CC BY
49
ВестникКГЭУ, 2018, том 10, № 1 (37) УДК 66.074.2
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕПАРАТОРА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОФОРМЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВНУТРИ АППАРАТА
А.В. Дмитриев1, В.Э. Зинуров1, О.С. Дмитриева2, В.Л. Нгуен1
казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия 2Казанский национальный исследовательский технологический университет,
г. Казань, Россия
ORCID:http://orcid.org/0000-0001-8979-4457, [email protected]
Резюме: Высокоэффективная сепарация газового потока от мелкодисперсных твердых частиц при малых потерях давления в аппарате является одним из основных показателей при выборе очистительного устройства. В статье предлагается разработанный авторами аппарат для сепарации газового потока от частиц диаметром до 10 мкм. Произведен сравнительный анализ прямоугольных сепараторов с разным конструктивным исполнением элементов внутри устройства. Показано, что использование сепаратора с двутавровыми элементами предпочтительнее сепаратора с П-образными элементами.
Ключевые слова: циклон, осаждение частиц, сепаратор, эффективность.
Благодарности: Работа выполнена по договору от 17 января 2018 г. № 14.Z56.18.4522-МК в рамках гранта Президента РФ № МК-4522.2018.8 «Разработка перспективной технологии сепарации мелкодисперсных твердых или жидких частиц из газового потока».
EFFICIENCY OF A RECTANGULAR SEPARATOR DEPENDING ON THE DESIGN OF ELEMENTS INSIDE THE APPARATUS
A.V. Dmitriev1, V.E. Zinurov1, O.S. Dmitrieva2, Vu L. Nguyen1
1Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia 2Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8979-4457, [email protected]
Abstract: Highly efficient separation of the gas stream from finely divided solid particles with low pressure losses in the apparatus is one of the main indicators when choosing a cleaning device. In this paper, an apparatus developed by the authors for separating a gas stream from particles up to 10 fim in diameter is proposed. A comparative analysis of rectangular separators with different design of elements inside the device is made. It is shown that the use of a separator with I-elements is preferable to a separator with U-shaped elements.
Keywords: cyclone, particle precipitation, separator, efficiency.
Acknowledgments: The reported study was funded by the grant of the President of the Russian Federation, according to the research project No. MK-4522.2018.8 (contract No. 14.Z56.18.4522-MK of 17 January 2018).
Введение
При пневмотранспортировании полидисперсного материала особое внимание уделяется сепарационным установкам. Как правило, улавливаемый материал является основным продуктом процесса (например, твердые частицы при распылительной сушке), который можно использовать повторно, что позволит снизить финансовые затраты предприятия. Однако в реальных производственных условиях уловить все твердые частицы остаточного продукта практически невозможно, в большой степени из -за сложности существующих аппаратов к улавливанию мелкодисперсных частиц до 10-20 мкм. Поэтому чрезвычайно актуальной проблемой является повышение эффективности улавливания мелкодисперсных твердых частиц размером до 10-20 мкм [1-3].
Различные модификации электрофильтров, мокрых пылеуловителей и пр. позволяют решить данную проблему частично: эффективность данных аппаратов достигает до 99,9% при улавливании мелкодисперсных частиц размером до 10 мкм. Однако сложность конструкции, обусловленная большим количеством подвижных частей, требует частого ремонта или ее замены, влекущее замедление или остановку производственного процесса. Также большое внимание уделяется параметрам газового потока: температуре, влажности и др. [4-6]. В некоторых случаях при использовании электрофильтров необходимо применять дополнительные устройства, позволяющие создать необходимую напряженность электрического поля. Для обслуживания данных устройств необходимо привлекать дополнительный персонал. В совокупности всех перечисленных факторов использование данных аппаратов для улавливания мелкодисперсных твердых частиц при пневмотранспортировании зачастую экономически нерентабельно. Поэтому на практике в большинстве случаев применяют более простые устройства - инерционные пылеуловители. Наибольшее распространение среди них имеют циклоны, характеризующиеся относительно высокой степенью очистки, дешевизной, простотой устройства и эксплуатации, надежной работой при температуре до 500°C. К основным недостаткам циклонов относятся высокое гидравлическое сопротивление, достигающее 1250-1500 Па, и низкая эффективность при очистке газа от частиц малого диаметра до 10 мкм [7; 8].
