Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор программного обеспечения природоохранной деятельности. Классификация циклонов и скрубберов 20
1.1. Классификация циклонов 24
1.2. Классификация скрубберов, их достоинства и недостатки 32
1.3. Методы расчета эффективности пылеулавливания циклонов
1.3.1. Сопоставление расчета эффективности по методам М.И. Шиляева с экспериментом 38
1.3.2. Сравнение с вероятностно-энергетическим методом
1.4. Сопоставление расчетных формул для определения гидравлических потерь в циклоне
1.5. Обзор субд и сред разработки программного обеспечения 51
Выводы и основные результаты по главе 1 57
Глава 2. Автоматизация научных исследований процесса сепарации в прямоточном циклоне 60
2.1. Определение оптимального расположения промежуточного отбора пыли 61
2.2. Описание лабораторных стендов 63
2.3. Исследование процесса сепарации в ПЦПО 66
2.4. Описание исследования процесса седиментации 70
2.5. Описание программного модуля «седиментация» 77
2.6. Описание программного модуля «эксперимент» 79
2.7. Определение плотности пыли и программный модуль «плотность» 82
Выводы и основные результаты по главе 2 84
Глава 3. Математические модели, методы и алгоритмы прогнозирования эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления циклонов и скрубберов 86
3.1. Универсальная регрессионная модель расчета эффективности циклонов 86
3.1.1. Методика расчета циклонов по универсальной регрессионной модели 95
3.2. Регрессионная модель расчета эффективности очистки прямоточных циклонов при масштабном переходе 99
3.3. Метод расчета гидравлических потерь в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли 106
3.3.1. Потери на входе в циклон ПЦПО 106
3.3.2. Расчет потерь в сепарационной камере циклона 107
3.3.3. Расчет потерь в выхлопном патрубке 117
3.4. Эмпирический метод расчета по данным инструментальных Замеров 119
3.5. Типовая методика нииогаз 121
3.6. Алгоритм расчета полной и фракционной эффективности методами м.и. Шиляева 124
3.7. Энергетический метод расчета скрубберов в аптрс 126
3.8. Фракционный метод расчета скрубберов вентури в аптрс 128
Выводы и основные результаты по главе 3 131
ГЛАВА 4. Асни «пылеочистка» 134
4.1. Основания и требования для разработки асни 134
4.2. Структура и функции асни 135
4.3. Инсталляция и структура файлов асни 141
4.4. Управление данными в асни «пылеочистка» 143
4.5. Автоматизированная подсистема технологического расчета эффективности очистки и гидравлического сопротивления циклонов 148
4.6. Автоматизированная подсистема технологического расчета эффективности очистки и гидравлического сопротивления скрубберов 156
4.7. Автоматизированная подсистема научных исследований процесса сепарации в ПЦПО
4.7.1. Программный модуль «Эксперимент» 160
4.7.2. Программный модуль «Седиментация» 165
4.7.3. Программный модуль «Плотность» 167
4.8. Требования к составу и параметрам технических средств 168
Выводы и основные результаты по главе 4 168
Основные выводы по диссертации 170
Список использованной литературы
- Методы расчета эффективности пылеулавливания циклонов
- Исследование процесса сепарации в ПЦПО
- Метод расчета гидравлических потерь в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли
- Автоматизированная подсистема технологического расчета эффективности очистки и гидравлического сопротивления циклонов
Введение к работе
Актуальность проблемы. На сегодняшний день проблема защиты атмосферы от техногенных выбросов промышленных предприятий остается актуальной. Эффективность применяемых систем пылеочистки не всегда соответствует нормам ПДК. Для решения данной проблемы постоянно совершенствуются и разрабатываются новые газоочистные и пылеулавливающие устройства (циклоны, скрубберы, фильтры и др.). Разрабатываемое оборудование должно обеспечивать максимальную степень очистки при минимальных материальных и энергетических затратах. При этом важно выбрать наиболее подходящий для данных технологических условий тип оборудования, и на основе математических моделей точно рассчитать ожидаемые показатели его работы до изготовления опытных образцов. Однако в настоящее время недостаточно разработаны методики и модели прогнозирования показателей работы циклонов, а также отсутствует соответствующее программное обеспечение (ПО).
