Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ характеристик и эксплутационных показателей промышленных пыле- и золоуловителей энергетических установок 13
1.1 Системы пыле-и золоулавливания энергетических установок 13
1.1.1 Анализ характеристик и эксплутационных показателей противоточных циклонных пыле- и золоуловителей 13
1.1.2 Анализ обеспыливания газов в групповых и батарейных циклонных газоочистителях 21
1.1.3 Анализ обеспыливания газов в аппаратах с преимущественно радиальным переносом закрученного потока к выводному каналу 25
1.1.4 Анализ обеспыливания газов в аппаратах с преимущественно прямоточным движением закрученного потока 36
1.2 Анализ методов оценки эффективности сепарации частиц в инерционных аппаратах 44
Выводы по главе 1 49
Глава 2. Анализ процессов сепарации в инерционных аппаратах при малых концентрациях частиц 50
2.1 .Гидродинамическая устойчивость потоков в противоточном циклонном осадителе [48] 50
2.2. Анализ процессов сепарации в криволинейном канале 54
2.2.1. Оценка эффективности сепарации частиц при движении аэрозоля в криволинейном канале по траекториям частиц 55
Пример расчета 2.2.1 59
2.2.2. Оценка эффективности сепарации частиц при турбулентном движении аэрозоля в криволинейном канале 61
Пример расчета 2.2.2 69
2.3 Анализ процессов сепарации в вихревом разгрузителе-концентраторе 72
2.3.1 Особенности гидродинамики вихревого разгрузителя-концентратора 72
2.3.2 Сепарация частиц в закрученном потоке вихревого разгрузителя-концентратора 78
2.3.3 Пример расчета 84
2.4 Анализ процессов сепарации в прямоточных циклонных концентраторах 88
2.4.1 Особенности гидродинамики прямоточных циклонных концентраторов 88
2.4.2 Эффективность сепарации частиц в прямоточном циклонном пылеконцентраторе 91
2.4.3 Пример расчета 95
Выводы по главе 2 100
Глава 3. Разработка промышленных пыле- и золоуловителей 101
3.1. Разработка промышленных пыле- и золоуловителей в установках с нестационарными потоками [118] 101
3.2 Устойчивость газоочистки в групповом пылезолоуловителе 107
3.3 Результаты обследований промышленных устройств обеспыливания газов 113
3.3.1. Результаты обследования существующих пылезолоулавливающих устройств котельной ОАО «Шахта Заречная». 113
3.3.2 Анализ выбросов от котлоагрегатов котельной 119
3.4 Расчет промышленной системы газоочистки 125
Выводы по главе 3 137
Основные результаты и выводы 138
Литература 139
Приложение 150
- Анализ характеристик и эксплутационных показателей противоточных циклонных пыле- и золоуловителей
- Анализ методов оценки эффективности сепарации частиц в инерционных аппаратах
- Оценка эффективности сепарации частиц при движении аэрозоля в криволинейном канале по траекториям частиц
- Результаты обследования существующих пылезолоулавливающих устройств котельной ОАО «Шахта Заречная».
Введение к работе
Актуальность работы
Стремительное развитие научно-технического прогресса на рубеже XX/XXI веков привело к значительному увеличению потребления энергоресурсов. На фоне увеличивающегося потребления каменного угля остро встает вопрос о защите атмосферного воздуха от загрязнения твердыми сажными и зольными частицами.
Надежность и эффективность работы систем пыле- и золоулавливания зависит от физико-химических свойств частиц, термодинамических параметров пылегазовой среды. Концентрация твердых частиц в дымовых газах, дисперсность уноса из котла зависит от технологических параметров проведения процесса сжигание топлива, особенностей оборудования, например, от вида топлива, способа пылеприготовления, методов его сжигания, конструктивных характеристик топочных устройств, совершенства ведения топочного процесса, вида топливоиспользующей установки и режима ее работы. Энергетические установки имеют переменный режим работы, т.е. переменные концентрации, расходы дымовых газов при изменении расхода топлива. Для котлов со слоевым сжиганием топлива характерна переменная во времени концентрация частиц в потоке дымового газа из-за неравномерности подачи топлива при механической загрузке, а также в топках с шурующей планкой. При проектировании и модернизации пыле- и золоулавливающего оборудования часто компоновочные соображения (размещение оборудования) являются основным звеном в принятии решения выбора метода обеспыливания и аппаратурного оформления необходимой системы газоочистки.
