抛光打磨车间便携式除尘器本体设计与试验*

邓权龙 侯程 丁厚成 蒋仲安 孙雪霏

(1.安徽工业大学建筑工程学院 安徽马鞍山243002； 2.北京科技大学土木与资源工程学院 北京 100083)

0 引言

在抛光打磨叶片的高速旋转作用下，物品表面得到预期的处理，同时在剪切压缩作用下，会产生一定量的混合性粉尘飞溅和扩散，导致尘化作用[1-2]。一方面，粉尘影响作业环境，降低机械设备使用寿命；另一方面，粉尘对作业人员的身体健康造成严重威胁，一旦进入人体肺泡，将会产生不可逆的生理损伤。此外，对于金属粉尘和有机粉尘，当空气中粉尘浓度达到爆炸极限，遇到点火源后容易发生粉尘爆炸事故[3-4]，造成不可估量的后果，例如2014年8月江苏昆山中荣金属制品有限公司汽车轮毂拋光车间发生特别重大铝粉尘爆炸事故，造成146人死亡，直接经济损失3.51亿元[5]。因此，对于抛光打磨车间的粉尘控制具有重要意义。

根据抛光打磨作业的活动特点，可将其通风除尘装置分为3大类，包括固定作业台除尘、移动作业点除尘和灵活作业点除尘。其中，固定作业台除尘与传统的工业通风除尘一致，通过安装固定排风罩收集粉尘，通过管道输送至除尘器实现除尘[6]。移动作业点在小范围空间内具有不固定性，传统的固定式除尘装置难以满足要求，一般采用可移动式除尘装置进行控尘[7]。除此之外，打磨抛光车间存在不少大范围空间内的作业，此类作业点具有数量多、分布零散且作业时间短等特点，一般采用便携式除尘装置。便携式除尘装置与传统的除尘装置相比，在灵活度和经济性方面具有较强的优势，而且能满足灵活作业点粉尘治理的需求。

在便携式除尘装置的研究方面，国内外学者做了大量的研究工作，并取得了丰富的研究成果。国外学者对于便携式除尘装置的研究集中于室内环境的空气净化方面，例如在工作生活建筑[8]、医疗诊室[9]等。国内学者对于工业用的便携式除尘装置的研究更关注实际研发应用，设计适合不同场景的产品，包括专用便携式车载袋除尘器[10]、室内建筑施工用便携式除尘装置[11]和可拆卸的便携式除尘装置[12]。本文针对打磨抛光车间的粉尘特点，基于气旋分离和滤筒过滤的原理，确定便携式除尘器的结构及规格参数，设计出适用于抛光打磨车间的便携式除尘器，并对其处理风量、系统阻力、漏风率和除尘效率进行试验，为便携式除尘器的研发提供参考。

1 除尘原理

抛光打磨车间所产生的粉尘主要为金属粉尘、腻子粉、砂尘等干性粉尘，粒径分布不均匀，粉尘真密度较大，旋风分离作为初级除尘对于大颗粒物去除具有一定优势，过滤除尘能提高细颗粒粉尘捕集效率。本文中设计和研究的便携式除尘器主要采用气旋分离和滤筒过滤的原理，将两者有机结合，采用气旋分离为一级除尘分离大颗粒粉尘，滤筒过滤为二级除尘去除细颗粒粉尘。

1.1 气旋分离

气旋分离与旋风分离的原理一致，含尘气流从设备顶部轴向或切向高速进入筒体，沿着筒壁由上向下作外涡旋运动，粉尘颗粒在离心力和重力的作用下，逐渐沉降至下部灰斗；气流运动至底部后转为沿轴心向上作内涡旋运动，经分离后的气流由分离器顶部排出，实现颗粒物与气流的分离[13]。气旋分离器内部流场情况如图1所示。

图1 气旋分离器内部流场示意

1.2 滤筒过滤

滤筒过滤机理主要包括重力沉降、惯性碰撞、拦截和阻留效应等，过滤机理示意如图2所示。含尘气流运动至滤筒表面时，颗粒物在滤筒纤维滤料的多重除尘机理作用下沉积在滤筒表面，形成粉尘初层，随着运行时间积累，滤筒表面的集尘层厚度不断增加，当达到设定的阻力值时，开启清灰装置对滤筒表面进行清灰，实现灰斗收尘的过程[14-15]。滤筒表面过滤作用如图3所示。

图2 过滤机理示意

图3 滤料表面过滤作用

在风机的作用下，箱体内产生负压，含尘气体通过吸尘口被吸入箱体内进入气流导流室，含尘气体通过气旋分离室进行初次除尘，粒径较大的粉尘颗粒在重力和离心力的多重作用下沉降在集尘盒中，之后粒径较小的粉尘再次经过滤筒进行过滤，在惯性碰撞、筛分和拦截等效应下，细微粉尘将被截留在滤筒外表面，过滤后的清洁气体被风机引至底部排出。便携式除尘器工作原理如图4所示。

图4 便携式除尘器工作原理

2 便携式除尘器结构与设计

便携式除尘器本体结构主要包括箱体、进气口、气旋分离室、滤筒、风机和气流出口等，结构如图5所示。

图5 便携式除尘器结构设计

(1)箱体设计。除尘器箱体材质拟采用铝合金框架，长×宽×高为570 mm×240 mm×300 mm，面板采用2 mm厚双面镀锌板，设计在箱体上部安设手提把手，增加便携性，部分需要加固处将采用不锈钢板材，同时为便于设备的安装和检修，设备将使用方便开启的卡扣连接，同时保证气密性完好。为便于观察除尘效果，本试验的除尘器箱体暂时采用厚度为5 mm的亚克力板制作而成。

