李志華，胡立皓，蘇 昕，趙憲冰，林廣義

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

橡膠制品以其良好的耐磨、緩沖吸震、絕緣、密封性能已成為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的產(chǎn)品[1-3]。煉膠作為制造橡膠制品的首道工序，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，其成分主要為顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)廢氣等[4-6]。顆粒物可以通過(guò)設(shè)置電磁脈沖反吹袋式除塵器予以收集。揮發(fā)性有機(jī)廢氣如不進(jìn)行處理，人大量吸入后會(huì)對(duì)多個(gè)器官及系統(tǒng)造成損害，甚至使其發(fā)生病變而引發(fā)癌癥或者致人死亡；擴(kuò)散到大氣中則會(huì)引起霧霾或化學(xué)煙霧，對(duì)大范圍的自然環(huán)境造成污染，對(duì)環(huán)境生物產(chǎn)生深遠(yuǎn)而消極的影響[7-10]。

光催化氧化法是近年來(lái)新興的煙氣處理方法[11-12]，與其他方法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：與吸附法相比，不會(huì)產(chǎn)生吸附劑固廢污染；與燃燒法相比，消耗能量較低；與生物法相比，運(yùn)行環(huán)境要求低、工藝簡(jiǎn)單；與低溫等離子體法相比，不需要高電壓，并且更加安全可靠。此外，光催化氧化法運(yùn)行設(shè)備體積小、維護(hù)簡(jiǎn)便。煉膠過(guò)程產(chǎn)生的低濃度、多成分的有機(jī)廢氣（煉膠煙氣）在光催化氧化技術(shù)的處理范圍。因此，光催化氧化是處理煉膠煙氣較為有效的方法[13-14]。

光催化氧化設(shè)備的核心部件是紫外光源。煉膠煙氣在紫外光源射出的高能紫外線光束的照射下降解成無(wú)害低分子化合物，如CO2和H2O等[15]。合理布置紫外光源可以提高整體輻照強(qiáng)度及其均勻性，從而提高煉膠煙氣的處理效率。

本工作利用Ansys Fluent軟件對(duì)光催化氧化設(shè)備工作腔體進(jìn)行分析，基于Do輻射模型模擬紫外光源的布置，研究紫外光源對(duì)煉膠煙氣處理效率的影響，可為光催化氧化設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 工作腔體模型

由于煉膠煙氣量較大，光催化氧化設(shè)備（其中包括與輻照無(wú)關(guān)的粉體過(guò)濾結(jié)構(gòu)）的外形尺寸也較大。如果不對(duì)光催化氧化設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，將會(huì)使模擬變得非常繁雜，降低仿真效率和精度。因此，本工作在符合實(shí)際的前提下，忽略光催化氧化設(shè)備工作腔體進(jìn)出口端所設(shè)置的過(guò)濾網(wǎng)等裝置（不會(huì)對(duì)光氧化設(shè)備的輻照強(qiáng)度產(chǎn)生影響）。使用紫外燈管作為紫外光源，考慮到紫外燈管的支撐和固定，一般將紫外燈管在工作腔體內(nèi)水平平行放置，且紫外燈管的軸線方向與被處理氣體的流動(dòng)方向垂直。相鄰紫外燈管在工作腔體中的排列形式有多種，最常見的是相鄰紫外燈管呈正方形排列和菱形排列兩種形式，如圖1所示。

由于實(shí)際設(shè)計(jì)的工作腔體一般為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在ICEM CFD軟件中建立半個(gè)腔體的反應(yīng)器模型，可以大大減小網(wǎng)格數(shù)量，加快求解速度，同時(shí)通過(guò)設(shè)置對(duì)稱邊界條件可以獲得整個(gè)模型中輻照強(qiáng)度的大小和分布。將采用不同紫外燈管排列的工作腔體分別建模，在ICEM CFD軟件中劃分模型 網(wǎng)格，對(duì)紫外燈管附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密以獲得更加可靠的解，得到了紫外燈管呈正方形及菱形排列的模型網(wǎng)格，其鏡像顯示見圖2。

2 求解設(shè)置

調(diào)用ANSYS Workbench軟件中的Fluent子模塊，導(dǎo)入模型網(wǎng)格，選擇湍流模型并打開Do輻射模型、設(shè)置非灰體模型輻射波帶、設(shè)置仿真流體計(jì)算域空氣材料屬性、半透明邊界條件等，每只U形紫外燈管功率為150 W，根據(jù)C波段紫外光發(fā)光功率及紫外燈管尺寸，按照相關(guān)公式計(jì)算設(shè)置紫外燈管初始輻照強(qiáng)度為650 J·s-1·m-2。由于紫外燈管管壁由石英玻璃制作，需要設(shè)置紫外燈管壁面邊界條件為半透明，其折射率為1.5，其余壁面條件設(shè)置為不透明，設(shè)置漫反射分?jǐn)?shù)及發(fā)射率分別為0.8和0.75。在Fluent子模塊中設(shè)置能量方程及輻射方程，收斂殘差為1×10-6。計(jì)算結(jié)束后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post后處理軟件，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到輻照強(qiáng)度大小及其分布。

