（机械电子工程专业论文）296m2电除尘器的结构分析及改进.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 电除尘器是消烟除尘设备中一种重要的环保设备，对于保护和改善环境、 使粉尘排放符合国家有关标准、保障民众的身体健康都有非常重要的现实意 义，它作为一种有效的收尘装置，正发挥着越来越重要的作用。 目前，由于电除尘器自身结构和系统的复杂性，我国的电除尘器技术与国 外先进技术相比较，还存在一些明显的差距，如科研手段比较落后，科研力量 相对薄弱且分散，数据库还没有完全形成，设计速度跟不上要求等。为了改善 这一状况，我们应该推行先进的设计方法。 由于电除尘器体积庞大，结构复杂，传统的设计方法是在对其结构进行较 大的简化后利用材料力学作简单的校核计算，因此往往造成基础参数和安全系 数选择较大，构件尺寸参数确定具有很大的盲目性和保守性，以至于消耗材料 过多，成本增加。电除尘器虽作为一种订单式生产，其结构设计需要按照用户 提出的要求完成，但因其系统构成和总体结构相似，所以完全可以按照采用类 比方法形成初步设计方案，运用现代设计理论，完成最终设计这一步骤进行。 论文以1 8 0 m 2 电除尘器的基本结构为参照，利用材料力学方法，通过受力、 变形及强度等分析计算，从而用类比法给出了2 9 6 m 2 电除尘器的初步结构设计； 在此基础上，利用三维有限元分析方法对2 9 6 m 2 电除尘器的初步方案进行结构 分析计算，得出其应力场和位移场；然后利用强度理论分析判断，对不满足强 度要求的部位，分析其原因，再利用应力集中理论和结构优化设计思路，对方 案进行修改完善：最终达到既能满足用户要求又能使其结构尽可能轻量化的结 构设计方案。另外，为了加速设计进程，提高设计效率，本文还对电除尘器的 参数化设计思路方法进行了研究探讨，提出了参数化设计的基本思路，并编制 参数化设计的初步软件。 本文利用电除尘器的基本原理，结合数字化分析与设计，首先完成了用户 要求的2 9 6 m 2 电除尘器的设计、三维有限元强度分析和结构优化等工作；然后 结合电除尘器的结构特点，研究了参数化设计的具体方法和思路，在此基础上 初步开发了在w i n d o w s 操作系统支持下的电除尘器参数化设计的部分软件。 实际使用表明，本文所进行的电除尘器的设计和改进效果良好，结果可靠，运 行安全；各参数的确定正确。文章对电除尘器的用户化设计开发具有较大的实 际意义和重要的参考价值。 关键词：电除尘器，设计，结构优化，参数化设计 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t f o ra l lt h ep u r l f y i n gd e v i c e s ，e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ( e p ) i sa ni m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rp r o t e c t i n gt h ep e o p l e sh e a t t h , i m p r o v i n gt h ee n v i r o n m e n t , s a t i s f y i n gt h en e e do fn a t i o n a ls t a n d a r da b o u tt h ed r a i n i n gd u s tt oa d a p tt h ee f f e c t i v e m e t h o dt oc l e a rt h ed u s t a sa ne f f e c t i v ed e v i c e ，e pb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t a tp r e s e n t , t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e sa b o u tt h ee pt e c h n o l o g yi nc o m p a r i s o n w i t ht h ef b r e i 弘a d v a n c e dt e c h n o l o g y , s c i e n t i f i cr e s e a r c hp o w e ri s c o r r e s p o n d i n g l y u n s u b s t a n t i a la n dd i s p e r s e d , s c i e n t i f i cr e s e a r c hr e s o r tg e tb e h i n d ，a n dd a t a b a s eh a sn o t s h a p e dc o m p l e t e l y a t t h es a m et i m e , s o m ea s p e c t s ，s u c ha s m a n a g es y s t e m ； e x p e r i m e n t a t i o nr e s e a r c h ，d e s i g na n dm a n u