(2)气旋分离与滤筒。气旋分离室内有分离器和灰斗，含尘气流经过一级除尘后，大颗粒粉尘被除去。滤筒过滤室作为二级除尘，主要过滤粒径较小的颗粒，相比布袋过滤，滤筒具有过滤精度高、清灰容易、阻力小、运行稳定等特点。滤筒材料选取了耐高温覆膜聚酯纤维，该材料具有耐高温、阻燃的优良特性。滤筒实物如图6所示。

图6 滤筒实物

(3)风机选型。风机为除尘设备提供能量使气体流动，风机性能的好坏直接影响除尘器的除尘效果。考虑到除尘器要求的风量和便携性，这里选取了一种小型单相串励电动风机，尺寸仅为110 mm×110 mm×100 mm，额定功率为1 200 W，最大真空度为22 kPa，风机具有无级调速功能，通过旋钮调整其风量大小，实物如图7所示。

图7 风机实物

(4)清灰设计。本除尘器清灰分为两部分，气旋分离粉尘采用可拆卸的收尘灰盒进行收尘清灰，滤筒设计采用低压气流反吹方式进行清灰，利用手控气囊式压强转换气流发生器对滤筒进行清灰。受实际条件限制，在试验测试过程中暂时采用拆卸手动清灰。

根据抛光打磨车间活动作业点的除尘需求，结合预期设计目标，暂时制作了1∶1的除尘器本体实物试验模型，用于前期的除尘性能测试，后期将对其细节进行完善，装置如图8所示。

图8 除尘器本体试验模型

3 便携式除尘器运行试验

衡量除尘器性能的指标有很多，包括技术指标、经济指标、使用指标等，本文主要对除尘器本体试验模型的除尘性能的4个技术指标进行测定，分别为处理风量、漏风率、设备阻力(压力损失)、除尘效率。试验模型测定的现场情况如图9所示。

图9 试验模型现场测定

3.1 除尘器处理风量测定

处理风量的测定主要是测量入口风速，本文采用YJB-150补偿式微压计和皮托管测量进风口管道的全压和静压，计算得出入口动压，根据动压与速度的关系，反推得出入口风速，最终求得入口断面面积(入口管径为500 mm)和入口风速乘积，即除尘器的处理风量。该风机具备无极调速功能，在此将风机根据不同转速将其分为7档，得出不同挡位的处理风量，如图10所示。该除尘器处理风量最小值为117 m3/h，最大值为179 m3/h。

图10 不同挡位下除尘器的处理风量

3.2 除尘器漏风率测定

漏风率是衡量除尘设备密闭性的重要指标，指设备运行中系统漏风量与入口处理风量的比值，采用与3.1节中相同的测定方法，得到不同风量下设备的漏风率，如图11所示。漏风率随风量的增大而升高，设备的漏风率最小值为0.92%，最大值为3.52%，总体漏风率小于5%，符合要求。

图11 漏风率随处理风量变化的曲线

3.3 除尘器设备阻力测定

除尘器的设备阻力是评价其能耗大小的技术指标，与除尘器类型、内部结构和处理风量有关，通过测定除尘器入口与出口的全压差得到设备阻力。该阻力测定使用皮托管及微压计测得除尘器入口与出口的全压值，得出除尘器阻力随处理风量变化的曲线如图12所示。设备阻力随处理风量的增加而升高，除尘器本体的最小阻力为163 Pa，最大阻力为393 Pa。

3.4 除尘器除尘效率测定

除尘效率是指在除尘设备正常运行下，单位时间内捕集的粉尘量与入口总粉尘量之比，是除尘器重要的技术指标，其高低直接体现除尘效果的优劣。本试验使用2台型号为LD-5C的微电脑激光粉尘仪对粉尘浓度进行测定，为减少含尘浓度不均导致结果误差较大，连续监测5 min，重复测量3次并取平均值。通过调节电机转速改变除尘器入口风量大小，得到入口粉尘浓度、出口粉尘浓度及除尘效率随风量变化的曲线，如图13所示。除尘效率随风量的增大而发生轻微降低，该除尘器的最高除尘效率为99.63%，最低除尘效率为98.60%。

图12 系统阻力随处理风量变化的曲线

图13 粉尘浓度和除尘效率随处理风量变化的曲线

综上所述，本文设计并试验的抛光打磨车间便携式除尘器本体的结构参数和性能技术参数如表1所示。

表1 除尘器参数

4 结论

(1)基于气旋分离和滤筒过滤的除尘原理，确定抛光打磨车间便携式除尘器的组成部分及规格参数，对便携式除尘器的箱体、气旋分离、滤筒过滤进行设计，对滤筒和风机型号参数进行确定，制作等比例实物试验模型。

(2)对抛光打磨车间便携式除尘器试验模型进行除尘性能数据测定，得出除尘器风量为117～179 m3/h；漏风率和设备阻力随处理风量的增加而升高，漏风率为0.92%～3.52%，设备阻力为163～393 Pa；除尘效率随风量的增大而发生轻微降低，除尘效率为98.60%～99.63%。

(3)本文中便携式除尘器本体试验模型与产品推广应用还存在一定的差距，有待进一步改进和优化，以适应抛光打磨车间活动作业点的除尘要求。