Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературы по проблеме улавливания пыли в циклонах 14
1.1. Современные принципы очистки и применяемая для этого техника 14
1.2. Принцип действия существующего циклона. Его основные параметры 18
1.3. Математические методы оценки влияния геометрических параметров на эффективность циклона 27
1.4. Анализ математических моделей процесса пылеулавливания 32
1.5. Выводы по главе. Цель и задачи работы 43
Глава 2. Построение математической модели процесса пылеулавливания в многосекционном циклоне 45
2.1. Основные положения математической модели процесса пылеулавливания 45
2,1.1. Основные допущения 49
2.2. Движение частицы пыли в циклоне 52
2.2.1. Силы, действующие на частицу 52
2.2.2. Определение радиальной скорости потока 56
2.2.3. Расчёт тангенциальной скорости потока 57
2.2.4. Определение скорости частицы 60
2.2.5. Движение частицы к конусной стенке , 61
2.2.6. Связь между базовыми параметрами процесса пылеулавливания 66
2.2.7. Определение максимального времени движения частицы к стенке 68
2.3. Выводы по главе 70
Глава 3. Исследование математической модели процесса пылеулавливания 72
3.1. Анализ влияния параметров на эффективность процесса пылеулавливания 72
3.2. Влияние температуры запылённого воздуха на эффективность его очистки 85
3.3. Расчёт технических параметров циклона 86
3.4. Проверка адекватности математической модели 88
3.5. Выводы по главе 91
Глава 4. Применение результатов моделирования 92
4.1. Методика автоматизированного расчёта параметров циклона и её программная реализация 92
4.1.1. Создание методики автоматизированного расчёта параметров циклона - 92
4.1.2. Разработка программного обеспечения по расчёту параметров циклона 95
4.2. Выбор рациональных параметров циклона 103
4.3. Применение многосекционного циклона в условиях силикатного производства 119
4.4. Выводы по главе 123
Заключение 124
Список литературы
- Принцип действия существующего циклона. Его основные параметры
- Движение частицы пыли в циклоне
- Влияние температуры запылённого воздуха на эффективность его очистки
- Разработка программного обеспечения по расчёту параметров циклона
Введение к работе
Актуальность проблемы. Защита воздушного бассейна от выбросов промышленных предприятий и энергетических объектов является одной из важнейших проблем современной экологии. Среди вредных выбросов химической, деревообрабатывающей промышленности, цементного, силикатного производства и многих других имеется большая доля в виде пыли, золы и сажи. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается около 580 млн. т. различной пыли. В связи с этим возникает проблема сохранения чистоты воздушного бассейна городов, следовательно, предъявляются повышенные требования к пылеулавливающей аппаратуре.
Для грубой очистки воздуха от пыли, в случае высокой начальной запылённости (более 10 - J 5 г/м3) обычно применяются циклоны, хотя использование подобных устройств для тонкой очистки имело бы важное значение.
Принцип действия циклона основан на центробежном разделении смеси пыли и воздуха. Запылённому воздушному потоку придаётся вращательное движение, которое создаёт сильное поле центробежных сил инерции, приводящее к осаждению частиц пыли на стенки и далее продвижению их к специальному бункеру.
В связи с ужесточением требований к обеспыливанию технологического воздуха наметилась тенденция к замене циклонов тканевыми фильтрами, поэтому актуальной становится задача разработки новых моделей циклонов с более высокими техническими параметрами, приспособленными для конкретных условий работы. Однако на пути создания более совершенных циклонных пылеуловителей и агрегатов имеются определённые трудности, вызванные главным образом отсутствием точных методов прогнозирования эксплутационных показателей будущих аппаратов с учетом конкретных условий работы. Существующие методики по общему расчету циклонов имеют узкую область применения и не позволяют прогнозировать параметры циклонов произвольной формы.
Для решения практических задач по совершенствованию циклонных пылеуло-вительных устройств большое значение приобретают теоретические методы, использование которых, с применением математического моделирования, численных методов и средств современной вычислительной техники, позволяет быстро и с высокой степенью достоверности определять параметры исследуемого процесса, что и определяет актуальность темы.
