Аналіз руху газопилового потока в закручених течіях, розробка основних положень сепарації диспергованих твердих часток для очистки газових потоків в прямоточних циклонах. Розробка конструктивної схеми експериментальної установки та її ефективність.
Аннотация к работе
Прискорення науково-технічного прогресу в хімічних та інших промисловостях висуває в ряд актуальних проблему підвищення ефективності процесів очистки все більш зростаючих обсягів виробничих газопилових викидів. Серед газоочисного обладнання цього класу слід виділити прямоточні циклони, які мають невеликі гідравлічні опори, просту конструкцію та невеликі експлуатаційні витрати. Наукова новизна: Теоретично обгрунтована доцільність відведення твердих часток в закрученій течії, які потрапляють під дією відцентрової сили до корпусу апарата крізь щільові отвори, що дозволяє використовувати прямоточну схему руху закрученої газової течії, знижає опір апарату та зменшує знос корпусу. Запропоновано новий метод сепарації часток в прямоточному циклоні шляхом безпосереднього відведення твердих часток, що потрапляють на внутрішню стінку циклону крізь щілини. На основі теоретичного аналізу та експериментальних досліджень розроблено метод розрахунку прямоточного циклона з периферійним відведенням часток крізь щільові отвори.
Список литературы
За результатами роботи опрубліковано 11 друкованих праць, у тому числі 3 без спіаваторів, отримано 2 патенти України на розроблені конструкції.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку літератури і додатків. Всього 202 сторінки, серед них 133 машинописного тексту, 16 таблиць, 30 рисунків, 4 додатки; бібліографія містить 177 джерел вітчизняної та зарубіжної літератури.
Основний зміст дисертації газопиловий диспергований циклон сепарація
Вступ. Обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету дисертаційного дослідження, наукову новизну, практичну значущість, відзначено особистий внесок автора роботи, наведено відомості про апробацію результатів досліджень та публікації.
Розділ 1. Виконано аналітичний огляд стану питання і вибір напрямку досліджень. Розглянуто використання процесів очистки газових потоків від зважених часток.
Виконано аналіз існуючих засобів методів очищення газових викидів від зважених часток. Розглянуто всі апарати, які використовують при мокрій, сухій та електричній очистках. При порівнянні сухих та мокрих методів очистки газових викидів було виявлено, що найбільш ефективними є сухі методи очистки. Суха очистка промислових газів є найбільш перспективною та економічною, так як дозволяє отримувати вловлений продукт без подальшої очистки. Найбільш детально розглянуті апарати сухої очистки, такі як циклони, фільтри, камери осадження.
Наведено схематичну класифікацію конструкцій запропонованих на цей час циклонів за найбільш суттєвими відзнаками. Приведено різноманітні конструкції циклоних апаратів за основними технологічними схемами, з характеристикою найбільш оригінальних і таких, що застосовуються в практиці. Аналіз конструктивних схем циклонів показав, що для прямоточних циклонів найліпшим варіантом є їх удосконалення за рахунок змін конструктивних параметрів цих апаратів та зменшення гідравлічного опору усередині апаратів.
Встановлена перспективність удосконалення прямоточних циклонів, які мають невеликий гідравлічний опір та дуже компактні. Розглянуті шляхи підвищення ефективності сепарації цих пиловловлювачів.
Встановлено, що обладнання для очистки газових викидів має при задовільній ефективності високу вартість та великі енерговитрати. В зв?язку з цим необхідно розробити апарати які б задовольняли вимогам достатньої ефективності вловлювання дрібнодисперсного пилу та мали б при цьому відносно невеликі енерговитрати.
На основі аналізу літературних даних визначено коло нерозв?язаних питань і сформульовано мету й задачі досліджень (розробка схем нового апарату для ефективної очистки газових викидів та зменешення гідравлічного опору).
Розділ 2. Наведено подальше обгрунтування напрямку досліджень на основі аналізу класифікації методів дисперсійного аналізу за масою фракцій та за числом часток у фракціях.
Для формування основної ідеї та робочої гіпотези в дисертації виходили з припущення про гіпотетичний «ідеальний» пристрій для сепарації твердої дисперсної фази з закрученного газового потоку в полі відцентрових сил. В такому «ідеальному» пристрої тверді важкі частки по досягненні межі потоку відразу ж повинні вилучатися з апарату. Газовий закручений потік повинен бути плавним без різких деформацій, що призводять до місцевих втрат опору та додатковій обурювальній дії на частки, що рухаються до периферії осесиметричного потоку, та по осі апарату повинна підтримуватись певна закрутка, тобто момент кількості руху для збереження необхідного відцентрового прискорення часток.
