基于脉动压力时均值的除尘器气液耦合研究

第36卷第8期煤 炭 学 报Vol.36　No.8 2011年8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug.　2011　 文章编号:0253-9993(2011)08-1412-05基于脉动压力时均值的除尘器气液耦合研究李小川1,2,胡亚非1,蒋炎炎1,熊建军1(1.中国矿业大学化工学院,江苏徐州　221008;2.煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室,江苏徐州　221008)摘　要:以节流型自激式水幕除尘器为研究对象,通过紊流状况下除尘器脉动压力时均值的测量,对除尘器内部气-液耦合状况进行了研究,得出了接触腔的高度直接影响除尘器气-水两相耦合程度进而影响除尘器除尘效果,接触腔合适高度为300mm ;接触腔压力沿流线方向逐渐降低,随着节流强度α值增大接触腔中压力整体下降,漩涡区的涡强也随之增大;随α值变化气-水耦合形式主要表现为水流增加节流阻力㊁激发除尘水滴㊁改变气流流向以及3种形式共同作用,对于400mm×300mm (宽×高)的除尘器,当α值在250/300~235/300时为3种形式共同作用,具有较好的除尘效果㊂关键词:气液耦合;节流型自激式水幕除尘;时均压力;节流强度中图分类号:TD714.45 文献标志码:A收稿日期:2010-11-06 责任编辑:许书阁 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2007AA05Z339) 作者简介:李小川(1984 ),男,四川大英人,博士研究生㊂E-mail:xiaochuanli2008@Study of gas⁃liquid coupling in dust separator based ontime⁃averaged value of pulsatile pressureLI Xiao⁃chuan 1,2,HU Ya⁃fei 1,JIANG Yan⁃yan 1,XIONG Jian⁃jun 1(1.School of Chemical Engineering and Technology ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou 221008,China ;2.Key Laboratory of Coal Process⁃ing and Efficient Utilization ,Ministry of Education ,Xuzhou 221008,China )Abstract :Study object is the throttle⁃type self⁃excitation dust collection.Through the measurement of time⁃averaged value of pulsatile pressure on turbulence flow,gas⁃liquid coupling status in dust separator was studied.The primary conclusions are made as follows:the dedusting effect is influenced by the height of the catch⁃cavity because the gas⁃liquid coupling status is changed with the height of the catch⁃cavity.And the suitable height of catch⁃cavity is 300mm.Pressure of catch⁃cavity reduce gradually along with the direction of flown line.As the throttle strength value αaggrandizing,the whole pressure value of catch⁃cavity drops,and the vortex intensity produced in whirlpool area is also reduced.As the changing of αvalue,the water injected in the catch⁃cavity will influence