（安全技术及工程专业论文）湿式振动矩形金属纤维除尘理论分析和仿真.pdf

摘要 关键词：湿式振动矩形会属纤维最佳川距振动频率速度函数斯特罗 哈数仿真 t h e o r e t i c a ls t u d ya n ds i m u l a t i o no fw e tv i b r a t i o n r e c t a n g u l a r m e t a lf i b r e a b s t r a c t t h ew e tv i b r a t i o ng r i dt e c h n o l o g yh a sab r i g h tp r o s p e c tf o ri t s h i g he f f i c i e n c y a n d l o wr e s i s t a n c ei nt h ed u s t - r e m o v e f i e l d h o w e v e r ，t h e e x i s t e dr e s e a r c h e s p a r t i c u l a r l yl a yo nt h ep r a c t i c a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h ei n v e s t i g a t i o no fi t s t h e o r e t i c a ld u s t r e m o v em e c h a n i s mf o c u s e so nt h ec y l i n d e rf i b r e a tp r e s e n t ，t h e r e s e a r c ho l lt h e r e c t a n g u l a r m e t a lf i b r ei ss t i l lw e a ka l lo v e rt h ew o r l d t h i s d i s s e r t a t i o ne m p h s i z e sp a r t i c u l a r l yo nt h et h e o r e t i c a ld u s t r e m o v em e c h a n i s mo ft h e r e c t a n g u l a rf i b r e i t sm a i n a i mi st of i n dt h eb e t t e rd i s t a n c eb e t w e e n r e c t a n g u l a rf i b r e s ， t h ed i s t r i b u t i o no ft h es p e e df l o w ，t h eo p t i m a lr a n g eo fv i b r a t i o nf r e q u e n c y ，a n a l y z e a n ds i m u l a t et h er e s i s t a n c ea n de f f i c i e n c yb ym e a n so f c o m p u t e r s o f t w a r ea n df i n do u t t h es i m p l ef o r m u l ao f r e s i s t a n c ea n d e f f i c i e n c y t h i sd i s s e r t a t i o nm a k s eu s eo ft h et h e o r yo fs u r f a c e p h y s i c s a n dp h y s i c a l c h e m i s t r yf o rw a t e ra n df i b r e i t a n a l y z e so nt h ee x i s t e n c es h a p ea n d r e a s o no f l i q u i d d r o p so nas i n g l ef i b r e ，t h e n ，t h ee x i s t e n c es h a p e so ft h ew a t e rw e r eo b s e r v e du n d e r t i l e m i c r o s c o p e b yc a l c u l a t i o n ，t h eo p t i m a l d i s t a n c ei sw o r k e do u tb e t w e e n r e c t a n g u l a rf i b r e si no r d e r t of o r mt h ew a t e rf i l me a s i l yo nt h ef i b r e sa n di m p r o v et h e r e s i s t a n c ea n de f f i c i e n c y b ya n a l y z i n gt h er e a s o n so f t h ef i b r ev i b r a t i o ni nt h ed u s tc o