CC BY
8
БОТ: 10.15587/2312-8372.2017.112786
ВПЛИВ КОНСТРУКЦП ЗАВИХРЮВАЧА ВХ1ДНОГО ПОТОКУ НА Г1ДРОДИНАМ1КУ I ЕФЕКТИВН1СТЬ РОБОТИ
Пiтак I. В., Брянкш С. В., Пiтак О. Я., Шапорев В. П., Петрухiн С. Ю.
1. Вступ
Схiдний регюн Украши, як найбiльш насичений промисловими тдприемствами хiмiчноi, металургiйноi та будiвельноi галузей, е великим промисловим регюном держави, де щiльно зосередженi еколопчно небезпечнi галузi сучасного промислового виробництва. Обсяг викиду пилу в атмосферу з таких тдприемств з кожним роком неупинно зростае за рахунок зростання джерел, де утворюються запорошен потоки, що потребують очищення.
Актуальним е створення та розвиток нових високоефективних та бтьш вдосконалених тишв обладнання природоохоронного призначення на основi теоретичного обгрунтування i дослiдження процесу роздщу фаз, зокрема видтення частинок пилу в системах з обертовими потоками. Зокрема, вдосконалення потребують вихровi апарати iз зустрiчними закрученими потоками, а також технологiчна апаратура з активною гщродинашкою для iншого призначення.
2. Об'ект досл1дження та його технолопчний аудит
Об'ект дослгдження - конструкщя вихрового пиловловлювача.
Типовi конструкцп вихрових пиловловлювачiв з цилiндричною сепарацшною камерою для приклада наведенi на рис. 1, 2. Перша типова модель [1] являе собою цилшдричну сепарацшну камеру 1, у верхнш частиш якоi передбачено канал подачi вторинного потоку 4 (Ь2), вихщний патрубок 3 для видалення очищеного повiтря (Ь0). А в нижнш частинi - канал подачi первинного потоку 5 (Ь1), який закручуеться у завихрювачi 6 i надходить до сепарацiйноi камери у осьовому напрямку на зустрiч вторинному потоку. В середин цилiндро-конiчного пилозбiрного бункера 2 передбачений завихрювач первинного потоку 6 з вщбшною шайбою 7 i витиснювачем 8, а кошчна частина бункера внизу постачена штуцером для видалення накопиченого пилу.
Робота апарату в якост пиловловлювача полягае в тому, що запилений потш у виглядi аерозолю, що подаеться вщ джерела утворення пилу, за допомогою тягового вентилятора, надходить до сепарацiйноi камери 1. Одночасно по двом каналам - первинному 5 (Ь1) i вторинному 4 (Ь2), в яких вони закручуються в один бш вони рухаються назустрiч один одному. В результал !'х взаемодii по висоп сепарацiйноi камери 1 утворюеться результуючий обертовий потж. Обертовий потiк, з якого шд дiею складно!' системи сил, переважно вiдцентрованих та сил лобового опору, частинки пилу вщокремлюються вщ повiтря.
Ьо
Рис. 1. Конструкщя вихрового апарату: 1 - цилшдрична сепарацiйна камера; 2 - пилозбiрний бункер; 3 - вихщний патрубок; 4 - канал подачi вторинного потоку; 5 - канал подачi первинного потоку; 6 - завихрював первинного потоку; 7 - шайба вщбшна; 8 - осьовий витискач
Потж рухаеться в радiальному напрямку вщ ос обертання до боково! поверхнi сепарацшно! камери, i пот1м досягае стшки. При цьому уловлений пил пристшною часткою вторинного потоку транспортуеться вниз до рiвня вiдбiйноi шайби 7 i крiзь ктьцевий зазор, утворений мiж шайбою 7 та сепарацшною камерою 1, потрапляе у бункер-накопичувач 2. Низх1дний вторинний потж (Ь2) на рiвнi вiдбiйноi шайби 7 розвертаеться на 180° i, поступово зливаючись з висхiдним потоком, у виглад результуючого вихору (Ь0) iз залишками дрiбнодисперсних частинок рухаеться в гору, де через вихщний патрубок 3 выводиться в атмосферу або у разi необхiдностi направляеться на додатковий ступiнь очищення.
Другий тип вихрового пиловловлювача представлений на рис. 2 [2]. Пиловловлювач мiстить газопровщ забрудненого газу 1, розскач 2, завихрював основного потоку газу 3 з обтчником 4, корпус 5. Подача додаткового потоку газу виконуеться за допомогою приладу 6, а вихвд чистого газу через патрубок 7. В конуснш частинi апарату 8 проводиться збiр i розвантаження пилу через живильник 9. Конструктивна особливють дослщжуваного вихрового апарата полягае в тому, що двофазний потж, закручений за допомогою двох завихрювач1в, збер1гае обертання в сепарацiйнiй зош апарата. В центральн1и частинi апарата, у режиш закручених в одному напрямку потоюв, забезпечуеться ефективне вщокремлення пилу при м1н1мальному гiдравлiчному опорi використаних способiв закручення потоку.
