Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы охраны окружающей среды и рационального использования твердых топлив в теплоэнергетике 7
1.1 Методы повышения эффективности использования твердого топлива на объектах теплоэнергетики 7
1.2 Способы снижения выбросов окислов серы SO2 и окислов азота NOK в котельных установках 14
1.3 Технологические схемы топок кипящего слоя и способы улавливания уноса. Перспективы реконструкции котельных установок 21
1.4 Выбор и обоснование основных направлений и задач диссертационной работы 23
1.5 Выводы по первой главе 27
2 Экспериментальное исследование внутритопочнои гравитационной сепарации и аэродинамики двухфазного потока 29
2.1 Выбор условий моделирования 29
2.2 Описание экспериментального стенда и методики проведения испытаний 34
2.3 Исследование гравитационной сепарации и рециркуляции частиц в модели топки НТКС 53
2.4 Исследование аэродинамики двухфазного потока в модели топки 61
2.5 Выводы по второй главе 64
3 Экспериментальное исследование золоулавливающего пучка и разработка его конструкции 67
3.1 Сравнение золоуловителей с параллельным и последовательным включением улавливающих элементов 67
3.2 Выбор элементов золоулавливающего пучка (ЗУП) и описание экспериментальной установки 71
3.2 Результаты экспериментальных исследований модели ЗУП 74
3.3 Уменьшение вторичного уноса в элементах золоулавливающего пучка 84
3.4 Выводы по третьей главе 90
4 Экспериментальное исследование эффективности улавливания золоуловителя лабиринтного типа и разработка его конструкции 93
4.1 Обоснование выбора конструкции золоуловителя лабиринтного типа и принцип его действия 93
4.2 Экспериментальное исследование одиночного канала лабиринтного золоуловителя (ЛЗУ) 96
4.3 Исследование работы секции ЛЗУ в экспериментальном стенде с кипящим слоем 109
4.4 Исследование лабиринтного золоуловителя на плоской экспериментальной модели 112
4.4.1 Описание экспериментальной установки 112
4.4.2 Результаты исследований аэродинамических характеристик и эффективности улавливания плоской модели ЛЗУ 117
4.5 Выводы по четвертой главе 126
5 Исследование аэродинамики и эффекивности улавливания лабиринтного золоуловителя с помощью математического моделирования 127
5.1. Математическое моделирование турбулентного движения газа и переноса частиц в извилистом канале 127
5.1.1 Способы описания турбулентных течений 127
5.1.2 Математическая модель турбулентного течения сплошной среды...129
5.1.3 Метод численного решения 134
5.1.4 Движение частиц в газовом потоке 137
5.2 Моделирование входного участка канала ЛЗУ 139
5.3 Моделирование канала ЛЗУ 142
5.4 Выводы по пятой главе 155
Заключение 156
Литература 161
Приложение 172
- Способы снижения выбросов окислов серы SO2 и окислов азота NOK в котельных установках
- Исследование гравитационной сепарации и рециркуляции частиц в модели топки НТКС
- Выбор элементов золоулавливающего пучка (ЗУП) и описание экспериментальной установки
- Результаты исследований аэродинамических характеристик и эффективности улавливания плоской модели ЛЗУ
Введение к работе
Развитие теплоэнергетики в России за последние годы претерпело ряд существенных изменений. Стремление России в мировое экономическое сообщество выдвинуло в качестве одной из важнейших проблем отечественной теплоэнергетики улучшение экологических показателей теплогенерирующих установок. Одним из следствий таких требований появилась тенденция к массовой газификации объектов. С другой стороны новые экономические отношения, сложившиеся в России привели к резкому росту цен на топливо, в особенности на газ и высококачественное твердое топливо.
На сегодняшний день способ слоевого сжигания угля на колосниковых решетках является самым распространенным в промышленной и коммунальной теплоэнергетике и также самым простым по технологии. Для котельных с котлами малой и средней мощности это практически единственный способ сжигания твердого топлива. Однако, дешевые местные топлива, торф, древесные, растительные и другие твердые горючие отходы в таких топках, как правило, не горят из-за повышенной влажности, зольности и низкой реакционной способности. Практически в традиционных слоевых топках низка эффективность выгорания даже при использовании качественных рядовых углей.
