涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化.pdf
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1、第 37 卷第 3 期2023 年 6 月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37 No.3Jun.2023收稿日期:2022-12-26作者简介:张紫轩(1998),女,硕士研究生,主要从事漆雾净化设备 CFD 等方面的研究。E-mail:essie_98s 。通信作者:谢 东(1978),男,教授,博士,主要从事核通风智能控制与空气净化、CFD 模拟与风洞试验、多孔介质传热传质等方面的研究。E-mail:DOI:10.19431/ki.1673-0062.2023.03.0
2、06涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化张紫轩1,2,3,谢 东1,2,3,周益辉4,王 猛1,2,3(1.南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001;2.南华大学 建筑节能与环境控制技术湖南工程实验室,湖南 衡阳 421001;3.装配式建筑节能技术湖南省重点实验室,湖南 衡阳 421000;4.航天凯天环保科技股份有限公司,湖南 长沙 410100)摘 要:涂装车间在喷涂过程中会产生大量含有漆雾的喷涂废气,在处理喷涂废气之前需对其中的漆雾进行预过滤,在干式喷房中纸盒式漆雾过滤器由于更经济环保,越来越多地被投入使用。针对运行参数对过滤器过滤效率的影响,利用计算流体力学对折流板式
3、纸盒过滤器的过滤效果进行了数值模拟研究,对过滤器的设计参数提出了优化建议。结果表明:设计参数对过滤器过滤效率的影响较大,过滤器对10 m 以下的漆雾颗粒过滤效率在 10%20%,过滤效率较低,对于 10 m 以上的漆雾颗粒,过滤效率随粒径的增大而升高,对 60 m 及以上的漆雾颗粒过滤效率达 99%以上,部分大颗粒漆雾掉落至过滤器内,可实现漆雾储存;过滤器过滤效率随进口流速的增大而降低,随漆雾浓度的增大而升高,设备进出口压差随进口流速的增大而增大,但远低于喷房压阻限制。关键词:喷漆废气;折流板式过滤器;漆雾;数值模拟;过滤效率中图分类号:TQ639文献标志码:A文章编号:1673-0062(2
4、023)03-0038-09开放科学(资源服务)标识码(OSID):Numerical Simulation and Design Optimization of the Internal Flow Fieldof Paint Mist Filtration Equipment in the Paint ShopZHANG Zixuan1,2,3,XIE Dong1,2,3,ZHOU Yihui4,WANG Meng1,2,3(1.School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;
5、2.Engineering Lab of Hunan for Building Environment Control,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;3.Key Lab of Hunan for the Energy Conservation in the Prefabricated Buildings,Hengyang,Hunan 421001,China;4.Kaitian Environmental Technology Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410100,China)Abstract
6、:A large amount of spraying exhaust gas containing paint mist will generate in the83第37 卷第3 期张紫轩等:涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化2023 年 6 月painting workshop,and pre-filtration of the paint mist is required before treating the spra-ying exhaust gas.Carton type dry spray booth paint mist filters are increasing
7、ly put intouse because they are more economical and environmentally friendly.The effect ofoperating parameters on the filtration efficiency of the filter was studied by numerical simu-lation using computational fluid dynamics on the filtration effect of the folded plate cartonfilter,and suggestions