Таким вимогам найбільш за все відповідає апарат в якому необхідно створити такі умови, щоб тверді дисперсні частки, що під дією відцентрової сили відкидаються до періферії внутрішнього простору апарату, відразу ж відводились з апарату та не утворювали обертального руху в корпусі і при цьому забезпечували в прямоточному циклоні рух потока без його розвороту на 1800. Це знизило б гідравлічний опір та абразивний знос корпуса апарата. Суміщення прямоточного циклону з відведенням відкинутих часток з полості апарату відразу ж після наближення часток до внутрішньої поверхні корпуса дозволяє досягти достатньої ефективності, знизити гідравлічний опір апарата та підвищити строк експлуатації апарата.
Аналіз конструктивних та аеродинамічних особливостей прямоточних циклонів та умов сепарації часток пилу в них доводить, що є можливості їх удосконалення, що доведено одержанням двох патентів. На рис. 1 та рис. 2 приведено схеми запропонованих апаратів.
Підвищення ступіня очистки газу та зниження гідравлічного опору прямоточних циклонів може бути виконано за рахунок більш правильного відводу концентрованої пилогазової суміші з вихрової камери крізь продольні щілини.
Розділ 3. Наведено методику і техніку експериментальних досліджень, описано лабораторні установки і результати досліджень. Метою експериментальних досліджень була оцінка ефективності вибраних апаратів для очистки газових викидів та зниження гідравлічного опору апаратів. Ефективність очистки визначалася за кількістю входної та виходної речовини.
Експерименти проводились на лабораторних установках.
В лабораторних дослідженнях першої установки використовувались дисперсні частки (пил), якості яких наведено в табл. 1.
Таблиця 1. Якості промислового пилу
Род пилу Концентрація пилу, г/м3 Дисперсний склад, , мкм
Пісчаний пил 80 100
Кварцевий пил 16,7 120
Наждачний пил 2,5 60
Пробковий пил 12,9 50
Для експериментальних досліджень другої установки використовували різноманітні за ступенем дисперсності сорта кварцевого пилу, які було отримано при розмолі одного й того ж матеріалу.
Обидві моделі циклонів відрізняються одна від другої конструктивними особистостями, тому було вирішено здійснити наступні задачі: Виявити вплив концентрацій запиленості повітря на ступінь очистки його в дослідних циклонах;
Виявити вплив змінення швидкості повітря в циклонах на ступінь його очистки;
Визначити ступінь очистки повітря при різних видах пилу;
Дати оцінку двох типів циклонів з різними конструктивними особливостями при однакових габаритах.
Для вирішення цих задач у процесі досліджень було проведено багатофакторний експеримент, для здійснення якого було обрано повний факторний експеримент за трьома факторами.
Для циклона-класифікатора вибирали такі фактори: 1. Витрата газу від Q0 =10 м3/г до Q0 =30 м3/г;
2. Концентрація від С0=1 г/м3 до С0=10 г./м3;
3. Діаметр циклонів від D0=0,22 м до D0=0,3 м;
Для циклону з периферійним відведенням часток: 1. Витрата газу від Q0 =10 м3/г до Q0 =30 м3/г;
2. Концентрація від С0=1 г/м3 до С0=10 г./м3;
3. Розмір часток пилу від d0=5 до d0=100 мікрометрів.
Було здійснено перехід від фізичних змінних C, Q, Р, d до безрозмірних кодованих змінних X1, X2, X3, нормованих так, щоб вони приймали значення « 1» для верхнього рівня і «-1» для нижнього рівня.
Для циклона-класифікатора
. (1)
Для циклона з периферійним відведенням часток
(2)
Значущість коефіцієнтів рівняння регресії перевірялася за критерієм Стьюдента, адекватність - за критерієм Фішера. Отримані рівняння регресії (розбіг результатів не перевищує 10%) для циклона-класифікатора
(3) для циклона з периферійним відведенням часток
(4)
У результаті проведення багатофакторного експерименту одержано криві, які добре узгоджуються з результатами експериментів.
За допомогою розрахунків, що цілком відтворюють нормативні «Вказівки до вибору циклонів» були порівняні значення гідравлічних опорів для прямоточних циклонних установок та стандартних циклонів типу ЦН-11 і РІСІ за умовами наших лабораторних досліджень. Порівняння даних досліджень показали, що ефективність циклонів ЦН-11 та РІСІ завжди вище (98,7-99,8% проти 95%), але й вище гідравлічний опір (573-955 Па проти 200-300 Па). Тому для достатньо крупного пилу з метою зниження гідравлічного опору доцільно використовувати запропоновані прямоточні установки.
