Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Закономерности инеродонной сепарации пыли в закрученных потоках .8
1.1. Профили скоростей газового потока в возвратнопоточном циклоне II
1.2. Движение частицы в рабочей полости циклона ..12
Глава 2. Модель движения газа в цйклонном аппарате 19
2.1. Круговые вихри 19
2.2. Протеза существования упорздоченных парных вихрей в нисходящем потоке газа 28
2.3. Экспериментальная проверка предложенной гипотезы 32
Глава 3. Сепарацш частиц в юзвратном поточном циклоне ..42
3.1. Влияние коагуляции на процесс сепарации...43
3.2. Влияние вторичных вихрей на сепарацию вциклоне 50
3.3. Разработка циклона вихревого типа .60
Глава 4. Циклон вихревого типа 61
4.1. Конструкция и принцип работы 61
4.2. Лабораторная установка и методика проведения экспериментов * 63
4.3. Гидравлическое сопротивление аппарата 67
4.4. Определение эффективности пылеулавливания в вихревом циклоне. 72
4.5. Влияние на гедродинамику потока в циклоне вращающегося кольца чистого газа 75
Глава 5. Промышленная реализация 78
5.1. Описание опытно-промышленной установки 80
5.3. Результаты опытно-промышленных испытаний...83
Основные результаты работы 87
Список литературы
- Движение частицы в рабочей полости циклона
- Протеза существования упорздоченных парных вихрей в нисходящем потоке газа
- Влияние вторичных вихрей на сепарацию вциклоне
- Гидравлическое сопротивление аппарата
Движение частицы в рабочей полости циклона
Сепарационный процесс, происходящий в циклонных аппаратах, в настоящее время описывается [493 следующим образом.
Частицы, поступающие в циклон, под действием сил инерции в начальный момент времени двигаются по прямолинейным траекториям, а затем уълекающее воздействие вращающегося газового потока искривляет их траектории, причем тем больше, чем больше расстояние от места входа частиц до наружной стенки циклона. Начальный участок характеризуется интенсивной сепарацией наиболее крупных частиц, в дальнейшем она определяется непрерывным изменением вектора тангенциальной составляющей скорости газа.
Наиболее часто сепарация в циклонных аппаратах рассматривается на примере движения одиночной частицы в криволинейном потоке [її, 49, 67, 70, 78, 973 . Четвертый член уравнения (1.4) представляет собой силу Кориолиса /Г =2.ти& . (1.8.)
Принято считать, что частица в тангенциальном направлении движется совместно с потоком газа, поэтому в дальнейшем рассматриваются только те силы, которые действуют в радиальном направлении - это Fu и F[r0 . Большинство авторов учитывает только центробежную силу, считая Rj» Rjre. Тогда (1.3) преобразуется к виду: mcozR = Fc (1.9)
В правой части (1.9) стоит сила сопротивления среда. Ранее [ 49]было показано, что сила сопротивления сферической частицы диаметром а при обтекании её вращающимся потоком равна Fc -- ZTjUr-d- Ik - j -pr-cP- uJ [CJ K]+
Здесь первое слагаемое представляет собой силу Стокса для случая прямолинейного движения частицы в ламинарном потоке, второе и третье - дополнительные компоненты аэродинамической силы, обусловленные вращением потока (второй член - центросгремительная сила объема воздуха, вытесненного сферой, а третий - подъемная сила сферы диаметром d ). Так как подъемная сила направлена перпендикулярно к вектору относительной скорости, то третий член будет равен О, Второй же член на несколько порядков меньше первого, поэтому для дальнейших расчетов рекомендуется общеизвестное выражение Длина винтовой линии, по которой движется частица, приближенно оценивается как a fc(h+h)n, (I.I7) где П - число витков спирали.
