Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И СПОСОБЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АППАРАТОВ ОЧИСТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ВЕНТИЛЯЦИОННЬОС ВЫБРОСОВ 15
1.1. Основные тенденции в развитии техники очистных аппаратов 15
1.1.1. Воздействие технологических и вентиляционных выбросов на окружающую среду 15
1.1.2. Комбинированные способы очистки выбросов от взвешенных твердых и жидких частиц ... 24
1.1.3. Систематизация аппаратов с предварительной электризацией аэрозолей. 34
1.2. Инерционное (центробежное) осаждение твердой фазы 38
1.3. Электростатическое осаждение твердой фазы 44
1.4. Интенсификация работы аппаратов мокрой очистки 49 '
1.5. Влияние механизмов коагуляции капельного аэрозоля на эффективность улавливания 57
1.6. Задачи исследования и методологические основы работы 66
1.7. Выводы... 68
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УЛАВЛИВАНИЯ ТВЕРДОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗЫ АЭРОЗОЛЯ В СИЛОВЫХ ПОЛЯХ... 71
2.1. Движение заряженных частиц аэрозоля в электростатическом поле 71
2.1.1. Влияние силы сопротивления среды на скорость дрейфа частиц 71
2Л .2. Динамика дрейфа твердых частиц в неоднородном электрическом поле с аксиальной симметрией 75
2.2. Механизм улавливания твердых частиц при одновременном действии кулоновской и центробежной силы 84
2.3. Модель процесса улавливания твёрдой фазы аэрозоля в неоднородном электрическом поле из вращающегося потока 89
2.4. Определение эффективности процесса электроосаждения частиц твердой фазы аэрозоля в центробежном поле 94
2.5. Методика оценки степени очистки газов в трубчатом электрофильтре 97
2.6. Уточнение механизмов коагуляции капель в электрическом поле для различных систем электродов — 103
2.6.1. Коагуляция монодисперсных сферических частиц (капель) 103
2.6.2. Основные механизмы коагуляции капельных аэрозолей в электростатическом поле 106
2.6.3. Система электродов ряд проводов между параллельными плоскостями 111
2.6.4. Система электродов провод между параллельными плоскостями ИЗ
2.6.5. Система электродов коаксиальные цилиндры... 115
2.7. Модель процесса зарядки и движения капельных аэрозолей в электрическом и инерционном полях 117
2.8. Механизм улавливания капель в инерционном поле жалюзииного каплеуловителя 124
2.9. Выводы 126
3. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ РАСЧЁТА АППАРАТОВ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ТВЁРДОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗЫ В СИЛОВЫХ ПОЛЯХ 128
3.1. Принципы построения программных комплексов 128
3.2. Структура интерфейса программных комплексов ... J34
3.2.1. Концептуальная модель интерфейса . 136
3.2.2. Методы обеспечения надежности и эффективности вычислительного процесса... 139
3.3. Численное решение системы уравнений, описывающих улавливание твердой фазы аэрозолей в центробежном электрофильтре 140
ЗА. Численное решение системы уравнений, описывающих улавливания жидкой фазы аэрозолей 157
3.5. Алгоритм построения регрессионной модели экспериментальных исследований ... 165
3.6. Выводы 168
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УЛАВЛИВАНИЯ ТВЕРДОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗЫ АЭРОЗОЛЕЙ В СИЛОВЫХ ПОЛЯХ.,. 169
4.1. Программа исследований и описание экспериментальной установки центробежного электрофильтра. 169
4.2. Методики измерений и оценка достоверности полученных результатов исследования центробежного электрофильтра 172
4.3. Исследование способа регенерации осадительного электрода 183
4.4. Влияние сильного электрического поля на эффективность работы фильтрующих аппаратов 196
4.5. Экспериментальные исследования улавливания заряженного капельного аэрозоля 201
4.6. Исследование коагуляции капельных аэрозолей в мокром инерционном электростатическом фильтре 213
4.7. Выводы 219
5. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС РАСЧЕТА ОЧИСТНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ТВЁРДОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗЫ АЭРОЗОЛЕЙ 221
5.1. Программный комплекс расчета конструктивно-технологических параметров центробежного электрофильтра . 221
