Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние исследований в области пылеулавливания и конструктивных разработок пылеочистительных устройств 10
1.1. Конструкции циклонных пылеуловителей 10
1.2. Использование отрывных течений для интенсификации процессов 28
1.3. Методические основы к расчету, сопоставлению и выбору пылеулавливающих аппаратов 38
Выводы. Постановка задач исследования 53
ГЛАВА 2. Техника эксперимента и методы исследования 57
2.1. Описание экспериментального стенда и рабочих участков 57
2.2. Выбор рабочего вещества и его свойства 63
2.3. Методика измерений и проведения эксперимента 76
ГЛАВА 3. Обсуждение и обобщение экспериментальных данных 81
3.1. Результаты и анализ эффективности пылеулавливания 81
3.2. Гидродинамические результаты и их сравнение 87
3.3. Анализ динамических характеристик 97
3.4. Обоснование выбора системы вентиляции с применением циклона, имеющего рельефные поверхности 99
ГЛАВА 4. Моделирование гидродинамических процессов пылеуловителей 102
ГЛАВА 5. Сопоставление энергетических и пылеулавливающих характеристик аппарата с циклонами стандартизированными 128
5.1. Определение констант к расчету универсальным методом 128
5.2. Энергетический принцип сравнения пылеуловителей 136
ГЛАВА 6. Промышленные испытания циклонов 142
Заключение 152
Условные обозначения 154
Список использованной литературы 156
Приложение 166
- Методические основы к расчету, сопоставлению и выбору пылеулавливающих аппаратов
- Описание экспериментального стенда и рабочих участков
- Обоснование выбора системы вентиляции с применением циклона, имеющего рельефные поверхности
- Энергетический принцип сравнения пылеуловителей
Введение к работе
Вопросы очистки от пыли газовоздушных потоков промышленных предприятий были и остаются актуальными и связаны с обеспечением снижения экологического вреда, наносимого выбросом дисперсных частиц с отходящими газами в химической (коксохимической), горной, металлургической и других отраслях промышленности.
Предотвращение загрязнения атмосферы является одной из важнейших проблем глобального характера. Газообразные вещества и пылеватые материалы могут перемещаться на большие расстояния и накапливаться, и при высоких концентрациях на поверхности Земли они способны воздействовать на условия растительного и животного мира как в локальном, так и в глобальном масштабе.
Обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда на промышленных предприятиях требует обеспыливания воздуха, подаваемого в помещения. Промышленные пыли относятся к аэрозолям, вредно действующим на органы дыхания человека [1] и в том числе раздражают кожу, глаза, уши, десны. Вредность пыли зависит от количества, дисперсности и формы (структуры) пылинок. Чем больше пыли витает в воздухе, чем мельче пыль, тем она опаснее. Более крупные пылинки быстро оседают в воздухе, а при вдыхании задерживаются в носоглотке и удаляются (мерцательным эпителием - покровные клетки с колеблющимися жгутиками) к пищеводу. Пылинки размером от 0,1 до 10 мкм в воздухе оседают медленно и проникают глубоко в легкие. При этом они вызывают профессиональные заболевания - пневмокониозы, которые ведут к ограничению дыхательной способности легких (силикоз, антракоз и др.). Изменения, вызываемые в легких осажденными в них частицами, развиваются, как правило, медленно в течение нескольких лет. При пневмоко-ниозе (карбокониозе, антракозе, графитозе - при вдыхании угольной, коксовой пыл ей) [1] частицы угля задерживаясь в легких длительное время, постепенно вызывают разрастание вокруг каждой пылинки соединительной ткани, которая
4 не способна воспринимать кислород из вдыхаемого воздуха, насыщать им кровь и выделять при выдохе углекислоту. При длительном стаже работы в условиях повышенной запыленности происходит разрастание соединительной ткани, которая постепенно замещает легочную, снижая основную функцию легких. Длительная недостаточность кислорода приводит к отдышке (при быстрой ходьбе и работе), ослаблению организма (перегрузка защитных и очищающих механизмов организма), понижению работоспособности, снижению сопротивляемости организма инфекционным и другим заболеваниям, изменениям функционального состояния других органов, систем и организма в целом [2]. В результате всех этих изменений происходят постепенно увеличивающиеся нарушения здоровья человека, которые могут привести к летальному исходу. В последних стадиях пневмокониоза больные нередко заражаются туберкулезом, пневмонией, ускоряющим наступление смерти [1].
