基于fluent软件的旋风除尘器优化设计.doc

I 47 摘要摘要 旋风除尘器是一种重要的气 固分离设备 因为其结构简单 设备紧凑 制造容易 成 本相对较低等优点 被广泛应用于矿山 化工 能源 环保 冶金 建材等众多工业领域 然而往往因其结构设计不正确 尺寸匹配不合理等因素限制了除尘效率的提高 并且能耗很 大 当前 随着经济增长及国家对环境保护日益重视 工业生产中 迫切需要一种高效率低 能耗的新型旋风除尘器 为此 本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善 通用性差及其 内部三维流场规律认识不全面等问题 采用优化设计和数值模拟相结合的研究方法 考察分 析了不同情况下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒浓度 不同排气管插入深度 不同进气口形 状 不同直管长度等操作与结构参数对分离性能的影响 采用Fluent软件进行数值模拟 基 于上述的数值模拟结果 有效地预测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优 化设计方法的可行性 从而为今后旋风除尘器的研制提供了一种通用的设计方法 因此本文 的研究无论是在工程应用 还是在理论研究方面上都具有十分重要的价值 关键词 旋风除尘器 优化设计 数值模拟 Fluent ABSTRACT Cyclone separator is an important gas solid separation equipment which has many advantages such as simple structure compact equipment easy to manufacture relatively low cost and so on So it has been widely applied in the mining chemical industry energy source environmental protection metallurgy building materials and the other industrial fields However because of unreasonable structure design and size matchingfactors which restrict the efficiency improving besides it wastes more energy consumption At present with the rapid growth of the economy and paying more attention to environmental protection people urgently need to research a new type cyclone separator that has much higher separation efficiency and lower consumption Therefore in view of the unperfect separation model and the weak prevalence of the traditional design method In addition people can t understand accurately the separation theories of cyclone separator Using numerical simulation and optimal design combination of research methods For example different inlet particle concentration different insert depth and inlet shape diffIerent vertical tube length of cyclone separator Going on the 3D flow field numerical simulation with Fluent based on theresults of 3D flow field numerical simulation prove the rationality of the size match and the feasibility of the design optimization and propose auniversal design method for the future provision of cyclone separator Therefore it has significant application value in the engineering application and theoretical research Key words Cyclone separator Optimization design Numerical simulation Fluent III 47 目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 论文研究的目的 1 1 2 