В большой энергетике твердое топливо сжигается в основном в пыле-угольных котлах. Горение угля при такой технологии характеризуется высокими температурами. При этом возникают проблемы с образованием окислов азота, а технологии их подавления достаточно дороги.
В связи с этим внедрение новых экологически чистых технологий сжигания твердых топлив, особенно низкого качества, является одной из актуальных задач не только малой, но и большой энергетики.
Наиболее перспективной на данном этапе по хмнению автора является технология сжигания твердых топлив в низкотемпературном кипящем слое (НТКС). Низкотемпературный кипящий слой характеризуется высокоэффек-
5 тивными топочными процессами, позволяющими сжигать низкосортные угли, торф, отходы обогащения угля и даже недожженный шлак низкоэффективных слоевых котлов, огромное количество которого накапливается годами и требует утилизации.
К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт разработки подобных технологий как за рубежом, так и в нашей стране. Все они представляют собой различные разновидности кипящего слоя (стационарный кипящий слой, форсированный кипящий слой, циркулирующий кипящий слой и т.д) и отличаются: скоростью псевдоожижения; концентрацией циркулирующих частиц и их распределением по топочному объему; способом тепло-съема энергии частиц и их фракционным составом; а также геометрией топочного пространства и конструкциями систем улавливания и возврата не-догоревших частиц обратно в слой (рециркуляцией)
Внедрение кипящего слоя иностранными фирмами производится, как правило, только на новых строящихся объектах и требует больших капиталовложений. Стабильность экономических позиций ведущих зарубежных государств позволяет им использовать долгосрочные инвестиции и проектировать объекты теплоэнергетики с достаточно большими сроками окупаемости.
В России и других странных СНГ подобные проекты в настоящее время практически нереальны. Единственной возможностью является реконструкция устаревших объектов теплоэнергетики с максимальным использованием уже имеющегося оборудования и небольшими капитальными затратами. Однако при этом становится невозможным прямой перенос технических решений уже разработанных технологических схем (Пирофлоу, Лурги, Цир-кофлюид, Мультисолид и других). Например, системы возврата уноса в таких котлах выполнены в виде крупногабаритных циклонов либо мультициклонов, совершенно не вписывающихся в ячейки существующих отечественных котлов, особенно малой и средней мощности. Это относится к котлам горизонтальной компоновки типа ДКВр, КЕ, выпускаемым ОАО БиКЗ, водогрейным котлам типа КВ-ТС и КВ-ГМ Доргобужского котельного завода и
котлам с П-образной компоновкой типа БКЗ, ЭЧМ, КВ-ТК и др. Барнаульского и Белгородского котельных заводов.
Для разработки эффективной системы возврата уноса при реконструкции указанных котлов на сжигание твердого топлива в НТКС были проведены исследования по выявлению аэродинамических особенностей топок, гравитационной сепарации и рециркуляции частиц в топке и разработаны эффективные и надежные уловители уноса инерционного типа. Исследования проводились с помощью экспериментального изотермического моделирования и численного математического. Работы были выполнены на стендах в лабораториях 49 отдела НПО ЦКТИ, НИЦ ПО «Бийскэнергомаш», АлтГТУ и экспериментальном цехе ПО «Сибэнергомаш».
Способы снижения выбросов окислов серы SO2 и окислов азота NOK в котельных установках
При сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива вся его масса превращается в отходы, причем продукты сгорания в несколько раз (4-5 раза) превышают массу использованного топлива за счет включения азота и кислорода воздуха. Все топливосжигающие установки ежегодно выбрасывают в атмосферу Земли более 200 млн. т окиси углерода, 50 млн. т различных углеводородов, почти 150 млн. т двуокиси серы, свыше 50 млн. т окислов азота, 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей. В общем загрязнении атмосферы отходами производства теплоэнергетические выбросы вредных веществ составляют по пыли до 35 %, двуокиси серы - до 50 %, по окислам азота - 30 - 35 % [8].
