CN109800479A - 褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，所述优化方法是以离散相颗粒模型作为黏性颗粒，经CFD模拟分析所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的内部空间，根据截留的黏性颗粒与所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的进口处追踪的黏性颗粒的数量百分比，确定经优化的所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的尺寸。本发明采用CFD商用软件中的DPM模型进行数值模拟的方法，对褶皱式黏性颗粒捕集分离装置进行前板角度、进口开孔率、出口开孔率的优化，并模拟计算出最优的进口流速，再通过实施例进行实验验证，得到了一个能够高效去除黏性颗粒的分离装置。该方法高效、周期短、费用低，且最优条件下装置对黏性颗粒的收集效率大于96％。

Description

褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法

技术领域

本发明涉及化工除尘领域，涉及CFD模拟技术，具体地说，是一种基于CFD 的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法。

背景技术

在化工生产、机械制造、涂装工业等生产过程中，特别是机械产品在喷涂油漆的过程中，经常会产生大量高黏性颗粒，这将直接对生产车间里的环境产生影响，不仅会污染车间及生产设备，而且还会对操作工人的身体健康造成一定影响，此外，还会影响废气处理设备的处理效率。

目前，常用的颗粒去除装置有重力除尘器、惯性除尘器、静电除尘器、旋风除尘器、袋式除尘器、湿式除尘器器等等。对高黏性颗粒来说，这些常用的颗粒去除装置除尘效率并不高。首先，高黏性颗粒因其黏性较大容易黏附在除尘装置内表面且不易清除；其次，高黏性颗粒会因相互碰撞而发生团聚效应，从而产生一些粒径较大的颗粒，这些大粒径颗粒会很容易导致设备的堵塞。因此，市场需要有针对高黏性颗粒的去除装置。

针对目前除尘设备的缺点，专门研究发明了一种捕集黏性颗粒的褶皱式分离装置，该装置针对高黏性颗粒有较高的去除效果，但仍需优化，以达到更高的颗粒去除率。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，它采用CFD模拟技术，能较快速的得到褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的各项最优参数，以及模拟出在何种工况下能够达到较高的颗粒去除率，从而实现方便、快捷、有效地去除高黏性颗粒，同时达到成本低廉的目的。

因此，为实现上述目的，本发明采取了以下技术方法。

提供一种褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，所述优化方法是以离散相颗粒模型作为黏性颗粒，经CFD模拟分析所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的内部空间，根据截留的黏性颗粒与所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的进口处追踪的黏性颗粒的数量百分比，确定经优化的所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的尺寸。

进一步，所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置包括由前板和后板组成的过滤组件，所述前板上设置多个作为入口的前板孔，所述后板上设置多个作为出口的后板孔；所述经过优化的所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的尺寸包括：所述前板上所述前板孔的前板孔率，以及，所述后板上所述后板孔的后板孔率。

进一步，所述前板具有由多条谷线和多条峰线组成的褶皱结构，所述经优化的所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的尺寸包括：所述谷线处的张角。

进一步，在CFD模拟分析中，将由具有一个前板孔的前板和具有一个后板孔的后板组成的过滤组件设定为一个子单元，对所述单元进行网格划分，网格质量大于等于0.1。

进一步，在CFD模拟分析中，进口流速范围为1m/s～18m/s。

进一步，所述优化方法包括以下步骤：

对褶皱式黏性颗粒捕集分离装置进行简化建模的步骤：将由具有一个前板孔的前板和具有一个后板孔的后板组成的过滤组件设定为一个子单元，对所述子单元进行网格划分，网格质量大于等于0.1；

CFD模拟所述子单元的内部空间的步骤：求解连续相的气体流动，并引入离散相颗粒模型作为黏性颗粒，定义黏性颗粒碰壁后即黏附，不考虑反弹，到达进、出口的黏性颗粒被认为逃逸而不进行跟踪计算；以及，

子单元的结构尺寸优化的步骤：将截留的黏性颗粒与所述子单元的进口处追踪的黏性颗粒的数量百分比定义为黏性颗粒去除率，则最优黏性颗粒去除率所对应的子单元的结构尺寸即为优化的子单元结构，所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置为多个所述子单元的集合；其中，优化的子单元结构的尺寸包括前板孔的前板孔率、后板孔的后板孔率。