8、were made for the optimization of the filter design parameters.Theresults show that:the design parameters have a large influence on the filter filtration effi-ciency,the filter filtration efficiency for paint mist particles below 10m is 10%20%,the filtration efficiency is low,for paint mist particle
9、s above 10m,the filtration efficiencyincreases with the increase of particle size,the filtration efficiency for paint mist particlesof 60 m and above reaches more than 99%,some large particles of paint mist fall intothe filter,which can realize the paint mist Storage;filter filtration efficiency dec
10、reases withthe increase of the inlet flow rate and increases with the increase of the paint mist concen-tration,the pressure difference between the import and export of the equipment increaseswith the increase of the inlet flow rate,but is much lower than the limit of the spray roomPiezoresistive li
11、mitation.key words:paint exhaust;folded plate filter;paint mist;numerical simulation;filtration ef-ficiency0 引 言在油漆喷涂过程中,过喷是不可避免的一部分,涂料中能到达喷涂区域的一部分成膜物质逸散到空气中,形成颗粒物飘浮在空气中,成为漆雾。漆雾颗粒微小、黏度大且易黏附于物体表面,他们混杂在喷漆废气(即挥发性有机化合物,volatile organic compounds,VOCs)中,增大了流动阻力且易使废气净化装置造成堵塞,降低净化效率,因此必须在喷漆废气进入净化装置前对其中的漆雾进
12、行预处理。漆雾处理方法分为湿式和干式两类,传统的湿式处理法大多用于油性漆漆雾处理,需要水的参与,因此存在废水废渣难处理、前期投资大等问题;干式处理法多用于水性漆漆雾处理,主要有石灰粉干式过滤系统和纸盒式两类,纸盒式漆雾过滤系统由于其结构简单、成本低、环保节能等特点越来越多地被投入使用1-2。纸盒式漆雾处理法大多采用折流板式的过滤板和滤筒或过滤棉相结合的方式3-4,工艺流程如图 1 所示,过喷气流先经过折流板,通过错综复杂的流道被多次强制改变流向,其中的漆雾颗粒由于惯性力的作用,较大粒径的颗粒黏附在纸盒内壁或折流板上,一部分小粒径颗粒随气流流入后续的由排列的玻璃纤维棉组成的粗效分离器内;最后废气
13、进入到精细分离器内由 V 型漆雾过滤纸进行过滤,最终完成干式分离,这样的漆雾处理方式过滤效率可达到 99%。将 1.965 kg 的油漆与稀释剂按质量比为 1 2 的比例混合为涂料后,将其喷涂产生的废气以 1.2 m/s 的速度通入过滤设备中。过滤 10 min 后,对完全晾干的过滤设备进行称重,折流板式预分离层增重 0.82 kg,后续分离层共增重 0.58 kg,实验前后过滤器状态对比如图 2 所示。通过实验发现,在三级过滤器中,折流板过滤层增重最多,这与其过滤颗粒的粒径和颗粒沉积位置有关,证明过滤系统在实现三级分离的同时部分漆雾颗粒掉落至预分离器内,实现漆雾储存。图 1 干式喷房内漆雾净
14、化工艺流程Fig.1 Paint mist purification process in dry spray booth93第37 卷第3 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 6 月图 2 过滤器实验前后对比Fig.2 Comparison of that before and afterfilter experiment由于不同的涂装车间使用的涂装材料、喷涂工艺不同,喷房内的各项指标也不同,对过滤器的定量分析对其设计参数有着很好的参考价值。计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)可以模拟较复杂流动过程,大大减少了过滤器的测试成本和时间。本文针对