Розділ 4. Наведено теоретичний аналіз аеродинаміки газового потоку та руху диспергованих часток в прямоточному циклоні і на цій основі дано рішення задачі сепарації твердих диспергованих часток в закрученій течії газового потоку, запропоновано метод інженерного розрахунку прямоточного циклону.
Виходячи з загальнотеоретичних задач очистка газоповітряного потоку в циклоні розглянута як комплексний детермінований та стохастичний процес на основі відомого рівняння Колмогорова-Ейнштейна та показана необхідність враховувати стохастичні фактори (турбулентність течії, нечітка визначеність форми часток та відповідно коефіцієнт їх опору, зміна швидкості газової течії).
Розглянута кінематична структура течії газу в прямоточному циклоні на основі загальних рівнянь руху течії в осесиметричних координатах, при переході до безрозмірних перемінних і з урахуванням кінематичної структури. Виконано аналіз експериментальних даних розподілу тангенціальних, осьових і радіальних швидкостей, наведених в багатьох роботах (Л.А. Вуліса, Б.П. Устименко, К.В. Гришаніна, Гофмана та Джоберта), а також власних експериментів пошукувача (рис. 3).
Показано, що розподіл тангенціальної складової швидкості досить добре підчиняється закономірності
, (5) де - середня осьова швидкість; - безрозмірна радіальна координата ( - радіус циклона); - безрозмірна радіальна координата, на якій .
Експерименти Устименко Б.П. показали, що радіальна компонента швидкості газу дуже мала і міняє знак.
Для осьової компоненти швидкості газу в циліндричному корпусі (рис. 4) одержано рівняння
, (6) де величина показує можливу розбіжність експериментальних даних.
Значення швидкостей течії газу дозволяє розрахувати радіальний розподіл тиску.
Вирішальним для процесу очистки газу від диспергованих часток в прямоточному циклоні є переміщення їх в закрученій течії до внутрішньої поверхні корпусу циклону до отворів-щілин, уловлюючих частки. Рух часток під дією відцентрової сили в радіальному напрямі визначається рівнянням динаміки, в якому враховується баланс діючих на частку сил - сили інерції, відцентрової сили, сили лобового опору. Це рівняння після визначення діючих сил має вигляд при записі в безрозмірних перемінних
, (7) де - безрозмірна радіальна координата; - безрозмірний час; - безрозмірний діаметр частки; та - щільність газу та твердих часток відповідно; - коефіцієнт лобового опору; - радіус циліндричного корпусу циклона.
Рішення цього нелінійного диференційного рівняння наведено в довідниках (відомий довідник Е. Камке) і при початкових і граничних умовах , , ( - безрозмірна радіальна швидкість руху частки)
, (8) де , а час руху частки в радіальному напрямі від початкової координати до кінцевої (на стінці) відповідно до формули має вигляд
, (9) де інтегральна функція, яка в роботі розрахована і представлена в графічному вигляді.
Значення часу досягнення часткою в її русі в радіальному напрямку внутрішньої поверхні корпусу циклона дозволяє знайти координату положення самої нижньої щілини для відбору диспергованих часток діаметром
(10)
Значення , як показали розрахунки, з достатньою для практики точністю може бути замінено середнім значенням на радіальній координаті в межах і формулу для визначення координати можна записати в вигляді
(11)
де - вугол конусності корпусу циклона ( - для циліндричного корпусу); - коефіцієнт, який дорівнює відношенню середньої осьової швидкості на ділянці до середньої в перерізі швидкості.
Визначення параметрів та в безрозмірних значеннях дозволяє в розрахунках циклона визначити ряд значень характеристик циклона, які будуть забезпечувати сепарацію всіх часток розмірами , де - розрахунковий розмір частки відносно якого визначені та .
Розрахунок циклона рекомендується виконувати в такій послідовності (рис. 7). Для врахування стохастичних характеристик рекомендується зробити прорахунки для коефіцієнтів лобового опору, який залежить від форми часток, в межах , а також врахувати можливі відхилення осьової швидкості.
Ефективність очистки, пов?язана зі значенням розрахункового діаметру частки при відомому фракційному складі диспергованих часток
(12)
В результаті розрахунку можна одержати ряд значень характеристик циклона в діапазоні між граничними значеннями ( , , ) і вибрати найбільш раціональний щодо конкретних умов, металовміскості тощо.
Коефіцієнт гідравлічного опору прямоточних циклонів значно менший, ніж у звичайних циклонів і за нашими експериментальними даними лежить в межах .