Для очистки газа от пыяи в химической и нефтегазовой промышленности, при производстве строительных материалов в основном используются низкоэффективные про-тивоточные циклоны. Высокую эффективность очистки могут обеспечить высокопроизводительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО). Однако мало исследованы их эксплуатационные характеристики при низких нагрузках по газу и пыли и большой закрутке потока.
Существующие пакеты прикладных программ (TASCflow3D, ANSYS CFX, FlowVision, CANAL), базирующиеся на методе конечных элементов и различных теоретических моделях турбулентности, не предназначены для оценки эффективности очистки пылеуловителей. Программное обеспечение НПП «ЛОГУС» и «Интеграл» ориентировано на инвентаризацию источников выбросов, ведения их учета Однако их использование существенно ограничено высокой стоимостью и отсутствием прямых результатов. Поэтому разработка автоматизированной системы исследования процесса сепарации и прогнозирования показателей работы циклонов и скрубберов на основе математических моделей является актуальной и практически значимой задачей.
Большой вклад в исследования и моделирование процесса сепарации в пылеуловителях, разработку математических моделей и методов оценки их эффективности очистки и гидравлического сопротивления внесли отечественные ученые: И.Е. Идельчик, У.Г. Пирумов, В.А. Успенский, М.И. Шиляев, Б.С. Сажин, Э.Н. Сабуров, В.П. Приходько, А.Ю. Вальдберг, Е.В. Сугак, О.А. Трошкин, В.А. Лазарев, B.C. Асламова, М.Е. Смирнов и др., а также зарубежные исследователи: В. Страус, Ф. Ментер, СБ. Шеферд, СЕ. Лейпл, Ж. Касал, Ж.М. Мартинес-Бенет, В. Барт.
Цель работы - разработать автоматизированную систему научных исследований процесса сепарации в циклонах и скрубберах для решения задач: оптимального выбора пылеуловителя и режима его эксплуатации по заданным техническим условиям; оценки показателей работы функционирующих аппаратов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать новые регрессионные модели для прогнозирования эффективности
очистки циклонов любого типа и прямоточных циклонов на основе декомпозиционного подхода к систематизации экспериментальных данных.
-
Определить оптимальные место расположения промежуточного отбора и технологические параметры, обеспечивающие максимум эффективности пылеулавливания прямоточного циклона.
-
Спроектировать информационное, математическое и программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований для: обработки экспериментальных результатов седиментации и процесса сепарации; расчета показателей работы циклонов и скрубберов на основе существующих методов и разработанных регрессионных моделей эффективности очистки; выбора оптимального пылеуловителя на заданные условия его эксплуатации; определения оптимальных режимов функционирования пылеуловителей.
-
Провести экспериментальные исследования прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли при большой закрутке потока и невысоком расходе воздуха.
Методы исследований: аппроксимация функций, регрессионный анализ, численные методы, теория гидрогазодинамики, теории проектирования автоматизированных систем и баз данных. Использовано следующее программное обеспечение: интегрированная среда разработки CodeGear RAD Studio 2007, MS SQL Server, MS Excel 2007 и другие программные инструменты.
Научная новизна заключается в новом способе решения комплекса задач при автоматизации технологического процесса сепарации и функционирования циклонов и скрубберов:
-
Новые регрессионные модели, полученные при декомпозиционном подходе к обработке экспериментальных данных, используемые для прогнозирования эффективности пылеулавливания циклонов противоточного, прямоточного типов и со встречными закрученными потоками (патент RU № 2358810) и прямоточных циклонов с учетом режима движения потока, зависящие от коэффициентов относительного уноса, учитывающих влияние плотности, концентрации и масс-медианного размера частиц пыли и диаметра аппарата.
-
Новая постановка и результаты решения задачи нелинейной оптимизации конструктивного и режимных параметров прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли.
-
Информационное, математическое, программное и методическое обеспечение новой автоматизированной системы научных исследований (свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990, номер государственной регистрации в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов»: 50200701900 от 6.09.2007).
Достоверность результатов исследования подтверждается достаточным совпадением расчетных данных по предлагаемым математическим моделям эффективности очистки циклонов с экспериментальными данными различных авторов (2...4 %), практическими внедрениями разработанной АСНИ.