Не менее важным аспектом в предотвращении выбросов дисперсных включений из газопылевых потоков является полное и комплексное использование сырья, которое напрямую связано с динамикой оптовых цен на первичные ресурсы, так как в некоторых случаях улавливаемая пыль представляет определенную ценность: например, пыли цветных и редких металлов, коксовая и угольная пыль - полнота использования которых позволяет снизить производственные затраты.
Поэтому развитие многих отраслей производства в сочетании с задачами охраны природы и рационального использования ее ресурсов часто оказываются тесно связанными с проблемой разделения пылесодержащих потоков.
Проведенный анализ состояния проблемы по технологическим выбросам в атмосферу на коксохимических предприятиях с установками сухого тушения кокса и разработкой средств для улавливания пыли [3] показал, что при выборе аппаратов для улавливания коксовой пыли, исходя из достаточно эффективной работы существующих циклонов, но имеющих главным недостатком высокое гидравлическое сопротивление, и имея в виду необходимость ликвидации вод-
5 но-шламового хозяйства пылеулавливания, предпочтение следует отдать сухим методам и аппаратам.
Важную роль в решении многих технических вопросов в химической, угольной, металлургической и других отраслях промышленности играют исследования динамики газовзвесей, т.е. структур течения в пылеуловителях, особенно, с отрывными течениями, создающими условия образования турбулентных жгутов, вихревых потоков, внутрь которых засасываются частицы пыли. Возрастающий интерес к вихревым ловушкам на криволинейных поверхностях тел стимулирует использование отсоса потока в качестве инструмента интенсификации течения.
Применение вычислительных технологий и пакетов программ, позволяет рассчитывать с приемлемой для практики точностью гидродинамические характеристики в турбулентных пространственных стационарных отрывных вихревых течениях на стадии разработки и проектирования промышленных устройств, в том числе пылеулавливающих, позволяя избежать необходимости дорогостоящих натурных испытаний.
Все выше сказанное требует создания и освоения эффективных и экономически выгодных систем пылеулавливания. То есть разработки оборудования, обеспечивающего не только высокую эффективность очистки газов, но и минимально возможные капитальные затраты на его сооружение и, что очень важно, минимально возможные удельные энергозатраты на его эксплуатацию.
Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научно-исследовательских работ Кузбасского государственного технического университета на 2005-2009 гг. «Гидродинамика, тепло- и массообмен в дисперсных системах», «Прикладная гидродинамика вихревых и закрученных потоков».
Целью работы является снижение запыленности воздуха в рабочих зонах промышленных предприятий путем использования циклонов.
Идея работы заключается в использовании рельефных поверхностей в циклоне с отрывом потока и созданием зон разрежения для улавливания мелкодисперсных частиц промышленной пыли.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
На основе анализа конструкций циклонов разработать пылеуловитель с внутренними рельефными поверхностями.
Провести моделирование и экспериментально исследовать эффективность пылеуловителя с рельефными поверхностями, установить закономерности процесса пылеулавливания на основе аэродинамической структуры газового потока.
Разработать методику расчета эффективности процесса пылеулавливания в аппаратах с рельефными поверхностями.
Объектом исследования является пылеуловитель с рельефными поверхностями, предметом исследования - закономерности процессов пылеочистки и аэродинамики в циклонных аппаратах с зонами отрыва потока.
Методы исследования. Работа выполнена с применением патентно-информационного анализа проблемы, методов математического моделирования (использование программного комплекса aFlow), экспериментальных методов: лабораторных, полупромышленных и натурных, измерений и наблюдений (с помощью скоростной цифровой видеокамеры).
