Обобщение зависимостей между режимно-конструктивными параметрами, структурой потоков и интегральными характеристиками вихревого аппарата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ • ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ, ГИДРОПНЕВМОАГРЕГАТЫ

УДК 532.527

В. С. ЖЕРНАКОВ, Р. Р. УСМАНОВА

ОБОБЩЕНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ МЕЖДУ РЕЖИМНО-КОНСТРУКТИВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ, СТРУКТУРОЙ ПОТОКОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

ВИХРЕВОГО АППАРАТА

Разработан метод расчета, позволяющий определить оптимальные режимные параметры и конструктивные размеры барботажно-вихревого аппарата. Критерием оптимизации является минимальная стоимость очистки газа при обеспечении наибольшей эффективности пылеулавливания. Пыль; очистка; эффективность очистки; гидравлическое сопротивление; лопасти; закрутка; стоимость очистки

Проблема очистки газовых выбросов от мелкодисперсной примеси является одной из актуальных в газоочистке и давно выдвинута на первый план экспериментальных и теоретических исследований.

Одним из наиболее перспективных методов повышения эффективности пылеулавливания мелкодисперсных частиц является мокрая очистка. Для этого метода характерны сложные массообменные процессы в ходе взаимодействия газодисперсного потока с каплями орошающей жидкости, в результате чего изменяются скорость и концентрация фаз, определяющие газоочистку.

Имеющиеся исследования в данной области показывают сильную чувствительность выходных характеристик к режиму и конструкции аппарата, что свидетельствует о качественно различной гидродинамике потоков при разных значениях режимно-конструктивных параметров.

Таким образом, систематизированное рассмотрение гидродинамики и эффективности работы вихревых аппаратов, получение и обобщение зависимостей между режимно-конструктивными параметрами аппарата, создание эффективных и технологичных конструкций и освоение их серийного выпуска для широкого внедрения в промышленную практику является актуальной задачей.

1. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ БАРБОТАЖНО-ВИХРЕВОГО АППАРАТА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ЛОПАСТЯМИ

Для оптимизации барботажно-вихревого аппарата были проведены экспериментальные

исследования. Эксперименты проводились по единой методике [2] сравнительных испытаний пылеуловителей на барботажно-вихревом аппарате с цилиндрической камерой длиной 0,6 м и диаметром 0,2 и 0,4 м.

Барботажно-вихревой аппарат с регулируемыми лопастями (рис. 1) содержит цилиндрическую камеру 6 с входной трубой 4. В цилиндрической камере 6 установлен завихритель 5 газового потока, представляющий собой четыре лопасти, изогнутые по синусоидальной кривой. Регулировка положения лопастей осуществляется путем поворота эксцентриков, скрепленных с цилиндрической камерой 6 посредством пружинных шайб и контргаек [1].

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 -цилиндрическая камера; 2 - входная труба; 3 - завихритель; 4 - центральная форсунка; 5 - периферийные форсунки; 6 - труба перетока шлама;

7 - шламосборник; 8 - циклон

Барботажно-вихревой аппарат с регулируемыми лопастями работает следующим обра-

Контактная информация: (347) 273-05-23

зом:

Перед завихрителем газового потока установлена центральная форсунка 3, а после за-вихрителя расположены периферийные форсунки 2, в которые подается орошающая жидкость. Отвод дисперсных частиц осуществляется по трубе перетока шлама 7 в шламосбор-ник 8.

Запыленный газ подается в цилиндрическую камеру 6, где завихритель 5 при помощи лопастей, закрепленных в радиальных пазах стержня, отклоняет поток и придает ему вращательное движение. Под действием возникающей при этом центробежной силы дисперсные частицы перемещаются к стенкам аппарата. Для регулирования положения лопастей на входе и выходе каждой лопасти 5 предусмотрены два выступа, посредством которых лопасть находится в контакте с парой эксцентриков. Эксцентриками осуществляется поворот лопастей на входном и выходном участках цилиндрической камеры 6 в различных направлениях, благодаря чему лопасти 5 устанавливаются в положение, соответствующее наибольшей эффективности пылеулавливания.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА

Исследования проводились на барботажно-вихревом аппарате с цилиндрической камерой диаметром 0,2 и 0,4 м. В качестве модельной системы были исследованы воздух и порошок талька с размером частиц й = 2 ^30 мкм.

При этом определялась общая и фракционная эффективность очистки. Исследовалось влияние на показатель эффективности очистки режимных параметров, в качестве которых служили общий расход воздуха через барбо-тажно-вихревой аппарат, расход воды, коэффициент закрутки К.

