基于ansys对袋式除尘器灰斗结构的设计与优化

基于ansys对袋式除尘器灰斗结构的设计与优化内容摘要：

件 )，对其结构进行优化设计，以获得合理的结构设计参数，为规范大型除尘器的设计和 生 产提供重要理论依据。 第二章 袋式除尘器简介 4 第二章 袋式除尘器简介 袋式除尘器简介 袋式除尘器是指利用纤维性滤袋捕集粉尘的除尘设备。 滤袋的材质是天然纤维、化学合成纤维、玻璃纤维、金属纤维或其他材料。 用这些材料织造成滤布，再把滤布缝制成各种形 状的滤袋，如圆形、扇形、波纹形或菱形等。 用滤袋进行过滤与分离粉尘颗粒时，可以让含尘气体从滤袋外部进入到内部，把粉尘分离在滤袋外表面，也可以使含尘气体从滤袋内部流向外部，将粉尘分离在滤袋内表面。 含尘气体通过滤袋的分离与过滤完成除尘过程。 袋式除尘器的突出优点是除尘效率高，属高效除尘器，除尘效率一般大于99%。 运行稳定，不受风量波动影响，适应性强，不受粉尘比电阻值限制。 因此，应用中备受青睐。 他的应用数量约占各类除尘器总量的 60%～ 70%。 袋式除尘器的不足之处是对潮解、黏性粉尘不如湿式除尘器。 脉冲喷吹袋式除尘器 是以压缩空气为清灰动力，利用脉冲喷吹机构在瞬间释放出压缩空气，诱导数倍的二次空气高速射入滤袋，使滤袋急剧膨胀，依靠冲击振动和反向气流而清灰的袋式除尘器。 脉冲喷吹型袋式除尘器的滤袋是悬挂在花板上的，含尘烟气从滤袋的侧向进入，流过滤袋周围，并由滤袋外侧进入滤袋内。 滤袋内侧有支撑的骨架，防止滤袋瘪塌，烟尘附着在滤袋的外层。 脉冲的高压空气通过开口滤袋的顶端喷入袋内，引起滤袋外侧的烟尘脱落。 大型脉冲袋式除尘器有离线清灰和在线清灰两种方式。 由于脉冲喷吹型袋式除尘器具有喷吹效果好、设备运行可靠、除尘效率高、阻力小等优点， 使得脉冲除尘器成为当今袋式除尘器特别是大型脉冲袋式除尘器的主流和发展趋势。 脉冲喷吹袋式除尘器具有多种形式，如逆喷、顺喷、对喷、环隙喷吹等。 喷吹气源气压为低于 者称为低压喷吹。 喷吹气源压力高于 者称为高压喷吹。 脉冲喷吹袋式除尘器是一种高效除尘净化设备，具有清灰效果好、净化效率高、处理气量大、滤袋寿命长、维修工作量小、运行安全可靠、自动化程度高等优点，属于强清灰的除尘器。 由于以上的诸多优点，脉冲喷吹袋式除尘器是目前国际上最普遍、最高效的滤袋除尘器。 袋式除尘器的过滤机理 袋式除尘器的 除尘过程主要是由滤袋完成的。 滤袋是各种滤料纤维织造后缝制而成。 过滤机理取决于滤料和粉尘层多种过滤效应。 它的工作机理是粉尘通过滤布时产生的筛分、惯性、黏附、扩散和静电等作用而被捕集。 ① 筛分作用 第二章 袋式除尘器简介 5 含尘气体通过滤布时，滤布纤维间的空隙或吸附在滤布表面粉尘间的空隙把大于空隙直径的粉尘分离下来，称为筛分作用。 对于新滤布，由于纤维之间的空隙很大，这种效果不明显，除尘效率亦低。 只有在使用一定时间后，在滤布表面建立了一定厚度的粉尘层，筛分作用才比较显著。 清灰后，由于在滤布表面以及内部还残留一定量的粉尘，所以仍能保持较高的 除尘效率。 对于针刺毡或起绒滤布，由于毡或起绒滤布本身构成厚实的多孔滤层，可以比较充分发挥筛分作用，不全依靠粉尘层来保持较高的除尘效率。 ② 惯性作用 含尘气体通过滤布纤维时，气流绕过纤维，而大于 1m 的粉尘由于惯性作用仍保持直线运动撞击到纤维上而被捕集，粉尘颗粒直径越大，惯性作用也越大。 过滤气速越高，惯性作用也越大，但气速太高，通过滤布的气量也增大，气流会从滤布薄弱处穿破，造成除尘效率降低。 气速越高，穿破现象越严重。 ③ 扩散作用 当粉尘颗粒在 m 以下时，由于粉尘极为细小而产生如气体分子热运动的布朗运动，增加了粉尘与滤布表面的接触机会，使粉尘被捕集。 这种扩散作用与惯性作用相反，随着过滤气速的降低而增大，粉尘粒径的减小而增强。 以玻璃纤维为例，纤维越细除尘效率越高。 但纤维直径细的压力损失要比粗的纤维大，耐蚀性也越细越差。 ④ 黏附作用 当含尘气体接近滤布时，细小的粉尘仍随气流一起运动，若粉尘的半径大于粉尘中心到滤布边缘的距离时，则粉尘被滤布粘附而被捕集。 滤布的空隙越小，这种粘附作用也越显著。 ⑤ 静电作用 粉尘颗粒间相 互撞击会放出电子产生静电，如果滤布是绝缘体，会使滤布充电。 当粉尘和滤布所带的电荷相反时，粉尘就被吸附在滤布上，从而提高除尘效率，但粉尘清除较难。 反之，如果两者所带的电荷相同，则产生斥力，粉尘不能吸附到滤布上，使除尘效率下降。 