论文研究方法及内容 1 第二章第二章 旋风除尘器的分离理论与性能分析旋风除尘器的分离理论与性能分析 3 2 1 旋风除尘器的工作过程 3 2 2 旋风除尘器内部的旋流 4 2 3 旋风除尘器的分离理论 5 2 4 旋风除尘器的性能评价指标 8 2 5 影响除尘器的性能的因素 10 第三章第三章 CFD 原理原理 15 3 1 CFD 简介 15 3 2 常用 CFD 软件 15 3 3 CFD 理论基础 16 3 4 常用离散化方法 17 3 5 CFD 中的三维湍流模型 18 3 6 CFD 求解过程 18 第四章第四章 STAIRMAND 型旋风除尘器的流场模拟型旋风除尘器的流场模拟 20 4 1 STAIRMAND型旋风除尘器结构尺寸的确定 20 4 2 FLUENT 流畅模拟 21 第五章第五章 OC 型旋风除尘器的结构设计及流场模拟型旋风除尘器的结构设计及流场模拟 27 5 1 改进思想 27 5 2 改进措施 27 5 3 OC 型旋风除尘器的除尘机理 30 5 4 OC 型结构设计 31 5 5 OC 型旋风除尘器流场模拟 34 第六章第六章 结论与展望结论与展望 40 6 1 课题结论 40 6 2 课题展望 40 致谢致谢 43 1 47 第一章 绪论 旋风除尘器自从应用于工业生产以来 已将近有百余年的历史 但是因为其结构设计尺 寸不合理等因素限制了除尘效率的提高 并且能耗很大 当前 因为国民经济的不断增长 国家提出了 节能减排 战略 在工业生产中 迫切需要研制高效率低能耗的新型旋风除尘器 为此 本文针对旋风除尘器传统设计方法不够完善 通用性差及其内部三维流场规律认识不 全面等问题 采用优化设计和数值模拟优化相结合的研究方法 首先基于经典的Leith Licht 边界层分离理论 建立了旋风除尘器优化设计数学模型 通过经验公式得出了设计工况下的 结构尺寸 然后以优化出的旋风除尘器为研究对象 通过商业软件FLUENT 对其内部气相 流场进行了数值模拟 对旋风除尘器内部的固相颗粒进行了数值模拟研究 考察分析了不同 情况下的颗粒运动轨迹及不同入口颗粒直径等对分离性能的影响 最后 基于上述的数值模 拟结果 有效地预测了优化型旋风除尘器结构尺寸匹配的合理性及提出的优化设计方法的可 行性 本文的研究无论是在工程应用 还是在理论研究方面上都具有十分重要的价值 1 1 论文研究的目的 随着工业的迅猛发展 操作条件变的更为苛刻 工作环境变得更为复杂 对旋风除尘器 性能的要求也在一直提高 一方面要求旋风除尘器具有更高的分离效率 另一方面要求旋风 除尘器的压力损失进一步减小 以降低能耗 所以 迫切需要研制出高效能且低能耗的新型 旋风除尘器 通常是采用具有针对性地开发新结构或优化各部分尺寸的方法 来减少不利因 素的影响 以达到高效除尘的目的 但由于旋风除尘器的分离捕集过程是一种极为复杂的三 维 气 固湍流运动 致使给理论与试验研究造成很大困难 至今仍无法全面掌握其内部流 场的分离规律 更不能从理论上建立一套完整的数学模型来指导旋风除尘器的设计工作 从 而使得旋风除尘器在除尘过程中往往因结构设计不当 尺寸匹配不合理 能耗较高等问题影 响旋风除尘器的除尘效果 希望本文的研究能为今后在旋风除尘器的优化设计和分离特性研究等方面 提供一些有 意义的参考和理论指导 1 2 论文研究方法及内容 本课题以旋风除尘器为研究对象 采用理论分析 优化设计 数值模拟及对比验证的研 究方法 从结构尺寸优化和内部三维强旋转流场数值模拟两方面来进行深入的研究与分析 为此 主要展开以下的研究工作 1 针对目前旋风除尘器结构设计中存在的问题 引入优化设计思想 通过变量的选取 目标函数及约束条件的确定 建立优化设计数学模型 2 以优化出的旋风除尘器为研究对象 利用CFD商业软件FLUENT对其进行三维流场 的数值模拟研究 并建立一套适合旋风除尘器内部流场模拟的数值计算方法 3 在三维气固两相流场的基础上 重点考察分析入口颗粒浓度参数对旋风除尘器分离 性能的影响 4 通过对优化型旋风除尘器的数值模拟研究 进一步考察分析优化型旋风除尘器的 分离性能及提出的优化设计方法的可行性 本文总的研究分析路线按图1 2 1 展开 对旋风除尘器分离机理及评价性能指 标进行理论分析及研究 对旋风除尘器结构尺寸进行优化设计 研究 对优化型旋风除尘器三维流场进行数 值模拟研究 进一步考察分析优化型旋风除尘器的 分离性能及优化设计方法的可行性 对优化型旋风除尘器的分离性能 进行初步分析 进一步揭示旋风除尘器内部流体 的运动规律及分离特性 图 1 1 理论研究的步骤 3 47 第二章 旋风除尘器的分离理论与性能分析 2 1 旋风除尘器的工作过程 旋风除尘器主要由筒体 圆锥体 进气管 排气管和排灰管等五部分组成 旋风除尘器 的工作过程是 图2 1 1 进气口 2 排气口 3 筒体 4 旋流 5 锥体 6 排灰管 当含尘气流从进气口以较高的切向速度 一般为12 25m s 进入旋风除尘器圆筒部分后 气流将由直线运动变为圆周运动 并沿内外圆筒间的环路空间和锥体部位做自上而下的螺旋 线运动 称外旋流 含尘气流在旋转过程中产生很大的离心力 由于尘粒的惯性远大于空气 因此密度大于 空气的尘粒会被甩向器壁 尘粒一旦与器壁接触 碰撞 便失去惯性力而靠入口速度的动量 和重力沿壁面下落 与气体分离 最后经锥体底部排入灰斗内 旋转下降的外旋气流在圆锥 部分运动时 随圆锥形体的收缩向除尘器中心靠拢 根据 旋转矩 不变原理 其切向速度不 断提高 