Разделив (I.I7) на среднюю тангенциальную скорость потока можно получить время tj прохождения частицей винтовой линии is" ULTG (1.18 )
Приравнивая время по (I.I8) и (I.I6) получают уравнение, из которого можно найти критический диаметр частицы с/Крыг., начиная с которого, частицы, входящие в аппарат при R- R± будут уловлены г TLS? = иГ& (dis) Отсюда получают с/ кр«т. иприт - У (/?, /? )# д #(1 20)
Оценка степени очистки производится, исходя из следующих рассуждений.ЧАстицы с размером & я(.крит. будут уловлены в аппарате полностью, и для них Y) - 100 . Для частиц с размером d 4рнтпредполагают, что они равномерно распределены в пространстве между Ri и R2 Частица с с/ с/ осаадается в этом про странстве, если попадает на расстояние Н% от оси. При условии равномерного распределения частиц в потоке осядет доля частиц, пропорциональная отношению : 9 т.е. " Яг-R, СІІрит. (I 2I)
Реальная степень пылеулавливания всегда ниже теоретически рассчитанной по (I.2I). В действительности также наблюдается вынос частиц и более крупного размера по сравнению с рассчитанным. Это объясняется сложностью гидродинамической обстановки в циклонной камере, не позволяющей осуществить однозначный аналитический подход к решению процесса сепарации.
В данной работе сделана попытка более строгого определения "критического" диаметра выносимых из циклонной камеры частиц с учетом наложения парных вихрей на нисходящий закрученный поток.
В связи с этим решались следующие основные задачи: - выявление возможности существования парных вихрей в нисходящем закрученном потоке на моделях циклонов; - определение основных закономерностей движения двухфазного потока на срезе выхлопной трубы циклона - кратчайшего расстояния для выноса твердой фазы - при учете влияния парных вихрей;
Протеза существования упорздоченных парных вихрей в нисходящем потоке газа
Анализируя работу возвратнопоточных циклонов большинство авторов [63, 67, 78] справедливо указывают, что нисходящий, поток газа движется по спирали в нижнюю часть аппарата, но никто из них не рассматривает движение газа по спирали, как движение по изогнутой трубе.
Исходя из описанных в 2.1 течений и принятого допущения, что газовая спираль заключена в изогнутый трубопровод (т.е. змеевик) была выдвинута гипотеза о существовании вторичных парных вихрей по всей длине нисходящей спирали.
Так как математически очень сложно описать даже саму нисходящую спираль, в настоящее время с помощью упрощений эту задачу сводят к двумерной и решают численно, используя У функцию тока C55], то наличие вторичных вихрей в нисходящем газовом потоке и без каких-либо допущений на данном этапе делает эту задачу неразрешимой. Для такого описания, прежде всего, потребуется функция тока, которую в трехмерном пространстве в общем случае ещё никто не описал [ 84].
Таким образом, чтобы как-то описать процесс движения газа Б циклоне при наличии вторичных вихрей, нами было сделано следующее допущение: поток движется не по спирали, а поступательно вниз двумя парными тороидальными вихрями, которые в свою очередь вращаются вокруг вертикальной оси циклона. Тем самым моделируется вращательное движение по нисходящей спирали.
Принятая модель дает возможность частично использовать материал, накопленный по круговым вихрям и вихрям Тейлора.
Используя уравнение (2.6.), можно приближенно оценить циркуляцию скорости вторичного вихря Г : I - e„SR (2.15.) Ъ " Ч где Д - радиус тора (в нашем случае ), м; Ъ - радиус поперечного сечения тора ( в нашем случав & ), м; USH - средняя скорость опускания вихря, которая: равна вертикальной составляющей скорости нисходящего потока в возвратнопоточном циклоне, м/с. Определив лз (2.15.) Л и учитывая, что С 25 2 r=2U-$, (2.16.) где - площадь поперечного сечения тора, м , можно вычислить скорость вращения вторичного вихря, как
Анализируя график (рис. 2.5.) можно сделать следующие выводы:
1. При Oik = 5 б м/с ( что соответствует оптимальной скорости газового потока на входе в циклон = 20 м/с ) скорость потока на границе вторичного вихря будет при любом R2 от 12 до 15 м/с.
2. Наличие таких скоростей вторичных потоков в циклонных аппаратах должно сказываться на сепарации частиц, особенно мелких.
Так как все вышеизложенное базируется на формуле Максвелла, которая выведена для свободного вихря, а в нашем случае объем ограничен стенками, справедливость упомянутых соотношений необходимо было проверить экспериментально.