Наиболее эффективным осадителем является противоточный циклонный аппарата (ЦА) с собственным приемником пыли, в котором транспортирующий в него пыль поток газа в объёме замедляет движение и формируется слой, содержащий частицы, размером менее 10 мкм. Однако процессы сепарации в ЦА не являются устойчивыми при колебаниях концентрации частиц,
7 термодинамических параметров потока и дисперсности пыли. Под устойчивостью здесь понимается сохранение условий эффективной очистки газов при изменяющихся параметрах потока (нестационарности концентрации, дисперсии пыли, физико-химических параметров среды).
Одиночный ЦА на большие расходы имеет относительно большие размеры. Групповые циклоны (ГЦ) и батарейные циклоны (БЦ) имеют меньшую высоту, а в элементах аппаратов реализуются большие центростремительные ускорения, однако в целом эффективность обеспыливания в них ниже, чем в одиночном противоточном циклоне, т.к. в пылеприемниках отсутствуют условия для формирования слоя из уловленных частиц.
Применяемые системы пыле- и золоулавливания с инерционными аппаратами работают с проектной эффективностью в узком диапазоне скоростей, концентраций, термодинамических параметров несущей среды. Энергетические установки, оборудованные БЦ, ГЦ, либо одиночными циклонами, не имеющие регулирующих приспособлений, осуществляют выброс золы, выше допустимого, что сказывается на общем уровне загрязнения атмосферного воздуха в районе размещения установок.
Об актуальности решения этих вопросов свидетельствует финансовая поддержка Федерального агентства по образованию Российской Федерации по ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмме 3: «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала» — код проекта № 400, в свете которых выполнена работа. В настоящее время она выполняется по инициативной программе.
Целью настоящей работы является разработка методов и средств совершенствования процесса обеспыливания дымовых газов при модернизации промышленных систем пыле- и золоулавливания с инерционными аппаратами.
Формулировка задач исследования
Для достижения цели исследования ставятся и решаются следующие
задачи: 1.Анализ процесса обеспыливания газов и сравнительная оценка эффективности сепарации частиц в различных типах инерционных пыле- и золоуловителей. Выяснение причин нарушения устойчивости процесса сепарации пыли в противоточных циклонных аппаратах (ЦА)? БЦ и ГЦ. 2.Оценка эффективности сепарации частиц с учетом турбулентной диффузии в инерционных аппаратах:
а) в криволинейном канале и вихревом разгрузителе-концентаторе (ВРК) с учетом конструктивных соотношений.
б)в прямоточном циклонном концентраторе (ГЩК) с учетом конструктивных соотношений и количества отводимого пылеконцентрата. 3.Разработка технических решений при проектировании систем обеспыливания в условиях нестационарности концентраций.
4.Разработка технических решений и инженерных методов расчета новых систем пыле- и золоулавливания на энергетических установках различной мощности.
Научная новизна работы состоит в следующем: 1.Выполнена сравнительная оценка эффективности сепарации частиц в различных типах инерционных пыле- и золоуловителей.
2.Впервые показана возможность использования диффузионной модели процесса турбулентного переноса применительно к расчету сепарации частиц в криволинейных каналах и вихревых осадителях.
3.Получены новые выражения, показывающие зависимость эффективности сепарации частиц в ВРК и ПЦК от геометрических размеров аппаратов и количества отводимого с пыле концентратом газа.
К наиболее значимым практическим результатам можно отнести: 1.Новый инженерный метод расчета установки пыле- и золоулавливания для очистки отходящих дымовых газов от промышленных теплоэнергетических установок различной мощности.
9 2.Расширена область применения результатов работы при проектировании систем обеспыливания в условиях нестационарности концентраций и при работе с нестационарными потоками, позволяющих повысить эффективность обеспыливания газов в инерционных аппаратах.
3.Результаты работы используются в учебных процессах кафедр теплофизики и гидромеханики, экологии и безопасности жизнедеятельности Томского политехнического университета.
Достоверность результатов
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждена проверкой адекватности разработанных в диссертации моделей физическим процессам в конкретных аппаратах, а также подтверждается испытаниями реализованных разработанных технических решений в производственных условиях.
Положения, выносимые на защиту 1 .Сравнительная оценка эффективности сепарации частиц в различных типах инерционных пыле- и золоуловителей теплоэнергетических установок. 2.Применение диффузионной модели движения аэрозоля применительно к расчету эффективности сепарации частиц в инерционных аппаратах. 3.Новые технические решения по повышению эффективности процесса обеспыливания дымовых газов в теплоэнергетических установках, работающих в режимах нестационарных по концентрациям, дисперсному составу и расходу газовых потоках.
