CC BY
30
УДК 532.527
Р. Р. Усманова, Г. Е. Заиков
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАКРУЧЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ ПОТОКОВ В ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЕ
Ключевые слова: газопромыватель; оптимальная скорость вращения; закрутка потока; гидравлическое сопротивление;
лопасти завихрителя.
Выявлено влияние интенсивности закрутки лопастного завихрителя на гидравлические характеристики дисперсных потоков. Установлена область режимов, в которой наблюдаются оптимальные гидродинамические условия процесса сепарации. Сформулированы рекомендации по выбору энергетически целесообразных условий интенсификации, которые предложено оценивать величиной оптимальной скорости вращения завихрителя, при которой отсутствует вторичный унос пыли.
Keywords: scrubber; the optimal speed of rotation; twist of stream; hydraulic resistance; vanes of the swirler.
The influence of the intensity of the furling vane swirler on the hydraulic characteristics of dispersed flows. The operating mode, in which the are observed optimal hydrodynamic conditions of the separation process. Recommendations on the choice of expedient conditions for the intensification of energy, which proposed to estimate the value of the optimal speed of rotation of the swirler, at which absent re-entrainment of dust.
1. Состояние вопроса, актуальность
В химической промышленности и смежных с ней отраслях производства используются газоочистные аппараты с закрученным движением дисперсной среды, эффективность которых полностью определяется гидродинамическим совершенствованием процесса сепарации. Из современных газоочистных аппаратов наиболее распространены циклоны, скрубберы, вихревые аппараты [1]. Как правило, эти аппараты отличаются способом организации закрученного потока и устройством узла разделения фаз. Основными недостатками известных устройств являются: низкая эффективность улавливания тонкодисперсных частиц, вторичный унос дисперсной фазы, высокое гидравлическое сопротивление, склонность к залипанию пыли.
Указанные недостатки ставят задачу поиска новых оригинальных конструктивно-схемных и технологических решений на основе перехода к современным газопромывателям нового поколения, в которых низкие энергетические затраты на газоочистку, эксплуатационная надежность и простота конструктивного оформления, сочетаются с высокой эффективностью процесса сепарации дисперсных частиц.
Несмотря на обширный теоретический и экспериментальный материал по исследованию процессов сепарации, накопленный применительно к аппаратам с закрученными потоками, ряд наблюдаемых в них явлений не может быть объяснен в рамках сложившихся представлений, а проблема повышения их эффективности остается острой. Сложность общей гидродинамической картины сепарации многофазных потоков, а также взаимодействие этих потоков между собой, обуславливает трудности ее математического описания [2]. Как показывают многочисленные исследования, воздействие на поток центробежных сил в результате вращения завихрителя сильно деформирует гидродинамическую картину течения
дисперсных потоков, что существенно влияет на эффективность процесса сепарации. Важными и актуальными, в связи с этим, являются мероприятия по исследованию влияния режимных и
конструктивных параметров на эффективность процесса газоочистки с оценкой вклада отдельных элементов для более детального понимания физического механизма центробежной
интенсификации.
2. Описание экспериментальной установки и методики исследования
На основании анализа конструкций современных аппаратов для очистки газа разработана и запатентована конструкция динамического газопромывателя. Аппарат снабжен вращающимся лопастным завихрителем и центральной трубой для подачи орошающей жидкости. Центробежные силы, возникающие при вращении ротора, обеспечивают дробление жидкости на мелкие капли, что обуславливает интенсивный контакт газов и улавливаемых частиц с жидкостью. Благодаря действию центробежных сил, интенсивному перемешиванию газа и жидкости и наличию большой межфазовой поверхности контакта, происходит эффективная очистка газа в пенном слое [3].
Исследования гидравлического сопротивления газопромывателя с завихрителем высотой 0,25м проводились на экспериментальной установке (рис.1). Величина гидравлических потерь определялась по разнице статического давления газового потока до и после ротора.
