Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Циклонные аппараты для очистки газовых выбросов 16
1.1. Преимущества прямоточных циклонов 18
1.2. Тенденции совершенствования прямоточных циклонов 27
1.3. Выводы по главе и постановка задач исследования 52
Глава 2 Математическое моделирование движения закрученных газопылевых потоков в циклонных пылеуловителях ...54
2.1. Модели движения закрученного газового потока 54
2.2. Учет влияния броуновского движения на вязкость газопылевого потока и влияния эффекта Магнуса на движение частиц в закрученных потоках 69
2.3. Численное моделирование процесса сепарации в прямоточном циклоне 76
2.4. Выводы и основные результаты по главе 85
Глава 3 Вероятностно - стохастическое моделирование движения частиц пыли 86
3.1. Расчет центробежного разделения с учетом вторичного уноса 100
3.2. Вероятностно-статистическое моделирование эффективности сепарации частиц пыли в прямоточном циклоне 109
3.3. Выводы и основные результаты по главе 114
Глава 4 Описание стенда и результатов промышленного испытания прямоточного циклона 116
4.1. Выводы и основные результаты по главе 133
Глава 5 Методика расчета циклонных пылеуловителей 135
5.1. Алгоритм расчета по предлагаемой методике 140
5.2. Пример расчета проектируемого циклона 149
5.3. Выводы и основные результаты по главе 153
Основные результаты и выводы по диссертации 155
Основная используемая литература 157
- Тенденции совершенствования прямоточных циклонов
- Учет влияния броуновского движения на вязкость газопылевого потока и влияния эффекта Магнуса на движение частиц в закрученных потоках
- Вероятностно-статистическое моделирование эффективности сепарации частиц пыли в прямоточном циклоне
- Пример расчета проектируемого циклона
Введение к работе
Нарастающее загрязнение воздушной среды ужесточает требования по эффективности очистки отходящих промышленных газов от высокодисперсных пылевых частиц с размерами менее 5-10 мкм, оказывающих наиболее неблагоприятное воздействие на организм человека. Малые размеры и масса таких частиц исключают или значительно ограничивают применение традиционных методов разделения - гравитационных, инерционных и электростатических.
Тенденции совершенствования прямоточных циклонов
Самый простой способ повысить КПД сепарации - это отклонить запыленный поток газа как можно ближе к стенке циклона. Для этой цели, кроме традиционного завихрения потока используют конусообразные входные патрубки [40, 59+62] или устанавливают внутри ПЦ дополнительные приспособления [63,64].
В конструкции, приведенной на рис.1.3, для отклонения запыленного потока к стенке аппарата, используются полое тело 1 с отражателем 2, зонтЗ и установленный на выхлопном патрубке 4 конус 5 с вырезами 6 для вывода избыточного газа из бункера 7 [64].
Эта же задача оригинально решена в конструкции ПЦ (рис. 1.4), в которой поперечная перегородка 1 выполнена с входным 2 и выходным 3 профилированными обтекателями и торообразным выступом 4. Концентрично обтекателям установлены направляющие трубы 5, спрямляющие потоки. Для обеспечения необходимых зазоров поперечная перегородка и направляющие трубы размещены на пилонах зо 7. Под действием центробежных сил при развороте потока в кольцевой камере 9 частицы пыли осаждаются и отводятся через кольцевое заборное отверстие 10 в камеру 11 и далее через патрубок 12 в бункер.
Выполнение данного ПЦ с торообразной щелью позволяет обеспечить необходимую скорость и радиус закрутки потока независимо от диаметра сепаратора и, таким образом, достигнуть высокой эффективности очистки [65].
Однако следует отметить, что направляющие трубы 5 во входной части аппарата будут играть отрицательную роль, увеличивая сопротивление аппарата.