Рис. 1. Трехмерная модель прямоугольного сепаратора (вид в разрезе)
Авторами настоящей статьи предлагается использовать разработанный прямоугольный сепаратор (рис. 1) в качестве замены циклону или в качестве дополнительного устройства для основного пылеуловителя. Ранее проведенные исследования показали высокую эффективность улавливания мелкодисперсных твердых частиц диаметром 10-300 мкм в диапазоне 99,8-100% и частиц диаметром менее 10 мкм в
среднем 82% [9; 10]. Также был произведен сравнительный анализ сепаратора с циклоном ЦН-11-400 без улитки по гидравлическому сопротивлению и эффективности улавливания частиц. Для сравнительного анализа принимались следующие постоянные параметры: высота и ширина входного патрубка, объемный расход газа на входе в устройство, термодинамические параметры окружающей среды - давление и температура, одинаковые теплофизические свойства рабочего тела - воздуха и частиц в нем. Данный сравнительный анализ показал: гидравлическое сопротивление циклона составляет 540 Па против 360 Па у прямоугольного сепаратора, эффективность сепарации газового потока от мелкодисперсных частиц диаметром 10-20 мкм сепаратором в среднем выше эффективности циклона на 52%.
Принцип действия прямоугольного сепаратора заключается в следующем: в начале сепаратор присоединяется к линии подачи воздуха, далее запыленный газовый поток входит в устройство через входной патрубок 1. При движении газа внутри сепаратора происходит непосредственный контакт между запыленным газом и двутавровыми элементами 2, вследствие чего большая часть частиц выбивается из потока и оседает на дне аппарата. Также сепарация газового потока достигается за счет центробежной силы, возникающей при обтекании газом двутавровых элементов, которая отбрасывает твердые частицы к данным элементам, способствуя их осаждению на дно аппарата. Очищенный газ выходит из устройства через выходной патрубок 4 (рис. 2). Сепаратор работает периодически.
Рис. 2. Упрощенная двухмерная модель прямоугольного сепаратора (вид сверху): 1 - входной патрубок, соединяющий газопровод с прямоугольным сепаратором, 2 - двутавровый элемент внутри сепаратора, 3 - корпус устройства, 4 - выходной патрубок сепаратора
Особый интерес представляет конструктивное оформление элементов внутри аппарата, которые должны способствовать обеспечению высокоэффективного улавливания твердых частиц и не быть причиной высокого гидравлического сопротивления в аппарате. Целью данной работы является сравнение двух прямоугольных сепараторов по эффективности улавливания мелкодисперсных частиц диаметром до 10 мкм и гидравлическому сопротивлению с разным конструктивным оформлением элементов внутри аппарата. Производилось сравнение двутавровых элементов с П-образными.
Двутавровые элементы представлены на рис. 1 и 2. П-образные элементы были образованы сдвижением прямолинейного участка элемента Ь в сторону выходного патрубка 4 до тех пор, пока длина прямолинейного участка элемента Ь и его выступы h1
76
не смыкались, не оставляя зазоры со стороны выходного патрубка 4 (рис. 2). Предполагалось, что П-образные элементы будут способствовать снижению гидравлического сопротивления в аппарате за счет более структурированного газового потока относительно двутавровых элементов, за которыми образовывались зоны завихрения, повышающие гидравлическое сопротивление сепаратора.
Методы
Для расчета сепараторов с разным конструктивным оформлением элементов внутри него использовался метод конечных элементов в программном комплексе Ansys Fluent. В ходе исследования использовалась модель турбулентности - SST.
