CC BY
54
ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 621.928.9(035)
Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк, А.М. Аль Замили,
П.К. Сеначин, А.Р. Богомолов, П.В. Дадонов
ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛАВЛИВАНИЯ
ЛАБИРИНТНОГО ЗОЛОУЛОВИТЕЛЯ
Введение
По прогнозам министерства природных ресурсов РФ с 2030 г. первенство в топливноэнергетическом балансе в России займут уголь и атомная энергетика, что потребует конструктивного и технологического совершенствования золоочистного оборудования.
В котельной технике для сухой очистки газа от твердых частиц в основном используются центробежные и инерционные золоуловители.
Технические, экономические или технологические разработки, направленные на повышение эффективности таких золоуловителей, невозмож-
ны без изучения гидродинамических особенностей процесса осаждения частиц и их движения в несущем газовом потоке. Создание математической модели движения аэрозольной частицы в турбулентном потоке позволяет оценить эффективность золоулавливания и выявить влияющие на нее факторы.
В последнее время выполнено много экспериментальных и теоретических исследований [1-3] для разработки индустриальных установок, применяемых для очистки запыленных потоков. Одной из возможных конструкций золоуловителей является лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ) с
Рис. 2. Схема модели ЛЗУ
Таблица 1 Значения коэффициентов для RNG к-г модели турбулентности
С, Ок Оє Оь От Сє1 Сє2 Сє3 Сє4 к Е По Р
0,085 0,719 0,719 0,9 0,9 1,44 1,92 0 или 1 * 0,387 0,4 9,0 4,38 0,012
* Сє3 = 1,42 при Рв > 0 и ноль иначе
улавливающими карманами [4], обеспечивающими рост КПД улавливания в 1,1-1,4 раза (рис. 1).
Цель настоящего исследования - изучить аэродинамику запыленного потока через улавливающие карманы и определить эффективность в зависимости от геометрии каналов ЛЗУ для разных скоростей потока.
Описание экспериментальной установки
Модель лабиринтного золоуловителя (рис. 1, 2) высотой 40 мм состоит из двух извилистых каналов, образованных пластинами в форме полуокружностей. Входные и выходные щели образованы с помощью перегородок. Перегородки представляют собой пластины, один конец которых загнут с радиусом кривизны г = 10 мм. Пластины и перегородки закреплены между двумя пластинами из оргстекла. Вдоль канала улавливающие карманы изолированы перегородками [4]. Постановка проблемы
Для рассматриваемых несжимаемых потоков жидкости в декартовой системе координат уравнения Навье-Стокса (неразрывности и движения) газового потока, осредненные по Рейнольдсу, имеют вид [5]
У = 0.
Н \ ^ Н _ \ 1 НР ^ Н Лч п п\
— (и,)+ £—(и чиї) = — + (----щи})
Ні Нх ■ р Нхг- “I Нх ■ р
где
(
%ц = ц
Ни
Нх
V ч 1
ґ - время; р - плотность; Хі - декартова координата
(і = 1, 2, 3), (х , у , ¿) соответственно; и, - компонента скорости жидкости в направлении хі, (и, V,
м>) соответственно; р = Рц - р0 ёт хт; р5 -статическое давление; р0 - начальная плотность; ёт - проекция вектора ускорения свободного падения; хт - координаты точки, в которой определена плотность.
Для замыкания системы уравнений динамики несжимаемой жидкости плотность рассчитана с помощью уравнения состояния идеального газа
Р
р =----; где Я - универсальная газовая постоян-
ЯТ
ная; Т - температура.
КЫв (к-є) - модель турбулентности, использованная для описания турбулентного течения несущей фазы в золоуловителе, имеет стандартный вид [5]:
Н Н
— (рК) + — Ні Нх,
(
\
-7 / Мг ч НК
ри7К - (ц +— ) —
°К Нх7
к 7 У
/г. г. ч 2. Ниі ,чНиг-.