f a c t u r ec a n tw o r ki np h a s ea n de f f e c t i v e l y i no r d e rt oi m p r o v et h es t a t u s ，w es h o u l ds p r e a dt h ea d v a n c e dd e s i g nw o r k e ph a sah u g e n e s sv o l u m ea n dc o m p l e xs t r u c t u r e a sw e l la st h ec o n v e n t i o n a l d e s i g n i st h a tp r o o f r e a d sa n dc o m p u t e st h es t r u c t u r e sw h i c ha r es i m p l i f i e dv i a m e c h a n i c so f m a t e r i a l s t h e r e f o r e ，b a s ep a r a m e t e r sa n ds a f e t yf a c t o r sa r ec h o s e nl a r g e r t h a nm e ya r er a t i o n a lv a l u e ，t h es i z eo fc o m p o n e n t sa r eb l i n d l yc o n f i r m e d ，w h i c hr e s u l t i nc o n s u m i n gal o to fm a t e r i a l sa n dg o i n gu pt h ec o s t a l t h o u g he pi sd e s i g n e di n t e r m so fu s e r s r e q u e s t sa sao r d e rf o r m ，t h ed e s i g nc a nb ec o m p l e t e df r o mo r i g i n a l p l a n sw h i c ha r es h a p e db ya n a l o g yt ou s i n gm o d e r nt h e o r i e st of u l f i l l i n gd e s i g nb e c a u s e t h es i m i l a rw h o l es t r u c t u r e sa n ds y s t e m s 、t h ea r t i c l em a k e su s eo ft h em e c h a n i c so fm a t e r i a l sb ya n a l y z i n ga n dc o m p u t i n g t h es t r e s s e s ，d i s t o r t i o n ，i n t e n s i o na n ds oo n , w h i c hi s a c c o m p l i s h e dt h eo r i g i n a l s t r u c t u r a ld e s i g no f2 9 6 m 2e po nt h eb a s i so ft h eb a s i cc o n f i g u r a t i o no f18 0 m 2e p t h e n ，i tc o m p u t e sa n da n a l y z e st h eo r i g i n a lm o d e lb ya p p l y i n gt h et h r e e d i m e n s i o n f i n i t ee l e m e n t sm e t h o di no r d e rt og e ts t r e s s - d i a g r a ma n dd i s p l a c e m e n t - d i a g r a m i ti s t h en e x ts t e pt h a tt of i n dt h er e a s o n sf o rn o td i s s a t i s f y i n gt h ei n t e n s i t yb ym e a n so f i n t e n s i t yt h e o r ya n dt h a tt op e r f e c tt h ep l a nb yu t i l i z e dt h et h e o r yo fs t r e s s c e n t r a l i z e d a n dt h et h o u g h t so fs t r u c t u r a lm a j o r i z a t i o no fs o l u t i o n s f i n a l l y , i tg e t st h eu l t i m a t eb l u e p r i n t st h a tn o to n l ym e e tu s f f r s n e e db u ta l s ol i g h t e nt h ew e i g h ta sm u