吸塵車除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉洋，周新文，雷波，董磊磊，陳海龍

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

前言

吸塵車是在掃路車中發(fā)展而來，俗稱干式掃路車，與傳統(tǒng)濕式掃路車以及洗掃車等車型的區(qū)別是，它是無水作業(yè)，采用負(fù)壓純吸或者吹吸結(jié)合的吸塵原理，利用氣流運(yùn)動(dòng)將路面的粉塵和垃圾收集到垃圾箱內(nèi)，粉塵經(jīng)過濾筒過濾后，潔凈的空氣排放到大氣中。它包括有純吸式、吹吸式、掃吸式三種類型，純吸式是無盤刷，僅靠吸嘴作業(yè)的吸塵車；吹吸式是根據(jù)循環(huán)空氣原理清潔路面的吸塵車，它將風(fēng)機(jī)排風(fēng)口的一部分空氣通過吸嘴的吹嘴吹向路面，將路面垃圾送到吸嘴的吸風(fēng)口，垃圾進(jìn)入垃圾箱內(nèi)，而過濾后的空氣又進(jìn)入風(fēng)機(jī)從排風(fēng)口排出，部分空氣又進(jìn)入吸嘴的吹嘴吹向路面，形成空氣循環(huán)利用。掃吸式是在吸嘴前端增加盤刷，盤刷處有小吸管，將盤刷作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的粉塵回收。盤刷的作用是有效回收路緣處的垃圾，彌補(bǔ)吸嘴無法緊貼路緣作業(yè)的不足。比較濕式掃路車，吸塵車的優(yōu)點(diǎn)是利用濾筒除塵，過濾精度可以達(dá)到PM10，甚至PM2.5以上，無二次揚(yáng)塵；以吸為主，路面作業(yè)潔凈度高；并且無需灑水作業(yè)，可以在北方寒冷的冬季和廣大缺水的地區(qū)使用。缺點(diǎn)是如果除塵系統(tǒng)除塵效果差，濾筒很快就會(huì)堵塞，影響作業(yè)效果；同時(shí)，如果路面有大量積水，比如灑水車灑過路面，易造成灰塵與水分結(jié)合板結(jié)，堵塞濾筒上細(xì)孔，導(dǎo)致濾筒失效。所以除塵系統(tǒng)是吸塵車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，是十分重要的。為此，本文提供一種吸塵車除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1 除塵系統(tǒng)研究

目前市場上吸塵車除塵系統(tǒng)大多采用重力除塵、慣性除塵、旋風(fēng)離心除塵和脈沖濾筒除塵等除塵技術(shù)。下面就除塵系統(tǒng)介紹如下：

1.1 重力除塵

掃路車作業(yè)時(shí)，氣流將路面的垃圾和粉塵，通過吸嘴和風(fēng)筒帶入到垃圾箱體內(nèi)，由于箱體容積的突然增大，氣流速度急劇下降，密度較大的顆粒在重力作用下，直接落入垃圾箱底部，這就是重力除塵；同時(shí)直徑較大的輕飄物，如樹葉、紙屑、塑料袋等則會(huì)被垃圾箱頂部的濾網(wǎng)阻擋，只有直徑較小的粉塵顆粒通過濾網(wǎng)進(jìn)入慣性除塵裝置內(nèi)，這就是第一級(jí)除塵系統(tǒng)。為了防止垃圾箱內(nèi)部氣流過高，導(dǎo)致垃圾箱內(nèi)的粉塵被氣流卷起帶入下一級(jí)除塵箱內(nèi)，就要保證內(nèi)部氣流流速為2m/S以下，這樣重力除塵的效果才能明顯。

1.2 慣性除塵

慣性除塵是指在除塵室內(nèi)設(shè)置各種形式的擋板，含塵氣流沖擊在擋板上，氣流方向發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，借助塵粒本身的慣性力作用，使其與氣流分離應(yīng)用。當(dāng)氣體在慣性除塵裝置內(nèi)的氣流流速為 10m/S以下時(shí)，壓力損失控制范圍一般為100～1500Pa之間，特別適用于凈化粒徑大于10～20μm的干燥粉塵，除塵效率為50%～70%之間。