По данным работы [9] в Алтайском крае загрязнение городов от источников теплоснабжения "достигло 50 % загрязнения от выбросов стационарных источников. Уровень загрязнения от источников сжигания твердого топлива (это в основном угли Кузнецкого и Канско-Ачинекого месторождений) по целому ряду ингредиентов (зола, оксиды серы, азота) превышают нормативные показатели в 1,5-5 раз.
Выбросы топливосжигающих устройств зависят, прежде всего, от вида топлива, способа и совершенства технологии его сжигания. На современных ТЭС сжигается в основном твердое топливо (ископаемые угли) в размельченном (пылевом) виде. Слоевое сжигание угля характерно лишь для промышленных котельных и коммунально-бытовых.
Количественный и качественный состав вредных выбросов в атмосферу с дымовыми газами зависит как от химического состава, горючей массы и балласта, так и от организации процесса горения. При сжигании органического топлива различают четыре типа горения: нейтральное (стехиометрическое или полное сгорание топлива при коэффициенте избытка воздуха а =1,0); окислительное (полное сгорание при небольшом избытке воздуха а 1,0); восстановительное (неполное сгорание при недостатке воздуха, а 1,0) и смешанное (окислительно-восстановительное, характерное для горения твердого топлива при неравномерном взаимодействии поверхности его частиц с воздухом, когда а 1). Перечисленные факторы влияют на выброс, в общем, всех вредных веществ, содержащихся в дымовых газах, основными из которых являются зола, окислы азота, окислы серы и угарный газ СО. Количество твердых выбросов в атмосферу и их качественный состав определяются зольностью топлива, полнотой сгорания горючей массы и глубиной золоочистки.
Одним из наиболее токсичных газообразных выбросов энергоустановок является сернистый ангидрид S02. При горении сера, содержащаяся в топливе, почти полностью превращается в SOi, проходит электрофильтры и уносится в атмосферу. При соединении с водой эти окислы образуют серную кислоту, которая подкисляет почву, наносит вред растениям, ускоряет процесс коррозии металлов и обостряет заболевания дыхательных путей человека и животных [10].
В конце 80-х годов на долю теплоэнергетики в СССР приходилось 43-44 % всех выбросов SO2 в стране [11], а в США вклад теплоэлектростанций в общие выбросы диоксида серы составлял до 66 %. В настоящий момент в расчете на душу населения в России в год приходится почти 30 кг серы в атмосферном воздухе, что в 2 раза выше среднемирового показателя. По сравнению с твердыми выбросами воздействие газообразных выбросов на природную среду и человека более многообразно, поэтому разработка и реализация методов снижения этих выбросов - одна из острейших проблем отечественной энергетики. Уменьшение выбросов сернистых соединений в атмосферу может идти потрем направлениям [12]: 1) обработка топлива перед его сжиганием; 2) очистка уходящих газов перед выбросом в атмосферу; 3) изменение технологий сжигания твердого топлива. К первому направлению относятся: газификация угля и обогащение. При газификации угля удаляется органическая сера, что уменьшает сернистые выбросы. Кроме того, при сжигании газогенераторного газа можно достигнуть меньшего выхода окислов азота (в 1,5-2 раза), чем при сжигании угля. Однако газификация угля считается дорогостоящим процессом, который сопровождается значительными потерями тепла и затратами электроэнергии. При обогащении угля из него удаляется колчеданная сера. Это позволяет уменьшить выбросы окислов серы на 25-30 %. Обогащение угля также является дорогостоящим процессом и в современных экономических условиях может оказаться нерентабельным. Второе направление получило большое распространение в экономически развитых странах (США, ФРГ). Например, в США используется более 30 различных систем сухой и мокрой очистки газов от SOi [13-16]. Всего же в мире разработано около 40 различных технологических процессов удаления серы из дымовых газов [17], которые подразделяются на следующие классы: адсорбция; абсорбция; каталитическое окисление; восстановление газами; связывание SO2 посредством NHj, которые могут быть регенеративными и нерегенеративными, а также сухими либо мокрыми. В США, ФРГ и Японии наиболее распространены мокрые нерегенеративные процессы очистки с кальциевым сорбентом. В качестве реагентов могут также использоваться такие распространенные вещества, как известь, аммиак, сода, известняк, которые относительно дешевы [17-18], но менее эффективны, чем специальные реагенты (цитрат натрия, известь обогащенная магнием, соединения натрия, аммиачно-фосфатные соли,..) и катализаторы [19-20]. Массовое внедрение сероулавливания на ТЭС требует развития специальной подотрасли, по объему и металлоемкости сопоставимой с котлострое-нием, а также смежных отраслей для производства реагентов, специальных ма 17 териалов и оборудования [21]. Согласно прогнозам [22] применение сероулав ливания на ТЭС в странах СНГ в больших объемах будет возможно не ранее, чем через 20-30 лет.