尘粒所受离心力也不断加强 当气流到达圆锥体某一位置时 便以同样的旋转方向 形成一股由下而上的螺旋线运动 称内旋流 最后净化的气体经排气管排出 一部分未被捕 集的尘粒也由此逃逸 旋风除尘器内的实际气流运动是非常复杂的 除了切向和轴向运动外 还有径向运动 如在外旋流有少量气体沿径向运动到中心区域 在内旋流也存在着离心的径 向运动现象 图2 2 旋风除尘器实图 2 2 旋风除尘器内部的旋流 根据旋风除尘器的工作过程 除尘器内部的气体流动可以看成是一个旋涡运动 其内部 的气 固两相流运动是非常复杂的 含尘气流在旋风除尘器内作旋转运动时 任何一流体质 点的速度矢量均可分解为三个速度分量 即切向速度 径向速度 轴向速度 2 iVrV zV 对粉尘颗粒捕集分离起主导作用的速度分量是切向速度 径向速度 前者产生径向加iVrV 速度 使粉尘颗粒在半径方向具有由里向外的离心沉降速度 使得颗粒与圆筒壁而被rVi 2 分离 后者是把粉尘颗粒在半径方向由外向里推到中心涡流 而后随上升流从排气管逃逸 这是旋风除尘器内流场中三个速度分量中的一对主要矛盾 称为主流 另外 径向速度K与 轴向速度也构成一对矛盾 也影响着除尘器的除尘效率 称为次流 除了上面描述的主流与 次流 还有不少我们不需要的涡流 它们对旋风除尘器的除尘效率和压力损失影响较大 主 要有以下几种 1 短路涡流 在旋风除尘器顶盖 排气管外壁与简体内壁之间 由于径向速度与轴向速度的存在 将 形成局部上涡流 夹带着相当数量的粉尘颗粒向中心流动 并沿着排气管外表面下降 最后 随上升流逃逸排气管 从而降低除尘效率 5 47 2 外旋流中的局部涡流 由于除尘器壁面的不光滑 如突起 焊缝等 可产生与主流方向垂直的涡流 尽管强度 较小 但这种涡流会使已被甩到壁面的颗粒重新卷到内旋流中去 甚至可使较大的尘粒也被 带出排气管 降低了旋风除尘器的分离能力和除尘效率 3 纵向旋涡流 纵向旋涡流是以旋风除尘器内 外旋流分界面为中心的器内再循环而形成的纵向流动 由于排气管内的有效流通横截面积小于排气管下端口的有效横截面积 因此在排气管下端口 处产生 节流 效应 从而使气体对大颗粒的拖曳力超过颗粒所受的离心力 造成 短路 进 而影响分离性能 4 底部夹带涡流 外层旋流在锥体底部向上返转时 也可以产生局部涡流将粉尘颗粒重新卷起 形成二次 夹带 底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20 30 因此 采用合理的结构设 计 以此来减少底部夹带是改善旋风除尘器除尘效率的重要方面 2 3 旋风除尘器的分离理论 1 转圈理论 2 转圈理论也可以称为沉降分离理论 是在类比重力沉降室的沉降原理的基础上发展起来 的 图2 3为重力沉降示意图 图 2 3 重力沉降示意图 在沉降室中 粉尘在自身重力作用下以速度向下沉降 同时粉尘又以水平速度向 gV 0V 前移动 只要沉降室有足够的长度 则粉尘颗粒就能在到达沉降室出口前 沉降到底板而L 被分离 即沉降室的长度三与尘粒在沉降室内的沉降高度应满足下列关系式 h 0 2 gV h t 0V L 1 式中 尘粒在沉降室内停留时间 单位 s t 旋风除尘器也有径向向外的离心沉降速度 也有旋转切向速度 如果旋转圈数足够多 即展开后的长度相当于水平沉降室的长度 则粉尘就能从排气管外壁与圆筒内壁间的环形L 空间被分离 依据转圈理论 把进入除尘器内的气流假定为等流速 速度分布指数 而0 n 尘粒随气体以恒定的切向速度 与位置变化无关 由 内向外克服气流对它的阻力 穿过整个 气流宽度 流经一个最大的净水平距离 最后到达器壁被分离 忽略颗粒间的相互作用及边 界层的效应 则计算出的临界粒径为 100d 2 2 3 9 0 0 100 pipi s DNV RDR NV L d 式中 临界粒径 m 气流总高度 m 100dLs 气体粘度 m s 旋风除尘器筒体直径 m 0D 切向速度 m s p 粉尘颗粒密度 kg m3 iV 气体密度 kg m3 气体平均旋转半径 m R 气体旋转圈数 N 由于该理论只适用于圆柱段部分 而实际气流旋转要延伸至锥体底部 因此该理论与实 际偏差较大 2 筛分理论 2 筛分理论又称平衡轨道理论 是一个更为简化的分离模型 其分离机理是 假想在旋风 除尘器的排气管下方有一柱面 含尘气流做旋转运动时 在该假想面上的尘粒在径向方向上 同时受到方向相反的两种力 即有旋涡流产生的离心力FZ 使尘粒向外移动 又有汇流产生 的向心阻力w使尘粒向内漂移 离心力的大小与粉尘颗粒的直径有关 直径越大离心力越大 因而必定存在一临界粒径dc 使得FZ W 从而使尘粒受力平衡 凡粉尘粒径d dc者 向外 推移的力FZ大于向内飘逸的力W 结果被推移到除尘器外壁而被分离出来 相反 凡粒径 d dc的粉尘颗粒则被带到上升流的核心部分 随着内涡旋排出除尘器 由于各种原因的存 在 平衡状态将随时被破坏 如果上述两种情况出现的概率相等 即尘粒有50 的可能性被 捕集分离 也有50 的可能性进入内涡旋而逃逸 此时粉尘颗粒的分离效率为50 通常 7 47 把分离效率为50 的分割粒径用d50表示 粒径为dp的粉尘颗粒所受的离心力W为 2 2 23 6 2 r Vd F iPP z 3 径向向心阻力W可用斯托克斯公式表示 W 3 VR2dp 2 4 在内 外涡旋的交界面上有Fz W 即 2 cr icP dV r Vd 2 2 3 6 2 23 5 则分割粒径dc50为 2 2 2 50 2 2 18 ip