1.3 旋風(fēng)離心除塵

旋風(fēng)除塵是指含塵氣體從入口導(dǎo)入除塵裝置的外殼和排氣管之間，形成旋轉(zhuǎn)向下的外旋流。懸浮于外旋流的粉塵在離心力的作用下移向器壁，并隨外旋流轉(zhuǎn)到除塵裝置下部，由排塵孔排出。凈化后的氣體形成上升的內(nèi)旋流并經(jīng)過排氣管排出?？紤]旋風(fēng)除塵器的除塵效果和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)風(fēng)口的氣流速度控制在12～20 m/s之間，旋風(fēng)除塵器壓力損失控制范圍一般為500～2000Pa之間，旋風(fēng)除塵適用于凈化粒徑大于5～15μm的干燥粉塵，除塵效率可以達(dá)到80%以上。

1.4 脈沖濾筒除塵

濾筒是由一定長度挺括的濾料折疊成褶，首尾粘合而成的星形過濾筒，過濾材料采用覆膜處理聚酯纖維，覆膜材料為PTFE，具有防水、防油、阻燃等特點(diǎn)。濾筒無籠骨，安裝簡便，濾筒的安裝方式有三種：垂直、傾斜、水平安裝。濾筒垂直安裝，脈沖清灰時(shí)，粉塵易清落沉降至灰斗，效果好。傾斜安裝時(shí)，濾筒上下相疊，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，便于換筒，但清灰時(shí)，上層濾筒清落的粉塵沉落于下層濾筒上，難以清除。水平安裝，下層濾筒上部的粉塵更難清除，所以濾筒一般采用垂直安裝。濾筒的過濾精度可以達(dá)到 0.1-1μ m，當(dāng)濾筒入口含塵濃度在大于 15g/m3時(shí)，過濾風(fēng)速不應(yīng)大于 0.3～1m/min，濾筒除塵阻力的上限應(yīng)維持在 1000～2000Pa范圍內(nèi)。粉塵穿過濾筒后凈化的空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)排出，粉塵顆粒(直徑0.1～50μm)被吸附在濾筒表面；當(dāng)濾筒運(yùn)行阻力達(dá)到一定壓力時(shí)，脈沖閥開啟，壓縮空氣(P=0.5～0.6Mpa)從噴嘴經(jīng)過文氏管吹射入濾筒內(nèi)部，使粉塵在瞬間高壓氣流作用下脫落，達(dá)到脈沖除塵的目的。最后，濾筒的過濾效率應(yīng)大于99.9%。

1.5 總結(jié)

吸塵車經(jīng)過這幾級(jí)過濾除塵之后，從風(fēng)機(jī)口排出的粉塵顆粒小于 PM1.0，避免了傳統(tǒng)濕式掃路車作業(yè)時(shí)的二次揚(yáng)塵污染。但是在吸塵車整車布置時(shí)，慣性除塵和離心除塵由于安裝空間和使用成本以及除粉塵顆粒相近等原因，在吸塵車上一般只保留一種，在我們開發(fā)的吸塵車上我們保留了結(jié)構(gòu)更為簡單和緊湊的慣性除塵。