Положения, выносимые на защиту:
Условиями эффективной работы и снижения гидравлического сопротивления в 2 и более раза пылеуловителя с рельефными поверхностями являются его конструктивные особенности: а) уступы, расположенные по образующей цилиндрической части корпуса и ограниченные высотой входного участка; б) устройство - полый усеченный конус, обращенный вверх, находящийся в нижней части цилиндрического корпуса пылеуловителя.
Эффективность работы пылеуловителя с рельефными поверхностями вплоть до 99,97 % достигается за счет зон разрежения, обусловленных срывом потока газа с уступа, при этом происходит разрушение пограничного слоя и сепарация мелкодисперсных частиц пыли из основного потока, и наличия устройства, необходимого для транспортирования уловленной пыли из отрывных зон в бункер.
3. Эффективность процесса пылеулавливания в циклонах с рельефными поверхностями подчиняется экспоненциальной зависимости от инерционного критерия Стокса при полученных значениях постоянных а = 3,656 и п = 0,135.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных экспериментальных методик и метрологическими характеристиками используемых измерительных приборов, а также согласием измеряемых величин различными методами и воспроизводимостью результатов.
Научная новизна:
Установлено, что конструкция пылеуловителя с отрывными зонами позволяет эффективно проводить процесс очистки газопылевого потока с пониженным гидравлическим сопротивлением в сравнении с гладкостенными традиционными циклонами. Впервые показано, что наличие отрывных зон на внутренних рельефных поверхностях способствует снижению гидравлического сопротивления циклона в 2 раза по сравнению с гладкостенными циклонами.
На основе исследований газодинамической структуры выявлено, что происходит сепарация мелкодисперсной фракции пыли в отрывные зоны.
Установлены коэффициенты а = 3,656 и п = 0,135 экспоненциальной зависимости коэффициента проскока частиц пыли от критерия Стокса
Къ-е ' , позволяющие рассчитывать циклоны с рельефными поверхно-
стями с использованием универсальной номограммы и энергетического принципа М.И. Шиляева.
Практическая значимость:
Пополнен сформированный М.И. Шиляевым банк данных для характеристик инерционных пылеуловителей, позволяющий пользоваться универсальным методом расчета инерционных пылеуловителей и энергетическим принципом их сравнения.
Установлены промышленные образцы циклона с рельефными поверхностями и проведены их натурные испытания в аспирационной транспортной системе установки сухого тушения кокса предприятия ОАО «Кокс» (г. Кемерово).
Методика и результаты исследования используются в учебном процессе по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» в Кузбасском государственном техническом университете (включены в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплинам «Процессы и аппараты химической технологии» и «Основы инженерного творчества», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).
По результатам исследования разработана конструкция пылеуловителя с рельефными поверхностями и получен патент Российской Федерации на изобретение № 2316397 «Пылеуловитель мелкодисперсной пыли».
Личный вклад. Наиболее значимыми результатами, полученными лично автором, являются: создание техники экспериментов; проведение экспериментов по определению свойств пылей, их улавливанию в аппаратах, по гидродинамике в аппаратах; обработка и представление первичных и обобщенных экспериментальных данных; участие в постановке задачи по моделированию гидродинамических процессов пылеуловителей; расчет для сопоставления энергетических и пылеулавливающих характеристик аппарата с циклонами стандартизированными; участие в промышленных испытаниях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались автором на VIII, XI, XII международной научно-практической конференции «Химия - XXI век. Новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2005, 2008, 2009), IV, V семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (Владивосток, 2005; Иркутск, 2007), XXVIII Сибирском теплофизиче-ском семинаре (Новосибирск, 2005), Международной научно-практической конференции «Инновационная энергетика» (Новосибирск, 2005), XIII всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Красноярск, 2009).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 12 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК - 1, 1-ом патенте, материалах трудов конференций и семинаров — 9.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, введения и выводов. Работа содержит 175 страниц текста, в том числе 76 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 89 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность коллегам из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск) А.Р. Богомолову за идею работы, неизменное внимание к работе, поддержку и огромную помощь при выполнении работы, СВ. Алексеенко, Н.А. Прибатури-ну за внимание, обсуждение и техническую поддержку при проведении видеосъемок процессов высокоскоростной камерой, А.А. Дектереву, М.Ю. Чернец-кому за результаты совместной работы по моделированию процессов в программном комплексе aFlow, из КузГТУ Ю.О. Афанасьеву за обсуждение работы и участие в создании техники эксперимента, работникам предприятия ОАО
«Кокс» (г. Кемерово) С.Д. Тихову , Е.А. Кошелеву за сотрудничество и техническую помощь в создании техники экспериментов, промышленных образцов и их испытаниях на предприятии.