До^дження вихрового пиловловлювача проводили в дiапазонi 3-106<Ке<7-106, що вщповщае середнiй швидкост в апаратi 8^15 м/с. Дiапазон варiювання факторiв - концентрацiя продуклв в газах, кут нахилу лопаток завихрювала основного потоку обирали за результатами попередшх дослiдiв та анаизу лiтературних джерел. Пiд час експерименлв дослiджували вплив спiввiдношення потокiв в радiальному напрямi в двох перерiзах апарату: безпосередньо пiсля завихрювала i в центральнiй частинi апарату. Встановлено юнування критичних режимiв, при яких ефектившсть процесу вiдокремлення низька i вважаеться неприпустимою та залежить вiд коефщенту к=¥1/(¥1+¥2), який для даного випадку приблизно дорiвнюе к=0,5.
Через технолопчну складнiсть процесу вловлювання полщисперсного пилу недостатньо розглянутi питання математичного моделювання процесу сепараци частинок пилу в системi зустрiчних закручених потоюв. Також не досить ретельно розглянуто вплив на процес сепарацii фiзико-хiмiчних властивостей пилу, i як наслщок - вiдсутнiсть надiйноi iнженерноi моделi вибору i розрахунку вихрових пиловловлювачiв з цилiндричною сепарацiйною камерою. Не досить повно розглянуп питання напрям1в конструктивного удосконалення та компоновки рацiональноi технологiчноi схеми процесу вловлювання.
3. Мета та задачi дослiдження
Мета роботи - розробити удосконалену (нову) конструкцш вихрового пиловловлювача.
Для досягнення вказано!' мети необхщно:
1. Дослщити вплив конструкцп завихрювача 1 мюця його установки в
газоходi на ефективнють роботи вихрового апарата.
2. Дослщити аеродинамiчнi процеси, що обумовлюють той чи шший характер обертання потоку i його течи в газоходi пiсля завихрювача, а також конструкцiю завихрювача.
3. Встановити характерш режими течii газопилового потоку у газоходi пiсля завихрювача.
4. Дослщження iснуючих р1шень проблеми
Анаиз гiдродинамiчних дослiджень процесiв пиловловлювання в типових конструкщях розглянутих пиловловлювачiв [1-3] довiв, що основна увага при дослщженнях процесу придiлена визначенню компонента швидкостей потоку в сепарацiйнiй камерi пiсля завихрювача, впливу на щ показники спiввiдношення конструктивних розмiрiв i визначенню гiдравлiчного опору. Без сумнiву, вказанi результати дослiджень е основою для модершзацп основних функцiональних вузлiв вихрових апаратiв з цилiндричною сепарацшною камерою та полшшення iнших параметрiв роботи. В роботах [1-3] при значенш коефiцiента к=¥1/(¥1 + У2)=0.8, який вважаеться найбшьш рацiональним для пиловидалення для рiзних компонентiв пилу (вхiдноi концентрацii пилу >5 г/нм ):
- шихта скляного виробництва ^„=(18^20) мкм;
- мелений доломiт йп=( 10^16) мкм;
- мелена крейда ^„=(6^12) мкм;
- кварцовий тестовий пил ёп=(6^10) мкм, визначена ефективнють пиловловлювання, яка в межах розмiру частинок вщ 6 до 10 мкм не перевищуе 90 %, а в межах вiд 12 до 20 мкм складае 91-92 %.
При використаннi в якост пиловловлювачiв циклонiв для таких умов ефективнють пиловловлення складае 75-80 % [1-3]. Таким чином, вiдомi дослщження пiдтверджують перевагу використання вихрових апарапв для процесу «сухого» очищення газопилового потоку вщ пилу перед шшими типами апарапв для сухого очищення газопилового потоку. Однак типовi конструкцй вихрових пиловловлювач1в не дозволяють проводити знепилення газiв з ефективнiстю до 99 % для частинок пилу менше 20 мкм, що вимагае на практищ пiсля пиловловлювача встановлювати додатковi апарати мокро1' очистки.
