Strömungsprozesse und Zustandsänderungen in einem System zur Reinigung von Filterschläuchen

Abstract

Die wirtschaftliche Betriebsweise von Schlauchfiltern in der Entstaubungstechnik erfordert ein regelmäßiges Entfernen des an der Außenfläche des Filterschlauches anfiltrierten Staub-kuchens mittels kurzen Druckluftstößen. Dieser Druckluftstoß wird in das Innere eines Filter-schlauchs durch das Abreinigungssystem geleitet, das aus Druckluftbehälter, Membranventil, Treibstrahlrohr mit Düsen und Injektor am Eintritt in den Filterschlauch besteht. Zur Abreini-gung des Filterschlauches wird das Membranventil für kurze Dauer geöffnet, so dass die Druckluft aus dem Behälter in das Treibstrahlrohr strömt und von diesem über die Düsen zum jeweiligen Filterschlauch entweicht. Auf der Strecke zwischen Düse und Injektor fördert der Treibstrahl zusätzlich Umgebungsluft in den Filterschlauch. Die in den Filterschlauch ein-strömende Luftmasse bläht den elastischen Filterschlauch schlagartig auf, und der anfiltrierte Staubkuchen wird durch dieses plötzliche Beschleunigen und das nachfolgende Abbremsen beim maximalen Schlauchumfang abgeworfen. Bislang wurde in erster Linie dieses Abwerfen des Filterkuchens von der Schlauchoberfläche, als eine Auswirkung des Druckstoßes, experi-mentell und theoretisch untersucht.<br />Die vorliegende Arbeit befasst sich nun mit der theoreti-schen Beschreibung und experimentellen Untersuchung des gesamten Abreinigungssystems. Das Abreinigungssystem wird theoretisch unter der Annahme betrachtet, dass sich die Zu-stände in Druckluftbehälter und im Treibstrahlrohr quasistatisch ändern und die Strömung in der Düse und im Ventil quasistationär ist. Die Massen- und Energiebilanzen für den Behälter und das Rohr werden unter Verwendung von MATHEMATICA numerisch gelöst und an Hand dieses Rechenmodells die Zustandsgrößen ausgewertet. Neben einer Betrachtung des Stan-dardsystems unter normalen Umgebungsbedingungen für verschiedene Ausgangsdrücke im Behälter wird eine Parameterstudie durchgeführt. In dieser Parameterstudie werden unter-schiedliche Ventil- und Düsenquerschnitte, höhere Ausgangstemperaturen im Treibstrahlrohr und unterschiedliche Gasgemische im Behälter und Rohr mit besonderem Augenmerk auf die Gasfeuchte untersucht. Im Rechenmodell wird der Abreinigungsvorgang durch Berücksichti-gung des Ventilschließens vollständig charakterisiert. Die experimentelle Betrachtung des Abreinigungssystems konzentriert sich auf Druckmes-sungen im Druckluftbehälter und an mehreren Positionen entlang des Treibstrahlrohres unter normalen Umgebungsbedingungen. Die Druckmessungen an Treibstrahlrohren ohne Düsen mit geschlossenem Rohrende dienen der Untersuchung des Wellenausbreitungsvorganges. Der wesentliche Teil dieser Messungen befasst sich mit Druckmessungen an Treibstrahlroh-ren mit 12 Düsen gleichen bzw. unterschiedlichen Querschnittes. Das Treibstrahlrohr mit Dü-sen unterschiedlichen Querschnittes hat in der Praxis die beste Wirkung erzielt, wobei die Düsenquerschnitte am Rohrende kleiner als die am Rohranfang beim Membranventil sind. Der Vergleich der Messwerte beider Treibstrahlrohre zeigt, dass unabhängig von der Düsen-geometrie am Rohrende der Druck größer ist als am Rohranfang. Eine erhoffte Vergleichmä-ßigung des Druckes im Treibstrahlrohr durch die unterschiedlichen Düsenquerschnitte kann nicht bestätigt werden. Die Messungen bei verschiedenen Ventilöffnungszeiten und Ausgangsdrücken im Behälter unterstützen die praktische Auslegung des Abreinigungssystems. Weiterführende Druckmes-sungen im Membranventil dienen der besseren Beschreibung der Funktion des Ventils. Die Auswirkung von Änderungen am Membranventil wird an Hand des Druckabfalls im Behälter untersucht.<br />Die gemessenen Druckverläufe im Druckluftbehälter und im Treibstrahlrohr dienen in weite-rer Folge einem Vergleich mit den Ergebnissen des Rechenmodells. Die Rechnungen stim-men vor allem für den Druckluftbehälter gut mit den entsprechenden Messungen überein. Die Wellenausbreitung im Treibstrahlrohr wird durch die Rechnungen nicht beschrieben. Aller-dings liegen die berechneten maximalen Drücke und der nachfolgende Druckverlauf im Treibstrahlrohr im Bereich der gemessenen Werte. Auch beim Ventilschließen decken sich der gemessene und der berechnete Druckverlauf im Treibstrahlrohr. Der Vergleich zwischen Rechen- und Messergebnissen zeigt unter anderem, dass die Vernachlässigung der Reibung für die Düsenströmung und unzureichendes Öffnen des Membranventils bei kurzen Ventilöff-nungszeiten Korrekturen in den Berechnungen erforderlich machen. Diese Anpassung der Rechnungen an die Messwerte wird gezeigt.<br />

