摘要:用一维定常流动模型研究了陶瓷过滤器元件内的流动与压降规律.在此基础上,得到了陶瓷过滤器元件的内径(宽度)与长度之比D/H应该遵守的两个准则.然后,用PHOENICS通用软件计算了陶瓷过滤器元件内的三维定常流动.三维数值计算结果与一维定常流动模型的计算结果吻合,证明作者推导的两个准则对于陶瓷过滤器的结构设计具有指导意义.
关键词:陶瓷过滤器元件;层流流动;湍流流动;压降;设计准则
中国图书资料分类法分类号:TQ174;TQ546.5先进的发电技术,如整体煤气化联合循环(IGCC)或压力流化床燃烧联合循环(PFBC)发电技术,是目前高效、低污染的燃煤发电的发展方向,而其中的高温高压煤(烟)气净化系统是先进的发电技术的重要组成部分.采用高温气体净化系统可提高IGCC(或PFBC)的发电热效率,并且可省掉冷态净化系统所需的热交换器设备,使系统简化,设备紧凑.
高温气体净化系统的最重要环节是,将高温煤(烟)气在进入燃气透平的燃烧室之前,用陶瓷过滤器最后脱除超细微粒,以满足透平保护标准和环保要求.采用陶瓷过滤器清除超细微粒有很多优点,如:过滤器耐高温、高压;在相同的过滤速度时,过滤介质的压降较低,过滤表面积较大;净化效率高(大于99%);过滤器的再生容易,通入高压气体反向喷吹清除灰饼,可实现在线清洗.
针对陶瓷过滤器元件内的流动与结构设计的研究,美国的Eggerstedt[1]提出,在设计烛状陶瓷过滤器元件的长度和内径时,陶瓷过滤器出口的临界孔口流速(wcov)不要超过30 m/s,否则会导致额外压降的剧增,其过滤表面速度以小于0.1 m/s为宜;德国的S. Laux等[2]使用FLUENT 3.02版本软件,用k-ε湍流模型,在两维笛卡尔坐标系中对烛状过滤器内的流动规律进行了数值计算,但该文未提供过滤器的结构设计准则;日本的Shigeo Ito[3]推导出了过滤器通道内的一维流动模型和方程式,以实验数据加以验证,但未提出简单的求解形式;美国的Ahluwalia和Geyer[4]推导出了蜂房式过滤器通道内一维定常流动方程式的通用形式,用四阶龙格-库塔方法及Newton-Raphson迭代格式解全微分方程式,
本文作者用该准则设计L/H时发现,计算的最小值偏小,与实际情况的误差较大.主要原因是该文中未考虑流动状态、壁面气体不断渗入等因素的影响.故本文作者在以上研究的基础上,依据一维定常流动模型,总结出了长度与直径(宽度)之比的2个设计准则,经用PHOENICS数值计算结果验证,两者结果相当吻合.
1 陶瓷过滤器结构与材料
烛状陶瓷过滤器元件是一个中空的柱体,有一个止端,开端被垂直悬吊在平板上,洁净气体从该开端流出,高温含尘气体从径向流入陶瓷过滤器元件,尘粒由陶瓷过滤器外壁面收集,并积成灰饼.利用反向周期脉冲喷射气流将灰饼脱除,可实现在线清洗,其结构示意图如图1 a、b所示.
蜂房式陶瓷过滤器元件的每个通道结构与上述的烛状陶瓷过滤器元件相同,是一个方形中空的柱体,有一个止端、一个开端,如图1a、c所示.陶瓷过滤器可由氧化物陶瓷,如氧化铝、多铝红柱石、堇青石等组成;也可由非氧化物陶瓷,如氮化硅、碳化硅等组成;还可由氧化物/非氧化物陶瓷的组合材料制成,如各种配比的硅、铝、硼氧化物及碳化硅与氮化硅的组合.这些多孔陶瓷材料不仅要具有一定的孔隙率和渗透率,还要求耐热冲击、耐腐蚀.
2 烛状陶瓷过滤器元件内的一维流动模型
2.1 洁净气体在元件通道内的流动状态
假设过滤器元件的表面速度vc沿轴向均匀分布,考虑气体为不可压缩情况,根据连续性方程,得到元件通道内平均流速w、表面速度vc、长度H、动力粘性系数μ之间的关系为
当Re<2 320时,整个通道内的流动为层流状态;当Re>2 320时,通道内流动从层流状态过渡到湍流状态.在陶瓷过滤器元件的入进气端(止端),流速w为0,雷诺数Re为0.在陶瓷过滤器元件的出气端(开端),流速w由式(3)计算得到,雷诺数Re增加到最大值.
2.2 烛状陶瓷过滤器元件及通道内的一维流动模型
从过滤器外壁面到内壁面,气体流经多孔陶瓷介质.气体在多孔陶瓷介质内的流速较低,一般为0~0.2 m/s,故流动遵守经典的Darcy定律,即
设过滤器元件通道内的气体流动为一维定常流动,考虑可压缩、有渗流流入的摩擦流动情况,如图1a、b所示,则连续性方程
故烛状过滤器元件的流动模型均适用于方形通道,只需将式(7)~式(22)中的内径换成水力直径即可,其结构设计准则为层流情况
6 结 论
在设计烛状陶瓷过滤器结构时,其壁厚由材料强度所决定,而长度与内径则由过滤器通道内部的流动特性所决定.当通道内的流动状态是层流时,内径与长度的比值应遵守式(19)、(20)两个准则;若过滤器出口处流动状态为湍流时,内径与长度的比值应遵守式(21)、(22)两个准则.本文依据以上准则,设计了实验室条件下的烛状过滤器结构,经与PHOENICS软件的计算压降值相比较,两者计算结果相当吻合,证明本文的一维流动模型正确,用压降准则设计过滤器结构的方法可行.
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