CC BY
33
УДК 628.511 Доц. Р.1. ГаврилЫ, канд. техн. наук; доц. В.В. Майструк,
канд. техн. наук; магктр О. О. Тимура; магктр О.М. Кухар -
НУ "Львюська полтехтка"
ВИЗНАЧЕННЯ Г1ДРАВЛ1ЧНОГО ОПОРУ ЦИКЛОН1В ЗАСОБАМИ
КОМП'ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ SOLID WORKS FLOW
SIMULATION
Представлено результати використання програмного пакета Flow Simulation для попередньо! оцшки гiдравлiчного опору циклошв рiзних конструкцiй. Проаналiзовано вплив конструктивних параметрiв апаратiв на енергетичш затрати при роботi циклонiв. Представлеш результати можуть бути використанi в шженернш практидi пiд час проек-тування нового та модершзацп наявного пилоочисного обладнання вщцентрово! очистки газiв.
Ключовi слова: гiдравлiчний ошр циклону, поле швидкостей, програмний пакет Flow Simulation, теоретичний аналiз роботи циклона.
Вступ. Сучасш пилоочиснi установки на 6a3i протитечiйних циклонiв, ят найчастiше використовуються в pi3Hax галузях промисловосп, характеризу-ються достатньо високою ефективнiстю та значними енергетичними затратами на процес очищения. Розроблення нових констрyкцiй протитечiйних циклонiв, особливо для вловлювання дрiбнодисперсноí фракцií пилу, неминуче пов'язано зi збiльшенням гiдравлiчного опору таких апарапв.
Тенденцií останнiх ротв до зменшення енергетичних витрат на процеси пилоочистки проявляються у модершзацп наявних протитечiйних установок та впровадженш вiдцентрових апаратш з прямотечiйною зоною роздшення, основною перевагою яких е можливiсть ефективного роздiлення у широкому дiапазо-нi витрати газу та концентрацп твердо!' фази при поршняно невисокому пдрав-лiчномy опор^
Постановка проблеми, 11 актуальнiсть. Одшею з основних проблем пiд час проектування нових пилоочисних апаратш iз вiдцентровою зоною розда-лення будь-якого типу та модершзацп наявних установок е ввдсутнкть на-дiйних методiв прогнозування визначальних характеристик циклошв - ефек-тивностi вловлювання пилу та пдрамчного опору.
Розрахунок ефективностi апарата проводять, переважно користуючись спрощеними математичними моделями, якi в бiльшостi випадюв спотворюють реальну картину процесу сепарацп, що вiдбyваеться в робочiй зош циклона, а це призводить до завищених резyльтатiв щодо вловлювання частинок пилу, особливо ^бних фракцiй. Експериментальш дослiджения iз визначення поля швидкостей взагалi важко реалiзyвати внаслiдок складносп констрyкцií апара-тiв та ввдсутносп надiйних та доступних вимiрювальних приладiв i методик розрахунку.
Втрати тиску переважно визначають експериментальним шляхом у ла-бораторних умовах залежно вiд конструктивних особливостей апарата, фштив-но! швидкосп та технологiчних параметрiв.
Вiдсyтнiсть надшних способ1в прогнозування основних технологiчних характеристик циклона створюе значш трyднощi шд час розроблення нових та модершзацп наявних конструкцш апаратав сухо! очистки газiв, а наявнi лабора-торш методи е трyдомiсткими та економiчно недощльними.
Тому задача з вдосконалення розрахунку аеродинамiчних характеристик та процесу пиловловлювання в робочш зонi циклонiв рiзних конструкцiй з метою прогнозування !х основних робочих характеристик е актуальною.
Мета i завдання дослщжень. За останш роки в технiцi пилоочистки розроблено новi конструкцií циклонiв. На кафеда хiмiчноí iнженерií НУ "Львiвська полтехшка" ведеться науково-дослiдна робота з дослщження аеро-динамiки та ефективностi роботи циклошв рiзних конструкцiй. Одним iз тех-нiчних рiшень iз модершзацп наявного протитечiйного циклона ЦН-15 е циклон з промiжним вщведенням пилу (ЦН-15 ПВП), розроблено також конструк-цiю прямотечiйного циклону з коакаальною вставкою (ПЦзКВ) [1, 2].