Ставилась задача определения гидравлического сопротивления орошаемого аппарата при изменении нагрузок по фазам, а также при принудительной закрутке потока, с учетом угловой скорости вращения ротора и изменении направления вращения лопастей завихрителя. В процессе исследования менялись следующие параметры: скорость газа на входе в завихритель и=1^25 м/с; угловая скорость вращения ротора ю = 0^100 с-1; направление вращения
завихрителя в диапазоне а<90° или а>90, где а-угол между вектором относительной скорости ю и вектором окружной скорости и; угол установки лопаток а=0^65°. Каждая серия опытов проводилась при переменных значениях скорости воздуха и орошения. Измерение локальных характеристик закрученного газового потока осуществлялось с помощью трехканального зонда. Обработка полученных результатов проводилась по известной методике [4]. Установлено, что зависимость (=и(ш) имеет возрастающий характер и в заданном диапазоне имеет однозначную связь, за исключением небольшой области при скоростях газа до 5^7 м/с (рис. 2).
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки: 1
- газопромыватель; 2 - привод; 3 - бункер пыли; 4
- электродвигатель; 5 - шнековый дозатор; 6 -вентилятор типа ВВД; 7 - диафрагма; 8,10 -дифманометры; 9 - пробозаборные трубки; 11 -электроаспиратор; 12 - напорный бак; 13 -ротаметры; 14 - пробоотборники
Рис. 2 - Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от режимных и конструктивных параметров процесса: 1 - а=30°; 2 - а=65°; 3 - а=45°
При максимальных относительных нагрузках по жидкой фазе ш=Ь/О наблюдается рост
гидравлического сопротивления. Это связано с возникающими в процессе работы затратами энергии газового потока на транспорт жидкости; при незначительном удельном орошении Ь/О сопротивление падает по сравнению с
гидравлическим сопротивлением сухого аппарата. В ходе экспериментов установлено, что при прекращении подачи орошающей жидкости гидравлическое сопротивление снижается не сразу, и только при просыхании стенок аппарата и лопастей завихрителя, принимает значения сухого аппарата. Снижение гидравлического сопротивления можно обосновать благотворным воздействием капельного слоя на поверхности лопастей завихрителя, уменьшением трения о стенки аппарата, а также подавлением турбулентных пульсаций газового потока каплями жидкости.
3. Оптимизация скорости и направления вращения лопаток завихрителя
При вращении ротора исследуемый завихритель предлагается рассчитывать, основываясь на теории центробежных вентиляторов, согласно которой величина теоретического давления, создаваемого вращающимся ротором, в предположении бесконечно большого числа лопаток, определяется по формуле [5]:
Ар
0,5 рю Б ! (0 ,5 ю Б 1 - Ш 1 соэ а )
1 +
1,5 + 1,1 а /90
2 (1 - Л 12)
(1)
где а - угол установки лопаток завихрителя; ю -угловая скорость вращения ротора; Ш] -относительная скорость газа на выходе; Б -внутренний и наружный диаметры завихрителя соответственно; 2 - число лопаток.
Выполнен анализ и оптимизация скорости и направления вращения лопаток завихрителя. Отмечено, что с увеличением угловой скорости вращения завихрителя величина уноса дисперсных частиц уменьшается и при определенной скорости вращения становится практически равной нулю. Поэтому можно ввести понятие "оптимальная скорость вращения", т.е. минимальная угловая скорость вращения, при которой отсутствует вторичный унос. Установлено, что для одного и того же угла установки лопаток а, оптимальная скорость вращения юопт зависит от направления вращения, т.е. от угла а'. После обработки экспериментальных данных, получена зависимость оптимальной скорости от направления вращения завихрителя:
ехр
- (1,06 + 0,034 и ) • со8 а -
- 2,18 • со8 2 а
(2)
Получены следующие рекомендации для проектирования: максимальная эффективность сепарации обеспечивается при установке лопаток на угол а= 10^30° и отрицательном направлении вращения, т.е. а'= 100 + 110°. Увеличение диаметра завихрителя Й, с одной стороны, затрудняет очистку газа, но с другой приводит к уменьшению осевой скорости газа и увеличению времени нахождения твердых частиц в зоне лопастей, в итоге сепарация улучшается (рис.3). С увеличением Й уменьшаются потери энергии в завихрителе, которые зависят от
ю> 0
СО
ОПТ
осевой скорости газа. Обобщением опытных данных установлено следующее соотношение:
Юо,
- БП-
(3)
шопт «(т-106)0
ш0ПТ -ехр(-0,018-10Ч)
(6) (7)
С увеличением относительного числа лопаток Т = п/г минимальная скорость вращения снижается, (рис.3).