В настоящей работе рассматривается конструктивная схема многосекционного циклона, которая позволяет уменьшить путь движения частиц к стенке, что значительно повышает эффективность очистки и за счёт распараллеливания потоков позволяет уменьшить общий объём конструкции. Предварительные расчёты, подтверждают высокую результативность многосекционного циклона по сравнению с существующими (в 4 раза по объёму, более чем в 2 раза по коэффициенту очистки и резкому уменьшению диаметра задерживаемых пылинок).
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕК СПе OS
Возможным недостатком, является увеличенный вес конструкции циклона, поскольку разбиение потока на секции и подсекции, требует введение большого количества разделяющих стенок.
Ускорение и снижение стоимости этого процесса достигается применением программного обеспечения. Сказанное подчёркивает актуальность разработки методики автоматизированного расчёта параметров указанного выше циклона и её программная реализация.
Целью диссертационной работы является разработка, исследование и программная реализация математической модели процесса пылеулавливания в многосекционном циклоне.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать методики расчётов существующих циклонов.
Разработать математическую модель процесса пылеулавливания в многосекционном циклоне.
Выделить базовые параметры процесса пылеулавливания и выявить взаимосвязь между ними.
Создать методику автоматизированного расчёта параметров циклона.
Разработать программное обеспечение для расчёта и выбора рациональных параметров циклона.
Рассчитать практически важные технические параметры.
Сопоставить основные технические параметры многосекционного циклона с соответствующими параметрами существующих.
Объект исследования. Процесс пылеулавливания в многосекционном циклоне.
Методы исследования. При выполнении исследований и поставленных в работе задач применены следующие методы: математическое моделирование, интегрирование, программирование, использованы различные численные методы (решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений, аппроксимация функций).
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложена физическая модель движения отдельных частиц в многосекционном цикло
не, учитывающая новую форму конструкции и влияние всех геометрических, кине
матических и физических параметров на этот процесс.
Впервые построена математическая модель процесса пылеулавливания в многосекционном циклоне, позволяющая исследовать траектории отдельных частиц.
Предложены формулы для расчёта основных технических параметров циклона и разработана методика их автоматизированного расчёта.
Разработано программное обеспечение, позволяющее успешно проводить автоматизированный анализ процесса пылеулавливания в циклоне.
Практическая ценность работы. Результаты работы позволяют значительно повысить эффективность процесса пылеулавливания в циклоне, в том числе:
использовать полученные теоретические выкладки для прогнозирования основных технических параметров циклона.
давать рекомендации по выбору рациональных параметров циклона для систем пылео-чистки пылегенерирующего предприятия.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы были доложены на научно-технических конференциях в 2001 - 2005 г. г. По теме работы опубликовано 8 статей.
. іг. Г
На защиту выносятся следующие положения:
Физическая модель движения отдельных частиц в многосекционном циклоне.
Математическая модель процесса пылеулавливания в циклоне.
Логический анализ базовых параметров процесса пылеулавливания.
Методика автоматизированного расчёта параметров циклона и разработанное на её основе программное обеспечение.
Сопоставление основных технических параметров многосекционного циклона с соответствующими параметрами существующих.
Комплексы рациональных параметров циклона, которые имеют важное значение для практики.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка литературы, приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста формата А4, и включает 29 рисунков, 27 таблиц, 8 приложений, список литературы из 125 наименований.
Принцип действия существующего циклона. Его основные параметры
В системах обеспыливания предприятий значительное применение нашли сухие пылеуловители-циклоны: цилиндрические, конические, с обратным конусом и другие [42, 60, 61, 89]. Схематические изображения наиболее распространённых существующих циклонных аппаратов показаны на рис. 1.1, а основные геометрические параметры приведены в приложении 1. Сведения о параметрах циклонных сепараторов зарубежного производства содержатся в обобщающих работах [13, 112]. Схема существующего циклона с указанием основных геометрических размеров приведена на рис. 1.2.