l l e c t o r ，i tf i n d so u t t h er e a s o n sa r ev i b r a t i o no ft h er e c t a n g u l a rm e t a lf i b r e s a n da n a l y z et h ee x i s t e n c e s h a p eo ft h ew i n dt h r o u g hr e c t a n g u l a rm e t a lf i b r e s t h eo p t i m a lr a n g eo fv i b r a t i o n f r e q u e n c y ，i nw h i c hr e c t a n g u l a rm e t a lf i b r e sp r o d u c ea c c o r d i n gt o t h er e c t a n g u l a r r a n g eo fs t r o u h a la n dr e y n o l d s ，i so b t a i n e dt h r o u g hs e t t i n gt i p f o r c ef u n c t i o na n d e x c r t m go ns o m et r a n s f o r m a t i o n s ，t h ef i m c t i o no fs p e e dd i s t r i b u t i o nt h a tl i q u i dg e t s a r o u n dr e c t a n g u l a rm e t a lf i b r ei sd e d u c e d b ya n a l y z i n go nt h er c g r c s s i x ，ct h e o r y ，a l lk i o d so fr e g r e s s i v ee q u a t i o np o i n t sa n d j v a b s t r a ( 、r u s e f u l r a n g e a r em a d ec l e a r b ya d o p t i o n t ot h ec o m p u t e rl a n g u a g e ，as e r i e so f s o f t w a r ei s d e s i g n e db ys i m u l a t i n g o fe x p e r i m e n t a ld a t a i ti sab e t t e ri n t e r f a c e b e t w e e nm a c h i n ea n dm a l l u s i n gt h es oa w a r e ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai sa n a l y z e d ，o i l c f u n c t i o nb e t w e e nr e s i s t a n c e ，s p e e da n dl a y e r ，a n dt h eo t h e rf n n t i o nb e t w e e ne f f i c i e n c y s p e e d a n d l a y e ra r e s e t u p a d o p t i n gd i f f e r e n tr e g r e s s i v em o d e l st oa n a l y z ed a t a ， d i s t i n c ta v e r a g ee l t o r sa r eo b t a i n e d m o r e o v e r ，t h eb e t t e rr e g r e s s i v em o d e la n dt h e f u n c t i o no fr e s i s t a n c ea n ds p e e da r ef o u n d u s i n gt h ed a t ao ft h ew e tv i b r a t i o n c y l i n d e rf i b r eg r i d ，t h i s f u n c t i o ni sv e r i f i e di no r d e rt ot e s t i f yi t s u n i v e r s a l i t ya n d c u r r e n c y k e yw 0 l i d s ：w e tv i b r a t i o n r e c t a n g u l a r m e t a lf i b r e ，t h e o p t i m a ld i s t a n c e ， v i b r a t i o nf r e q u e n c y ，t h ef u n c t i o no f s p e e dd i s t r i b u t i o n ，s t r o u h a lv a l u e ，s i m u l a t i o n 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导卜完成的。 