Численный расчет производился при следующих граничных условиях: на входе в сепараторы задавался объемный расход Q = 0,05 м3/с, на выходе принималось атмосферное давление 101325 Па. Для получения сравнительных данных между двумя сепараторами с различными элементами внутри них изменялись длина элемента b и его выступы hi, также менялся диаметр частиц а. Постоянными оставались следующие параметры: начальная скорость частиц 0 м/c; число частиц, находящихся в газе, n = 1000; массовый расход продуктов сгорания G = 10 г/с (0,01 кг/с).
В ходе исследований размеры внешнего корпуса прямоугольного сепаратора оставались постоянными. Поэтому для исследования влияния длины элементов сепаратора на его эффективность менялось количество элементов в каждом ряду. При увеличении длины элементов сепаратора их количество в каждом ряду уменьшалось, а при уменьшении длины элементов сепаратора их количество в каждом ряду увеличивалось.
Длина элементов b, м определялась по формуле:
* = ^, (D
2n
где c - ширина прямоугольного сепаратора, м, n - количество элементов в прямоугольном сепараторе.
Длина выступов hi находится как:
h j = kb , (2)
где к = 0,24 - коэффициент, полученный в ранее проведенных исследованиях. При данном коэффициенте достигаются максимальная эффективность улавливания твердых частиц сепаратором и наименьшее гидравлическое сопротивление в аппарате.
Для достижения максимальной центробежной силы при прохождении газового потока между элементами сепаратора необходимо выполнение следующего условия: окружность, проведенная из центра элемента, должна проходить через крайние точки выступов элементов соседних рядов. Иными словами, расстояние между соседними рядами элементов L можно определить по формуле:
L = 0,62Ъ, (3)
где 0,62 - коэффициент, полученный при таких размерах длины элементов b и их выступов hi, что к = 0,24.
Результаты исследований и их обсуждение
Проведенные численные исследования показали, что использование двутавровых и П-образных элементов в прямоугольном сепараторе целесообразно (рис. 3; 4). Наибольшая эффективность улавливания мелкодисперсных частиц достигается у П-образных элементов при b = 7 мм в среднем 90% (рис. 4), однако реализовать на практике такую длину элементов не всегда представляется возможным, поэтому наиболее рациональным решением может стать использование двутавровых элементов длиной b = 14 мм со средней эффективностью E = 82% (рис. 3).
Е
0,9
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
7 12 17 22 27 Ь, мм Рис. 3. Эффективность улавливания мелкодисперсных частиц в зависимости от длины двутавровых элементов при
диаметре частиц а, мкм: 1 - 1; 2 - 3; 3 - 5; 4 - 7
Стоит отметить, что у П-образных элементов эффективность улавливания частиц имеет тенденцию роста к 100% для любого диаметра частиц при стремлении Ь к бесконечно малой величине (рис. 4). Однако в данных исследованиях за наименьшую длину элемента Ь^п принималось 7 мм, вследствие сложности изготовления малых элементов и их хрупкости, что приведет к частой поломке.
Е '
0,9 -
0,8 -
0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 -0 -
7 12 17 22 27 Ь мм Рис. 4. Эффективность улавливания мелкодисперсных частиц в зависимости от длины П-образных элементов при
диаметре частиц а, мкм: 1 - 1; 2 - 3; 3 - 5; 4 - 7
Как ранее указывалось, при исследовании одним из постоянных параметров являлась неизменная геометрия корпуса прямоугольного сепаратора, вследствие этого для изменения длины элементов Ь производилось изменение их количества в каждом ряду, поэтому можно предположить, что из-за данного условия увеличение длины Ь двутавровых и П-образных элементов в обоих случаях приводили к существенному снижению эффективности сепарации газового потока (рис. 3 и 4). При увеличении числа элементов в сепараторе происходило уменьшение числа сужающих проходов и, как следствие, центробежной силы, отбрасывающей частицы к стенкам элементов. Потери давления в аппаратах при использовании двутавровых и П-образных элементов в ходе исследований были практически одинаковыми, равными в среднем 409 и 387 Па соответственно.