c ha sp o s s i b l e i n a d d i t i o n , i no r d e rt os o l v e st h ed i f f i c u l t i e st h a te n h a n c i n gt h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n d s p e e d i n gt h ed e s i g nc o u r s e ，i td e s c r i b e st h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g nt h a tm e a n st or e s e a r c h p a r a m e t e r sw h i c ha r eu s e da n do nt h eb a s i so fw h i c ht h es o f t w a r ei sd e v e l o p e dt of a s t i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 d e s i g n e 。p f i r s t l y , t h ep a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g na n df e ma n a l y s e so f2 9 6 m 。e pa n d s t r u c t u r a lo p t i m i z eb yu s i n gt h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fe 。pa sw e l la sd i g i t a l i z a t i o n d e s i g n s e c o n d l y , i tr e s e a r c h e st h ec o n c r e t em e t h o d sa n dt h o u g h t so fp a r a m e t e r sd e s i g n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nf e a t u r e so fe - p f i n a l l y , a ne - pp a r a m e t e r i z e dd e s i g ns u p p o r t e d b yw i n d o w ss y s t e mh a sb e e ni n i t i a l l yd e v e l o p e d t h ea p p l i c a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e m e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri se f f e c t i v ei ne pd e s i g na n df a i l s a f eo nr e s u l t sa n ds a f e i nr u n n i n gi t ；m o r e o v e r , i ti sr i g h tt h a tt oc o n f i r ma l lp a r a m e t e r s t h ed e s i g nm e t h o d s a n dt h o u g h t so f e pi nt h i sp a p e rh a v ep r o m i n e n ts i g n i f i c a n c e sa n di m p o r t a n tv a l u e k e y w o r d s ：e p d e s i g n , s t r u c t u r a lo p t i m i z e ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n 1 i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 电除尘器是利用电力进行收尘的装置，国外多称静电收尘器。而实际上“静电 收尘”这个词并不确切，因为粉尘粒子荷电后和气体离子在电场力作用下，要产生 微小的电流，并不是真正的静电。但是习惯上将所有高电压低电流的现象也包括在 静电范围之内，所以把这种收尘装置也称为静电收尘器。而我国习惯上叫电收尘器 或电除尘器。 1 1 课题的来源、背景及意义 “2 9 6 m 2 电除尘器的结构设计及改进”项目来源于西安字清环境工程科技有限 公司的一个实际科研项目。 湿式电除尘器是该公司近年来新开发的新型电除尘设备，由于其工作负压高， 结构尺寸大，为保证设备能安全、可靠工作，特委托我们就其结构的强度和变形利 用三维有限元进行分析计算，在此基础上进行结构最优化设计，以减轻设备重量， 从而降低生产制造成本。 我国从事电除尘器技术的研究起步比较晚，1 9 3 6 年开始使用电除尘器，5 0 年代 初，葫芦岛锌厂自行设计和制造了我国第一台1 2 6 m 2 的四电场电除尘器，但结构陈 旧，而且除尘效率较低，其目的也只是为了炼锌氧化多膛焙烧炉回收有价值的金属 物质。