进一步，构成所述子单元的所述前板和后板分别具有一条谷线和两条峰线，优化的子单元结构的尺寸还所述前板的谷线处的张角。

进一步，所述优化方法还包括以下步骤：

优化进口流速的步骤：CFD模拟优化的子单元结构的内部空间，模拟不同进口流速条件下黏性颗粒去除率，以确定进口流速范围为1m/s～18m/s。

进一步，在CFD模拟所述子单元的内部空间的步骤中，连续相的边界条件为：假定气体不可压缩，进口为速度入口，流速设为5m/s，出口设为压力出口，壁面静止无滑移、无热交换；以SIMPLEX算法求解连续相的气体流动，压力设为标准压力。

进一步，在对褶皱式黏性颗粒捕集分离装置进行简化建模的步骤中，构成所述子单元的所述前板和后板分别具有一条谷线和两条峰线；其中，所述前板的谷线与所述前板的峰线之间的距离为30mm；所述所述后板的谷线与所述后板的峰线之间的距离为60mm。

本发明褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法的积极效果是：

(1)无需搭建实际装置，优化周期短、操作效率高、节省成本。

(2)所使用的CFD模拟技术对实际装置的搭建具有很好的指导作用。

(3)优化后的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置对黏性颗粒有很好的去除效果，优化结果较为理想。

附图说明

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

图1是褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的结构示意图。

图2是图1A-A的剖面示意图。

图3是前板及前板孔的结构示意图

图4是后板及后板孔的结构示意图

图5是图3简化后的模型结构示意图。

图6是图5进一步简化的模型结构示意图。

图7a是图6的主视图。

图7b是图6的俯视图。

1、主体； 2、框架；

3、前板； 4、前板孔；

5、前板单元； 6、张角；

7、后板； 8、后板孔；

9、后板单元； 10、空腔；

11、谷线； 12、峰线。

具体实施方式

以下结合附图给出对本发明褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法的具体实施方式，但是需要指出：所述具体实施方式并不用于限定本发明的具体实施。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化均应列入本发明的保护范围。以下实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。实施例中所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

参见图1。本发明提供一种褶皱式黏性颗粒捕集分离装置，所述装置作为废气预处理设备，与风机和废气处理装置连接，所述装置设为一个正方形结构，其为边长1440mm、进气孔数为30×29个的结构件，其中间为一个主体1，其四周为框架2，所述框架2采用不锈钢材质制成不锈钢框架结构件，所述框架2用来固定所述主体1，所述主体1为纸板材料制成的结构件，采用纸板材料制备所述主体1比较实用，具有方便运输、储存、更换，造价低廉的优点。

参见图2。所述主体1包含前板3、后板7，所述前板3为纸板材料制成的结构件，所述后板7与所述前板3的材质设为相同，纸板可选取比较常见的瓦楞纸板，所述前板3、后板7均可折叠、拉伸。

参见图3。所述前板3具有由多条谷线11和多条峰线12组成的褶皱结构，所述前板3由若干个可折叠、拉伸的前板单元5构成，所述前板单元5设计成“V”字型结构，在所述前板单元5的折缝拉伸处设有若干个均匀分布的前板孔 4，所述前板孔4作为进气口，所述每个前板单元5的开孔位置是相同的；所述前板单元5的前板3是按一个张角66进行折缝拉伸的，所述主体1上的前板单元5的张角66是一致的。

参见图4。所述后板7具有由多条谷线11和多条峰线12组成的褶皱结构，所述后板7由若干个可折叠、拉伸的后板单元9构成，所述后板单元9设计成“V”字型结构，所述后板单元9与所述前板单元5一一对应，在所述后板单元 9的折缝拉伸处的一侧设有若干个均匀分布的后板孔8，所述后板孔8作为出气口，所述每个后板单元9的开孔位置也是相同的。

续见图2。复数个所述的前板单元5尺寸相同，复数个所述的后板单元9尺寸相同，所述前板单元5的长、宽尺寸小于所述后板单元9，所述后板单元9的两侧端部分别与所述前板单元5的两侧端部连接并形成空腔10结构，即，所述主体1由一连串的空腔10结构连接而成，所述后板单元9与所述前板单元5的连接为固定连接，可使用双面胶或胶水进行连接操作，所述主体1为复数个所述的空腔10连接而成的结构件，所述空腔10为“V”型空腔。值得一提的是，所述空腔10含有所述前板孔4、所述后板孔8，所述后板孔8与所述前板孔4 为一一对应，所述前板单元5与所述后板单元9的开孔率是相同的，即所述前板孔4与所述后板孔8可以设为个数相同、直径相等。