Широкое использование циклонных сепарационных устройств определяется их некоторыми преимуществами [95, 112] перед другими аппаратами аналогичного назначения:
1) отсутствием движущихся конструктивных элементов и узлов;
2) относительной простотой изготовления и небольшой стоимостью (как при изготовлении, так и при эксплуатации);
3) возможностью функционирования в условиях высоких температур и давлений без каких-либо принципиальных изменений в конструкциях;
4) возможностью улавливания абразивных включений при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;
5) сохранением требуемого уровня фракционной эффективности очистки с ростом массовой концентрации твердой фазы;
6) возможностью сухого осаждения продукта в циклонах.
Принцип действия циклона состоит в следующем. Запылённый газовый поток вводится в циклон таким образом, чтобы придать ему вращательное движение (см. рис. 1.2). Это делается либо с помощью тангенциального (простого, улиточного или винтового) входа, либо с помощью профилированных лопаток, закручивающих поток. Этот вращающийся поток входит в циклон, как правило, разворачивается в нём (в прямоточных циклонах повышенной производительность он не разворачивается), и выходит через осесимметричную выхлопную трубу. Частицы пыли, находящиеся в потоке, под действием центробежных сил инерции отбрасываются к стенкам циклона и по спиральным траекториям сползают через пылевыпускное отверстие в бункер.
Циклонные аппараты применяют в виде одиночных установок и батарейных циклонов. Минимальный размер частиц, улавливаемых одним циклоном, составляет около 10 мкм, а батарейным агрегатом - 5 мкм. Эффективность улавливания составляет от 60 % до 99.8 % [3, 13, 30, 50, 53, 57, 68, 76, 87, 90, 101] в зависимости от улавливаемой пыли, типа циклона и режима эксплуатации. В большинстве случаев пылевые выбросы относятся к.III классу опасности (ГОСТ 17.2.3.02-78), при этом ПДК пыли в газовых выбросах составляет от 0.1 до 10 мг/м . При средней запылённости газов 5 60 г/м циклоны только в некоторых случаях могут служить как самостоятельное средство очистки. В большинстве же случаев они используются совместно с более эффективными аппаратами [3, 7, 44, 50, 53, 57, 61, 90, 101], причём как для предварительной очистки, так и после других аппаратов пылеочистки. Часто используются многоступенчатые системы очистки [104, 105]. Несмотря на это, благодаря ряду преимуществ (главным образом благодаря способности работать при высокой запылённости газов и небольшой стоимости изготовления и эксплуатации), циклоны не могут быть заменены другими средствами пылеочистки.
Основные геометрические параметры циклона приведены на рис. 1.3. Это диаметр циклона D0 (или его радиус Ra), который обычно принимается в качестве характерного размера циклона (D„= 0.2 ч- 5 м); высота конической час 4 ти корпуса циклона Нк и высота его цилиндрической части Нц; полная высота циклона Нп; диаметр debix и величина заглубления выхлопной трубы в циклон hebLX; ширина Ьвх и высота входа hax; угол ввода газового потока Д диаметр пыле выпускного отверстия d[.
В большинстве случаев все геометрические размеры выражаются в долях диаметра циклона, поэтому обычно рассматривают относительные размеры, отнесённые к его характерному размеру (D0 или R0). »
В зависимости от преобладания цилиндрической или конической частей циклоны условно разделяются на цилиндрические и конические. Высота цилиндрической части у конических циклонов обычно равна высоте входного канала. Конические циклоны, при равных производительностях с цилиндрическими, отличаются от последних большими габаритами и поэтому обычно не применяются в групповом исполнении.
Говоря об условиях ввода потока, следует отметить, что большинство промышленных циклонов-отделителей, в отличие от топок и печей, характеризуются сравнительно большой относительной площадью входа (f(lx = bexheJRo 0.3-3.5).
