Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями
На правах рукописи
Темникова Елена Юрьевна ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ В ЦИКЛОНЕ С РЕЛЬЕФНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ 05.26.01 – «Охрана труда» (отрасль химическая)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово – 2010 2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Петрик Павел Трофимович
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Трясунов Борис Григорьевич доктор технических наук, профессор Злочевский Валерий Львович
Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования государственный архитектурно «Томский строительный университет» (ГОУ ВПО ТГАСУ)
Защита состоится «26» февраля 2010 года в 13 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.102.03 при Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета
Автореферат разослан «_» января 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Лесин Ю.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Химические вещества на всех стадиях технологического процесса, находясь в виде пыли, оказывают вредное воздействие на здоровье работающих, загрязняя воздух рабочей зоны. Промышленная пыль (аэрозоль) относится к наиболее распространенным вредным факторам, так как, воздейст вуя на органы дыхания человека, вызывает профессиональные заболевания – пневмокониозы. Для снижения запыленности среды используют процессы улавливания пыли в местах ее выделения и скопления с последующей очисткой запыленного воздуха в аппаратах-пылеуловителях. Наиболее значимой и рас пространенной системой пылеочистки является технологическая, т.е. очистка газопылевого потока при пневмотранспорте сыпучего материала.
Из современных аппаратов обеспыливания воздуха наиболее распростра нены циклоны, достоинством которых является их компактность, простота кон струкции, что обусловливает значительное снижение стоимости пылеулавли вающих установок. Основным недостатком циклонных аппаратов является воз растающая зависимость степени пылеулавливания и затрат энергии на прокачку запыленного потока через пылеулавливающее устройство. Указанные значи тельные энергозатраты на обеспыливание, в большинстве случаев относящиеся к химической и горной промышленности, ставят задачу поиска новых ориги нальных конструкторских и технологических решений на основе перехода от гладкостенных циклонных пылеуловителей к таким, у которых организация движения потока внутри аппарата способствовала бы снижению эксплуатаци онных расходов при очистке запыленных потоков без ущерба собственно эф фективности очистки. А именно к конструкциям пылеулавливающих уст ройств, включающим в себя установку рельефных поверхностей с отрывными зонами, так как одним из актуальных направлений современной гидродинамики является вихревая и струйная организация на поверхностях траншейных, лу ночных покрытий, каверн, вихревых ячеек, уступов, которая позволяет сущест венно повысить эффективность процессов, снизить аэродинамическое сопро тивление при обтекании таких поверхностей. Что является важным направле нием экспериментальных и модельных исследований с целью понимания физи ческого механизма вихревой интенсификации, управления и оптимизации про цессов в сепарационных и пылеуловительных установках.
Применение вычислительных технологий и пакетов программ, позволяет рассчитывать с приемлемой для практики точностью гидродинамические ха рактеристики в турбулентных пространственных стационарных отрывных вих ревых течениях на стадии разработки и проектирования промышленных уст ройств, в том числе пылеулавливающих, позволяя избежать необходимости до рогостоящих натурных испытаний.
Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научно исследовательских работ Кузбасского государственного технического универ ситета на 2005-2009 гг. «Гидродинамика, тепло- и массообмен в дисперсных системах», «Прикладная гидродинамика вихревых и закрученных потоков».
Целью работы является снижение запыленности воздуха в рабочих зонах промышленных предприятий путем использования циклонов.
Идея работы заключается в использовании рельефных поверхностей в циклоне с отрывом потока и созданием зон разрежения для улавливания мел кодисперсных частиц промышленной пыли.
Задачи работы:
1. На основе анализа конструкций циклонов разработать пылеуловитель с внутренними рельефными поверхностями.
2. Провести моделирование и экспериментально исследовать эффектив ность пылеуловителя с рельефными поверхностями, установить закономерно сти процесса пылеулавливания на основе аэродинамической структуры газово го потока.
3. Разработать методику расчета эффективности процесса пылеулавлива ния в аппаратах с рельефными поверхностями.
Объектом исследования является пылеуловитель с рельефными поверх ностями, предметом исследования – закономерности процессов пылеочистки и аэродинамики в циклонных аппаратах с зонами отрыва потока.
Методы исследования. Работа выполнена с применением патентно информационного анализа проблемы, методов математического моделирования (использование программного комплекса Flow), экспериментальных методов:
лабораторных, полупромышленных и натурных, измерений и наблюдений (с помощью скоростной цифровой видеокамеры).
Положения, выносимые на защиту:
1. Условиями эффективной работы и снижения гидравлического сопро тивления в 2 и более раза пылеуловителя с рельефными поверхностями являют ся его конструктивные особенности: а) уступы, расположенные по образующей цилиндрической части корпуса и ограниченные высотой входного участка;
б) устройство – полый усеченный конус, обращенный вверх, находящийся в нижней части цилиндрического корпуса пылеуловителя.
2. Эффективность работы пылеуловителя с рельефными поверхностями вплоть до 99,97 % достигается за счет зон разрежения, обусловленных срывом потока газа с уступа, при этом происходит разрушение пограничного слоя и се парация мелкодисперсных частиц пыли из основного потока, и наличия устрой ства, необходимого для транспортирования уловленной пыли из отрывных зон в бункер.
3. Эффективность процесса пылеулавливания в циклонах с рельефными поверхностями подчиняется экспоненциальной зависимости от инерционного критерия Стокса при полученных значениях постоянных a = 3,656 и n = 0,135.
