Верификация и анализ модели движения запыленного потока в инерционно- вакуумном золоуловителе Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

10. Слободянюк М. А. Определение области допустимых несимметричных режимов в системах электроснабжения до 1 кВ: дис. ...канд. техн. наук. М., 2003. 168 с.

РУДИ Дмитрий Юрьевич, ассистент кафедры «Электротехника и электрооборудование» Омского института водного транспорта (ОИВТ) (филиал) Сибирского государственного университета водного транспорта (СГУВТ).

АНТОНОВ Александр Игоревич, старший преподаватель кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ.

РУППЕЛЬ Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ.

РУППЕЛЬ Елена Юрьевна, доцент (Россия), доцент кафедры «Высшая математика» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, г. Омск.

Адрес для переписки: dima_rudi@mail.ru

Статья поступила в редакцию 28.09.2017 г. © Д. Ю. Руди, А. И. Антонов, А. А. Руппель, Е. Ю. Руппель

УДК 621.928.99 л. В. БЕЛОГЛАЗОВА

Омский государственный технический университет, г. Омск

ВЕРИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОГО ПОТОКА В ИНЕРЦИОННО-ВАКУУМНОМ ЗОЛОУЛОВИТЕЛЕ_

Целью статьи я в ляется анализ движения з апыленного потока в проточной ч асти золо-улавливающего аппарата ИВЗ (инерционно-вакуумный золоуловитель). Основными задачами, поставленными перед автором, были проведение численного эксперимента в СРХ при различных граничных условиях и выбор наиболее реалистичного

отображения динамики движения потока в них с последующим комментированием происходящих физических процессов в к аждом. Результатом написания статьи стали обоснованные выводы и заключения по четырем п ара м граничных условий, что может быть полезным для проведения численных экспериментов последующими исследователями движения з апыленного потока.

Ключевые слова: золоуловитель, запыленный поток, ИВЗ, верификация. Работа выполнена при финансовой поддержке фонда «Энергия без границ», НИР № 15001 «Разработка, авторский надзор за монтажом и участие в испытаниях полномасштабного инерционно-вакуумного золоуловителя».

Инерционно-вакуумный золоуловитель (ИВЗ) — это аппарат, предназначенный для эффективного пылеудаления из потока уходящих газов на тепловых электростанциях. Тема золоулавливания [1] крайне актуальна, что подтверждается упоминанием этой проблемы в энергетических стратегических программах РФ [2, 3], а в ОмГТУ ведется научно-исследовательская работа № 17030В, основная цель которой — исследование ИВЗ.

История развития конструкции аппарата основана на материалах разработчиков конструкций золоуловителей инерционного типа. Принцип работы ИВА особенен тем, что аппарат работает под разряжением, следовательно, необходима полная герметизация аппарата. На рис. 1 представлена схема работы инерционно-вакуумного аэрофильтра. ИВА — первый вид золоуловителя, основанный на инерционно-вакуумном принципе улавливания час-

тиц. Эта конструкция послужила одной из первых отправных точек по развитию золоулавливающих установок этого типа [4].

Принципиальными отличиями новой конструкции от старой являются: увеличение высоты рассекателя; выравнивание стены участка 2, что уменьшило перепад давления, необходимый для стабилизации работы дымососа; выравнивание участка Д, отвечающего за постепенную реламиниризацию потока.

Поток уходящих газов (рис. 2) заходит во входной патрубок 1, благодаря рассекателю 2 производится реламиниризация потока. Поток движется вдоль рассекателя, а затем разворачивается на 360° и перемещается за счет разрежения, создаваемого дымососом, на выходной патрубок 7. Сам рассекатель 2 расположен на крестовине 5, которая помогает удерживать статично рассекатель 2 и кольца 4.

Рис. 1. Схема работы ИВА; 1 — выходной канал чистого воздуха; 2 — аэроканал подвода воздуха; 3 — разгонное сопло; 4 — поворотная камера; 5 — патрубок входа загрязненного газа; 6 — входной патрубок, 7 — ось

Рис. 2. ИВЗ:

1 — входной патрубок, 2 — рассекатель, 3 — «уши», 4 — кольца, 5 — крестовина, 6 — бункер, 7 — выходной патрубок

Из-за создаваемого движения газов в областях «уши» 3 и бункере 6 создается небольшое разряжение, благодаря которому производится подсос частиц. Через «уши» 3 частицы подсасываются и теряют кинетическую энергию, которую они набрали при повороте, и далее ссыпаются за счет силы тяжести в бункер 6. Более тяжелые частицы ударяются о кольца 4 и так же теряют свою энергию либо проскальзывают в межкольцевое пространство, где их подсасывает разряжение в бункере 6.