Промышленную реализацию получили следующие основные конструкции ввода пылегазового потока в циклон: простой тангенциальный ввод (рис. 1.4, а), тангенциальный ввод с винтовой верхней частью (рис. 1.4, б), простой спиральный ввод (рис. 1.4, в), спиральный ввод с винтовой верхней частью (ри-с. 1.4, г).
Простой тангенциальный ввод применяется при большой запылённости потока, размерах частиц и скорости газа. Как правило, канал имеет прямоугольную форму. Круглая форма входного канала в циклонных аппаратах встречается реже, чем в гидроциклонах.
Движение частицы пыли в циклоне
Загрязнённый частицами пыли воздушный поток вводится в циклон таким образом, чтобы придать ему вращательное движение. Вследствие вращения запылённого потока создаётся поле центробежных сил, приводящее к разделению пыли и воздуха.
При движении частицы в циклоне на неё действуют следующие силы: - F4 - центробежная сила; - Fa— сила аэродинамического сопротивления; - Fm - сила тяжести; -FA— сила Архимеда; - Fp— сила, обусловленная радиальным градиентом давления газа. Рассмотрим силы, действующие на частицы, и оценим их величину, с целью определения наиболее существенных (см. рис. 2.5). Для простоты рассмотрим движение частицы в межконусном пространстве одной секции. 1. Центробежная сила: „ muUl F = —- — -, (2.1) Ч r v } где тч — масса частицы; U4 - тангенциальная скорость частицы; г- радиус траектории частицы. Это основная сила, которая способствует разделению пыли и воздуха. 2. Аэродинамическая сила: F =с AK-KL lL (2.2) а а 2 4 где Са - коэффициент аэродинамического сопротивления; рг— плотность газа; V4 - скорость частицы; Уг - скорость газового потока; d4 — эффективный аэродинамический диаметр частиц.
Коэффициент Са зависит от скорости частиц относительно газов. Для нахождения аэродинамической силы оценим число Рейнольдса обтекания частицы газовым потоком (кинематическая вязкость газа v, = 1.8-10"5 м2/с; относительная скорость частицы V4 = 0.2 м/с; диаметр частицы d4 = 50 мкм): Re = - - «0.6.
Скорость движения частиц относительно газа, как правило, значительно меньше использованной при оценке числа Рейнольдса, кроме того, наибольшую трудность представляет осаждение малых частиц {d4 = 5 -г- 50 мкм), следовательно, реально число Рейнольдса будет еще меньше.
Коэффициент сопротивления Са для шаровой частицы при Re 3 ч- 4 можно с достаточной точностью [3] вычислить по эмпирической формуле Кляч ко Л.: 24 4 а Re VRe или Осеена {Re 0.2): С =—+4.5. (2.4) "Re Аэродинамическое сопротивление зависит от многих, трудно учитываемых факторов, поэтому ограничимся первым членом в формулах (2.3), (2.4) и при расчёте аэродинамической силы будем полагать коэффициент сопротивления С =24. а Re Аэродинамическую силу при движении частицы относительно потока будем вычислять, пользуясь формулой Стокса F=Ъкц d (V -Vг), (2.5) где [ів - динамическая вязкость воздуха.
В общем случае определить аэродинамическую силу очень трудно, так как она зависит не только от формы частиц, свойств её поверхности, величины скорости, вязкости газа, но и от ориентации частицы по отношению к вектору скорости. Поэтому в дальнейшем будем полагать, что частицы имеют сферическую форму, и пользоваться формулой Стокса для шара (2.5). Это не является жёстким ограничением, так как силу аэродинамического сопротивления при необходимости можно пересчитать, используя в формулах эффективный аэродинамический диаметр частиц и эффективную плотность частиц.
Влияние температуры запылённого воздуха на эффективность его очистки
Эффективность очистки запылённого воздуха в циклоне зависит не только от физико-химических свойств частиц подлежащих улавливанию, а и от его температуры Тв, поскольку от неё, в свою очередь, зависят вязкость воздуха и соответственно скорость движения частицы в циклоне.