Один из приемов повышения КПД сепарации связан с организацией промежуточных отборов пыли в ПЦ [32,40,66, 68 70]. Так, например, на рис. 1.5 представлена схема ПЦ, в котором организована серия промежуточных отборов (ПО) за счет перфорации стенок корпуса 1. Плотность окон 2 увеличивается по ходу газа. На выхлопной трубе 3 установлено устройство для отбора очищенного газа, выполненное в виде веерообразного расширяющегося конуса 4. Конус 4 набран из профилированных пластин так, чтобы между ними образовывались щелевые каналы, направленные в сторону, противоположную вращению потока газа [66]. По мнению авторов конструкции, это должно повысить эффективность очистки.
Следует ожидать, что в каком-то сечении давление по ходу газа достигнет максимальной величины, и в этой области будет иметь место выброс пыли из окон 2 в пылевую камеру 5. Однако отсутствие перегородок в пылевой камере приведет к тому, что пыль в верхних окнах будет поступать обратно в корпус циклона.
С целью дальнейшего повышения эффективности пылеулавливания предложена модификация ПЦ, рассмотренного выше. Предлагается снабдить ПЦ рециркуляционной трубкой 6, соединяющей полость пылевой камеры 5 с входным патрубком 7. Причем входной конец этой трубки установлен соосно входному патрубку и загнут по ходу газа. Рециркуляционная трубка позволит снизить давление в полости пылевой камеры, что облегчит выход пыли из окон [67].
Более рационально, на наш взгляд, выполнены ПО в ПЦ, схематично изображенном на рис. 1.6 [32]. Запыленный газ закручивается тангенциальным завихрителем 1 при малых скоростях потока и затем разгоняется в камере 2 предварительной сепарации. Стенки камеры 2 профилированы, чтобы обеспечить безотрывный, плавный вход газа в вихревую камеру 3 и реализовать высокий уровень окружных скоростей во всем сечении камеры 3. Крупнодисперсная пыль отделяется в камере 2 и отводится через отверстия 6 в торцовой крышке. Более мелкая пыль движется в радиальном направлении к оси ПЦ. При подходе запыленного газа к камере 3 пыль отклоняется от крышки 4 и оказывается в зоне максимальных окружных скоростей.
Пыль сгущается около поверхности сопряжения 5 и окончательно сепарирует в вихревой камере 3, по которой отводится через кольцевые щели 7 промежуточного отбора.
Следует заметить, что под действием центробежных сил пыль будет относиться к наружным стенкам камеры 2 и не может быть отведена через окна 6.
Установка на входе в бункер или внутри него перегородки, замед ляющей вращательное вращение частиц и выполненной в виде: а) разрезного одновиткового кольца, расположенного под некоторым углом к оси циклона. Такая форма перегородки предпочтительней, когда нет отсоса пыли из бункера [59]; б) радиальных ребер, которые частично или полностью проходят че рез бункер, образуя секторные отсеки [59]; в) плоской [61] или конусообразной [64] отбойной шайбы на выхлоп ном патрубке. 3. Выполнение выхлопной трубы 1 (рис. 1.7, [71]) с эжектирующей на садкой 2, а средство для вывода воздуха из пылевой камеры 3 в виде размещенных снаружи камеры 3 отсосных коробов 4 с допол нительными циклонами 5, присоединенными к выхлопной трубе 1 на уровне эжектирующей насадки 2.
Учет влияния броуновского движения на вязкость газопылевого потока и влияния эффекта Магнуса на движение частиц в закрученных потоках
Представим пылегазовую среду в закрученном потоке циклонной пылеочистной установки в виде двухкомпонентного газа: собственно газа и «пылевого» газа. «Пылевой» газ состоит из «молекул» в виде частиц пыли. Частицы имеют диаметр d и плотность р. Частицы содержатся в газе с массовой концентрацией г. Предположим, что «пылевой» газ подчиняется законам кинетической теории газов [173, 174].