Рис. 3 - Зависимость юопт от конструктивных параметров завихрителя: 1 - и= 34,5 м/с; 2 - и= 21,7 м/с; 3 - и= 13,5 м/с; 4 - и= 7,2 м/с
Это объясняется увеличением числа сепарирующих каналов и уменьшением расстояния между стенками канала, т.е. уменьшается путь движения частицы до стенок канала и повышается вероятность осаждения частицы. При сокращении числа лопаток уменьшается активность воздействия ротора на газовый поток, вследствие чего снижаются давление газа на выходе и затраты энергии на привод ротора. Однако число лопаток ограничивается условиями технологичности изготовления завихрителя и обеспечения его работоспособности [5,6]. Исходя из проведенных исследований и принимая во внимание условия технологичности изготовления завихрителя, число лопаток рекомендуется выбирать по следующему соотношению:
г ~ (100-110)- Б
Обобщением опытных данных установлено следующее соотношение:
Юо:
(4)
Из приведенного анализа следует, что увеличение числа лопаток может быть целесообразным в том числе, если требуется увеличение давления газа на выходе из аппарата и не является рациональным способом повышения эффективности очистки газа.
Также установлено влияние дисперсности твердой фазы при различных скоростях газового потока С и влияние расходов жидкой и газовой фаз т (рис.4).
Обобщением опытных данных установлены следующие соотношения:
Рис. 4 - Зависимость юопт от режимных параметров процесса сепарации: 1 - и= 34,5 м/с; 2 - и= 21,7 м/с; 3 - и= 13,5 м/с; 4 - и= 7,2 м/с
Для эффективного улавливания мелкодисперсных частиц требуется более высокая скорость вращения завихрителя и значительная нагрузка по жидкой фазе
т=Ь/О.
Увеличение расхода О очищенного газа при неизменном значении угловой скорости приводит к пропорциональному повышению осевой скорости газа и ухудшению сепарации пыли вследствие уменьшения продолжительности пребывания твердых частиц в лопатках завихрителя. Учитывая также, что гидравлические потери возрастают пропорционально квадрату осевой скорости газа, целесообразно обеспечивать умеренные значения и (до 25 м/с).
Увеличение оптимальной скорости юопт приводит к пропорциональному росту расхода газа и, следовательно, к уменьшению продолжительности пребывания частиц пыли в лопастных каналах. Но при этом пропорционально юопт2 растут центробежные силы. В итоге сепарация твердых частиц улучшается. Таким образом, увеличение угловой скорости ротора повышает эффективность очистки газа. Однако при этом увеличиваются расход энергии на привод аппарата (приблизительно пропорционально юопт2) и механические нагрузки на ротор.
Статистическая обработка данных позволила обобщить результаты эксперимента в виде регрессионной модели, дающей возможность оценить влияние конструктивных параметров динамического газопромывателя, а также газа и твердых частиц на оптимальную скорость вращения юопт.
юопт = 397.38• и165(т• 106)0316-031 • г105 х
< ехр[- 0.018 • 106Ср - (1,06 + 0,034и) • ео8 а - 2,18 • соэ2 а]
(8)
Юо,
(5)
Статистическая значимость регрессий представлена в таблице 1, где Я2 - коэффициент детерминации; Я^ - коэффициент корреляции; БШ - коэффициент Дарбина-Уотсона; с -среднеквадратичное отклонение; А - средняя абсолютная ошибка.
Таблица 1 - Статистическая значимость регрессий
Формула R Rk DW а, с 1 А, с"1
2 86,70 0,9311 0,61 0,0213 4,58
3 86,63 0,9308 0,56 0,0206 4,92
4 92,65 0,9625 2,51 0,0066 0,84
5 98,36 0,9918 1,40 69,29 2,78
6 97,19 0,9858 1,44 74,82 2,40
7 85,54 0,9249 1,04 0,306 0,83
Полученная зависимость аппроксимирует результаты эксперимента с точностью ± 1,5% и может применяться для оптимизации режима работы аппарата на практике.