论文取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其 他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：势f 妹心， 日 期：7 帕3 f 矿 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 绪论 工业j 二湿式除尘器的结构形式较多，有喷淋塔、填料式洗涤器、泡沫除尘器、 冲击式水浴除尘器、旋风水膜除尘器、文丘罩洗涤器等。美国矿业局于1 9 7 2 年 曾对数种已在井下工作面使用的湿式除尘器进行测定评价，结果表明除了文氏管 外，其余除尘器的呼吸性粉尘除尘效率均不超过9 0 ，难以使粉尘浓度达到国家 的标准。近2 0 年来，国外非常重视新型湿式除尘器的研究，他们以体积小、结构 紧凑。简单可靠、耗能低及对呼吸性粉尘捕集效率高为主攻目标，研制出一种新 型除尘器湿润层除尘器。通常将1 9 7 8 年皮 尊迪( p e a b o d y ) 煤矿对这种除尘 器的首次成功应用( 工作面粉尘浓度达m s i t a 标准) 看作是一次重大的技术革新， 该除尘器被认为是目前最满意的除尘器之一。美、英等国在矿山较普遍地使用同 时，仍在对该除尘器进行不断的研究改进。下面就除尘器的国内外发展进行回顾。 1 2 国内外湿润层除尘器的发展 1 2 1 国外湿润层除尘器的发展“ 湿润层除尘器有插板式和旋转式两种。 1 2 1 1 插板式湿润层除尘器 美国j o ym i c r o d y n e 湿润层除尘器，主要由喷雾器、金属丝筛网衬垫组成的 湿润层，离心分离段及水循环系统组成。美国矿业局的湿润层除尘器的湿润层， 是由直径0 0 9 m m 的不锈钢丝特殊编制而成，层厚约1 5 0 m m 。当风量为0 4 7 0 8 m 3 s 时，呼吸性煤尘的捕集效率可达9 3 4 9 8 1 ，阻力约为8 3 0 1 7 5 0 p a 。 此种除尘器曾在加拿大p r o n t o 矿的溜井防尘系统中得到使甩。 英国采矿研究所研制的湿润层除尘器把轴流风机、过滤板、脱水器与水循环 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 系统组装成一个整体，有滑行模板便于搬迁。外形尺寸为1 2 8 0 x 1 0 0 0 x 2 3 0 0 m m 。 过滤板的湿润层由7 层波形过滤筛网组成，各层过滤网又交替地使用直径分别为 1 5 2um 与2 5 4pm 的不锈钢丝特殊编织而成，湿润层的孔隙率约为8 8 。除尘器在 处理风量为2 4 m 3 s ，阻力仅为7 0 01 4 0 0 p a ，对呼吸性煤尘的捕集效率达 9 3 8 9 5 4 ，总粉尘的捕集效率为9 9 8 。至1 9 8 3 年，英国已生产5 0 0 台这种 除尘器，其中约有1 0 0 台出口，日木就引进了1 0 台。 南非矿l 【i 通_ | = j 除尘器，其构造与上述除尘器基本相同，技术性能也相当。此 类除尘器的湿润层采用插板式的目的，是在必要时能轻易地从除尘器中取出湿润 层，以便于清洗和更换。 1 2 1 2 旋转层湿式除尘器 1 前苏联发明了两种结构的旋转层式除尘器。一种是在湿式除尘器的基础上加 入旋转的冲击凝并器，主要包括喷嘴、水引射器、转动式凝并器，其中每个凝并 器又由两个彼此相对的圆盘组成。每个圆盘上按螺旋线钻一些小孔，穿上纤维。 凝并器后有泥浆分离器。工作时，水引射器引人含尘空气并润湿粉尘，同时使凝 并器产生转动，在螺旋线间由于冲击碰撞作用，使微尘润湿和凝并得以强化，从 而达到除尘的目的。另一种旋转层除尘器的结构是由喷淋器、辅助喷淋器及叶片 式旋流器组成。为了提高微细粉尘的除尘效率，在叶片的另一侧或两侧增设用金 属丝做成的冲突网。除尘器工作时，旋流器叶片上的冲突网和纵向运动的水漓、 尘粒碰撞，使微细粉尘的湿润和凝并得到加强。 美国的旋转层式除尘器是具有较高转速的湿润层。它由聚丙烯、金属丝网有 布叠装层组成，互相交错以减少网孔孔径。湿润层厚3 1 8 6 3 5 m m 。这不仅提高 了除尘效率，而且能有效地除雾。 a g r a n o v s kj 和w h it c o m b e 针对粘性粉尘粒子的特性，在实验室研究了湿润层 过滤器的可行性。湿润层过滤器的结构是由喷雾装置和纤维过滤层组成的。同时 设计了工业装置，安装于镀锌工厂进行了工业实验。当粉尘粒径范围在0 11 1m 到 1 0 um 之间，常规湿式洗涤器的除尘效率是7 9 的情况下，安装湿润层过滤器后， 除尘效率提高到9 8 6 ，并且对于氯化物的过滤效率也达到了9 8 。效率提高的 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 同时过滤阻力也相应增加”。 1 2 2 国内湿润层除尘器 中国在湿润层除尘器的研究与应用【上i 取得了突出进展。其中主要有：湿式旋 流除尘器、j t c 一1 型湿式除尘器、s l c 系列湿式化纤除尘器、湿式金属同过滤器、 湿式纤维栅除：睦器等等，卜面就各种除尘器进行描述。 