4.Инженерный метод расчета промышленного пылезолоуловителя для очистки отходящих дымовых газов от теплоэнергетических установок различной мощности.
Личный вклад автора. Постановка проблемы и задач исследований, обсуждение результатов выполнены с участием научного руководителя д.ф.- м.н. Логинова B.C. Под непосредственным руководством научного консультанта к.т.н. Василевского М.В. автором были разработаны модели, проведены расчеты процессов сепарации частиц с учетом турбулентной
10 диффузии в инерционных аппаратах; осуществлено проектирование, наладка и испытание разработанных промышленных систем пыле- и золоулавливания.
Апробация работы
Содержание и основные результаты исследований в период с 2001. по
2004г. рассмотрены и доложены на российских, международных и региональных конференциях и семинарах: Международный научный симпозиум им. академика М.А.Усова (г.Томск: ТПУ, 2001, 2002, 2003, 2004 г.г.); Всероссийская научно-техническая конференция: «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск: ТПУ, 2002, 2003, 2004 г.г.); Всероссийская научно-практическая конференция по проблемам природопользования и охраны окружающей среды (г.Томск, 2003г.); Университетская научно-практическая отчетная конференция студентов факультетов ЕНМФ и ФТФ (г. Томск: ТПУ, 2003г.); Всероссийская научная конференция: «Экономике России ~ энергию молодых» (г. Томск, 2003г.); IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: «Современные техника и технологии» (г.Томск: ТПУ, 7-11 апреля 2003г); Международная конференция «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томский государст. университет, 5-10 июля 2004г.); 8-й международный симпозиум KORUS-2004; IV Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томский государст. университет, 5-7 октября 2004г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 24 работы, включая 2 статьи в
центральной печати, получен патент РФ.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений
и списка цитируемой литературы (125 наименований). Она содержит 169
страниц текста, включая 5 примеров, 38 рисунков и 21 таблицу.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность проблемы, ее научная,
практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследований.
Первая глава посвящена обзору литературы по типам аппаратов, гидромеханике и характеристикам течении, эффективности обеспыливания инерционных пыле- и золоуловителей. Имеется большой опыт исследований аэромеханических процессов в вихревых камерах различного назначения, представленный в работах В.А.Шваба, А.Н. Штыма, Э.Н. Сабурова, Э.П. Волчкова, И.И. Смульского. Анализ литературных данных показывает о большом многообразии конструкций инерционных пылеотделителей, созданных к настоящему времени. Но до сих пор нет четких рекомендаций по выбору конкретной конструкции пылеотделителя, обеспечивающей эффективную очистку при различных условиях эксплуатации аппарата.
Существуют специализированные инерционные аппараты по разгрузке потоков (разгрузитель-пылеуловитель НИИ ПММ), так и обеспыливанию газов (ЦН-И, СК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М). Разработка этих аппаратов ведется в основном, опираясь на методы расчета с использованием экспериментальных данных в предположении, что фракционная эффективность описывается интегральной нормально-логарифмической функцией. Отсутствие моделей расчета эффективности сепарации частиц в системах пыле- и золоулавливания в зависимости от геометрических размеров и отводимого пыле концентрата не позволяет создавать новые конструкции газоочистителей, способных производить высокоэффективное обеспыливание дымовых газов в реальных промышленных условиях.
На основе анализа опубликованного в литературе теоретического и экспериментального материала поставлены задачи настоящего исследования.
Во второй главе дан анализ гидродинамической устойчивости потоков в противоточных циклонных аппаратах, приводится оценка эффективности сепарации частиц с учетом турбулентной диффузии в криволинейном канале, ВРК, ПЦК- Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что увеличение количества витков сепарационного канала не приводит к повышению эффективности сепарации частиц. Получены выражения, показывающие зависимость эффективности сепарации в ВРК и ПЦК от
геометрических размеров аппаратов и количества отводимого п ылеконце нтрата.
В третьей глава представлена установка газоочистки, позволяющая проводить эффективную очистку воздуха в производственных условиях завода ЖБИ-27 г. Томск в условиях нестационарности потоков (пневмотранспорт цемента). Проводится анализ работы батарейных и групповых циклонов, предлагается несколько вариантов схем, способствующих повышению эффективности систем пыле- золоулавливания с групповыми циклонами в малой энергетике. Приводятся результаты обследований промышленных пыле-и золоулавливающих аппаратов, анализ выбросов от котлоагрегатов КЕ 10/14 котельной ОАО «Шахта Заречная» г. Полысаево Кемеровская область, сделанный на основании осуществленных отборов проб. Излагается методика расчета промышленной установки очистки отходящих дымовых газов. Представленная система пыле- и золоулавливания обладает повышенной устойчивостью потоков при обеспыливании газов, позволяет проводить устойчивый во времени, эффективный процесс улавливания частиц при различных режимах работы котельного оборудования по сравнению с серийным батарейным циклоном.
