袋式脈沖除塵器氣箱花板結構特性*

谷曉嬌，陳長征，谷艷玲，陸　鶴

(沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870)

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袋式脈沖除塵器氣箱花板結構特性*

谷曉嬌，陳長征，谷艷玲，陸鶴

(沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870)

為了提高袋式除塵器使用性能，消除除塵器花板在結構選擇方面的盲目性，基于有限元分析軟件ANSYS研究了方形陣列和三角形陣列兩種形式花板上的位移分布與應力分布情況.結果表明，在變形量方面，兩種結構的分布形式相同，但三角形陣列的變形量更小；在等效應力方面，三角形陣列所受最大應力比方形陣列小，但絕大多數區域方形陣列的等效應力更小.與方形陣列相比，三角形陣列不僅滿足了除塵器的設計需要，而且減少了鋼材的消耗，占地面積也更小，具有更好的經濟效益.

袋式除塵器；花板；方形陣列；三角形陣列；有限元；數值模擬；位移分布；應力分布

目前人類工業生產飛速發展，有害顆粒物的排出數量遠遠超出了環境的凈化能力，對生活環境和生態系統造成了嚴重的影響，平衡產業活動和環境保護之間的關系已經成為了一個社會問題[1].為了防止工業生產對大氣環境造成污染，我國制定了工業煙氣排放標準，一般工業廢氣在排放前需要經過除塵設備的處理才能排放到大氣中.袋式脈沖除塵器是應用最廣的除塵設備之一，它以濾布為過濾材料來達到分離有害物質的目的，具有處理風量大、占地面積小、凈化效率高、工作可靠、結構簡單及維修量小等特點[2].

與國外設計水平相比，我國在除塵器結構設計方面仍有一定差距，其中花板是袋式除塵器的一個重要組成部分，也是核心技術之一.確定花板孔間距是除塵器設計的主要內容，它與濾袋的長度、直徑、過濾速度及粉塵特性等因素有關[3].如果孔間距設置得太近，不僅會導致花板的局部負荷不足，也會造成濾袋間的碰撞磨擦，減少濾袋的使用壽命.但如果孔間距太大則會增加設備的尺寸和生產成本，影響設備的運輸、安裝且造成材料的浪費[4].根據濾袋的布置方式，花板有方形陣列和三角形陣列兩種結構，但目前在選擇上存在一定的盲目性.本文采用有限元法分析研究工作狀態下不同陣列方式的花板受力及變形情況，對花板結構形式的正確選擇具有重要意義.

1　除塵器花板結構設計

1.1負荷確定

本文以某玻璃爐窯廠工況為例，首先現場監測其粉塵排放情況，經過環保人員測量得到煙氣監測數據如表1所示.

表1　煙氣監測數據

負荷往往根據濾料及含塵氣體的濃度確定，通常用q表示[5].由表1可知氣體濃度小于4 g/m3，此時負荷的范圍為10～45 m3/(h·m2).煙氣溫度在200℃以上，屬于高溫煙氣范圍，濾袋材料選用耐高溫針刺過濾氈，這種濾料的負荷范圍在10～20 m3/(h·m2)之間，采用華羅庚優選法選取負荷值為20 m3/(h·m2).

1.2濾袋分布

根據表1的相關數據確定所需過濾面積為

(1)

式中：F為濾袋過濾面積；q為負荷；Q為含塵氣體流量.

為了檢修和更換便利，所采用的濾袋均為同一規格，即直徑和長度統一.濾袋的直徑一般在100～600 mm之間，常用的濾袋直徑范圍在200～300 mm之間[6].耐高溫針刺過濾氈的濾布規格選用直徑為200 mm的濾袋，濾袋的長度與除塵效率和壓力損失無關，根據實際空間要求選擇即可.由玻璃爐窯廠的實際工況確定濾袋長度為2.5 m，故所需的濾袋數量為

(2)

式中：D為濾袋直徑；L為濾袋長度.n的計算值為955.414 3，故取濾袋個數1 000，擬布置在10個除塵器中.濾袋的中心距一般是濾袋直徑的1.2～1.3倍，本工況濾袋長度適中，中心距選用1.2倍，即單個除塵器中的濾袋數量為100，濾袋中心距為250 mm.

2　除塵器花板結構建模

花板材料選用Q235，密度是7.8×103kg/m3，泊松比為0.28，彈性模量為210 GPa，抗拉強度450 MPa，厚度為6 mm，濾袋袋口直徑200 mm，布袋之間的中心距為250 mm，脈沖噴吹壓力為0.3 MPa.除塵器花板結構相對復雜，根據工況的特殊要求，花板配有濾袋、濾袋骨架及文氏管等其他結構[7]，但它們不承受載荷，因此要簡化處理.在濾袋袋口的陣列形式上有方形陣列和三角形陣列兩種，為了獲得更為合理的花板結構，對兩種陣列方式分別建模做進一步的分析研究，簡化后的幾何圖形結構如圖1所示(單位：mm).