To achieve an economical operation of bagfilters in a dedusting plant the dust cake needs to be removed from the bag surface at regular intervals by using a pulsed jet. The pulse jet is discharged into the filter bags by means of a cleaning system consisting of a compressed air tank, a diaphragm valve, a blow tube with nozzles and injectors at the top end of each filter bag. To clean the filter bag the diaphragm valve is opened for a short period of time so that the compressed air from the tank can flow into the blow tube. There are nozzles in the blow tube - one pair of them just above each filter bag so that the compressed air can be distributed in each bag. On the way from the nozzles to the injector the jet takes in ambient air and blows up the filter bag.<br />Having reached the maximum circumference the bag is decelerated abruptly and the dust cake is removed from the bag surface. So far the removing of the dust cake from the bag surface has been the main objective of research work. The aim of this thesis is to de-scribe the cleaning system in theory and compare the computed results with the data from measurements.<br />For this reason the cleaning system is simplified as follows. The thermodynamic states in the compressed air tank, in the blow tube and the filter bags change quasi-statically. The flow through the valve and the nozzle is considered to be quasi-steady. Mass- and heat-balances for the compressed air tank and the blow tube are numerically solved by using MATHEMATICA. First of all, the results for a standard cleaning system are shown. Then the effects of cross-section changes, higher initial gas temperatures in the blow tube and different chemical com-position of the gases in the blow tube are discussed. Emphasis is given to the moisture content of gases due to dew point problems which may arise during cleaning. Furthermore, the effects when the valve closes are considered in these calculations.<br />The experimental part of this thesis is focussed on pressure measurements in the compressed air tank and at several defined positions along the blow tube under ambient conditions. The aim of pressure measurements in a closed blow tube without nozzles is to examine the wave propagation. Substance of the experimental work, however, are experiments using blow tubes with 12 pairs of nozzles of the same or different cross sections. The use of blow tubes with nozzles of different cross section has proven successful in practice assuming an even pressure along the blow tube. For this type of blow tube nozzles with smaller cross sections are placed to the end of the blow tube whereas the nozzles with the larger cross sections are placed close to the diaphragm valve. The expected effect of even pressure distribution could not be achieved in the presented experiments. Both blow tubes showed a higher pressure towards the end of the blow tube.<br />Measurements taken at different valve opening times and tank pressures support the design of a cleaning system. Using the results a better understanding of the valve function can be achieved. The effects of changes in the diaphragm valve can be taken from pressure meas-urements in the compressed air tank.<br />The measured pressures in the compressed air tank and along the blow tube can be compared with the results from the numeric computation. The computed pressure in the compressed air tank corresponds with the measured data. The wave propagation in the blow tube cannot be described by the quasi-static assumptions. Nevertheless the computed maximum peak is close to the measured data. The analysis of the valve closing shows a congruence of measured and computed pressures. Comparing the computed with the measured data clearly shows that, with short valve opening times, adjustments to the numerical model need to be made because of the assumed friction-less flow in the nozzle and an improper opening of the diaphragm valve. The results of the adjusted computations are given this thesis.<br />