Методические основы к расчету, сопоставлению и выбору пылеулавливающих аппаратов
В связи с ранее изложенным в разделе 1.1 конструктивные особенности аппаратов из [13, 14] являются наиболее интересными по сравнению с остальными, так как одним из актуальных направлений современной гидродинамики и теплофизики являются отрывные течения, а именно вихревая и струйная организация, а также самоорганизация на поверхностях траншейных, луночных покрытий, каверн, вихревых ячеек, выступов, уступов, которая позволяет существенно повысить эффективность тепломассообмена и снизить аэродинамическое сопротивление при обтекании таких поверхностей и предложить новые технические решения установок и аппаратов.
В работе П.А. Баранова и др. [16] довольно четко высказано, что в аэродинамике хорошо известны способы уменьшения сопротивления профилей за счет управления турбулентным пограничным слоем на основе вдува-отсоса в пристеночных слоях жидкости. Однако для практических целей указанные способы существенного развития не получили. Возрастающий интерес к вихревым ловушкам на криволинейных поверхностях тел стимулирует использование отсоса потока в качестве инструмента интенсификации течения в них.
Область распространения вихревых технологий с каждым годом расширяется. Их внедрение позволяет повысить единичную производительность аппаратов, уменьшить габариты установок. Эффективность вихревых аппаратов отмечается многими авторами [15]. Однако существуют факторы, осложняющие процесс вихревых технологий. При бурном расширении внедрения этих технологий в различных отраслях промышленности, нет данных о полной замене ими альтернативных технологий хотя бы в одной из отраслей промышленности. Основными причинами ограниченного использования вихревых структур в аппаратах является отсутствие надежных методик расчета аэродинамики и процессов, происходящих в вихревых отрывных камерах и критериев перехода от лабораторных моделей к крупномасштабным установкам. Из работы [15] по мнению И.Г. Терновского и A.M. Кутепова (1994) другая причина связана с неустойчивой работой вихревых аппаратов — существенным изменением режимов при малых изменениях входных условий. В частности, основной недостаток гидроциклонных аппаратов определяется значительным изменением показателей разделения при малых колебаниях концентрации и состава твердой фазы на входе в аппарат. По этому поводу, ссылаясь из [15] на А.Н. Штыма (1985), отмечено, что в настоящее время разностороннее применение закрученных потоков опережает процесс их детального исследования. Это приводит к тому, что имеется много единичных высокоэффективных циклонно-вихревых установок, но их широкое распространение сдерживается отсутствием четких рекомендаций для перехода на другую производительность и смены режимов работы.
До настоящего времени опубликовано множество монографий и аналитических работ, например, [17-23], специально посвященных отрывным течениям, которые содержат обширный экспериментальный и теоретический материал, собранный авторами из многочисленных журналов, докладов, отчетов. На год опубликования этих работ это были единственные в мировой литературе монографии, касающиеся одного из наиболее актуальных и интересных направлений механики жидкости и газа - отрывным течениям.
