粉尘在边界层内的二次悬浮与运移探讨(其他 )

粉尘在边界层内的二次悬浮与运移探讨(其他 )

                                  陈明军

                         山西天地赛福蒂科技有限公司

摘要：针对粉尘经常堵塞除尘管道引起除尘效率降低，能耗增加的情况，对粉尘在湍流主体区和边界层内的受力进行分析，推导出在边界层内粉尘二次悬浮与粒径、风速的关系。边界层内，风速越大，粉尘粒径越大，二次悬浮能力越强。通过试验观察到粉尘在边壁上呈波浪式沉积，且粒径在10～40m的粉尘沉积量最大。得出在边界层内能二次悬浮的粉尘占总粉尘量的10%时，粉尘不会沉积，且输运风速最低。提出以边界层内粉尘二次悬浮量为10%作为除尘管路风速选择的依据。

关键词：粉尘二次悬浮输运管网

0  引言

    粉尘在除尘管道中沉积，甚至堵塞管道，导致除尘效率下降、能耗增加是除尘系统运行管理最主要的问题之一。除尘系统管网风速选择大多是依照推荐标准或设计人员的经验，没有考虑粉尘的颗粒群性质对输运的影响，设计的结果差异很大。因此探讨不同粒径粉尘在管道内不同区域的受力、运动情况对为除尘管网风速选择提供依据具有重要意义。

    粉尘的粒径范围为0～150m，具有粒度小、粒径分布范围广等特性。粉粒体在管道内的输运特性研究主要集中在气力输送和空调系统气溶胶沉积两大领域。但气力输送主要研究对象粒径一般大于1 mm，而空调系统中气溶胶的粒径一般小于10m。对工业粉尘在管道中的输运特性研究较少。

    除尘系统中，除尘管道直径一般为90～500 mm，风速一般为10-20 m/s，层流边界层厚度一般在300m左右。在粉尘重力、湍流扩散等作用力下，粉尘会经过湍流主体区进入边界层区域。因此分别考察粉尘在这两个区域的运动对探讨粉尘在管道内的最佳输运风速具有重要指导作用。

1  粉尘在湍流主体区受力分析

    圆管内充分发展的湍流流动，从管道中心到管道壁面划分为三个区域，如图1所示。从A点到B点所在区域为湍流核心区；从B点到C点所在区域为过渡区；从C点到D点所在区域为粘性层流边界层。

 

    当不考虑湍流脉动时，可以将湍流核心区认为是均匀流场。在粘性层流边界层内，流体的流速与离壁面的长度呈直线关系。

    粉尘在流体中的受力情况如图2所示。由图2可知，在水平管道中，重力、浮力、Saffman升力以及Magnus作用力影响粉尘在垂直方向上的沉积。除尘系统稳定运行时，粉尘颗粒在湍流核心区域垂直方向上主要受到重力作用。因此，在水平除尘管道中输运的粉尘一定会沉积到管壁边缘的边界层内。

 

2  粉尘在边界层内的受力分析

    粉尘颗粒在水平管道中重新悬浮起来主要有以下几种作用因素：紊流分速度、管壁反作用力、压差作用力、马格努斯效应。

    本文在进行边界层内粉尘受力分析时，仅考虑粉尘已经沉积在管壁的极限情况。当沉积在管壁上的粉尘能二次悬浮时，在其他悬浮因素共同影响下，粉尘就一定能够二次悬浮。因此仅考虑二次悬浮力为静压差力，分析粉尘在层流边界层中的运动状况。

2.1粉尘二次悬浮静压力

    当粉尘沉积到管壁上时，其底部的流体速度为0，仅有粉尘颗粒顶部有流体流过，其悬浮力FL表达式为：

 

2.2管壁边界层速度分布

    对于圆管，当Re>10⁵时，边界层内流体的速度分布于距离管壁的距离关系为：

 

    将式(3)和式(4)联合作图，如图3所示，从图中可以看出：粒径越小的粉尘，其二次悬浮能力越小；粒径越大的粉尘越容易二次悬浮。

    

将粉尘悬浮速度式(3)与边界层速度分布式(4)联合求解，可以得到不同粒径粉尘在管道中的临界悬浮风速，关系式如下：

 

3  试验设计

    对式(5)分析发现，当风管内的平均风速v _f越大，对应的临界悬浮粒径d₀就越小，能够二次悬浮的粉尘的比例就越大。但是由于粉尘的粒径在0～150m之间，风速不可能无限制增大以此来保证所有的粉尘二次悬浮。因此，必须通过试验的方法探讨烧结粉尘最佳的通风速度和与之对应的悬浮粒径，以及粉尘在边界层中的运动机理。