5.2. Программный комплекс расчета мокрого инерционного электростатического фильтра 225
5.3. Методика расчета мокрого инерционного электростатического фильтра 232
5.4. Программа параметрического проектирования 2-IQ
5.5. Выводы 242
6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АППАРАТОВ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ТВЕРДОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗЫ АЭРОЗОЛЕЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСАХ 244
6.1. Характеристика производства бакелитового огнеупора 244
6.2. Испытания центробежного электрофильтра (ЦЭФ) 250
6.3. Анализ эффективности работы систем очистки технологических и вентиляционных выбросов при производстве цветных металлов 256
6.4. Промышленные испытания мокрого инерционного электростатического фильтра (МИЭФ) * 261
6.5. Выводы... 273
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ... 275
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. 278
ПРИЛОЖЕНИЯ 306
- Комбинированные способы очистки выбросов от взвешенных твердых и жидких частиц
- Динамика дрейфа твердых частиц в неоднородном электрическом поле с аксиальной симметрией
- Численное решение системы уравнений, описывающих улавливание твердой фазы аэрозолей в центробежном электрофильтре
Введение к работе
Актуальность. Научно-технический прогресс резко обострил экологическую ситуацию на Земле. Охрана окружающей среды, создание благоприятных, комфортных условий для жизни и труда человека является важнейшей задачей. Защита воздушного бассейна от загрязнений вентиляционными выбросами промышленных предприятий становится все более насущной проблемой.
Производство строительных материалов сопровождается значительными выбросами аэрозолей в атмосферу. По всей отрасли в РФ объем технологических и вентиляционных выбросов превышает 1 млрд м3 в год. Особую опасность для человека представляют часто содержащиеся в этих выбросах мелкодисперсные частицы диаметром до 5 мкм. Однако улавливание таких частиц связано со значительными энергетическими затратами.
Более чем столетний опыт промышленной эксплуатации очистных аппаратов, использующих различные физические принципы, показал, что теоретическое описания процессов очистки ведется чаще всего на основе эмпирических зависимостей, не достаточно учитывающих многообразие внешних и внутренних факторов. А поэтому продолжает оставаться актуальной задача более детального математического описания процессов осаждения и улавливания твердых и жидких взвешенных частиц вентиляционных выбросов, и на этой основе интенсификации процессов очистки, их оптимизации, что позволит при меньших финансовых затратах разрабатывать энергосберегающие аппараты.
Весьма перспективным методом интенсификации является применение сильных электрических полей для электризации твердой и жидкой фазы аэрозолей с последующим улавливанием в очистных аппаратах.
Тематика работы соответствует одному из научных направлений Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова «Разработка высокоэффективных систем очистки вентиляционных выбросов в атмосферу, исследование физических основ коагуляции взвешенных частиц и закономерностей их рассеивания». Работа выполнена в соответствии:
с координационным планом НИР и ОКР в области охраны труда и окружающей среды по МПСМ СССР на 1978 - 1987 г. (№ гос. регистрации 78037705, 80015935, 02860101770);
с научно-исследовательской работой «Математическое моделирование процессов в пылегазовых средах» 1985 - 1987 г. (№ гос. регистрации 81104888);
с планами НИР и ОКР ОАО «Норильская горная компания» на 1995-2000 г.;
с научно-исследовательской работой
ОТЕКА і
расчета конструктивно-технологических параметров высоковольтного ионизатора капельных аэрозолей, осаждаемого в жалюзийном капле-уловителе» (для ОАО «Норильская горная компания») 1996 - 2001 г. (№ гос. регистрации 01200103518);
- с научно-технической программой Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники. Подпрограмма: Экология и рациональное природопользование. 2001 - 2002 г.
Цель работы создание методологии интенсификации процессов улавливания твердой и жидкой фазы аэрозолей при использовании силовых полей.