Научная новизна:
1. Установлено, что конструкция пылеуловителя с отрывными зонами по зволяет эффективно проводить процесс очистки газопылевого потока с пони женным гидравлическим сопротивлением в сравнении с гладкостенными тра диционными циклонами. Впервые показано, что наличие отрывных зон на внутренних рельефных поверхностях способствует снижению гидравлического сопротивления циклона в 2 раза по сравнению с гладкостенными циклонами.
2. На основе исследований газодинамической структуры выявлено, что происходит сепарация мелкодисперсной фракции пыли в отрывные зоны.
3. Установлены коэффициенты a = 3,656 и n = 0,135 экспоненциальной зависимости коэффициента проскока частиц пыли от критерия Стокса K = e 3,656Stk, позволяющие рассчитывать циклоны с рельефными поверхно 0, стями с использованием универсальной номограммы и энергетического прин ципа М.И. Шиляева.
Практическая значимость:
1. Пополнен сформированный М.И. Шиляевым банк данных для характе ристик инерционных пылеуловителей, позволяющий пользоваться универсаль ным методом расчета инерционных пылеуловителей и энергетическим принци пом их сравнения.
2. Установлены промышленные образцы циклона с рельефными поверх ностями и проведены их натурные испытания в аспирационной транспортной системе установки сухого тушения кокса предприятия ОАО «Кокс» (г. Кемеро во).
3. Методика и результаты исследования используются в учебном процес се по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» в Кузбасском государственном техническом университете (включены в лекци онный курс и лабораторный практикум по дисциплинам «Процессы и аппараты химической технологии» и «Основы инженерного творчества», в тематику вы пускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студен тов).
4. По результатам исследования разработана конструкция пылеуловителя с рельефными поверхностями и получен патент Российской Федерации на изо бретение № 2316397 «Пылеуловитель мелкодисперсной пыли».
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных экспериментальных методик и метрологическими характеристи ками используемых измерительных приборов, а также согласием измеряемых величин различными методами и воспроизводимостью результатов.
Личный вклад. Наиболее значимыми результатами, полученными лично автором, являются: создание техники экспериментов;
проведение эксперимен тов по определению свойств пылей, их улавливанию в аппаратах, по гидроди намике в аппаратах;
обработка и представление первичных и обобщенных экс периментальных данных;
участие в постановке задачи по моделированию гид родинамических процессов пылеуловителей;
расчет для сопоставления энерге тических и пылеулавливающих характеристик аппарата с циклонами стандар тизированными;
участие в промышленных испытаниях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались автором на VIII, XI, XII международной научно-практической конференции «Химия – XXI век.
Новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2005, 2008, 2009), IV, V семи наре вузов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнер гетики» (Владивосток, 2005;
Иркутск, 2007), XXVIII Сибирском теплофизиче ском семинаре (Новосибирск, 2005), Международной научно-практической конференции «Инновационная энергетика» (Новосибирск, 2005), XIII всерос сийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Красноярск, 2009).
Публикации. Основное содержание работы
отражено в 12 печатных ра ботах, в том числе в: журналах из списка ВАК – 1, 1-ом патенте, материалах трудов конференций и семинаров – 9.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, введе ния и выводов. Работа содержит 175 страниц текста, в том числе 76 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 89 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность за поддерж ку и помощь при выполнении работы научному руководителю П.Т. Петрику, коллегам из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (г. Новоси бирск) А.Р. Богомолову, С.В. Алексеенко, Н.А. Прибатурину, А.А. Дектереву, М.Ю. Чернецкому, из КузГТУ Ю.О. Афанасьеву, работникам предприятия ОАО «Кокс» (г. Кемерово) С.Д. Тихову, Е.А. Кошелеву.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной рабо ты, сформулированы цели работы, положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна полученных результатов и обсуждена их практическая значи мость.
Первая глава носит обзорно-аналитический характер, в ней рассмотрены конструктивные особенности пылеуловителей, способы интенсификации про цесса пылеулавливания, методики расчета, сопоставления пылеулавливающих устройств.
Значительный вклад в развитие теории и техники пылеулавливания вне сли П.А. Коузов, А.И. Пирумов, В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Е.П. Теверовский, С.Б. Старк, В. Страус, М.И. Шиляев, В.Т. Стефаненко и др.
Первый раздел главы посвящен анализу существующих конструкций ци клонных пылеуловителей, в том числе использующих нетрадиционные реше ния, включающие в себя установку внутренних рельефных поверхностей с от рывными зонами. Анализ литературных источников показывает, что большин ство исследователей, занимающихся разработкой новых конструкций пыле улавливающих устройств, ставят целью создание циклонных аппаратов высо кой эффективности очистки, но не принимают во внимание при этом увеличе ние гидравлического сопротивления, причем нередко значительное. Стремле ние к оптимизации процессов пылеочистки, направленной на получение гармо ничного соотношения величин степени улавливания и гидравлических потерь газоочистительного оборудования – актуальное в настоящее время направление в создании энергоэффективных установок циклонного типа, как самых надеж ных и простых в изготовлении и эксплуатации.
Во втором разделе рассмотрены и обсуждены отрывные течения с созда нием зон разрежения, возникающих при классических турбулентных течениях, а именно вихревая и струйная организация, а также самоорганизация на по верхностях траншейных, луночных покрытий, каверн, вихревых ячеек, высту пов, уступов, которая позволяет существенно повысить эффективность тепло массообмена и снизить аэродинамическое сопротивление при обтекании таких поверхностей и предложить новые технические решения установок и аппара тов. Интерес к проблеме вихревой интенсификации сепарации частиц из газо пылевого потока в инерционных пылеуловителях с одновременным снижением их гидравлического сопротивления возник в результате анализа эксперимен тальных и теоретических работ П. Чжена, А.В. Горина, А.И. Леонтьева, И.А. Белова, С.А. Исаева, Н.А. Кудрявцева, Ю.А. Быстрова, Д.М. Марковича, Ю.Ф. Гортышова, В.И. Терехова и др. по турбулентным течениям при обтека нии тел с помощью организованных крупномасштабных вихрей. В разделе также отмечено, что экспериментальных и теоретических исследований, ка сающихся использования отрывных зон закрученных газовых потоков в качест ве сепарационных устройств пыли, в литературе не обнаружено.
