CC BY
82
сухой частицы; рп г - плотность сухого материала; mats - количество влаги в частице; р~й - плотность воды; ma^ - масса влажной частицы; m'a^ - масса влаги на поверхности частицы; AXi - толщина пленки на поверхности частицы; D.m j - коэффициент перемешивания частиц в слое; nt - концентрация частиц i-ой группы; nj - концентрация частицу-ом группы; Ft - поверхность
столкновения при налипании частицы i-ой группы на j-ую; e - коэффициент эффективности столкновения частиц; ст(А) - импульсная функция, связанная
ф.. (r + r. )2
'll^l J ' , цг
с вероятностью столкновения частиц ф = —--— = const; N - число
4riri
l J
больших частиц в слое.
Библиографические ссылки
1. Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. Научные основы техники сушки. М.: Наука, 1997. 441 с.
2. А.Д. Зимон. Адгезия пыли и порошков. М.: Химия, 1976. 432 с.
3. Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. Научные основы термовлажностной обработки дисперсных и рулонных материалов. М.: Химия, 2012. 776 с.
4. В.Б. Сажин, М.Б. Сажина. Выбор и расчет аппаратов со взвешенным слоем. М.: Рос ЗИТЛП, 2001. 336 с.
5. К вопросу оценки адгезионно-аутогезионных свойств дисперсных во-локнообразующих полимеров /Б.С. Сажин, Л.Б. Дмитриева, М.Б. Сажина // Химические волокна, 2007. №4. С. 24-28.
УДК 66.011
Б.С. Сажин, М.Б. Сажина, В.Б. Сажин, М.А. Апарушкина, З.Н. Османов, Э.Р. Кушпанов, В.В. Песковой
Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского, Москва, Россия
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия
АНАЛИЗ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ С ЦЕЛЬЮ УТОЧНЕНИЯ ОБЛАСТИ ИХ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Рассмотрены особенности гидродинамики дисковых вихревых аппаратов, пылеуловителей со встречными закрученными потоками, и вихревых труб с термодинамическим разделением потоков. Отмечены их достоинства, недостатки и рациональная область применения, в том числе в производстве волокнообразующих полимеров.
The features of hydrodynamic vortex disk devices, dust collectors with counter swirling flows and vortex tubes with the thermodynamic flow separation are reviewed. Their advantages,
disadvantages and rational field of application, including the manufacture of fiber-forming polymers are marked.
К типичным вихревым режимам обычно относят три типа гидродинамических режимов взвешенного слоя: режим одиночного закрученного потока, образующего вихревой слой в дисковых вихревых аппаратах (ВС), режим встречных закрученных потоков (ВЗП) и режим закрученных потоков с температурным разделением, реализуемым за счёт эффекта Ранка-Хилша [1,2,4].
Режим в дисковых вихревых аппаратах отличается наличием двух типов выноса продукта из аппарата: при малых (докритических) скоростях -за счёт выпадения частиц из закрученного потока под действием силы тяжести, при больших скоростях (больше критических) - за счёт выноса из боковой части аппарата потоком газа.
Важнейшей характеристикой дисковых вихревых камер является удерживающая способность q (количество материала в аппарате), определяющая производительность аппарат G и продолжительность обработки материала в аппарате! при закреплённой производительности, что иллюстр и-руется известной формулой [2]:
G
я = 7 (1)
В докритической области скоростей удерживающая способность q не зависит от характеристики материала и определяется величиной скорости (расхода) газа, а при скоростях больших критической q, наоборот, не зависит от расхода газа, но зависит от характеристики обрабатываемого дисперсного материала (плотности, размера частиц), что установлено теоретическими и экспериментальными исследованиями.
Дисковые вихревые аппараты являются эффективными для сушки дисперсных материалов с размерами пор до 4,0 нм, что подтверждено рядом исследований [1-3].
Аппараты со встречными закрученными потоками изучались как у нас, так и за рубежом. Они отличаются очень высокой разделяющей способностью и поэтому основная область их применения - пылеулавливание. Наиболее известны пылеуловители ВПУ, разработанные за рубежом, и пылеуловители типа ВЗП отечественной разработки.
Отечественные аппараты типа ВЗП конструкции МГТУ им. А.Н. Косыгина имеют ряд важных преимуществ перед зарубежными пылеуловителями ВПУ: при одинаковой разделительной способности они при равных габаритах аппаратов имеют в 3 раза большую производительность за счёт того, что при двухканальной подаче газа, по обоим каналам подаётся рабочая пылегазовая смесь, в то время как в пылеуловителях ВПУ пылегазовая смесь (около 30% общего расхода газа) подаётся только по нижнему (внутреннему) каналу, а по наружному (верхнему) каналу во избежание пылеуно-са подаётся чистый газ.
Вторым важным преимуществом аппарата ВЗП является малый расход энергии по сравнению с аппаратами ВПУ, так как в схеме пылеуловителей ВПУ предусмотрена подача газа компрессором через систему сопел с
большим гидравлическим сопротивлением (сопловая система предназначена для предотвращения выноса пыли из верхней части аппарата, что, как было установлено нашими исследованиями [1,2], является неоправданной перестраховкой). Кроме того в зарубежных аппаратах ВПУ установлены на «хвосте» и в «головной части» вентиляторы высокого давления, в то время как в аппаратах ВЗП всё тягодутьевое оборудование состоит из одного «хвостового» вентилятора среднего давления, потому что сопротивление аппаратов ВЗП в несколько раз меньше, чем аппаратов ВПУ.