r c V rV d 6 式中 p 尘颗粒密度 kg m3 气体粘度Pa s r2 交界面半径 m Vi2 交界面处气流的切向速度 m s Vr2 交界面处气流的径向速度 m s dc50 分割粒径 m 筛分理论虽然考虑了汇流的存在 弥补了转圈理论的缺点 但在计算汇流速度时视为等 速 这与实际情况有一定误差 所以该理论也具有一定的局限性 3 边界层分离理论 筛分理论没有考虑紊流扩散等影响 而这种影响对于细粉尘颗粒是不容忽视的 上世纪 七十年代 Leith和Licht类比静电除尘器的分离机理提出了紊流横向混掺模型 认为在旋风 除尘器的任一横截面上颗粒浓度的分布是均匀的 而在靠近圆筒壁处的分界层内是层流运动 只要颗粒在离心力作用下进入此边界层内就可以被捕集分离下来 这就是边界层分离理论 2 由于边界层分离理论考虑了旋风除尘器的几何结构尺寸对除尘性能的影响 2 4 旋风除尘器的性能评价指标 1 除尘效率 除尘效率包括总除尘效率和分级除尘效率 对于一般除尘器总除尘效率足以说明除尘器 的除尘性能 但在粉尘颗粒密度一定的情况下 除尘效率的高低与颗粒大小和分散度有密切 的关系 一般说 粒径越大 除尘效率也越高 除尘效率指含尘气流通过旋风除尘器时 在同一时间内被捕集的粉尘量与进入除尘器的 总粉尘量之比 也称总效率 除尘效率是旋风除尘器的重要技术指标 旋风除尘器的总效率可表示为 100 2 2 1 S S 7 式中 S1 旋风除尘器进进口处的粉尘质量 kg S2 旋风除尘器出口处的粉尘质量 kg 总效率作为衡量除尘器的性能指标受到很大的局限性 它受颗粒直径大小的影响很大 即使在同一除尘器 同一运行条件下 由于尘粒分散度的差异 其性能也有显著的差别 因 此 仅用总效率来说明除尘器的除尘性能是不全面的 要正确评价旋风除尘器的除尘效果时 往往需要引入另一评价指标 分级除尘效率 i 它是指某一粒径或某一粒径范围粉尘的除 尘效率 其能够较为客观的反映旋风除尘器对不同粒径尘粒的分离捕集性能 旋风除尘器的分级除尘效率可表示为 100 2 22 11 ii ii S g S g 8 式中 S1i S2i 旋风除尘器进口和出口处某一粒径的粉尘质量流量 kg s 9 47 g1i g2i 旋风除尘器进口和出口处某一粒径的粉尘质量分数 2 压力损失P 旋风除尘器的压力损失是评定除尘器性能的又一重要技术指标 同时也是衡量除尘设备 能耗大小的指标 其大小不仅与除尘器的种类和形体结构有关之外 还与处理气体通过时的 流速大小有关 旋风除尘器的压力损失主要包括以下几个方面组成 3 4 口管与排气管之间的静压能的损失 进口管的摩擦损失 气体在旋风除尘器中与器壁的摩擦所引起的能量损失 旋风除尘器内气体因旋转而产生的动能损耗 排气管内摩擦损失等 压力损失 P 应用旋风除尘器进 出口全压来表示 即 P Pq1 Pq2 2 9 而全压 P q由静压 PZ与动压 Pd之和求得 Pq Pz Pd 2 10 又因动压 Pd 则 2 2 V Pz1 Pz2 2 11 P 12 2 V22 2 V 式中 Pz1 Pz2 旋风除尘器进 出口静压 Pa 气体密度 kg m3 V1 旋风除尘器进口速度 m s V2 旋风除尘器出口速度 m s 在压力损失计算中 常引入一个流体阻力系数 因而可以将旋风除尘器压力损失P 表示为进气口气流动压的指数形式 即 P 2 12 V 2 2 i 式中 Vi 气流进口处的平均速度 m s 流体阻力系数 旋风除尘器的流体阻力系数 随着结构的不同而变化 相同结构形式的旋风除尘器可以 视为具有相同的流体阻力系数 一般来讲 旋风除尘器的流体阻力系数 是通过实验来测定 的 3 处理气体流量率为 Q 处理气体流量是表示除尘器在单位时间内所能处理气体能力大小的指标 一般用体积流 量表示124 实际运行的除尘器往往由于不严密而漏气 使得旋风除尘器的进出El气体流量 不一致 因此用两者的平均值作为处理气体流量 即 Q 2 13 12Q Q 2 式中 Q一处理气体流量 m3 s Q1一旋风除尘器进口气体流量 m3 s Q2一旋风除尘器出口气体流量 m3 s 在设计旋风除尘器时 其处理气体流量Q是指除尘器进口的气体流量Q1 在选择风机时 其处理气体流量对正压系统 风机在除尘器之前 是指除尘器进口的气体流量Q1 对负压系统 风机在除尘器之后 则是指除尘器出口气体流量Q2 2 5 影响除尘器的性能的因素 2 5 1 几何尺寸因素 影响除尘器性能的主要因素 5 如下 1 旋风除尘器的直径 D0 一般旋风除尘器的直径越小 气流旋转半径越小 粉尘颗粒所受离心力越大 旋风除尘 11 47 器的除尘效率也就越高 如果筒体直径过小 由于旋风除尘器器壁与排气管太近 造成较大 直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走 使除尘效率降低 另外 筒体太小容易引起堵塞 尤其是对于黏性物料 因此 一般筒体直径不宜小于 50 75mm 工程上常用的旋风除尘器 的直径一般是在 200mm 以上 如今 旋风除尘器的直径也日趋大型化 已出现大于 1000mm 的大型旋风除尘器 旋风除尘器在一定的几何形状和操作条件下 因直径的改变而引起除尘效率变化 可 以近似用下面方法进行修正 即将原给定的分级效率曲线的横坐标值 乘以比值 以后 按等效原则 进行平移 就可得到新的分级效率曲线 新旋风分离器直径 给定旋风分离器直径 2 旋风除尘器高度 H 通常 较高除尘效率的旋风除尘器 都有较大的长度比例 