Третий раздел содержит анализ имеющихся в литературе рекомендаций к расчету, сопоставлению и выбору различных пылеуловителей. Из них можно считать полными, достаточно строгими, надежными и с логической точки зре ния безупречными рекомендации к расчету и сопоставлению циклонов НИИОГАЗ. Однако, эти данные представлены отдельно для каждого типа ци линдрических и конических циклонов НИИОГАЗ, соответственно применение их для других видов пылеуловителей невозможно. В конце прошлого столетия М.И. Шиляевым была создана единая система расчета, оптимального выбора и компоновки инерционных пылеулавливающих аппаратов, включающая в себя банк данных по фракционным коэффициентам проскока и коэффициентам гид равлического сопротивления, математическое выражение энергетического принципа сравнения инерционных пылеуловителей и универсальную номо грамму с ее программным обеспечением. Разработанная система позволяет сравнивать новые аппараты с известными и определять их уровень как по каче ству газоочистки, так и по удельным энергозатратам на ее осуществление.
В заключение главы сформулированы основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена описанию техники экспериментов и методам исследования.
Первый раздел содержит описание экспериментального стенда и рабочих участков. Работа экспериментального стенда (рис. 1) осуществлялась следую щим образом. При помощи воздуходувки 6 воздух из атмосферы и пыль из спирального дозатора-питателя 3 поступают в трубопровод 4. Полученный при смешении пыли с воздухом аэрозоль вводится тангенциально в верхнюю часть пылеуловителя 1, в котором происходит отделение пыли от воздуха. Пыль со бирается в бункере 2, а очищенный воздух выходит через выхлопную трубу ци клона 1 и перед выбросом в атмосферу дополнительно проходит через рукав ный фильтр 7. Места измерения давления или разрежения обозначены поз. 8.
Рабочими участками выступали два пылеуловителя (рис. 1, поз. 1): ци клон из кварцевого стекла диаметром 85 мм и циклон из оцинкованного железа диаметром 250 мм. Размеры пылеуловителей характерны ЦН-15, кроме угла наклона входного патрубка, который был равен 0°. Пылеуловители имеют раз борную конструкцию, позволяющую получать из традиционных гладкостенных циклонов аппараты с внутренними элементами. В качестве внутренних элемен тов циклона диаметром 85 мм служат уступы 9, расположенные по образующей корпуса циклона (рис. 1), и устройство (полый усеченный конус, обращенный вниз, полый цилиндр или полый усеченный конус 10, обращенный вверх), на ходящееся в нижней части цилиндрического корпуса. Внутренними элементами циклона диаметром 250 мм служат 3 уступа-каверны 9 (зоны разрежения), рас положенные по образующим цилиндрической части циклона и ограниченные высотой входного патрубка, и усеченный полый конус 10, обращенный вверх, находящийся в нижней части цилиндрического корпуса (рис. 1).
При движении нисходящего внешнего вихря в пылеуловителе, имеющем внутренние элементы, за уступами, установленными по пути движения потока, в кавернах, создаются зоны разрежения. На срезе уступа запыленная струя по падает в ограниченное пространство с прилегающей боковой цилиндрической стенкой аппарата, искривляется и присоединяется к стенке на некотором удале нии от уступа, при этом за уступом создается отрывная зона, в которой зарож дается вихрь. Некоторая часть потока втекает в каверну от точки присоедине ния (возвратное течение) и циркулирует там. Это позволяет мелкодисперсным частицам пыли перемещаться из основной струи в отрывную зону. В отрывной зоне создается структура в виде спиралевидной вихревой нити, по которой вне сенные мелкие частицы перемещаются вниз, так как в нижней части каверны 1 3 А А Б-Б А-А продольное поперечное сечение сечение циклона 85 мм А-А циклонов поперечное 85 и 250 мм сечение 6 8 циклона Б Б 250 мм 7 2 Б Б места измерения разрежения Рис.1. Экспериментальный стенд происходит свободный сток, интенсивность которого зависит от общего расхо да и места расположения конуса 10 (внутреннего устройства) относительно вы хлопной трубы 11.
Второй раздел посвящен экспериментальному изучению характерных свойств (таких как дисперсный состав, плотность и сыпучесть) промышленных пылей, взятых на коксохи предприятии D, % мическом 1 - УП 99, 99, ОАО «Кокс» (г. Кемерово), 2 - КП УСТК и выбору пыли для прове- 3 - КП УМТК - - 4 - КП УСТК (Стефаненко, 1991) дения экспериментальных - - 5 -УП (Стефаненко, 1991) исследований по эффектив- 6 - УБВК ности пылеулавливания. На рис. 2 представлены ре- 60 5 1 зультаты анализа дисперс- ного состава исследуемых пылей и литературные дан ные (Стефаненко, 1991) по 55 коксовой пыли из аспира- ционной системы узла вы грузки УСТК (ОАО «Кокс», 0,1 0, г. Кемерово) и угольной 0,01 0, пыли из аспирационной, мкм 10 5 10 50 системы перегрузочного Рис. 2. Дисперсный состав угольных и коксовых пылей узла № 5 (Алтайкокс, г. За ринск) в вероятностно-логарифмической координатной сетке. Полученные зна чения среднеквадратичных отклонений приведены в табл. 1 для пылей, пред ставленных на рис. 2. Из табл. 1 видно, что исследуемые пыли, мельче, чем пы ли, представленные из литературных источников по этому же предприятию.