По данным Моллера [23] внедрение методов сероочистки в странах Западной Европы и Северной Америки к концу века планировалось на меньше, чем половине угольных ТЭС.
Одним из перспективных методов третьего направления снижения вредных выбросов является создание котлов с топками кипящего слоя (КС), в которых в основном сжигается дробленый уголь (с частицами 8-10 мм). По сути дела, создание топок с кипящим слоем - это возврат от камерных топок к слоевым, в которых с помощью струй воздуха частицы угля поднимаются над решеткой и сила тяжести частицы уравновешивается подъемной силой воздуха [24-25]. Для обеспечения наибольшей полноты сгорания частиц угля увеличивают время их пребывания в зоне горения (от 1-2 с в камерной топке до 1-5 мин в «кипящем слое»). Это достигается снижением скорости потока за счет расширения верхней части топки, а также улавливанием и возвратом уносимых частиц в зону горения. Трущиеся друг о друга частицы горящего угля обнажают все новые и новые поверхности щелочных компонентов (кальция и магния), в результате чего резко возрастает количество связанной серы, которое может достигать 90 %. К достоинствам этого метода сжигания твердых топлив относится также [26-27] возможность использования низкосортных углей при низких температурах сжигания (800-900С), что исключено в топках камерного типа. Увеличение же теплового напряжения (количества тепла сожженного топлива на единицу топочного объема) позволяет значительно уменьшить размеры котла.
Исследование гравитационной сепарации и рециркуляции частиц в модели топки НТКС
Не менее токсичными выбросами являются также окислы азота. Основной особенностью образования окислов азота является их слабая зависимость от вида и состава топлива. Концентрация окислов азота в дымовых газах определяется главным образом режимом и организацией топочных процессов при сжигании органического топлива, а именно концентрацией кислорода в зоне горения и температурой процесса [29]. Например, согласно модели, приведенной в работе [30], динамика образования окиси азота NO для пылеугольного факела описывается выражением: где yt\o - концентрация окиси азота в газе (моль/см3), Уог - концентрация кислорода в газе, yt\ - концентрация азота в топливе.