它不但使进入筒体的尘粒停 留时间增长 有利于颗粒分离 且能使尚未到达排气管中的颗粒 有更多的机会从旋流中分 离出来 减少二次夹带 足够长的旋风除尘器 还可以避免旋转气流对灰斗顶部的磨损 但 是过长的旋风除尘器 会占据较大的空间 尤其对于内置旋风除尘器来说 更受到设备内部 空间的限制 因此 提出了旋风除尘器自然长度 l 这一概念 即从排气管下端至旋风除尘器 自然旋转顶端的距离 2 14 3 1 2 0 3 2 ab D dle 式中 de为排气管直径 m De为筒体直径 m a b 分别为旋风除尘器进口的高度 宽度 m 在设计中 旋风除尘器的高度 H 应保证有足够的自然长度 但大于自然长度的过长旋 风除尘器显然是不经济的 3 旋风除尘器进口 1 进口形式 旋风除尘器的进口形式主要有轴向进口和切向进口两种 切向进口又分为螺旋面进口 渐开线进口 切向进口 切向进口为最普通的一种进口形式 制造简单 用得比较多 这种 进口形式的旋风除尘器外形尺寸紧凑 气流通过螺旋面进口 进入旋风除尘器后 以与水平 呈近似 10 的倾斜角度 向下做螺旋运动 采用这种进口有利于气流向下做倾斜的螺旋运动 同时也可以避免相邻两螺旋气流的相互干扰 渐开线进口可以减少进口气流对筒体内气流的撞击和干扰 由于从蜗壳形进口进入筒 体的气流宽度逐渐变窄 使颗粒向壁面移动的距离减小 而且加大了进口气体和排气管的距 离 从而有利于颗粒分离 与其它进口形式相比蜗壳形进口处理气流量大 压力损失小 是 比较理想的一种进口形式 轴向进口是最好的进口型式 它可以最大限度地避免进入气体与旋转气流之间的干扰 但因气体均匀分布于进口截面 使靠近中心处的颗粒分离效果很差 轴向进口常用于多管式 旋风除尘器 为使进口气体产生旋转 一般多在进口处设置各种形式的叶片 2 进口的形式与位置 进口截面可以为矩形和圆形两种形式 但由于圆形进口管与旋风除尘器器壁相切面积要 小于矩形进口的相切面积 故一般采用矩形进口 矩形宽度 b 和高度 a 的比例要适当 通常长而窄的进口管与器壁有着更大的接触面 在 一定进气量的前提下 宽度 b 越小 临界粒径越小 除尘效率越高 但过长而窄的进口也是 不利的 因为进口太长 为了要保持一定的气体旋转圈数 N 必须加长筒体 否则除尘效率 仍不能提高 进口的位置有两种方式 一种与旋风除尘器的顶盖相平 这有利于消除上旋流 另一种 与顶盖有一段距离 这可使细粉尘聚集在顶盖下面的上旋流中 这就增加了气流短路的机会 4 排气管 排气管有两种形式如图 如下 13 47 图 2 4 圆柱形排气管图 2 5 圆锥形排气管 在相同的排气管直径 de下 下端采用收缩形式 既不影响除尘效率 又可以降低阻力 损失 所以 在设计分离较细粉尘的旋风除尘器时 可以考虑设计成这种形式的排气管 在 一定范围内 排气管直径越小 则旋风除尘器的除尘效率越高 压力损失也越大 反之 除 尘器的效率越低 压力损失也越小 5 灰斗 灰斗是旋风除尘器设计中最容易被忽略的部分 一般都把它仅看作是排除粉尘的装置 在实际应用中 除尘器锥底处气流非常接近高湍流 而粉尘也正是由此排出 因此 二次扬 尘的机会也就更多 此外 旋流核心为负压 如果设计不当 造成灰斗漏气 就会使粉尘二 次飞扬加剧 严重影响除尘器效率 2 5 2 操作条件因素 1 进口气速 vj 在一定范围内 进口气速越高 除尘效率越高 进口气流速度 vj越大 临界粒径 dc100 越小 分离性能越好 但气流速度过高 粉尘微粒与器壁的摩擦就会加剧 粗颗粒粉碎变成 细颗粒 使细粉尘含量增加 此外 过高的气流速度 对具有凝聚性质的粉尘也会起分散作 用 这些对颗粒分离是不利的 气体通过旋风除尘器的压力损失和气体的进口速度的平方成正比 所以 进口气流速度 过大虽然会略微提高除尘效率 但压力损失却会急剧上升 其次 进口气速过大 也会加速 旋风除尘器本身的磨损 降低旋风除尘器的使用寿命 2 气体的密度 黏度 压力 p 温度 T 气体的密度对除尘效率的影响可以在临界粒径计算公式中得以体现 即气体密度越大 临界粒径越大 故除尘效率下降 但是 气体的密度和固体密度相比 特别是在低压下几乎 可以忽略 所以 其对分离效率的影响与固体密度相比较来说 可以忽略不计 通常温度越高 旋风除尘器压力损失越小 气体密度增加 压力损失也增加 黏度的影 响在计算压力损失时常忽略不计 但从临界粒径得计算公式中知道 临界粒径与黏度的平方 根成正比 所以分离效率随着气体得黏度得增加而降低 由于温度升高 气体黏度增加 当 进口气速等条件保持不变时 温度升高除尘效率略有下降 3 气体含尘浓度 旋风除尘器的除尘效率 随着粉尘浓度的增加而提高 这是因为含尘浓度大时 粉尘的 凝聚性能提高 使较小的尘粒凝聚在一起而被捕集 另外 在含尘浓度增大时 大颗粒对小 颗粒的撞击也使小颗粒有可能被捕集 但值得注意的是 含尘浓度增加后除尘效率虽有提高 可是排出气流的含尘绝对量也会大大增加 粉尘浓度对旋风除尘器的压力损失有影响 实践证明旋风除尘器处理含尘气体的压力损 失要比处理清洁空气时小 当进口浓度为 1 2g m3 标准状态下 时 压力损失可以降低到近 清洁气体的 60 浓度增大到 2 50 g m3 标准状态下 时 压力损失又迅速下降 2 5 3 固体粉尘的物理性质因素 1 固体颗粒直径 d 对旋风除尘器性能影响 较大粒径的颗粒在旋风除尘器中会产生较大的离心力 有利于分离 所以 在粉尘筛分 组成中 大颗粒所占有的百分数越大 总分离效率越高 2 颗粒密度 c对旋风除尘器性能的影响 