圖1　花板的幾何結構

由于板上有很多小孔且孔口處還配有文氏管，結構荷載情況相對比較復雜，所以采用二次四面體單元進行自由網格劃分[8].網格劃分后的幾何模型如圖2所示，正方形排布和三角形排布兩種板形的有限元模型質量、節點和網格數如表2所示.

圖2　網絡劃分后幾何模型

類型質量/kg節點網格數方形陣列61.434134865265三角形陣列48.744123404697

3　載荷和約束分析

濾板固定于上箱體和下箱體之間，當除塵器處于工作狀態時，所承受的載荷包括袋籠的重力、袋子和它粘附顆粒的重力、除塵器作業過程形成的負壓以及濾板的重力.單個袋籠的重量為12 N，濾袋材料選用耐高溫針刺過濾氈，單個濾袋重量為30.5 N，粘附顆粒物的重量約為5 000 N，花板方形排布重量為614.34 N，三角形排布重量為487.44 N.除塵器處于脈沖噴吹狀態時，除了受到與工作狀態相同的載荷外還要受脈沖噴吹壓力的影響，此時花板所承受的載荷最大，故對處于該狀態下的花板進行受力分析，花板受荷載情況如表3所示.

4　靜態有限元分析

袋式除塵器在脈沖噴吹狀態下花板所承受的載荷最大，故噴吹狀態下的花板滿足設計要求至關重要[9].目前，花板位移變形量和所受應力是花板設計中的兩個重要參量，分別分析方形陣列及三角形陣列對這兩個參量的影響.

表3　花板噴吹載荷

4.1位移有限元分析

經過分析和計算得到了方形排布和三角形排布的變形量如圖3所示，花板的最大位移變形量如表4所示.從圖3和表4可以看出，除塵器方形陣列花板的最大位移量是1.987 mm，三角形花板陣列的最大位移量是1.492 mm.在除塵器工作狀態下，要求花板的最大變形量要小于花板長度的0.2%，因此兩種陣列均符合設計要求.

在方形陣列中，花板位移變形量具體分布如下：有4個布袋袋口位移變形量在1.766～1.987 mm之間；有8個布袋袋口位移變形量在1.545～1.766 mm之間；有4個布袋袋口位移變形量在1.325～1.545 mm之間；有8個布袋袋口位移變形量在1.104～1.325 mm之間；有8個布袋袋口位移變形量在0.883～1.104 mm之間；有16個布袋袋口位移變形量在0.662～0.883 mm之間；有16個布袋袋口位移變形量在0.442～0.662 mm之間；有4個布袋袋口位移變形量在0.221～0.442 mm之間；有36個布袋袋口位移變形量在0～0.221 mm之間.在三角形陣列中，花板位移變形量具體分布如下：有4個布袋袋口位移變形量在1.326～1.492 mm之間；有8個布袋袋口位移變形量在1.160～1.326 mm之間；有4個布袋袋口位移變形量在0.995～1.160 mm之間；有8個布袋袋口位移變形量在0.829～0.995 mm之間；有8個布袋袋口位移變形量在0.663～0.829 mm之間；有16個布袋袋口位移變形量在0.497～0.663 mm之間；有16個布袋袋口位移變形量在0.332～0.497 mm之間；有4個布袋袋口位移變形量在0.166～0.332 mm之間；有36個布袋袋口位移變形量在0～0.166 mm之間.

圖3　花板變形量分布

類型節點最大位移量mm允許變形量mm方形陣列 8101.9873.184三角形陣列61221.4922.984

由于脈沖噴吹壓力延軸向作用于花板的板面上，在相同的負載和約束情況下，兩種陣列方式花板的位移變形量分布情況基本相似.兩種陣列均是中間位移量最大，其中約有4%的布袋袋口處于最大位移處，位移量由大到小發散式向外圍分布，花板最外圍一周部分的變形量最小，且此部分所占面積最大，約有近40%的布袋袋口分布于這一區域內.但在位移量上，三角形陣列更具優勢，在相對應的位置上，方形陣列的變形量是三角形陣列的1.3～1.5倍.相同材質和工作條件下，三角形陣列的方式更有利于分散位移，安全系數更高.

4.2應力有限元分析

經過分析和計算得到方形排布和三角形排布的應力分布如圖4所示，花板所承受的最大應力如表5所示.從圖4和表5可以看出，方形陣列花板的最大當量壓力為303 MPa，三角形陣列花板的最大當量壓力為237 MPa.它們的最大等效壓力小于濾板材料壓力要求，因此符合設計要求.