Окись азота NO, образующаяся в результате процесса горения, в довольно короткий промежуток времени (1-3 ч) переходит в двуокись N02- Время жизни двуокиси азота около 4 дней, а соотношение NO и NO2 в воздухе городов составляет обычно от 1 до 5 [31]. Довольно быстрое превращение окиси азота в двуокись способствует усилению отрицательного воздействия дымовых газов на природу и живые организмы, поскольку двуокись азота токсичнее, чем окись. Так, согласно последним данным, если для окиси азота предельно допустимая концентрация для рабочей зоны ПДК = 30 мг/м3, максимальная разовая - 0,6 мг/м3, среднесуточная - 0,06 мг/м3, то для двуокиси азота эти показатели соответственно равны 2; 0,085 и 0,04 мг/м3, т.е. в 15, 7 и 1,5 раза жестче, чем для окиси [32]. Повышение содержания окислов азота в черте городов имеет те последствия, что в приземном слое развиваются фотохимические процессы, в результате которых выделяется атомарный кислород, который очень активен и вступает в реакцию с содержащимися в атмосфере углеводородами, сероводородом и окисью углерода, образуя озон и крайне токсичные соединения типа альдегидов и кетонов. Такое явление называется фотохимическим смогом и представляется самой опасной из всех форм загрязнения атмосферы. Кроме того, выбросы энергетических предприятий осуществляются на высоте более 100-300 м. Это способствует не только дальнему переносу примесей, но и попаданию их в верхние слои атмосферы, и, в частности, в озонный слой, располагающийся на высоте 18-26 км. По данным Л. В. Таусона [33], 1 т N02 в результате каталитического действия разрушает 1 тыс. т озона, роль которого состоит в том, что он поглощает жесткое ультрафиолетовое космическое излучение, губительное для живых организхмов.
Как известно, котлы промышленных и отопительных котельных имеют невысокие дымовые трубы (30-60 м). Это не позволяет рассеивать окислы азота в такой же мере, как на тепловых электростанциях с дымовыми трубами высотой 100-420 м. Поэтому даже не очень большие массовые выбросы NOx из промышленных и отопительных котлов в значительной степени определяет фоновую концентрацию в городах и промышленных центрах. Абсолютная величина выбросов окислов азота обычного слоевого котла паропроизводительностью 14 т/час по данным работы [34] составляет 406-726 мг/м3 при Ог - 6 %.
Для снижения выбросов окислов азота в настоящее время применяют следующие методы: рециркуляция дымовых газов в дутьевой воздух или в го-релочные устройства; двухстадийное сжигание топлива; впрыск воды и пара; снижение коэффициента расхода воздуха; сброс сушильного агента в топку при сжигании пылевидного топлива [35-36]. Применение перечисленных методов, как правило, ограничено технологическими и экономическими условиями эксплуатации котлов. Так, увеличение расхода рециркуляционных дымовых газов, сушильного агента, воды или пара, подаваемых в топку, вызывает увеличение объема продуктов сгорания, снижение радиационной теплоотдачи в топке и повышение температуры перегрева пара. Снижение коэффициента расхода воздуха и повышение доли топлива, сжигаемого по двухстадийному принципу, способствует появлению химического недожога топлива [37], образованию и выбросу с дымовыми газами заметных концентраций сажи, окиси углерода и бензопирена.
За последние годы как в США, так и в других странах значительно выросло число котлов, использующих для снижения выбросов окислов азота новые конструкции горелок. Однако при сжигании низкореакционных углей внедрение такого метода подавления окислов азота увеличивает потери с механическим недожогом [38].
Таким образом, всегда есть предел применения этих методов по расходу рециркуляционных газов и воздуха, определяемый технологией и экономикой производства пара заданных параметров, при достижении которого дальнейшее снижение выбросов NOx становится нецелесообразным. Перечисленные способы наиболее эффективны на котлах, сжигающих природный газ и мазут, и менее эффективны при работе угольных котлоагрегатов.
Принципиально возможно удаление окислов азота из дымовых газов путем их улавливания в каталитических установках [39]. Установки такого типа уже находят применение для очистки газов от окислов азота при производстве азотной кислоты. Однако на данной стадии их освоения в условиях ТЭС они будут громоздкими и дорогими. Разрабатываются и другие методы снижения содержания окислов азота: способ некаталитического высокотемпературного восстановления окиси азота N0 аммиаком NH3 (американская фирма «Эксон») [40]; восстановление окиси азота озоном [29]; электронно-лучевая обработка дымовых газов [41]. Данные методы пока не получили широкого распространения из-за большой стоимости реагентов и оборудования, а также повышенной химической и радиационной опасности двух последних методов.