粉尘单颗粒密度 c对分离效率有着重要影响 临界粒径计算式中 dc50或 dc100和颗粒密 度 k的平方根成反比 k越大 Dc50或 dc100越小 颗粒分离效率越高 影响旋风除尘器性能的因素 除上述外 分离器内壁粗糙度也会影响旋风除尘器的性能 浓缩在壁面附近的粉尘颗粒 可因粗糙的表面引起局部涡流 使一些粉尘微粒被抛入上升的 气流 进入排气管 降低了除尘效率 旋风除尘器轴心处具有很高的负压 所以此处的泄漏 程度对除尘效率有着一定的影响 在旋风除尘器设计时 应考虑排灰口的密封 另外 气体 的湿度过大将会引起粉尘黏壁 甚至堵塞 以致大大的降低旋风除尘器的性能 2 5 4 旋风除尘器的分类与典型结构 目前 工矿企业使用的旋风除尘器可以分为以下几类 1 按其性能分类 高效旋风除尘器 其筒体直径较小 用来分离较细的粉尘 除尘效率 在 95 以上 高流量旋风除尘器 筒体直径较大 由于处理很大的气体流量 其除尘效率 为 50 80 通用旋风除尘器 用于处理适当的中等气体流量 除尘效率为 80 95 2 按结构分类 长锥体旋风除尘器 圆筒体旋风除尘器 扩散式旋风除尘器 旁通式旋 风除尘器 3 按组合 安装分类 立式旋风除尘器 卧式旋风除尘器 单管旋风除尘器 多管旋风 15 47 除尘器 4 按气流导入情况分类 切向导入 轴向导入 切流反转式旋风除尘器是旋风除尘器最 常用的形式 除尘效率一般较高 由于受进口风道的限制 处理风量较小 轴流式旋风除尘 器利用导流叶片使气流在旋风除尘器内旋转 除尘效率比切流旋风除尘器低 但处理流量较 大 此外 人们对旋风除尘器的结构改进 以及内部的气流状态与固体颗粒的运动规律做过 大量的工作 取得了不少进展 研制出许多性能良好的典型旋风除尘器 如 XLT 型旋风 除尘器 XLT A 型旋风除尘器 D 型旋风除尘器 B 型旋风除尘器 E 型旋风除尘器 第三章第三章 CFD 原理原理 3 1 CFD 简介 CFD 6 7 Computational Fluid Dynamics 技术是在二十世纪七十年代 随着流体力学 数值分析及计算机技术等学科的发展 而逐渐兴起的一门针对流场模拟的数值仿真技术 其基本思想可归结为 把原来在时间域及空间域上连续的物理量 如速度 压力 温度 浓度 的场 用一系列有限个离散点上的变量值集合来代替 并按照一定的原则和方式建立 起关于这些离散变量之间关系的代数方程组 然后选择适当的模型加以封闭 最后通过电子 计算机求解这些代数方程组 得到流场中各物理量在离散点上的数值解 通过图像显示方法 观察流场内这些物理量的分布及随时间的变化规律 从而达到对物理问题研究的目的 CFD 特点及应用 CFD 方法与传统的理论分析方法 试验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性 各种影响因素清晰可见 是指导试验研究和 验证新的数值计算方法的理论基础 但是 它往往要求对计算进行抽象和简化 才有可能得 出理论解 对于线性情况 只有少数流动才能给出解析结果 试验测量方法所得到的试验结 果真实可信 它是理论分析和数值方法的基础 其重要性不容低估 然而 试验往往受到模 型尺寸 流场扰动 人身安全和测量精度的限制 有时可能很难通过试验方法得到结果 此 外 试验还会遇到经费投入 人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难 而 CFD 方法恰 好克服了理论分析和试验方法存在的弱点 选择适当的计算模型和边界条件在计算机上实现 特定数值计算 数值模拟可以形象地表现流动情景 与做试验没有什么区别 通过计算并将 其结果在屏幕上显示 就可以看到流场的各种细节 3 2 常用 CFD 软件 为了完成 CFD 计算 许多用户是自己编写计算程序 但由于 CFD 的复杂性及计算机 软硬件的多样性 使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性 而 CFD 本身又有鲜明的系统 性和规律性 因此 比较适合制成通用的商用软件 自 1981 年以来 出现了如 PHOENICS CFX STAR CD FIDIP FLUENT 等多个商用 CFD 软件 这些软件的显著 特点是 1 功能比较全面 适用性强 几乎可以求解工程界中的各种复杂问题 2 具有比较易用的前后处理系统和与其它 CAD 及 CFD 软件的接口能力 便于用 户快速完成造型 网格划分等工作 还可以让用户扩展自己的开发模块 3 具有比较完备的容错机制和操作界面 稳定性高 4 可在多种计算机 多种操作系统 包括并行环境下运行 随着计算机技术的快速发展 这些商用软件在工程界正在发挥着越来越大的作用 这里 我们使用 Fluent 软件来进行数值模拟 FLUENT 软件是由美国 FLUENT 公司于 1983 年推出的 CFD 软件 目前 FLUENT 软 件是功能最全面 适用性最广 国内使用最广泛的 CFD 软件之一 它是由 Fluent inc 利用 C 语言开发的一种适用于分析流体流动 热传导的模拟计算软件 FLUENT 的软件设计基于 CFD 计算机软件群的概念 针对每一种流动的物理问题的特点 采用适合于它的数值解法在 计算速度 稳定性和精度等各方面达到最佳 FLUENT 提供了非常灵活的网格特性 让用户 可以使用非结构网格 包括三角形 四边形 四面体 六面体网格来解决具有复杂外形的流 动 甚至可以用混合型非结构网络 