1 2 2 1 湿式旋流除尘器 马鞍山矿山研究院于7 0 年代后期研制成两种规格管湿式除尘器及湿润层除尘 风机4 1 ，由冲突网、发雾盘、脱水器和后导流器等构成。冲突网一般由2 5 层 1 6 6 0 目的金属网或尼龙网组成。其处理风量为2 。3 m 3 s ，阻力约1 0 0 0 - - 2 5 0 0 p a ， 耗水量1 4 l m i n ，除尘效率8 0 9 5 【5 】。 1 2 2 2j t c i 型湿式除尘器【1 】 煤炭科学院研制出的一种有湿润层的湿式除尘器命名为j t c 一1 型掘进通风 除尘器。它与以往湿式除尘器的主要区别是设置了不锈钢筛网过滤器，同时设有 供定期反向冲洗过滤器中不锈钢滤网以防堵塞喷嘴。其处理风量为2 5 3 3 m 3 s ， 阻力为1 4 7 1 p a ，耗水0 1 2 o 1 6l m 3 ，呼吸性粉尘除尘效率达9 5 9 8 ，在矿 山中的除尘效率为8 0 2 。 1 2 2 3 $ l o 系列湿式化纤除尘器【6 7 8 】 东北大学比较系统地丌展了矿用湿式化纤过滤除尘技术的研究，s l c 系列湿式 化纤除尘器是其除尘技术成果之一。在s l c 型除尘器中，湿润层是以维纶丝作粘 接剂的涤纶丝混梳型纤维层，层厚5 m m ，纤维直径0 0 4 m m ，充填率2 3 。纤维层 适宜的过滤风速小于3 m s 。其处理风量为2 8 4 8 m s ，阻力为9 8 0 p a ，耗水 3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 0 ，0 9 ( ) 1 2l m 3 ，呼吸性粉尘除尘效率达9 6 5 。此种湿式纤维过滤技术曾在矿 山的入口作风源净化，并在溜矿井、掘进巷道及选矿皮带转载点等除尘点试用。 1 2 2 4 湿式金属网过滤器 冶金r l j 安全环境研究院研制的湿式金属网过滤除尘器主要由垂直布置的若干 层会属网、喷雾器和箱体等组成。金属网分为平型和波型两种，金属网可布置成 一字形、v 型、w 型。湿式金属网除尘器肘了二小于2 u m 粉尘的除尘效率可达9 0 ； 对于5 “i l l 以上的粉尘有着较高的除尘效率，可达9 5 以上( 9 l 。郭勇义等实验研究 了网孔风速在l ，5 1 9 9 m s ，喷水量在0 ，1 7 4 0 。6 1 7 k g s 的范圈内变化时湿式 金属网过滤器的性能。实验结果表明湿式金属网过滤效率随阻力增加而增加，当 过滤阻力在6 0 0 p a 时，除尘效率为9 5 ，阻力超过6 0 0 p a 时，效率增加的幅度减 小。 1 2 2 5 湿式纤维栅除尘器 湿式纤维栅结构是由喷雾装置与纤维栅组成的，纤维层的结构是长纤维上下 纵向布置形成一根紧靠一根的栅栏，当一层纤维栅过滤效果不理想时，可以增加 纤维栅的层数，直至达到理想的过滤效果。根据不同的除尘目的可以选用不同过 滤性能的纤维滤料。由于消除了横向纤维对清灰带来的负作用，使清灰变得简单， 阻力下降。目前，在国外，纤维栅的应用研究尚处于试验阶段”。我国在9 0 年代 研制出湿式金属纤维栅除尘器2 “3 “”。至今，已成功地应用在掘进循环通风防 尘、燃煤烟气的除尘脱硫和露天矿的开采中。它主要由实心喷雾器、金属纤维栅 嵌板及悬流分离器组成，其特点是作为湿润层的纤维栅中的纤维是出直径为 0 1 2 m m 的不锈钢丝特殊编制而成，纤维层厚4 5 m m ，充填率5 6 ，允许通过风 速达3 m s 。处理风量为1 4 2 3 m s ，阻力为5 9 1 1 1 3 2 p a ，呼吸性粉尘除尘效 率达9 8 。该除尘器曾在矿井平巷双机掘进时应用，应用循环通风就地净化粉尘 的方法，使岗位平均粉尘浓度由4 3 m c m 3 降至1 6 2 m g m 3 。在露天矿井潜孔钻 井打眼，湿式收尘中除尘效率达9 9 9 5 ”7 1 。在燃煤脱硫工程实际应用中8 ”j ，对 4 一 东北失学硕士学位论文第一章 绪论 5um 以f 的微细颗粒的除尘效率在9 0 一9 8 之问，脱硫效率在7 0 - - 9 5 。 1 9 9 8 年东北大学研制了湿式振动化学纤维栅，其除尘效率高达9 9 6 2 ，阻 力仅为2 0 ( ) 5 0 0 p a 2 。“1 ，是一种高效、低阻的湿式振动化学纤维栅。设汁的湿式 振动化学纤维栅除尘器在红透山铜矿溜井除尘净化系统中进行了现场测试，当风 速为4 m s 时，过滤阻力4 5 0 p a ，对于5 um 以下的粉尘除尘分级效率达到9 3 9 9 ，除尘器的净化全效率超过9 9 9 5 【2 ，】。它能很好解决溜井卸矿产生的粉尘， 实现了循环通风，解决了深井风量不足的难题。 1 3 喷雾除尘技术研究 喷嘴是湿式除尘器中的主要部件，它所喷出的雾滴大小、数量都将对除尘效 率产生很大的影响。在上述1 2 节中大部分湿式除尘装置中所采用的喷嘴均为一 般发雾装簧，如湿式旋流除尘风机的发雾盘、湿式纤维过滤使用的涡流冲击式喷 嘴、金属栅除尘器使用的实心喷嘴等。这些喷嘴所喷出液滴的质量中位径都火于 6 0 um 田】。例如，实验测试表明，涡流冲击式喷嘴的质量中位径为1 5 0 l im f 5 7 】。