В приложении приводится технический отчет ООО «Спецналадка» о проведенных замерах параметров, характеризующих показатели внедренной установки системы газоочистки отходящих дымовых газов от котлоагрегата КЕ 10/14 котельной ОАО «Шахта Заречная» г.Полысаево Кемеровская область. Прикладываются акт внедрения и патент на изобретение нестандартной установки по очистке выбросов в условиях значительных колебаний концентраций частиц и нестационарности расхода несущего потока при пневмотранспорте тонкодисперсного материала на заводе ЖБИ-27 г. Томск.
Анализ характеристик и эксплутационных показателей противоточных циклонных пыле- и золоуловителей
В противоточных циклонных газоочистителях зона разделения частиц по крупности реализуется по высоте. Существует большое разнообразие конструкций аппаратов с противоточным движением аэрозоля [1-4]. В циклоне НИИОГАЗ (ЦН) [5] газовый поток со взвешенными в нём частицами со скоростью 15 -25 м/с вводится через тангенциально расположенный патрубок в корпус с винтовой крышкой. Огибая выхлопную трубу, поток в виде вращающейся нисходящей спирали направляется по цилиндрической, а затем конической поверхности вниз к пылевыводному отверстию Большая часть потока под влиянием разности давлений направляется к выхлопной трубе. Основная часть взвешенных в газе частиц отбрасывается к стенке циклона, собирается в жгуты и вместе с частью газового потока движется вниз, проходя через пылевыводное отверстие в бункер циклона. Здесь закрученный поток меняет своё направление и теряет скорость, вследствие чего происходит выпадение сгустков частиц. Освобождённые от частиц газы, присоединяя к себе части потока, отделяющиеся от нисходящей спирали, движутся по восходящей (внутренней) спирали к выхлопной трубе. Существенное влияние на процесс очистки оказывает турбулентность, которая во многом определяет степень очистки. Поток, поступающий в выхлопную трубу, продолжает интенсивно вращаться. Затухание этого вращательного движения, связанного с невосполнимыми потерями энергии, происходит сравнительно медленно. Для устранения вращательного движения на выходе из циклона и уменьшения гидравлических потерь иногда применяют устройства — раскручиватели с диффузорным эффектом. Для обеспечения эффективности следует обращать внимание на герметичность пылевого затвора [5]. В случае возникновения подсосов потоки в бункере усиливаются, уменьшается поток с отсепарированными частицами в бункер и увеличивается вынос частиц из циклона [5,6]. Допускаемая концентрация пыли в очищаемых газах зависит от свойств пыли и диаметра циклона. При очистке газов от неслипающейся пыли в циклонах диаметром 800 мм и более её содержание в газах не должно превышать 2500 г/м3, для циклонов меньшего диаметра концентрация пыли в газах должна быть еще меньше [5]. При больших концентрациях пыли, а также в случае улавливания слипающейся пыли, возможно забивание пылевыводного отверстия, что приводит к нарушению нормальной работы аппарата.
В циклонах с тангенциальным или улиточным вводом запыленного газа вблизи верхней крышки формируются тороидальные вихри, в которых аккумулируется пыль, периодически, по мере накопления, выпадающая в сепарационный объем [7]. Это приводит к нестационарности течения аэрозоля и процессов жгутообразования в пристенной области сепарационного объема. В конической части циклона более интенсивно происходит жгутообразование из частиц и их выделение в приемнике. Однако с внезапным поступлением пыли из верхней части в результате ее выпадения, в нижней части конуса происходит торможение потока, интенсивность крутки уменьшается, давление в приемнике увеличивается [8]. При этом происходит накапливание крупных частиц и начало вынужденного вихря перемещается из приемника в объем циклона.
В реальных условиях концентрация пыли в потоке нестационарна. В конических циклонах в области пылевыводных отверстий происходит усиление нестационарного воздействия частиц на поток в сотни раз. Поэтому начало формирования вынужденного вихря может перемещаться из приемника в объем циклона периодически. Колебания давлений в канале формирования подвижного слоя и непрерывной выгрузке пыли работающего циклона наблюдались постоянно, даже в начальный период поступления пыли в систему [9].