Установлено, что с увеличением расхода воздуха происходит возрастание коэффициента очистки (рис. 2).

Определены оптимальные с энергетической точки зрения границы пропускной способности аппарата: нижний предел соответствует условной скорости в сечении - 5 м/с, максимальный расход ограничен скоростью 15 м/с. При работе барботажно-вихревого аппарата ниже минимальной скорости происходит снижение степени очистки, выше максимальной - резкий рост гидравлического сопротивления.

Установлено также влияние коэффициента закрутки завихрителя К на величину эффективности пылеулавливания: с ростом К степень очистки возрастает. Определен диапазон величин К, при котором обеспечивается относи-

тельно высокая эффективность улавливания частиц (Кт1П = 5, Ктах = 8). При К = 1 наблюдается значительное снижение эффективности очистки, при К > 10 эффективность остается практически на постоянном уровне, но потери давления в аппарате существенно возрастают. Исследовано влияние диаметра аппарата на эффективность очистки: с увеличением диаметра эффективность улавливания снижается, причем чем меньше медианный диаметр частиц, тем больше величина падения эффективности очистки.

Рис. 2. Зависимость эффективности пылеулавливания от скорости газового потока (пыль: порошок талька, йт = 10 мкм; о = 3,64;

ри = 2650 кг/м3; г = 5 г/м3)

Проведен критический анализ существующих методов расчета эффективности улавливания центробежными пылеуловителями.

В области конструирования вихревых аппаратов не существует единой методики. Отсутствуют строго обоснованные универсальные рекомендации по рациональному выбору геометрических параметров вихревых аппаратов.

Предлагается методика расчета, единая с методикой расчета циклонов [3], по которой общая и фракционная эффективность пылеулавливания может быть определена аналитически:

п = 50 [1 + Ф(х')], (1)

где

й50

й50 • к-103 • 1в • ^

Рч

ю2 +1 "21 й50

Пф=2 •&+ф(х)],

г

X =

•к 103

В-аг

о

При предварительных расчетах общий коэффициент очистки может быть определен графическим методом (рис. 3).

С является функцией только геометрических параметров аппарата и может быть рассчитана для проектируемых аппаратов по известной методике [4].

Рис. 3. Эффективность очистки газов в зависимости от произведения параметров с ■ у

у - модифицированный инерционный параметр, характеризующий состояние пылегазовой смеси.

18- Рч- +1)

18-т г -в

Коэффициент п определяется по формуле

п = 1 -(і - 0,0165- В °,15) • ,

V ' ^283)

где Тг - абсолютная температура газа, К.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Исследовались потери давления в барбо-тажно-вихревом аппарате в зависимости от его режимно-конструктивных параметров.

Установлено, что наиболее эффективным и экономичным является режим работы при К = 5-8 [5].

Предложена методика расчета потери давления и удельных энергозатрат на пылеулавливание, которые определяются по формулам

Е =

АР = Х

АР

3600,

кВт ■ ч / 1000 м .

Экспериментально установлена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от режимных и конструктивных параметров аппарата, которая складывается из коэффициента гидравлического сопротивления «сухого» аппарата

X = -

^сух

п

1

А

и потерь напора на транспорт жидкости

Хтр = 4-|

0,6

Окончательная зависимость для расчета орошаемого барботажно-вихревого аппарата

X =1

^ор

п

к

^1

1+£1

. рг

( 2)

1 + -

Полученная формула учитывает наличие дисперсной фазы и частичную потерю закрутки потока. Учет потерь на транспорт жидкости выполнен путем формального применения принципа аддитивности £,.

Интенсивность закручивания газового потока оценивалась геометрическим коэффициентом закрутки Кг

К = 32 • ф 1.

Г я2 дх Б

Поскольку значение Кг не совпадает с истинным коэффициентом закрутки, то принимается следующее соотношение

К = 1,4 • К

0,72

Результаты опытов представлялись графическими зависимостями гидравлического сопротивления от режимно-конструктивных параметров (рис. 4, 5).

а

ч

Р

Ч

2

+

2

к

г

2

+

X

г

1

X

30 17 (4 I1

К

о.»к» о ох <1.10 о.)2 0.15

Рис. 4. Зависимость 2 от удельного орошения аппарата

]; кит -I ЬиСч .