Практическая значимость заключается в разработке научно обоснованных мате-
матических моделей эффективности пылеулавливания циклонов любого типа. Создана база данных технологических характеристик промышленных и лабораторных циклонов, скрубберов и физико-химических свойств газов, жидкостей и пылей. На базе известных и авторских методов оценки эффективности и гидравлического сопротивления циклонов созданы автоматизированные подсистемы расчета и прогнозирования показателей работы циклонов (свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990) и скрубберов при промышленной эксплуатации, позволяющие оптимизировать выбор пылеуловителя для заданных режимов работы. Разработано программное обеспечение подсистемы автоматизации научных исследований седиментации и процесса сепарации.
Реализация результатов работы: основные результаты работы используются при изложении теоретического материала, в лабораторных и практических занятиях, в курсовом и дипломном проектировании при подготовке студентов Ангарской государственной технической академии, Иркутского государственного университета путей сообщения, Томского политехнического университета и Восточно-Сибирского технологического университета (г. Улан-Удэ) на кафедрах «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Безопасность жизнедеятельности и экология», «Общая химическая технология» и «Промышленная экология и защита в чрезвычайных ситуациях» соответственно.
Апробация работы: основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии (2007-2009), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Саратов, 2008, Псков, 2009), Всероссийских ежегодных научных конференциях с международным участием «Актуальные вопросы защиты окружающей среды и безопасность территорий регионов России» (Улан-Удэ, 2006-2008), научно-практической конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития» (Иркутск, 2007, 2009), Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2007), Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Современные проблемы экологии и безопасности» (Тула, 2007), Всероссийской конференции по математике и механике (Томск, 2008), Международном научно-методическом симпозиуме «Современные проблемы многоуровневого образования» (Дивноморское, 2008), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых "Инновации и актуальные проблемы техники и технологий 2009" (Саратов, 2009), Международной научно-технической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009), IX и X Всероссийских конференциях студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 2 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в рецензируемых изданиях, 8 статей в сборниках научных трудов, методические указания для студентов, 17 тезисов докладов, патент РФ и свидетельство об отраслевой регистрации разработки в фонде алгоритмов и программ. Без соавторов опубликовано 3 работы.
Струїсгура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, выводы, список использованной литературы из 124 наименований, условные обозначения и приложения. Объем работы составляет 186 страниц, в том числе 65 рисунков, 18 таблиц.
Методы расчета эффективности пылеулавливания циклонов
В настоящее время существует множество автоматизированных систем и программных комплексов, предназначенных для использования различными предприятиями в деятельности по охране окружающей среды. Ниже приведены некоторые из программных средств, созданных научно-производственным предприятием «ЛОГУС» [6].
В программный комплекс (ПК) серии «Кедр» входят: ПК «Воздух» предназначен для инвентаризации источников выбросов и выделений загрязняющих веществ в атмосферу, определения по данным инструментальных замеров фактической степени очистки газовоздушной смеси и расчета валовых (годовых) выбросов с учетом их нестационарности. Аналогичные программные комплексы разработаны для водной среды, почвы; ПК «Отходы», основными функциями которого являются инвентаризация отходов и мест их размещения, подготовка разрешений на размещение отходов и ведение учета полученных разрешений; программа «Учет выбросов и стоков парниковых газов» предназначена для учета выбросов и стоков парниковых газов предприятия; ПК «Кедр-регион» для территориальных органов Ростехнадзора, Рос-природнадзора и отделов охраны окружающей среды администраций; ПК «Воздух-регион» предназначен для автоматизации наиболее трудоемких видов работ по контролю за загрязнением воздушного бассейна на уровне города или региона. Основные функции: создание и ведение единого банка данных источников выбросов и выделений; определение по данным инструментальных замеров фактической степени очистки газовоздушной смеси; расчет валовых (годовых) выбросов на основании инструментальных замеров с учетом нестационарности работы предприятий; формирование отчетов, установление нормативов и выдача разрешений на выбросы; ПК «Модульный ЭкоРасчет» разработан для расчета выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу от стоянки автотранспорта; при техническом обслуживании, ремонте и мойке автотранспорта; при нанесении лакокрасочных материалов; при сварке и резке металла; при проведении механической обработки древесины; при сжигании топлива, попутного нефтяного газа на факельных установках; от котельных большой мощности и газотурбинных установок и др.;
Программа «Stalker» предназначена для автоматизации разработки и экспертизы проектов нормативов образования отходов и лимитов на их размещение; ПК «Призма» проводит расчеты рассеяния, формирование бланков инвентаризации, построение санитарно-защитных зон (СЗЗ), нормирование выбросов предприятий или организаций регионального уровня. Программный комплекс серии «Призма» включает следующие модули: «Призма-предприятие» позволяет производить расчет загрязнения атмосферы и графическое представление полей приземных концентраций ЗВ для одного предприятия; «Норма» реализует автоматизированный расчет нормативов допустимых выбросов ЗВ; «Санзона» предоставляет возможность проводить автоматизированное проектирование расчетной и нормативной СЗЗ предприятия, определение размеров и графическое представление расчетной СЗЗ по каждому ЗВ с учетом розы ветров; «ГАЗ» производит расчет загрязнения атмосферы от источников компрессорных станций, обеспечивающих функционирование магистральных и других газопроводов, а также подземных хранилищ природного газа.