Особенно большие колебания концентраций происходят в пневмотранспортных установках, перекачивающих тонкодисперсные материалы. В этих условиях газоочистное оборудование работает не надежно. В [10] было предложено выполнить газоочистную установку комбинацией циклонов и фильтрующих приемников пыли. За основу была взята аэродинамическая схема циклона с регулирующими приспособлениями [Л]. Работа системы показала, что потери цемента в процессе транспортирования и очистки воздуха составляют менее 0,01 % [10].
Гидродинамические особенности аппаратов. В [12] приведены данные по интенсивности циркуляционных течений в зависимости от наклона входных патрубков к образующей корпуса камеры. Относительная длина равна 1,1 диаметра камеры. При угле ввода 90 градусов, т.е. строго тангенциальном вводе, в сечении входа относительный опускной расход газа составляет 85 %, в середине камеры 160 %; вблизи глухого торца, на относительном расстоянии равном 0,2 диаметра циклона, относительный расход равен 80 %. Уменьшение угла ввода приводит к увеличению мощности периферийного опускного потока, еще большее количество газов достигает глухого торца при 78 градусах. Крутка и аэродинамическое совершенство камеры меняются незначительно вплоть до 65 градусов [12].
При осесимметричном вводе [13] кольцевая струя распространяется по стенке вниз, постепенно размывается за счёт радиального оттока жидкости к центру: примерно на половине длины камеры аксиальная скорость в два раза меньше, чем у завихрителя. При этом струя имеет меньшую ширину, чем у завихрителя и прижата к стенке камеры. Движущийся в радиальном направлении поток испытывает последовательные изменения знака осевой компоненты скорости, которые обусловлены отражениями от торцевых стенок камеры первоначальной струи, вышедшей из завихрителя. По достижении границы радиуса выхлопного патрубка осевая скорость резко возрастает, достигает максимального значения, после чего резко уменьшается и на оси она имеет отрицательные значения примерно до половины камеры, за счет обратных токов. Обнаружено [13], что поля относительных скоростей не будут зависеть от расхода, если они выражены через параметры потока внутри камеры, т.е. значение тангенциальной скорости у стенки камеры. С этой целью вводят коэффициент преобразования скорости на входе, равный отношению тангенциальной скорости у стенки к скорости входа. Этот коэффициент в зависимости от типа закручивателя и состояния обтекаемой поверхности может быть меньше или больше единицы [13-15]. Последнее объясняется сужением струй, истекающих из входных каналов в рабочий объём и увеличение их тангенциальных углов.
Анализ методов оценки эффективности сепарации частиц в инерционных аппаратах
До сих пор нет единого мнения .относительно осаждения частиц из турбулентного потока на ограждающие поверхности. Частицы аэрозоля осаждаются на стенки канала в результате броуновской диффузии и седиментации [97]. Броуновская диффузия проявляется для частиц менее 0,5 мкм, седиментация проявляется для частиц более 10 мкм. Для диапазона размеров частиц 0,5-И 0 мкм механизм осаждения из турбулентного потока может быть объяснён на основании работ Е.ГТ. Медникова [33]. Наличие градиентов осредненноЙ скорости газа и ее пульсационных составляющих в пристенной области вызывает появление специфических форм движения частиц. Следствием этого является повышенная скорость осаждения на стенках труб и каналов, которая при турбулентном течении на порядок превосходит скорость диффузионного (броуновского) осаждения тех же частиц из ламинарного потока, и возрастает с повышением скорости газа. При этом инерционный пробег частицы перекрывает толщину ламинарного подслоя и оказывается, что скорость осаждения на самой стенке не нулевая. Это обстоятельство является причиной забивки пневмотранспортных линии, перекачивающих тонко дисперсные материалы взвешенным способом [98]. Пневмотранспорт в режиме взвешенного переноса частиц материала характеризуется ударным взаимодействием перемещаемых частиц со стенкой, обеспечением относительной скорости несущей среды, превышающей скорость витания наиболее крупных частиц транспортируемого материала [99].
В литературных данных приведен большой опыт исследования вихревых аппаратов для проведения технологических тепломассообменных процессов, которые в закрученных потоках осуществляются с большей интенсивностью, что указывает на влияние диффузионных потоков на процессы переноса.
Методы оценки разделения частиц по размерам, степени обеспыливания можно условно разделить на метод траекторий частиц, по которому определяется положение частицы в сепарационном пространстве относительно выходного сечения аппарата; метод, основанный на стохастической модели, который рассматривает движение частиц как случайный процесс, на который накладывается воздействие детерминированного характера; и модель турбулентного переноса, к которой в некоторых случаях можно свести стохастическую модель.
