Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор работ по исследованию рукавных фильтров 9
1.1. Классификация пылей и основных аппаратов для их улавливания 9
1.2. Классификация рукавных фильтров. Применяемые материалы 13
1.3. Способы регенерации рукавных фильтров 16
1.4. Изменение гидравлического сопротивления ткани при фильтрации через нее запыленного газа 20
1.5. Особенности работы прямоточных рукавных фильтров и движение частиц в рукаве 24
1.6. Анализ методов аэродинамического расчета каналов с изменением расхода' жидкости вдоль пути 28
В ы в о д ы 31
2. Аналитическое исследование азродинашки потока воздуха и движения пылевых частиц в рукаве 33
2.1. Аэродинамика рукава при движении чистого воздуха г..-.;. 33
2.1.1. Расчет аэродинамических характеристик потока воздуха в рукаве 33
2.1.2. Закономерности изменения аэродинамических характеристик потока воздуха в рукаве 39
2.1.3. Определение расхода воздуха через кольцо в поперечном сечении рукава 49
2.1.4. Метод определения статического давления на основе баланса сил 52
2.2. Движение пылевых частиц в рукаве фильтра 56
2.2.1. Решение системы дифференциальных уравнений Движения пылевых частиц 56
2.2.2. Зависимости и значения, принятые при решении 60
2.2.3. Определение траекторий пылевых частиц в рукаве 65
2.2.4. Распределение массы пыли по длине рукава 73
2.2.5. Определение радиуса эффективного кругового сечения 74
2.2.6. Оценка влияния седиментационного эффекта на параметры работы рукавных фильтров 30
Выводы 85
3. Экспериментальное исслщование аэродинамики рукава фильтра 87
3.1. Описание экспериментального стенда 87
3.2. Методика экспериментального исследования 90
3.2.1. Контроль расходов воздуха, вытекающего из отсеков и входящего в рукав 90
3.2.2. Измерение давления и расхода воздуха в сечениях рукава 96
Выводы 99
4. Результаты экспериментов и сопоставление с аналити ческими расчетами юо
4.1. Работа рукава при движении чистого воздуха . 100
4.1.1. Проверка точности измерения полного давления 100
4.1.2. Изменение полного и статического давления по длине рукава 104
4.1.3. Изменение расходов воздуха вдоль рукава . Но
4.1.4. Определение истинных экспериментальных значений статического давления 119
4.1.5. Расчет статического давления на основе баланса сил 124
4.2. Работа рукава в нестационарном режиме 130
В ы в о д ы 139
5. Предваритедьные рекомендации по оптишзащи конструкции рукавных фильтров
- Классификация рукавных фильтров. Применяемые материалы
- Расчет аэродинамических характеристик потока воздуха в рукаве
- Методика экспериментального исследования
- Изменение полного и статического давления по длине рукава
Введение к работе
Большинство производственных процессов, связанных с получением и переработкой сырья, металлов, топлива, строительных материалов, сельскохозяйственной продукции и пр. сопровождается выделением пыли. Улавливание пыли рассматривается обычно в двух аспектах, указанных в "Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на I98I-IS85 гг. и на период до I9S0" (Материалы ХХУТ съезда КПСС). Во-первых, улавливание пыли необходимо с целью сохранения окружающей среды и улучшения условий труда в производственных помещениях. Это дает социальный, природоохранный и в определенной степени экономический эффект. Во-вторых, уловленная пыль, как правило, является ценным технологическим сырьем. Использование уловленной пыли в производственных процессах дает значительный экономический эффект.
Современная техника пылеулавливания располагает большим ассортиментом аппаратов для очистки воздуха и газов. Рукавные тканевые фильтры обладают самой высокой эффективностью. Однако широкое их внедрение сдерживается некоторыми недостатками, присущими этому виду пылеуловителей. Регенерация рукавных фильтров приводит к износу ткани и необходимости смены рука-ЕОВ. В настоящей работе сделана попытка оптимизовать процесс отделения пыли от воздуха или газа на основе более полного использования седиментационного эффекта.
Целью работы является разработка методики расчета движения пылевых частиц в рукавных фильтрах для оптимизации их конструкций на основе использования седиментационного эффекта.