Анашз результатiв дослiджень, що наведенi в роботах [1-3], показуе, що розподт компонентов швидкостi потоку в сепарацшнш камерi залежить вiд кута закрутки потоку в завихрювача Кут закрутки потоку, в свою чергу, залежить не тльки вщ кута нахилу лопаток завихрювала, але в головному вщ гiдродинамiки i характеру обертання потоку в самому завихрювачi та зони близько1' до нього. В цих зонах згiдно теоретичних засад i практики [4] у потоках, що обертаються, спостерiгаеться практично в ус1х випадках нерiвномiрний розподщ швидкостей у в'я?" му газi, особливо при великих швидкостях на входi в завихрювач. Нерiвномiрний розподщ швидкостей по радусу приводить до штенсивно1' дисипацii механiчноi енергii, до внутршнього тепловидалення i до нерiвномiрного розподту температури гальмування. Досягнення останн1х умов, в залежност! в1д фiзико-
хiмiчних властивостей часток пилу, може сприяти одночаснш коагуляци др1бних частинок пилу з утворенням бiльш крупних пилових агломерапв, що досить швидко осщають. Останне в тiй чи шшш мiрi спостерiгалося при обробцi газового потоку, який утримував до 10 г/нм тонкодисперсного вупльного пилу (<5 мкм) [5-11]. Використання особливостей гiдродинамiчного режиму обертання газопилового потоку в зон завихрювала i вщразу пiсля нього для розв'язання задачi пщвищення ефективностi пилоочищення в вихровому апаратi з виявленням особливостей мехашзму i руйнiвних сил процесу е перспективною задачею.
5. Методи дослщження
Розглянемо процес сухого очищення пилогазового потоку у вихровому пиловловлювачi iз зосередженим лопатевим вводом газу при рiзних конструкцiях лопатевих завихрювачiв.
Схема вихрового пиловловлювача з лопатевим завихрювачем, в якому проводили дослщження представлена на рис. 3.
Знепилений
Рис. 3. Схема вихрового пиловловлювача iз зосередженим лопатевим
введенням газу
У газохщ 1 надходить запилений газ i закручуеться лопатевим завихрювачем 2. Обт1чник 3 трохи вщпсняе потiк до стшки апарата i сприяе плавному обтжанню
газовим потоком втулки лопатевого завихрювала. Пщ дiею вщцентровано1' сили частинки пилу в закрученому газовому потощ перемщуються до стшок корпуса 4. Одночасно той же запилений або очищений тсля апарату газ подаеться в роздавальну камеру 5 i за допомогою завихрювала 6 (виконаний у виглад шести сопел з нахилом 45°) надходить у робочу порожнину апарату.
Додатковий газовий потк, що виходить !з завихрювала 6 тдкручуе основний потж у ту ж сторону, що й завихрював 2 i одночасно здувае частинки пилу з! стшок у бункер 7. Додатковий потж газу у ход! стрального обтжання основного потоку, поступово повнютю проникае в нього. Юльцевий прост!р навколо входного патрубка може бути оснащений пиловщбшною шайбою 9, яка призначена забезпечити безповоротний спуск пилу до вивантажувального пристрою (транспортеру). З бункеру пил надходить у емшсть готово! продукцп, а очищений газ через вихлопний патрубок 10 в атмосферу.
Схема стенду для визначення аеродинашчних характеристик наведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема стенду з визначення аеродинам!чних характеристик: 1 - модель рис. 3; 2 -мшроманометри з нахиленою шкалою; 3 - мкроманометри рщинт; 4 - пневмометрична трубка конструкци науково-досл1дного 1нституту промислово1' ! сан!тарно1' очистки газ1в
Схема стенду для визначення загально1' ефективност! пиловловлення наведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема стенду з визначення загально1' ефективносп пиловловлення:
1 - модель рис. 3; 2 - вентилятор високого тиску ВВТ-5; 3 - система дозування пилу; 4 - дифузор; 5 - сопло стислого пов!тря; 6 - пилозб!рник; 7 - регулятор витрати пов!тря (дросельна засл1нка); 8 - шиберна засл1нка загального колектора; 9 - сушильна шафа; 10 - пульт керування; 11 - терези лабораторн!
При конструюванш моделi рис. 3 розмiри вихрового пиловловлювача вибиралися на основi вiдомих з практики найбiльш ращональних параметрiв: L/D = 2.5-3.5; D3/D = 0.6-0.8; DBT/D3 = 0.3-0.5; Dш/D = 0.5-0.8. Кут нахилу лопаток завихрювача в = 30-60°, кут нахилу сопел вторинного потоку а = 30-45°. Було вибрано D3 = 510-2 м; D = 810-2 м; DBT = 1.510-2 м; Dш = 6.510-2 м; L = 24 10-2 м.
Схема завихрювача наведена на рис. 6.
I I
с
Рис. 6. Схема завихрювача: а - виготовленого з листово! латуш; б - для оргашзаци коакшальних турбулентних поток1в закручених у протилежнi сторони
Завихрювач виготовлений з листово! латунi, товщиною 0.5 10 м, кiлькiсть лопаток - 8. Другий тип завихрювача (рис. 6, б - проекщя зверху) передбачав оргашзацш коаксильних турбулентних потоюв, закручених у протилежш сторони за рахунок лопаток. Вщношення перетинiв зовшшнього закручувача А та внутрiшнього В приблизно було А/В=1. У газоходi 1 рис. 3 завихрювач встановлювався як на торщ газоходу на рiвнi шайби 9, так i нижче торця на вiдстанях, як вибиралися на основi дослiджень вщносних швидкостей по довжинi цилшдрично! частини газоходу на рiвнi торця. На рис. 7 наведена схема замiрiв параметрiв вихрового газового потоку в газоходi 1.