Таблица Среднеквадратичное отклонение пылей Среднеквадратичное № Пыль отклонение Угольная пыль (УП) 1 2, Коксовая пыль установки сухого тушения кокса (КП УСТК) 2 2, Коксовая пыль установки мокрого тушения кокса (КП УМТК) 3 2, КП УСТК (Стефаненко, 1991) 4 18, УП (Стефаненко, 1991) 5 3, Коксовая пыль установки беспылевой выдачи кокса (КП УБВК) 6 2, Для экспериментальных исследований по эффективности пылеулавлива ния выбрана коксовая пыль УСТК вследствие ее принадлежности к группе мел ко- и среднедисперсных пылей со среднеквадратичным отклонением 2,06, ме дианным размером 36,6 мкм, насыпной плотностью 661-706 кг/м3, углом есте ственного откоса 43,3° и подчиняющейся логарифмически-нормальному закону распределения частиц по размерам.
Третий раздел содержит описание методики измерений и проведения эксперимента. Представлены виды основных и дополнительных измерений, расчетные формулы, оценка достоверности определения расхода воздуха. К ос новным измерениям относятся: перепад давления на диафрагме для определе ния расхода воздуха, гидравлическое сопротивление циклона, разрежение в зо нах циклона, продолжительность процесса улавливания пыли, масса пыли по ступающей и уловленной в циклоне. Для проверки достоверности измеряемой величины расхода газового потока, полученной с помощью диафрагмы, исполь зовали метод определения расхода посредством стандартной трубки Пито. Из мерения проводили для трех различных расходов воздуха. Расхождения соста вили 1,22 3,46 %, что показывает на достаточную точность определения рас хода газа диафрагмой в ходе эксперимента.
Третья глава содержит результаты и анализ экспериментальных иссле дований по эффективности пылеулавливания, гидравлическому сопротивлению и гидродинамике потока в циклонах.
В первом разделе приведены результаты исследований влияния на эффек тивность конструктивных особенностей: уступов (отрывных зон) и устройства (усеченный конус) в нижней части цилиндрического корпуса. Визуализация скоростной камерой процесса, происходящего за уступом без усеченного кону са, показала, что вихревая нить с пылью сносится в основной поток. Обоснова на необходимость установки усеченного конуса в нижней части цилиндриче ского корпуса и его геометрия (конструкция). В результате выявлено, что тра диционный циклон по сравнению с циклоном, имеющем внутренние элементы (уступы и конус), улавливает пыль с практически одинаковой эффективностью (табл. 2) при соблюдении масштабного фактора, однако, при этом энергозатра ты на улавливание в традиционном циклоне в 2 раза выше, чем в пылеуловите ле с рельефными поверхностями.
Таблица Эффективность пылеулавливания циклона диаметром 250 мм Эффективность Концентрация пыли Тип циклона пылеулавливания, % в газовом потоке, г/м С внутренними элементами 98,59-99,47 8,6-14, Традиционный 99,60-99,78 11,8-15, Расчеты общей эффективности пылеулавливания при одинаковых энерго затратах показали (табл. 3), что в процессе пылеулавливания с использованием последовательной компоновки циклона с рельефными поверхностями (со сред ней степенью очистки 99 % для первого циклона из табл. 2 и меньшей – 93 % для второго) можно достичь большей эффективности очитки вплоть до 99,93 %, чем традиционным циклоном – 99,7 % (средняя эффективность пылеулавлива ния из табл. 2).
Во втором разделе представлены экспериментальные данные и их анализ по разрежению в зонах циклона диаметром 85 мм: на стенке традиционного гладкостенного циклона, за уступом (отрывная зона) циклона с рельефными поверхностями и в бункере. Показано, что до числа Re = 14103 (рассчитанного по приведенной скорости газа) разрежение за уступом и на гладкой стенке оди наковое (не создается отрывная зона за уступом). В диапазоне чисел Re = (14 25)103 за уступом создается большее разрежение, чем на стенке ци клона без установки уступа, но меньше, чем в бункере, вследствие чего пыль из основного потока перемещается в зону разрежения за уступом и отводится в бункер за счет разности давлений.
Таблица Эффективность пылеулавливания циклонов при одинаковых энергозатаратах Эффективности очистки по Общий коэф- Общая эф следовательно установлен фициент про- фективность Тип циклона ных циклонов, % очистки, % скока K, % 1 циклон 2 циклон С внутренними элементами 99 93 0,07 99, Традиционный нет циклона 99,7 0,3 99, Исследования по гидравлическому сопротивлению циклонов (рис. 3) по казывают, что циклон с внутренними элементами имеет гидравлическое сопро тивление меньше в 2 раза, чем традиционный, в иссле- Р, Па дуемом диапазоне условной скорости и соблюдении масштабного фактора. На рис. 4 и 5 представ- лены распределения стати ческого разрежения на стен ке циклона и схемы измере- ний: Рi – давление в точках замера, Р1 – давление в пер вой или верхней точке от- рывной зоны. 1,9, м/с 0,7 1 1,3 1,6 2, Из рис. 4 видно, что Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления длина отрывной зоны 1 ха- циклонов от приведенной скорости газа в циклоне:
рактеризуется постоянством линии, осредняющие экспериментальные данные:
1 – с гладкой цилиндрической стенкой (НИИОГАЗ);
давления на твердой стенке, 2 – с уступами и конусом в цилиндрической части размер же переходной об ласти 2 определяется из условия повышенного давления по сравнению с отрыв ной зоной и зоной пристенной струи 3. Область и положение переходной об ласти соответствует месту присоединения струи на стенке, которая характери зуется максимальным значением давления (минимальным разрежением) на стенке. Обычно размер переходной области не превышает размера высоты ус тупа. Несмотря на значительные отличия в характере течения закрученной струи от плоской можно, отметить аналогию качественной картины.