Вязкость газопылевой среды может примерно в два и более раза превышать вязкость чистого газа. Эффект повышенной вязкости можно объяснить торможением частиц при совместных столкновениях и последующим после столкновений закручиванием частиц. Это приво 71 дит к дополнительным затратам энергии при движении частиц, повышению внутренних сил трения в газопылевой среде и, соответственно, повышению вязкости среды при движении в ней частицы пыли.
Рассмотрим движение частицы в анизотропном по вязкости закрученном газопылевом потоке, то есть таком, в котором вязкость среды в осевом и тангенциальном направлениях равна вязкости чистого газа /иг, а для радиального направления (в направлении сепарации частиц пыли) вязкость равна вязкости газопылевой среды рг.п. Газ движется поступательно вдоль оси z, и вращается.
При безвихревом потенциальном вращательном движении радиальную скорость газа примем равной нулю: Уг = 0. Тангенциальная скорость газа подчиняется закону (2.16) с показателем степени, равным п=0,5. Осевую скорость примем постоянной и равной отношению объемного расхода газа Q к площади проходного сечения A: We = Q/A.
Уравнения (2.20) и (2.22) определяют траекторию движения частицы в проекции на диаметральное сечение циклона. В частности, они определяют осевой пробег S при сепарации частицы до стенки циклона.
В качестве примера были взяты следующие данные: прямоточный циклон диаметром 0,120 м, диаметром вытеснителя 0,09 м; воздушный поток движется со скоростью W0= 1+20М/С И закручивается на 35; пыль имеет диаметр частиц d = 1-т50мкм, плотность 2500 кг/м3; запыленность потока 0,025 кг/м3. Результаты численного моделирования были обработаны в па кете S-PLUS. На рис. 2.4 представлена зависимость пути сепарации S частицы пыли от ее диаметра d при осевой скорости W=9 м/с, которая описывается следующим уравнением регрессии: 5 = 0.010 + 4.599/ 106 (2.23)
Стандартная ошибка составляет 0.000165. Как видно из модели, путь сепарации уменьшается примерно в К раз с увеличением диаметра частицы в К раз, что согласуется с экспериментальными данными. На рис. 2.5 представлена зависимость S от осевой скорости W для частицы пыли диаметром d=30 мкм, которая описывается сле дующим уравнением регрессии: # S = 0.132 +0.023 5Дг957. (2.24) Стандартная ошибка составляет 0.000155. Как видно из рис. 2.5 увеличение осевой скорости также приводит к уменьшению пути сепарации. Однако, не целесообразно увеличивать скорость более 11-13 м/с, так как происходит снижение эффективности сепарации за счет отскока отсепарированной пыли от стенок прямоточного циклона. Результаты численного эксперимента обобщены (рис. 2.6) уравнением 5 = 4.59 -10086. 0407. (2.25) Значимость коэффициентов при доверительной вероятности 0,95 определяется значением критерия Стьюдента 58. Результаты численного эксперимента методом Рунге-Кутта также были обработаны в пакете Statgraph и обобщены уравнением: 5 = 4.59 -100аб-Ж0-0407. (2.26) Значимость коэффициентов при доверительной вероятности 0,95 определяется значением критерия Стьюдента 58. lb т Разработанная модель позволяет рассчитывать технологические характеристики прямоточных циклонов, например, эффективность очистки, фракционную очистку и т.п. 10 30 d. мам S, м 0.144 0.140 0.136 0.132 18 W.Mfc Рис. 2.4. Путь сепарации S час- Рис. 2.5. Влияние осевой скоро-тицы пыли в зависимости от ее emu W на путь сепарации S диаметра d :хх. х г--Ч ч х -- X х -"ХТ х. х ч ч. \ \,-"- к ч. \ ,4 X X. JX Рис. 2.6. Влияние осевой скорости Wи диаметра частиц d на путь сепарации S 2.3. Численное моделирование процесса сепарации в прямоточном циклоне Полученные в разделе 2.2 зависимости (2.23- -2.26) справедливы только для циклона с диаметром сепарационной камеры DC=0.J2 м. Численное моделирование на ПЭВМ процесса сепарации частиц пыли, диаметр которых варьировался от 1 до 100 мкм с шагом 3 мкм для циклонов различного диаметра, начиная от 100 мм до 600 мм с шагом 50 мм проводилось для математической модели вида (2.27). Плотность пыли менялась в пределах от 500 кг/м3 до 10000 кг/м3с шагом 500 кг/м3. Осевая скорость потока изменялась от 6 м/с до 16 кг/м с шагом 2 м/с.