Более эффективным путем снижения выбросов NOx в случае использования на ТЭС твердого топлива является сжигание углей в кипящем слое, позволяющее снизить содержание окислов азота в топочных газах до 250 мг/нм3 [42]. Согласно исследованиям Д. А. Франк-Каменецкого и Я.Б. Зельдовича [29] понижение температуры горения топлива 1350 С способствует снижению образования окислов азота. Поэтому по сравнению с камерным сжиганием топлива уровень образования окислов азота в кипящем слое оказывается на 30-40 % ниже [43].
Выбор элементов золоулавливающего пучка (ЗУП) и описание экспериментальной установки
Рассмотрим выбор модели для котла БКЗ-75-39, который имеет ширину топки по осям колонн 7430 мм. Примем ширину области топочного пространства 6400 мм. Плотность материала угольных частиц составляет р = 1,5 г/см3, золы - р = 2,1 г/см3 [62]. Количество несгоревших частиц в уносе может достигать 30 %, следовательно, среднюю плотность частиц можно оценить величиной р = 1,9 г/см3. Выберем в качестве материала модели кварцевый песок (р = 2,65 г/см3). Тогда масштаб моделирования составит М = 1,4. Для этого масштаба остальные масштабы моделирования примут следующие значения (рис.2.1 a): ML = 0,125; MSo = 0,32 ; Mw = 0,35.
Согласно полученным масштабам ширина модели должна быть равна 0,8 м, а средняя скорость воздуха в самом широком сечении 2-3,5 м/с при скорости газов в объекте 6-Ю м/с, что характерно для кипящего или циркулирующего слоя.
По фракционному составу можно выделить три основных вида полидисперсного материала: используемое твердое топливо, материал слоя и унос. Фракционный состав угля отражает только его начальное состояние. В топке он сильно меняется за счет процессов горения, истирания и дробления. Фракционный состав слоя определяется многими факторами. Преимущественно (на 95-99 %) он представлен золой и серопоглотителем, т.е., инертными для горения частицами. На начальной стадии работы котла с кипящим слоем его слой образуется заполнителем, например, дробленым щебнем с максимальным размером куска 5 4= 10 мм.
По данным опытов, проведенных на экспериментальной котельной НПП «ЭНЭКО» при сжигании Ирша-Бородинского бурого угля Б2, а также его смеси с Кузнецким каменным Д (примерно в равных пропорциях), фракционный состав слоя подчинялся распределению Розина - Раммлера [62] где Se - характерный диаметр частиц, определяемый соотношением R(Se) = 36,8 %, а - показатель дисперсности материала, характеризующий ширину распределения частиц по размерам. На практике более часто используют параметр Sso-, называемый медианой распределения. Эти параметры легко пересчитываются между собой.
Для указанного эксперимента параметры распределения материала слоя « составили: Sso = 2,7 мм, а =0,7, а уноса из слоя: S50 0,5 мм, а— 1,3. При сжигании бурого угля и шлака в реконструированном котле КЕ-6,5-14 (Нагорная котельная, г. Барнаул) параметры слоя были следующие: Sso =1,8-2,3 мм, а 1; для уноса - Sso 0,18-0,30 мм при а = \. Также согласно [63] в котлах ЦКС типа Пирофлоу при сжигании каменных углей и антрацитов слой состоит из 20 % из частиц размером 0,7-1 мм при максимальном размере частиц 7-15 мм (1-5 %), а циркулирующие частицы имеют медианный диаметр 55о =0,1- 0,3 мм. Следовательно, размер частиц для моделирования слоя должен быть ра вен Sso = 0,5-0,9 мм, а для уноса - SSo — 30-90 мкм. Для моделирования устройств, расположенных на выходе из топки, желательно использовать материал близкий к натуральному объекту. В этом случае М = 1 и масштабы моделирования, вычисленные по формуле (2.6), примут значения: ML = 0,16; М SQ = 0,45 ; Mw = 0,4. Условия опытов тогда будут характеризоваться следующими величинами: скорость воздуха в модели w = 2-4 м/с, размер частиц SSo - 40-120 мкм. Согласно указанным требованиям в экспериментальной лаборатории объединения «Бийскэнергомаш» была