Для оценки влияния температуры запылённого воздуха, поступающего в циклон, на его динамический коэффициент вязкости це, была принята следующая функциональная зависимость [89], которая имеет вид 273+с U = Ц Т„ 273 з (3.3) где fi0 — динамическая вязкость воздуха; с — константа Сезерленда. При нормальных условиях (при?0= О С ир0 = 0.1 МПа) для воздуха f.i0 = 17.3-106 Пах; с-124. Из зависимости (3.1), с учётом указанных выше количественных допущений (рч = 2000 кг/м3, V0 — 30 м/с) и для ширины входного отверстия 8Р = 0.11 м, получим формулу для определения диаметра полностью улавливаемых частиц d4i которая имеет следующий вид; d =2.8-10"3 ч і М D / —cosa0+7.5-sin а0 \$о j (мкм) (3.4) где Д - диаметр циклона (Д, = 0.5 1 м); S0 — расстояние между конусными поверхностями (So = 5 -ь 15 см); а0 - угол наклона конуса (а0 =10 80). Расчёт проведём для значений Тв = 273, 373,473, 573, 673 и 773 К.
Результаты расчёта диаметра частиц d4, в зависимости от принятого выше диапазона температур воздуха Тв и размеров циклона, приведены на рис. 3.6.
Как следует из рис. 3.6, при уменьшении температуры Те воздуха, диаметр полностью улавливаемых частиц d4 уменьшается, что повышает эффективность очистки циклона.
Используя полученную приближённую зависимость (2.25) между безразмерными параметрами E(q) и q, можно определить технические параметры рассматриваемого циклона. Важнейшим параметром циклона является диаметр полностыо улавливаемых частиц. Выше уже бьшо получено выражение для критического диаметра частиц (теоретически полностью улавливаемых): (мкм) (3.5)
По величине (D(/S0, а0, др) можно судить о диаметре улавливаемых частиц d4. При определении критического диаметра частиц, в качестве начальной точки траектории выбиралась самая неблагоприятная для улавливания точка.
Диаметр частиц, улавливаемых с вероятностью 50 %, определяется по формуле d,n = Q.$2-d . (3.6) 50 кр v Вероятность осаждения частиц пыли заданного диаметра фактически является значением парциального коэффициента очистки циклона. Если выразить значение вероятности через отношение текущего диаметра частиц к их критическому диаметру, то можно получить следующую формулу для парциального коэффициента очистки циклона: кр Г\ l,d„ d. кр 02 \ Ґ \4 d„ d кр J +0.8 \ \Гкр) ,d4 di (3.7) где d4 — диаметр текущий; dKp - диаметр критический; цп - парциальный коэффициент очистки.
Эта формула справедлива как для циклонов с винтовым вводом, так и для циклонов с улиточным входом.
Адекватность построенной математической модели основывается на принятых допущениях, целесообразность которых подтверждается практикой аналогичных исследований, полнотой моделирования процесса пылеулавливания за счёт использования 31 параметра, характеризующих этот процесс, использованием базовых законов механики и аэромеханики, связывающих эти параметры, а также в сопоставлении основных технических параметров многосекционного циклона с соответствующими параметрами существующих. Впервые получены аналитические формулы для расчёта основных технических параметров многосекционного циклона: d4 — минимального диаметра полностью осаждаемых частиц (3.5), d$o — диаметра частиц улавливаемых с вероятностью 50 % (3.6); цп — парциального коэффициента очистки (3.7).
На основе полученных формул (3.1)-(3.2), с учётом ограничения для угла наклона конуса а0, построены теоретические зависимости между базовыми параметрами (Д,, S0, аОІ Зр) процесса пылеулавливания, которые оказывают влияние на эффективность этого процесса, и определяют необходимое условие для осаждения частиц заданного диаметра d4. Предложена функциональная зависимость (3.4) для оценки влияния температуры запылённого воздуха Тв на эффективность его очистки. Адекватность построенной математической модели основывается на принятых допущениях, целесообразность которых подтверждается практикой аналогичных исследований, полнотой моделирования процесса пылеулавливания за счёт использования 31 параметра, характеризующих этот процесс, использованием базовых законов механики и аэромеханики, связывающих эти параметры, а также в сопоставлении основных технических параметров многосекционного циклона с соответствующими параметрами существующих.