Дослідницька установка прямоточного циклону по розробленій конструктивній схемі була застосована на дочірньому підприємстві «Дослідний завод державного наукового центру лікарських засобів» ДАК «Укрмедпром».
Загальні висновки
За аналітичним оглядом прямоточні циклони мають значну перевагу перед традиційними циклонами щодо зниження гідравлічного опору за рахунок такої організації руху газопилового потоку, де відсутні протитоки і поворот потоку, що призводить до утворення додаткових вихорів.
Запропонована і захищена патентом №39617 А конструкція циклона з щілинним відводом дисперсної фази, перевагою якого є безпосереднє відведення твердих дисперсних часток при досягненні ними внутрішньої поверхні корпусу і як слідство зменшення ще й абразивного зносу.
Теоретичний аналіз і експериментальні дані свідчать про те, що в апаратах не виникають поворотні токи, а рух газового потоку аналогічний течії в конфузорі.
Модифікація прямоточного циклона за другим патентом №35342 А може використовуваться як сепаратор для поділу твердої фази за дисперсним складом і застосовуваться в деяких технологічних процесах, де необхідна сепарація часток (в тому числі для експрес-аналізу дисперсного складу пилюки).
На підставі проведених експериментальних досліджень двох модифікацій прямоточних циклонів доведено, що ефективність очищення визначається рівнянням регресії та залежить від концентрації газопилової суміші, витрат газу, діаметру влювлюваних часток та контруктивних параметрів апаратів. Коефіцієнт гідравлічного опору таких циклонів дорівнює 2-2,5 проти 3,5-4 для традиційних циклонів типу ЦН щодо вхідних швидкостей.
На основі теоретичного аналізу рівнянь руху закрученого потоку одержані залежності моменту кільк000000, ості руху. Аналізом емпіричних даних показано, що для визначення окружної та осьової швидкостей можна застосовувати емпіричні формули Гришаніна, Устименко, Вуліса.
Рішення рівняння руху твердої фази в закрученому потоці, яке одержано в безрозмірних перемінних, дозволяє встановити траєкторію часток і необхідну довжину корпусу прямоточного циклону.
Визначення часу перебування часток заданого діаметра і координати останньої щілини дозволяє розраховувати типорозміри прямоточних циклонів по вихідній витраті пилогазового потоку, радіусу циклона, його конусності і вибрати раціональні типорозміри для конкретних умов.
Приведено методику для розрахунку прямоточних циклонів при заданих витратах газу, фракційному складі і ефективності очищення.
У результаті виконаних досліджень стає доцільною розробка нових типів прямоточних циклонів із подовжнім щілинним відводом часток, що забезпечує зниження гідравлічного опору, зменшення металоємності і тобто експлуатаційних енерговитрат. Також доцільно в подальших дослідженнях провести теоретичний аналіз турбулентних течій у прямоточних циклонах для визначення стохастичних характеристик сепарації твердих дисперсних часток.
Список опублікованих автором праць за темою дисертації
1. Косенко Н.А. Экспериментальное исследование процесса очистки газовых выбросов от взвешенных веществ. // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2001. - Вип. 15.-С. 98-102.
2. Косенко Н.А. Стохастические характеристики очистки потока от пылевых частиц в прямоточном щелевом циклоне. // Вісник Харківського університету. Вип. 506. Серія: Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених м. Харкова, ч. 2. Харків, 2001., с. 160-163.
4. Шеренков И.А., Свистунова Н.А. (Косенко Н.А.) Исследование выделения частиц твердой фазы на цилиндрическом корпусе циклона. // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 1999. - Вип. 7. С. 242-247.
5. Шеренков И.А., Свистунова Н.А. (Косенко Н.А.) Стратифицированное течение с закруткой в цилиндрической трубе. // Гидравлика и гидротехника. - Киев.: Техника, 1999. - Вып.60. - С. 10-15.
6. Шеренков И.А., Свистунова Н.А. (Косенко Н.А.), Дерфель Е.А. Динамические характеристики закрученного осесимметричного потока в конической трубе. // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2000. - Вип. 10. - С. 95-101.
7. Шеренков И.А., Свистунова Н.А. (Косенко Н.А.) Время пребывания дисперсных частиц в аппаратах для очистки запыленного воздуха и сточных вод как показатель эффективности очистки. Научно-техническая конференция «Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов». Труды конференции. Т.ІІ, Харьков, 2000, с. 269-270.
8. Шеренков И.А., Косенко Н.А., Кравченко В.И., Дерфель Е.А. Очистка водных и газовоздушных потоков от диспергированных примесей как комплексный детерминированный и стохастический процесс. // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2001. - Вип. 12. - С. 77-81.