Как можно заметить из приведенного обзора, в настоящее время не разработано общедоступное программное обеспечение для прогнозирования эффективности очистки и гидравлического сопротивления проектируемых циклонных пылеуловителей. Существующий программный комплекс серии «Кедр» («Воздух») НПП «ЛОГУС» ориентирован на инвентаризацию источников выбросов и выделений загрязняющих веществ в атмосферу, расчет валовых выбросов с учетом их нестационарности и подготовки проектов разрешений на выбросы и ведение учета полученных разрешений. В этом комплексе реализована лишь возможность расчета фактической степени очистки по данным инструментальных замеров [6]. Таким образом, необходимо разработать автоматизированные подсистемы технологического расчета эффективности сепарации и гидравлического сопротивления циклонных пылеуловителей и скрубберов.
В технической литературе встречаются попытки проектирования объектно-ориентированной системы автоматизированного проектирования (САПР) по расчету показателей работы противоточных циклонов [33].
Численные методы расчета напряженно-деформированного состояния на основе программных комплексов для ЭВМ находят все большее распространение. Весьма большими возможностями обладает программный комплекс ANSYS (продукт фирмы ANSYS Inc.), позволяющий решать краевые задачи практически во всех инженерных приложениях, таких как: гидромеханика, колебания, теплообмен, теплопроводность, прочность, специфические конструкции в виде трубных систем и т. п. [61].
При выполнении инженерных расчетов на прочность неизбежен этап создания моделей прочностной надежности элементов конструкций. С помощью таких моделей возможно выбрать материал и необходимые размеры конструкций и оценить ее сопротивление внешним воздействиям.
Моделью называется система представлений, зависимостей, условий и ограничений, описывающих исследуемый и рассчитываемый процесс или явление. Модель представляет собой отображение объективной реальности и может иметь разную природу, структуру и форму представления. Это так называемые системы автоматизированного проектирования, главной задачей внедрения которых является снижение издержек и сжатие сроков проектирования производства, за счет замены реальных процессов прототипирования, макетирования, испытаний и т. д. — их виртуальными аналогами.
Механическая и математическая основа программного комплекса ANSYS представляет собой метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ является наиболее распространенным, мощным и надежным средством исследования поведения конструкций в условиях разнообразных воздействий [112]. В практике расчетов используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких, и зачастую ограничены достаточно простыми геометрическими формами тел и схем погружения. Численные методы, к которым относятся, в частности, метод конечных разностей, метод граничных интегральных уравнений, метод граничных элементов, метод конечных элементов и другие методы, напротив, не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки. Это, наряду с повсеместным распространением мощной вычислительной техники, способствует их распространению в инженерной среде.
В настоящее время на рынке программного обеспечения имеется большое количество комплексов МКЭ, в том числе ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, COSMOS [32]. Традиционно эти продукты относятся к категории САЕ (Computer Aided Engineering) программного обеспечения, применяемого при проектировании машиностроительных, строительных и других конструкций. Эта категория программного обеспечения занимает прочное место в списке CAD/CAM/CAE/GIS/PDM, продуктами из которого в том или ином виде пользуется большинство инженеров во всем мире. Средства МКЭ ANSYS позволяют проводить расчеты статического и динамического напряженно-деформированного состояния конструкций (в том числе геометрически и физически нелинейных задач механики деформируемого твердого тела), форм и частот колебаний, анализа устойчивости конструкций, нелинейных переходных процессов и др.