Принцип работы установки заключается в рела-миниризации входящего запыленного потока [5], развороте его на 180° и в подсосе золы в области разряжения, такие как «уши» и бункер. При расчете с помощью численного эксперимента [6] выявлено, что аэродинамическое сопротивление установки — 660 Па, наибольшая скорость, развиваемая в установке, — 69 м/с, эффективность установки достигает 99 % [7]. Разработка установки началась в 2009 году [8]. На нее имеются патенты [9—10]. Первый полупромышленный образец был испытан в 2009 году с помощью магистров ОмГТУ, в ходе которого были приняты во внимание особенности поведения потока и сконструирована новая установка после проведения численных экспериментов. ИВЗ разрабатывался при финансовой поддержке ИНТЕР РАО «ЕЭС» из фонда «Энергия без границ».

Для модернизации полупромышленного образца ИВЗ и испытаний в наиболее оптимальных режимах работы необходимо было провести математические расчёты. В гидрогазодинамике [11] эти расчеты описываются системой уравнений Навье — Стокса. А ANSYS CFX [12] в ходе моделирования процесса использует k-e (k — кинетическая энергия, e — диссипация) модель. Уравнение движения преобразуется к виду, в котором добавлено влияние флуктуации средней скорости (в виде турбулентной кинетической энергии) и процесса уменьшения этой флуктуации за счёт вязкости (диссипации). Математическая модель течения [13] среды имеет вид:

уравнение неразрывности:

д( ри)_ + д( pv) + д( рю) = 0

дх

ду

dz

уравнения движения:

ди

ди

ди_ др д

ри дх + pv ду + рю dz дх + дх 1 и1:дх}+

ди

д f диЛ д ду 1 Uz ду 0 дz

ди

: дz

дv

дv

dv _ др д

ри дх + pv ду + рЮ dz ду +дх[ ^дх*

дv

д f дv) д

ду 1 т^ду 0 дz

дv

: дz

дю

дю

да др д

ри--+ р^^^--+ рю^— = --1-^т—I и^^— 1 +

дх ду дz дz дх 1 L дх 1

дю

д f дю) д

ду 1 Ue ду 0 дz

уравнения k-e модели:

дю : дz

д д д ри — (k) + pv — (к) + рю — (k) =

дх ду дz

. Af dk) + Af dk) + Af dk) + D - s

дх 1 * дх 0 ду 1 * ду J дz 1 ' дz 0 *

ддд Рих^~(e) + PvT- (s) + рю — (s) = дх ду дz

_e_f3S) + _e_f3S) + 3s \ +

дх 1 as дх J ду 1 as ду J dz 1 as dz s s 2

+ - C2P— ;

к к

уравнение для эффективной и суммарной вязкости:

их =и+и*, Ht =сир~е'

2

Рис. 3. ИВЗ, рассчитанный при граничных условиях, скорость на входе, давление на выходе: а — распределение давления; б — линии тока

Рис. 4. ИВЗ, рассчитанный при граничных условиях, расход на входе, давление на выходе: а — распределение давления; б — линии тока

где р — заданная плотность воздуха (р= const); u, v, w — проекции вектора скорости жидкости, p — давления в жидкости, m — заданная физическая (ламинарная) вязкость (m= const); mt — турбулентная кинематическая вязкость; k — кинетическая энергия турбулентности, отнесённая к единице массы жидкости, e — скорость диссипации в тепло кинетической энергии турбулентности в единице объёма жидкости; С|1, С1 , С2, — эмпирические константы k-e модели.

Движение частиц описывается уравнением:

dv—

m —— = F mp dt Fali'

Где PaH = PD + PB + PR + PVM + PP + FBA ,

Fn

:D ; сила аэродинамического сопротивления; Fв — подъёмная сила; FR — сила, обусловленная вращательным движением; FVM — сила, обусловленная ускорением частицы относительно газа; FP — сила, обусловленная градиентом давления; FBД — сила Бассэта. В рамках данной работы сила Бассэта пренебрегается из-за того, что она не рассчитывается в Апзуз СБХ.