Достижение этой цели осуществляется путем решения комплекса задач:
исследование физических процессов осаждения твердых и жидких взвешенных частиц в электрическом и инерционном полях;
разработка математической модели процесса электроосаждения твердой фазы аэрозолей из вращающегося потока воздуха с учетом особенностей движения, кинетики зарядки и осаждения;
разработка математической модели движения и осаждения заряженных капельных аэрозолей с учетом коагуляции жидких частиц в электрическом поле;
теоретическое развитие и экспериментальное подтверждение механизмов коагуляции капельных аэрозолей в неоднородном электрическом поле коронного разряда;
разработка программного расчета характеристик аппаратов для улавливания твердой и жидкой фазы вентиляционных выбросов в силовых полях с использованием численных методов решения уравнений и методов статистического анализа многофакторного эксперимента с удобным интерфейсом;
выполнение натурных экспериментальных исследований очистки вентиляционных выбросов на полупромышленных и промышленных установках с применением матричного планирования для определения оптимальных конструктивно-технологических параметров аппаратов и уточнением результатов теоретических исследований;
на основе единого методического подхода последовательного совмещения механизмов осаждения аэрозолей в электрических и инерционных полях разработать для вентиляционных систем промышленные конструкции энергетически рациональных и экологически эффективных аппаратов.
Научная новизна.
1. На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований систематизирована и изучена степень влияния предварительной электризации на интенсификацию улавливания твердой и жидкой фазы вэрозолей в вентиляционных выбросах.
2. Разработаны математические модели процессов осаждения заря
женных твердых и жидких частиц в инерционных полях, в которых в
отличие от известных:
учтено изменение напряженности электрического поля при аксиальной симметрии и для трех систем электродов (коаксиальные цилиндры, провод между параллельными плоскостями; ряд проводов между параллельными плоскостями), позволяющее установить реальную физическую картину процесса осаждения;
учтены кинетика механизмов ударной и диффузионной зарядки частиц в поле отрицательного коронного разряда в расширенном диапазоне дисперсности взвешенных частиц размером 0,2...50 мкм;
кроме Стоксовского режима движения частиц в моделях учтены ранее не учитывавшиеся режимы, описываемые зависимостями Озеена и Клячко.
-
Впервые определены траектории и механизмы движения мелкодисперсной твердой фазы аэрозолей при одновременном воздействии электрического и центробежного полей в диапазоне чисел Рейнольдса 0,1...10, позволяющие определить скорость дрейфа частиц и рассчитать по модифицированному уравнению Дейча эффективность процесса.
-
Экспериментально подтверждена адекватность механизмов электрической и кинематической коагуляции в неоднородном электрическом поле отрицательного коронного разряда.
-
Выявленная высокая степень влияния напряженности электрического поля на коагуляцию частиц позволила уточнить уравнение константы кинематической коагуляции в поле коронного разряда.
-
Разработаны программные комплексы расчета очистных аппаратов с удобным пользовательским интерфейсом, приемлемым временем расчета и наглядным представлением результатов моделирования в среде визуальной разработки приложений Delphi.
-
Определены новые направления в достижении высокой эффективности улавливания мелкодисперсных частиц в вентиляционных выбросах на базе разработанных, испытанных и защищенных авторскими свидетельствами и патентом РФ новых конструкций энергосберегающих аппаратов.
Методы исследований. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, базируются на применении математического аппарата и методов аэрогидромеханики, тепло- и массооб-менных процессов, теории моделирования, планирования экспериментов, физики газового разряда, электрогазодинамики дисперсных систем, методов статистической обработки результатов экспериментов.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается:
адекватностью математических моделей результатам экспериментальных данных, полученных на полупромышленных и промышленных установках очистки вентиляционных выбросов с применением матричного планирования экспериментов;
обоснованным использованием закономерностей электрогазодинамики, классических положений механики аэрозолей, физики коронного разряда, тепло- и массообменных процессов;
удовлетворительной сходимостью результатов (до ± 15%) по эффективности улавливания аэрозольных вентиляционных выбросов, полученных при выполнении экспериментальных работ, с расчетными данными, полученными на основе разработанного алгоритма и выполненного численного эксперимента;
высокими значениями тесноты статистической связи 0,95...0,99 в полученных уравнениях регрессии, статистической значимой разницей результатов фактических и расчетных значений физических параметров при Р = 0,05.
Практическая ценность.