3 結(jié)果與討論

3.1 紫外燈管不同排列時(shí)工作腔體的輻照強(qiáng)度分布

通過(guò)CFD-Post后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到紫外燈管采用正方形排列和菱形排列時(shí)在工作腔體中XOZ，XOY，YOZ截面方向的輻照強(qiáng)度分布云圖，分別如圖3和4所示。

從圖3和4可以看出：在工作腔體中輻照強(qiáng)度分布差異較大，輻照強(qiáng)度在燈管附近較大，遠(yuǎn)離燈管則較??；與紫外燈管采用菱形排列時(shí)對(duì)比，紫外燈管采用正方形排列時(shí)輻照強(qiáng)度分布不均勻程度更為嚴(yán)重，在相鄰紫外燈管之間會(huì)出現(xiàn)較大面積的輻照強(qiáng)度較小的區(qū)域。這意味著當(dāng)煉膠煙氣流經(jīng)這些區(qū)域時(shí)，其接收到的輻照強(qiáng)度將顯著小于紫外燈管周圍區(qū)域，相應(yīng)的煉膠煙氣處理效率自然會(huì)顯著下降，即紫外燈管采用菱形排列可以有效提高煉膠煙氣處理效率。

3.2 紫外燈管不同排列時(shí)工作腔體的輻照強(qiáng)度變化

為了進(jìn)一步研究紫外燈管排列形式對(duì)工作腔體中輻照強(qiáng)度大小及分布均勻性的影響，通過(guò)在后處理器中創(chuàng)建輻照強(qiáng)度隨坐標(biāo)軸變化的曲線來(lái)進(jìn)行分析。

由于工作腔體兩端靠近氣流出入口處沒有紫外燈管，所以在工作腔體兩端輻照強(qiáng)度較小，但對(duì)于研究工作腔體中因紫外燈管排列引起的輻照強(qiáng)度變化沒有太大影響。取工作腔體長(zhǎng)度方向（進(jìn)出氣流運(yùn)動(dòng)方向，即X軸）的坐標(biāo)為－0.65～0.65 m、工作腔體高度方向（垂直于進(jìn)出氣流運(yùn)動(dòng)方向，即Z軸）的坐標(biāo)為－0.20～0 m的區(qū)域進(jìn)行研究，以X和Z軸上下限所形成的區(qū)域可以看作由紫外燈管之間連線組成的若干正方形或菱形的總和，即整個(gè)工作腔體可以看作是多個(gè)這種區(qū)域的總和，因此輻照強(qiáng)度在該區(qū)域的分布趨勢(shì)與在整個(gè)工作腔體中一致，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)的紫外燈管在兩種排列方式下Z坐標(biāo)?。?.20，－0.10，－0.05，0 m時(shí)，做出沿X軸工作腔體中輻照強(qiáng)度變化的曲線，分別如圖5和6所示。

從圖5和6可以看出：紫外燈管的正方形排列和菱形排列都存在工作腔體中間區(qū)域的輻照強(qiáng)度略大于兩端的現(xiàn)象，這是由于工作腔體中間區(qū)域的輻照強(qiáng)度是多個(gè)紫外燈管輻照在該處的疊加效果導(dǎo)致的；同時(shí)，兩種紫外燈管排列形式的輻照強(qiáng)度都是在紫外燈管附近較大，遠(yuǎn)離紫外燈管則較小。從圖5還可以看出，當(dāng)紫外燈管呈正方形排列時(shí)，工作腔體中橫向輻照強(qiáng)度在紫外燈管與紫外燈管之間均發(fā)生了較大的跳躍，使工作腔體中輻照強(qiáng)度呈強(qiáng)弱跳躍的劇烈變化。從圖6還可以看出，當(dāng)紫外燈管采用菱形排列時(shí)，工作腔體中輻照強(qiáng)度除了在紫外燈管處變化較大外，紫外燈管之間區(qū)域的輻照強(qiáng)度沿著橫向分布比較均勻，輻照強(qiáng)度上下限值的差值也較小。說(shuō)明紫外燈管采用菱形排列時(shí)，工作腔體中輻照強(qiáng)度分布較為均勻，有利于煉膠煙氣處理效率的提高。

4 結(jié)論

（1）不同排列形式的紫外燈管會(huì)影響工作腔體中輻照強(qiáng)度分布均勻性，從而對(duì)煉膠煙氣處理效率產(chǎn)生影響。

（2）與紫外燈管采用正方形排列時(shí)相比，紫外燈管采用菱形排列時(shí)工作腔體中輻照強(qiáng)度更大及其分布均勻性更好。

（3）工作腔體中間區(qū)域的輻照強(qiáng)度略大于兩端的輻照強(qiáng)度，紫外燈管正方形排列時(shí)工作腔體中輻照強(qiáng)度的上下極限差值較紫外燈管菱形排列時(shí)要大得多，即相同功率的紫外燈管采用菱形排列時(shí)，對(duì)煉膠煙氣的處理效率更高。

本工作仿真結(jié)果可為橡膠廠煉膠煙氣光催化氧化設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)需要注意，本工作僅分析了煉膠煙氣處理效率受到光催化氧化設(shè)備中紫外燈管排列形式的影響。由于煉膠煙氣處理效率的影響因素還有很多，如煙氣運(yùn)行速度、停留時(shí)間、紫外燈管數(shù)量及功率等，實(shí)際工作中需要綜合考慮各因素，才能設(shè)計(jì)出符合需求、滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。