В работе поставлены следующие задачи:
- определение отдельных характеристик потока воздуха в рукаве и создание алгоритма расчета аэродинамики рукава.
- разработка алгоритма расчета радиуса эффективного сечения на входе в рукав для пылей разных размеров и плотности при различных исходных данных и распределения массы пыли по длине рукава;
- проведение серий расчетов и выявление влияния аэродинамических характеристик рукава и его габаритных параметров, а также размеров и плотности пылевых частиц на седиментацион-ный эффект;
- разработка методики экспериментального исследования и проведение серий испытаний образца рукавного фильтра для получения аэродинамических характеристик потока воздуха в рукаве;
- разработка инженерной методики аэродинамического расчета рукавных фильтров и матерчатых воздуховодов и рекомендаций по конструированию фильтров.
Работа проводилась в лаборатории кафедры Отопления и вентиляции Московского инженерно-строительного института им. В.В. Куйбышева. Автор выражает благодарность доцентам кафедры М.М. Баранову и Ю.С. Краснову за большую помощь и полезные советы в процессе проведения исследований.
Классификация рукавных фильтров. Применяемые материалы
Классификация рукавных фильтров производится в соответствии с основными конструктивными особенностями аппаратов по следующим основным признакам /?4 9о/ : - месту расположения вентилятора относительно фильтра: всасывающие (работающие под разряжением) и нагнетательные (работающие под давлением); - способу подвода очищаемого воздуха: противоточные (воздух подается в рукава снизу через бункер для сбора пыли), прямоточные (воздух подается сверху); - методу регенерации ткани; - виду используемой ткани; - наличию и форме корпуса, прямоугольные, цилиндрические, открытые (бескамерные).
Основным конструктивным элементом рукавных фильтров являются рукава, изготовленные из какой-либо ткани. Причем, надлежащее качество фильтровальной ткани является одним из решающих факторов, обеспечивающих эффективную и экономичную работу рукавных фильтров.
Выбор вида волокон и типа фильтровальной ткани определяется в основном такими факторами как: температура, влагсодержание, агрессивные свойства газового потока, абразивность и дисперсность твердой фазы JIf, 90/
Идеальная ткань для современного рукавного фильтра должна обладать высокой механической прочностью и стойкостью к истиранию, стабильностью размеров и свойств при повышенной температуре и воздействии химических примесей, высокой пыле-емкостью и воздухопроницаемостью, минимальным влагопоглощени 14 ем, способностью к легкому удалению накопленной пыли и в то же время относительно прочно удерживать уловленную пыль, сохраняя оптимальное ее количество в порах после регенерации; иметь возможно низкую стоимость /4, Ъ х So/.
Фильтрующих материалов, полностью удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, нет. Поэтому каждую ткань используют в наиболее благоприятных для нее условиях.
В тканевых фильтрах применяются фильтрующие материалы двух типов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки /фетры/ или другие нетканные материалы, получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным методом, а также путем связывания волокон вя-зально-прошивным, клеевым и другими методами /4,30,90/
Существуют натуральные и синтетические волокнистые материалы. Натуральные волокна (хлопок, шерсть, лен) состоят в основном из органических высокомолекулярных соединений /а, 90/
Хлопчатобумажные ткани имеют хорошие фильтрующие свойства и низкую стоимость, но их низкая термостойкость, горючесть и высокая влагоемкость ограничивают их применение. Шерстяные ткани обеспечивают надежную очистку и легкость регенерации, но не могут работать в кислой среде и при температурах выше ЮОС; стоимость их значительно выше, чем хлопчатобумажных и синтетических тканей.
Натуральные волокна по механическим свойствам, химической стойкости и термостойкости уступают синтетическим. Кроме того, применение натуральных волокон для технических тканей ограничено ввиду их дефицитности.