В результате значительных преимуществ аппаратов ВЗП они получили очень широкое применение (разработан ряд конструкций применительно к разным технологическим задачам, изготовлено и внедрено несколько тысяч аппаратов в различных отраслях промышленности). При этом аппараты ВЗП используются в технологических процессах не только в качестве пылеуловителей, но и в качестве эффективных аппаратов для проведения тепло-массобменных процессов, например, процессов сушки [1,2].
Заслуживает специального рассмотрения вопрос эффективности применения вихревых пылеуловителей в теплоэнергетических установках. Этот вопрос был рассмотрен в работе [3]. Установлена эффективность применения вихревых пылеуловителей ВЗП в качестве воздухоочистительного устройства теплоэнергетических установок турбинного типа.
Показано, что коэффициент гидравлического сопротивления ВЗП может быть вычислен по двум параметрам - кратности расхода К* (по каналам) и коэффициенту гидравлического сопротивления!;*, которые связаны соотношением
Г = ^(1 -К*)2 (2)
Получено соотношение между коэффициентом гидравлического со-противления;каналов;первичного;и;вторичного;потоков;и;кратностью;расхо-да К* в виде уравнения
£1 = г2 £2 (1 -К*)2
(3)
Эффективность пылеуловителя имеет логарифмически нормальное распределение и определяется из выражения
% = (1 - (4)
где Л1, Л 2 — фракционные коэффициенты очистки газа, поступающего по первому и второму каналу, которые могут быть определены из выражения:
N
^1,2 = X Ф (Х1,2^1,2 ' (5)
¿=1
*1,2
2
1 Г
гдеФ1,2 I е 2
интеграл вероятности.
(6)
Значение Ф(х) может быть определено полиномом второй степени. Зависимость характеристик эффективности вихревого пылеулавливания и улавливаемой пыли определяется выражением
где 5м - размер улавливаемых частиц, 01^=50 и о1>2п параметры кривой фракционной эффективности.
Параметр 01,2^ слабо зависит от кратности расхода и может быть принят постоянной величиной. Параметры о 1,2^=50 зависят от кратности расхода и могут быть определены из формул:
где 51,2^=50 - опытные значения при заданной степени кратности К* (соотношения потоков по каналам).
Вихревые аппараты, использующие эффект Ранка - Хилша, принципиально отличаются от двух рассмотренных типов вихревых аппаратов, относящихся к аппаратам со взвешенным слоем материала, хотя в них также как и в аппаратах ВЗП используется два взаимодействующих закрученных потока. Их часто называют вихревыми трубами (ВТ).
В аппаратах ВТ происходит термодинамическое разделение потоков на горячий и холодный. Они нашли применение для небольшой производительности главным образом в криогенных процессах, хотя имеются предложения по их использованию и в других процессах, в том числе промышленных масштабов. Так ещё в 70-е годы прошлого столетия были запатентованы ВТ в качестве сушилок (авторы патента Б.С. Сажин и В.Б. Сажин). В последние годы появились исследования по использованию ВТ в качестве теплообменников с одновременным улавливанием пыли из пылегазовых смесей [4]. Проведены исследования согласно которым ВТ низкого напора могут быть многоцелевыми аппаратами (подобно ВЗП) и выполнять дополнительные функции пылеуловителя и осушителя газового потока [4]. Однако вывод о том, что при этом термодинамическая эффективность не меняется представляется недостаточно убедительным. В той же работе [4] на основе проведенных исследований сделан вывод, что вихревой водокольцевой компрессор может выполнять дополнительную функцию пылеуловителя без изменения эксплуатационных характеристик и применяться в качестве «мокрой» ступени газоочистки; разработана комбинированная система очистки воздуха от пыли циклон - вихревой компрессор и предложена методика её гидравлического расчёта.
Рассмотрены основные типы вихревых аппаратов, проанализированы особенности их гидродинамики и определены области их рационального применения.
Показано, что дисковые вихревые аппараты имеют две области гид-
(8)
Выводы.
родинамических режимов: область малых (докритических) скоростей газа и область повышенных (закритических) скоростей, в которой наблюдается независимость удерживающей способности аппарата от расхода газа, что обуславливает целесообразность применения дисковых вихревых аппаратов в качестве сушилок для тонкопористых дисперсных материалов.
Проведен сравнительный анализ отечественных и зарубежных вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками. Показаны преимущества отечественных аппаратов ВЗП по сравнению с зарубежными аппаратами ВПУ по эффективности и экономичности. Отмечена возможность применения аппаратов ВЗП как в качестве пылеуловителя, так и в качестве многофункционального аппарата.
Отмечена эффективность применения аппаратов ВЗП в теплоэнергетических турбинных установках и приведены некоторые результаты по гидродинамике ВЗП, полученные в соответствующих работах.
Приведены примеры использования вихревых труб, основанных на эффекте Ранка-Хилша, в различных технологических процессах.
Библиографические ссылки
1. Сажин, Б.С. Научные основы термовлажностной обработки дисперсных и рулонных материалов/ Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. М.: Химия, 2012. 776 с.
2. Сажин, В.Б. Выбор и расчёт аппаратов с взвешенным слоем/В.Б. Сажин, М.Б.Сажина. М.: РосЗИТЛП, 2001. 336 с.
3. Учёт флуктуаций пыли в аппаратах ВЗП при комплексной промышленной эксплуатации энерготурбинных установок/Б.С.Сажин, О.В. Козляко-ва [и др.]; // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2003. Том XVII. № 1 (26). С. 111-115.
4. Тарасова, Л.А. Повышение эффективности технологических процессов, связанных с приданием аппаратам вихревого типа дополнительных функций:Дисс. ... докт. тех. наук. М. 2009. 221 с.
