Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ИНДЕКСЫ 19
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 19
СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 20
ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ПРЯМОТОЧНЫХ ЦИКЛОНОВ И МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ
УРАВНЕНИЙ ДВИЖЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ 24
Преимущества прямоточных циклонов 25
Способы интенсификации процесса сепарации в прямоточных циклонах 35
Классификация методов расчета сепарации частиц и движения транспортирующей среды 53
Математическая модель сплошной фазы и силы, действующие на частицу в двухфазном потоке 57
Условия выполнимости закона Стокса: 65
1.4. Уравнения Навье-Стокса. Подходы к решению 66
Выводы и основные результаты по главе 1 74
ГЛАВА 2. КРАЕВАЯ ЗАДАЧА ЗАКРУЧЕННОГО ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ТЕЧЕНИЯ ПОТОКА
В ПРЯМОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОТБОРОМ ПЫЛИ 77
Постановка разностной краевой задачи 84
Доказательство устойчивости и сходимости разностных схем 86
Определение прогоночных коэффициентов 91
Обсуждение результатов численного решения разностной краевой
задачи 95
Выводы и основные результаты по главе 2 98
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ГАЗОПЫЛЕВОГО ПОТОКА
В ПРЯМОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ 101
Учет влияния броуновского движения на вязкость газопылевого потока и эффекта Магнуса на движение частиц в закрученном потоке 101
Численное моделирование процесса сепарации в прямоточном циклоне 107
3.3. Вероятностно-статистическое моделирование эффективности
сепарации частиц пыли в прямоточном циклоне 112
Выводы и основные результаты по главе 3 118
ГЛАВА 4. ХАРАКТЕР ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ПЫЛИ В ПРЯМОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ С
ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОТБОРОМ ПЫЛИ 120
4.1. Одномерное движение частиц пыли в прямоточном циклоне 120
Скачкообразная модель движения частиц пыли 132
Оценка влияния эффекта Магнуса на эффективность пылеулавливания
прямоточного циклона 137
Выводы и основные результаты по главе 4 144
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРЯМОТОЧНОГО
ЦИКЛОНА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОТБОРОМ ПЫЛИ НА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ
И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ 146
Выбор рациональных конструктивных и режимных параметров ПЦПО 146
Влияние конструктивных и режимных параметров на гидравлическое сопротивление прямоточного циклона 163
Сравнительные испытания ПЦПО с прямоточным циклоном НВГК и с пылеуловителем со встречными закрученными потоками ВЗП 173
Промышленные испытания прямоточного циклона с эжектированием газа из бункера 177
5.4.1. Прямоточный циклон для минераловатного производства 179
5.4.2. Групповой прямоточный циклон для минераловатного
производства 182
5.5. Экспериментальные исследования вентилятора-пылеуловителя... 187
Исследование вентилятора-пылеуловителя на чистом воздухе189
Исследование вентилятора-пылеуловителя на запыленном потоке 194
5.5.3. Сравнение технических характеристик ротационных
пылеуловителей 200
5.6. Испытания комбинированного пылеуловителя 204
Выводы и основные результаты по главе 5 206
ГЛАВА 6. СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ
ЦИКЛОНОВ 210
Сопоставление расчета эффективности по методам М.И. Шиляеву с экспериментом 210
Сравнение с вероятностно-энергетическим методом 215
6.3. Универсальный метод расчета эффективности циклонов 216
6.3.1. Методика расчета циклонов по универсальному методу 226
6.4. Эмпирический метод расчета эффективности очистки прямоточных
циклонов при масштабном переходе 228
Выводы и основные результаты по главе 6 235
ГЛАВА 7. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА С
ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОТБОРОМ 239
7.1. Сопоставление расчетных формул 240
7.2. Метод расчета потерь давления в прямоточном циклоне
с промежуточным отбором 246
Потери на входе в циклон ПЦПО 246
Расчет потерь в сепарационной камере циклона 247
Расчет потерь в кольцевых диффузорах 247
Расчет по эквивалентным углам 250
Расчет по характеристикам пограничного слоя 251
Расчет потерь в кольцевом конфузоре 258