当液 滴的平均直径为2 5 um 时，液滴的粒径范围为5 到6 5ui l l ，当液滴的平均直径为 5 0 到8 0 t jm 时，相应的液滴粒径范围为3 0 1 1i l l 到2 0 0 um 2 4 】。按气动捕尘理论和 实践，大水滴运动会形成能卷走尘粒的强气流，阻止尘粒与水滴撞击，不利于除 尘。 1 9 7 6 年，美国c o l o r a d o 矿业学校的s c h o w e n g e r d t 和b r o w n 在一份研究报告 中提出，采用微细的水雾捕尘能解决呼吸性煤尘的除尘问题。s c o w e n g e r d t 认为， 当水雾蒸发为蒸汽后就进入了云物理学范畴，此时，冷凝核化的机理将起着重要 的作用】。即水雾大量蒸发，密闭空间中湿度迅速饱和，饱和后的水汽会直接在 尘粒上凝聚，使得尘粒粒径不断增大。m o r r i s 和a l l e n 通过实验研究得出了相 似的结论【，6 】。虽然增大的速度与粉尘的亲水性、温度、电荷等因素有关，但只要 达到1 0 一2 0 hm 就会落下或轻易地被一般水雾所捕集，可显现出对微细的呼吸性 粉尘的良好效果。s c h r o d e r 对声波雾化雾流的特征研究后认为，在井下开采的金 属矿中和较高的相对湿度情况下，若能有效地除去气流中的水滴及其与粉尘的凝 结物，使用声波雾化喷嘴来降低呼i 及性粉尘是十分有效的。 一a 一 东北大学硕士学位论又第一辛绪论 目柏能够产生小直径雾滴的喷嘴有：超声雾化喷嘴、声波喷雾喷嘴、气动雾 化喷嘴和虹吸喷嘴。其中超声波雾化喷嘴是1 9 7 7 年美国新泽西声能发展公司率先 丌发出来的。它由压缩空气驱动，当高速气流冲击共振腔时，在出口与腔之间由 于聚能而产生超卢场，当水流入时迅速被雾化成浓密的微细水雾，水滴豇径通过 调节压力司在l 一5 0um 之问变化。与声波喷雾喷嘴相比，超声喷嘴喷出同级别粒 径雾滴时所需的风压虽相差不大，但水压和耗水量要小得多。气动( 流) 雾化 喷嘴的喷雾浓度在亲流扩散作用f 均匀分布”。气动( 流) 雾化喷嘴所需水压较 高，对气水比值也比较敏感。在低水压时，风压会把空气压入供水系统中，破 坏水的调节机理，因而，使用它的同时，必须使用止回阀。虹吸喷嘴以虹吸原理 工作，不需要压力水，然而它的喷水系统对风压极其敏感，风压高时，风流也会 把水压回供水管路中。 在国外，超声雾化喷嘴多用于煤的破碎、筛分和皮带转运站等产尘点的除尘。 其方法是在落料罩及受料皮带上喷细雾，将扬起的粉尘直接抑制在产尘点上，收 到了很好的效果。此法曾在美国发电厂的除尘系统中全面推广使用 4 8 1 。在我国 9 0 年代初，冶金部马鞍山矿山研究院利用自己开发出的c w 型超声雾化器应用于工 业除尘。其主要应用方式有两种：超声雾化抑尘和超声雾化旋风除尘器。在上钢 五厂煤气分厂输煤系统中和选矿厂除尘中，超声雾化抑尘的应用取得成功：超声 雾化旋风除尘器在桃冲铁矿8 3 水平掘进作业中使用后，工作面粉尘浓度小于 2 m g m 3 ，达到工业卫生标准。1 9 9 5 年东北大学使用c w 型超声雾化器进行了活化 超细雾流除尘技术研究，除尘效率可达对9 3 5 ，加活化剂后达到9 5 - - 9 7 ，使 喷雾除尘效率大幅度提高，在深凹露天钻井除尘中应用取得良好效果。 1 4 湿润层除尘理论研究 在湿润层除尘器中，过滤层不仅捕集粉尘粒子同时也捕集了液滴。液滴在纤 维层上的形态虽改变了过滤器的物理性质，但其机理仍属于过滤除尘的机理。液 体和纤维的物理性质决定r 液滴在纤维上存在的形式。国外研究着重于研究化工 过程中液体气溶胶在不同纤维的存在形式。 f a i r s 实验研究了硫酸酸雾在四种不同物性单纤维上的存在形式。实验采用的 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 四种不同物性的纤维。通过试验研究，最后f a i r s 选择第三种纤维( 表面涂有硅 树脂的玻璃纤维) 作为纤维过滤器的过滤材料，并进行了实验研究，其获得的除 雾效率是9 9 6 ，过滤器的有效工作时间5 0 0 0 小时。f a jr s 认为效率增加的原因 是球形液滴的形状增加了过滤面积。f a if s 没有进一步做出理论分析。 a g r a n o v s k i 在密闭的空洲，在1 0 0 的相对湿度条件下，研究了水在单纤维 e 的存在形式。实验选用的纤维是玻璃纤维，当水雾不断地喷向纤维时，在几分 钟之后水覆盖在纤维上形成水膜，随着时间的延长，过量的水在重力的作用下沿 着纤维流下，这时的水膜厚度称为平衡状态下的水膜厚度。当停止喷水时，覆盖 在纤维上的水膜称为残余水膜，残余水膜厚度小于平衡状态下水膜的厚度，平衡 状态下的水膜厚度增加了纤维的直径，提高了过滤过程的捕集效率。同时 a g r a n o v s k i 通过试验还研究了湿润性纤维和非湿润性纤维的纤维过滤器的过滤阻 力。实验结果表明：相同过滤风速，相同气溶胶浓度条件下，非湿润性纤维过滤 器的阻力随着时间的增加而升高。这是因为随着时间的增加液体气溶胶在纤维表 面形成的液滴堵塞了纤维过滤器，引起过滤面积减小，阻力增加。而湿润性纤维 过滤器的阻力，不随时间的增加而改变。 