Поставлена проблема в науково-дослщнш робоп часто вирiшуеться за-собами комп'ютерного моделювання руху газопилових потокiв у робочш зош циклона та вивченням роботи апарата.
Суть цього методу полягае в тому, що на основi математично! моделi, яка закладена в програмний продукт, кiлькiсно визначаеться повед^а об'екта, що вивчаеться, в тих або шших умовах. Зктавлення результатiв розрахунюв з експериментальними дослвдженнями дае змогу оцiнити ефективнiсть ще! мате-матично! моделi. За адекватносп моделi з'являеться можливiсть знайти опти-мальнi геометричнi параметри i режими роботи ддачих або проектованих конструкцш пиловловлюючих апаратiв.
Серед найбiльш вщомих програмних комплекс1в можна видалити таю: SolidWorks фiрми DSS SolidWorks Corp., Ansys фiрми Ansys Inc., FlowVision фiрми Тесiс й iн. У робоп [3] за допомогою ПК SolidWorks Flow Simulation бу-ло проаналiзовано вплив режимних i конструктивних параметрiв на гiдравлiч-ний ошр прямотечiйного циклона та вибрано на основi одержаних результат оптимальну геометрда апарата для промислового типу. Теоретичш експеримен-ти, виконанi за допомогою ПК SolidWorks Flow Simulation, добре узгоджуються з експериментальними даними.
З метою подальшого аналiзу можливостi використання даного ПК для визначення величини гiдравлiчного опору циклонiв рiзних конструкцш було сформульовано таю завдання:
• створити тривимiрнi геометричт моделi дослщжуваних апараив: ЦН-15, ЦН-15 з ПВП, ПЦзКВ;
• використовуючи ПК Solid Works Flow Simulation, теоретично дослщити тpaeктоpiю руху газово! фази в робочш зот циклона, вивчити вплив констукцп апарата на гiдpaвлiчний опip циклона;
• пеpевipити одержат теоретичним шляхом дaнi з експериментально визначени-ми;
• на осжш одержаних pезультaтiв розробити рекомендацп щодо вдосконалення геометрп циклонiв для зменшення енергетичних витрат пiд час !хньо! роботи. Результати дослщжень. На рис. 1 представлено моделi дослiджуваних
циклошв, виконаш засобами твердотшьного моделювання в Solid Works. Ге-ометричнi розмiри моделей апаратав (табл. 1) повнктю вiдповiдали реальним фiзичним моделям, лабораторних установок, якi змонтованi на експерименталь-ному стенд з метою визначення величини гiдравлiчного опору.
9
aj Твердотгла модель циклона типу ЦН-15
Рис. 1. Modmi до^джуваних циклотв, виконат засобами твердотельного моделювання в SOLID WORKS
Табл. 1. Конструктивт розмiри дослиджсуваних циклотв
Параметр, мм Тип циклону
ЦН-15 ЦН-15зПВП ПЦзКВ
Дiаметр циклона 400 300 310
Щаметр вихлопно! труби 240 180 -
Дiаметр центрально!" труби - - -
Висота цилiндрично! частини 904 675 -
Висота кошчно! частини 800 600 -
Висота вихлопно!труби 520 (425)
Висота робочо! зони - - 980
Висота центрально! труби, И 1024 - 530-1600
Розмiр вхiдного патрубку 264x104 200x60 175x60
Дiаметр коаксiально! вставки - - 286
Дiаметр бункера - 500 445
Висота бункера Висота кошчно! частини бункера Ширина бункера 800 380 690 995 995
Кшькють пилорозвантажувальних отворiв - 6 -
Розмiри пилорозвантажувальних отворiв - 200x40 -
Для створено! в c^TeMi автоматизованого проектування Solid Works твердотшьно! модeлi циклона використовували програмний комплекс Flow Simulation. Дальше задавали математичну модель руху газового потоку.