Рис. 7. Схема замiрiв параметрiв вихрового газового потоку в газоходi 1 в залежносп вщ положения завихрювала: 6А - завихрював встановлений на торщ вхщного газоходу на рiвнi шайби 9; 6В - одно з можливих положень завихрювача 6, який встановлено нижче торця входного патрубка. Позицii 1; 1'; 2'; 2"; 2'''; 3'; 3''; 3''', де встановлювалися датчики
Параметри вихрового потоку вишрювалися за допомогою трьох датчик1в: двотрубчастий датчик з кутом нахилу зрiзу трубок 70° для вимiрювання двохмiрного поля швидкостей; бтьшють вимiрiв проведено за допомогою цилщдричного датчика, як найбтьш простого при таруванш i робот!. Дiаметр робочоi частини
_3
датчика складав 3 10 м. Для вимiрювання трьохмiрного поля швидкостей використовувався шарiв п'ятиканальний датчик з дiаметром шарика 5 10 м. Тарування уск датчикв проведено вщповщно методикам, що наведенi в [6]. Як вщомо [1-4], закручений газовий потк пiсля завихрювача е складним тримiрним. Вектор швидкост потоку розкладаеться в цилiидричнiй системi координат на три складов^ основу, тангенщальну (обертальну) та радiальну. Наявнiсть обертально!' складовоi саме i приводить до виникнення в потоцi вiдцеитрованих сил i утворюванню радiального градiенту статичного тиску. Для виконання проектних розрахунюв необхщно знати кутову швидкiсть обертання потоку в довтьному перерiзi сепарацiйноi камери на певнiй висотi у внутршньому шарi. Рiвняння моменту юлькосп руху газу визначаеться залежиiстю [1-4]:
М1(2) = |/?-У51-2л--г-б/г-®;1(1)-г2. (1)
о
Пiсля штегрування i вiдповiдних перетворень здобуте рiвняння для визначення кутовоi швидкостi обертання потоку в сепарацшнш камерi:
Ц*)--^ (2)
-5
де Ь1, Ь2 - витрати первинного та вторинного потокiв, м/с;
ц(г) = ц+ь
Ц\2) = Ь
1-
( 1- ^ 7
Н
/с+Г
н)
ч к-\'
1-
Мвх = 0,5-7г-р-У2-У^г0;
де К - емтричний коефщент (при К=0 раддальна швидюсть розподшяеться так як описано в теори [1-4]; при К>0 рад!альна швидюсть наростае до низу камери; а при К<0 рад!альна швидюсть зменшуеться до низу камери);
г0 - рад!ус сепарацшно1' камери, роздшення потоюв;
Уг, Ур Уг - осьова, тангенщальна, рад!альна швидкост руху потоюв, м/с.
При цьому, треба вщзначити, що в формул! для визначення МВХ швидюсть Уф вщповщае тангенщальнш складовш обертае мого потоку, яка спостержаеться зразу за завихрювачем ! в перетиш близько до нього. Таким чином при шших р!вних умовах значенн ' w(Z) залежить в!д складово1' Уф, яка в свою чергу однозначно залежить в!д пдродинам!чних умов в зон! завихрювача ! зразу тсля нього. Останне додатково обгрунтовуе актуальнють ! мету дослщження. При проведенш дослщження тд час холодних продувок чистим повпрям газоходу (який представляе собою трубу з оргскла з прямою дшьницею вщ торця до колша та дор!внюе 0,6 м) вим!рювання проводилося тсля завихрювача у трьох перетинах:
I -1.6 И/03; II -3Я/В3; III - 4,5^/Э3,
де Ы - вщстань в!д завихрювача до торця газоходу. При дослщженнях двохфазного потоку в модел! пиловловлювача (рис. 3) було прийнято наступш припущення:
- частинки пилу е твердими, можуть взаемод!яти м!ж собою за рахунок штенсивного згткнення ! розвинуто1' питомо! поверхш часток тшьки в зон! завихрювача, де спостержаються максимальт значення Ур та Уг ! спостер!гаеться квазпверде обертання пилогазового потоку;
- тсля област (зони) завихрювача частинки не взаемодшть м!ж собою;
- частинка, що торкнулася до стшки корпусу сепарацшно1' камери, вважаеться вловленою;
- на вход! в пиловловлювач потш пилогазового потоку мае р!вном!рне поле швидкостей;
розподш частинок пилу по перер!зу вхщного патрубка пиловловлювача е р!вном!рним;
- отр руху частинок у газовому середовишд описуеться законом Стокса;
- тангенщальна складова швидкост частинок ствпадае з тангентальною ! осьовою складовими швидкост обертання газового потоку,
радiальнi швидкост у наслiдок дii сил шерцн е рiзними.