Гидравлическое сопротивление с учетом влияния жидкой фазы может быть выражено суммой перепада давлений. Такие перепады будут складываться из сопротивления, возникающего при движении газа в сухом аппарате и напором, который необходимо сообщить газовому потоку, чтобы компенсировать сопротивление на транспорт жидкостного потока:
ДР = ДР +ДР
сух ор
(9)
Учитывая формулу (1), величина гидравлического сопротивления динамического газопромывателя рассчитывается по
полуэмпирической формуле [7]:
Д Р = Д Рсух + Д Рор + ДрИ> 0
(10)
Расхождение расчетных и
экспериментальных значений гидравлического сопротивления ротора не превышает 10% (рис.5).
Рис. 5 - Зависимость гидравлического сопротивления от скорости и направления вращения завихрителя
фазам. Исследование этих факторов и создание методики расчета гидравлического сопротивления являются важной задачей в снижении металлоемкости аппарата и энергозатрат на очистку газа.
Выводы
1. Рассмотрена одна из фундаментальных проблем гидродинамики, заключающаяся в целенаправленной интенсификации или подавлении турбулентности, движущейся в поле центробежных сил среды, что достигается с помощью вращающегося лопастного завихрителя. Основой управления турбулентностью среды является формирование области интенсивной закрутки, где ключевым параметром выступает угловая скорость вращения завихрителя œ.
2. Исследование гидродинамики и сепарации дало возможность оценить характер взаимосвязи основных аэрогидродинамических показателей от конструктивных особенностей аппарата. Выявлены оптимальные гидродинамические условия центробежной сепарации, которые предложено оценивать величиной оптимальной скорости вращения завихрителя <опт, при которой отсутствует вторичный унос пыли.
3. Получены следующие рекомендации для проектирования: максимальная эффективность сепарации обеспечивается при установке лопаток на угол а= 10-30° и отрицательном направлении вращения, т.е. а = 100 + 110°; увеличение числа лопаток не является рациональным способом повышения эффективности очистки газа; целесообразно обеспечивать умеренные значения и (до 30 м/с) и <опт (до 100 с-1).
4. Выработанные на основе экспериментального исследования и обобщения опытных данных рекомендации по инженерному расчету получены в реальном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров. Они могут быть использованы при расчете и проектировании газопромывателей различного назначения. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы также для верификации теоретических моделей.
Полученные выражения для определения гидравлических потерь сухого аппарата, потерь на транспорт жидкой фазы и потерь при принудительной закрутке потока позволяют рассчитать гидравлическое сопротивление в исследуемом диапазоне нагрузок по
Литература
1. Залогин Н.Г., Шухер С.М. Очистка дымовых газов. 220. (1984).
2. Коузов П.А. Сравнительная оценка циклонов различных типов. Обеспыливание в металлургии. 185-196. (1981).
3. Пат. РФ 2339435. (2008).
4. Усманова Р.Р., Заиков Г.Е. Исследование влияния условий закрутки на гидродинамику турбулентных потоков в газопромывателе Вестник ВолГУ. 2. 156-164.(2013).
5. Косточкин В. Н. Центробежные вентиляторы. Основы теории и расчета. 222. (1951).
6. Усманова Р.Р., Заиков Г.Е. Исследование гидродинамики газопромывателя с вращающимся лопастным завихрителем. Пластические массы. 12. 39-43.(2013).
7. Усманова Р.Р., Заиков Г.Е. Исследование влияния условий закрутки на гидродинамические характеристики дисперсных потоков. Вестник КТУ. Т. 16. 21. 264-269.(2013).
© Р. Р. Усманова - канд. техн. наук, доц. каф. СМ Уфимского госуд. авиационного технич. ун-та; [email protected]; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. каф. ТПМ Казанского национального исследовательского технол. ун-та; [email protected].
© R. R. Usmanova - PhD, Associate Professor of the Chair of Strength of Materials at the Ufa State Technical University of Aviation in Ufa, Bashkortostan, Russia, [email protected]; G. E. Zaikov - DSc. Professor of the Chair Plastics Technology Kazan National Research Technological University in Kazan, Tatarstan, Russia, [email protected]