FLUENT 使用 GAMBIT 作为前处理软件 它可读入多 种 CAD 软件的三位几何模型和多种 CAE 软件网格模型 同时 Fluent 软件推出多种优化的 模型 针对每一种物理问题的流动特点 有适合它的数值解法 在 FLUENT 中 计算过程和结 果分析可以通过交互式的用户界面来完成 FLUENT 求解的主要问题包括 可压缩与不可压缩流动问题 稳态和瞬态流动问题 无 黏流 层流及湍流问题 牛顿流体及非牛顿流体 对流热交换问题 导热与对流换热耦合问 题 辐射换热 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题 两相流问题 复杂表面形状下额 自由面流动问题 3 3 CFD 理论基础 旋风除尘器虽然结构简单 但其内部流动时及其复杂的三维 气 固两相旋转湍流运动 对其流场进行数值模拟就必然涉及到湍流模型的选择 从目前发表的文献来看 8 9 10 工程 应用中对旋风除尘器内复杂流场的数值模拟 基本上仍是基于求解Reynolds时均方程及关联 量输运方程的湍流模拟方法 即引入湍流模型 利用某些假设 将Reynolds时均方程或者湍 17 47 流特征量的输运方程中高阶的未知关联项用低阶关联项或者时均量来表达 从而使Reynolds 时均方程封闭 然后进行求解 1 湍流控制方程湍流控制方程 11 12 13 湍流基本控制方程组包括连续性方程 N S方程 雷诺应力方程 湍动能方程及耗散率 方程 假定旋风除尘器内进行的是一个等温 不可压缩流动过程 则旋风除尘器内部的气体 流动可以由下述不可压缩流体的连续方程和N S方程来描述 1 连续性方程 质量守恒方程 3 1 0 i i x u 2 N S 方程 动量守恒方程 3 j ij i j j i g jjj i jg xx u x u xx p x u u 2 式中 i j k 为常数 且 i j k 1 2 3 ug为气体粘滞系数 g为气体密度 p 为压 力 ij为雷诺应力相 N S 方程比较准确地描述了实际的流动 黏性流体的流动分析均可归结为对此方程的研 究 由于其形式复杂 实际上只有极少量情况可以求出精确解 故产生了通过数值求解的研 究 该方程也是计算流体力学计算的最基本方程 可以这么说 所有的流体流动问题 都是 围绕 N S 方程求解进行的 3 4 常用离散化方法 在对指定问题进行 CFD 计算之前 首先要将计算区域离散化 即对空间上连续的计算 区域进行划分 把它划分为许多子区域 并确定每个区域的节点生成网格 然后 将控制方 程在网格上离散 即将偏微分格式的控制方程转化为各个节点上的代数方程组 常用方法有 1 有限差分法 有限差分法是数值解法中最经典的方法 它是将求解区域划分为差分网格 用有限个网 格点代替 推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组 差分方程组的解就是微分方程 定解问题的数值近似解 这是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法 2 有限元法 有限元法与有限差分法都是广泛应用的流体动力学数值计算方法 有限元法是将一个连 续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元 并于各小单元分片构造插值函数 然后根据 极值原理 将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程 把总体的极值作为各单元极 值之和 即将局部单元总体合成 形成嵌入了指定边界条件的代数方程组 求解该方程组就 得到各节点上待求的函数值 3 有限体积法 有限体积法又称为控制体积法 基本思路是 将计算区域划分为网格 并使每个网格点 周围有一个互不重复的控制体积 将待解微分方程对每一个控制体积积分 从而得出一组离 散方程 通过加权余量法中的子域法和局部近似的离散法求解离散方程的解 3 5 CFD 中的三维湍流模型 流体试验表明 当 Re 数小于某一临界值时 流动是平滑的 相邻的流体层彼此有序地 流动 这种流动称层流 当 Re 数大于临界值时 会出现一系列复杂的变化 最终导致流动 特性的本质变化 流动呈无序的混乱状态 这时 即使边界条件保持不变 流动也是不稳定 的 速度等流动特性都随机变化 这种状态称为湍流 湍流流动是一种高度非线性的复杂流 动 但人们已经能够通过某些数值方法对湍流进行模拟 取得与实际比较吻合的结果 总体而言 目前的湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟和非直接数值模拟 所谓直 接数值模拟方法是直接求解瞬时湍流控制方程 而非直接数值模拟方法就是不直接计算湍流 的脉动特性 而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理 对于旋风除尘器内气相流场的 模拟 使用的比较多的模型主要有 标准模型 RNG 模型 RSM 模型 k k 标准模型是一半经验模型 主要基于紊流动能及紊流扩散率方程 因此 k 模型只适用于完全紊流状态气流的模拟 k 准准 RNG 模型是在标准模型的基础上发展起来的改进型模型 RNG 模型是 k k k 由理论推导出来而不是依靠经验来确定的 适用性比标准模型更强 它可以用于低雷 k 诺数流动的情况 甚至对层流的模拟也可以给出较好的模拟结果 RSM 