Расчет потерь в кольцевом канале 260
7.2.3. Расчет потерь в выхлопном патрубке 263
7.2.3.1. Расчет потерь при входе в конфузорный коллектор 263
Выводы и основные результаты по главе 7 266
ГЛАВА 8. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
ЦИКЛОНОВ 268
Обзор существующего программного обеспечения для экологов. 268
Методы расчета эффективности циклонных пылеуловителей 270
Эмпирический метод расчета циклонов 270
Методика НИИОГАЗ 271
Описание автоматизированной системы расчета циклонов 273
Технология «клиент-сервер» 274
Анализ языка программирования и выбор среды разработки 277
Выбор СУБД 279
Проектирование логической модели БД 281
8.7.1. Связи таблиц 282
Алгоритмы программы и расчетных модулей 284
Иерархия форм 289
Разработка базы данных 290
Создание клиентского приложения 294
Описание главной формы 299
Описания расчетных модулей 301
Описание вспомогательных форм 305
Системные требования 306
Руководство пользователя 307
Выводы и основные результаты по главе 8 309
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 311
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 315
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. БЛОК-СХЕМА ПРОГРАММЫ РЕШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО
УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА МЕТОДОМ РУНГЕ-КУТТА 358
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРОЕКТИРУЕМОГО ЦИКЛОНА 363
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. БЛОК-СХЕМА ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ВНУТРЕННИХ И ПОЛНЫХ
ПОТЕРЬ В КОЛЬЦЕВЫХ ДИФФУЗОРАХ 366
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. АКТЫ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ 369
Введение к работе
Проблема инженерной защиты атмосферного воздуха от техногенных выбросов промышленных предприятий в мире и в России чрезвычайно актуальна. По данным Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России в 2006 г. выбросы от стационарных источников загрязняющих веществ в атмосферу городов и населенных пунктов, расположенных на территории Иркутской области, составили 514,583 тыс. т/год, из них твердых - 116,628 тыс. т/год. Основной вклад в суммарный выброс от стационарных источников по области внесли предприятия следующих городов (в %): Ангарска - 28, Братска - 22, Иркутска - 9, Усть-Илимска - 6,6, Усолья-Сибирского - 6,3, Шелехова - 5,7, Саянска - 4,5. По данным ООН ежегодно в атмосферу выбрасывается 2,5 млн т пыли. По прогнозам министерства природных ресурсов РФ [ПО] с 2030 г. первенство в топливно-энергетическом балансе в России займут уголь и атомная энергетика, что потребует конструктивного и технологического совершенствования пылеочи-стного оборудования.
В отечественной промышленности для очистки газа от пыли в основном используются малопроизводительные противоточные циклоны. Высокую эффективность очистки могут обеспечить высокопроизводительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО), основными преимуществами которых являются: возможность стабильного и эффективного разделения в широком диапазоне варьирования расхода газа и концентрации пыли при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении.
Основными причинами ограниченного использования вихревых аппаратов А.А. Смульский и А.Н. Штым считают отсутствие достоверных методов расчета аэродинамики и происходящих в них процессов, а также критериев масштабного перехода от лабораторных моделей к производственным установкам [47]. Это приводит к тому, что имеется много разработок высокоэффективных циклонов, но их широкое распространение сдерживается отсутст-
виєм четких расчетов и рекомендаций для осуществления перехода на необходимую производительность и смену режимов работы.
Экспериментальное измерение компонент скорости потока в прямоточном циклоне с промежуточным отбором трудно реализуемо из-за конструктивных особенностей аппарата, отсутствия доступных и надежных измерительных приборов. Поэтому одной из задач исследования вычислительной гидрогазодинамики является определение полей скоростей и давлений закрученного газопылевого потока в циклонном пылеуловителе. Для конструирования новых и эффективного использования известных аппаратов необходимо совершенствовать методы расчета газодинамики и процесса пылеулавливания в прямоточных циклонах.