На рис. 3 численный эксперимент на ИВЗ велся при граничных условиях: скорость на входе 5,89 м/ с, давление на выходе — 100000 Па. Дисперсный состав золы варьируется от 1—30 мкм во всех экспериментах. Скорость высчитана по формуле, в которой она

прямо пропорциональна объемному расходу потока на входе и обратно пропорциональна площади входного сечения. Объемный расход дымовых газов 150000 м3/ч, запыленность частицами потока во всех нижепере-численных экспериментах указана как 70 г/м3. Перепад давления в результате расчета (изображенный на рис. 3а) показал 4160 Па либо 416 мм вод. ст. Исходя из фундаментального принципа работы установки, нельзя утверждать о корректности полученных результатов, т.к. под «сомбреро», в «ушах» должна быть область давления чуть ниже нежели во входном патрубке, что увеличивает эффективность установки. Максимальная скорость, развиваемая потоком в установке, — 48 м/с (отображается в левом верхнем углу на рис. 3б). Эффективность около 40 %. Возникают необъяснимые возвратные течения, которых в жизни быть не может.

На рис. 4 сохраняется тенденция некорректного способа улавливания частиц, что заставляет усомниться в выборе граничных условий (объемный расход на входе — 150000 м3/ч, давление на выходе — 100000 Па). Максимальная скорость 106 м/с (рис. 4б) Перепад давления (рис. 4а) 15560 Па (1556 мм. вод. ст.). Эффективность улавливания в установке — 40%. Движение потока физично.

На рис. 5 реализуется корректный способ улавливания частиц, который подтвержден натурным

6

а

6

а

Рис. 6. ИВЗ, рассчитанный при граничных условиях, расход на входе, скорость на выходе: а — распределение давления; б — линии тока

б

а

экспериментом на установке с таким же способом улавливания (давление на входе — 100 000 Па, давление на выходе — 99000 Па). Максимальная скорость 106 м/с (на рис. 5б). Перепад давления (на рис. 5а) 1050 Па (105 мм вод. ст.). Эффективность улавливания в установке — 50 %. Движение потока физично, улетают в основном мелкие частицы. Движение частиц нарисовано таковым из-за малого отражения длины потока траектории частицы. Попадая в ловушку-бункер, частица уже не может выйти с очищенными газами, т.к. распределение давления в установке не позволяет допустить этого.

В опубликованных ранее научных трудах, посвященных исследованию инерционно-вакуумного золоуловителя нецилиндрической формы [14], были выбраны такие граничные условия, как на рис. 6. Однако проведение численного эксперимента на аппарате цилиндрической формы показало невозможность отображения движения частиц (рис. 6б), а распределение давления (рис. 6а) и вовсе показало, как оно ушло в минус, что не соответствует жизни.

В результате исследования пришли к выводу, что оптимальными граничными условиями для ИВЗ могут быть давление — давление, а низкая эффективность

идет за счет не совсем концентричного расположения «сомбреро» (что можно видеть из-за несимметричного распределения давлений по обоим бокам рассекателя) и участия в эксперименте частиц золы 1—5 мкм, что снижает эффективность установки.

Библиографический список

1. Юшин В. В., Лапин В. Л., Попов В. М. [и др.]. Техника и технология защиты воздушной среды. М.: Высшая школа, 2005. 391 с. ISBN 5-06-004446-7.

2. Баринов В. А., Маневич А. С., Сапаров М. И. Программа модернизации электроэнергетики России на период до 2030 года «Технологическая модернизация электроэнергетики России» / ЭНИН «Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского». М., 2011. URL: https://www.eriras.ru/files/manje-vich-programma_modjernizacii.pdf. (дата обращения: 10.09.2017).

3. Охрана окружающей среды: Государственная программа Российской Федерации; утв. постановлением Правительства Российской Федерации от 15.04.2014 № 326. URL: http:// www.mnr.gov.ru/regulatory/detail.php?ID = 134258 (дата обращения: 12.09.2017).

4. Ветошкин А. Г. Процессы и аппараты пылеочистки. Пенза: Изд-во Пензенского гос. ун-та, 2005. 210 с.

5. Вараксин А. Ю. Турбулентные течения газа с твердыми 11. Горбис 3. Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных частицами. М.: ФИ3МАТЛИТ, 2003. 512 с. ISBN5-9221-0320-2. сквозных потоков. М.: Энергия, 1970. 424 с.

6. Чигарёв А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Ф. ANSYS для 12. Басов К. А. ANSYS в примерах и задачах. М.: Компь-инженеров: справ. пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 391 с. ютерПресс, 2002. 224 с.