2 吸塵車除塵系統(tǒng)布置

如圖1所示，吸塵車作業(yè)時(shí)，氣流將粉塵和垃圾從吸嘴通過風(fēng)筒進(jìn)入垃圾箱內(nèi)，由于氣流速度急劇下降，大顆粒的粉塵和垃圾都將在垃圾箱內(nèi)沉降到箱體底部。氣流帶動(dòng)小顆粒粉塵，通過濾網(wǎng)從干濕轉(zhuǎn)換門進(jìn)入下一個(gè)慣性除塵箱。如果是雨、雪天作業(yè)，或者地面殘留有灑水車作業(yè)后的大量積水，干濕轉(zhuǎn)換門可以切換到濕風(fēng)道箱，氣流通過濕風(fēng)道箱直接從風(fēng)機(jī)的排風(fēng)口中排出，這樣避免含有大量水汽的氣流，板結(jié)濾筒上的灰塵，堵塞濾筒。實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)。慣性除塵箱內(nèi)部布置有慣性M流道，大顆粒的粉塵與慣性M流道擋板沖擊后與氣流分離，落入除塵箱底部。顆粒更小的粉塵隨氣流進(jìn)入濾筒除塵箱。濾筒是垂直安裝，并選擇過濾精度達(dá)到1μm的覆膜處理聚酯纖維濾筒，能夠有一定的防水、防油、阻燃等特點(diǎn)。脈沖除塵裝置由空壓機(jī)、過濾器、大氣罐、安全閥、氣管路、調(diào)壓閥、負(fù)壓傳感器、脈沖閥、噴嘴等組成。為了保證除塵效果，脈沖閥與濾筒是一一對(duì)應(yīng)；除塵過程由PLC可編程控制器自動(dòng)控制，吸塵車作業(yè)時(shí)，設(shè)定每過一段時(shí)間，脈沖閥自動(dòng)啟動(dòng)，每次開啟一組，每組之間間隔3～5秒。并且在濾筒灰塵太多，導(dǎo)致阻力過大時(shí)，負(fù)壓傳感器顯示負(fù)壓達(dá)到預(yù)警值時(shí)，可以手動(dòng)啟動(dòng)脈沖閥除塵。從濾筒除塵箱出來的氣流從風(fēng)機(jī)排風(fēng)口排出，排放達(dá)到PM1.0以下，實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)無二次揚(yáng)塵，潔凈環(huán)保。

圖1 吸塵車布置圖

3 吸塵車除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 吸嘴

3.1.1 吸嘴處顆粒的啟動(dòng)速度

為了滿足吸塵車將路面垃圾吸取的能力，按照掃路車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，吸嘴能夠吸入顆粒直徑大于或等于30mm，密度在2000kg/m3的石塊或磚塊顆粒。為了保證能夠吸入上述條件的顆粒，則必須在氣流的作用下，將路面的顆粒帶動(dòng)到吸口處，即路面顆粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的最小啟動(dòng)速度。參考文獻(xiàn)1有如下公式：

其中，U為最小啟動(dòng)速度m/s，μ為顆粒與地面的摩擦系數(shù)，CD為總的阻力系數(shù)，CL為升力系數(shù)，ρs為顆粒的密度kg/m3,ρ為空氣的密度kg/m3，V為顆粒的體積m3，A為顆粒的迎風(fēng)面積m2，g為重力加速度m/s2，帶入?yún)?shù)可得：

U=24.77m/s，所以吸嘴內(nèi)部腔體的平均氣流速度不得小于24.77m/s，為了方便計(jì)算取U=25m/s。

3.1.2 風(fēng)管處顆粒的懸浮速度

為了將吸嘴內(nèi)的顆粒從風(fēng)管吸入垃圾箱內(nèi)，氣流速度需要提供大于顆粒的懸浮速度，計(jì)算直徑30mm，密度2000kg/m3的石子的懸浮速度，參考文獻(xiàn)2有如下公式：

帶入已知參數(shù)可得：

顆粒的懸浮速度v=38.45m/s。

所以風(fēng)筒內(nèi)的氣流速度不得低于38.45m/s，為了方便計(jì)算取v=40m/s。

3.2 風(fēng)機(jī)參數(shù)確定

3.2.1 風(fēng)量

參考文獻(xiàn)1風(fēng)筒內(nèi)的最小風(fēng)量公式：

其中風(fēng)筒及風(fēng)道管路系統(tǒng)漏風(fēng)附加系數(shù)K1=1.1，垃圾箱漏風(fēng)系數(shù)K2=1.15，A1風(fēng)筒內(nèi)徑截面積m2；帶入?yún)?shù)可得：

風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q1=10682m3/h

3.2.2 全風(fēng)壓

離心風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓由網(wǎng)管總阻力與排氣動(dòng)壓損失組成。下面就各個(gè)部分的壓力損失。