78
Для более детального сравнения двутавровых и П-образных элементов при условии, что геометрические размеры внешнего корпуса сепаратора изменялись, было произведено дополнительное исследование. В ходе данного исследования изменялись длина элементов b, ширина корпуса сепаратора, количество элементов принималось равным 4, объемный расход на входе в аппарат принимался равным 0,1 м 3/с, скорость потока в сужающей части между рядами элементов для двутавровых и П -образных элементов задавалась одинаковой. Остальные параметры принимались идентичными первому исследованию.
Результаты показали, что использование сепаратора с двутавровыми элементами по эффективности улавливания частиц является более выгодным, чем с П -образными элементами (рис. 5). Потери давления в аппаратах, как и в первом исследовании, оставались практически одинаковыми, равными в среднем 302 Па у сепаратора с двутавровыми элементами против 289 Па у сепаратора с П -образными элементами.
E '
0,9 -
0,8 -
0,7 -
0 Н-1-1-1-1-1-1-1-1-1
123456789 a, мкм
Рис. 5. Эффективность улавливания мелкодисперсных частиц в зависимости от диаметра частиц при длине элементов Ь, мм: 1 - 30, 2 - 40, 3 - 50, 4 - 60; сплошная линия - двутавровые элементы, штриховые линии - П-образные элементы
Вследствие увеличения числа сужающих проходов, эффективность сепарации газового потока существенно возросла относительно данных, представленных на рис. 3, 4, при увеличении длины элементов Ь (рис. 5). Поэтому рост числа элементов в каждом ряду способствует увеличению эффективности улавливанию твердых частиц. Эффективность использования двутавровых элементов в среднем выше эффективности использования П -образных элементов на 32%.
Заключение
Таким образом, при возможности изготовления элементов сепаратора, длина которых менее 7 мм, эффективнее использовать прямоугольный сепаратор с П -образными элементами. В остальных случаях для достижения более высокой эффективности очистки газового потока от мелкодисперсных твердых частиц использование сепаратора с двутавровыми элементами является более предпочтительным. Достоинствами прямоугольного сепаратора являются малая металлоемкость, высокая степень улавливания мелкодисперсных частиц, простота изготовления, низкое гидравлическое сопротивление.
--0--1 --Д--2 --0--3 --Х--4
Литература
1. Муратова К.М., Чистяков Я.В., Махнин А.А. Пылеулавливание и классификация в центробежно-инерционных аппаратах // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. № 4. С. 47-57.
2. Белевицкий А.М. Проектирование газоочистительных сооружений. Л.: Химия, 1990. 288 с.
3. Fan S., Wang X., Lang X., Wang Y. Energy efficiency simulation of the process of gas hydrate exploitation from flue gas in an electric power plant // Natural Gas Industry B. 2017. № 6. P. 470-476. DOI: 10.1016/j.ngib.2017.09.009
4. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. М.: Химия, 1981. 616 с.
5. Sagot B., Forthomme A., Ait Ali Yahia L., Bourdonnaye G. De La. Experimental study of cyclone performance for blow-by gas cleaning applications // Journal of Aerosol Science. 2017. V. 110. P. 53-69. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2017.05.009
6. Baltrenas P., Pranskevicius M., Venslovas A. Optimization of the New Generation Multichannel Cyclone Cleaning Efficiency // Energy Procedia. 2015. Vol. 72. P. 188-195. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.06.027
7. Глебов И.Т. Аспирация и пневмотранспорт деревообрабатывающих предприятий. Спб.: Лань, 2017. 160 с.
8. Стефаненко В.Т.Сухое пылеулавливание при производстве кокса // Черная металлургия. 2016. № 8 (1400). С. 25-29.
9. Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Дмитриева О.С., Нгуен В.Л. Улавливание частиц из дымовых газов прямоугольными сепараторами // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. № 15. С. 78-80.
10. Дмитриев А.В., Дмитриева О.С., Мадышев И.Н., Николаев А.Н. Пат. 171615 РФ, МПК B01D 45/06, МПК B01D 45/08. Устройстводлятонкойпылегазоочистки. № 2017100315; заявл. 09.01.2017; опубл. 07.06.2017, Бюл. № 16.