Химические волокна получают из органических и синтетических полимеров или неорганических соединений - стекла, кварца, углерода, металла. Наиболее широкое применение для фильтроваль 15 ных материалов получили волокна из синтетических полимеров
При температуре очищаемых газов до 120С до недавнего времени широко использовались фильтровальные материалы из по-лиакрилонитрильных волокон /нитрон/. В настоящее время большое распространение получают материалы из полиэфирных волокон /лавсан/. Они обладают лучшими механическими свойствами и способны длительно работать при температуре до І30С в среде с повышенной кислотностью. Прочность лавсановых тканей в 2-2,5 раза выше, чем у шерстяных, они устойчивы к истиранию, поэтому их можно использовать для улавливания абразивных пы-лейДі:,90/.
В последние годы разработаны новые виды тканей, обладающие высокими химическими и термическими свойствами Соксолон, фенилон, тефлон, полифен), однако высокая стоимость сдерживает их использование в рукавных фильтрах /$в, /»
Для очистки горячих /до 300С/ газов в Советском Союзе и за рубежом широко используются фильтровальные ткани из стеклянных волокон. Главным недостатком стеклотканей является низкая изгибоустойчивость. Фильтровальные свойства стеклотканей также несколько хуже, чем у тканей из лавсановых и натуральных волокон Л ,90/.
Расчет аэродинамических характеристик потока воздуха в рукаве
Рассмотрим работу рукава с постоянной толщиной пористого слоя вдоль длины в стационарном режиме, то есть в условии, когда в рукав поступает поток незапыленного воздуха.
При расчетах аэродинамических характеристик потока воздуха в канале с проницаемой стенкой разными авторами предложены разные схемы движения этого потока /Ч%2А,&,ы ,61,63 /. В зависимости от конкретной предполагаемой схемы движения предлагалось соответствующее выражение для определения коэффициента сопротивления трения Л . По нашему представлению движение потока воздуха в рукаве происходит по конической схеме (рис. 2.1). Это можно объяснить следующим образом: для начального как и для любого поперечного сечения рукава если известно поле продольных скоростей то можно установить закон изменения расходов воздуха в зависимости от расстояния от центра сечения. Эта зависимость устанавливается на том представлении, что в самом центре сечения (при %i = 0) расход воздуха равен 0. В рассматриваемом сечении выделим круг радиусом %i R , имеющий с ним общий центр. Через сечение круга с радиусом %\, проходит воздух в количестве SCi, . Этот расход воздуха будет тем больше, чем больше Ij, , и при %ь равном радиусу данного поперечного сечения величина tj, будет представлять собой весь расход воздуха, проходящего через рассматриваемое сечение. Предположим, что для начального сечения рукава нам известна зависимость 2/=- () . Зная закономерность измене ния расхода воздуха по длине рукава =. 00 то для любого сечения j можем указать в начальном сечении рукава круг радиусом % , в пределах которого воздух проходит до сечения Xj без изменения массы (рис. 2,1). Подобным образом для сечения Xj+i , находящегося на бесконечно малом расстоянии dx от сечения Xj , также будем иметь в начальном сечении круг радиусом Z\+ . Через поверхность рукава высотой dx будет выходить наружу воздух, проходящий в объеме, заключенном между усеченными конусами A BCD и A B CD . И так, можно представить конус A BCD как диффузор с непроницаемой стенкой, доходя до нижнего основания которого воздух не соприкасается с поверхностью рукава. В результате можно сделать вывод о том, что при своем движении в рукаве и матерчатых воздухораспределителях трение воздуха о поверхность рукава практически не происходит и в расчетах можно принимать Л=0 .
Для определения аэродинамических характеристик потока воздуха при движении в рукаве мы применяли метод конечных разностей. Сущность этого метода в решении данной задачи заключается в следующем: мысленно разбиваем рукав на множество блоков по длине. Проводим расчет аэродинамических характеристик для каждого блока отдельно. При этом выходные параметры каждого из них служат входными для последующего. Переходя от блока к блоку получим скачкообразное изменение аэродинамических характеристик, а объединив эти результаты расчетов получим приближенные аналитические зависимости для рукава в целом. Расчет для произвольного I -ого блока проводим в следующем порядке: (рис. 2.1) Количество воздуха, выходящего наружу из I -ого блока определяется по формуле: д =Єи = Л Д Wn (2.1) Тогда в 1-ом сечении остается воздух в количестве: ь= 2l-i - A l-1 (2.2) Допуская, что поле скоростей равномерно в поперечном сечении, то есть коэффициент поля К = I, для средней по сечению скорости можем писать:
Как выше указано, в случае движения воздуха в рукаве можно не учитывать силу трения. Это означает, что в таких случаях отсутствуют потери давления на трение и можем предполагать, что суммарная удельная энергия потока или, что и то же, полное давление, сохраняется на всем пути его движения в рукаве. Причем, по данным /63 / градиент статического давления по радиусу рукава незначителен, можно принимать, что оно постоянно в каждом поперечном сечении.