Исследование процесса сепарации в ПЦПО
Следует отметить, что мало исследованы эксплуатационные характеристики прямоточных циклонов при низких нагрузках по газу и пыли и большой закрутке потока. Поэтому было проведено испытание ПЦ диаметром D= 120 мм с промежуточным отбором, выполненным в виде зазора между частями сепарационной камеры циклона. Исследовалось влияние режима движения, характеризуемого среднерасходной скоростью w =4Q/(izD2) и критерием Рейнольдса Re=pwcpD/ix, где О — расход очищаемого газа, D — диаметр циклона, р- плотность воздуха, ц - динамическая вязкость воздуха, на среднюю эффективность пылеулавливания и гидравлическое сопротивление циклона. Закручивание потока осуществлялось осевым направляющим аппаратом с плоскими лопатками. Испытаны завихрители с углом установки лопаток у = 18 и 15 к радиальной плоскости (закрутка потока 72 и 75) и числом лопаток 11 и 9 соответственно. Относительный диаметр выхлопного патрубка составил сію =d2Q/D =0,692 D.
Измерения проводили по общепринятым стандартам. Для запыления потока использовали цемент и оксид алюминия (у-А12Оз), являющийся распространенным носителем для катализаторов химической технологии. Гранулометрический состав порошков определялся методом жидкостной седиментации. Масс-медианные диаметры частиц цемента и оксида алюминия dm составили 14 и 18 мкм, среднее квадратическое отклонение функции распределения частиц по размерам lg оч 0,285 и 0,859 соответственно. Подача пыли в циклон осуществлялась струйным гравитационным питателем. Для предотвращения слеживания частиц пыль предварительно прогревалась. Истинная плотность р5 цемента и у-А1203, измеренная с помощью пикнометра, составила 3017,8 и 3100 кг/м соответственно. Оценка эффективности пылеулавливания проводилась двояко: по поданной и улавливаемой отборами циклона пыли (минорантная оценка г„,;„); по поданной и выносимой из циклона пыли (мажорантная оценка гтах); средняя эффективность пылеулавливания rj рассчитывалась по формуле г\ = (r\min + г[мах)/2. Среднее расхождение между ч„„„
и г\тах не превышало 6 %, что соответствует требованиям нормативных документов, по которым ошибка измерения эффективности очистки не должна превышать 10%. При определении плотности воздуха его влажность не учитывали, так допускаемая при этом ошибка не превышает 0,5 %.
Среднерасходная скорость измерялась по показаниям статического давления в трубке Пито. Для вывода запишем уравнение Бернулли для несжимаемого газа в сечениях перед входным коллектором и перед трубкой Пито (см. рис. 2.3): Рй -у1" + РЛ+ Pg&A = Р, Y- + Р0+ РЯ« 0 + C,0,Pg - f где zA = z0 - нивелирные высоты, РА — барометрическое давление, С,кш — коэффициент гидравлического сопротивления коллектора, WA — скорость воздуха перед коллектором, принятая равной нулю, Р$ — статическое давление, измеряемое с помощью U-образного манометра, ак — коэффициент Кориоли са, учитывающий неравномерность распределения скорости по сечению и равный отношению истинной кинетической энергии к кинетической энергии потока, вычисленной по средней скорости.