模型相对于前两种模型包含了更多物理过程的影响 考虑了湍流各向异性的效应 所以能给出优于前两种模型的结果 但是 这一模型对工程应用尚过于复杂 对于三维问题 所用计算机的 CPU 时间太多 内存量要求较高 其次 模型中一些常数值不易规定 经验 19 47 系数较多 比较难确定 通过以上比较 Stairmand 型旋风除尘器的模拟选用 RNG 模 k 型 3 6 CFD 求解过程 CFD 求解过程 14 如图 3 1 所示 确立初始条件及边界条件 划分计算网格 生成计算节点 建立离散方程 离散初始条件和边界条件 求解离散方程 是否收敛 显示和输出计算结果 是 否 建立控制方程 给定求解控制参数 图 3 1 求解流程图 第四章第四章 Stairmand 型旋风除尘器的流场模拟型旋风除尘器的流场模拟 4 1 Stairmand 型旋风除尘器结构尺寸的确定 Stairmand 型旋风除尘器 15 是一种典型的高效旋风除尘器 这种旋风除尘器通常可以用 筒体直径 D 为比值的结构参数 无因次结构参数 来设计 由于 Stairmand 型 高效型 研究数 据比较完整和应用中的有效性 许多研究者把自己改进后的旋风器与其作性能对比 本研究主要通过对比模拟和试验来说明改进方案的正确性 这就需要选择一个公认的参 考对象作为参照物 在众多典型旋风器结构中以 Stairmand 型高效旋风除尘器最为关注 中 外研究者通常都以此为参考对象 将新型除尘器的性能参数与此旋风除尘器的性能参数做对 比分析比较 同时 Stairmand 型旋风除尘器存在的问题代表了一般旋风除尘器普遍存在的 问题 因此本文选择 Stairmand 型高效旋风除尘器为比较对象 通过模拟 Stairmand 型旋 风除尘器的内部流场分析实际存在的问题 为改进方案的提出做好准备 典型旋风除尘器各 部分的结构尺寸都存在一定的比例关系 Stairmand 型高效旋风除尘器各部分的比例关系如 下表 表 4 1 典型旋风除尘器结构比例 圆筒直径 D0D0排气管直径 de0 5D0圆锥高度 H h 2 5D0 进口宽度 b0 2D0排气管插入深度 hc0 5D0排灰口直径 D20 375D0 进口高度 a0 5D0圆筒高度 h1 5D0半锥角 14 由表中可以看出 筒体的直径是一个关键的尺寸 其它尺寸都与直径有关 显然 确定 合理的直径是非常重要的 本试验模型直径的选择主要鉴于以下几点 1 已有试验数据的利用性 可以充分利用前人试验数据与本文试验模拟数据做纵向 的比较 通过比较可以从多方面来说明本改进方案的可行性 因此 直径应尽可能选择与前 人相同的直径值 2 加工制造的可能性 本文不仅提出了新型改进方案 而且设计制造出改进型旋风 除尘器 因此 改进型旋风除尘器的加工制造问题是一个不可忽略的重要问题 旋风除尘器 是对气密性要求比较高的设备 如果设备在气密性方面存在问题 这就给试验带来不可避免 的负面影响 不能正确测定得到气流的速度 压力损失 如果存在严重的气密性问题 微小 21 47 的粉尘颗粒还有可能直接排离旋风除尘器 这就大大降低了除尘效率 同时 也不能准确的 测定除尘效率 由于以上原因 这就要求加工制造必须达到非常好的气密性 而解决这一问题的最好办 法就是选取标准的无缝管材 这样不仅解决了气密性问题同时也解决了筒体的圆柱度问题 提高加工精度也减少加工的难度 如果采用板材卷制加工不能保证旋风除尘器上筒体和排气 管的圆柱度 同时 也增加了加工的工时 3 制造费用 若是加工过程中采用标准的管材可以有效地降低材料和加工费用 给定的设计工况参数 处理烟气量 3000m3 h 烟气温度 320 含尘浓度为 185g m3烟 气 综合考虑以上各点实际存在的因素 确定筒体的最佳直径为 D0 465mm 根据下表 列 出的比例关系可以确定其它尺寸如下 单位 mm 表 4 2 旋风除尘器结构比例 圆筒直径 D0465排气管直径 de232圆锥高度 H h 1162 进口宽度 b93排气管插入深度 hc232排灰口直径 D2232 进口高度 a232圆筒高度 h698半锥角 15 4 2 FLUENT 流畅模拟 1 三维模型的建立与网格的划分 Gambit 软件是 FLUENT 软件前置处理软件 因此 Stairmand 型旋风除尘器三维模型 的建立及网格的划分通过 Gambit 软件即可完成 根据表 4 2 的结构数据值建立如图 4 1 Stairmand 型旋风除尘器 将整个除尘器分成 4 个体 分别画出六面体网格 进行网格划分 如图 4 2 所示 2 模拟条件的设定 1 模拟计算模型的选择 从现有发表文献看 对旋风除尘器内气相流场的模拟 使用较多的模型主要有 标准 k 模型 RNG k 模型 RSM 模型 标准 k 模型是一半经验模型 主要基于紊流动能及紊 流扩散率方程 因此 标准 k 模型只适用于完全紊流状态气流的模拟 RNG k 模型是在 Standard k 模型的基础上发展起来的改进型模型 RNG k 模型是由理论推导出来而不是 依靠经验来确定的 适用性比标准 k 模型更强 它可以用于低雷诺数流动的情况 甚至对 层流的模拟也可以给出较好的模拟结果 RSM 模型相对于前两种模型包含了更多物理过程 的影响 考虑了湍流各向异性的效应 所以能给出优于前两种模型的结果 但是 这一 图 4 1 Stairman 型除尘器结构图图 4 2 OC 型除尘器网格图 模型对工程应用尚过于复杂 对于三维问题所用计算机的 CPU 时间太多 内存量要求 较高 其次 模型中一些常数