11.1(3 0.66 Ц.4Д

0.27 М. 16

(1.1 IX

з ' X и (3 20 ~

Рис. 5. Зависимость энергозатрат на пылеулавливание и гидравлического сопротивления от скорости газа в аппарате

4. РАСЧЕТ СТОИМОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ

С помощью полученных ранее соотношений, связывающих эффективность пылеулавливания и гидравлическое сопротивление с режимно-конструктивными параметрами барбо-тажно-вихревого аппарата, разработана методика расчета, позволяющая выбрать аппарат с такими режимными и конструктивными параметрами, при которых он бы обеспечивал требуемые технологические параметры при минимальной стоимости очистки.

Основными компонентами стоимости очистки являются стоимость пыли, неуловленной барботажно-вихревым аппаратом (Сп), и стоимость энергозатрат на протягивание через аппарат газового потока (Сэ).

Стоимость очистки определяется по формуле:

С0 = Сп + Сэ.

Стоимость неуловленной пыли Сп уменьшается с ростом эффективности работы аппарата П, с уменьшением начальной концентрации пы-

!__________________________I__________________________I

ли г1, и с уменьшением стоимости уловленной пыли Су:

Сп =(1 -п\21 • С..

Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на пылеулавливание, возрастает с увеличением гидравлического сопротивления аппарата и рассчитывается по формуле:

Сэ = АР • 2 • г • СТЭ .

Полное выражение для расчета стоимости очистки одного кубометра газа можно получить с учетом формулы (1) для расчета эффективности и формулы (2) для расчета гидравлического сопротивления.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод расчета общей и фракционной эффективности пылеулавливания, учитывающий геометрические параметры аппарата.

2. Разработан метод расчета гидравлического сопротивления барботажно-вихревого аппарата, учитывающий конструктивные параметры завихрителя и наличие дисперсной фазы.

3. Полученные формулы послужили основой для разработки методики расчета барбо-тажно-вихревого аппарата. Разработанная методика позволяет рассчитывать аппараты оптимальной геометрии, работающие в оптимальном режиме.

Критерием оптимизации является минимальная стоимость очистки единичного объема газа при обеспечении требуемой эффективности пылеулавливания.

4. Разработанный метод может быть использован при расчете и конструировании аппаратов газоочистки, так как составляющие его соотношения определяют связь между технологическими характеристиками пылеуловителей и их геометрическими и режимными параметрами.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

й - медиана распределения частиц пыли на входе в аппарат, м;

й50 - диаметр частиц, улавливаемых с эффективностью 50%, м;

Ф Г - условная скорость газа в аппарате, м/с;

^г - динамическая вязкость газа, Н • с/м2; рч - плотность частиц, кг/ м ;

й16 - диаметр частиц на входе в аппарат, при котором масса всех частиц, имеющих размер меньше, чем й16, составляет 16% от общей массы пыли, м;

о - величина, характеризующая дисперсию частиц; K - коэффициент, для данного аппарата получен K = 34,76;

D - диаметр аппарата, м;

R - радиус аппарата, м; r - радиус вихря, м;

L, G - объемные расходы жидкости и газа, м3/с;

Jj, J2- скорость газа на входе и выходе из аппарата, м/с;

е - коэффициент потери закрутки потока;

К - коэффициент закрутки завихрителя; n - показатель вихревого движения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент РФ № 2234358. Барботажно-вих-ревой аппарат с регулируемыми лопастями / Р. Р. Усманова [и др.], 2004. Бюл. № 23.

2. Адлер Ю. П., Марков Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1986. 279 с.

3. Ужов В. Н., Вальдберг А. Ю. Подготовка промышленных газов к очистке. М.: Химия, 1975. 216 с.

4. Leith D., Licht W. Aiche, symposium series // Air. 1971.12 p.

5. Usmanova R. R., Panov A. K., Zaikov G. E.

Complex aerohydrodynamic research and the efficiency of arresting particles for barbotage - rotation // Journal of the Balkan tribological association. 2006. № 3. P. 368-373.

ОБ АВТОРАХ

Жернаков Владимир Сергеевич, проф., зав. каф. сопротивления материалов. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1967). Д-р техн. наук по тепловым двигателям ЛА (УГАТУ, 1992). Иссл. в обл. механики деформируемого твердого тела.

Усманова Регина Равилевна,

доц. той же каф. Дипл. инж.-мех. (УГНТУ, 2000). Канд. техн. наук по машинам, агрегатам и процессам (УГНТУ, 2004). Иссл. в обл. аэрогидродинамики и массопередачи в аппаратах вихревого типа.