Известно, что для турбулентного режима движения газа аА = 1,10..Л,15 [55; 72]. Принимаем ак = 1. Коэффициент С,КМ определялся по справочнику гидравлического сопротивления [57]. Большое внимание в исследованиях уделено определению сопротивления циклона и изучению влияния геометрии пылеуловителя на энергетические характеристики АР и 0 Сопротивление пылеуловителя рассчитывается по перепаду полных давлений на входе в циклон (см. сечение 1-1, рис. 2.3) и на выходе (сечение 2-2, рис. 2.3). Учитывая, что z2 = 0, уравнение Бернулли запишем для несжимаемого газа в виде: где z — расстояние между сечениями; Р\ - Р2 — перепад статических давлений, измеряемый по показанию U-образного манометра h, м и равный pgh, Па (р - плотность воды); W\, Wn — средние скорости потока в кольцевом зазоре и в выхлопном патрубке. После преобразований получим (W2 -W2) AP = pgh + pggzx + pg К (2.2) Зная АР, можно рассчитать коэффициент гидравлического сопротивления, отнесенный к условной среднерасходной скорости в плане циклона WQ, = 2АР
Как видно из табл. 2.1, с увеличением запыленности потока до 60 г/м эффективность пылеулавливания цемента возрастает, что объясняется эффектом коагуляции частиц пыли. Параметры фракционной эффективности испытанного циклона вычислялись по методу В.Т. Самсонова. При этом диаметр частиц, улавливаемых в ПЦПО с эффективностью 50 %, составил d50 = 7,407 мкм, среднеквадрати-ческое отклонение фракционной эффективности тп = 0,427. Эффективность циклона ПЦПО вычислялась также по вероятностно-энергетическому методу Вальдберга-Кирсановой, согласно которому диаметр частиц, улавливаемых с эффективностью 50 %, определяли по формуле 50= 14,5-104--5\Р . (2-3) Далее эффективность пылеулавливания ПЦПО оценивали с помощью интеграла вероятности в зависимости от параметра
Метод расчета гидравлических потерь в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли
Коэффициент полных потерь, вычисленный по теории пограничного слоя, у второго диффузора ниже, чем у первого.
Следует отметить, что для кольцевых диффузоров применение данного метода расчета ограничено значениями плоского угла 9 6...7 [51]. В рассматриваемом случае это условие выполнено. Кроме того, в качестве одного из критериев отрыва может быть использовано значение параметра Н. В случае отрыва потока от стенок диффузора Н 1,8.. .2,6 [50].
За первым кольцевым диффузором следует кольцевой конфузор, схематично представленный на рис. 3.17.
Гидравлическое сопротивление кольцевого конфузора было рассчитано по эквивалентному коническому конфузору с той же степенью сужения По, длиной и площадью выходного сечения. Угол сужения эквивалентного конического конфузора определялся по формуле Коэффициент гидравлического сопротивления Скоф конфузора можно представить в виде суммы К оф = С», + р, где -коэффициент местных потерь, С р - коэффициент потерь на трение. В справочнике [57] приведена регрессионная зависимость для расчета Значение зависит от степени сужения потока щ = F\IFi (где F\, F2 -входная и выходная площади конфузора), от угла раскрытия а , от относительной длины конфузора L = L/ Dx, а при малых Re, = р "и Д / ц, и от числа Рейнольдса. коэффициента С , справедливая для Re, 10% п0 1: А, =(-0,0125л7„ + 0,0224и03 -0,00723я02 + 0,00444л0-0,00745)(а3р -2тга2 -10а,); ар= 0,01745а, (3.26) где ар— угол в радианах, а - в градусах, Аг гидравлический диаметр конфузора, равный для круглого конфузора его диаметру D\, w\ — средняя скорость на входе в конфузор. При достаточно больших углах а 10 и степени сужения по 0,3 после перехода от сужающего участка к прямой части трубы поток отрывается от стенок, что и обуславливает в основном местные потери полного давления.
Коэффициент трения круглого конфузора С определялся по формуле где A, = /(Re,A), A = A/D,-относительная шероховатость стенок конфузора; ря1- плотность во входном сечении конфузора. Принято значение абсолютной шероховатости А = 0,0001 м. В зависимости от режима движения, который характеризовался числом Re,, коэффициент трения вычислялся по формулам [57]:
Осевая скорость на входе в конфузор принималась равной скорости на выходе из первого кольцевого диффузора. С учетом параметра (Зо потери давления в кольцевом конфузоре будут равны АРК =2,3805 1,5974=3,8026 Па.
Течение закрученного потока в кольцевом канале отличается большой сложностью и характеризуется переменностью всех параметров по его длине. Развитие потока в канале определяется геометрическими параметрами закру-чивателя и соотношением диаметра внутренней вставки dectn к внутреннему диаметру циклона decJD. Некачественное выполнение лопаток закручивателя приводит к значительной осевой неравномерности течения как в нем самом, так и в кольцевом канале. В проведенных опытах [95] указанная неравномерность в каналах наблюдалась при всех значениях параметра decm/D и возрас 115 тала с увеличением последнего.