Теоретической основой для описания течений реальных жидкостей и газа в технологических аппаратах являются уравнения Навье-Стокса. Однако их полное интегрирование удается произвести в сравнительно редких случаях. Теория решения этих уравнений пошла, главным образом, по линии развития численных методов интегрирования. Наиболее универсальными методами решения дифференциальных уравнений в частных производных являются разностные методы. Большой вклад в теорию разностных методов внесли ученые О.М. Белоцерковский, С.К. Годунов, А.Л. Гончаров, Ю.А. Грязин, Г.И. Марчук, B.C. Рябенький, А.А. Самарский, И. В. Фрязинов, СВ. Шаров, Н.Н. Яненко и др. Возможности численного моделирования для получения подробной информации о структуре сложных течений являются общепризнанными, а стремительное развитие вычислительной техники превратило его в универсальное средство решения прикладных задач. Благодаря росту производительности компьютерных систем вычислительная гидрогазодинамика становится одной из составляющих процесса проектирования новых технологических аппаратов.
Определяющими характеристиками циклонных пылеуловителей являются эффективность пылеулавливания и гидравлическое сопротивление. Потери давления в циклоне определяют, в основном, экспериментально и представляют в виде регрессионной зависимости от геометрических параметров
циклона и критерия Рейнольдса. Сопоставление экспериментальных значений гидравлического сопротивления с расчетными показало, что существующие методики не учитывают особенности конструкций ПЦПО и сложную газодинамическую обстановку, возникающую в этих аппаратах.
Известные методы расчета эффективности циклонов, основанные на аппроксимации фракционной эффективности циклонных пылеуловителей и дисперсного состава пыли эмпирико-вероятностными функциями, также не отвечают требуемой точности. Кроме того, функции массового распределения частиц по размерам многих промышленных пылей не отвечают логарифмически-нормальному закону из-за действия нескольких механизмов пы-леобразования. Использование некоторых методов [377, 378] затруднительно из-за их многоэтапности, сложности и трудоемкости получения исходных данных для расчета. При этом наиболее важными факторами, нуждающимися в детальном исследовании и уточнении, являются масштабный переход к другому типоразмеру циклона и влияние технологических параметров, таких как размер частиц пыли, ее концентрация и плотность, скорость запыленного потока, на процесс пылеулавливания.
Научная проблема заключается в создании адекватного математического описания газодинамики и процесса сепарации применительно к прямоточным циклонам. В связи с отсутствием таких подходов эта проблема, несомненно, является актуальной. Решение проблемы позволяет разработать конструкции эффективных высокопроизводительных прямоточных пылеуловителей и надежные методы их расчета, что имеет большое народнохозяйственное значение в части повышения эффективности и экологичности многих химико-технологических систем.
Исследования проводились в рамках Государственных бюджетных тем: «Синтез систем разделения жидких гомогенных и гетерогенных смесей» (1996...2000 г.г., номер государственной регистрации НИР: 01.9.70010082); «Исследование термической и гидродинамической неустойчивости пограничных слоев» (2001...2005 г. г., номер государственной регистрации НИР:
01.200.118631).
Цель работы - разработка способов интенсификации и повышения эффективности пылеулавливания прямоточных циклонов и надежных методов их расчета на основе моделирования и изучения закономерностей гидрогазодинамических и сепарационного процессов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Определить поля окружной и осевой компонент скорости по численному решению краевой задачи закрученного осесимметричного периодического течения вязкой несжимаемой жидкости с переменной закруткой.
Установить закономерности движения частиц пыли в ПЦПО, учитывающие влияние эффектов Магнуса и рикошета частиц.
Разработать:
математическую модель движения частиц пыли в ПЦПО и получить регрессионные зависимости пути сепарации уловленных и уносимых частиц;
вероятностную модель фракционной эффективности ПЦПО, учитывающую стохастический характер движения дисперсной фазы;
подход к систематизации экспериментальных данных по эффективности пылеулавливания циклонов;
новые методы прогнозирования эффективности пылеулавливания циклонов;
новый метод оценки гидравлического сопротивления ПЦПО на основе характеристик пограничного слоя;
новые промышленные высокоэффективные газоочистные установки на основе оптимизации конструкций циклона ПЦПО и его технологических показателей;
алгоритмы и автоматизированную систему технологического расчета циклонов.
4. Сопоставить разработанные методы оценок эффективности и
гидравлического сопротивления с известными и экспериментальными ре
зультатами.
Методы исследования включают теории гидрогазодинамики, численных методов, регрессионного анализа, программирования и системы управления базами данных.
Достоверность полученных результатов основывается на использовании стандартных методик проведения экспериментов и обработки результатов, на сравнении расчетных данных с экспериментальными значениями и результатами других авторов.