В монографии П. Чжена [17-19] обобщен и систематизирован материал по отрывным течениям, возникающим при обтекании тел вязкой жидкостью или газом во всем диапазоне скоростей, от дозвукового до гиперзвукового, при течениях в каналах, газовых машинах, турбинах и т.п. Монография наряду с теоретическим анализом содержит экспериментальные материалы. В [17] изложены физическая картина и механизм отрыва потока различных видов, описаны возникающие при этом отрывные течения и характеризуются методы изучения отрывов потока. Рассмотрены теоретические методы исследования установившегося и неустановившегося отрыва ламинарного и турбулентного потоков жидкости и газа при обтекании двумерных, осесимметричных и пространственных тел, крыльев, а также при течении в плоских и осесимметричных каналах, диффузорах и т.п. Изложены основные методы теоретического расчета отрыва пограничного слоя, дана критическая оценка этих методов и проведено сравнение с результатами экспериментов. Описаны случаи отрывов ламинарных потоков, вызванных падением скачка уплотнения при трансзвуковых, сверх- и гиперзвуковых скоростях. В [18] дается классификация характеристик отрывных течений. Рассматриваются течения в ближнем и дальнем следе за телом, течение при отрыве с кромок крыльев. В [19] рассматривается течение в донной области за телом с привлечением моделей отрывных течений различных авторов. Описана физическая природа процессов теплопередачи при отрыве потока. Излагаются теоретические и эмпирические методы расчета теплопередачи при отрывных течениях с дозвуковой, сверхзвуковой и гиперзвуковой скоростями. Описываются методы управления отрывом потока, т.е. методы предотвращения или затягивания отрыва при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях с помощью щелей, перегородок, отсоса пограничного слоя и т.п. Рассматриваются методы уменьшения теплопередачи в зонах отрыва, а также методы создания преждевременного отрыва потока.
Продолжением трехтомной монографии П. Чжена является его книга [20], в которой рассматриваются главным образом технические приложения результатов исследования отрывных течений. Подробно рассмотрены особенности различных типов таких течений, теоретические методы расчета условий возникновения отрыва пограничного слоя и параметров течения в отрывной зоне. Описаны различные экспериментальные методы исследования отрывных течений. Собран обширный материал по методам управления отрывом пограничного слоя.
В работах Л.В. Гогиша и Г.Ю. Степанова [21, 22] излагаются представления об отрывных течениях, возникающих при обтекании тел вязкой жидкостью или газом, в том числе осложненные возникновением турбулентности и кавитации в жидкости, и приближенные методы их расчета. Дается обзор моделей и расчетных схем двумерных (плоских и осесимметричных) отрывных течений в широком диапазоне чисел Маха и Рейнольдса.
Описание экспериментального стенда и рабочих участков
При использовании формул моделирования предполагается, что турбулентный поток газа в циклоне имеет автомодельный характер в широком интервале значений числа Рейнольдса. В [67] отмечено, что все расчеты, выполненные на основе теории моделирования исходя из существования вращательного движения, могут быть выполнены и без учета вращения газового потока. Критерии Фруда и Стокса характерны для любого движения частиц под действием внешних сил и не характеризуют циклонный процесс как центробежный.
Весь опытный материал резко противоречит этому представлению. Достаточно указать на многочисленные попытки улучшить работу циклонов, исходящие из представлений о центробежном характере воздействия потока на частицы, например, путем устройства винтообразных газоходов, увеличения числа оборотов газа в циклонах и т.д. Все эти попытки усиления действия центробежных сил не привели к существенному улучшению работы циклонов, а в некоторых случаях осаждение частиц пыли уменьшалось. Единственный факт улучшения работы циклона с уменьшением его диаметра, который обычно приводится как доказательство действия центробежных сил в циклоне, усиливающихся с уменьшением радиуса кривизны, может найти и иное объяснение. Циклонный процесс заключается не в том, что центробежные силы осаждают частицы, а в образовании под их действием жгутов частиц пыли, движущихся у стенок циклона и выносимых в бункер, где они оседают под действием силы тяжести [67].
При рассмотрении вопроса об очистке газов от взвешенных частиц пыли необходимо знать закономерности процесса переноса частиц пыли потоком, то есть необходимо знать зависимость транспортирующей способности потока от свойств самого потока и взвешенных в нем частиц пыли. Под транспортирующей способностью потока понимается максимальная концентрация частиц пыли, имеющих определенную гидравлическую крупность, при которой возможен перенос пыли потоком во взвешенном состоянии. В [67] дан анализ транспортирующей способности газового потока с использованием гравитационной теории М.А. Великанова и предложен критерий транспортирующей способности турбулентного потока газа В в виде безразмерной комбинации характеристик потока как линейная скорость потока и, высота потока и уклон потока, выраженный через перепад давления на единицу длины горизонтального расположения трубы и взвешенных наносов (относительная плотность твердых частиц пыли и гидравлическая крупность частиц w). Этот критерий (параметр) представлен в следующем виде: гидравлической крупности или скорости падения частиц; Ар0, Арп - перепад статического давления газа в двух сечениях трубы соответственно для чистого и запыленного газа; q - объемная скорость потока; с - концентрация частиц пыли; р0 - плотность газа; ф0 - коэффициент сопротивления при движении чистого газа.