В соответствии с существующими гипотезами процесса сепарации по методу траекторий были разработаны и нашли широкое применение для очистки газов в 40-х годах циклоны ЛИОТ с длинной цилиндрической частью и погружной газовыводной трубой. Однако опыт эксплуатации этих циклонов не подтвердил эту гипотезу, и последующие усовершенствования циклонов осуществлялись на основе других гипотез сепарации частиц и экспериментальным путем. Метод траекторий дает удовлетворительные результаты для крупных частиц, для мелких необходимо учитывать турбулентный перенос частиц.
Любой аппарат для осуществления физико-химических процессов является аппаратом, в котором происходит преобразование структуры потока с соответствующими затратами энергии на проведение этого преобразования. В пылеотделителях с криволинейным движением потока происходят качественные изменения структуры потока: значительный градиент давлений в поперечном сечении аппарата, а в циклонах избыточное давление положительно на периферии и отрицательно на оси, поле скоростей, например в циклонах, существенно неоднородно не только вблизи стенки, но и в объеме.
Течение газовзвеси турбулентно. Турбулентное движение сопровождается генерацией и распадами вихрей разного масштаба. Это движение представляет смену структур турбулентных образований в каждый момент времени. Для дисперсной фазы в ядре потока турбулентный перенос представляет колебания мгновенных концентраций и относительных скоростей газа и частиц. Вблизи ограждающей криволинейной поверхности, в пристенной зоне, происходит накапливание частиц, возможно их взаимодействие и структурообразование. В литературе имеется разрозненные сведения по этим вопросам. В работе применен термин «скорости рассеяния частиц», которая представляет отношение коэффициента турбулентного перемешивания частиц к характерному размеру сепарационной зоны. С этой скоростью сопоставляется скорость переноса частиц в осредненном движении дисперсной фазы. Определяющее значение имеет величина отношения скорости частицы относительно газа по сравнению со скоростью рассеяния. Основное внимание уделяется характеристикам потока в части оценки значений параметров, определяющих скорость частиц относительно газа и величину коэффициента турбулентного переноса частиц в инерционных сепараторах.
В [19] приведен опыт исследования вихревых, спиральных, спирально-вихревых, циклонных аппаратов для проведения технологических процессов (тепломассообменные процессы), которые в закрученных потоках осуществляются с большей интенсивностью. Это указывает на значительное влияние диффузионных потоков на процессы переноса в данных сепараторах.
В [100, 101] проводится анализ работы сепараторов с применением детерминированных и стохастических моделей классификации порошков. Первые основаны на расчете траекторий частиц под действием определённых сил и дают удовлетворительные оценки процесса для крупных частиц. Вторые представляют движение как случайный процесс, на который накладываются воздействия детерминированного характера [102]. Движение частицы в радиальном направлении представляется суммой средних значений сил (центробежной и вязкостной) и флуктуационной составляющей. Изучаемый процесс может быть охарактеризован одномерной плотностью вероятности, которая может быть определена из уравнения Колмогорова-Фоккера-Планка [102]. В [103] получены основные уравнения и проведён анализ процессов гидродинамики разделения гетерогенной среды на основании работ по сепарации неоднородных сред. Делается вывод о перспективах развития стохастической теории гидромеханических процессов. В [104] на основе стохастической модели процесса классификации порошков обоснованы преимущественные области вихревых и гравитационных классификаторов. В [105] показано, что предложенная стохастическая модель с эмпирическим коэффициентом макродиффузии даёт адекватное описание кривых парциальных выносов вихревых классификаторов. В [106] показано, что можно получить аналитические выражения для фракционной эффективности классификации, если допустить, что случайности процесса в зоне сепарации находят прямое отражение в статистических распределениях частиц, а сами распределения описываются функциями нормального распределения случайных величин.