Научная новизна выполненных исследований заключается в разработке физико-математической модели движения полидисперсной газопылевой системы в виде многопараметрических регрессионных уравнений с последующей оценкой их адекватности экспериментальным данным для различных технологических условий и конструктивных параметров прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли. Получена математическая модель процесса разделения газа и частиц пыли, на основе которой обоснована и рассчитана оптимальная конструкция прямоточного циклона и условия его работы при промышленной эксплуатации. Доказано, что разработанный технологический моделирующий комплекс позволяет не только решать оптимизационные задачи на стадии проектирования, но и прогнозировать показатели работы при промышленной эксплуатации циклонов.
Применительно к прямоточному циклону с промежуточным отбором пыли поставлена и решена краевая задача осесимметричного ламинарного периодичного закрученного течения вязкой несжимаемой жидкости в переменных момент импульса, «функция тока-вихрь» в условиях изменяющейся закрутки потока. На основе численного решения рассчитаны поля осевой и тангенциальной компонент скорости, линии тока равного уровня и установлено существование обратных осевых и тангенциальных пристенных потоков.
Предложена математическая модель движения частиц пыли в закрученных потоках, учитывающая влияние броуновского движения на вязкость газопылевого потока и влияние эффекта Магнуса на движение частиц. Введено понятие «путь сепарации частицы пыли», которое определяет осевую
протяженность траектории частицы до стенки циклона. Установлены многопараметрические регрессионные зависимости пути сепарации уловленных и уносимых частиц и вероятностная модель фракционной эффективности прямоточного циклона, учитывающие технологические и конструктивные параметры.
Определен характер движения частицы пыли в прямоточном циклоне с промежуточным отбором под действием центробежной силы и аэродинамического сопротивления газового потока. Получены траектории движения частиц пыли разного диаметра при различных точках входа в циклон и формулы для расчета минимального диаметра частиц, улавливаемых промежуточным и основным отборами пыли. Рассчитаны теоретические эффективности сепарации промежуточного отбора и циклона в целом, которые сопоставлены с экспериментальными значениями. На основе скачкообразной модели движения частиц объяснены причины снижения экспериментальной эффективности пылеулавливания циклона по сравнению с расчетной тем, что не все отраженные от стенки частицы попадают в область отборов пыли. Основной причиной отрыва крупных частиц размером более 40 мкм является их отражение от стенки циклона. Для частиц размером менее 22 мкм, которые слабо увлекаются турбулентными пульсациями, взвешивание частиц обусловлено их закручиванием при ударах о стенку и возникающим в связи с этим эффектом Магнуса.
Установлены оптимальные значения конструктивных и режимных параметров прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли, при которых достигается максимальная эффективность очистки при меньших энергозатратах и большей пропускной способностью, чем у противоточных циклонов и аппаратов со встречными закрученными потоками.
Впервые для процесса сепарации предложен декомпозиционный подход к систематизации экспериментальных данных, на основе которого разработаны методы статистического описания сепарационных характеристик циклонов любых типов и только прямоточных циклонов, обобщающие эмпирические зависимости для относительного уноса пыли от технологических и
конструктивных параметров: диаметра циклона, масс-медианного диаметра частиц пыли, концентрации и плотности пыли, скорости газа, пригодные для прогнозирования эффективности сепарации циклонов при масштабном переходе и смене режимов работы.
6. Для конфузорно-диффузорной сепарационной камеры прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли на основе характеристик пограничного слоя выполнена теоретическая оценка гидравлического сопротивления.
Практическая значимость
Разработан и реализован на практике процесс сепарации с применением прямоточных циклонов с промежуточным отбором пыли, обеспечивающих эффективную очистку запыленных газов промышленных предприятий с меньшими, чем для противоточных циклонов и со встречными закрученными потоками, материальными и энергетическими затратами. Конструкции циклонов защищены А.С. СССР № 1386309 и патентом РФ № 61156 на полезную модель.
На основе характеристик пограничного слоя предложен метод оценки гидравлического сопротивления прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли, погрешность которого не превышает 10 %.