Данные, полученные в работе [95], показывают, что при входе закрученного потока в кольцевой канал происходит его отрыв от внешней стенки и поджатие к внутренней. Для каналов с decJD 0,826 на внутренней стенке по всей ее длине статическое давление отрицательно.
В работе [95] коэффициент сопротивления всего циклонного устройства представлен как сумма коэффициентов сопротивления закручивателя акр, цилиндрического кольцевого канала Х ан и его выходной составляющей Х . Во всех случаях коэффициент сопротивления определялся по выражению Q =2AP/(pgvlc), где АР - перепад полного давления в граничных сечениях, у . -скорость потока во входном шлице циклонного закручивателя. Результаты расчетов составляющих коэффициентов сопротивления приведены в табл. 3.5. Как видно из табл. 3.5, с увеличением decJD сопротивление закручивателя уменьшается, а самого кольцевого канала увеличивается. При этом доля сопротивления закручивателя в общем сопротивлении уменьшается с 48 до 32 %, а доля сопротивления канала возрастает о 35 до 53 % [95]. Для рассматриваемого циклона ПЦПО decm/D = 0,75, тогда по линейной интерполяции С а,, = 1,11. Тогда потери гидравлического сопротивления в кольцевом цилиндрическом канале составят
Для снижения гидравлических потерь выхлопной патрубок очищенного газа был оснащен отбойными шайбами, выполненными в виде конфузора круглого сечения с прямолинейными образующими (рис. 3.18).
Потери давления в выхлопной трубе в основном связаны с отрывом потока в двух местах: непосредственно за входным сечением конфузорного коллектора, на прямом участке трубы за счет трения и за счет поворота потока очищенного газа на 90.
Автоматизированная подсистема технологического расчета эффективности очистки и гидравлического сопротивления циклонов
В данном примере требуется поправочный коэффициент на запыленность газа, оставим значение по умолчанию — 1.
В результате расчета ПО делает вывод о несоответствии найденной эффективности сепарации (92,42 %) требуемой эффективности. При необходимости просмотра отчета в текстовом виде в меню «Отчет» выбирается пункт «Просмотр отчета». Если же существует необходимость в сохранении результатов, в том же меню выбирается пункт «Сохранить в файл» и указывается название файла и путь его сохранения. г) Расчет по методам М.И. Шиляева Произведем расчет фракционной эффективности циклона диаметром 120 мм. Дисперсный состав пыли плотностью 2255 кг/м составляет фракции от 5 до 30 мкм. Вязкость газа равна 20,3-10" Пас, плотность газа 1,4 кг/м . Скорость потока принять равной 15 м/с.
Аналогично расчетам по методике НИИОГАЗ и универсальному методу, описанным выше, заполняем поля исходными данными. Вводим количество диапазонов, т.е. количество фракций пыли. Чем больше количество диапазонов, тем детальнее будет рассчитана эффективность сепарации. В нашем случае введем количество 6 и заполним таблицу фракционного состава. Заполняется верхняя и нижняя граница каждой фракции и ее массовая доля. При отсутствии данных о плотности пыли или вязкости газа существует возможность выбора пыли по названию из таблиц БД, при нажатии кнопки L-J.
Результат расчета показан на рис. 4.15, где наглядно видна прямая зависимость величины эффективности очистки от диаметра частиц пыли, т.е. крупнодисперсная пыль улавливается эффективнее, чем мелкодисперсная.
В результате расчета эффективности циклонов по первому методу ТТТи-ляева суммарная фракционная эффективность составляет 96,46 %, полная эффективность, рассчитанная вторым методом, равна 95,42 %.
Для сохранения результатов расчета в файле MS Excel в меню «Отчет» выбираем пункт «Экспорт в MS Excel». Автоматизированная подсистема технологического расчета эффективности очистки и гидравлического сопротивления скрубберов Доступ к программному модулю для расчета эффективности очистки скрубберов осуществляется из меню «Модули» диалогового окна управления данными. При выборе варианта «Расчет скрубберов» открывается окно расчета, в котором производится выбор необходимого метода расчета — энергетического или фракционного. Рассмотрим примеры расчета по данным методам.