所以，静电作用能改善或妨碍滤布的除尘效率。 为了保证除尘效率，必须根据粉尘的电荷性质来选择滤布。 一般静电作用只有在粉尘粒径小于 1 m 以及过滤气速很低时才显示出来。 在外加电场的情况下，可加强静电作用，提高除尘效率。 第二章 袋式除尘器简介 6 脉冲式袋式除尘器工作 原理 在脉冲喷吹袋式除尘器的运行过程中含尘气体由尘气进口进入箱体，由滤袋外部进入内部，由下向上，进入洁净室中，粉尘在此过程中被阻留在滤袋的外表面，洁净室中的干净气体通过排风管排出。 当除尘器压差达到一定数值或者过滤持续一定时间，清灰阀将控制脉冲高压气体沿喷吹管从喷孔中高速喷出，高速气流与它所引起的诱导气流进入滤袋中，使滤袋急剧膨胀、收缩，使滤袋产生冲击振动，同时气流由内向外喷出，使附着在滤袋外表面的粉尘脱落，被灰斗所收集。 积累到一定量，由灰斗底部排出。 袋式除尘器分类 现代工业的发展，对袋式除尘器的 要求越来越高，因此在滤料材质、滤袋形状，清灰方式、箱体结构等方面也不断更新发展。 在除尘器中，袋式除尘器的类型最多，根据其特点可进行不同的分类。 ① 按除尘器的结构形式分类 袋式除尘器的示意结构简图 22。 图 22 ② 除尘器的分类，主要是依据其结构特点，如滤袋形状、过滤方向、进风口图 21 袋式除尘器剖面图 第二章 袋式除尘器简介 7 位置以及清灰方式进行分类。 ： 按滤袋形状分类，可分为圆袋式除尘器和扁袋式除尘器两类。 （ 1）圆袋式除尘器。 图 22 中， b、 c、 d、 e 均为圆袋式除尘器，滤袋形状为圆筒形，直径一般为 120~300 ㎜，最大 不超过 600mm,高度为 2 ~ 3m，也有 10m以上的。 由于圆袋的支撑骨架及连接较简单，清灰容易，维护管理也比较方便，所以应用非常广泛。 （ 2）扁袋式除尘器。 图 22 中 a 是扁袋式袋式除尘器，滤袋形状为扁平形，厚度及滤袋间隙为 25~50mm，高度为 ~,深度为 300~500 ㎜。 最大的优点是单位容积的过滤面积大，但由于清灰，检修、换袋较复杂，使其广泛应用受到限制。 ： 按过滤方向分类，可分为内滤式除尘器和外滤式除尘器两类。 （ 1）内滤式袋式除尘器。 图 22 中 c、 e 为内滤式袋式除尘器， 含尘气流由滤袋内侧流向外侧，粉尘沉积在滤袋内表面上，优点是滤袋外部为清洁气体，便于检修和换袋，甚至不停机即可检修。 一般机械振动、反吹风等清灰方式多采用内滤形式。 （ 2）外滤式袋式除尘器。 图 22 中 b、 d 为外滤式袋式除尘器，含尘气流由滤袋外侧流向内侧，粉尘沉积在滤袋外表面上，其滤袋内要设支撑骨架，因此滤袋磨损较大。 脉冲喷吹，回转反吹等清灰方式多采用外滤形式。 扁袋式除尘器大部分采用外滤形式。 ： 按进气口位置分类，可分为下进风袋式除尘器和上进风袋式除尘器两类。 （ 1）下进风袋式除尘器。 图 22 中 b、 c 为下进风袋式除尘器，含尘气体由除尘器下部进入，气流自下而上，大颗粒直接落人灰斗，减少了滤袋磨损，延长了清灰间隔时间，但由于气流方向与粉尘下落方向相反，容易带出部分微细粉尘，降低了 清灰效果，增加了阻力。 下进风式除尘器结构简单，成本低，应用较广。 （ 2）上进风袋式除尘器。 图 中 d、 e 为上风袋式除尘器，含尘气体的人口设在除尘器上部，粉尘沉降与气流方向一致，有利于粉尘沉降，除尘效率有所提高，设备阻力也可降低 15﹪ ~30﹪。 ： 按除尘器内的压力分类，可分为负压式除尘器和正压式除尘器 两类。 （ 1）正压式除尘器。 正压式除尘器，风机设置在除尘器之前。 除尘器在正第二章 袋式除尘器简介 8 压状态下工作，由于含尘气体先经过风机，对风机的磨损较严重，因此不适用于高浓度、粗颗粒、高硬度、强腐蚀性的粉尘。 （ 2）负压式除尘器。 负压式除尘器，风机置于除尘器之后，除尘器在负压状态下工作，由于含尘气体经净化后再进入风机，因此对风机的磨损很小，这种方式采用较多。 脉冲袋式除尘器本体钢结构组成 本文以单排单侧风道式脉冲袋式除尘器为例来说明除尘器本体钢结构的组成。 下文所出现的除尘器均指单排单侧风道式脉冲袋式除尘器。 除尘器结构主要由下 框架、中箱体 (虑袋室 )、风道、上箱体和平台爬梯 5 大部分组成，其中上箱体又分为洁净室箱体和提升阀箱体。 框架支承整台除尘器自重和其他相关荷载，下框架横梁同时也是中箱体的底圈梁；下框架多采用带支撑的钢框架结构。 灰斗收集被过滤下来的粉尘，到一定程度将粉尘由灰斗口排出。 