15、过滤器建立了物理模型,基于 CFD 方法在漆雾粒径、漆雾流量、进口流速方面对过滤器的过滤效率进行了数值模拟研究,对过滤器漆雾储存能力进行了验证,并对过滤器进出口压差及内部流场进行了分析。1 物理模型过滤器物理模型根据实际过滤器尺寸利用solidworks 软件建模,过喷气流由过滤器侧面进入,进口截面为775 mm307 mm,过滤器内部由四层交错排列的“人”字形折流板构成,过滤后的气流从过滤器上方流出通过下一级的过滤棉进一步过滤。利用 fluent meshing 进行非结构网格划分,由于过滤器内部流道曲折复杂,为保证计算精度并减少计算时间,在折流板附近进行局部网格加密。最终网格数量 6.59
16、106,最大偏斜度(max skewness)为0.617,平均网格质量(average element quality)为0.731。过滤器模型及网格模型如图 3 所示。图 3 过滤器物理模型及网格模型Fig.3 Filter physical model and mesh model2 数学模型2.1 连续相控制方程过喷气流通过与过滤器入口截面尺寸相同的管道进入过滤器内,在标准大气压下通过计算其雷诺数,判断气流处于湍流状态。假设连续相为不可压缩流体,定常流动,且密度为常数。过滤器内部流场满足连续性方程和动量守恒方程:(u)x+(u)y+(u)z=0(1)fx-1px=dvxdtfy-1py
17、=dvydtfz-1pz=dvzdt(2)2.2 离散相模型根据工程实际,过喷气流中漆雾颗粒的质量浓度一般不超过 200 mg/m3,粒径在 100 m 以下,颗粒在气流中随机分散,体积分数在 10%以下,过喷气流可看作气-固两相流,采用离散相模型(discrete phase model,DPM)进行计算,并作出以下假设:1)颗粒被视作质量点,不会占据流体位置;2)颗粒是球体;3)颗粒之间的相互作用可忽略。颗粒轨迹运动轨迹方程:dxpdt=up(3)式中:xp为颗粒球心位移,m;up为颗粒速度矢量,m/s。拉式坐标系下颗粒的动量方程为:dupdt=FD(u-up)+gi(p-)p+Fi(4)
18、式中:为流体密度,kg/m3;u 为速度,m/s;t 为时间,s。同时考虑颗粒在湍流流场中的扩散,采用随机轨道模型来模拟,使模拟结果更加准确。2.3 湍流模型离散相采用拉格朗日方法模拟,连续相用欧拉法模拟,离散相和连续相通过控制方程中的源项进行耦合,考虑两相间的相互作用,气相与固相间采用双向耦合。由于过滤器内部具有错综复杂的流道,属于墙壁束缚流动,且颗粒本身带有黏性,选用 SST(shear-stress transport)k-湍流模型04第37 卷第3 期张紫轩等:涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化2023 年 6 月进行计算。k-SST 湍流模型由 F.R.Menter5博士在
19、1992 年提出,在 方程后添加了一个交叉扩散项,通过混合函数 F1来控制湍流模型的变型,可以更好地进行预测适当逆压梯度流,有着更好的适用性和计算精度6-7。标准 k-模型为:(k)t+(Uk)=+tk()k()+PK-(5)()t=(U)=+tk()()+C1Pkk-C22k(6)=Ck(7)将式(3)直接带入式(2)中可以得到:()t=(U)=+tk()()+vtPK-2+22k(8)式中:为流体密度,kg/m3;u 为速度,m/s;t 为时间,s;k 为湍流动能,J;t为涡黏性系数,kg/(ms);Pk为由平均速度梯度产生的湍流动能,J;为比耗散率,%。标准 k-湍流模型为:()t=(U
20、)=+tk()()+vtPK-2(9)式中:为模型常数,默认值为 0.075。对比式(4)、式(5)可以看出,k-湍流模型与k-湍流模型仅相差式(4)中的交叉扩散项22k。结合了 k-湍流模型和 k-湍流模型,引入系数 F1:22k=2(1-F1)2k(10)则完整的 BSL k-湍流模型为:()t=(U)=+tk()()+vtPK-2+2(1-F1)2k(11)当 F1=0 时,方程变为 k-方程,用于求解主流;当 F1=1 时,方程变为 k-方程,对于边界层附近的求解精确度更高。SST k-湍流模型则在此基础上引入了湍流黏度,对于带黏度的颗粒具有更广泛的应用,湍流黏度限制为:t=k1max
21、1,SF21(12)并进一步引入混合函数 F2:F2=max 2k0.09d500d2(13)2.4 过滤效率计算计算完成后获取过滤器入口压力 pi和出口压力 pe,前后压差 pd=pi-pe。追踪到颗粒总数量 n、捕捉(trap)到的颗粒数量为 nt,未完成(in-complete)颗粒数量为 ni,逃逸(escape)颗粒数量为 ne,最终过滤效率=nt/n。3 边界条件3.1 初始参数由于不同的油漆在喷涂过程中产生的漆雾颗粒大小不同,漆雾粒径范围大,大多数漆雾颗粒粒径在 10 100 m 之间,部分颗粒粒径介于 1 10 m 之间,小部分在 1 m 以下,结合工程实际,本过滤器对于大粒径
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