Разработаны универсальный для всех типов циклонов статистический метод (положительное решение на патент РФ) для прогнозирования эффективности пылеулавливания и модель, учитывающая скоростной режим закрученного потока для прямоточных циклонов, при масштабировании конструктивных параметров и смене режимов работы.
На базе известных и авторских методов оценок эффективности и гидравлического сопротивления циклонов создана автоматизированная система технологического расчета и прогнозирования сепарационных характеристик циклонов при промышленной эксплуатации, позволяющая оптимизировать выбор наилучшего пылеуловителя для заданных режимов работы (свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990).
Реализация результатов исследования
На основе выполненных исследований разработан и внедрен на Ново-мальтинском заводе стройматериалов прямоточный групповой циклон из трех элементов. Положительный эффект от внедрения оценивается большой социальной значимостью охраны окружающей среды.
Разработана и принята к внедрению на ООО «Сибсиликон» компании «НИТОЛ» (г. Усолье-Сибирское) пылеочистная установка, состоящая из прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли и барабанного зернистого фильтра, для очистки выбросов от кристаллического кремния после измельчения. Внедрение установки позволит повысить эффективность очистки до 98,5 %, снизить потери кремния, улучшить экологическую обстановку на производстве. Ожидаемый экономический эффект составит свыше 1,5 млн руб. в год.
Автоматизированная система технологического расчета циклонов внедрена в учебный процесс Ангарской государственной технической академии, Томского политехнического университета, Иркутского государственного университета путей сообщений и Восточно-Сибирского технологического университета (г. Улан-Удэ) на кафедрах «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Общая химическая технология», «Безопасность жизнедеятельности и экология» и «Промышленная экология и защита в чрезвычайных ситуациях».
Положения, выносимые на защиту:
краевая задача осесимметричного периодического течения вязкой несжимаемой жидкости в переменных момент импульса, «функция тока-вихрь» с изменяющейся закруткой потока применительно к прямоточному циклону с промежуточным отбором пыли и явление возникновения обратных пристенных осевых и тангенциальных потоков;
вероятностная модель расчета фракционной эффективности прямоточного циклона;
количественные оценки влияния эффектов Магнуса и рикошета частиц;
новый подход к систематизации экспериментальных данных;
универсальный метод расчета эффективности пылеулавливания циклонов;
статистический метод прогнозирования эффективности пылеулавливания прямоточных циклонов с учетом режима движения потока;
метод расчета гидравлического сопротивления прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли;
новые способы интенсификации процесса сепарации в прямоточных циклонах;
система автоматизированного технологического расчета циклонов.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, восемь глав, выводы, список использованной литературы (397 наименований), условные обозначения и 4 приложения. Содержание изложено на 377 страницах, 111 рисунках, 46 таблицах.
Во введении обоснована актуальность проблемы и приведена общая характеристика диссертации с тезисным изложением основных положений и результатов работы, обозначены цель и задачи исследования.
В главе 1 приведен сравнительный анализ существующих конструкций циклонных пылеуловителей. Установлена перспективность совершенствования ГЩ, обладающих малым сопротивлением и компактностью. Рассмотрены пути интенсификации процесса пылеулавливания в этих пылеуловителях. Выполнен также обзор существующих методов решения уравнений Навье-Стокса, описывающих течение реального газа. Из-за нелинейности уравнений Навье-Стокса получить точные аналитические решения не удается [100]. Их полное интегрирование возможно произвести сравнительно редко. Одним из методов построения точных решений дифференциальных уравнений является введение новых переменных, которые представляют собой безразмерные комбинации исходных физических переменных. Введение таких комбинаций позволяет уменьшить число независимых переменных на единицу и более (так называемая частичная автомодельность), или даже свести дифференци-
альные уравнения в частных производных к обыкновенным дифференциальным уравнениям (полная автомодельность).
Теория решения уравнений Навье-Стокса пошла, главным образом, по линии развития приближенных методов интегрирования. Однако до настоящего времени нет теоретической основы для численного интегрирования дифференциальных уравнений в частных производных, хотя существуют хорошо зарекомендовавшие себя способы численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений (методы Эйлера, Рунге-Кутта, Адамса и др.), которые позволяют получать решение с заранее заданной точностью. Интересным подходом является применение кинетически-согласованных разностных схем в качестве алгоритма для расчета вязких и невязких газодинамических течений, использование разностного аналога системы уравнений Навье -Стокса в переменных «функция тока-вихрь».