При цьому видшяються два безрозмiрних параметри:
- ступшь початковоi закрутки потоку:
П=У9о/г9,
де Уфо - характерна тангенщальна швидкiсть на виходi з завихрювача (Уф0>0), при цьому в ядрi потоку що виходить з завихрювача (В, рис. 6, б) ю=Уф0, а на виходi з завихрювача (А, рис. 6, а) т=-Уф0;
- ступшь завантаження каналу ф=Ввт/В. Початковими умовами е характеристики повпряного середовища та пилу: температура повпря 293 К, середнш дiаметр частинок пилу: вапно (СаО) - 2-20 мкм; пдрат оксиду кальцш [Са(ОН)2] - 0,5-10 мкм; оксид цинку (7пО) - 0,5-15 мкм. Густина: повггря - 1,205 кг/м3, СаО - 3360 кг/м3, Са(ОН) - 2240 кг/м3, 7пО - 2850 кг/м3.
Граничнi умови:
1) середньо-витрачальна швидкiсть Увх пило повiтряного потоку на входi в пиловловлювач стабтьна i пiдгримувалася в iнтервалi 40-80 м/с, що вщповщало
_-5 _
витратам повiтря вщповщно: 6=13.4-10 кг/с та 6=55.0-10 кг/с. При вказаних витратах та швидкостях число Рейнольдса (Яе) складало ^е-105-106.
Порiвнюючи завихрювачi з рiзними кутами нахилу лопатей (рис. 6), треба вщм^ити, що при дослщженш Увх швидкiсть У[(г)тах розшаровуеться для рiзних кутiв нахилу лопатей i досягае максимуму, коли Увх найбiльша.
На рис. 8, б показано розподщ У [(г), Уг(г), Рст(г) для рiзних витрат газу при зберiганнi швидкосп входу в завихрювач. З рис. 8, б добре видно, що аеродинашчш характеристики течи з кутом нахилу ¡5-45° покращуеться. Так вщношення для кута /5-45° складае У([(r)mJУвх ~ 0.73, а для ¡=30°це вiдношення дорiвнюе У[г)та/Увх ~ 0.46, розрiдження по центру вiдповiдно 0,87105 i 0,97-105 Па.
п
О
О
О
"0
Рст х10"5Па 1.1
1.05
ст
1.0
25
х
0.85
Перетин II
а
ст 1.2
1.1 1.0
0.9 „
X X
Перетин II
б
Рис. 8. Розподш Ур(г), Уг(г), Рст(г) в залежност в!д кута нахилу лопаток завихрювача для витрати повпря: а - G=40•10"3 кг/с; х - р=60°; о - р=45°; * - р=30°; б - 0=13.5 10-3 кг/с; * - Р=45°; о - р=30°
На рис. 9 представлен! типов! розподши Vр(г), Уг(г), Рст(г) для витрат газу
—3 • • •
0=40-10 кг/с для р!зних перетишв по довжиш каналу.
У,м/с 100
II перетин
рстх
1.1
1.05
1.0
0.95
У,м/с 100
Рст х10Па
1.1
1.05
1.0
0.95
III перетин
Рис. 9. Розподш Ур(г), Уг(г), Рст(г) у р!зних перетинах G = 40 10 3 кг/с;
х - р=45°; о - р=30°
Провiвши анаиз кривих розподiлу, що наведеш на рис. 8, 9, можна стверджувати, що пiсля завихрювача в газоходi майже до II перетину обертання потоку проходить як квазггверде. Тобто виконуеться закон Vф=Cr, i тiльки бiля само! стiнки газоходу розвиваеться досить тонкий прикордонний шар. Спостеркаються також зони зворотних течш, при чому в перетиш близькому до завихрювача вони мають кiльцеподiбний вигляд. Далi по потоку розподш Уч(г) стае iншим, зона квазггвердого обертання скорочуеться, зменшуеться абсолютна величина У'ч(г) за рахунок тертя потоку газу о стшки i внутршнього тертя мiж шарами газу, зростае прикордонний шар. Дещо змшюеться i характер розподiлу аксiальноi швидкост Уг(г). Осьовий потiк в перетинах тсля завихрювача притиснутий до стшки, i основна маса газу тече на 1/3 радiусу. Далi по ходу потж розширюеться, займае вже 2/3 радiусу. Розподiл статичного тиску Рст(г) в перетиш II суттево вiдрiзняеться вiд розподiлу Рст(г) в перетиш III. В той же час, в перетиш II спостеркаеться досить велика зона постшного зниження тиску, яка займае майже половину дiаметра. Дай по потоку в перетиш III ця зона звужуеться i займае вже 1/5 частину дiаметру. Таке звужування, а також малий прокольний градiент по негативному тиску в центр^ певно, i е причиною виникнення зворотних течш. Перехщ Рст(г) через нульову лшш, завжди вiдповiдае точцi, де У9 мае максимальне значення.
На рис. 10 показано розподш Уч,(г), У2(г), У(г), Рст(г) в двох перетинах по довженш газоходу тсля завихрювача, що вимiрянi шаровим датчиком.