изготовлена холодная модель топки (рис.2.2 а, б), состоящая из подъемного канала 1 сечением 0,3 м х 0,5 м, длиной 2 м, имеющего внизу газораспределительную решетку 2, и расширенного канала 3 сечением 0,8 м х 0,5 м, высотой 3 м, которые соединялись диффузором 4 с наклоном стенок 50. Установка имела внутренний контур циркуляции частиц на расширении и два внешних: через устанавливаемый золоуловитель (использовался уловитель лабиринтного типа) 5 и два спаренных циклона 6 типа ЦН-15 диаметром 0,5 м, в которых улавливались наиболее мелкие частицы. Уловитель 5 устанавливался над сборным бункером 7, имеющим два канала возврата частиц: основной 8, выполненный из тонкостенной трубы 0 ПО мм и измерительный 9, включенный через расходомер дозирующего типа 10. Циклоны второй внешней ступени располагались над сборными бункерами //, связанными через сливной канал 12 с эжектором возврата частиц 13. Напорный вентилятор 14 подключался к ней через регулирующий шибер 15. На входе вентилятора было установлено расходомерное сопло 16. Уравновешенный режим тяги установки обеспечивался дымососом ДН - 12,5.
Для изучения гравитационной сепарации частиц на скатах диффузора 4 имелись отводящие каналы, в которые попадало 10 % сепарирующихся частиц. В бункере 7 уловителя 5 была выделена секция площадью 20 %. Расход частиц через эту секцию определялся по частоте качаний расходомера 10, а пробы материала отбирались перед стояком эжектора 12.
При работе установки сначала включался дымосос, затем вентилятор 16 и через нижний сборный бункер // засыпалась требуемая масса циркулирующих частиц. С помощью шибера 15 устанавливался необходимый расход воздуха, а шибером на входе дымососа уравновешенный режим тяги в установке. В работающей установке контуры циркуляции частиц и тракт отсоса воздуха находились под разрежением, поэтому для пропуска потоков частиц использовались полиэтиленовые клапаны и отсосные эжекторы.
Результаты исследований аэродинамических характеристик и эффективности улавливания плоской модели ЛЗУ
Жидкостные дифманометры с электрическим съемом положения уровня по существу представляют безпоплавковые уровнемеры, измерение уровня в которых осуществляют емкостным, контактным, реостатным и другими преобразователями. Средняя квадратическая погрешность таких дифманометров определяется погрешностью традиционного жидкостного манометра плюс погрешность преобразования уровня и составляет несколько процентов для среднего диапазона перепадов давления.
У поплавковых дифманометров измеряемый перепад давления соответствует высоте столба манометрической жидкости, которая определяется положением поплавка помещенного в одно из колен дифманометра. Погрешность поплавковых дифманометров близка к погрешности жидкостного с добавлением погрешности, возникающей в результате действия сил трения в передаточном механизме. Жидкостные дифманометры с двумя подвижными коленами в большинстве случаев выполняют в виде полого кольца с перегородкой в верхней части с различных сторон которой, при помощи гибких трубок подаются давления, разность которых необходимо определить. Кольцо заполнено наполовину манометрической жидкостью и снабжено поперечиной, на которой устанавливается призменная опора. При рі Ф р2 кольцо поворачивается в ту или другую сторону на угол, величина которого пропорциональна разности приложенных давлений. Основная погрешность кольцевых дифманометров составляет 1%. Но изготовление таких манометров достаточно трудоемкая операция. Если обратиться к колокольному дифманометру, содержащему колокол, частично погруженный в жидкость и перемещающийся под действием подводимого перепада давления под и над колоколом, то можно заметить отличия по принципу уравновешивания гидравлического, пружинного или грузового. Погрешность колокольных дифманометров так же невелика и составляет несколько процентов.