На рис. 5 представлена схема измерения разрежения по высоте цилинд рической части циклона и экспериментальные данные этих значений в зависи мости от глубины погружения выхлопной трубы при соотношении площадей Рi/Р1 (dt/d)2 = 0,16 и одинаковой ско 1, рости потока = 2,2 м/с. Из 1, 1, рис. 5 а, б видно, что изменение 1, разрежения по высоте циклона имеет скачкообразный характер 0, с резким уменьшением в зоне, 0, находящейся ниже уступов и 0, а дальнейшим увеличением в об 0, ласти установленного усечен li/l 0 0,2 0,4 0,6 0,8 ного конуса. Наибольшая эф фективность циклона была дос тигнута при глубине погруже ния h1 = 30 40 мм, что соот ветствует h1/hk = 0,12 0,16, которую можно принять опти мальной для соотношения площадей (dt/d) = 0,16. Для б глубин погружения выхлопной места измерения разрежения трубы 3040 мм характер изме нения разрежения заметно от Рис. 4. Распределение статического разрежения на твердой стенке за уступом: а) безразмерные ве- личается от других случаев.
личины;
б) схема точек измерений:
– 1,48 м/с;
– 2,10 м/с;
– 2,22 м/с 0,93 0,96 0,99 1,02 Рi/P 1, Разрежение в отрывной зоне по вы- P1 соте уступа резко возрастает в сере- dt дине высоты уступа, остается затем d постоянным в нижней части уступа, а в нижней области установленного hk конуса разрежение равно или выше разрежения в отрывной зоне самой верхней части корпуса цилиндра.
Третий раздел посвящен ана- 0 h лизу динамических характеристик циклонов. На рис. 6 представлены результаты измерения скоростей ос- б а 350 б новного потока и потока в отрывной зоне. В основном потоке имеется места измерения разрежения максимум скорости, находящийся на расстоянии 1 мм от среза усту- Рис. 5. Распределение статического разреже ния по высоте корпуса циклона hk для различ па в пристенной зоне, затем значи- ных глубин погружения h выхлопной трубы:
тельное уменьшение на некотором а) схема точек измерения;
удалении от стенки, далее в цен- б) безразмерные значения: h1/hk,:
тральной части скорость практиче- – -0,08;
– -0,04;
– 0;
– 0,04;
– 0,08;
– 0,12;
+ – 0,16;
–0, ски постоянна, и вновь у выхлопной трубы резко снижается. Наличие «впадины» или «провала скорости» на не большом удалении от стенки в районе среза уступа, полагаем, связано с тем, что часть массы потока, обога щенного частицами пыли вносит R, мм ся в зону разрежения из пристен- ной области, создавая сразу за ней на некотором участке уменьшение Основной средней расходной скорости. поток Для отрывной зоны на рис. 6 представлены профили тангенци альной u и аксиальной скорости, А которые показывают, что в ней происходит вращательное движе- r, мм 25 10, м/c ние потока, направленного вниз в 15 А-А r, мм виде винтовой линии и имеющего 05 15 форму разнотолщинной цилинд- рической трубы. В отрывной зоне с небольшим смещением от цен- 0 А u, м/c тра существует область непод- вижного цилиндра, где нет вра- Отрывная, м/c зона щающегося потока. Аксиальная скорость потока в зоне разрежения Рис. 6. Профили скоростей в основном потоке и достигает 3 м/с, что говорит о дос- в отрывной зоне таточно быстром перемещении частиц пыли с газовым потоком вниз, в то время как приведенная скорость рав на 2 м/с. Расход потока через одну отрывную зону составляет 0,3 0,5 % от общего расхода газа в циклоне.
Четвертый раздел содержит обоснование выбора системы вентиляции для снижения запыленности в рабочих зонах промышленного предприятия.
Графический метод наложения характеристик вентилятора и сети, содержащей традиционный циклон или пылеуловитель с рельефными поверхностями, пока зал, следующее. В случае сети с циклоном с рельефными поверхностями венти лятор дает большую производительность равную 430 м3/ч, а для сети с тради ционным циклоном меньшую – 355 м3/ч. Соответственно при использовании системы вентиляции с циклоном с рельефными поверхностями из рабочей зоны будет забираться большее количество запыленного воздуха (воздухообмен по борьбе с пылью) и притекать большее количество чистого воздуха, что в ре зультате позволить снизить концентрацию пыли в рабочей зоне промышленно го предприятия в 1,21 раза (например, с 10 мг/м3 до 8,26 мг/м3), если считать, что приточный воздух не содержит пыли и интенсивность пылевыделения не изменяется.
Четвертая глава посвящена моделированию гидродинамических про цессов в пылеуловителях. Проведены исследования режимов течения в модель ном циклоне, имеющем рельефные поверхности, создающие отрывные зоны, и в циклоне традиционного исполнения типа НИИОГАЗ с соблюдением мас штабных областей. Для расчета использовался программный комплекс Flow.