Кубическая зависимость В от скорости потока следует из того, что была учтена работа, затрачиваемая потоком на взвешивание переносимых им твердых частиц пыли.
С точки зрения теории турбулентности интенсивность турбулентных пульсаций потока меняется одинаковым образом как при изменении скорости течения, так и при изменении его масштаба или диаметра трубы. Следовательно, из закона подобия Рейнольдса вытекает, что зависимость распределения концентрации частиц пыли по высоте потока должна быть одинаковой как для скорости течения, так и для диаметра трубы. Другими словами, распределение частиц должно зависеть от параметра, представляющего собой произведение скорости на диаметр трубы: В (uD) , или В Re-3.
Следует отметить, что по данным В.Н. Теверовского и др. [67] эксперименты и расчеты показали, что значения гидравлической крупности частиц, вычисленные из кривой фракционных остатков и рассчитанные по вышеприведенной формуле, получаются близкими друг к другу. Предложенный метод, как считают В.Н. Теверовский и др. [67], является достаточно точным и отличается простотой и надежность.
Как следует из вышеизложенного, для всех видов пылеуловителей необходимо уменьшать транспортирующую способность турбулентного потока.
Оценивая состояние теоретических исследований процесса осаждения частиц пыли в циклонах, некоторые авторы отмечали, что предложенные на конец XX столетия теоретические расчеты циклонных аппаратов не подтверждаются практической работой их на промышленных установках, по отдельным же узлам циклона расчетов вообще нет. Поэтому основным методом изучения и отработки циклонов были экспериментальные испытания моделей в стандартных условиях, сравнение результатов этих испытаний с различными характеристиками и выбор наилучших из них. По этому пути проводились все исследования и был накоплен большой экспериментальный материал, в значительной мере пока не нашедший достаточного теоретического объяснения и количественного описания.
Обоснование выбора системы вентиляции с применением циклона, имеющего рельефные поверхности
Метод оценки дисперсности пыли по размеру частиц не всегда дает исчерпывающие данные для практического использования. Эффективность отделения пыли в некоторых видах пылеуловителей определяется не столько размером частиц пыли, сколько их массой (инерцией), обусловливаемой наряду с размером их плотностью. Плотность частиц должна учитываться при конструировании бункеров для уловленной пыли, транспортных средств и т.п.
Истинная - это плотность, присущая материалу, из которого образуется пыль. Истинная плотность угольной пыли зависит от присутствия минеральных примесей, природы угля, петрографического состава, степени метаморфизма. Истинная плотность частиц коксовой пыли зависит от технологических особенностей процесса коксования, места ее образования и т.д.
Насыпная плотность в отличие от истинной учитывает наличие воздушных зазоров между частицами свеженасыпанной пыли. Насыпной плотностью пользуются для определения объема, который занимает пыль в бункерах.
Кажущаяся плотность представляет собой отношение массы частицы к занимаемому ею объему, включая поры, пустоты внутри частиц, неровности и т.п.
В случае, когда имеется уверенность, что все частицы пыли образованы из одного материала, значения их плотности можно принимать по справочным данным о кажущейся плотности материала частиц, т.е. о массе единицы объема материала, определенной с учетом объема пор (пористости s). Эта величина используется для различных технологических расчетов. В технике пылеулавливания чем ближе величина кажущейся плотности частиц к истинной, тем лучше будут такие частицы улавливаться в сухих пылеуловителях, так как при одинаковой массе они в меньшей степени подвержены выносу из аппарата газовым потоком.