1 5 湿式振动纤维栅除尘机理研究 湿式振动纤维栅( 或湿式振弦栅) 在我国实际应用的例子如前所述，在已有 的外文文献中，还没有这方面的实验或实际应用的介绍。湿式振动纤维栅不同于 普通的湿润层纤维过滤器，其过滤风速大于普通的湿润层过滤器，而阻力却小于 普通的纤维过滤器。郭秀明、钟孝贤等仅仅提出对振弦栅除尘器中纤维振动的认 识，即j x l 流的旋涡引起了纤维的振动，而没有进一步阐述引起振动的原因。张设 计等提出的振弦栅除尘机理实质上仍然是喷雾除尘的惯性碰撞、截留和扩散以及 振弦栅的截留作用等基本除尘原理。其新观点认为振弦栅的振动产生了声凝聚效 应。在声波的作用下，处于声场中的粒子产生振动，小粒子振动速度大，大粒子 振动速度小，结果促使大小不同的粒子进行大量的正向动力凝聚，使较大的粒子 接近离它很远的小粒子，并相互碰撞，结合成大粒子，提高除尘效率。最佳声凝 聚的振动频率为： 7 东北大学硕士学位论文第一革绪论 f ：呻、一 “ 国d t p u p d 式中： ，直径为d 和d 的粒子直径产生最强声凝聚时的声振动频率，h z ，l 。气体的动力粘性系数，p a s d ，d 分别为大粒子直径和小粒子直径，m p 。，p 。分别为大粒子密度和小粒子密度，k g m 3 根据式( 1 1 ) 计算得出了对于呼吸性煤尘粒子，声振动频率应在6 4 1 t z 以上。 通过实验研究得出的结沦是在频率为1 5 0 0 h z ，声压级为1 5 0 d b ，含尘浓度为 1 5 9 m3 ，辐射时间为1 0 秒，在驻波场中煤飞灰粒子有很好的凝聚性。理论计算 与实验结果比较发现，在常温下对于小于1 0 um 的粒子的煤飞灰凝聚最佳的声波 操作参数为1 5 5 d b ，5 0 0 - - - 6 0 0 h z 。 1 6 本文研究的主要内容及方法 湿式振动纤维栅过滤除尘技术，以其高效低阻的优越性能，被认为是具有较 大开发潜力的一项新技术。但是，已有的研究多偏重于实用技术和装置结构的研 究，而对其除尘作用机制的理论探讨，主要集中在圆形纤维的理论研究，目前对 矩形纤维的理论研究在国内外都比较薄弱。本论文的研究内容，则侧重于矩形纤 维的除尘机理的研究，重点研究矩形金属纤维的最佳间距，速度流场的分布，最 佳振动频率，并通过计算机软件对阻力和效率进行分析和仿真，找出简单易行的 阻力和效率公式。 本论文所采用的研究方法，仍运用表面物理化学、流体力学、振动力学和气 溶胶力学的基本理论，通过理沦分析，建立数学模型，运用数值计算方法和编制 计算软件，在一定的边界条件下，进行数值解算，进行仿真和回归。 本论文的主要研究内容包括以下几方面： ( 1 ) 根据表面物理的知识，从有利于水在纤维上形成水膜的角度出发，研究 矩形纤维栅的纤维问的最佳间距。 ( 2 ) 通过分析矩形振动纤维栅的运动状态，找到矩形纤维振动的规律，并找 一r 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 出矩形纤维的斯脱罗哈数与雷诺数的变化关系，并在此基础上求出矩形纤维发生 共振的频率。 ( 3 ) 根据流函数的特点，通过一系列的数学运算，求解出风流通过矩形纤维 后速度方程表达式，运片! | 除尘效率公式，可以求得矩形纤维的除尘效率。 ( 4 ) 湿式振动纤维栅具有高效、低阻的特性，本文运用所学的数学知识和数 值分析方法，通过计算机软件的编制，对已有的试验数据进行分析，求得阻力和 效率与风速和层数的相互关系，并进行了验证，最后证明其具有一定的推广价值。 1 7 本章小结 本章主要介绍了湿式过滤除尘的发展及其研究现状，从中也能看出对湿式过 滤除尘的研究还存在不够完善的地方，特别是人们对矩形纤维栅的研究还处于探 索阶段，本文的目的就是在前人的基础上，通过理论分析和计算机仿真，研究湿 式振动矩形纤维栅的共振频率、最佳间距、速度分布、并根据试验数据求出除尘 、：= 二一 效率和阻力与除尘风速和层数的相互关系。 一一9 _ 一 一9 一 东北大学硕士学位论文第二章 矩形纤维间距研究 2 矩形纤维间距研究 2 1 水在纤维栅上湿润特性的分析 液体对固体的湿润作用的大小主要取决于液体固体和液体液体的分 子吸引力的大小。当液体固体之间分子l 吸引力大于液体本身分子之间吸引力 便产生了湿润现象。液体对固体表面的湿润，除了接触与扩展湿润外，尚有侵入 湿润，即将固体浸入液体，使原有的气固界面由液固界面所代替，甚至 在某些多孔性物质的空隙中也进入大量的液体，这个过程称为浸润，如图2 1 所 示。 当一个轴对称的液滴位于某一固定表面上时，存在着三个界面：固( s ) 一液 ( l ) 、液( l ) 一气( v ) 及固( s ) 一气( v ) 界面；这三个界面的界面张力分别 以y 。、y 。及，。来表示。图2 1 中的角a 是固液之间的接触角。 酋 图2 1 固一液之间的接触角a f i g 2 2t a n g e n ta n g l e a sd r o pc o n t a c ts o l i ds u r f a c e 设该系统保持恒温，且每相的体积不变，则该系统的h e lr n h o l t z 自出能的微 小变化d f 为( 3 9 , 6 4 】： d f = ，( 幽j ”+ 如y + a c ) + z z ，( 幽? + d n + 幽? ) if + y s y d a s v + yl p d a w + y s t d as l 式中，“摩尔自由能，j m o l e 一1 0 一 ( 2 1 ) 东北大学硕士学位论文 第二章矩形纤维间距研究 摩尔数，m o l e a 界i 酊面积，m 2 。 