В качестве граничных условий на входе задавался расход воздуха, на выходе – условия Неймана. Для расчета использовалась многоблочная структурирован ная сетка, состоящая из 48 блоков для циклона с внутренними элементами, из 42 блоков – традиционного, количество узлов 530000. Численный анализ тече ния газа внутри циклонного аппарата выполнен на основе решения широко из вестных уравнений Навье-Стокса, замкнутых с помощью модели турбулентно сти k- Чена.
Профиль тангенциальной скорости (рис. 7) в циклоне с рельефными по верхностями, полученный численным решением, качественно согласуется с экспериментом (два максимума у стенок образующей поверхности цилиндра и выхлопной трубы и «впадина в центральной части), но количественно отли чается большими значениями скоростей на 20-30 %. Профиль тангенциальной скорости в гладкостенном циклоне (традиционном) имеет выпуклую форму с одним максимумом, расположенным ближе к цилиндрической стенке, резуль татом которого, полагаем, является действие центробежных сил.
Экспериментальные результаты измеренных скоростей основного потока струи в аксиальном направлении (рис. 8) показывают, что вблизи стенки вы хлопной трубы в пристенном слое имеет место достаточно интенсивное тече ние. Вблизи же криволинейной поверхности циклона (вдоль уступа) в пристен ной области наблюдается резкое и значительное снижение аксиальной скорости практически до нуля. В центральной части потока струи аксиальная скорость имеет фактически постоянное значение. Численное моделирование по расчету аксиальных скоростей потока струи показывает качественное согласие для ци клона с выступами только эффекта снижения скорости у стенки циклона. Тол щина области с меньшей скоростью значительно больше. Расчет показывает, м/с u, м/с эксп. дан. цикл. с вн. эл.
расчет традиц. цикл.
расчет цикл. с вн. эл.
эксп.дан.цикл.с вн.эл.
расчет традиц. цикл.
расчет цикл. с вн. эл.
r/R r/R Рис. 8. Аксиальная скорость Рис. 7. Тангенциальная скорость в циклоне (сечение А-А рис. 1) в циклоне (сечение А-А рис. 1) заметно меньшие значения скоростей. Что касается традиционного циклона, то расчетные значения аксиальных скоростей чуть меньше, чем расчетные для ци клона с выступами.
Из проведенного анализа вытекает, что экспериментальные результаты по тангенциальным и аксиальным скоростям для циклона с внутренними элемен тами качественно согласуются с численным моделированием. При сравнении этих данных с рассчитанными результатами для традиционного циклона можно сделать вывод, что в циклоне с рельефными поверхностями по сравнению с гладкими тангенциальная скорость имеет меньшие значения, а аксиальная – большие. Полагаем, что такое соотношение скоростей должно повлиять на об щее гидравлическое сопротивление циклона, т.е. сопротивление циклона с внутренними элементами будет меньше, чем традиционного циклона. Экспе риментальные результаты подтверждают этот вывод (см. рис. 3).
На эффективность пылеулавливания оказывает большое значение распре деления давлений и скоростей как в продольном, так и в поперечном сечении циклона. Численный расчет модулей скорости в продольном и поперечном се чении (см. рис. 1) приведен на рис. 9.
Представленные изолинии модуля скорости отнесены к скорости во входном патрубке. Анализ показывает, что в продольном сечении скорость те чения вблизи стенки цилиндра и конусной части циклона с гладкой стенкой имеет большие значения, чем в циклоне с кавернами. Такая же картина соот ветствует и для поперечного сечения. Только в области первой каверны вниз по потоку скорости мало отличаются в этих двух циклонах. Низкие скорости в от рывных зонах согласуются с экспериментально измеренными. Но более низкое давление в кавернах обусловлено вихревым движением, а значительное увели чение скорости в области стока (нижняя часть отрывной зоны) позволяет на дежно перемещать частицы сепарированной пыли из основного потока в на правлении бункера, несмотря на то, что скорости в продольном сечении мень ше, чем в гладком циклоне. Скорости внутреннего восходящего потока в иссле дуемых циклонах практически не отличаются друг от друга. Необходимо отме тить, что более устойчивое течение в выхлопной трубе наблюдается в гладком циклоне.
Показанные изолинии давления в продольном и поперечном сечении (см.
рис. 1) для исследуемых циклонов на рис. 10 говорят о равномерном и равном давлению во входном участке, вдоль всей внутренней поверхности, распреде лении давлений в гладком циклоне и более низком и неравномерном давлении в циклоне, имеющем каверны, как в восходящем и нисходящем потоках, так и в поперечном сечении циклонов. Необходимо обратить внимание на результаты расчета циклона с рельефами, что в отрывных зонах наблюдается пониженное давление как по сравнению с основным потоком, так и с областями присоеди нения (натекания) основной струи на криволинейную поверхность стенок ци клона. Неравномерность давлений в циклоне с внутренними элементами оказы вает снижающее действие на эффективность очистки. При сравнении экспери ментальных данных для циклонов по степени очистки выявлено, что снижение эффективности циклона с внутренними элементами по сравнению с гладким циклоном незначительное (менее 0,7 %), хотя по степени неравномерности дав лений отличия более заметные. Полагаем, что неравномерность давления ком пенсирована положительным влиянием наличия отрывных зон, способствую Рис. 9. Изолинии модуля скорости в про- Рис. 10. Изолинии давления в продольном и поперечном сечении циклона дольном и поперечном сечении циклона щих улучшению сепарации мелких частиц пыли из основного потока в зоны разрежения и сносу их вниз вначале по спиралевидной траектории, а затем по стенкам конической части циклона в бункер.