the gas⁃liquid coupling of catch⁃cavity.There are several influence formats which are increasing throttle resistance,exciting dust removal drip,transferring the airflow direction and the interaction of all.If it has the size of 400mm×300mm,the dust collection has the third influence format and with good dedusting effect when the αvalue between 250/300~235/300.Key words :gas⁃liquid coupling;throttle⁃type self⁃excitation dust collecting;time⁃averaged pressure value;throttlestrength 在煤炭开采㊁洗选㊁利用等环节产生大量粉尘,并有工序多㊁尘源分散㊁粉尘分散度高等特点,严重威胁到安全生产和操作人员的身体健康[1-5]㊂一些早期科研工作者以选煤系统和煤矿掘进工作面为背景,对湿式除尘技术的除尘机理㊁除尘效率等进行了相关研究和应用探讨[6-8]㊂近年来,科研工作者在气-液两相流的理论与工程实践方面取得了不少研究成果,包括气-液两相流气含率㊁流型判定㊁流量测定㊁绕流压第8期李小川等:基于脉动压力时均值的除尘器气液耦合研究降特性㊁气-液两相流的影响因素㊁数值模拟等[9-15],然而除尘器内部气-液耦合状况等并未得到深入研究㊂笔者以节流型自激式水幕除尘器为对象,通过测量紊流状况下除尘器脉动压力时均值,对其内部气-液耦合状况进行研究,以期更深入地了解该类除尘器的特性㊂1　除尘器原理及压力脉动特性节流型自激式水幕除尘器结构原理如图1所示,含尘气流在通风机吸力作用下经进气口进入除尘器,气流经节流引导装置加速后在节流口对倾斜流道中自由流动的除尘水流形成冲击,产生高速运动的除尘水滴,大量水滴以一定角度向接触腔运动形成除尘水幕,捕捉固相粉尘,最后洁净气体经排气口排出[16]㊂图1　节流型自激式水幕除尘器结构Fig.1　Structure chart of the dust separator1.1　压力脉动特性除尘器内部气流处于紊流状态,在理想状况下,高速紊流气流与水流连续均匀的对流,随着补给水的流入,除尘水位置势能具有阶跃特性,即当气流对水流的冲击力正好等于水的位能时最高处的水流微粒处于平衡状态,只有当水位能增加到一定程度后这种平衡才被打破,水微粒克服气流冲击,迅速溃流到下游,此时流失的水多于处于平衡状态后增加的水量,气流的冲力大于水流压力,气流开始蓄势,水重新增加,此时除尘器内部压力可简化为周期性脉动压力,即p 1=2A (ft -[ft ])-A(1)式中,A 为振幅;方括号为高斯函数;f 为频率,Hz;t 为时间,s㊂另外,由于电力波动㊁风机运行不稳定和外流场干扰等带入压力随机波动,记为p 2㊂因此,除尘器的脉动压力可表示为周期性脉动压力和随机波动之和,即f (p )=p 1+p 2(2) 在较短时间内,周期性脉动是对除尘器内部压力的主要影响因数,在充分避免干扰的情况下,电力波动等随机波动在较长时间内变化趋势才较为明显,由此,通过对d t 时间内连续测量的压力值进行积分并取其时间平均,即可得到表征此段时间的时均压力值,即p -=[∫tf (p )d t ]/t =p -1+[∫tp 2d t ]/t(3)1.2　节流强度节流强度α是节流口加速含尘气流能力的度量,用节流引导装置始端水平高度B 与末端水平高度b 表示,即α=(B -b )/B(4)2　实验方案及数据实验1:两台横截面积相同,截面尺寸分别为(宽×高)400mm×300mm(定义为I 号)和200mm×600mm(定义为II 号)的除尘器,设定适当的除尘风机运行频率,实时测量不同α值时除尘器流量㊁压力损耗,并观察水幕效果,结果见表1㊂表1　不同节流强度条件下除尘器水幕效果㊁风机流量和压力损耗Table 1　Water screen impression ,flow rate and press expense of dust separator on different throttle strength condition横截面节流强度/(mm㊃mm -1)入口风速/(m㊃s -1)流量/(m 3㊃h -1)压阻/Pa 水幕效果270/3004.311861.92851水滴细小且较少,幕状流动限于接触腔中下部I 号250/3004.932129.76734水幕较好的充满接触腔,气㊁水接触充分220/3005.492371.68680水滴减少,流线清晰,幕状流动明显减弱200/3006.082626.56632水滴产生较少570/6002.531092.961190水滴细小且较少,幕状流动限于接触腔下部II 号550/6003.941702.08843幕状流动限于接触腔中下部,气㊁水分层520/6004.762056.32721水滴减少,流线清晰,幕状流动限于较小区域500/6005.132216.16703水滴进一步减少,幕状流动限于较小区域 实验2:在空气介质和气-水介质条件下,对I 号除尘器接触腔内部压力分布进行测量,接触腔压力测3141煤 炭 学 报2011年第36卷孔布置如图2所示,试验结果如图3㊁4所示㊂图2　除尘器压力测孔布置位置Fig.2　Installing place of pressure sensor3　结果分析与讨论3.1　接触腔高度对气-水耦合程度的影响由表1可得,随着α值减小,除尘器流量增加,阻力降低,气-水耦合程度先增加后降低(接触腔中水幕到达的高度先升高后降低),当α减小到一定值后,气流对来流基本不产生冲击作用,气-水为单相耦合㊂不同除尘器气-水耦合最佳程度的α值不同,当I 号除尘器α=250/300时水幕较好的充满接触腔顶部,气㊁水充分耦合,当II 号除尘器α=550/600时水幕达到最佳状态,但幕状流动仅限于接触腔中下部,气-水单相耦合㊂相比II 号,I 号除尘器在同一板高条件下流量较大㊁阻力较小㊂由此可知,接触腔高度直接影响除尘器气-水两相耦合程度进而影响除尘器除尘效果,接触腔高度很低时,除尘器处理量受到限制;接触腔高度很高时,水图3　不同α值和不同介质的压力对比Fig.3　Pressure comparison on different αvalues and different medium conditions幕不能到达接触腔上部,大量含尘气流绕开水幕排出,部分粉尘无法捕捉;只有接触腔高度合适(约300mm)才能使水幕到达接触腔上部,气-水充分耦合,且达到较大处理量和较小阻力㊂3.2　除尘器内部气-水耦合规律及影响因素除尘器内部介质性质㊁节流强度等都不同程度地影响着除尘器内部气-水耦合规律,对这些规律的研究有利于更深入地了解除尘器的特性㊂3.2.1　除尘腔内部压力分布规律实验2得到的不同α值下接触腔各点压力分布如图3所示,不同介质下接触腔压力随α值变化如图4所示㊂对同一α值接触腔在空气介质和气-水介质的压力分布趋势相似,压力分别在点2㊁5㊁8有极小值,在3㊁7点有极大值㊂接触腔中压力具有递变趋势,5㊁6㊁7点压力有逐渐升高的趋势,1㊁2㊁3㊁4点压力有逐渐降低的趋势,但在2点压力明显偏低于趋势线㊂部分点在两种不同介质下有较大偏离,对空气介质,随着α值增大各点压力都有所升高但变化较为平缓;气-水介质各点压力变化不同,当α较小时各点压力变化趋势与空气介质时接近,随着α值增大,1㊁2㊁9点压力升高,5点降低,4㊁6㊁7㊁8点先降低后有微弱上升趋势,3点先升高后降低,且随着α值增大,5㊁6及3㊁4㊁7㊁8㊁9点压力分别先后降到空气介质时压力以下,5点随着α值增大压力变化幅度最大㊂3.2.2　节流强度对接触腔中压力分布的影响由空气介质条件下接触腔中压力随α变化情况可以看出,节流强度直接影响接触腔中压力分布㊂由图4(a)可以看出,随着α值减小,接触腔中各点的压力都升高,主要原因是节流引导装置的节流阻力降4141第8期李小川等:基于脉动压力时均值的除尘器气液耦合研究图4　各点压力随α值变化情况Fig.4　Pressure change αvalue低,除尘风机负载阻力下降㊂除5㊁9点外,各点压力p (Pa)与α近似呈线性关系,可表示为p =-kB (1-α)(5)式中,k 为比例系数㊂同一流线上的各点压力有升高趋势的原因可由伯努利方程解释,即p a ρg +v 2a2g =p b ρg +v 2b 2g(6)其中,p a ㊁p b 和v a ㊁v b 分别为流线上a ㊁b 两点的压力(Pa)和流速(m /s)㊂当a 点取节流口时,压力最小,速度最大,且随着α的增大,压力增大,速度降低,沿流线前进,b 点位于容积较大的接触腔,由此流体质点速度降低,压力升高㊂对于2㊁5㊁9点压力明显高于附近其它点,可从除尘腔结构方面考虑为这3点分别由于不连续过渡和结构死区造成的气流漩涡,涡强为Г=v 