Рис. 10. Розподш У(/г), У2(г), У,-(г), Рст(г) по довженш каналу газоходу тсля завихрювача: С = 40 • 10"3 кг/с, УВх=80 м/с, шар1в датчик, /3=450
На рис. 11 в якост прикиду наведен pезyльтaти вимipiв осеpеднениx осьово!' та тaнгенцiaльноï склaдовиx швидкостi i пyльсaцiйноï складово!', при викоpистaннi зaвиxpювaчa (рис. б, б) з yстaновкою лопаток зaвиxpювaчiв по внyтpiшньомy та наружному контypax вiдповiдно на кути ß1=45° i ß2=45°. Сеpеднi кути закрутки потоюв на вxодi в робочу частину були при цьому на 1O-15 % бiльше.
а
б
0.6
0.4
0.2
Vo
У л -V.
\
J
0 1.6 3.3 ZD3 o-1 d-2 Д-3
в
Рис. 11. Експериментальнi профiлi: а - вюьово1' Vz ; б - тангенщально1' Vv; в ■ пульсацiйноi V' складових швидкостi в перетинах I—III, V0=VBX
Вимiри проводилися вiдповiдно по перетинам:
I перетин Z/D3=0 (тобто зразу за завихрювачем);
II перетин Z/D3=1,6 Z=0,08 м;
III перетин Z/D3=3,3 Z=0,165 м.
_о с
При цьому швидкiсть VBX=50 м/с, G=2610 кг/с, Re~10 .
З рис. 11 видно, що на вщсташ близько Z/D3=3,3 (0,165) в!д завихрювача потоки практично повшстю змiшанi, що вiдображено вир!внюванням профтю вюьово1' складовоi швидкостi i суттевим затуханням тангенцiальноi складовоi. Генеращя турбулентних пульсацiй проходить близько межi роздту потокiв, що можна пояснити наявшстю радiального градiента тангенцiальноi складовоi, осереднено1' швидкост! Максимальне значення турбулентних пульсацш швидкостi досягаеться на вiдстанi Z/D3=2,5 вщ завихрювача i складае приблизно 20 % вiд максимально!' рiзницi тангенцiальноi компоненти швидкост!
Для пор!вняння ефективносп завихрювач1в що розглядаються (рис. 6, а, б) з точки зору генераци максимально1' величини енерги' турбулентносп Кщ, яка визначаеться:
Т "-77Г^' (3)
а К А-(1-а)
де a=F1/F2; ¥1 - сумарна площина отвор!в м!ж лопатками.
Пров!вши анаиз формули (3), можна стверджувати, що при ¡5=45° (а<0,5) ! однакових втратах максимальна величина енерги турбулентност вище при використанш завихрювача (рис. 6, б).
6. Результати досл1джень
Наведен! експериментальш дан! по пдродинамщ при використанш двох титв завихрювач!в (рис. 6, а, б) дозволяють передбачити, що в зон! максимальних швидкостей У^ ! Уr шсля завихрювач!в можливе протшання
пропсу aгломерaцiï чacток пилу 3a рaxyнок iнтенcивного ïx зiткнення.
Kрiм того, щоб здо6ути мaкcимaльне знaчення кутово! швидкоcтi обертaння гaзового потоку в cепaрaцiйнiй кaмерi виxрового пиловловлювaчa (2) необxiдно викориcтовyвaги зaвиxрювaчi з ß=45° i вcтaновлювaти його нижче торця гaзоxодy (aбо шaйби 9, рис. 3) га вiдcтaнi Z/D3 = 1.б, Z-G.G8 м. Ця зога квaзiтвердого обертaння потоку, тобто зош, де доcягaeгьcя мaкcимaльне знaчення V((r), Vr(r) i мaкcимaльний коефiцieнт швидкосп K=Vçmax/VBX. Сaме при вкaзaниx пaрaметрax нa моделi (рис. 3) з викориcтaнням стенду (рис. 5) визнaчaлacя зaгaльнa ефективнicть пиловловлювaння з викориcтaнням в якоcтi пилу вище вкaзaниx речовин. Дозyвaння вкaзaниx речовин в потж повiгря було приблизно постшним i дорiвнювaло конценгрaцiï чacток пилу в потоцi нa ршш Т+8 г/нм .
В тaбл. 1 нaведенi оcередненi резyльтaти дослщжень по ефективноcтi пиловловлення виxровим aпaрaтом, який модернiзовaний згiдно рекомендaцiй нaведениx вище.