在随后的二、三十年中，我国的电除尘器仍停留在进口、或仿造的阶段。技 术落后，经济效益较低，明显跟不上重工业发展的需要，而且因为电除尘器的结构 庞大，费用较高，一些企业无法使用，导致大气污染严重，也使得大量的资源流失。 目前，我国已具备自行设计和制造各种类型的电除尘器特别是大型电除尘器的能力， 产品亦成系列化，除尘效率较高。但较之国外的同类产品因为发展时间较短，在技 术与经济效益等诸多方面仍存在明显的差距：如一些基础研究设旌尚不配套或完整， 科研力量相对薄弱而且分散，测试仪器和科研手段比较落后，数据库还没有完全形 成，选型造型设计水平较低，电除尘器设计效率与实测效率偏离较大，各生产厂家 没有形成自己特色，产品一般化，电除尘器的电源仍需改善，影响电除尘器的重要 物性参数尚不能定量计算等。 此外，国产电除尘器耗用钢材较多，除基础参数选择保守外，还因为本体的设 计缺乏较完善的理论支持，缺乏适应于电除尘器制造的钢材规格，导致安全系数偏 大。在管理体制上，研究试验、设计选型和生产制造三个环节还不能高效率地协调 工作等等。 但是，由于我国电除尘器制造业发展迅速，生产能力过大，导致国内市场竞争 重庆大学硕士学位论文 激烈，各企业需推进先进的设计方法，提高生产效率和管理水平，迅速发展新技术， 研制高质量、低成本的产品以提高市场竞争力。在这种背景下，我们与谣安宇清环 境工程科技有限公司合作进行了2 9 6 m 2 电除尘器的结构设计、强度分析、结构优化 的研究。并在强度分析的基础上，利用现代设计方法，立足于提高设计水平、使设 计过程方便快捷，缩短设计开发的时间，进而提高一次设计成功性，本课题针对目 前国际、国内设计领域新技术的发展趋势，针对电除尘器的结构特点，提出自己的 一套设计思路和方法，同时提出电除尘嚣参数化设计的基本思路和方法，编制相应 的部分软件。实际运行证明该设计的安全可靠、经济及高效。所以本课题的成果弥 补了我国在电除尘器设计与制造上的一些不足，具有一定的理论价值及重要的现实 意义和实用价值。 1 2 课题研究内容 合理的结构优化设计应满足多方面的要求，如强度、刚度、稳定性、重量最轻 等要求。本文针对2 9 6 m 2 电除尘器的结构设计及改进，从满足电除尘器本体的刚度、 强度条件出发，得到结构最优化，设各重量最轻，从而降低生产制造成本的设计方 案，最终建立电除尘器本体结构的优化设计的模型。具体包括以下内容： 电除尘器本体的强度分析及结构优化 运用类比法得到2 9 6 m 2 电除尘器的最初模型，根据有限元法的相关理论及电除 尘器基本原理，对该模型壳体、灰斗、进出风口等组成构件进行强度计算分析，结 合计算结果以及材料的强度极限，同时考虑该结构的变形极限，针对一些单元畸变、 应力集中问题对不满足强度要求的构件进行结构优化，得到最后一个更合理、更优 化的模型。 极排的强度分析与结构优化 依据电除尘器的基本原理和运动过程，对阴极排和阳极排的受力进行数学推导， 建立数学受力模型，推导出相对应的公式，并计算分析证明其正确性。 其它相关的设计计算 台架起到支撑整个电除尘器上部结构的作用，是电除尘器的重要组成部分。台 架用若干根圆管通过球铰链与地基相连，因此设计时考虑的因素除了应力大小之外， 还要判断其稳定性。 电除尘器的参数化设计 电除尘器作为一种订单式生产的产品，在接受到用户的信息后，分析用户的 使用条件和使用要求，接着才能进行电除尘器的设计、分析计算、结构改进等工 作，常常需要很长的开发周期，而且不能保证产品质量，因此企业对市场响应速 度慢，适应性差。针对这种现象，根据电除尘器总体结构和系统的相似性，对上 重庆大学硕士学位论文1 绪论 述相关内容进行全面分析和计算，建立数学力学模型，在此基础上确定电除尘器 结构设计的参数，并进行编制相应设计软件的前期工作，希望用户可以轻松、快 捷地完成电除尘器的设计工作和优化改进。 由于目前对电除尘器技术资料的缺乏，对此课题的研究充分利用了现代方法 有限元法的思想进行强度分析，并对不满足强度要求的部件进行结构优化设 计，从而实现电除尘器的现代设计。电除尘器是一种新型技术，但同时它又是从 老技术的基础上改进而来，它同我们已经熟悉的其他除尘装置有着一些联系，我 们可以从这些联系着手，从己掌握的知识出发，正确确定电除尘器结构设计的关 键参数，建立一些初步模型，将这些模型同电除尘器的实际使用情况进行比较， 把实际使用情况作为检验模型正确与否的标准，对模型进行不断的改进，直到模 型在实际使用中能达到最理想的情况。另外，参数的正确确定对软件设计有很大 的帮助，文章中提出了参数化的基本思路和方法。本文中结合a u t o c a d 同其二次 开发语言o b j e c t a p , x 2 0 0 0 等编程工具，完成了电除尘器的二维结构的参数化设计 任务，这样对我们下一步的软件设计工作做了最重要的铺垫。 经过该类型电除尘器在工厂中的实际运行，证明了我们计算、分析是正确的， 结构的优化改进是安全可行的。 重庆大学硕士学位论文2 电除尘器概述 2电除尘器概述 2 1 电除尘器的用途及基本原理 随着环境保护事业的发展，电除尘器的应用日益增多。因为在许多工业生产 过程中，需要制取或处理不同的气体，而另一些工矿企业按照环境保护的要求需 要将工艺生产过程中所产生的废气排入大气，因此有必要除去工业气体中的固体 或液体粒子。