Математическое и программное обеспечение позволило разработать научно обоснованные решения по созданию высокоэффективных аппаратов для улавливания мелкодисперсных аэрозолей с уменьшенными энергозатратами по сравнению с известными и используемыми методами сухой, мокрой и электрической очистки вентиляционных выбросов.
Центробежный электрофильтр внедрен на Щербинском заводе электроплавленных огнеупоров в системе аспирации электроплавильной печи ОКБ-2130. Разработанная методика расчета центробежного электрофильтра утверждена Росоргтехстромом МПСМ РСФСР в качестве нормативного документа при проектировании.
Разработанный программный комплекс расчета и конструкция мокрого инерционного электростатического фильтра положены в основу программы внедрения аппарата на предприятиях открытого акционерного общества «Норильская горная компания» №ГК-673 от 04.08.2000 г.
Программный комплекс расчета очистных аппаратов, математические модели, технические характеристики аппаратов используются при проведении лабораторных, практических и лекционных занятий, курсовом и дипломном проектировании студентов, обучающихся в БГТУ им. В.Г. Шухова по специальностям:
290700 — Теплогазоснабжение и вентиляция, учебные дисциплины «Охрана атмосферного воздуха», «Теплогенерирующие установ-
ки»;
170509 - Машины и оборудование промышленной экологии, учебные дисциплины «Технология очистки газов», «Эксплуатация и ремонт систем пылегазоочистки», «Теплотехника»; 220400 - Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем, 330500 - Безопасность технологических процессов и производств при курсовом и дипломном проектировании.
Получен Диплом Министерства образования РФ за руководство лучшей студенческой научной работой по аппаратам очистки вентиляционных выбросов, 1997 г., выпущено 10 научно-методических работ и учебных пособий, в том числе под грифом УМО Министерства образования РФ для строительных специальностей в 2002 г.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследований:
математические модели процесса движения, зарядки и осаждения твердых и жидких частиц под действием сил инерции с учетом коагуляции жидкой фазы капельных аэрозолей; уточненный механизм коагуляции капельных аэрозолей в неоднородном электрическом поле коронного разряда; программные комплексы расчета аппаратов для улавливания твердых и жидких взвешенных частиц с использованием численных методов решения уравнений и статистического анализа многофакторного эксперимента;
модифицированные уравнения Дейча для расчета эффективности электроосаждения твердой и жидкой фазы в неоднородных электрических полях;
конструктивные решения эффективных очистных аппаратов для улавливания твердых и жидких аэрозольных частиц вентиляционных выбросов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и получили положительную оценку:
На научно-технических конференциях Белгородского технологического института строительных материалов (1978-1991); на научном семинаре в ЦНИИПромзданий (Москва, 1980) кафедры техники высоких напряжений и проблемной лаборатории сильных электрических полей Московского энергетического института (1982); Всесоюзной конференции «Очистка газовых выбросов от пыли на предприятиях различных отраслей промышленности» (Москва, 1983); на конференции «Очистка газовых выбросов от пыли» (Днепродзержинск, Днепропетровской обл., 1984); Республиканском семинаре по теплогазоснабжению и вентиляции (Киев, 1984); заседаниях зонального семинара Приволжского Дома научно-технической пропаганды (Пенза, 1985-1987); V Всесоюзной конференции «Аэрозоли и их применение в народном хозяйстве» (Юрмала, Латвия, 1987); Международном конгрессе «Экологическая инициатива» (Воронеж, РФ, штат Канзас, США, 1996); Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в экологии»
(Воронеж, 1998); Международных конференциях в БелГТАСМ (Белгород, 1994-2002); Международном конгрессе «300 лет Уральской металлургии» (Верхняя Пышма, Свердловской обл., 2001); Международной научно-методической конференции «Экология -образование, наука и промышленность» (Белгород, 2002); III межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2003; II Международной конференции по газоочистке «ЭкоРос - 2003»Москва, «НИИОГАЗ».