圖4　花板應力分布

類型節點最大應力MPa應力極限MPa方形陣列4021303320三角形陣列11651237320

在方形陣列中，花板所受應力情況具體分布如下：有極少的布袋袋口所受等效應力在270～303 MPa之間；有2個布袋袋口所受等效應力在236～270 MPa之間；有4個布袋袋口所受等效應力在202～236 MPa之間；有4個布袋袋口所受等效應力在169～202 MPa之間；有6個布袋袋口所受等效應力在135～169 MPa之間；有24個布袋袋口所受等效應力在101～135 MPa之間；有20個布袋袋口所受等效應力在67.4～101 MPa之間；有8個布袋袋口所受等效應力在33.7～67.4 MPa之間；有32個布袋袋口所受等效應力在0～33.7 MPa之間.在三角形陣列中，花板所受應力情況具體分布如下：有極少的濾袋口局部區域所受等效應力在211～237 MPa之間；有2個布袋袋口所受等效應力在185～211 MPa之間；有4個布袋袋口所受等效應力在158～185 MPa之間；有4個布袋袋口所受等效應力在132～158 MPa之間；有6個布袋袋口所受等效應力在105～132 MPa之間；有34個布袋袋口所受等效應力在79.1～105 MPa之間；有40個布袋袋口所受等效應力在52.7～79.1 MPa之間；有7個布袋袋口所受等效應力在26.4～52.7 MPa之間；有3個布袋袋口所受等效應力在0～26.4 MPa之間.

在相同的負載和約束情況下，方形陣列花板大部分區域的等效應力在18.1～61.4 MPa之間，采用三角形陣列花板大部分區域的等效應力在52.7～105 MPa之間.產生這一現象的原因在于三角形陣列方式起到了平衡內應力的作用，使最大應力較小，故三角形排布花板的最大等效應力僅為正方形排布的四分之三.方形陣列的受力面積較大，故在絕大部分區域方形陣列的等效應力要比三角形陣列小.從最大應力考慮三角形陣列更優，從應力均勻分布方面考慮方形陣列更具優勢.

三角形陣列花板所用鋼材約為6.5 m2，方形陣列花板所用鋼材約為7.0 m2，在花板材料上三角形陣列可節約面積0.5 m2.由以上數值分析可知，三角形、方形兩種陣列形式花板的性能各有利弊，但三角形花板的優勢更明顯，在選擇花板結構時應優先考慮.

5　結　論

本文利用ANASYS有限元分析軟件對氣箱脈沖袋式除塵器方形陣列和三角線陣列兩種花板結構的位移分布及所受應力分別進行靜態有限元分析，得到了兩種陣列方式對除塵器花板性能的影響規律，主要結論如下：

1) 兩種陣列形式的位移分布情況相同，花板中心處的位移最大，并逐漸向外圍呈不斷減小的趨勢，三角形陣列在每個區間內的位移量均小于方形陣列，安全性優于方形陣列.

2) 三角形陣列花板所受的最大應力比方形陣列要小，但最大應力區域在整個花板范圍內所占面積極小；而方形陣列在大部分區域所受應力要小于三角形陣列，兩種陣列方式各有優勢但均符合要求.

3) 在布袋中心距相同的情況下，三角形陣列花板鋼材消耗少.從節約能源和降低成本方面考慮，三角形排布更具優勢，應優先考慮選擇三角形排布花板.

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(責任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Structure characteristics of air tank plate of bag type pulse dust collector

GU Xiao-jiao,CHEN Chang-zheng,GU Yan-ling,LU He

(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In order to improve the use performance of bag type dust collector and eliminate the selection blindness of plate structure of dust collector,the displacement and stress distributions of both square array plate and triangular array plate were studied with the finite element analysis software ANSYS.The results show that in terms of deformation,the distribution form of two structures is the same,but the deformation of triangle array is smaller.In terms of equivalent stress,the maximum stress of triangle array is smaller than that of square array,but for most of regions,the equivalent stress of square array is smaller.Compared with the square array,the triangular array not only meets the design needs of dust collector,but also reduces the steel consumption.Furthermore,the triangle array needs smaller area,and has better economic benefit.

bag type dust collector; plate; square array; triangular array; finite element; numerical simulation; displacement distribution; stress distribution

2015-11-11.

國家自然科學基金資助項目(51205259，51305276).

谷曉嬌(1989-)，女，遼寧沈陽人，博士生，主要從事流體傳動與控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.11

TH 6

A

1000-1646(2016)02-0180-05

*本文已于2016-03-02 16∶42在中國知網優先數字出版.網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.004.html