При определении емкости бункеров сухих пылеуловителей необходимо учитывать также насыпную плотность, представляющую собой массу единицы рыхлого (неуплотненного) объема, который включает кроме пор частиц промежуточное пространство между частицами. Насыпная плотность зависит от воздушных зазоров между частицами свеженасыпанной пыли. Насыпную плотность следует определять экспериментально.
Были проведены исследования по определению насыпной плотности испытуемых пыл ей по методике [76], сущность которой заключается в определении массы измеренного объема пыли. За результат принималось среднее арифметическое из нескольких отдельных определений, и расхождение между параллельными определениями не превышало 3-5 % . Полученные результаты анализов и справочные данные сведены в табл. 2.2.3.
В литературе не обнаружено экспериментальных данных по сравнению эффективности очистки пылеуловителей в зависимости от кажущейся плотности частиц пыли. Данные по эффективности пылеулавливания имеются в ос-новном для плотности частиц пыли от 2000 до 2670 кг/м , которая примерно в два раза превышает плотность коксовой и угольной пыли.
Данное положение предполагает и влечет за собой проведение детальных и систематических исследований работы пылеуловителей на промышленных пылях, образующихся на коксохимических предприятиях. Кроме того, конструкции пылеуловителей, выпускаемых заводами, имеют расчетную эффективность около 90 % для среднедисперсной и крупнодисперсной пыли с кажущейся плотностью частиц выше 2000 кг/м3. Для плотности частиц в пределах 1200 - 1300 кг/м3 такой эффективности практически достичь невозможно. Необходимы новые и нетрадиционные решения, основанные на закономерностях аэромеханики и известных эффектах, которые позволят довести степень очистки до требуемой, позволяющей содержать рабочие зоны и выбросы в атмосферу в пределах предельно допустимых концентраций. Насыпная плотность пыли УБВК фракцией О-т-50 мкм незначительно меньше, чем для общего состава этой пыли. Вероятно, это связано с формой частиц размером до 50 мкм, которые имеют вид пластинок и создают большую порозность в штабеле или сборниках пыли. Кроме того, пластинчатая форма мелкодисперсных частиц, находящихся в газах, затрудняет их улавливание (высокая парусность частиц пластинчатой формы затрудняет их перемещение в зоны пониженного давления, т.е. сепарация из общего основного газопылевого потока в отрывные зоны предлагаемого нами циклона может практически отсутствовать). Другой причиной меньшей плотности частиц пыли УБВК может быть иная их природа - часть таких частиц может представлять собой сажевые частицы, которые на практике редко встречаются шарообразной формы.
Энергетический принцип сравнения пылеуловителей
Учитывая, что эксплуатационные затраты составляют значительно большую величину в приведенных затратах, чем капитальные, можно предположить, что разработанная конструкция циклона с уступами и усеченным конусом, обращенным вершиной вверх, может конкурировать с коническими и цилиндрическими циклонами НИИОГАЗ и циклонами СИОТ.
Для понимания процессов, происходящих в предлагаемом циклоне и поведения основного потока и течения в отрывных зонах, провели детальные измерения различных параметров. При истечении плоской турбулентной закрученной струи происходит взаимодействие ее с криволинейной близлежащей твердой стенкой. Измерения локальных характеристик струи, натекающей под некоторым углом на стенку, проводились на циклоне, поперечное сечение которого представлено на рис. 2.1.1 и 2.1.3. Циклон диаметром d — 250 мм имеет четыре уступа, выполненных по внутренним образующим цилиндрической части циклона. В месте одного из уступов организован вход запыленного потока. Высота уступов и ширина входного плоского канала была одинакова и равна Н = 25 мм, диаметр выхлопной трубы dt 100 мм, длина уступов и входного канала /zk = 250 мм. На криволинейной стенке расположены отверстия для измерения статического давления (см. рис. 3.2.8 б и 2.1.4), которое измерялось водяными U-образными манометрами.
Течение струи от среза уступа с близлежащей стенкой в случае прилипания к последней можно разделить на три области (рис. 3.2.8): область отрывной зоны 1, переходную область в точке присоединения 2, область пристенной струи 3, распространяющейся вниз по потоку. Обозначения на рис. 3.2.8: Р\ — это давление в точках замера, Р\ - давление в отрывной зоне непосредственно за уступом, /, - длина, отсчитываемая от первого уступа, / - общая длина близлежащей стенки между уступами.