Как показали расчеты, в традиционном циклоне гидравлическое сопро тивление ( = 491) больше, чем в конструкции с внутренними элементами ( = 334) в 1,5 раза при тех же начальных условиях, что связано с меньшими тангенциальными и более высокими аксиальными скоростями в конструкции с уступами. Экспериментальные исследования показали снижение перепада давления для конструкции с уступами в 2 раза.
Энергия турбулентных пульсаций в поперечном сечении и по высоте ци клона имеет бльшие значения в традиционной конструкции приблизительно на 9%, чем в циклоне с уступами, что приводит к лучшей дисперсии частиц в потоке и увеличению эффективности циклона. Опыты подтвердили незначи тельное снижение значения эффективности циклона с уступами по сравнению с традиционным циклоном.
Пятая глава посвящена сопоставлению энергетических и пылеулавли вающих характеристик циклона с внутренними элементами с известными ци клонными аппаратами.
В первом разделе определены константы a = 3,656 и n = 0,135, которые позволят рассчитывать пылеуловитель с внутренними элементами с помощью универсального метода и сопоставить с другими аппаратами на основе энерге тического принципа М.И. Шиляева. В результате получена зависимость фрак ционного коэффициента проскока K от инерционного числа Стокса Stk = /d (где – время динамической релаксации частицы пыли, – приведенная ско рость газа в пылеуловителе диаметром d) K = e 3,656Stk, 0, с помощью которой можно рассчитывать аппараты данного типа, используя универсальную номограмму и энергетический принцип. Также определение констант a, n и коэффициента сопротивления пылеуловителя с внутренними элементами позволило пополнить банк данных по характеристикам инерцион ных пылеуловителей, предложенный М.И. Шиляевым.
Во втором разделе с помощью энергетического принципа проведено со поставление с циклонными аппаратами НИИОГАЗ. Пылеуловитель с внутрен ними элементами по энергетическому принципу сравнения имеет удельные энергозатраты близкие с циклонами ЦН-15у и ЦН-24. С другими циклонами НИИОГАЗ конкурировать циклону с внутренними элементами по энергозатра там сложно. Обращает на себя внимание линейный размер циклонных аппара тов с меньшими энергозатратами, таких как СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и СЦН-40, который значительно превышает величину d циклона с внутренними элемента ми практически вдвое. При ограничении в габаритах, что нередко можно встре тить на производстве, циклон с внутренними элементами может достойно за нять место для процессов очистки газопылевых потоков с целью создания нор мальных условий окружающей среды как в производственных помещениях, так и в технологических системах.
Шестая глава содержит результаты промышленных испытаний цикло нов с внутренними элементами 560 мм и 700 мм на УСТК коксохимического предприятия ОАО «Кокс» (г. Кемерово), которые были спроектированы по ре зультатам лабораторных исследований и аналогичны лабораторной модели пы леуловителя 250 мм.
Производственные испытания на эффективность и гидравлическое сопро тивление двух действовавших циклонов при последовательном соединении по казали, что их гидравлическое сопротивление при расходе 2400-3000 м3/ч равно 3000-3300 Па, а общее сопротивление двух циклонов с внутренними элемента ми при последовательном включении в работу составило 880-1020 Па. Видно, что сопротивление новых циклонов (с внутренними элементами) в 3 раза меньше действующих. Эффективность очистки воздуха одного циклона с усту пами 700 мм и двух действующих циклонов практически одинакова и в сред нем составляет около 80 %.
Пониженное сопротивление нового циклона позволяет успешно переме щать пыль (исчезло периодическое забивание аспирационной транспортной системы пылью) от установки сухого тушения кокса в пылеосадительную сис тему. Кроме того, низкое гидравлическое сопротивление нового циклона по зволяет достаточно легко поддерживать необходимый высокий с незначитель ными отклонениями расход воздуха в транспортной системе, что позволяет транспортировать пыль с большим расходом, а значит и с большей концентра цией. Время для транспортировки одинакового объема пыли сокращается почти в 4 раза.
Достоинством новых циклонов является низкое гидравлическое сопро тивление по сравнению с гладкостенными циклонами при прочих одинаковых условиях и параметрах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертационное исследование является научно-квалификационной ра ботой, в которой представлено решение актуальной технической задачи, за ключающейся в создании и разработке средства коллективной защиты от про мышленной пыли работников химических, горных и металлургических пред приятий. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие выводы:
1. Разработана новая конструкция эффективного циклона, имеющего рельефные поверхности с отрывными зонами и обращенным вверх усеченным конусом, обладающего меньшим, в 2 раза, аэродинамическим сопротивлением по сравнению с гладкостенным. Снижению гидравлического сопротивления циклона способствует наличие отрывных зон на рельефных поверхностях.
2. Моделирование турбулентного течения газа в пылеуловителе нового типа и гладкостенного на основе программного комплекса Flow показало, что:
– расчеты картины течения в циклоне качественно удовлетворительно со гласуются с экспериментальными данными;
– численные значения энергии турбулентных пульсаций для гладкостен ного и нового типа циклонов удовлетворительно согласуются с эксперимен тальными данными по эффективности пылеулавливания этих пылеуловителей;
– снижение гидравлического сопротивления циклона с внутренними эле ментами по сравнению с гладкостенным аппаратом происходит вследствие пе рестройки течения: уменьшение тангенциальной скорости с одновременным увеличением аксиальной скорости потока в циклоне.
3. Получена расчетная зависимость, основанная на универсальном методе М.И. Шиляева, для определения основных характеристик нового типа цикло нов, позволяющая производить экономически обоснованный выбор пылеулови теля.