Оценка эффективности сепарации частиц при движении аэрозоля в криволинейном канале по траекториям частиц
Основное значение в оценке турбулентного переноса имеет интенсивность турбулентности, определяемая отношением осредненной по времени амплитуды пульсаций скорости к его средней скорости; масштаб турбулентности, характеризующий пространственную протяженность жидких объемов в потоке, охваченным возмущениями статистически связанными между собой в том смысле, что коэффициенты корреляций пульсаций скоростей в двух точках этих объемов отличны от нуля; частота пульсаций в потоке, выбранная по максимальному значению функции распределения кинетической энергии пульсаций по частотам [113]. Эти характеристики определяются конфигурацией канала, скоростью потока. В пристенной области генерация дополнительных движений носит локальный характер, осуществляется в некоторой области, ограниченной линейными масштабами турбулентности и является периодическим процессом. Во всей области турбулентности местоположение центров генерации турбулентности в данный момент времени и их периодичность действия регулируются интенсивностью диссипации энергии турбулентного движения [114]. Часто эти характеристики связываются с гидравлическими потерями при течении в канале. Криволинейные каналы имеют более высокое гидравлическое сопротивление, чем прямые из-за возникновения вторичных течений. Соответственно процессы массопереноса осуществляются интенсивнее, чем в прямолинейных каналах. Распределение относительной продольной скорости поперек потока вблизи вогнутой поверхности по ширине канала имеет волнообразный характер из-за обратного воздействия вихрей Тейлора-Гертлера: благодаря вращательному движению вихрей возникает поток жидкости в направлении стенки и от стенки, при этом в пограничном слое происходит ускорение потока при переносе высокоскоростных молей из внешнего потока и замедление при переносе медленных молей из пристенной зоны наружу. Ыа выпуклой стороне изменение продольной скорости не наблюдается.
Исследование энергии турбулентных пульсаций, пульсационных составляющих скоростей [55] позволило заключить, что вогнутая поверхность усиливает интенсивность турбулентности по сравнению с плоской стенкой, причем по мере удаления от поверхности этот фактор проявляется сильнее. Энергия турбулентности в пограничном слое на вогнутой поверхности больше, чем в слое на плоской пластине в 1,5- -5 раз, тогда как на выпуклой стороне имеет уменьшение энергии турбулентности. В канале с отношением Н/В «1 гидравлическое сопротивление мало отличается от сопротивления трения прямых каналов и в зависимости от отношения H/Rc составляет 1,03- -1,3. Здесь Н, В — высота и ширина криволинейного канала.
Поэтому имеет смысл провести оценку средней по сечению турбулентной вязкости в криволинейном канале аналогично оценке турбулентной вязкости для прямолинейного канала. Согласно двухслойной схеме «пристеночной» турбулентности поток разбивается на две резко отличающиеся по структуре области: тонкую пристенную область чисто вязкого движения (вязкий или ламинарный подслой) и область, не зависящую от вязкости, полностью турбулентного движения - турбулентное ядро потока [113]. Вводится динамическая скорость Vt =(rw/p)05 и динамическая длина /, =v/Vm -масштаб толщины вязкого подслоя, где vw - турбулентное напряжение трения на стенке. Поскольку в области турбулентного ядра пристенной области трение определяется только за счет турбулентного переноса импульсов молей, мерой интенсивности этого переноса может являться величина V,. Согласно двухслойной модели пристенной турбулентности V,=ldW/dh, где ) = xh\ #=0,4 - константа турбулентности. Турбулентная вязкость может быть представлена в виде t = Л/,. В [114] показано, что величина є переменна по высоте канала. В центре канала она имеет значение близкое к нулю и имеет 7 максимум на расстоянии — И от стенки канала. Напряжение трения на стенке TW =PAWQ/8, VJW0 = (А/8)05. Значение коэффициента турбулентного перемешивания в потоке, движущегося в канале, можно выразить формулой (RH-RB = H) Выражение (2.20) получено из соотношения E = (4/H)V, \xhdh, где А = 0,01 + 0,05 — коэффициент трения, зависит от отношения высоты канала к радиусу кривизны, а также от шероховатости стенок; «0,05HV,; Е/Н x0,05(A/8) 5W0. Величину г/И условно назовем скоростью диффузии примеси в канале высотою Н. Введем также безразмерную величину w = W0/(c/H) - W0H/z — отношение скорости переноса примеси вдоль канала к скорости распространения примеси в поперечном направлении. Аэрозоль проходит по криволинейному каналу высотой Н и средним радиусом RC»H. Средняя скорость аэрозоля W0=WV=V9= Q/BH, где В ширина канала, Q - расход газа. Обозначим расстояние от внутренней стенки канала X = H-h, Уравнение переноса частицы при турбулентном движении аэрозоля имеет вид где V = AU — скорость движения частицы относительно газа в поперечном направлении, м/с; С V,,, СУр — осредненная и диффузионная скорость потока частиц в окружном направлении; Cl , CVJ — осредненная и диффузионная скорость потока частиц в поперечном направлении; Rc - средний радиус канала, м; X— расстояние от внутренней стенки канала, (р — координата в окружном направлении, рад; С, С - осредненная и пульсационная концентрация частиц в потоке.
Результаты обследования существующих пылезолоулавливающих устройств котельной ОАО «Шахта Заречная».