Длина отрывной зоны 1 характеризуется постоянством давления на твердой стенке, размер же переходной области 2 определяется из условия повы-шенного давления по сравне нию с отрывной зоной и ЗОНОЙ 1,08 пристенной струи 3. Положение переходной области соответствует точке присоединения струи, которая характеризуется максимальным значе- о,92 нием давления (минимальным разрежением) на стенке. Обычно размер переходной области не превышает размера высоты уступа.
Экспериментальные данные некоторых исследователей, представленные в [26], показывают снижение статического давления на стенке в области пристенной струи, начиная от точки присоединения. Несмотря на значительные отличия в характере течения закрученной струи от плоской можно отметить также снижение статического давления.
Хотя промежуток между точками замера статического давления на стенке при течении струи велик, из рис. 3.2.8 видно, что длина отрывной зоны больше в случае меньшей скорости потока во входном канале. На расстоянии /// = 0,33 разрежение при скорости 1,48 м/с остается практически такое же, как и на боковой стенке непосредственно за уступом. При скоростях 2,10 и 2,22 м/с разрежение на длине 0,33/ значительно меньше разрежения непосредственно за уступом, что соответствует области натекания струи на стенку, и область отрывной зоны смещена влево. Можно предположить, что для скорости 1,48 м/с точка присоединения струи расположена на расстоянии (0,4-0,6)/.
Из сказанного можно сделать вывод, что область отрывной зоны уменьшается с повышением скорости потока и соответственно переходная область смещается к срезу уступа, а область пристенной струи возрастает.
Что касается отрывной зоны за следующим уступом, то в ней разрежение на 3-5 % больше, чем в предыдущем. Возможно, это связано с влиянием разрежения в области пристенной струи перед уступом и воздействием турбулентного основного потока. Причем, при приведенной скорости потока 1,48 м/с разрежение в пристенной струе одинаково с разрежением за уступом. При скорости больше 2,1 м/с разрежение за уступом меньше, чем в области пристенной струи.
На эффективность пылеуловителей циклонного типа оказывают большое влияние вторичные токи (вторичные циркуляционные течения), обусловленные наличием радиального градиента давления и, как следствие, возникновением радиального течения, направленного к оси вращения (радиальный или осевой сток). Верхняя ветвь вихря является кратчайшим путем для выноса пыли в выхлопную трубу. Для ослабления влияния этого течения увеличивают глубину погружения выхлопной трубы.
Были проведены исследования влияния глубины погружения выхлопной трубы на эффективность работы пылеуловителя с одновременным измерением давления (разрежения) по высоте цилиндрической части циклона. Точкой отсчета глубины погружения является нижняя грань уступов и считается положительной величиной, превышающей длину уступа (направление вниз) и отрицательной - при перемещении выхлопной трубы вверх от нижней грани уступов. Глубину погружения нормировали путем отнесения ее абсолютной величины к высоте плоского входного канала.
Вращающийся поток формируется от входного участка циклона, и время формирования его зависит не только от глубины погружения, но и от площади сечения кольцевого пространства, т.е. от соотношения площадей выхлопной трубы и корпуса циклона. Таким образом, для улучшения работы циклонов необходимо достаточное время формирования вращающегося потока, чтобы перейти частицам пыли из слоев воздуха, опускающихся вдоль выхлопной трубы в более удаленные слои и связанное с этим уменьшение выноса вторичным течение пыли.
Поэтому эффективность пылеуловителя в общем виде зависит от геомет-рических безразмерных комплексов hx/hk и (dt/d) .
Представлена схема измерения давления (разрежения) по высоте цилиндрической части циклона и экспериментальные данные этих значений в зависимости от глубины погружения выхлопной трубы при соотноше-нии площадей (dt/d) = 0,16 и одинаковой скорости потока на входе со = 2,2 м/с. На графиках Pt - давление в точках замера, Р\ - давление в верхней точке отрывной зоны.