2/2r(7)其中,v 为气体质点流速,m /s;r 为质点离涡流核心区的距离,m㊂将式(7)代入式(6),可得,离涡流核心区越远,压力越大,反之越远㊂因此当α越小,相同r 值处v 和Г值较大,该处压力相对较低,反之较高㊂3.2.3　介质变化对接触腔中压力分布的影响接触腔的压力分布在气-水介质条件下较空气介质下有明显的变化㊂当α=270/300时,各点负压都有较大升高,但压力整体趋势较空气介质时变化不大,主要原因是α值较小时节流引导装置本身的节流阻力较大,当在接触腔中加入水时,沿倾斜流道下流的水流对气流的阻碍作用非常明显,极大的增加节流阻力,造成接触腔中负压整体较高;同时气流流量降低,造成对水的冲击力较小,激起水滴也较少,对接触腔中的流动状态影响较小㊂随α值不断增大,接触腔内压力受水介质影响先减弱后增强㊂当α=250/300和235/300时,各点负压向空气介质时靠近,并有个别点压力低于空气介质时的压力,主要原因是随着α值增大节流阻力变小,相比节流阻力降低水流对气流的阻碍作用对接触腔压力的影响减弱;同时气流流量升高,对水流的冲击作用增强,激起水滴增多,接触腔中有环量Г增大,局部压力(点4㊁5㊁6)降低幅度增强㊂当α=220/300时,2㊁3㊁4㊁8㊁9点压力进一步接近空气介质时,由此说明节流阻力减小对接触腔压力变化的影响削弱,而5㊁6㊁7点压力进一步降低,说明水流对接触腔压力影响增强㊂另外由于接触腔中激起水滴较少,说明气流对倾斜板上流动的水流冲击时动能传递较少,而更多的是水流对气流的变向作用,从而使5点气流速度较大,Г较大㊂以上现象说明气-水耦合形式表现为:当α较大时,水主要增加节流阻力来影响接触腔中的压力场;当α较小时,水流只起改变气流流向作用来影响接触腔压力场;当α在以上两者之间时,水流主要以改变气流流向和激起水滴来影响流场㊂因此只有当α值取合适时,才能保证气-水耦合良好,达到较好的除尘效果,即产生相当数量的水滴又一定程度上改变气流流向㊂4　结 论(1)得出了接触腔的高度直接影响除尘器气-水两相耦合程度进而影响除尘器除尘效果,高度过高水滴较多分布在接触腔下部,气-水耦合程度低,除尘效率不高,接触腔最佳高度为300mm㊂(2)随着节流强度α值增大接触腔中压力整体下降,接触腔压力沿流线方向逐渐降低,压力与节流强度近似呈线性关系,接触腔结构的不连续过渡和结构死区将产生漩涡,漩涡强度随α值增大而增大㊂(3)随α值变化气-水耦合表现为4种形式:增加节流阻力㊁激发除尘水滴㊁改变气流流向与3种形式共同作用,对于400mm×300mm 的除尘器,当α值在250/300~235/300时为3种形式共同作用,即产生相当数量高速运动的水滴,又一定程度上改变气流流向,达到较好的除尘效果㊂参考文献:[1]　刘　建,姚海飞,魏传光,等.掘进工作面湿式离心除尘器的结5141煤 炭 学 报2011年第36卷构优化及数值模拟[J].煤炭学报,2010,35(3):424-428.Liu Jian,Yao Haifei,Wei Chuanguang,et al.The structural optimiza⁃tion and numerical simulation of wet centrifugal precipitator at work⁃ing face of diving airway[J].Journal of China Coal Society,2010,35(3):424-428.[2]　姚国芳,李　勇,王广胜.煤矿巷道掘进的综合降尘与防尘[J].煤炭技术,2009,28(12):95-97.Yao Guofang,Li Yong,Wang Guangsheng.Integrated dust fall and dust proof of roadway excavation in coal mine[J].Coal Technology, 2009,28(12):95-97.[3]　Tasneem Abbasi,Abbasi S A.Dust explosions⁃cases,causes,conse⁃quences,and control[J].Journal of Hazardous Materials,2007,140: 7-44.[4]　Petavratzi E,Kingman S,Lowndes 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