Вероятностно-статистическое моделирование эффективности сепарации частиц пыли в прямоточном циклоне
Выполненный анализ работ по вероятностному моделированию процесса сепарации в циклонных пылеуловителях показал, что они в основном представляют центробежное разделение как детерминированный процесс со случайными отклонениями, и не учитывают параметрическое влияние случайных факторов. Поэтому полученные расчетные зависимости могут служить только для оценки основных тенденций влияния технологических и конструктивных параметров процесса. Более точный расчет возможен только на базе параметрического вероятностно-стохастического моделирования с учетом как детерминированных, так и случайных факторов.
При разработке модели в качестве базовых уравнений использовались уравнения движения частиц в закрученном газовом потоке в прямоточном циклоне, описанные в главе 2. Эти уравнения определяют траекторию движения частицы в проекции на диаметральное сечение циклона. В частности, они определяют осевой пробег S при сепарации частицы до стенки циклона.
Следует заметить, пробег частиц в закрученных газопылевых потоках, описываемый уравнениями (2.19), (2.20), (2.22), определен неявно, и эти уравнения не допускают аналитического его нахождения. В силу этого обстоятельства модель движения частиц затруднительно использовать в качестве базовой при построении вероятностных моделей движения частиц и также при построении модели эффективности и фракционной эффективности прямоточного циклона. Полученные регрессионные уравнения (2.28) и (2.30) для пути сепарации частиц пыли в прямоточном циклоне позволяют построить вероятностную модель расчета эффективности прямоточного циклона.
В уравнениях (2.28) и (2.30) диаметр частиц d и радиус входа г0 в прямоточный циклон являются случайными величинами. Следовательно, путь сепарации S тоже является случайным. При этом диаметр циклона Д плотность пыли р и входная скорость газового потока Появляются неслучайными параметрами.
Случайный диаметр частиц распределен согласно фракционному составу пыли. В зависимости от метода анализа фракционного состава пыли, распределение частиц по диаметру может быть массовым P\i(d) (распределение вероятностей по массовой доле частиц определенных размеров) или счетным pN(d) (распределение вероятностей по счетной доле частиц определенного размера).
При реализации этого метода был также использован переменный шаг интегрирования, так как постоянный шаг не всегда позволял получать адекватные результаты (из-за загрубления подынтегральной функции на переходных участках эффективность могла превышать значения больше 100 %). Программа была написана на языке Q-Basic, листитнг программы приведен в приложении.
Результаты численного моделирования вероятностно-стохастической эффективности достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Эффективность циклона ПЦПО по результатам вероятностно-стохастического моделирования составляет от 98 до 100 %. Выявлено, что частицы с диаметром более 16 мкм улавливаются на 100 %. Расчетный диаметр частиц, улавливаемых на 50 %, составил 5,5 мкм. Получены параметры фракционной эффективности циклона. Сравнение полученных расчетных теоретических возможностей циклона ПЦПО с экспериментальными данными ставит задачу объяснения причин такого несогласования и поиска методов устранения препятствий, не позволяющих реальным конструкциям достигать теоретически возможных значений эффективности.
Разработанная вероятностно-стохастическая модель позволяет теоретически оценивать полную эффективность очистки и фракционную степень очистки прямоточных циклонов в пределах применимости регрессионного уравнения (2.28).