В результате проведенного обзора выбраны дивергентная форма уравнений Навье-Стокса в переменных «функция тока-вихрь», тип разностных схем и метод численного решения.
В главе 2 приведена постановка краевой задачи осесимметричного ламинарного закрученного течения вязкой и несжимаемой жидкости в ПЦПО без учета гравитационной силы. Для упрощения решения поставленной задачи расчета закрученного осесимметричного течения газ был заменен вязкой несжимаемой жидкостью. Следует заметить, что вблизи стенок циклона в пределах пограничного слоя концентрированный газопылевой поток можно считать вязкой несжимаемой жидкостью. Уравнения движения в дивергентной форме в переменных момент импульса, «функция тока-вихрь» были аппроксимированы центральными разностями, решались методом трехточечной прогонки с использованием дробных шагов. Из физических соображений было получено достаточное условие устойчивости разностной схемы. По результатам численного решения задачи определены профили тангенциальной и аксиальной компонент скорости газа в ПЦПО, которые трудно определить экспериментально.
В главе 3 представлены разработанные автором математические модели
сепарации частиц пыли в закрученных потоках с учетом влияния броуновского движения на вязкость газопылевого потока и влияния эффекта Магнуса на движение частиц. В результате численного моделирования на ПК получены регрессионные зависимости пути сепарации уносимых и улавливаемых частиц пыли. Предложена вероятностно-статистическая модель расчета эффективности промежуточного отбора и прямоточного циклона в целом. Получены параметры фракционной эффективности ПЦПО.
В главе 4 решена задача движения частицы пыли в ПЦПО под действием центробежной силы и аэродинамического сопротивления газового потока. Получены траектории движения частиц пыли разного диаметра при различных радиусах входа в циклон и формулы для расчета минимального диаметра частиц, улавливаемых промежуточным и основным отборами пыли. Рассчитаны теоретические эффективности сепарации промежуточного отбора (ПО) и циклона в целом, которые сопоставлены с экспериментальными значениями. Произведена оценка параметров фракционной эффективности согласно методике НИИОГАЗ. Изучено также влияние взаимодействия частиц со стенкой на основе скачкообразной модели движения частицы, получены траектории движения частиц разного размера при различных коэффициентах восстановления нормального импульса после удара частицы о стенку циклона. Рассчитан максимальный диаметр частиц, отрывающихся от стенок под воздействием силы Жуковского.
В главе 5 на основании экспериментальных исследований проанализировано влияние основных конструктивных и режимных параметров на эффективность и гидравлическое сопротивление ПЦПО. Результаты исследований обобщены регрессионными моделями, позволяющими прогнозировать эксплуатационные качества ПЦПО при смене режима работы и при изменении конструктивных параметров. Выполнено сопоставление показателей работы ПЦПО с равновеликими циклонами: прямоточным коническим с нижним выводом газа (НВГК) и со встречными закрученными потоками (ВЗП).
Приведены результаты промышленного исследования группового циклона для очистки колошниковых газов в минераловатном производстве. Ци-
клонный элемент ПЦПО был выполнен с эжектированием воздуха из бункера, что позволило существенно повысить его эффективность пылеулавливания.
Представлены также результаты экспериментального исследования вентилятора-пылеуловителя (ВП), разработанного автором, и комбинированного пылеуловителя, в котором в качестве первой ступени используется ПЦПО, второй ступенью очистки является ВП.
В главе 6 приведено сопоставление существующих методов расчета эффективности пылеулавливания циклонов. Исследована возможность использования двух фракционных методов, предложенных М.И. Шиляевым [376, 377], для прогнозирования эффективности группового прямоточного циклона. Результаты расчета фракционной очистки по обоим методам сопоставлены с результатами испытания группового прямоточного циклона на Ново-мальтинском заводе строительных материалов для очистки колошниковых газов из ваграночных печей [79].