灰斗为板肋结构，悬挂于下框架顶梁，灰斗顶平面有刚度很强的水平支撑，跨距较大时，灰斗内部也可加水平支撑。 中箱体用来围护滤袋所处的空间。 中箱体为钢框架加围护板结构，围护板主要承受负压作用，中箱体柱主要承受其上部设备的自重荷载和相关活荷载，同时承受围护板传 递的荷载。 含尘气体经滤袋过滤后进入洁净室，经提升阀箱体进入风道。 上箱体内设置有喷吹装置。 上箱体为钢框架加维护板结构，底板为花板，用来悬挂滤袋，顶板为检修门框和检修门。 上箱体主要承受滤袋、龙骨自重及积灰荷载和上箱体上部设备荷载以及其他相关活荷载。 上箱体同时也相当于中箱体的上圈梁。 风道中部布置有通长的斜隔板，斜隔板下方为含尘气体进入通道，斜隔板上方为洁净气体排出通道。 风道结构和受力基本与中箱体相同，只是每个跨间不再有钢板分隔， 如图 23。 灰斗是除尘器的重要部件，对除尘器的影响很大，通过分析灰斗的结构并进 行优化来改进除尘器的本钢结构。 本文选取了袋式除尘器的典型结构灰斗进行分析研究。 图 23 第三章 ANSYS 软件与有限元思想简介 9 第三章 ANSYS 软件与有限元思想简介 软件介绍 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发。 它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alger, I－ DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高 CAD 工具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 ① 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。 ② 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分 析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 ③ 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计 算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等。 前处理模块主要实现 3 种功能：参数定义、实体建模与网格划分。 前处理用于定义求解所需的数据。 用户可以选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元、以及定义耦合和约束方程。 在 ANSYS 程序中，坐标系统用于定义空间几何结构的位置、节点自由度 的方向，材料特性的方向。 程序中可用的坐标系类型有笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系及环坐标系。 所有这些坐标系均能在空间的任意位置和任意方向设置。 ANSYS 提供了广泛的模型生成功能，从而使用户可以快捷地建立实际工程系统的有限元模型。 ANSYS 程序提供了 3 种不同的建模方法：模型导人、实体建模及直接生成。 每种方法有其独特的特点和优点。 用户可以选择其一或其组合来建立实体模型。 ANSYS 系统的网格划分功能十分强大，使用便捷。 从使用选择的角度来说，网格划分可分为系统智能划分与人工选择划分 2 种。 从网格划分的功能来说，则包括 4 种划分方式：延伸划分、映像划分、自由划分第三章 ANSYS 软件与有限元思想简介 10 与自适应划分；延伸划分是将 1 个二维网格延伸成 1 个三维网格；映像划分是将一个几何模型分解成几部分，然后选择合适的单元属性与网格控制，分别划分生成映像网格；自由划分由 ANSYS 程序提供的网格自由划分器来实现，这种划分可以避免不同组件在装配过程中网格不匹配带来的问题；自适应划分是在生成具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动产生有限元网格，并分析、估计网格的离散误差，再重新定义，直至误差低于用户定义的值。 在前处理阶段完成建模及网格划分后，用户在求解阶段，通过求解器获 得分析结果。 在求解阶段，用户可以定义分析类型、分析选项和载荷数据，然后开始有限元求解。 ANSYS 提供的直接求解器可以计算出线性联立方程组的精确解。 ANSYS。