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 85 научных публикациях, монографии, авторских свидетельствах, патенте РФ общим объемом 510 с, из них лично автору принадлежит 206 с. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично автору принадлежат: в [6] - программный комплекс; [7] - способ интенсификации; [8] - математическая модель; [9] - анализ экологической обстановки; [10] - теоретические исследования; [11] - инженерно-гигиенические методы оздоровления среды обитания; [12] - метод использования электростатических сил; [13] - применение силовых полей; [14] - системы мониторинга окружающей среды; [15] - метод контроля; [16] - разработка оптического пылемера; [17, 27] - разработка конструкций; [18] - метод регенерации; [19] - анализ процессов; [20] - методы осаждения; [21] - инерционная очистка; [22] - определение эффективности; [23] - регенерация сжатым воздухом; [24] - расчет электроциклона; [25] - конструкции рукавных фильтров; [26] - алгоритм расчета; [28] - конструкция центробежного электрофильтра; [29] - динамика движения; [30] - экспериментальные исследования.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Объем работы 305 с, в том числе 277 с. текста, 68 рис. на 64 с, 15 таблиц, список использованной литературы из 387 наименований на 28 с. и 14 приложений на 62 с.
Комбинированные способы очистки выбросов от взвешенных твердых и жидких частиц
Необходимо отметить, что разработка комбинированных аппаратов имеет давнюю историю и при этом наблюдается два основных подхода:
- механическое соединение двух различных аппаратов, что не всегда по зволяет полностью реализовать возможности каждого аппарата;
- разработка конструкций, в которых оптимизируются размеры аппаратов для более полного использования каждого эффекта (механизма).
Примером механического осаждения двух разных аппаратов являются комбинации прямоточных или противоточных циклонов с электрофильтром [52,100], батарейный циклон с электрофильтром [52, 101], скруббер Вентури и электрооса-дитель [102 - 104], электростатический скруббер-осадитель [105], скруббер в комбинации с электрофильтром или рукавным фильтром [101], ионизатор и скруббер Вентури с переменным сечением горловины [106], пылеосадительная камера и электрофильтр [78, 79], электростатический отделитель твердых частиц [107], сочетающий эффекты инерционного (центробежного) и электростатического осаждения пыли, комбинация химической очистки с электрической [108] и т.д.
Все перечисленные комбинированные аппараты, несмотря на ряд преимуществ, обладают существенным недостатком, вытекающим из самой постановки задачи при их разработке. Объединены два разных аппарата, эффективная работа которых возможна при выполнении зачастую противоположных условий. Например, в то время как циклон требует больших скоростей газа, электрофильтр работает при сравнительно малых скоростях, поле скоростей по сечению аппарата должно быть по возможности равномерным. Примирить эти противоречия весьма трудно.
Так, по данным Страуса В. [109], применяемая для очистки дымовых газов электростанций комбинированная установка, состоящая из прямоточных циклонов и электрофильтра, дала более низкую эффективность работы, чем один электрофильтр. Это согласуется с данными Петролла И. по испытанию циклонов со встроенными электрическими элементами. Вместе с тем делается вывод о важности исследований влияния систем электродов на очистку [110]. Однако необходимо отметить, что аппараты грубой очистки — пылеосадительные камеры, инерционные пылеуловители, циклоны и другие сильно облегчают работу аппаратов тонкой очистки.
Большое развитие получает способ оптимального сочетания разных механизмов осаждения или улавливания пыли в комбинированном аппарате. Рассмотрим подробнее такие конструкции.
Известна конструкция аппарата, представляющего комбинацию рукавного фильтра с трубчатым электрофильтром [111]. Внутри рукава размещен корони-рующий электрод - провод с отрицательным потенциалом. В режиме фильтрации, отрицательно заряженные частицы пыли накапливаются на ткани. Регенерация осуществляется импульсной продувкой. Фильтровальная ткань тефлон, стеклоткань, ноумекс. Достоинством аппарата являются высокая скорость фильтрации,, при этом сокращаются площадь и объем аппарата. Эффективность очистки достигает 99,99 % для частиц размером 1,6-40 мкм.