Выполнен расчет эффективности циклонов с использованием вероятностно-энергетического метода [112... 116], в котором для определения диаметра частиц пыли d5o, улавливаемых с эффективностью 50 %, использована формула, учитывающая следующие параметры: плотность пыли, коэффициент гидравлического сопротивления, динамическая вязкость газа, диаметр и скорость в плане циклона. При сравнении с экспериментальными данными испытаний прямоточных и противоточных циклонов обнаружено, что относительная ошибка определения d5o в ряде случаев достигает 68 % [87]. Столь большая погрешность явилась основанием для исключения данного метода из сопоставительного анализа расчётных методик.
Представлены также разработанные автором методы расчета эффективности пылеулавливания: универсальный [60, 87], применимый для циклонов любых типов, и только для прямоточных циклонов [73, 76, 88]. Сопоставление опытных и расчетных эффективностей сепарации различных циклонных пылеуловителей показывают приемлемую для практики точность (± 2...4 %)
предлагаемых методов. Расчеты по предлагаемым методам являются более
точными по сравнению с методикой НИИОГАЗ.
В главе 7 выполнено сопоставление различных методик расчета гидравлических потерь и коэффициента гидравлического сопротивления циклона с экспериментальными данными ПЦПО. Приведена методика расчет гидравлического сопротивления ПЦПО, оснащенного профилированным вытеснителем. Расчет диффузорно-конфузорной сепарационной камеры выполнялся методом эквивалентного угла и на основе характеристик пограничного слоя.
В главе 8 приведено описание разработанной автоматизированной системы технологического расчета циклонов [79, 80], позволяющей оптимизировать выбор циклона, обладающего наибольшей эффективностью очистки при заданных режимах работы. Система представляет собой совокупность базы данных «Циклоны» [70] и клиентского приложения, предоставляющего пользователю возможность удобного и быстрого доступа к данным из базы, ввода и редактирования информации, поиска циклонов по заданным критериям, а также выполнение расчетов и формирование отчетов. Пользователям предоставляется выбор системы управления базами данных (БД): MS SQL Server (в том случае, если планируется большое количество клиентских приложений) или MS Access (локальная база данных).
При расчетах используются следующие методы для оценки качества очистки проектируемого циклона: типовая методика НИИОГАЗ [336, 347]; эмпирические методы, разработанные автором на основе статистической обработки экспериментальных данных различных циклонов (универсальный метод расчета эффективности циклонов разных типов [60, 87], метод расчета прямоточных циклонов с учетом скорости потока [73, 76, 88]); расчет фракционной эффективности очистки по методу М.И. Шиляева.
Разработанная автоматизированная система технологического расчета циклонных пылеуловителей может быть использована в качестве подсистемы САПР химико-технологического и природоохранного оборудования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Современные
технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной
технической академии, Всесоюзной конференции «Аэрозоли и их применение в народном хозяйстве» (Юрмала, 1987), на научно-практической конференции «Очистка газовых выбросов промышленных предприятий» (Тольятти, 1990), Республиканском научно-техническом семинаре «Безопасность жизнедеятельности и экологические проблемы в регионах Сибири и Дальнего Востока» (Благовещенск, 1992), International conference «Fundamental and applied problems of environmental protection» (Tomsk, 1995), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Смоленск, 2001; Казань, 2005; Ярославль, 2007; Саратов, 2008), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новые экологобезопасные технологии для устойчивого развития регионов Сибири» (Улан-Удэ, 2005), конференции РФФИ «Фундаментальная наука в интересах развития критических технологий» (Владимир, 2005), Международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2006), Всероссийских ежегодных научных конференциях с международным участием «Актуальные вопросы защиты окружающей среды и безопасность территорий регионов России» (Улан-Удэ, 2005...2008), научно-практической конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития России» (Иркутск, 2007), Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2007), Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Современные проблемы экологии и безопасности» (Тула, 2007), Всероссийской конференции по математике и механике (Томск, 2008), Международном научно-методическом симпозиуме «Современные проблемы многоуровневого образования» (Дивноморское, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 работ, в том числе 8 статей, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, монография, получены 2 авторских свидетельства СССР, патент на полезную модель, положительное решение на выдачу патента на изобретение и свидетельство отраслевой регистрации разработки. Без соавторов опубликовано 9
работ. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора со-
стоит в формулировании проблемы, постановке задач, создании теоретических основ для их решения, а также в участии в процессе исследования на всех этапах.