4. Пополнен банк данных по характеристикам инерционных пылеулови телей новым циклоном на основе экспериментально определенного коэффици ента сопротивления и параметров, входящих в экспоненциальную зависимость для коэффициента проскока.
5. Данные промышленных испытаний циклонных аппаратов с внутрен ними элементами на ОАО «Кокс» хорошо согласуются с данными эксперимен тальных исследований лабораторных образцов.
В результате внедрения разработанного научно-технического решения будет достигнут положительный эффект, связанный со снижением пылевыде лений, в сфере охраны труда работников химических, коксохимических, гор ных, металлургических предприятий.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ В изданиях, рекомендованных ВАК 1. Богомолов, А. Р. Экспериментальная установка по исследованию аппа рата сухого пылеулавливания / А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик, Е. Ю. Темнико ва // Вестник КузГТУ / Гос. образоват. учреждение Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2005. – № 4.2. – С. 67-71.
Патенты 2. Пат. 2316397 Российская Федерация, МПК51 В 04 С 5/107. Пылеулови тель мелкодисперсной пыли / А. Р. Богомолов, Ю. О.Афанасьев, С. Д. Тихов, Е. А. Кошелев, П. Т. Петрик, Е. Ю. Темникова;
заявитель и патентообладатель ГУ КузГТУ - № 2006122092/15;
заявл. 20.06.06;
опубл. 10.02.08. Бюл. № 4. – 9 с.: ил.
Статьи в других изданиях 3. Темникова, Е. Ю. Исследование характеристик циклона с внутренни ми элементами / Е. Ю. Темникова, А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик // Вестник КузГТУ / Гос. образоват. учреждение Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2009. – № 2. – С. 140-144.
Материалы конференций и семинаров 4. Богомолов, А. Р. Дисперсность и плотность пылей коксохимических предприятий / А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик, Г. С. Пермякова, Е. Ю. Темнико ва // Химия – XXI век: новые технологии, новые продукты: тр. VIII междуна род. науч.-практ. конф., 10-12 мая 2005 г. – Кемерово, 2005. – С. 107-112.
5. Богомолов, А. Р. Исследование эффективности очистки пылеуловителя, имеющего сепарационные зоны / А. Р. Богомолов, Е. Ю. Темникова. // Про блемы теплофизики и теплоэнергетики: сб. докл. IV семинара вузов Сибири и Дальнего Востока, 18-20 сент. 2005 г. – Владивосток, 2005. – С. 219-220.
6. Богомолов, А. Р. Организация процессов сепарации запыленных пото ков, сопровождающихся эффектом Коанда / А. Р. Богомолов, Е. Ю. Темникова [Электронный ресурс]. // Сборник трудов XXVIII сибирского теплофизического семинара, 12-14 окт. 2005 г., Новосибирск. – Электрон. текстовые дан.– Ново сибирск, 2005. – 1 электрон. диск (CD-ROM). – Систем. требования:
Windows 95 и выше;
дисковод CD-ROM48х. – Загл. с экрана.
7. Богомолов, А. Р. Энергозатраты и эффективность циклонных аппара тов, имеющих зоны разрежения / А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик, Е. Ю. Темни кова [Электронный ресурс]. // Сборник материалов Международной научно практической конференции «Инновационная энергетика», 15-16 нояб. 2005 г., Новосибирск. – Электрон. текстовые дан.– Новосибирск, 2005. – 1 электрон.
диск (CD-ROM). – Систем. требования: Windows 95 и выше;
дисковод CD-ROM48х. – Загл. с экрана.
8. Темникова, Е. Ю. Пылеуловитель с рациональными элементами вы сокой очистки при пониженных энергозатратах / Е. Ю. Темникова, А. Р. Бого молов // Проблемы теплофизики и теплоэнергетики: мат. V семинара вузов Си бири и Дальнего Востока, 26-30 сент. 2007 г. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. – С. 15-19.
9. Темникова, Е. Ю. К расчету пылеуловителя с рациональными элемен тами на основе универсального метода / Е. Ю. Темникова,П. Т. Петрик, А. Р. Богомолов // Энергетика: экология, надежность, безопасность: мат. док.
XIII всеросс. науч.-техн. конф., 5-7 декаб. 2007 г. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – С. 258-261.
10. Богомолов А. Р. Влияние зон разрежения пылеуловителя на общее гидравлическое сопротивление / А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик, Е. Ю. Темни кова // Химия – XXI век: новые технологии, новые продукты: тр. XI междуна род. науч.-практ. конф., 22-25 апр. 2008 г. – Кемерово, 2008. – С. 265-267.
11. Темникова, Е. Ю. Сравнение рабочих характеристик традиционного циклона и имеющего внутренние элементы с помощью программного комплек са FLOW / Е. Ю. Темникова, М. Ю. Чернецкий // Химия – XXI век: новые тех нологии, новые продукты: тр. XII международ. науч.-практ. конф., 21-24 апр.
2009 г. – Кемерово, 2009. – С. 131-132.
12. Темникова, Е. Ю. Анализ газодинамических структур течения в пы леуловителе, имеющем внутренние элементы, с помощью программного ком плекса Flow / Е. Ю. Темникова, М. Ю. Чернецкий, А. А. Дектерев, А. Р. Бого молов // Всерос. семинар кафедр вузов по теплофизике и энергетике: тез. докл., 13-15 мая 2009 г., Красноярск. – Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 2009. – С. 106-106.
Подписано в печать 15.01.2010 г. Формат 6084 1/ Печать – цифровая. Усл. п.л. 1,2.