续见图2。需要说明的是，在本实施例中，所述前板孔4始终作为所述装置褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的进口，所述后板孔8始终作为所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的出口，所述主体1的工作原理是通过风机作用，载有黏性颗粒的废气气流从所述前板3的所述前板孔4进入到所述空腔10内部，气流有一个加速再减速的过程，气流中的黏性颗粒在自身惯性、黏性等综合作用下，所述空腔10的内壁面能够捕集大量黏性颗粒，净化后的空气气流从所述后板7 的所述后板孔8逃逸，所述主体1达到对黏性颗粒的去除效果。

针对以上所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置，提供一种褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，本发明的一个实施例包括以下步骤：压降计算；简化装置；建立装置模型；采用离散相颗粒模型即DPM模型进行数值模拟分析；最优进口流速模拟计算；多进口多出口装置模型模拟。以下对本发明一种优化褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的方法进行详细说明。

首先，进行压降计算。

P1、u1、z1为进口的压强、流速、中心点高度，P2、u2、z2为装置出口的 压强、流速、中心点高度，α为张角6。空气密度ρ＝1.29Kg/m³，忽略机械能损失， 则

由(1)，得

又u₁A₁＝u₂A₂ (3)

故

因此，只需确定进口、出口的直径、张角6α、进口处流速、进出口中心位置的高度差，即可得到进出口压降。此压降可作为出口的边界条件。

如，假定u1＝5m/s，d1/d2＝1，α＝120°，Δz＝50mm，则ΔP＝4.64Pa。

值得注意的是，在开始压降计算之前应先确定所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的迎面风速，即进口处流速u1，再计算压降。

接下来，建立装置模型。

建立装置模型首先需要进行装置简化，如图5所示，将所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置简化为一个进口和一个出口的装置，将这样简化后的单进口单出口装置视为一个子单元04，所述的简化装置的具体尺寸如下：L1＝30mm, L2＝60mm，模型高度H根据进出口大小和相对位置确定，如图7a、图7b所示。而未简化的所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置视为由单进口单出口单元组合而成。但是，由于在数值模拟过程中，只计算装置内表面及内部空间，装置外表面的存在会增加计算量以及影响计算结果，因此再次简化该装置，同时简化了模型进口，如图6所示。可以采用固定变量法进行模拟研究需要优化的参数，优化的参数及其范围是张角6为60°-150°、进口开孔率 7％-20％、出口开孔率7％-20％。

接下来，采用DPM模型进行数值模拟分析。

将简化后的模型导入网格划分工具中进行网格划分，再将划分好的网格模型文件导入数值模拟软件进行模拟计算，所述的网格模型有质量要求，网格质量差会导致模拟计算不收敛，网格质量需大于0.1，不小于0.3。

所述的模拟计算流程如下：首先求解连续相的气体流动，在此结果基础上，引入离散相颗粒模型，即DPM模型，一定质量的粒子按照一定的直径分布规律，以某种分布形式被喷射入分离器计算流域，一部分粒子因惯性直接与壁面碰撞，一部分粒子在随气流运动的过程中与壁面碰撞，还有一部分的粒子最终可能从出口逃逸而没有被截留；粒子与壁面发生碰撞后产生两种运动形式：一类粒子碰壁后即黏附在壁面上，另一类粒子碰壁后发生反弹并伴有动量衰减，然后再次碰壁反弹和动量衰减，直至最后黏附在壁面上或者流出漆雾分离器；黏附粒子的总和与喷入粒子之比即为漆雾分离效率；为了简化计算，假定粒子碰壁后即黏附，没有考虑反弹。

所述的模拟计算流程需满足两个边界条件，即连续相边界条件、离散相边界条件。

连续相边界条件如下：假定气体不可压缩；进口为速度入口，针对模型进行优化时，流速设为5m/s；出口设为压力出口；壁面静止无滑移、无热交换；选取SIMPLEX算法，压力设为Stardand。

离散相边界条件如下：黏性颗粒是有机混合物，密度约为2000kg/m3；进口处单位体积内粒子的浓度均匀分布；颗粒碰到壁面后被认为捕集，不考虑反弹；到达进口、出口的颗粒被认为逃逸，不再跟踪计算。

根据数值模拟分析结果显示，单进口单出口模型最优参数为：张角690°，进口开孔率11.45％，出口开孔率11.45％，此时最大黏性颗粒去除率为85.74％，其中所述的黏性颗粒去除率的评价方式为：模型截留的颗粒占模型进口处追踪的颗粒数的百分比。