При анализе потока в вихревом разгрузителе-концентраторе (ВРК) выделяются три характерные зоны: пристенная; ядро потока с квазипотенциальным распределением тангенциальных скоростей; приосевая, находящаяся внутри условной цилиндрической поверхности, проходящей через поверхность выходного патрубка [19, 20].
В пристенной зоне скорости меняются от нуля на стенке до значения на границе условной толщины пограничного слоя и внешнего радиуса ядра потока. Пристенная зона включает собственно пограничный слой на стенке и струйную часть, расположенную между ядром и пограничным слоем [20]. На границе пограничного слоя производная циркуляции тангенциальной скорости по радиусу равна нулю, а значение циркуляции максимально; границей между ядром и струйной частью служит поверхность, на которой вторая производная циркуляции по радиусу равна нулю. Даны оценки размеров этих зон, а также распределения скоростей в погранслое и струйной части. В приосевой зоне происходит интенсивный турбулентный обмен на внутренней границе ядра потока с возвратными газами из приосевых областей, расположенными за пределами вихревой камеры. Для вихревых и циклонно-вихревых камер в выходном сечении выхлопного патрубка циркулирующий поток смешивается с транзитным, который проходит через камеру, начиная с входного патрубка, и, таким образом, в выходном сечении проходит большее количество газов, чем входит. Отмечены интенсивные радиальные положительные токи со скоростями, сопоставимыми с тангенциальными скоростями [18]. При исследовании закономерностей в кваз и потенциальной зоне (ядро потока) выделяют характерные поверхности вращения, на которых тангенциальные скорости приобретают максимальное значение, аксиальные скорости - нулевое значение, циркуляция скорости — максимальное значение. Большое внимание уделяется вопросу определения поверхностей нулевого давления, т.е. нулевой разнице давлений между точками этих поверхностей и пространством, в которое истекает газ [19, 20]. В некоторых методиках аэродинамического расчета циклонных камер положено, что поверхности с максимальными тангенциальными скоростями соответствуют нулевому избыточному давлению в закрученном потоке. Данные условия приближенно выполняются при значительной радиальной протяженности квазипотенциальной зоны [19].
Для вихревых камер с равномерно распределенным тангенциальным вводом газа по образующей в [58] приведены теоретические оценки потоков, которые согласуются с экспериментом. Хотя такие камеры используются в основном для интенсификации массообменных процессов (сжигание топлива, сушка дисперсных материалов), движение газовой среды в них такое же, как и циклонных пылеуловителях. Схема пространственного пограничного слоя на торцевой поверхности представлена на рис. 2.21. видно, что увеличение циркуляции на периферии или снижение расхода газа через камеру приводит к сокращению протяжённости развивающейся зоны, и большая часть камеры становится непроточной. В предельном случае Гк - оо или Qk - 0, радиус г - -1 и весь газ, начиная с периферии камеры, протекает через пограничные слои [58].
Таким образом, можно полагать, в коротких вихревых камерах с высокой степенью крутки потока (Ro 0,0l) весь газ проходит через торцевые слои. В этом случае напряжение трения в окружном направлении определяется в основном за счет обмена моментов импульсов молей газа между закрученными течениями, распространяющимися вдоль торцевых поверхностей и ядром потока. Вклад в это напряжение турбулентного трения от радиального переноса импульса определяется силовыми взаимодействиями на цилиндрических поверхностях, соответствующих входу и выходу потока из камеры. При относительном радиусе выходного патрубка R1/R2 0,5, существенным становится влияние аэродинамической ситуации в приосевой зоне на течение газа в ядре потока. Эжектируемые газы из пространства вне камеры имеют намного меньший момент крутки и подтормаживают вращение транзитного потока. Это приводит к повышению турбулентного обмена во всей области ядра потока и уменьшению момента импульса с уменьшением радиуса. При одиночном строго тангенциальном вводе потока в вихревую камеру тангенциальная скорость на периферии камеры меньше скорости входа. По данным [116], для короткой камеры с LK/2R2 =0,2 коэффициент сохранения тангенциальной скорости на периферии в зависимости от размера щели ввода находится в диапазоне 0,5 0,99, а значение относительной циркуляции в области вывода газа из камеры составляет 0,22 0,62.
В основу анализа турбулентного потока и оценки коэффициента турбулентного перемешивания газа и частиц в циклонно-вихревой камере положены результаты работы [63].
Похожие диссертации на Совершенствование процесса обеспыливания газов при модернизации промышленных систем пыле- и золоулавливания с инерционными аппаратами