Основные результаты и выводы по главе 1. Выполненный анализ работ по вероятностному моделированию процесса сепарации в циклонных пылеуловителях показал, что в них центробежное разделение представляют в основном как детерминированный процесс со случайными отклонениями, и не учитывают параметрическое влияние случайных факторов. Поэтому полученные расчетные зависимости могут служить только для оценки основных тенденций влияния технологических и конструктивных параметров процесса. Более точный расчет возможен только на базе параметрического вероятностно-стохастического моделирования с учетом как детерминированных, так и случайных факторов.
Пример расчета проектируемого циклона
В качестве примера рассчитаем прогнозное значение эффективности сепарации предлагаемого пылеуловителя ПЦПО на расход очищаемого колошникового газа Q=3000 м3/ч. Пусть используемая пыль имеет медианный диаметр частиц = 14 мкм, плотность пыли р= 1008 кг/м3 , запыленность на входе в циклон 2 = 0,015 кг/м3.
Сопоставление экспериментальной 7,=94% с расчетной по предлагаемой методике 7]р=93,8% показывают хорошую точность предлагаемого метода: абсолютная погрешность составила -0,2 %. 7. Находим плотность воздуха по известной температуре t0 и давлению окружающей среды. Положим, t0=23, атмосферное давление в обоих случаях Рв = 99,9 кпа.
1. Для различных типов циклонов установлена однозначность и независимость влияния на относительный унос пыли є следующих факторов: диаметра аппарата, медианного диаметра частиц, концентрации и плотности пыли на входе в циклон. Этот факт положен в основу единой методики расчета эффективности сепарации цр геометрически подобных циклонных пылеуловителей различного типа (прямоточных, противоточных и вихревых) по заданным диаметру аппарата, медианному диаметру частиц, плотности и концентрации пыли.
2. Получены регрессионные зависимости коэффициентов уноса KD KS KZ,KP на основе экспериментальных данных по эффективности сепарации различных циклонных пылеуловителей.
3. Разработана методика расчета эффективности пылеулавливания ПЦПО, учитывающая медианный диаметр и плотность улавливаемой пыли, запыленность потока и диаметр циклона.
4. Сопоставительный анализ показал, что расчет по предложенной методике является более точным по сравнению с методикой НИИОГАЗ в указанных пределах применимости регрессионных зависимостей коэффициентов уноса KDrKs,Kz,Kp. Кроме того, по методике НИИОГАЗ невозможно рассчитать эффективность пылеулавливания циклонов со встречными закрученными потоками.
5. Достоинства предлагаемой методики: простота, учет влияния параметров D, 5, р, z, возможность расчета по данной модели эффективности циклона любого типа, даже при отсутствии сведений о его фракционной эффективности, высокая точность прогнозного значения эффективности пылеулавливания (для прямоточных циклонов ±2%).
6. Результаты проведенных исследований и разработанная методика расчета эффективности сепарации циклонов использованы в учебном процессе Ангарской государственной технической академии на кафедрах "Машины и аппараты химических процессов и предприятий строительных материалов", "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" и "Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов".
1. Предложены математические модели сепарации частиц пыли в закрученных газопылевых потоках с учетом влияния броуновского движения на вязкость газопылевого потока и эффекта Магнуса на движение частиц. На основе этих математических моделей получены многомерные регрессионные модели для расчета пути сепарации уловленных и уносимых частиц из прямоточного циклона, учитывающие влияние диаметра циклона, диаметра частиц, плотности пыли, скорости входного потока, относительного радиуса входа в сепарационную камеру. 2. Разработана вероятностная модель фракционной эффективности прямоточного циклона, на основе которой рассчитана общая и фракционная эффективность очистки прямоточного циклона. 3. Предложен и экспериментально апробирован следующий путь интенсификации процесса сепарации в прямоточном циклоне: применение перфорации стенки начального участка патрубка очищенного газа, обеспечивающей снижение давления в бункере основного отбора пыли и повышающий эффективность сепарации на 7+9%.