Для подтверждения существования вторичных вихрей в нисходящем газовом потоке в возвратнопоточном циклоне было проведено несколько серий экспериментов по трем различным методикам;
а) по примеру Прандтля [53J наличие вторичных токов в нисходящей газовой спирали было подтверждено следующим образом. На внутреннюю поверхность корпуса циклона был нанесен слой суспензии (окись титана на воде). После высыхания воды на стенках образовывался налет пыж.
Далее в циклон подавался газовый поток и в течение двух часов аппарат работал при заданном режиме ( (efgy = соті) -Затем циклон разибрался,и на его внутренней поверхности наблюдалась следующая картина (рис.2.6.) Спиральный след, полученный на стенке корпуса,дает возможность определить границу между двумя парными вихрями. Получение спиралеобразного следа из частиц Ті 0Z с высотой большей первоначального покрытия, свидетельствует о том, что газовый поток сверху и снизу от получаемого следа сдувает со стенок частицы ТіОг затем собирает их в зоне между двумя соседними вихрями;
б) для нахождения центров вращения вторичных вихрей и направления их вращения был проведен следующий эксперимент.
Б рабочую зону циклона ( между выхлопной трубой и корпусом) помещалось приспособление, представляющее собой вертикальный стержень, на нижнем конце которого была укреплена ось с насаженной на неё вертушкой ( рис. 2.7.).
Влияние вторичных вихрей на сепарацию вциклоне
Для дальнейшего решения необходимо определить . Так как в основном потоке газа существуют упорядоченное вторичные вихри, то в различных точках потока указанный член будет иметь различные значения. При описании процесса сепарации в общем виде с учетом круговых вихрей была получена система из двух нелинейных дифференциальных уравнений второй степени, в которые входят фувкции, имеющие разрывы на исследуемом интервале значении, т.е. в данный момент невозможно их решить даже численными методами. Поэтому нами были рассмотрены два крайних случая, а именно, когда частица движется в зоне Айв зоне В (рис. 3.2.) Дня этих зон выразится следующим образом: для зоны А = А_ (je ; (3.21) для зоны
Последнее уравнение представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка, которое прежде чем решать прямыми численными методами необходимо сначала решить без дифференциала второго порядка. В этом случае уравнение (3.24.) примет вид
Необходимо проинтегрировать (3.25) для нахождения приближенного аналитического решения (3.24) Расчеты проводились на ЭВМ "Искра-1256" по программе приведенной в приложении. Начальные условия были следующие:
Шаг по времени был выбран 0,00001 секунды. Остаїльше параметры были взяты такие же как при расчете по уравнению (3.29) (причем d менялся в пределах КГ6 5 -КГ4 м).
Время прохождения газовым потоком нисходящей спирали возвратнопоточного циклона определялось по формуле: Hi І = УьГн, (3.37) где Hij - высота аилиндрической йасти ииклона; \JS\\ - осевая скорость основного потока. -бо-данные же таблицы 3.3. наглядно показывают, что частица с диаметром более 5 мкм, попав в зону В, будет 100 эффективности напри мер для циклона с 2)= 0 5 м частицы размером менее 50 мкм при попадании в зону В будут вынесены потоком в выхлопную трубу циклона).
Из всего сказанного выше следует, что необходимо перекрыть границу между зоной В и восходящим потоком чистого газа. Ранее проводились эксперименты различными авторами по определению глубины опускания выхлопной трубы, которые показали, что прц увеличении (относительно оптимальной) глубины погружения происходит незначительное увеличение эффективности улавливания при значительном увеличении гидравлического сопротивления циклона в целом. Поэтому было предложено создать барьер между восходящим и нисходящим потоками из кольцевого потока чистого газа.
В процессе работы над гидродинамикой возвратнопоточных циклонов была создана новая конструкция циклонного аппарата вихревого типа [29, 75] со вторичным потоком чистого газа. Данная конструкция является первой попыткой снизить вредное влияние вторичных вихрей, описанное ранее.
На рис. 4.1. представлена принципиальная схема циклона со вторичным потоком чистого газа. Основное отличие данной конструкции от обычных аппаратов заключается в создании между нисходящим запыленным потоком и восходящим очищенным потоком преграды в виде закрученного кольца чистого газа, которое препятствует выносу частиц через "опасные" зоны в выходящий через выхлопную трубу поток. Для этого на нижнем срезе выхлопной трубы 2 установлено дополнительное устройство, состоящее из насадка 5, завихрителя 7, перфорированного кольца 6 (которое служит для равномерного распределения чистого газа по лопаткам завихрителн 7 ) и подводящего трубопровода 4.