接下来，在步骤(5)中，进行最优进口流速模拟计算。

建立最优参数条件下的单进口单出口模型，然后模拟不同进口风速条件下，装置模型对黏性颗粒的去除效果，其中计算流程以及边界条件(进口流速除外) 与上述相同。进口流速范围：1m/s-18m/s。根据数值模拟分析结果显示，单进口单出口模型的最优进口流速为7m/s。此时，黏性颗粒的模拟去除效果高达 96.38％。

最后，在步骤(6)中，进行多进口多出口装置模型模拟。

根据单进口单出口模型模拟结果，建立多进口多出口装置模型。在划分好模型网格后，对多进口多出口模型进行数值模拟，其中计算流程以及边界条件与和单进口单出口模型模拟计算时相同。根据数值模拟分析结果显示，此时黏性颗粒的模拟去除效果高达96.77％。

采用以上所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，无需搭建实际装置，优化周期短、效率高、节省成本，本实施例中，处理喷涂废气量为40000m ³/d，漆雾收集效率达99％，黏性颗粒去除率较高，优化结果较为理想；且所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置由于其材质为纸板，价格低廉，且运输、储存、更换均很方便，因此，所述的一种优化褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的方法、以及所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的推广，对保护环境、保障工作人员的健康、降低生产成本，均极具现实意义。

除上述实施例外，若以本发明装置所作的等同替换或变形的装置或方案，其产生的效用未能超出说明书与附图涵盖的范围时，均为本发明专利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，所述优化方法是以离散相颗粒模型作为黏性颗粒，经CFD模拟分析所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的内部空间，根据截留的黏性颗粒与所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的进口处追踪的黏性颗粒的数量百分比，确定经优化的所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的尺寸。

2.根据权利要求1所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置包括由前板和后板组成的过滤组件，所述前板上设置多个作为入口的前板孔，所述后板上设置多个作为出口的后板孔；所述经过优化的所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的尺寸包括：所述前板上所述前板孔的前板孔率，以及，所述后板上所述后板孔的后板孔率。

3.根据权利要求1所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，所述前板具有由多条谷线和多条峰线组成的褶皱结构，所述经优化的所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的尺寸包括：所述谷线处的张角。

4.根据权利要求2所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，在CFD模拟分析中，将由具有一个前板孔的前板和具有一个后板孔的后板组成的过滤组件设定为一个子单元，对所述子单元进行网格划分，网格质量大于等于0.1。

5.根据权利要求1所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，在CFD模拟分析中，进口流速范围为1m/s～18m/s。

6.根据权利要求1所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：

对褶皱式黏性颗粒捕集分离装置进行简化建模的步骤：将由具有一个前板孔的前板和具有一个后板孔的后板组成的过滤组件设定为一个子单元，对所述子单元进行网格划分，网格质量大于等于0.1；

CFD模拟所述子单元的内部空间的步骤：求解连续相的气体流动，并引入离散相颗粒模型作为黏性颗粒，定义黏性颗粒碰壁后即黏附，不考虑反弹，到达进、出口的黏性颗粒被认为逃逸而不进行跟踪计算；以及，

子单元的结构尺寸优化的步骤：将截留的黏性颗粒与所述子单元的进口处追踪的黏性颗粒的数量百分比定义为黏性颗粒去除率，则最优黏性颗粒去除率所对应的子单元的结构尺寸即为优化的子单元结构，所述褶皱式黏性颗粒捕集分离装置为多个所述子单元的集合；其中，优化的子单元结构的尺寸包括前板孔的前板孔率、后板孔的后板孔率。

7.根据权利要求6所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，构成所述子单元的所述前板和后板分别具有一条谷线和两条峰线，优化的子单元结构的尺寸还所述前板的谷线处的张角。

8.根据权利要求6所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，所述优化方法还包括以下步骤：

优化进口流速的步骤：CFD模拟优化的子单元结构的内部空间，模拟不同进口流速条件下黏性颗粒去除率，以确定进口流速范围为1m/s～18m/s。

9.根据权利要求6所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，在CFD模拟所述子单元的内部空间的步骤中，连续相的边界条件为：假定气体不可压缩，进口为速度入口，流速设为5m/s，出口设为压力出口，壁面静止无滑移、无热交换；以SIMPLEX算法求解连续相的气体流动，压力设为标准压力。

10.根据权利要求6所述的褶皱式黏性颗粒捕集分离装置的优化方法，其特征在于，在对褶皱式黏性颗粒捕集分离装置进行简化建模的步骤中，构成所述子单元的所述前板和后板分别具有一条谷线和两条峰线；其中，所述前板的谷线与所述前板的峰线之间的距离为30mm；所述所述后板的谷线与所述后板的峰线之间的距离为60mm。