例如硫酸厂中用塔式法制硫酸的焙烧炉气，其中含有细微的矿尘， 如不设法除去，就会使塔发生堵塞并使成品酸受到污染。若将上述炉气用于接触 法制硫酸，除了要除去矿尘，还要除去毒害转化器中触媒的硫酸雾、砷和硒等。 炭黑生产中的气体和有色金属冶炼厂的烟气，都要进行净化回收其中的有价值物 质。钢铁厂、水泥厂和热电站等排出的烟气经烟囱排入大气前，也需要进行净化， 以防止大气被污染。 众所周知，粉尘在大气污染中占有相当大的比重，据美国统计，1 9 6 8 年所产 生的二亿吨污染物中，粉尘就占二千三百万吨。而我国现代化建设刚刚开始，工 业基础还很薄弱，工业水平还不高，但是由于粉尘造成的污染已十分严重。按国 家规定：城市每平方公里每月降尘量6 8 t ，但据1 9 7 9 年3 月监测，北京市居民区 达至u 3 9 t ，首钢工业区高达2 8 5 t 。有些工业城市的工业区，高达5 0 0 6 0 0 t ，有的 甚至高达1 0 0 0 t 以上，超过规定标准几十倍到几百倍“1 。不论从环境保护还是从经 济观点来考虑，都不允许这样大的除尘量不经净化而排入大气。因此任何一个现 代化的工业窑炉，都要采用高效的收尘装置以净化排出的烟气。因为保护和改善 环境，是关系到保护人民身体键康、促进经济发展和民族后代生存繁衍的大事。 1 9 7 9 年9 月我国颁布了中华人民共和国环境保护法，要求一切排烟装置，包括 工业窑炉、机动车辆、船舶等，都要采用有效的消烟除尘技术，使其粉尘排放符 合国家规定的标准。同时国家在基本建设项目环境保护管理办法中规定：防止污 染和其它公害的设施必须与主体工程同时设计，同时施工，同时投产；建成投产 或使用后，其污染物的排放必须遵守国家或省、市、自治区规定的排放标准。 电除尘器的机制，就其特性而言，是属于物理学范畴，更确切的说，应该是 属于电物理学。但是从电除尘的实践经验来看，还要涉及到许多其它学科，其中 包括化学、气溶胶工艺学、化学工程学、电气工程学、电子学、空气动力学、机 械工程学和公用工程学等。尽管电除尘的本质主要是属于物理性质的方法，但是 多数有关电除尘的早期研究工作和实际的发展，大部分是由化学家和冶金学家开 始研究和实现的。 具体的讲：电除尘器是在两个曲率半径相差较大的金属阳极和阴极上，通以 重庆大学硕士学位论文2 电除尘器概述 高压直流电，维持一个足以使气体电离的静电场。气体电离后所生产的电子、阳 离子和阴离子，吸附在通过电场的粉尘上，便向电极性相反的电极运动而沉淀在 电极上，以达到粉尘和气体分离的目的。如图所示。图中的细金属线的一端用绝 缘子悬挂在接地的金属圆筒的轴心上，并在其上藏加负性高电压，当电压达到一 定值时，在金属线的表面上就出现青兰色的光点，并同时发出嘶嘶声，这种现象 称为电晕放电。此时若从金属圆筒底部通入含尘气体，绝大多数粉尘粒子便会吸 附运动中的负离子而荷电，在电场的作用下向圆筒运动而沉积在圆筒的内壁上。 当沉淀在圆筒壁上的粉尘达到一定厚度时，借助于振打机构使粉尘落入下部的灰 斗，净化后的气体便从圆筒上部排出。一般称圆筒为收尘极，金属线为电晕极或 放电极。综上所述，电除尘器工作过程可分为4 个阶段：第一，电晕极附近的气 体电离，产生电子、正离子、负离子；第二，使含尘气体中的悬浮尘粒带电；第 三，大多数粉尘向沉淀极运动：第四，经振打将粉尘收集于灰斗中。 高压直流电 电源 图2 1 电除尘器的基本原理 f i g u r e 2 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo r e p 流器 变压器 2 2 电除尘器的优点 在许多工业生产过程中，需要制取或处理不同的气体，而另一些工矿企业中 需要将工业生产过程中所产生的废气排入大气，这就需要进行净化气体，以防止 重庆大学硕士学位论文2 电除尘器概述 大气被污染。同时为了防止工业窑炉排出含尘气体污染大气，采用各种类型的除 尘装置是其中有效措施之一。采用电除尘器虽然一次投资较其它类型的除尘装置 要高，但是电除尘器的采用还是越来越普遍，这是因为电除尘器具有下列明显的 优点： 收尘效率高 如果设计合理，电除尘器可以达到任何要求的收尘效率。现在电除尘器的效 率大于9 9 的极为普遍，即使是处理微细粉尘，也能达到很高的收尘效率。 阻力损失小 气体通过电除尘器的压降一般不大于2 0 0 p a ，这是因为在电除尘器中，使气体 与其中悬浮粒子分离的力库伦力是作用于悬浮粒子本身，而不是象其它类型 除尘装置的分离力是作用于全部气体。因而风机的耗电量少，按每小时处理1 0 0 0 m s 烟气量计算，电能消耗约为0 2 0 8 k w h 。 能处理高温烟气 一般常规电除尘器用于处理3 5 0 0 c 以下的烟气，如果进行特殊设计，可以处理 5 0 0 0 c 以上的烟气。 能处理大的烟气量 现在电除尘器每小时处理l o ”1 0 6 标m 3 的烟气量已是很平常的事。随着工业的 发展，工艺设备日益大型化，烟气量也相应增加，如6 1 0 5 k w 发电机组，烟气量为 3 1 0 6 m 3 h ，而电除尘器也逐渐可以处理更大量的烟气。 能捕集腐蚀性很强物质 如采用其它类型的除尘装置捕集硫酸和沥青雾几乎是不可能的，而采用特殊 结构的电除尘器就可以捕集腐蚀性很强的物质。 日常运行费用低 由于电除尘器的运动零部件少，电耗低，在正常状况下维修工作量较小，可 以长期连续安全运行，所以相应日常运行费用较低。 