Методика экспериментального исследования
Для проведения экспериментов была смонтирована установка, показанная на рис. 3.1. Целью экспериментального исследования было получение аэродинамических характеристик потока воздуха в рукаве при его работе в стационарном режиме.
По подводящему воздуховоду диаметром 200 мм воздух подается в верхнюю часть исследуемого рукава, установленного на нагнетании. Изменение общего расхода воздуха осуществлялось с помощью шибера, расположенного непосредственно за вентилятором. Для контроля количества воздуха, подаваемого в рукав, на расстоянии 10 калибров от шибера в каждом опыте производятся замеры динамического давления по правилу равновеликих колец. Перед входом в рукав устанавливается прямой участок длиной 1,2 м. Такая длина оказывается малой для того, чтобы воздух при движении с большой скоростью успел выравниваться до входа в рукав. Поэтому для устранения этого недостатка в последнем отводе (по ходу движения воздуха) устроена металлическая пластинка с отверстиями, ширина которой равна радиусу воздуховода. Ее длина занимает всю длину оси отвода. Рукав был заключен в камеру. Для контроля расхода воздуха, истекающего из рукава, рукавную камеру разделили перегородками на пять изолированных отсеков. В каждом отсеке заделано отверстие диаметром 100 мм и к нему присоединяется патрубок того же диаметра. Внутри каждого отчека на месте присоединения патрубка сделали коллектор по лемнискате (рис. 3.2). С помощью этих коллекторов мы проводили замеры скорости истечения воздуха из отсеков. Но чтобы можно было убедиться в тъмльностц результатов дополнительно проводили пневмометрической трубкой замеры скорости воздуха на выходе из патрубков.
Для выявления изменения аэродинамических характеристик потока воздуха по длине рукава производились измерения полного и статического давления в восьми сечениях рукава с интервалом 285 мм. Предварительные опыты показали, что перепад статического давления в любом сечении рукава мал и лежит за пределами чувствительности микроманометра. Поэтому измерение статического давления осуществлялось через специально изготовленные штуцеры с отверстиями диаметром 0,5 мм, установленные на боковой стенке рукава. Полное давление измерялось пневмометри-ческими трубками, носики которых были изготовлены из медицинских игл с внутренним диаметром 0,2 мм. Трубки имели возможность проходить весь диаметр рукава, перемещаясь внутри рукава при помощи направляющих штуцеров. Во всех опытах измерение полного давления в каждом сечении производилось с интервалом 20 мм. В первых по ходу движения воздуха сечениях, хотя имеется мероприятие для выравнивания потока перед входом в рукав, поля скоростей неравномерны и сложны из-за наличия отвода. Поэтому для того, чтобы уловить все неравномерности полей скоростей, в первых трех сечениях рукава измерения полного давления производились по двум взаимноперпендикулярным диаметрам. v Как отмечено в 3.1, для измерения скорости истечения воздуха из отсеков мы применяли одновременно два способа: пневмометрической трубкой и с помощью коллекторов с лемнискатами. Схема измерения показана на рис. 3.2. В первом способе мы проводили замеры скорости потока в ЕЫХОДНОМ сечении патрубка по правилу равновеликих колец. Для этого поперечное сечение патрубка разбивали на 3 кольца, каждое из них имеет площадь, равную 1/3 площади поперечного сечения патрубка Г TTflSr = 0.0D216 М (3.1) J 12.