Одним из преимуществ такого циклона (кроме более высокой степени улавливания ) является простота, с которой его можно изготовить из обычного циклона (например, Щ)
Гидравлическое сопротивление аппарата
Основным показателем работы пылеулавливающего оборудования является их эффективность, т.е. отношение уловленной пыли к количеству пыли, содержащейся во входящем в аппарат потоке газа
Количество входящей в циклон пыли задавалось с помощью дозатора 9 (рис. 4.2.), из которого пыль подавалась в подводящий трубопровод, где цроисходило смешение с основным потоком газа.
Эффективность определялась по формуле: ? = /77 . V004, (4.3.) где її)пр- масса пыли, прошедшей сквозь циклон (уловленная в фильтре ФШІ-І5), кг/с.
На выхлопной трубе 2 циклона I (рис. 4.2) укреплялся стандартный фильтр ФІШ-15 (который обычно применяется для определения запыленности атмосферного воздуха), на котором осаждались практически все частицы, не уловленные в циклоне. Фильтр, в свою очередь, взвешивался до и после эксперимента на весах СИ IRAN к РЗ/200. Зная время эксперимента и разницу АЇЇ) в показаниях весов можно вычислить
Для выявления оптимальных условий улавливания в воз-вратнопоточном циклоне со вторичным потоком чистого газа изменялись следующие параметры: 1. Расход чистого газа от О до 10% к расходу основного потока; 2. Угол закрутки Л = 15 65 к горизонту.
Эксперименты проводились при расходе основного потока, соответствующего входной скорости fefe,= 20 м/с, а глубина погружения выхлопной трубы составляла 1.66 D .
Результаты опытов представлены на рис. 4.7. и 4.8. На графиках для наглядности изображена величина Е (уменьшение уноса пыли через вихревой циклон по сравнению с обычным циклонным аппаратом), которая вычислялась следующим образом: GyH. 0%. = (4.5.) где 6f - количество вынесенной пыли из обычного циклона; &р ви 7 количество вынесенной пыли из вихревого циклона, кг/с,
Из приведенных графиков видно, что на величину Е наибольшее влияние оказывает расход чистого газа и угол его закрутки. Максимальная эффективность уливливания наблюдается при расходе чистого газа равном 1% по отношению к основному потоку и угле закрутки чистого газа 35.
После определения оптимальных режимных параметров нового возвратнопоточного циклона были проведены эксперименты с целью выяснения влияния потока вторичного чистого газа на составляющие скорости основного газового потока в циклоне. Для этого была использована методика, описанная в f 50) и шаровой зонд с шариком 0 5 мм, который был предварительно оттарирован в аэродинамической трубе (тарировочный график представлен в приложении).
Нами был использован смешанный способ определения вектора скорости, при котором один из углов f определялся вращением зонда 5 вокруг своей оси, а второй-о по показаниям манометра 13 (рис.4.2.)
Опыты и обсчет данных проводились следующим образом. При вращении шарика вокруг оси державки фиксировался угол , при котором показания манометров Ьц и п5 (рис.4.2.) будут равны. При этом условии вектор скорости будет лежать в плоскости отверстий I и 2 и 3. В зависимости от угла К , образованного вектором скорости и осью отверстия 2 в плоскости I, 2, 3 в каждом из отверстий возникает давление , которое может быть представлено в виде суммы давления г в потоке и части скоростного напора где Л - коэффициент, который выражает связь между показаниями дифманометра и углом . или можно определить Вычислив по описанной методике СеҐ9 составляющие скорости ( при известных У и S ); радиальная тангенциальная осевая
Результаты, полученные по данной методике представлены в приложении. Анализируя их можно сделать вывод, что влияние вторичного потока чистого газа на гидродинамику циклонного аппарата сказывается в увеличении тангенциальной скорости потока при расходе чистого газа г 4 GOCH, при этом радиальная скорость потока практически не меняется.
Полученные данные были использованы при конструировании и изготовлении опытно-промышленного аппарата для Сланцевского цементного завода производительностью &осИ. = 1500 м /час.