对不同粒径的烟气有分类富集作用 由于烟尘的物理化学性质与除尘效率的关系极为密切，大颗粒而导电性较好 的烟尘先被捕集，因此能使不同粒径的烟尘，在不同的电场中分别富集起来。这 对有色冶金工业回收有价值的金属和水泥工业钾含量较高的原料制造钾肥都是极 为有利的。 2 3 电除尘器的系统构成 电除尘器的分类： 重庆大学硕士学位论文2 电除尘器概述 表2 1 电除尘器的类型 t a b l e2 1a l l k i n d s o f e p 按电极清灰按气体在电除尘器内按除尘器的 方式不同的运动方向形式不同 l 干式电除尘器 2湿式电除尘器 卧式电除尘器板式电除尘器 3雾状粒子捕集器立式电除尘器 管式电除尘器 4半湿式电除尘器 除上述几种分类外，还可按极间距离分为窄间距电除尘器和宽间距电除尘器； 按气体温度分为常温电除尘器和高温电除尘器等。其实各种分类的主要结构都是 大同小异的。 电除尘器的结构说明： 1 ) 电除尘器常用术语 表2 2 电除尘器中的常用术语 t a b l e2 2n o m e n c l a t u r ei nc o m m o nu s e o ne p 名称 解释 具有一个完整的独立外壳的电除尘器称为一台 室在电除尘器内部由壳体所围成的一个气流的通道空间 场沿气流流动方向将各室分为若干区，每区有完整的收尘极和电晕极，并 配以相应的高压电源装置的独立区 电场高度i n一般指收尘极板的有效高度 通道m 电场中两排极板之间的宽度 电场通道数电场中的极板总数减一的数目 电场宽度m一个室最外两侧收尘极板轴线之间的有效距离 电场长度一个电场中，沿气体流动方向一排收尘极板的宽度 ( 第一块极板的前端到虽后一块极板末端的距离) 电场截面m 2电场高度与电场宽度的乘积 电场风速m s烟气在电场中的流动速度 收尘极面积m 2收尘极板的有效投影面积 收尘效率含尘烟气流经收尘器时，被捕集的粉尘量与原有粉尘量 之比。它是电除尘器运行的主要指标。 重庆大学硕士学位论文2 电除尘器概述 阻力电除尘器入口和出口烟道内烟气的平均全压之差。一般电除尘器的阻力 p a约为1 0 0 3 0 0 p a 荷电悬浮尘粒在电场力作用下向收尘极板表面运动的速度。它包含了电 极构造、电场强度、粉尘性质、浓度变化、粒径大小、电场风速、烟气 驱进速度温度、气流分布、积灰厚度、振打效果、二次扬灰等诸多因素的综合影 m $响。它是对电除尘器性能进行比较和评价的重要参数，是电除尘器设计 的关键数据 一次电压输入到整流变压器初级侧的交流电压 一次电流输入到整流变压器初级侧的交流电流 二次电压整流变压器输出的直流电压 二次电流整流变压器输出的直流电流 电晕功率输入到电除尘器的有效功率。电晕功率越大，电除尘器效率越高 气流分布反映电除尘器内部气流均匀程度的一个指标 2 ) 常规电除尘器的基本结构 电除尘 电u 装书黧募的供机组 电除尘器本 迸、出风口 电晕极系统 收尘极系统 槽形板系统 灰斗 壳体保温及台架 刮墨釜 f 蒸汽加热管路 管烈热风保养管路 l 积灰冲洗管路 其电除尘器的本体结构简图如图2 2 所示。 重庆大学硕士学位论文2 电除尘器概述 6 7 图2 2 电除尘器结构简图 f i g u r e 2 2t h es t r u c t u r a ls k e t c ho fe p 1 、大粱2 、侧墙3 、进气烟箱4 、灰斗 5 、底粱丘、出气烟箱7 、立柱 z 3 3 ) 电除尘器重要结构的功能介绍 电除尘器的电源控制装置的功能，是根据烟气和粉尘的性质，随时调整供给 电除尘器的最高电压，使之能够保持平均电压稍低于即将发生火花放电的电压( 即 伴有一定火花放电的电压) 下运行。 电除尘器壳体可分为两部分，一部分是承受电除尘器全部结构重量及外部附 加载荷的框架，另一部分是用以将外部空气隔开，独立形成一个电除尘环境的墙 板，即除尘器的外壳必须保证严密，减少漏风，壳体的材料要根据所处理的烟气 温度及性质来选择。壳体不仅要有足够的刚度、强度及严密性，而且要考虑工作 环境下的耐腐蚀性和稳定性，同时结合选材、制造、运输和安装等要使壳体结构 具有良好的工艺性和经济性。因为运行前后，电除尘器各构件受热要发生变形， 所以电除尘器壳体下部的支座不能都与基础固定，而是只有一点固定，其余各点 采用各种结构型式的活动支座，使其沿指示方向滑动。 表2 3 电除尘器壳体材料 f i g u r e 2 3s h e n sm a t e r i a lo f e p 烟气性质壳体材料 常温无腐蚀性气体 钢板 高温气体( 4 0 0 0 c )钢板( 加保温) 、耐热混凝土 腐蚀性气体砖( 耐相应的腐蚀性) 硫酸雾铅版 磷酸雾不锈钢板 重庆大学硕士学位论文2 电除尘器概述 进、出风口：即进气风口和出气风口两部分。进风口是烟道与电场之间的过 渡段。烟气经过进风口要完成进气烟道的小管道截面到电场大截面的扩散，为了 达到在整个电场截面上气流分布的均匀，在进风口中装有两层以上的分布板，同 时最好还要有对温度、湿度、流速、动静压以及含尘浓度等进行测定的测孔。出 风口是已经净化过的烟气由电场到出气烟道的过渡段。这里对气流分布的要求比 较低，只须注意不要因为烟气流速的急剧变化对电场内的气流分布造成大的影响 就可以了。 灰斗：是把从电极上落下来的粉尘进行集中，经排灰装置送到其它输送装置 中去。