因为系统的总摩尔数保持1 i 变，所以在恒温时应该有 ( 砌+ 砌? ”+ d n s l ) + ( 幽? + 幽+ 西，) = 幽f = 0 ( 2 2 ) 于是式( 2 1 ) 可以改写为： d f = y s r d a s y + y l v d a l r + y s l 以舡 ( 2 3 ) 因为固一液界面面积的增长等于固一气界面面积的减少，所以应该有 d a n = 一d a s r ( 2 4 ) 假定液体为球冠形，则可以从数学上证明 d a y = ( d a ) c o s 五 ( 2 5 ) 把式( 2 5 ) 及式( 2 4 ) 代入到式( 2 3 ) 中，则可以得到 盟：y 。，- - y s v + g l v c o s a ( 2 6 ) 瓦2 y m 蚰 因为系统处于平衡状态，所以( 8 f o a 。) 等于零， 于是便可以得到： y s v = y s l + y l v c o s a 或c o s a ：鱼，二垫( 2 7 ) y l v 上式通常称为y o u n g 方程。 当接触角兄为0 。即c o s 见= l 时，液滴在固定表面接近于薄膜的形态，把这种 情形称为完全湿润。当接触角五在0 。与9 0 。之间即0 c o s 2 l 时，液滴在固定表面 上成为小于半球形的球冠，把这种情形成为湿润，并且兄越小，其浸润性能越好。 当接触角 在9 0 。与1 8 0 。之间即一1 c o s 2 o 时，液滴在固体表面上成为大于半球 形的球冠，把这种情形称为不湿润。当接触角兄为1 8 0 。即c o s 3 = 一l 时，液体在 固体表面上成为球形，它与固体之间仅有一个接触点，把这种情形称为完全不湿 一1 】一 东北大学硕士学位论文第二章矩形纤维间距研究 搁”。 在固体表面巴湿涧性很好的液体可以在固体表面完全铺展，这一过程必定伴 随系统自由能的下降。于足，在式( 2 7 ) 中的( a 叫翩。) ( y 。+ 扎，) 即s 。0 时，液体才能在固定表面上完全铺展。对 于不能在固定表面一h 完全铺展的液体，可以把y o n g 方程代入到( 2 8 ) 中以得到 s 。，其为 s 2 y l v ( c o s 2 , 一1 ) ( 2 9 ) 由上式可见，非完全铺展时，咒，。 o 。 如果纤维栅中采用纤维的结构是编织的纤维金属网，当水浸润网格栅时，水充 满纤维孔隙。设水在网格栅中形成水膜厚度为纤维直径d ，在网格橱中任取长为 a 、宽为b 网格，则在平衡状态下，网格的长宽满足式( 2 1 0 ) ： 2 0 + 6 ) r + p 。g a b d ，p t g b d ， 整理后得酬： 基0 , , v c o s o ( 2 1 0 ) 2 ( a + 6 ) 印g d r 式中： p 。气体的密度，k g m 3 ； p ，液体的密度，k g m 3 ： g 是重力加速度，r r d s 2 ； r 粘附张力，n m 。 由于液体与本身蒸汽界面上的吸附不能改变液体的表面张力，所以式中盯。 值等于仃，。 通常，液体f 1 勺表面张力可以在( 2 7 ) 1 0 。n c r a 之间；而国体的表面张 东北大学硕士学位论文第二章矩形纤维间距研究 力可以分为商低两类，高者的表面张力可以达到5 1 0 。n c m 以上，例如某訾金 属、玻璃、无机非金属；低者的表面张力在( 2 4 ) 1 0 “n c m 之问，例如碳氢 化合物、高分子材料等。一般地讲，具有高表面能的固体表面几乎总能被液体所 湿润；反之，则干h 反。 应当指出舯】，矩形纤维常常因各种原因，其表面被污染后，其湿润行为会发 生显著的变化。研究表明，固体表面的非均匀性或粗糙性将固一液之问的接触角 产生影响。如图2 2 所示，液滴位于粗糙的固体表面，固一液相之间的实际接触 角为( 1 8 0 。一0 ) 、表观的接触角( 即液滴与水平方向间的夹角) 为( 1 8 0 。一o r ) ， 我们可以写出 c o s o r = r c o s o t ( 2 1 1 ) 式中，为一个与固体表面粗糙程度有关的系数。 图2 2 在粗糙i 崮体表面的液滴 f i g 2 2d r o p 0 1 1t h er o u g hs o l i ds u r f a c e 假定固体表面有两种状态( 见图2 2 ) ，他们所占有的表面分数各为一和 ， 则可以写出1 6 4 1 n pc o s o r2 _ ( 一y s i l ) + 正( 一，岛) ( 2 1 2 ) 或 c o s o r = ：c o s 0 , + 厶c o s 0 2 ( 2 1 3 ) 式中c o s o r = ( h r y s , i ) r 。、c o s o r = ( ( y 掣一r s ：z ) y 。对于网状固体表面， 例如金属丝网、纺织品等，可以把厂2 视为开口部分所占的表面分数，y 。便为零 1 3 东北大学硕士学位论文第二章矩形纤维间距研究 值，y 。