Разработан электростатический тканевый фильтр или фильтр "Апитрон" [112]. В центре рукава расположены металлическая труба и электрод, на который подается высокое напряжение. Газ со взвешенными твердыми частицами поступает в нижнюю часть рукава, представляющую собой металлический цилиндр, где в поле коронного разряда происходит зарядка и частичное осаждение частиц. Затем заряженные частицы вместе с газом проходят через ткань рукава, где они осаждаются. Регенерация рукава производится импульсами сжатого воздуха без отключения основного потока. Испытания показали значительное в 4-5 раз увеличение скорости фильтрации до 7,5 см/с. При этом гидравлическое сопротивление уменьшилось в 6 раз - 250 Па вместо 1500 Па при тех же условиях, но без высокого напряжения. Это радикально улучшает условия промышленной эксплуатации тканевого фильтра при сохранении высокой степени очистки газов.
В дальнейшем конструкция фильтра "Апитрон" была изменена [113]. Были удалены электроды из рукава. Частицы пыли заряжаются в поле коронного разряда вне аппарата, а затем фильтруются. Результаты увеличения скорости и уменьшения гидравлического сопротивления остались такими же, как в первом аппарате. В НИИЦементе проводились исследования по повышению эффективности тканевых фильтров путем предварительной электризации частиц [114].
Необходимо отметить, что из двух способов наложения электрического поля на процесс фильтрации - внутри аппарата и перед ним, более предпочтительным является второй, не усложняющий конструкцию фильтра, но дающий те же результаты.
В отраслевой научно-исследовательской лаборатории вентиляции МПСМ РСФСР при Белгородском технологическом институте строительных материалов были получены аналогичные результаты по влиянию поля коронного разряда на процесс фильтрации в рукавном фильтре [115] (см. 4.4). При этом было установлено, что эффект предварительной электризации аэрозоля происходит более эффективно в зарядной камере с коронирующими электродами системы коаксиальные цилиндры, чем с эффлювиальными электродами (см. 3.6 данной работы)..
Результаты исследований автора и других исследователей [116-125] были использованы при разработке систематизации комбинированных аппаратов с предварительной электризацией (см. 1.1.3).
При улавливании сравнительно крупных колошниковых пылей эффективно работает двойной центробежный пылеуловитель, состоящий из пылеосадительной камеры и прямоточного циклона. Благодаря удачной компоновке габариты аппарата невелики. Эффективность очистки достигает 92-93 % при начальной запыленности 15-20 г/м3 [78,79].
Много разработок посвящено использованию центробежного осаждения аэрозолей при мокрой очистке. В работах [78,79, 95, 99, 126] приведены подробные описания таких аппаратов. К ним относятся - мокрый прямоточный пылеуловитель, центробежный скруббер "Сирокко" [109], батарейный циклонный мокрый золоуловитель "R- ротоклон" [126], центробежный слоевой мокрый пылеуловитель, центробежные пенные пылеуловители ЛТИ типа ЦПА (циклонно-пенные аппараты) [127] и типа ПВА (пенно-вихревые аппараты ) [128], а также эжекци-онно-пенные промыватели ЭПП [125], циклоны с водяной пленкой типа ЛИОТ и типа ВТИ - Промстройпроекта [52], центробежный циклон-промыватель СИОТ (скоростной промыватель СИОТ) [99] и др.
Несмотря на большие конструктивные различия, принцип действия этих аппаратов одинаков. Вращающийся запыленный газовый поток взаимодействует с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Эффективность очистки повышается благодаря дополнительному воздействию центробежной силы инерции.
Глубокие исследования механизма улавливания твердой фазы аэрозоля в струйных инжекционных аппаратах выполнены в Ярославском политехническом институте группой исследователей во главе с Басаргиным Б.Н. [129].
Необходимо отметить, что мокрые пылеуловители работают более эффективно, чем однотипные сухие.
Большой класс мокрых пылеуловителей основан на применении сил инерции. Пирумов А.И. [130,131] объединяет их в группу инерционных контактных пылеуловителей мокрого типа с внутренней циркуляцией воды. Конструкции их во многом подобны ранее рассмотренным, но они отличаются тем, что подвод воды к зонам контакта осуществляется в результате ее циркуляции внутри самого аппарата. Это существенно упрощает устройство и эксплуатацию аппаратов, в некоторых случаях вообще исключая системы оборотного водоснабжения.