一般灰斗为四棱台状或棱柱状，灰斗壁要有足够的坡度( 一般应大于5 5 。) ； 四棱台状灰斗多采用星排灰阀顺序定时排灰，棱柱状灰斗多采用链式输送机连续 排灰。电除尘器的灰斗事故较多，特别是定时排灰的灰斗，往往由于灰斗积灰过 满造成电晕极接地，连续排灰的灰斗积灰太少或斗壁密封不严会使空气泄入，引 起二次扬尘。所以灰斗的设计、制造和安装应予以足够的重视。 台架：台架起到支撑整个电除尘器上部结构的作用。它是用若干根圆管通过 球铰链的形式与地基相连。设计时考虑的因素除了应力大小之外，还要判断其稳 定性。当然需要结构合理，选材适当，方便施工，节省投资。 一般大型电除尘器都是直接设在户外的，因而要具有抗风雨的能力，所以有些 情况下在除尘器的顶部架设顶棚。 电除尘器的设计参数是由本体设备要求、电气设备要求、仪表和控制要求、刚 体结构要求、技术性能要求、质量保证及考核实验等很多相关因素所组成，在本 文中将电除尘器本体的结构设计作为重点考虑。 1 0 重庆大学硕士学位论文 32 9 6 m 2 电除尘器结构方案设计计算 32 9 6 m 2 电除尘器结构方案设计计算 3 1 结构分析和有限元原理 结构分析是有限元强度计算的基础。任何工程结构机器的构件，都是 根据其功能而设计的，要求形状尺寸都是确定的。然而如果完全按照其形 状处理，往往极其复杂而且很难实现分析求解，并且在大量实际问题中也 没有此必要。在决定采用有限元法分析计算构件的应力、应变时，必须对 其实际形状、功能和使用情况进行详细的分析。在对该结构特点和构件的 安装情况、使用条件、受力状态和各种因素进行清楚的分析之后，才能根 据“忠实于结构、忠实于工况”的原则，进行合理的简化，得到其计算模型。 比如在大多数机器构件的棱边都进行倒圆以防止误伤，以及仅为定位而设 计的凸缘或小冲孔，在构件的实际工作中，不承担任何载荷，并且也不影 响承担荷载部分。因而，在建立三维有限元实体模型时，类似这些不重要 的结构，我们将会以规则的几何形状线来代替其真实形状或者填充，以减 少模型规模。 电除尘器由于其体积庞大，结构复杂，传统的设计方法是在对其结构 进行较大的简化后利用材料力学作简单的校核计算，因此往往造成基础参 数和安全系数选择较大，构件尺寸参数确定具有很大的盲目性和保守性， 以至于消耗材料过多，成本增加。电除尘器虽作为一种订单式生产，其结 构设计需要按照用户提出的要求完成，但因其系统构成和总体结构相似， 所以完全可以采用类比方法，形成初步设计方案，运用现代设计理论，完 成最终设计这一步骤进行。这里我们选择使用三维有限元强度计算方法来 进行设计，下面简单介绍有限元原理。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，也称为有限单元法或有限 元素法，它的基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相 互连接在一起的单元的组合体。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起 来的一种现代计算方法。或者可以这样了解：把物理结构分割成不同大小、 不同类型的区域，这些区域就称为单元。根据不同分析学科，推导出每一 个单元的作用力方程，组集成整个结构的系统方程，最后求解该系统方程， 就是有限元。 有限元法主要是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是 工程方法和数学方法相结合的产物，可以求解许多过去用解析方法无法求 解的问题，它对于解决复杂几何结构和边界问题更具优势，而且结果更接 重庆大学硕士学位论文 32 9 6 m 2 电除尘器结构方案设计计算 近真实情况。它能准确地反映计算对象的实际受力情况，在设计中节约材 料，使结构更合理，确保部件( 特别使高速运动部件) 的安全性，是一种 先进的方法。 f e m 经过二十多年的发展，作为一种结构分析技术来讲，未来的发展 主要是在各工程领域中的应用，提高并完善有限元法的技术基础。随着计 算机辅助设计( c a d ) 在工程设计中日益广泛的应用。有限元程序已成为 c a d 常用的计算方法库中不可缺少的内容之一。f e m 不仅能作为现代设 计方法有限元优化c a d 集成系统的一个重要组成部分，而且能作为 常规设计的重要辅助手段以及代替经验设计后的实测验证。它之所以能达 到上述要求，最根本的原因在于它有充分的可靠性和正确性，其可靠性在 于它的计算模型忠于实际结构、尺寸、工况及载荷、材料性质和边界条件 等，其准确性在于计算过程全部程序化，减少了人工误差，计算精度较高。 因而有限元法一经提出，便获得迅速发展，从航天航空扩展到土木、水利、 造船和机械工程，从结 构分析扩展到流体力 学、热传导阻及磁场等 各种领域。 下面对f e m 的完 成步骤给出了具体的 介绍： ( 1 ) 连续体的离散 化；( 2 ) 选择位移模型； ( 3 ) 用变分原理推导单 元刚度矩阵：刚度矩阵 k 、节点矢量f 和节点 位移矢量q 的平衡关系 表示为线性代数方程 组：k q = f ；( 4 ) 整合整个 离散化连续体的代数 方程，既把各个单元的 刚度矩阵集合成整个 连续体的刚度矩阵，把 图3 1 有限元分析流程图 f i g u r e 3 1t h ef l o wc h a r to ff e a 各个单元的节点力矢量集合为总的力和载荷矢量；( 5 ) 求解位移矢量；( 6 ) 由节点位移计算出单元的应变和应力。 