陶瓷过滤器脉冲喷吹清灰系统动态模型-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:针对在使用刚性陶瓷过滤器时难以解决其脉冲喷吹清灰的问题,利用气体动力学和流体瞬变理论建立了脉冲喷吹系统内气体流动的动态仿真模型,从而解决了由于实际管路内气体为非稳态流动而按稳态方法分析其流场会产生较大误差的问题。将由模型计算出的喷吹气体质量流量与热线风速仪的测定结果进行了对比,确定出脉冲阀的时间特性参数。利用该模型分析了储气罐容积、管线长度、喷嘴直径等参数对喷吹气体流动特性的影响。结果表明,该模型可用于分析脉冲喷吹系统的结构参数和流动参数对喷吹清灰性能的影响,且此模型的建立对气体过滤器脉冲喷吹系统的优化设计具有参考价值。
关键词:陶瓷过滤器;脉冲喷吹;清灰系统;瞬态流;动态模型;优化设计
中图分类号:O 354 ,TQ 051.85　　　文献标识码:A
引　言
刚性陶瓷过滤器可以除去5μm以上的颗粒,过滤效率可达99.9%以上。因此,刚性陶瓷过滤器广泛应用在洁净煤燃烧联合循环发电和环境污染控制等行业[1]。但是,陶瓷过滤器的脉冲反吹清灰问题很难解决。脉冲反吹过程中喷吹气体的流动过程比较复杂,常采用经验方法设计气体过滤器脉冲反吹系统。Pitt[2]将由储气罐到脉冲反吹喷嘴管线中的气体流动假定为一维稳态流动,采用气体动力学方法进行计算及对系统进行改进设计。Lu等[3]则利用喷射泵分析方法建立了稳态模型。由于实际管路内气体为非稳态流动,因此按稳态方法分析此问题会产生很大误差。作者曾用热线风速仪测定喷吹过程中滤管内外的瞬态速度场[4,5]。笔者利用气体动力学和流体瞬变理论建立脉冲喷吹系统的动态仿真模型,用来计算不同时间时的喷吹气体质量流量以及分析喷吹系统的结构参数和操作参数对喷吹清灰性能的影响。
1　脉冲喷吹系统的动态模型


1.1　储气罐内气体压力与排出气体质量的关系
由于整个脉冲反吹过程持续时间较短(仅为几秒钟),因此可将储气罐的排气过程看作刚性容器的绝热放气过程。依据变质量系统的热力学原理[6],得到下列方程:

1.2　喷嘴与脉冲阀的气体质量流量的关系
由气体动力学中关于气体流过节流小孔的流动过程可知,气体通过阀门或孔口的质量流量计算分为以下两种情况[6]:


式中,v为气体沿管道轴向x的速度,m/s;z为管线距基准线的高度,m;A为管道截面积,m²;h为气体焓,J/kg;θ为管线与水平面的夹角,rad;f为管内壁的摩擦系数;q为管线与环境的换热量,J/kg;T0为环境温度,K;K为管壁的总传热系数,W/(m²·K);Cp为定压比热,J/(kg·K)。
在流体管路动态特性分析中,运用中心隐式差分法求解式(6) ~ (8)。管线1的上游边界条件为式(1) ~ (3),下游边界条件为脉冲阀的质量流量计算式。管线2的上游边界条件为脉冲阀的质量流量计算式,下游边界条件为喷嘴的质量流量计算式。
2　脉冲阀特性参数的确定
利用过程仿真原理对模型进行计算,通过假设脉冲阀参数,然后将所得的计算结果与实验测量结果进行对比,确定模型中脉冲阀的特性参数tup,t0,tdown及dne。
在实验过程中用压电式压力传感器测量喷嘴出口截面的压力波形,进而计算得出气体密度变化规律。然后利用热线风速仪测量喷嘴出口截面各径向位置的瞬态速度随时间的变化,通过对速度波形进行数值积分可得到喷吹过程中质量流量.m随时间的变化曲线[8]。利用仿真方法对所建立的动态模型进行计算,并与实验测定的质量流量曲线进行比较,进而确定脉冲阀的时间特性参数。图3,4给出了管线1,2的内径均为25 mm,长度分别为1.0和2.1m,V为0.0302 m³,喷嘴直径为6 mm时计算出的喷吹气体质量流量与实验测量值。由图可以看出,二者吻合较好,尤其是对脉冲反吹清灰效率具有重要影响的质量流量上升速率和质量流量最大值比较理想,说明了所建立的动态模型的正确性。


图5给出了喷嘴喉部直径不同时气体质量流量随时间的变化。若喷吹气体质量流量的上升速率快、峰值高,则滤管内压力波形上升速率和峰值也会随之增加。上升越快,峰值越大,清灰效果越好。由图中看出,随着喷嘴直径的增大,喷吹气体质量流量上升速率增加,最大质量流量也同时增加。但由图中给出的所对应的喷吹气体耗量计算值Δm可知,随着喷嘴直径的增加,喷吹气体耗量也随之增加。这说明喷嘴喉部直径存在一最佳值。
储气罐容积对气体质量流量的影响如图6所示。由图6可以看出,当储气罐容积较小时,由于喷吹开始后,罐内气体压力迅速降低而影响排气速度,因此最大质量流量值较小。随着罐容积的增加,最大质量流量也逐渐增加。当罐容积从0.0302 m³增加10倍达到0.3 m³时,最大质量流量增加很小。故对于dn为6mm的喷嘴,罐容积V为0.0302 m³即可。V过小不能满足喷吹要求,V过大会增加气体耗量,因此,对于一定的喷嘴直径和脉冲宽度,储气罐容积存在一个最佳值。尤其是当脉冲宽度大时,罐容积过大会增加喷吹气体耗量。
图7给出了L2不同时喷吹气体质量流量随时间的变化。由图7看出,管线短,气体质量流量上升速率大,峰值大,喷吹效果好;而当管线长时,在喷吹开始阶段,管线的作用类似于缓冲罐,从而使得喷嘴排气速率降低,排气时间增加。因此在设计脉冲喷嘴系统时,应尽量减小连接管线长度。

4　结束语
利用气体动力学和流体瞬变理论初步建立了陶瓷过滤器脉冲喷吹清灰系统的动态仿真模型,并计算出了脉冲阀的动态特性参数。对于给定的脉冲反吹系统,利用动态模型可以确定喷嘴直径和储气罐容积的最佳值,而储气罐与脉冲阀以及脉冲阀与喷嘴之间的连接管线应尽可能短。脉冲阀的开关特性时间参数对脉冲反吹系统的性能具有重要影响,今后应对各种脉冲阀的动态特性进行深入研究,以进一步完善脉冲喷吹系统的动态模型。

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