3.2.2.1 吸嘴內(nèi)壓力損失

ξ1為局部阻力系數(shù)，取1.2，帶入?yún)?shù)得：

P1=450Pa

3.2.2.2 吸嘴吸口處壓力損失

ξ2為局部阻力系數(shù)，取0.4，帶入?yún)?shù)得：

P2=384Pa

3.2.2.3 風(fēng)筒處壓力損失

ξ3為局部阻力系數(shù)，取0.3，帶入?yún)?shù)得：

P3=290Pa

3.2.2.4 多種除塵形式壓力損失

吸塵車多種除塵形式下的壓力損失，參考文獻(xiàn)1見下表：

表1 多種除塵形式下的壓力損失

這里取各種除塵形式壓力損失最大值，即有3650Pa。

3.2.2.5 出風(fēng)口動(dòng)壓損失

根據(jù)出風(fēng)口面積可以求得出風(fēng)口排氣風(fēng)速v1=30.5m/s，可得：

P4=560Pa

綜上分析吸塵車系統(tǒng)阻力合計(jì)即全風(fēng)壓：Pa= k3×5334

k3為管路系統(tǒng)阻力的附加系數(shù)取 1.15～1.2，這里取1.2；

Pa=6401Pa，即吸塵車全風(fēng)壓為6401Pa。

3.2.3 風(fēng)機(jī)實(shí)際參數(shù)確定

風(fēng)機(jī)實(shí)際選型中我們對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和全風(fēng)壓進(jìn)行了修正，安全系數(shù)分別選擇1.3～1.5。

風(fēng)機(jī)作業(yè)時(shí)的最終參數(shù)是：Q1=14000 m3/h，Pa=10000Pa。

3.3 重力除塵

攜帶大量粉塵和垃圾的高速氣流進(jìn)入垃圾箱后，由于體積突然變大，導(dǎo)致氣流速度急劇變小，這樣大顆粒的粉塵和垃圾由于重力作用，自然沉降到垃圾箱底部。下表是不同顆粒物在堆積后的再飛揚(yáng)所需氣流速度：

表2 不同顆粒物在堆積后的再飛揚(yáng)所需氣流速度

圖2 垃圾箱氣流分析

由表2可知，當(dāng)垃圾箱內(nèi)的氣流降到3m/s及以下時(shí)，沉降在垃圾箱內(nèi)的粉塵不會(huì)被氣流帶起，造成重力除塵失效。所以垃圾箱體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)氣流的影響；通過CFD分析，見圖2所示。垃圾箱體內(nèi)的平均氣流基本滿足條件。

3.4 慣性除塵

氣流從垃圾箱進(jìn)入慣性除塵箱后，與慣性除塵箱的擋板發(fā)生碰撞，導(dǎo)致大顆粒的粉塵因?yàn)閼T性與氣流分離，氣流流速為10m/S以下時(shí)，除塵效果較好。經(jīng)過設(shè)計(jì)分析，我們首創(chuàng)已獲得專利授權(quán)的慣性M流道除塵裝置，如圖3所示。經(jīng)過CFD分析，除塵效果良好。

圖3 慣性M流道除塵裝置

3.5 脈沖濾筒除塵

濾筒除塵箱內(nèi)濾筒的數(shù)量是由風(fēng)機(jī)的作業(yè)風(fēng)量和過濾風(fēng)速以及單個(gè)濾筒的有效過濾面積確定的。為了保證過濾效果，這里過濾風(fēng)速設(shè)定為1m/min。

確定濾筒的數(shù)量后就可以確定氣罐的有效容積以及空壓機(jī)的參數(shù)；脈沖閥作業(yè)壓力0.4～0.6MPa，按照文獻(xiàn)3可知：脈沖閥的噴吹壓力為0.6MPa，脈沖寬度為0.08s，采用喉徑為φ16mm的誘導(dǎo)噴嘴，噴吹距離60mm時(shí)，清灰效果好。

4 結(jié)論

本文通過研究、計(jì)算和CFD仿真分析，介紹了吸塵車的重力、慣性、濾筒脈沖除塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)研究思路。按照以上設(shè)計(jì)要求制作的吸塵車，目前使用良好。該車型設(shè)有干濕轉(zhuǎn)換裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候作業(yè)。風(fēng)機(jī)排風(fēng)口經(jīng)過檢測，平均顆粒物濃度為 28mg/m3，遠(yuǎn)低于國標(biāo)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》里面規(guī)定不超過150mg/m3的要求，為國家的環(huán)保事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

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