重庆大学硕士学位论文 32 9 6 m 2 电除尘器结构方案设计计算 在实际工作中，上述f e a 分析只是在计算机软件处理中的步骤( f e a 程 序) ，要完成工程分析，还需要更多的前处理和后处理，完整的有限元分析 流程图如图3 1 所示： 3 22 9 6 m 2 电除尘器的初步结构设计 电除尘器的结构已经进行了详细的说明，下面我们就针对各个组成部 分壳体、进出风口、灰斗等进行完整的有限元分析计算、改进。在这 里主要是应用类比法得到模型。 因为对电除尘器产品进行全面合理的设计，有一定难度。电除尘器是 根据用户提出的烟气量、工况条件和排放要求设计的，一般没有定型产品， 只是本体部分的内部结构采用模块化设计。 类比法是根据条件相同的许多电除尘器的运行经验，通过1 8 0 m 2 电除 尘器在实际应用中的良好情况得到近似工况下的2 9 6 m 2 电除尘器的模型。 采用类比法应对原型电除尘器作全面了解，不仅要对设备及运行条件进行 调查，还要掌握在一定工况下该电除尘器的运行的情况。所以采用类比法 需要解决以下两个问题：一是如何判别原始工况的相似程度；二是找到相 似工况的电除尘器后，如何进一步引伸推断出新的电除尘器。 在本文中，首先确定2 9 6 m 2 电除尘器和1 8 0 m 2 电除尘器工况相似，且 二者总体结构基本类似；其次根据2 9 6 m 2 电除尘器和18 0 m 2 电除尘器各个 组成部分在一定受力情况下的截面模量之比，得到新模型各组成部分的截 面模量；最后在手册中即可得到我们所需的构件选型。这样就得到了最初 的模型，对其进行有限元分析，随后可对它改进、优化。 表3 12 9 6 m 2 电除尘器模型的初步构件选型 f i g u r e 3 1t h ef i r s tc h o i c eo fc o m p o n e n t so f2 9 6 m 2e - p 部件序号构件名称构件型号 1上下槽钢3 2 b 圈2 封板 ，m r l l 粱3支撑板2 0 m m 4 支撑槽钢 3 2 a 5h 型钢6 0 0 * 2 0 0 6 封板 ，1 1 2 m 窄 7角钢横筋7 5 + 7 5 + 8 重庆大学硕士学位论文 32 9 6 m 2 电除尘器结构方案设计计算 一 且8钢板横筋1 3 m m 柱9顶板 2 0 r a m 1 0底板2 0 r a m 1 1 h 型钢 6 0 0 * 2 0 0 1 2封板 宽 13 角钢横筋 7 5 + 7 5 + 8 立 1 4钢板横筋l3 i t i r i l 柱 1 5 顶板2 0 m m 1 6底板2 0 r a m 1 7顶板1 1 m m 18 底板 1 1 m m 窄 1 9腹板9 r a m 大 2 0 角钢 7 5 + 7 5 + 8 粱 2 1槽钢2 0 2 2端封板6 m m 2 3 顶板 l l l l a m 2 4 底板 ll i 1 1 宽 2 5腹板9 r a m 大 2 6 角钢 7 5 + 7 5 + 8 粱 2 7 槽钢 2 0 2 8端封板6 r a m 简 2 9 槽钢 3 2 a 易 3 0h 型钢 6 0 0 * 2 0 0 立 3 1 顶板 2 0 r a m 柱3 2底板2 0 m m 3 3角钢横筋7 5 + 7 5 + 8 侧 3 4钢板 封 3 5第一层( 最上层) 槽钢横筋3 2 a 板 3 6第二、三、四层槽钢横筋1 0 a 如表3 1 ，得到了2 9 6 m 2 电除尘器的初步的结构之后，就开始进行有 限元的分析了。 1 4 重庆大学硕士学位论文 32 9 6 m 2 电除尘器结构方案设计计算 3 3 壳体的计算分析 3 3 1 概况 电除尘器的壳体属于大型框架结 构。它具有以下特点：结构庞大。 工况复杂，承受的载荷除了本身较 大的自重外，还承受风载、活载( 人 载、雪载、灰载) 和工作负压等。 内外温差较大等。电除尘器壳体支撑 着电除尘器的全部内容，是电除尘器 最重要的部分，所以在结构分析中， 电除尘器壳体的结构分析就成了最 重要的部分。 壳体位于台架之上，主要由圈梁、 立柱和大梁构成( 图3 2 ) 。灰斗连接 在圈梁下面，进、出风口连接在窄立 柱和简易立柱之间。下面对各个部分 进行详细的分析计算。图3 2 壳体示意图 f i g u r e 3 2s k e t c hm a po fs h e l l 3 3 2 圈梁 圈梁的结构主要是由上下槽钢、封板、支撑板和支撑槽钢( 图3 3 ) 构 成的。其中上下槽钢、封板构成骨架，支撑板和支撑槽钢立在上下槽钢之 图3 3 圈梁 f i g u r e 3 3c i r c l eg i r d e r 1 5 重庆大学硕士学位论文 32 9 6 m 2 电除尘器结构方案设计计算 各部分进行详细的分析计算。 3 3 3 立柱 立柱焊接在圈 梁上，有窄立柱、 宽立柱和简易立 柱三种类型。窄立 柱( 图3 4 ) 和宽 立柱( 同窄立柱) 由h 型钢、角钢横 筋、钢板横筋、顶 板和底板组成；简 易立柱( 图3 5 ) 由h 型钢和槽钢组 成。进、出风口分 别连接在窄立柱 和简易立柱之间。 3 3 4 大梁图3 , 4 窄立柱 图3 5 简易立柱 大梁分为窄 f i g