Динамика дрейфа твердых частиц в неоднородном электрическом поле с аксиальной симметрией
В связи с интенсивным развитием очистки газов в последние годы выполнены глубокие теоретические и экспериментальные исследования динамики заряженных аэрозолей, а также физических процессов, протекающих в электрофильтрах [235, 307,309].
Одним из важнейших результатов этих исследований явилась разработка уточненной методики расчетов эффективности очистки газов в электрофильтрах при малых и значительных концентрациях дисперсной фазы аэрозоля [310]. При этом основное внимание уделялось пластинчатым электрофильтрам, получающим преимущественное распространение.
Однако в ряде отраслей промышленности успешно применяются трубчатые электрофильтры, позволяющие получать более высокие напряженности электрического поля.
В работе [311] исследован процесс осаждения пыли в трубчатом электрофильтре в условиях турбулентного перемешивания аэрозоля. При этом кинетическое уравнение для функции распределения частиц по их размерам и зарядам решалось при некоторых предположениях относительно характера движения отдельных частиц. Представляет интерес дальнейшее исследование динамики движения заряженных частиц, учитывающее следующие особенности:
1) реальный характер изменения напряженности электростатического поля;
2) изменение концентрации ионов в межэлектродном пространстве;
3) более точный характер зависимости силы сопротивления среды от скорости движения частиц;
4) положение частиц в начальном сечении электрофильтра.
Транспортирующий поток газа направлен вертикально вверх, продольное движение частиц считаем установившимся, т.е., равномерным со скоростью
Кроме того, были приняты следующие допущения/Считали, что распределение частиц пыли в начальном сечении равномерное и, ввиду малой концентрации дисперсной фазы, изменение электрического поля за счет объемного заряда пыли не учитывали. Изучали частицы радиусом г1мкм, поле напряженностью Е \ кВ/см, поэтому учитывали лишь ударный механизм зарядки частиц. Рассмотрение велось в системе координат, движущейся вместе с частицей в продольном направлении (см. рис. 2.2).
Сила сопротивления среды во всем диапазоне скоростей частиц определялась одной зависимостью - формулой Клячко Л.С. При этом величина отклонения силы сопротивления от экспериментальных данных в области малых скоростей Re 1, где более точны формулы Стокса и Озеена, не превышает 2,5 %. В нашем случае число Рейнольдса для частицы изменяется в интервале ОД....10...
Автором было установлено, что для частиц с г 10 мкм применение закона Стокса приводит к существенному завышению скорости дрейфа ( 2ЛЛ). Это завышение возрастает с увеличением напряженности электрического поля. Представляется целесообразным применение формул Озеена и Клячко при числе Рейнольдса более 0,5 для определения скорости дрейфа частиц.
Упрощенный вариант уравнений (2.15) применительно к пластинчатым электрофильтрам рассмотрен в работе [310].
Аналитическое решение системы (2.15) затруднено, поэтому она была решена численным методом.
В качестве базисных величин для приведения уравнения (2.15) к безразмерному виду принимались - радиус осадительного электрода R2, предельный заряд частицы у осадительного электрода }г = Ят{, і) скорость частицы V2, которую она получила бы имея заряд q2 при стоксовском режиме обтекания (именно эта скорость принимается в настоящее время в качестве скорости дрейфа). Таким образом, для того чтобы определить значение фактической скорости частиц определенного радиуса в момент осаждения V(R2), необходимо величину скорости частиц V-i , определяемой из формул (2.16), умножить на усредненное значение относительной скорости осаждения Wi.
Зависимость относительного времени движения частиц от начального положения т2 =/(Хй) определялась по формуле
г2= , (2.24)
где t2- фактическое время; Кг, - скорость частицы при стоксовском режиме обтекания.
Из рис. 2.5 следует, что для каждого размера частиц можно указать максимальное время нахождения в межэлектродном промежутке. Оно соответствует частицам, влетевшим на расстоянии (0,3-0,35)J?2- Частицы, влетевшие ближе к коронирующему электроду и дальше от этой зоны, осаждаются быстрее. Первые — за счет большей напряженности поля и большего заряда, вторые - за счет меньшего расстояния от осадительного электрода.