Модель включала в себе: рiвняння Навье-Стокса, яке описуе в нестащ-онарних умовах закон збереження маси, iмпульcу й енергп рухомого середови-ща, рiвняння нeрозривноcтi потоку, рiвняння перенесення кшетично! енергп турбулeнтноcтi i 11 дисипацп в рамках k-e модeлi турбулентносп.
Для розв'язку задачi про рух повiтряних потокiв задавали початковi й граничш умови, якi, своею чергою, визначаються формою i конструктивними особливостями апарата та умовами його роботи:
• атмосферний тиск за нормальних умов р0 = 101325 Па;
• температура пов^ря за нормальних умов Т0= 293 К;
• густина повггря рп =1,2 кг/м3;
• рiвнiсть нулю швидкостi на нерухомш твердiй границi;
• фктивна швидкiсть повiтряного потоку в робочш зош циклона 1-5 м/с.
Гiдравлiчний опiр визначали як рiзницю тиску на входi i на виходi з апа-рата. Приймали, що апарат працюе пiд розрiджениям, вщповщно повний тиск на входi в апарат дорiвнюе атмосферному.
Одержанi дат теоретично розрахованого гiдравлiчного опору засобами Solid Works Flow Simulation та визначеного на експериментальному стендi представлен у виглядi графiчних залежностей AP=f (Wo) на рис. 2.
Результати представленi на рис. 2 свщчать про те, що iз збшьшенням фiктивноí швидкостi газового потоку збшьшуеться гiдравлiчний опiр циклона. Характер ще'1 залежностi описуеться загальновiдомим рiвнянням:
AP= Zo (pWo2/2),
де: W0 _ фiктивна швидкiсть газового потоку в робочiй зонi апарата, р - густина газу, Z0 - коефщент гiдравлiчного опору.
Рис. 2. Результати до^джень гiдравлiчного опору циклотв
У табл. 2 наведено порiвняння експериментального ^0експ та теоретичного ^отеор коефiцieнтiв гiдравлiчного опору, розрахованих згiдно iз цieю залежшс-тю. Вщносну похибку ф визначеного коефiцieнта опору циклона визначали за формулою: ф= |(^оексп - Сотеор) / Соексп|
Табл. 2. Порiвняння експериментальних i теоретичных значень Со
I т т г рксп V трпп 1
Циклон
W м/с
Zo
Zo*
ф, %
15
14663
12511
1467
ЦН-15
2,5
146,66
126,46
13,76
3,5
14664
129,93
11,4o
4,5
146,65
126,95
13,43
15
113 43
Ю4.49
ЦН-15 з ПВП
2,5
118,o5
Ю8,65
7,97
3,5
114 78
11604
1io
JA
115,49
12o.61
443
1.5
82,6
78,4
ПЦзКВ
2,5
97
89,13
8,11
3,5
1o4,8o
95,33
9,o4
45
1 o923
1 o388
49o
7
5
З табл. 2 видно, що найбiльшi розбiжностi розрахованих i експериментальних даних одержанi для протитечшного циклона ЦН-15. Це можна поясни-ти бiльш складною аеродинамiчною картиною у цьому апаратi. На рис. 3 для порiвняння побудоваш траeкторií руху повiтряних потокiв з розподшом складо-вих швидкостi в горизонтальних перерiзах. Аналiз представлено'! аеродинамки
показуе, що в робочiй зонi в перифершнш частинi криволiнiйного потоку спос-терггаемо збшьшення тангенцiальноí швидкостi по радiусу. За мiрою руху потоку вздовж осi циклона внаслiдок тертя газово' фази об тверду стшку тангенщ-альна складова зменшуеться, вщповщно зменшуеться вiдцентрова сила, але при цьому зростае осьова складова швидкость Статичний тиск у циклонi зни-жуеться по радiусу до центра, циклону досягаючи мiнiмуму на о^ (рис. 4).
Рис.