На рис. 4.16 приведен пример расчета скруббера, гидравлическое сопротивление которого составляет 1600 Па, напор жидкости 20 кПа, расход жидкости и газа соответственно равен 1,4-10"3 м3/с и 1,28 м3/с. Рассчитанная эффективность улавливания тумана фосфорной кислоты равна 76 %.
Как показали расчеты, выполненные с помощью автоматизированной системы, повышение напора и расхода жидкости незначительно влияют на эффективность сепарации (1...2 %). Но увеличение гидравлического сопротивления аппарата в 3 раза вызывает повышение эффективности до 94 %.
Необходимо рассчитать эффективность скруббера, гидравлическое сопротивление которого составляет 2000 Па, расход жидкости 10 м3/с, расход газа 10 м/с, напор жидкости 10000 77а. Газ очищается от ваграночной пыли.
Заполняются входные данные; при нажатии кнопки в группе «Свойства пыли» отображается окно «Поиск пылей» (рис. 4.17), в котором после нажатия кнопки «Поиск» выбирается позиция «Ваграночная пыль». Затем нажимается кнопка «Расчет», выводятся результаты расчета — энергия соприкосновения, равная 12 кДж, и эффективность очистки - 99 эффективности скрубберов Вентури. Рассчитывается скруббер Вентури с длиной горловины 200 мм, диаметром 30 мм и коэффициентом орошения 5,9 л/м . Очистка производится водой при 60 С. Время динамической релаксации частиц составляет 8 мс. Ввод параметров и просмотр выходных данных осуществляется на вкладке «Фракционный метод» диалогового окна модуля. Исходными данными для выполнения расчета являются коэффициент, зависящий от эффективной длины горловины аппарата, коэффициент орошения и число Стокса. Если неизвестен первый коэффициент, можно ввести данные о диаметре и длине горловины трубы Вентури, либо эффективную длину горловины. Для расчета числа Стокса необходимо нажать кнопку ьД при этом отобразится окно для ввода данных вручную, либо, при отсутствии каких-либо данных, выбора данных из БД по известному типу пыли, газа или жидкости. В данном случае для вычисления размера капель выбирается в БД вода при 60 С, данные автоматически записываются в нужные текстовые поля.
К современному пылеочистному оборудованию предъявляются жесткие требования в плане обеспечиваемого качества очистки. Аппараты, применяемые в производстве для обеспыливания промышленных газов, должны соответствовать нормам ПДК, обеспечивая максимальную степень очистки при минимальных энергетических затратах.
При разработке высокопроизводительного пылеулавливающего оборудования чрезвычайно важны научные исследования, позволяющие на основе новейших научных данных сконструировать новые, более рациональные и эффективные аппараты. При этом в процессе проведения экспериментов необходимо обрабатывать множество статистических данных, ручная обработка которых занимает значительное время. Для автоматизации обработки экспериментальных данных процесса сепарации в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли было разработано программное обеспечение «Эксперимент», позволяющее существенно упростить и ускорить обработку и анализ информации, полученной опытным путем; «Седиментация» - для проведения анализа гранулометрического состава пылей; «Плотность» — для определения плотности пылей. Все эти программные разработки входят в состав АСНИ «Пылеочистка», логически объединены в подсистему научных исследований процесса сепарации в ПЦПО.
Программный модуль «Эксперимент» предназначен для получения расчетных значений опытных данных по известным зависимостям. Данная утилита в качестве исходных значений использует введенные пользователем экспериментальные данные и предопределенные константы. Выходная информация представляется в виде текстовых файлов и книги MS Excel, со статистически обработанными результатами.
Предусмотрено несколько способов расчета: для одного опыта, для серии опытов с вводом данных вручную и с использованием входного текстового файла.
Окно расчета с использованием входного текстового файла представлено на рис. 4.19. Слева в диалоговом окне находится область ввода данных для одного эксперимента. В том случае, если выбран входной файл, или введено количество экспериментов больше единицы, данная область недоступна для редактирования; заполнение производится в отдельной таблице окна «Экспериментальные значения». Справа в диалоговом окне расположен лист предварительного просмотра рассчитанных значений, в котором отдельно для каждого опыта выводится информация после нажатия кнопки «Расчет». При этом рассчитанные значения сохраняются в текстовый файл, что облегчает последующую работу с введенными опытными данными. Например, не потребуется повторный ввод данных при добавлении результатов новых опытов.