Разработка программного обеспечения по расчёту параметров циклона
Аналитическое решение системы уравнений (2.20) представляет значительные трудности, к тому же её структура может сильно изменяться в зависимости от геометрической формы циклона. Универсальным способом решения является применение численных методов для нахождения приближённого решения поставленной задачи с помощью средств современной вычислительной техники и информатики. Численное решение позволяет применить один и тот же алгоритм, одно и то же программное обеспечение для расчёта циклона при любых входных параметрах движения.
Совместное решение уравнений математической модели (2.20) позволяет рассчитать траектории движения отдельных частиц в циклоне и исследовать её зависимость от 31 теоретического параметра (20 основных и 11 вспомогательных), перечисленных в начале работы.
В соответствии с комплексом зависимостей (6) была создана методика автоматизированного расчёта параметров циклона и программное обеспечение на её основе. Составленное программное обеспечение, позволяет в автоматизированном режиме рассчитать основные параметры циклона. В качестве средства разработки была выбрана среда Delphi 7.
Назначение программного обеспечения «Циклон» — повышение производительности и снижение трудоёмкости конструкторских работ при проектировании системы пылеочистки, на основе автоматизации расчёта многосекционного циклона (см. рис. 2,1).
Основные функциональные возможности программного обеспечения: расчёт параметров циклона обеспечивающего улавливание частиц заданного диаметра; автоматизированное формирование и печать текстового документа с результатами расчёта; печать эскиза проектируемого циклона с указанием его конструктивных размеров; интуитивно-понятный графический оконный интерфейс, обеспечивающий удобство ввода исходных данных, вывода результатов расчёта и справочной информации; наличие справочной системы для использования программного обеспечения; автоматизированный контроль входной информации.
Для функционирования обеспечения «Циклон», необходимы входные данные двух видов: общие, характеризующие параметры очищаемого газа и частиц загрязнения (их перечень не зависит от типа проектируемого циклона); частные, характеризующие особенности конструкции и работы проектируемого циклона.
Входные данные вводятся с помощью последовательности чередующихся окон. Общие входные данные включают: окно «Физические параметры» - плотность частиц, кГ/м ; - размер полностью удаляемых частиц, мкм; - динамическая вязкость нагретого воздуха, Н-с/м ; - входная тангенциальная скорость потока, м/с; - объёмный расход запылённого газа, м3/с. Частные входные данные включают: окно «Геометрические параметры» - диаметр циклона, м; - минимальный и максимальный угол наклона конуса, град; - ширина тангенциального входа в циклон, м; - объём существующего циклона, с которым производится сопоставление, м3.
Минимально необходимый набор аппаратных и программных средств, обеспечивающих эффективную работу программного комплекса: стандартный комплекс персонального компьютера процессора Intel Pentium 4 - 2400 MHz; дисплей и видеокарта VGA или SVGA с разрешением видео адаптера не ниже 800x600; дигитайзер типа «мышь» (повышает удобство работы с обеспечением, однако не является обязательным); лазерный или струйный принтер с разрешающей способностью не ниже 180 dpi; операционная оболочка Windows 4.1 или операционная система Windows ХР; оперативная память компьютера не ниже 8 Мб; свободное дисковое пространство на жестком диске для инсталляции обеспечения не менее 3 Мб.
Файловый состав обеспечения включает следующие вычислительные и графические файлы: cyclone.exe — исполняемый файл, представляющий интерфейс для ввода исходных данных и вывода результатов расчёта, а также реализующий методику расчёта циклона; cn.bmp — графический файл, содержащий эскиз циклона (см. рис. 2.3); cyclone.pas — комплекс справочных программ.