ISBN 5-94275-048-3. 13. Белоглазов В. П., Белоглазова Л. В. Влияние изменения

7. Белоглазов В. П., Белоглазова Л. В. Влияние высоты высоты колец на эффективность инерционно-вакуумного золо-рассекателя на эффективность улавливания золы экибастуз- уловителя // Омский научный вестник. 2016. № 1(145). С. 52 — 54. ского угля в инерционно-вакуумном золоуловителе // Приклад- 14. Белоглазов В. П., Белоглазова Л. В. Входная скорость в ная механика и техническая физика. 2014. Т. 55, № 2. С. 80 — 93. ИВ3У на степень улавливания золы экибастузского угля // Ди-

8. Белоглазов В. П., Досалин Э. X., Корсаков В. А. [и др.]. намика систем, механизмов и машин. 2014. № 1. С. 187 — 190. Инерционный способ очистки газов от взвешенных частиц

на базе инерционно-вакуумного пылеуловителя // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. 2010. № 2. С. 66-68.

9. Пат. 92358 Российская Федерация, МПК 7 В 01 Э 45/06.

Инерционно-вакуумный пылеуловитель / Белоглазов В. П., БЕЛОГЛАЗОВА Любовь Владимировна, аспирантка

Ченцов А. В. № 2009139047/22; заявл. 22.10.09; опубл. 20.11.09, кафедры «Теплоэнергетика».

Бюл. № 8. Адрес для переписки: teploblv@mail.ru

10. Пат. 93298 Российская Федерация, МПК 7 В 01 Э 45/

06. Пылеуловитель / Белоглазов В. П.. № 2009144229/22; заявл. Статья поступила в редакцию 15.09.2017 г.

30.11.09; опубл. 27.04.10, Бюл. № 12. © Л. В. Белоглазова

Книжная полка

Шейпак, А. История науки и техники. Энергомашиностроение : учеб. пособие / А. Шейпак. -М. : Прометей. - 2017. - 254 с. - ISBN 978-5-906879-26-4.

Настоящая книга является продолжением серии учебных пособий по курсу «История науки и техники». Учебное пособие написано для направленной подготовки 121100 «Гидравлические машина, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», 101100 «Двигатели внутреннего сгорания» и 101400 «Турбостроение». Если мы будем знать, как создавались новые орудия труда, новые материалы и новые машины, то сможем использовать эти знания в настоящем и будущем для обучения методам творчества.

Томаров, Г. Геотермальная энергетика. Справочно-методическое издание / Г. Томаров, А. Никольский, В. Семенов [и др.]. - М. : Интехэнерго-Издат, Теплоэнергетик, 2015. - 304 с. ISBN 978-5-98385-017-0.

В книге рассмотрены виды и запасы геотермальных ресурсов, физико-химические свойства одно- и двухфазных многокомпонентных геотермальных теплоносителей, научно-технические проблемы их использования в энергетике. Дан анализ развития геотермальных энерготехнологий в России и за рубежом. Изложены закономерности и процессы, лежащие в основе современной геотермальной энергетики. Рассмотрены технологические схемы и особенности преобразования энергии геотермального теплоносителя в электроэнергию. Представлены результаты российских научно-технических разработок в области геотермальной энергетики. Приведены сведения о конструкции и технических характеристиках оборудования отечественных геотермальных электростанций и систем теплоснабжения. Предложены пути повышения надежности и экономичности геотермального энергетического оборудования. Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся исследованиями и проектированием геотермальных энергосистем и оборудования, персонала ГеоЭС, а также для аспирантов и студентов.

Фрей Д. Оценка экономической эффективности энергосбережения. Теория и практика / Д. Фрей, П. Костюченко, А. Зубкова [и др.]. - М. : Теплоэнергетик, 2015. - 400 с. ISBN 978-5-98385-016-3.

Основной причиной торможения деятельности по энергосбережению является недостаточная экономическая заинтересованность предприятий в ее развитии. Это связано, в том числе, с отсутствием методического обеспечения для эффективного планирования этой деятельности. Коллективом авторов была поставлена цель разработки инструментария, позволяющего предприятию на этапе планирования энергосберегающих проектов и программ оптимизировать экономические результаты энергосбережения и повышения энергоэффективности в рамках принятой им концепции стратегического развития. Методология разработанных алгоритмов основана на методах инвестиционного анализа, проектного управления и стратегического планирования.