
速度计用于测量滤袋表面加速度; 4 个高精度的压力
传感器分别安装在滤袋表面( 如图 3 中 a、b、c、d 点) 用
于测量滤袋侧壁压力,4 个测点位置距离花板分别为
2. 4,5. 5,8. 9,11. 4 m。通过数据采集卡( PCI1713) 、
LabVIEW 软件进行信号执行及实验数据的采集。
分别对洁净气流和含尘气流进?#24615;?#32447;清灰实验,
清灰前保持正常过滤工况,测量滤袋阻力值,使滤袋
处于稳定过滤阶段。当显示花板上下?#20849;?#21363;滤袋阻
力 Δp 达到 1400 Pa 时,进行脉冲喷吹清灰动作,得到
滤袋喷?#30331;?#21518;花板上下?#20849;?#21464;化、喷吹过程?#26032;?#34955;侧
壁压力变化曲线及滤袋表面加速度变化值,获取滤袋
侧壁压力峰值及滤袋表面加速度极值。每组实验重
复 3 次,取平均值。
2 结果与分析
2. 1 喷吹压力和喉部直径对滤袋侧壁压力峰值的
影响
现有气源压力条件下,喷吹压力和压缩空气流量
图 3 脉冲清灰实验系统
Fig.3 Schematic diagram of the pulse-jet experiment system
直接影响脉冲清灰性能,而气体流量取决于最窄通道
尺寸即喷嘴喉部直径。为了研究喷吹压力和喷嘴喉
部直径对滤袋清灰性能的影响,分别对脉冲喷吹压力
为 0. 1,0. 2,0. 3,0. 4 MPa,喷吹脉冲宽度为 0. 1 s,喷
吹高度为 0. 3 m 的工况条件下,滤袋侧壁压力峰值进
行数?#30340;?#25311;计算,其结果如图 4 和表 1 所示。
—■—0.4 MPa; —□—0.3 MPa; —●—0.2 MPa; —○—0.1 MPa。
图 4 喷吹压力对侧壁压力峰值的影响
Fig.4 Influence of pulse-jet p
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