По данным, приведенным в [63], колокольный дифманометр является наиболее чувствительным и применяется в основном для измерения малых перепадов давления, поэтому остановимся на рассмотрении именно этого типа дифманометров,
Для преобразования перемещения колокола в электрический сигнал используются различные преобразователи линейных перемещений. Одним из наиболее простых, надежных и обеспечивающих хорошую точность являются индуктивные преобразователи. Различные типы которых широко представлены в литературе [68, 69]. Для измерения достаточно больших перемещений, например, поплавка в поплавковом дифманометре, используют преобразователи с распределенными параметрами. В наиболее распространенных случаях распределенными по диапазону контролируемых перемещений могут быть измерительная обмотка или магнитопровод. Если измеряются малые перемещения, начиная с долей микрона, используют преобразователи с сосредоточенными параметрами. Типичным, наиболее изученным и надежным представителем этой группы является дифференциально-трансформаторный преобразователь, используемый в диапазоне линейных, перемещений 0-5 мм [70].
Уравнение колокольного дифманометра с пружинным уравновешиванием имеет вид [65]: где р\ р2 — разность давлений под колоколом и снаружи; к - жесткость пружины; Н- высота колокола над уровнем жидкости; F- площадь колокола. Для к = 20 Н/м, F = 0,01 м , получим, что при изменении перепада давления pi — р2 на 0,1 Па АН составит 50 мм, т.е. находится в пределах диапазона измерений дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещений, предел по чувствительности которого составляет доли микрона.
Таким образом, для измерения малых перепадов давления -0,1 Па, по чувствительности наиболее приемлемым является колокольный дифманометр в совокупности с дифференциально-трансформаторным преобразователем перемещений.
Выпускаемые отечественной промышленностью колокольные дифманометры типа ДК1, ДКОФМ [65] не позволяют производить измерения столь малых перепадов давления, что обусловлено наличием трения в передаточном механизме главным образом стержня колокола в центрующей втулке. Следовательно, взяв за основу колокольный дифманометр с дифференциально-трансформаторной схемой регистрации перемещения колокола и конструктивно доработав его, избавившись от жесткой связи и уменьшив трение, можно приблизить его характеристики к требуемым, и тем самым обеспечить измерения требуемых малых перепадов давления и соответствующих скоростей газовой фазы двухфазного потока.
При выборе типа уравновешивания колокола исследовались варианты с гидравлическим, грузовым и пружинным уравновешиванием по устойчивости к технологическим вибрациям. Наименее чувствительным, как показали эксперименты, оказался дифманометр с пружинным уравновешиванием, что обусловлено демпфирующими свойствами пружины малой жесткости. Общий вид изготовленного дифманометра показан на рис. 2.3.
Дифманометр состоял из металлического корпуса 1, колокола из органического стекла 2 с толщиной стенок 2 мм и дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения 3 от манометра МП 22517. Колокол крепился к пружине 6 с жесткостью Л: = 178 Н/м и длиной 100мм с помощью сердечника трансформатора 4. В промышленном варианте связь между пружиной 6 и сердечником преобразователя 4 выполняется жесткой. Экспериментально было установлено, что это является причиной низкой помехоустойчивости прибора к вибрациям. Для повышения помехоустойчивости конструкции жесткая связь между пружиной и сердечником была устранена при помощи шелковой нити 5. Еще одной особенностью разработанной конструкции является несимхметричное расположение сердечника 4 относительно обмоток дифференциального трансформатора 3. Он смещен вниз. Нижняя часть сердечника выходит за габариты трансформатора и ее магнитная связь с обмотками трансформатора ослабляется. Поэтому поперечные колебания нижней части сердечника практически не влияют на полезный сигнал, а амплитуда колебаний верхней части сердечника всегда значительно меньше.
Несимметричное расположение сердечника приводит к тому, что разно-полярные ветви зависимости напряжения на выходе вторичного преобразователя от положения сердечника имеют различную крутизну, но, тем не менее, каждая из них в пределах диапазона контролируемых перемещений практически линейна. Установка сердечника 4 в нужное положение производится вращением регулировочной гайки 9. При этом эластичная мембрана 7 позволяет перемещать болт 8 без нарушения герметичности дифманометра.