    根据试验要求，设计了如图4所示的试验系统，考察粉尘在水平直管道中的最佳通风速度。

 

    为了消除沿管长方向沉积量变化对试验的影响，采用多点采样法。图4中A、B、C、D为取样点，每隔1.5 m取一次样，每次分别取管道的底部、顶部和侧面。每个取样点离管道端面的距离为100 mm。

    试验样品取至烧结厂布袋除尘器，使用激光粒度分析仪对样品进行粒度分析，其粒度组成见图5。

 

    通过将铁皮镂空，弯曲成与试验管道具有相同曲率的弧形，保证了每次取样面积的一致性。利用酒精清洗管壁的办法，解决了其他采样办法对管壁边界层造成流动状态影响，导致取样不准确的难题。采样结果见图6。

 

    图6(a)图是传统的通过将铝箔纸贴在管壁对沉积粉尘进行取样的效果图，从图中可知，铝箔纸的存在严重干扰了粉尘在边界层内的沉积规律。图6(b)是通过酒精取样的效果图，取样结果能很好地满足试验的需要。

4  试验结果分析

4.1沉积粉尘与原料粉尘粒径对比

    从图7中可知：粒径小于10m的颗粒在原料和沉积粉尘中占有的比例相差不大，均在9%左右；粒径为10-40m的颗粒，在沉积粉尘中的含量大于在原料中的含量；粒径大于50m的颗粒，在原料中的含量大于在沉积粉尘中的含量。

 

    10 m以下的粉尘主要受到湍流扩散作用，所以原料和沉积料中粒径比例变化不大；10-40m粉尘在重力作用下进入边界层且不容易二次悬浮；所以在沉积料中的比例大于在原料中的比例；40m以上的粉尘在边界层内容易二次悬浮，所以在沉积料中的比例小于在原料中的比例。

4,2粉尘在边界层中运动机理

    从图8可以看出粉尘在管道中呈现波浪式沉积。分析认为粉尘在管道中的运移机理如下：①粉尘中不同粒径的颗粒在湍流扩散作用、重力作用下都有可能会运动到管壁的层流边界层内；②粒径较小的颗粒，进入层流边界层以后，由于其静压差作用力小，粉尘不能够再次悬浮，便逐渐沉积在管壁上。⑧大粒径的粉尘，由于沉入层流边界层后，受到静压差力的作用容易二次悬浮进入湍流主体。因此大粒径粉尘在垂直方向上是往返于在层流边界层与湍流主体之间，在水平方向上随风流运动，呈现出跳跃式的前进。正是因为大颗粒粉尘跳跃式前进，间断式冲刷管壁，才使沉积在管壁的小粒径粉尘重新悬浮，被风流带走，也才导致沉积粉尘呈现波浪式分布。

 

4.3烧结粉尘最佳输运风速

    从图9中可知：随着风速的增加粉尘沉积量逐渐减少。当风速较小时，粉尘沉积量随风速增加快速较少；当风速较大时，粉尘沉积量随风速增加较少速度降低。当风速大于19 m/s的时候，即使提高风速，粉尘沉积量几乎不再减少。以此可以认定最佳通风速度为19 m/S。

 

    输运试验样品的最佳通风速度约为19 m/s；实验测得粉尘的真密度约为4.02g/cm³；PVC管的相对粗糙度为0.009 mm；实验用管径为160 mm。将上述参数代入式(6)可以得到粉尘的悬浮粒径为107m。参照粉尘在原料中所占的比例，大于107m的颗粒约占粉尘总量的10%。

    根据上述结果，对除尘系统风速设计时首先对粉尘进行取样，进行粒径分析，找出累计量为90%的粒径，根据式(5)可以计算出通风系统最优的通风速度。

5  结论

    1)粉尘中小于10m的微粒，主要受湍流扩散作用沉积，在沉积粉尘和原料粉尘中所占比例相同。20-40m的粉尘二次悬浮能力小，受重力影响最大，最容易沉积在管壁上。大于40m的粉尘在管道中二次悬浮的能力逐渐加强，不易沉积在管壁上。

  2)粉尘在管道内输运机理是：不同粒径的粉尘都会沉入管壁的边界层内，大粒径粉尘比小粒径粉尘二次悬浮能力强，对沉积在管壁上的小粒径粉尘的进行冲刷，导致小粒径粉尘二次悬浮，从而使粉尘能顺利输运出较长的水平直管。

    3)通过试验得出，二次悬浮粉尘占总粉尘量的10%时，沉积在管壁上的粉尘能被冲刷完全，此时的通风速度是最优通风速度，为除尘系统管网风速选择提供依据。