Таким образом, для аэрозоля известного дисперсного состава могут быть указаны время пребывания в электрофильтре, а значит и его длина, необходимые для полного осаждения пыли.
В действительности полученная картина процесса очистки газа искажается в результате турбулентного перемешивания аэрозоля, вторичного уноса и других причин, так что найденные значения времени осаждения частиц являются минимально необходимыми. Разработанный метод позволяет определить скорость дрейфа частиц пыли к осадительному электроду трубчатого электрофильтра, которые согласуются с экспериментальными данными значительно лучше, чем рассчитанные по применяемой в настоящее время методике [96].
Численное решение системы уравнений, описывающих улавливание твердой фазы аэрозолей в центробежном электрофильтре
. Одним из требований к любому программному продукту является обеспечение надежности и эффективности его работы. Под надежностью функционирования программы подразумевается свойство программы корректно реагировать на ошибочность как данных, вводимых пользователем, так и на ошибки, возникающие в процессе вычислений. В случае возникновения ошибки должно быть выдано сообщение о ней, по возможности такое, чтобы можно было определить место ее возникновения, а также приостановлена работа программы так, чтобы степень влияния ошибки на устойчивость системы была сведена к минимуму. Это необходимо для того, чтобы в случае исключительных ситуаций можно было корректно завершить выполнение программы и попытаться сохранить данные, с которыми работала программа.
При разработке приложений в Delphi программист имеет возможность использовать несколько механизмов, обеспечивающих обработку исключительных ситуаций -ИС.
С точки зрения Object Pascal исключительные ситуации являются объектами, которые отличаются классам. Для работы с объектами исключительных ситуаций существуют специальные конструкции языка Object Pascal — блоки try...except и try...finally. Они контролируют выполнение операторов, помещенных внутри блока до ключевого слова except и finally. В случае возникновения исключительной ситуации управление передается операторам, идущим за указанными ключевыми словами. Обычно это специальные операторы обработки исключительных ситуаций и реакции приложения на ошибку (например, завершение вычислений и сохранение данных).
В данном программном средстве для обработки исключительных ситуаций применяется только одна конструкция обработки ИС - блок try...except. Этот блок находится во всех местах, где производятся вычисления, выделения памяти, работа с файлами и т.д. В качестве обработчика ИС предназначена специальная процедура в модуле unMain, которая выдает сообщение об ошибке, заносит ее в специальный файл ошибок и прекращает выполнение задачи.
Для повышения эффективности и скорости работы приложения необходимо использовать такие данные и так организовать работу приложения, чтобы она как можно меньше требовала системных ресурсов и времени выполнения. Для этого рекомендуется выполнить следующие пункты: создавать формы приложения не в момент запуска приложения, а в момент вызова данной формы; использовать динамические массивы.
В центробежном электрофильтре, последовательно сочетающем центробежный и электростатический механизмы осаждения твердой фазы, в выхлопной трубе, где действует электрический механизм, сохраняется интенсивная закрутка воздушного потока (см. рис. 1.2). Такой центробежный электрофильтр предназначен для очистки воздуха от мелкодисперсной пыли (разделение аэрозолей с твердой дисперсной фазой). На частицу будет действовать кулоновская сила, которая быстро убывает по мере приближения частицы к осадительному электроду.
Газовый поток вместе с находящимися в нем частицами пыли вращается в выхлопной трубе с постоянной угловой скоростью w, поэтому помимо электрических сил, на частицу действуют центробежная сила инерции, которая увеличивается с ростом расстояния частицы от оси потока. Таким образом, электрическая ицентробежная силы, будучи одинаково направлены, взаимно дополняют друг друга (см. 2.2).
Система дифференциальных уравнений, описывающих поведение твердой фазы аэрозоля, была подробно рассмотрена в 2.3, уравнение (2-27). Все допущения и обозначения, сделанные в 2.3 остаются в силе и без изменений.
Система уравнений (3.2) была приведена к безразмерному виду. В качестве базисных величин для приведения уравнений (3.2) к безразмерному виду принимались радиус осадительного электрода J?2, предельный заряд частиц фпСЕг)» скорость частицы Гг, которую она получала бы имея заряд qm{E2) при стоксовском режиме обтекания.