Авторы публикации
Дмитриев Андрей Владимирович - докт. техн. наук, заведующий кафедрой Теоретические основы теплотехники Казанского государственного энергетического университета.
Зинуров Вадим Эдуардович - магистрант кафедры Теоретические основы теплотехники Казанского государственного энергетического университета.
Дмитриева Оксана Сергеевна - канд. техн. наук, доцент кафедры Оборудования пищевых производств Казанского национального исследовательского технологического университета.
Нгуен Ву Линь - аспирант кафедры Теоретические основы теплотехникиКазанского государственного энергетического университета.
References
1. Muratova K.M., Chistyakov Y.V., Makhnin A.A. Pyleulavlivanie i klassifikatsiya v tsentrobezhno-inertsionnykh apparatakh [Centrifugal-inertial dust exstractors for dry air cleaning] // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2014. issue 4. pp. 47-57.
2. Belevitskiy A.M. Proektirovanie gazoochistitel'nykh sooruzheniy [The design of the washing facilities]. Leningrad, Khimiya, 1990. 288 p.
3. FanS., WangX., LangX., WangY. Energy efficiency simulation of the process of gas hydrate exploitation from flue gas in an electric power plant // Natural Gas Industry B. 2017. issue 6. P. 470-476. DOI: 10.1016/j.ngib.2017.09.009
4. Straus V. Promyshlennaya ochistka gazov [Industrial cleaning of gases]. Moscow, Himiya,
© А.В. Дмитриев, В.Э. Зинуров, О.С. Дмитриева, В.Л. Нгуен 1981. 616 p.
5. Sagot B., Forthomme A., Ait Ali Yahia L., Bourdonnaye G. De La. Experimental study of cyclone performance for blow-by gas cleaning applications // Journal of Aerosol Science. 2017. V. 110. P. 53-69. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2017.05.009
6. Baltrenas P., Pranskevicius M., Venslovas A. Optimization of the New Generation Multichannel Cyclone Cleaning Efficiency // Energy Procedia. 2015. Vol. 72. P. 188-195. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.06.027
7. Glebov I.T. Aspiratsiya i pnevmotransport derevoobrabatyvayushchikh predpriyatiy [Aspiration and pneumatic transport of woodworking enterprises]. Saint-Petersburg, Lan', 2017. 160 p.
8. Stefanenko V.T. Sukhoe pyleulavlivanie pri proizvodstve koksa [Sukhoe pyleulavlivanie pri proizvodstve koksa]// Chernaya metallurgiya. 2016. issue 8 (1400). P. 25-29.
9. Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Dmitrieva O.S., Nguen V.L. Ulavlivanie chastic iz dymovyh gazov pryamougol'nymi separatorami [Capture of particles from flue gases by rectangular separators] // Vestnik tekhnologicheskogo universiteta. 2017. vol. 20. issue 15. pp. 78-80.
10. Dmitriev A.V., Dmitrieva O.S., Madyshev I.N., Nikolaev A.N. Pat. No. 171615 RU, MPK B01D 45/06, MPK B01D 45/08. Ustrojstvo dlya tonkoj pylegazoochistki [An apparatus for fine gas treatment]. No. 2017100315; decl. 09.01.2017; publ. 07.06.2017, Bul. No. 16.
Authors of the publication
Andrey V. Dmitriev - doc. sci. (techn.), head of the Department "Theoretical Foundations of Thermal Engineering", Kazan State Power Engineering University.
Vadim E. Zinurov - graduate student of the Department "Theoretical Foundations of Thermal Engineering", Kazan State Power Engineering University.
Oksana S. Dmitrieva - cand. sci. (techn.), associate professor, Department "Equipment for food industry", Kazan National Research Technological University.
Vu Linh Nguyen - postgraduate student of the Department "Theoretical Foundations of Thermal Engineering", Kazan State Power Engineering University.
Дата поступления 02.02.2018.