а)ЦН-15 б)ЦН-15 з ПВП в)ПЦзКВ
3. Розподы абсолютной швидкостг в поперечних перергзахробочо'1 зони
циклона
б)ЦН-15 з ПВП
Рис. 4. РозподЫ статичного тиску в поперечних перер1зах робочо'1 зони циклона
У нижтх шарах робочо' камери рiвновага мiж силами статичного тиску i вщцентровою силою порушуеться, виникають радiальнi течи, як напрямленi до осi, тобто тдсилюються вториннi потоки i збшьшуеться гiдравлiчний опiр. Особливо це характерно для циклона з протитечшною зоною роздшення ЦН-15, в якого гiдравлiчний опiр найвищий. У прямотечiйному циклот радiальнi течи практично вiдсутнi, а також вщсутнш поворот очищеного газу у вихлопну трубу, тому втрати тиску в цьому апаратi е найменшь
Промiжне вдаедення газового потоку в циклонi ЦН-15 з ПВП дае змогу дещо вирiвняти статичний тиск у радiальномy напрямку, що приводить до зменшення перетоку повiтря в кшьцевому просторi вiд стшки корпуса до по-верхиi вихлопно!' труби.
Висновки. Аналiз та узагальнення резyльтатiв теоретичних та лабора-торних експериментiв, ят одержанi для запропонованих констрyкцiй циклошв, дають змогу зробити такi висновки:
• результати експериментальних досл1джень апараив р1зних конструкц1й добре узгоджуються i3 теоретично розрахованими в Flow Simulation. Похибка визна-чення коефiцieнта гiдравлiчного опору у всiх випадках не перевищуе допусти-мих меж i цю методику можна застосувати в шженерних розрахунках;
• експериментальнi й теоретичт дослiдження показують зменшення гiдравлiчно-го опору прямотечiйного циклона з кокиальною вставкою i циклона з ПВП, по-рiвняно з циклоном ЦН-15, що е важливим для зменшення енергетичних затрат;
• анатз траекторп руху закрученого газового потоку в апарап дае змогу розроби-ти практичнi рекомендацп пiд час створення нових та модернiзацií наявних пи-лоочисних апаратiв;
• значно скорочуеться час та затрати на розробку, проектування та експеримен-тальт дослщження циклонiв.
Лiтература
1. Дубинш А.1. Циклон з промiжним вiдведенням осадженого пилу / А.1. Дубинин, В.В. Майструк // Хiмiчна промисловiсть Украши : наук.-виробн. журнал, 1999. - № 2. - С. 4o-43.
2. Дубинш А.1. Прямотечшний циклон з коаксiальною вставкою. Аналiз роботи / А.1. Дубинш, Я.М. Ханик, В.В. Майструк, Р.1. Гаврилiв // Хiмiчна промиак^сть Украши : наук.-ви-робн. журнал, 2oo5. - № 3. - С. 26-28.
3. Майструк В.В. Оцшка енергозатрат при робот прямотечшного циклону за допомогою програмного пакету FLOW SIMULATION / В.В. Майструк, Р.1. Гаврипв, А.С. Попшь, А.М. Ба-сiстий // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Харюв. - 2o12. - Вип. 6/8(6o). - С. 28-3o.
Гаврылив Р.1., Майструк В.В., Тимура О.О., Кухар О.М. Определение гидравлического сопротивления циклонов средствами компьютерного моделирования SOLID WORKS FLOW SIMULATION
Представлены результаты использования программного пакета Flow Simulation для предварительной оценки гидравлического сопротивления циклонов различных конструкций. Проанализировано влияние конструкционных параметров аппаратов на энергетические затраты при работе циклонов. Представленные результаты могут быть использованы в инженерной практике при проектировании новых и модернизации старых конструкций оборудования центробежной очистки газов.
Ключевые слова: гидравлическое сопротивление циклона, поле скоростей, программный пакет Flow Simulation, теоретический анализ работы циклона.
Havriliv R.I., Maystryk V.V., Tumyra O.О., Kykhar O.M. Determination of hydraulic resistance means cyclone computer modelling SOLID WORKS FLOW SIMULATION
In this paper presents the results of using the software package Flow Simulation to estimate hydraulic resistance cyclones of various designs. The influence of design parameters on the energy consumption of devices when using cyclones. The results can be used in engineering practice in the design of new and modernization of existing equipment for gas separation.
Keywords: hydraulic resistance cyclone, velocity field, software package Flow Simulation, theoretical analysis of cyclone work.
