我们应用多目标优化技术,对CLT/A型单筒旋风除尘器的结构参数进行了研究,建立了以除尘效率、压力损失为目标函数的旋风除尘器优化数学模型,并采用极小-极大优化方法对其进行优化设计,给出了使其综合性能O佳的结构参数。
众所周知,燃料燃烧、沙石破碎时会造成大量粉尘,若将其直接排入大气,会对环境、生态及人体健康造成危害。其危害的严重程度取决于排出的总尘量及粉尘的物理化学性质等。因此人们渴望设计出性能优良的除尘器以减少粉尘排放量。旋风除尘器以其结构简单、造价低、可除高压、高磨蚀性粉尘、除尘粒径较小等优点,在工业除尘方面得到广泛应用。但其目前设计情况仍为经验型设计或半经验型设计,O有些科研单位试图通过试验,改变某些结构参数的设计使除尘器某个指标达到O佳,但这样既费时费力,所得结果往往又顾此失彼,不能使主要指标达到综合O优。我公司即是考虑旋风除尘器两方面主要性能要求,通过多目标优化设计,寻求使除尘器综合性能O佳的一次探讨性实践。
1、旋风除尘器的性能分析
1.1 旋风除尘器的除尘效率
CLT/A型旋风除尘器的结构简单。关于其除尘效率的计算有不同的理论与方法,由于各自假设前提不同,所得结果也不尽一致。我们提出的方法考虑因素较全面,得出的结果与实际比较接近。
1.2 旋风除尘器的阻力
旋风除尘器的阻力是评价其性能的重要参数,它关系到除尘器的能量消耗和风机的合理选择。曾有不少研究者对旋风除尘器的阻力进行了理论推导,但由于其方法复杂,鉴于本文主要研究旋风除尘器各主要结构参数对其性能的影响,因此选取了合理的阻力计算经验公式。
2、CLT/A型旋风除尘器的优化数学模型
2.1 目标函数的建立
评价除尘器的工作性能有各种指标,如除尘效率、阻力、一次投资、运转费用等。其中除尘效率是一重要指标,它衡量除尘器清除气流中粉尘的能力；阻力是评定除尘器性能的另一主要技术指标,它表示气流通过除尘器时的压力损失,阻力大,除尘耗能大,因而也是衡量除尘设备耗能和运转费用的一个指标。为此我们选择除尘效率O高和阻力系数O小为优化目标函数。
我们试图通过对除尘器各主要结构参数的优化求解,使上述两个主要技术指标达到综合O优。
2.2 设计变量的确定
CLT/A型旋风除尘器的性能影响参数较多,其中O主要的几何参数如下:圆柱筒体高度、圆锥体高度、排气芯管插入深度、排气芯管直径、矩形进气口高度和宽度、排灰口直径。
4、CLT/A型旋风除尘器的多目标优化设计
4.1 优化设计结果
在建立了CLT/A型旋风除尘器的优化数学模型、选择优化方法的基础上,可对其进行优化设计。计算中以旋风除尘器的圆柱筒体直径D为系列,选取进口流速Vi=18m/s,粉尘密度Qp=1300kg/m3,粉尘粒径dp=8μm。现将旋风除尘器优化结果及相应的目标函数(另加处理风量)列表。
4.2 1从优化结果看,使旋风除尘器综合性能优良的圆锥体高度比原始参数大,在2.8D左右。这是因为,锥体增高,旋风除尘器的分离空间加大,含尘气体旋转圈数增加,便于粉尘分离,有利于除尘器效率的提高。
4.3 除尘器的结构参数大小基本成比例,但从优化结果看锥体高与筒体高之比并无明显规律。这表明,按除尘器外筒直径的大小进行其他结构参数缩放的除尘器,其性能指标并非优良。
4.3 进气口高宽比在4∶1左右。这与近年来研究进气口应朝着窄而高的方向发展的结论相一致。
4.4 排尘口直径在0.95De～1.2De之间,这与现在偏重加大排气口直径。从理论上讲,排尘口直径大于排气口直径时,可防止旋涡核心区与锥壁接触使粉尘重新扬起而降低除尘效率。
4.5 除尘效率的提高,要以压力损失增加及处理量的减少为代价。处理风量是一个具有实际意义的指标,进行优化设计时必须予以考虑。
根据优化结果，我们认为宜加大锥体设计高度；缩小进气口面积,其高宽比为4:1左右为宜；加大排灰口直径,取值接近除尘器内筒直径。极小极大多目标优化方法可有效地解决目标函数分量相互矛盾的问题,加权极小极大方法若其权系数选择适当其优化结果将比前者更优。