便为y l ，；于是，式( 2 1 3 ) 可以改写为 c o s o = l c o s 0 1 一f l 某些试验结果表明了上式的合理性。 大时，_ l i 式可以进一步改写为： c o s o r = r zc o s o l - - f 2 ( 2 1 4 ) 当网状固体表面相当粗糙、且接触角较 ( 2 1 5 ) 2 2 水滴在纤维栅上存在的形式分析 在初始状态时，气流通过静止的纤维栅，使水在纤维栅上存在形式发生变化。 其变化的过程为：首先，纤维之间的水膜在气流的作用下发生变形，然后水膜被 气流冲破，破裂后水膜在毛细作用下收缩到纤维表面，纤维表面覆盖一薄层水膜。 在风流的作用下，水在纤维表面上的存在形式如图2 3 所示。 im e e 静止状态初始状态水膜未破裂水膜破裂后 厂 纤维r e c t a n g l ef i b e r 2 3 试验观察 水膜w a t e r f i l m 图2 3 水在纤维表面上存在的形式示意图 f i g 2 3t h ee x i s t e n c ef o r mo f t h ew a t e ro nt h er e c t a n g l ef i b e r 湿式振动纤维栅过滤除尘器是湿式与纤维过滤的组合。在除尘过程中，影响 除尘效率的两个主要物质是纤维和水。纤维栅的结构、纤维的物理性质和水的物 理性质均影响水在纤维栅上的湿润状态。前人就横断面圆形纤维与静止的水的形 状进行了相关研究，根据本课题的目的，我们重点在于研究横断面矩形纤维与静 一1 4 一 东北大学硕士学位论文第二章矩形纤维间距研究 i ：状态下水在纤维栅卜的形状。 选择矩形金属但具有不同直径的纤维作为实验材料。在试验中，我们主要就 纤维问的不同问距试验： 1 纤维问距分别为紧密 2 1 倍直径 3 2 倍氲径 4 3 倍直径 5 4 倍直径 对上述5 种不同模型的竖直纤维栅喷水雾，在显微镜下观察出水在纤维上产 生如下2 利，形态： ( 1 ) 在纤维间距大于两倍直径的栅上( 含两倍直径) ，水在单纤维上形成大 小不一的水珠( 水量小时水珠小) ； ( 2 ) 在纤维间距小于单倍直径的栅上，由于毛细作用在两根纤维之间形成柱 状水膜，如图2 4 所示； 图2 4 纤维间柱状水膜 f i g 2 4c o l u m n a rw a t e rf i l mb e t w e e nf i b e r s 上述实验结果表明，水在纤维栅上的状态不仅与水的物理性质有关，同时也 水与纤维的界面、水与空气的界面以及空气与纤维的界面性质有关。 2 4 矩形纤维间距的确定 当液体与固体壁面接触时，液体自由表面与固体壁面之间必形成某一有限的 或为零的接触角，由此而引起的各种现象可定义为毛细作用。通常的含义是小管 一1 5 一 东北大学硕士学位论文第二章矩形纤维间距研究 或细小多孔介质 ，液体的升高( 或降落) 。 本试验液体能够湿润纤维( 即能够产生一定的角度) ，当纤维间存在细小空隙 时，液体就在纤维问产生毛绌管现象。邦德数是衡量产生毛细现象的标准。邦德 数表示静液重力与表面张力作用相对大小【3 9 , 0 7 1 。 耻翥= 譬 c n ，e ， 式中：上特征长度，f f 【。 当邦德数大时，静止液体中的毛细压强的作用通常可以忽略；当b o i o 。当折合速度在i u ， i 0 范围内，旋涡 一1 8 查些垄兰壁主堂堡笙查堑三主丝兰堑竺堡塑塾堡堑塞 脱落占支配地位。 由于本论文研究的是矩形纤维，不是一个抛面体，所以不考虑驰振诱发振动。 3 3 湍流诱发振动分析 在流体诱发振动中，山湍流流动所诱发的振动是比较常见的。湍流是含有宽 频带连续谱扰动的完全不规则运动，是流动频率范围宽广的振荡成分的总和。流 动中的湍流在物体表面上产生一个随机变化的压力场，表面波动压力传递给物体， 这些表面压力诱发了振动1 4 q 。湍流诱发振动的响应包括平均响应、非共振i 响应和 共振响应。平均响应是在实验的时间间隔内，由平均流所产生的平均位移；非共 振响应是低于固有频率的振动响应：共振响应是在固有频率附近的振动。上述三 种响应中，共振响应占了极大部分。从流体绕流非流线型物体的代表性湍流谱中 可以验明，谱的峰值就是旋涡脱落的主导频率( 见图3 1 ) 。图中a 。所示的面积 即是共振响应，a 。、a 。分别为低频、甚低频引起的非共振响应。 从前人的试验研究中可以得出：矩形纤维并不是在每种工况下，纤维都发生 振动，这说明湍流不是诱发纤维振动的主要原因。 q 是结构的矧有频率，a t o = 2 豇山，f 是结构的阻尼比 图3 1 湍流中结构的响应曲线 f i g3 1t h es t r u c t u r a lr e s p o n s ec u r v ei nt u r b u l e n c e 1 9 一 东北大学硕士学位论文第三章矩形纤维振动规律研究 4 旋涡脱落诱发纤维振动分析 当流体绕曲面体流动时，在图3 2 所示的曲面体m m 断面后，边界层为增压 减速区域，流体质点一方面受到粘性力的阻滞作用，同时，压差也阻止流体的f j 进，越是靠近壁而的流体，受粘性力的阻滞作用越大。在这两个力的阻滞下，靠 近壁面的流速就趋近于零。s 点以后的流体质点在与主流方向相反的压差