При этом значении площади и наружном радиусе крайнего кольца % , равном радиусу патрубка Rnj определим остальные радиусы колец и в результате получим: 4 = 0,0408 м, 3= 0»0289 м. Зная размеры колец, мы проводили замеры в тех точках, которые находятся в середине каждого из них (рис. 3.3). Расход воздуха, вытекающего из каждого патрубка определяется как сумма расходов воздуха, проходящего через кольца:
Изменение полного и статического давления по длине рукава
Результаты измерений пневмометрической трубкой скорости потока воздуха, вытекающего из патрубков, приведены в приложении 7. Эти результаты обработаны по методике, описанной в 3.2.3. В результате обработки мы получили значения расходов воздуха, вытекающего из каждого патрубка во всех режимах эксперимента (приложение 8).
Результаты измерений коллекторами приведены в приложении 9. В приложениях 8 и 9 последние столбцы ( %іх и Хем.ъ ) означают изменение расхода воздуха по длине рукава. Как вышесказа-но, каждый отсек охватывает 1/5 длины рукава, то есть 0.4 м, поэтому последовательно сложив значения расходов воздуха всех отсеков, начиная с нижнего патрубка, получим значения расходов воздуха на определенной длине рукава.
Сравнение результатов измерений двумя способами дано в табл. 4.3. По этой таблице видно, что во всех опытах максимальная погрешность между этими способами измерения составляют 8%, а наибольшая средняя - порядка 4$. Это говорит о том, что результаты измерения, получаемые с помощью этих способов в экспериментах, достоверны.
В табл. 4.4 и рис. 4.4 приводится сравнение результатов измерений двумя способами в экспериментах с аналитическими расчетами. По этой таблице видно, что результаты экспериментальных измерений хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Наибольшая средняя погрешность при этом составляет 3,26$. В этой таблице результаты измерений расходов воздуха коллекторами и пневмометрической трубкой даются в относительном значении cj,eM и оТр . Эти величины представляют собой отношение расхода воздуха в данном сечении рукава к суммарному расходу воздуха, то есть расход на входе в рукав.
По значениям величин ЗСдем и СТр не трудно заметить, что среднее отклонение закона изменения расхода воздуха от линейного составляет до Ь%. Таким образом, экспериментально подтверждается предложение о линейном распределении расходов воздуха по длине рукава и будут справедливы выражения (2.9) и (2.10).
В табл. 4.5 приведены значения расхода воздуха, замеряемые в поперечных сечениях рукава. Эти значения получены в результате обработки данных эксперимент по методике, описанной в 3.2.1.
При сравнении изменения расходов воздуха по длине рукава, полученного в результате измерений в поперечных сечениях и измерений расходов воздуха, вытекающего из патрубков дас. 4.4) обнаружилось большое расхождение между этими результатами. Выше, при анализе теоретических и экспериментальных результатов исследования выяснилось, что три независимых способа исследования изменения расхода воздуха по длине рукава (.теоретическое, измерение коллекторами и измерение трубкой) дают с достаточной точностью один и тот же результат. Уто означает, что результаты, полученные с помощью этих способов исследования, достоверны. Большое расхождение между линией, полученной в результате измерений в поперечных сечениях рукава и остальными линиями можно объяснить только неточностью измерений по сечениям. В формулу для определения расходов воздуха по этому способу (3.6) из экспериментальных величин входят полное и статическое давление. Применение датчиков для измерения статического давления может дать неточные результаты. Это происходит по следующим причинам:
1. Выступ датчика на внутренней поверхности рукава, хотя незначительный, оказывает большое влияние на движение потока воздуха вблизи датчика, где производится измерение: он создает как бы местное сопротивление движению воздуха. В этих местах происходит локальное смещение двух потоков: один движется в направлении от оси рукава, другой, ударяясь о датчик, скользит по его поверхности.
2. Вблизи поверхности рукава вектор скорости движения воздуха сильно отклоняется от направления оси рукава. Это отклонение тем больше, чем дальше от входа в рукав данное сечение, где воздух истекает наружу. В результате прибор показывает не статическое давление, а некое полное давление струи воздуха, истекающего из рукава. И значение расхода воздуха, полученное на основании результатов измерений статического давления датчиками, будет не соответствовать действительности. Отсюда возникает необходимость определить истинные значения статического давления на основании достоверных измерений других параметров. В данном случае мы основывались на результатах измерений полного давления и расхода воздуха, вытекающего из патрубков.