Таблиця l
Ефективнicть пиловловлення виxровим aпaрaтом з зaвиxрювaчем (рис. б, а, б)
№ Brnpara ^опилов ого потоку na вкод1, кг/с 10"3 Тип пилу Ta концентрa щя na вкод1, г/нм3 Хaрaктериcтикa пилу та вкод1 Покaзники na викод1 з aпaрaтy
Гycтиna, кг/м3 Питомa повер-ня, м2/г Дисперсшс ть, мкм, (серед шй розм1р, мкм) Серед шй розм1р чacток na вкод1, мкм Концепт рaцiя пилу na викод1 г/нм3 ГДК caniтaрnо "3axиcnоï зони, дол1 Ефектив шсть пиловлов лювaчa, %
Зaвиxрювaч (рис. б, а)
1 40,0 Ca(OH)2, Т г/м3 2240 S,0 0,5-10,0 (5,0) 35+2 0,21 0,43 97,0
2 40,0 CaO, Т г/м3 33б0 3,0 2,0-20,0 (10,0) 20+5 0,30 0,б2 9б,0
3 40,0 ZnO, Т г/м3 2S50 10,0 0,5-15,0 ь (5,0) 50+5 0,14 0,29 98,0
Зaвиxрю-Л (рис. б, б)
1 40,0 Ca(OH)2, Т г/м3 2240 8,0 0,5-10,0 (5,0) 42+3 0,10 0,2 98,5
2 40,0 CaO, Т г/м3 33б0 3,0 2,0-20,0 (10,0) 22+1 0,07 0,14 99,0
3 40,0 ZnO, Т г/м3 2S50 10,0 0,5-15,0 (5,0) 55+2 0,0б 0,1 99,2
Як видно з дaниx, нaведениx в тaбл. 1, прогнозуемо резyльтaти вiдноcно пiдвищення ефективноcтi виxрового пиловловлювaчa зa рaxyнок aгломерaцiï чacтинок пилу. Досягнення мaкcимaльниx знaчень cклaдовиx швидкостей V((r), Vr(r) нa виxодi з зaвиxрювaчa пiдтверджyютьcя при екcплyaтaцiï модернiзовaного виxрового aпaрaтy.
7. SWOT-аналiз результатiв дослiджень
Strengths. Перспективним е створення Ta розвиток новиx
високоефективних та бшьш вдосконалених типiв газоочисного обладнання на основ! теоретичного обгрунтування i дослiдження процесу роздiлу фаз, видшення частинок пилу в системах з обертовими потоками. Анаиз здобутих результатiв дослщжень конструкцii завихрювача вхщного потоку на гiдродинамiку i ефектившсть роботи апарату та на процес пиловловлення свщчить про доцiльнiсть використання вихрових апарапв як високоефективних пиловловлювачiв для сухого очищення газiв. Показано, що при реаизацп процесу очищення вихлопних газiв для лопатевого завихрювача традицшно1' конструкцii з закруткою потоку в одну сторону, найбшьш ефективний кут нахилу лопаток вщповщае 45°. Завихрювач слiд встановлювати в газоходi вiд торцевого виходу в сепарацшну камеру нижче на 1,4^1,6 дiаметра завихрювача.
Weaknesses. В робот! були дослщжено гiдродинамiку i ефективнiсть роботи вихрового апарату та процес пиловловлення. Через технолопчну складшсть процесу вловлювання полщисперсного пилу недостатньо розглянуп питання математичного моделювання процесу сепарацii частинок пилу в систем! зустр!чних закручених поток1в. Також не досить ретельно розглянуто вплив на процес сепарацп ф!зико-х1м!чних властивостей пилу, i як наслщок - вщсутшсть надiйноi iнженерноi модел! вибору i розрахунку вихрових пиловловлювачiв з цилщдричною сепарацшною камерою. Не досить повно розглянуп питання напрямiв конструктивного удосконалення та компоновки радюнально!' технологiчноi схеми процесу вловлювання. Пиловловлювач мютить газопровщ забрудненого газу i як результат експлуатацп утворюються значнi об'еми дрiбнодисперсного пилу, як необхщно утилiзувати використовуючи додаткове обладнання.
Opportunities. Впровадження ви. ових апаратiв в якост очисного обладнання на промислових шдприемствах дозволить знизити промисловий негативний вплив на навколишне природне середовище, а саме на атмосферу. Немаловажним е питання щодо зменшення загрози глобальних наслiдкiв шляхом впровадження шженерних рiшень з метою очищення викид!в дрiбнодисперсних аерозолiв.
Threats. Запропонова принципова конструкц!я вихрового пиловловлювача, яка дозволяе пщвищити ефективнiсть очистки за допомогою вихрового апарату до 98-99 %, буде мютити каштальш затрати на розробку, математичний анашз, i на матерiали для апарату, але капiтальнi затрати для шдприемства будуть одноразовi.
8. Висновки
1. Дослщжено вплив конструкцп завихрювача i мюця його установки в газоход! подачi газопилового потоку на ефектившсть роботи вихрового апарата для вихрових пиловловлювач!в з цилщдричною сепарацшною камерою. Показано, що аеродинам!чш процеси, що обумовлюють характер обертання потоку i його течи в газоход! шсля завихрювача, досягае максимально можливо1' для дано1' конструкци кутово1' швидкосп обертання газового потоку в сепарацшнш камер!. Ця швидюсть однозначно пов'язана з максимально можливими значеннями складових V^r), V(r) швидкостей, як! досягаються в зон! завихрювача.
2. Встановлено, що лопатевий завихрювач, який передбачае оргашзацш в
газоходi коаксильних турбулентних потоюв, закручених в протилежш сторони дозволить проводити бшьш ефективну агломерацiю часток пилу. За результатами дослщжень розроблена принципова конструкщя вихрового пиловловлювача, яка дозволяе тдвищити ефективнiсть очистки за допомогою вихрового апарату до 98-99 %.
3. Встановлено характерш режими течп газопилового потоку у газоходi зразу тсля завихрювача в залежностi вiд його конструкцп. Показано, що для лопатевого завихрювача традицшно1 конструкцп з закруткою потоку в одну сторону, найбшьш ефективний кут нахилу лопаток вщповщае 45° , а його установка в газоходi необхщна вiд торцевого виходу в сепарацшну камеру нижче на 1,4-1,6 дiаметра завихрювача. В цих умовах перед виходом газопилового потоку в сепаратор проходить агломеращя часток пилу i на виходi газопилового потоку з торця газоходу в сепарацшний проспр, який мае максимально можливi компоненти Vq(r) i Vr(r), що забезпечують максимальне значення кутово! швидкостi потоку в сепараторг
Лiтература
1. Halich, R. V. Konstruktivnoe usovershenstvovanie vihrevyh apparatov so vtorichnymi zakruchenniami potokami [Text] / R. V. Halich, R. V. Yakuba, V. I. Sklabinskii, V. Ya. Storozhenko // Khimichna promyslovist Ukrainy. - 2013. -No. 3. - P. 75-83.
2. Akhesmeh, S. Numerical Study of the Temperature Separation in the Ranque-Hilsch Vortex Tube [Text] / S. Akhesmeh, N. Pourmahmou, H. Sedgi // American Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2008. - Vol. 1, No. 3. -P. 181-187. doi: 10.3844/aj eassp.2008.181.187
3. Halich, R. V. Vplyv vykhidnykh prystroiv na hidrodynamiku i efektyvnist vykhrovykh pylovlovliuvachiv [Text]: PhD thesis / R. V. Halich. - Sumy, 2014. -27 p.
4. Pourmahmound, N. Numerical investigation of the termal separation in a vortex tube [Text] / N. Pourmahmound, S. Akhesmeh // Proceedings of world academy of science, engineering and technology. - 2008. - Vol. 33. - P. 409-415.
5. Pavlychenko, A. V. Rozrobka sposobiv znyzhennia rivnia ekolohichnoi nebezpeky vid pylovykh vykydiv v vuhilnykh shakhtakh [Text] / A. V. Pavlychenko, V. Ye. Kolesnyk // Geo-Technical Mechanics. - 2016. - No. 127. - P. 141-150.
6. Nezhad, H. Numerical three-dimensional analysis of the mechanism of flow and heat transfer in a vortex tube [Text] / H. Nezhad, R. Shamsoddini // Thermal Science. - 2009. - Vol. 13, No. 4. - P. 183-196. doi:10.2298/tsci0904183n
7. Kolesnyk, V. Ye. Sposoby i zasoby pidvyshchennia ekolohichnoi bezpeky skydu shakhtnykh vod v poverkhnevi vodoimy [Text]: Monograph / V. Ye. Kolesnyk, T. I. Dolhova, D. V. Kulikova, A. V. Pavlychenko. - Dnipro: Litohraf, 2016. - 132 p.
8. Halich, R. V. Razrabotka i vnedrenie vihrevyh pyleulovitelei so vstrechnymi zakruchennymi potokami [Text] / R. V. Halich, A. R. Yakuba, V. I. Sklabinskii, V. Ya. Storozhenko // Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. - 2014. -No. 3. - P. 12-15.
9. Kolesnyk, V. E. Sposoby i zasoby pidvyshchennia ekolohichnoi bezpeky masovykh vybukhiv v zalizorudnykh karierakh za pylovym chynnykom [Text] / V. E. Kolesnyk, A. A. Yurchenko, A. A. Lytvynenko, A. V. Pavlychenko. -Dnipropetrovsk: Litohraf, 2014. - 112 p.
10. Zuikov, A. L. Raspredelenie azimutal'nyh skorostei v laminarnom kontrvihrevom techenii [Text] / A. L. Zuikov, G. V. Orehov, V. V. Volshanik // Vestnik MGSU. - 2013. - No. 5. - P. 150-161.
11. Kalashnik, M. V. Tsiklotroficheskoe prisposoblenie v zakruchennyh gazovyh potokah i vihrevoi effekt Ranka [Text] / M. V. Kalashnik // ZhETF. -2008. - Vol. 133, No. 4. - P. 935-947.