= ц(р + Рв )— рє —- — + рк) —;
3 Нх Нх
Н ( \ Н
—(рє)+—
Ні Нх,.
- цг Нє
ричє- (ц+ — )— <зє Нх7
є 7
п 2 Ниі Ниі
Цр—т (Ц^+рк ^
3 Нх,- Нх,-
+ Сє3 3 ц3В
^ В2 ^ ды, сц^3(1 /) р82
-Св2^ + СвАРВ—-----------ц о з----------V
к дх, 1 + р^3 к
где турбулентная вязкость связана с к и е следую-
г Р к2 «
щим выражением ^ = Сц-----------; о - турбулент-
ц В
ное число Прандтля; Св1, Св2> Св3 и Св4 - коэффициенты, значения которых приведены в табл. 1. Расчет движения частиц, взвешенных в турбулентном потоке газа, можно описать в рамках стохастического лагранжевого подхода [6].
Уравнение сохранения для движения твердых частиц в турбулентном газовом потоке имеет вид:
Лир т —р = т
тр ж тр
ж2
^2 = Ррг + Рр + Рат + РЬ
где Ррг = - СЭ р Ар
и—и,
’ — ир ) - сила
сопротивления; ^ = — Ур Ур - сила давления; Ур - объем частиц; Ур - градиент давления в жид-
кости; Рат Сат р ^р
Л (ир — и)
; Сат кон-
станта;
Рь = тр
g-(ox((oxr)-2((oxu )
сила тяжести, где g - вектор ускорения силы тяжести; СО - вектор угловой скорости; г - вектор расстояния к оси вращения;
- коэффициент сопротивления частицы в случае несжимаемого потока является функцией числа
Рейнольдса [6]; Ие =
ёр\ы — ыр\
Ыр - диа-
метр и скорость частицы, ы - скорость газовой фазы.
Уравнение движения частиц в несущем газовом потоке решается с использованием численной схемы Рунге-Кутта 2-го порядка точности. Математическое моделирование
В работе изучены три разных конструкции ЛЗУ: без перегородок (рис. 3); с перегородками и закрытыми щелями (рис. 4); с перегородками и открытыми щелями (рис. 5) - для разных входных скоростей (4, 6, 8 и 10 м/с) и разных высот ЛЗУ (40, 60, 80 и 100 мм). На рис. 6 представлены но-
мера карманов.
Эффективность улавливания дисперсного материала в эксперименте определялась весовым методом с помощью ситового анализа: є= Мул / Мо 100% , где Мул - масса уловленных частиц, М0
- масса подаваемых на входе частиц.
Проведение вычислительного эксперимента в данной работе базировалось на использовании метода контрольных объемов (F.V.) и SIMPLE алгоритма (CD- adapco \ STAR-CD 4.06). Система автоматизированного проектирования (CAD) -программа (SolidWorks 2011) использовалась для построения моделей конфигураций.
Для турбулентных течений используются стандартные значения параметров на стенке - “закон стенки”, мягкие граничные условия на выходе из канала и соответствующие условия для всех переменных на входе в канал. Для частиц использовался закон упругого соударения со стенками
канала.
Обсуждение результатов
Одним из важных аспектов численного моделирования является сравнение результатов вычислений с данными эксперимента. На рис. 7 приведены численные и экспериментальные значения перепада давления между выходными и входными щелями карманов.
Ряд результатов расчетов приведен на рис. 811. Подробная картина полей скорости в характерных областях ЛЗУ качественно не противоречит ожидаемой картине течения и служит для расчета эффективности золоулавливания (рис. 9-11).
На рис. 9 приведены зависимости эффективности ЛЗУ для разных входных скоростей. При этом получено, что эффективность ЛЗУ с открытыми щелями больше, чем эффективность ЛЗУ с закрытыми щелями и без перегородок. Отсюда видно, что рециркуляция части потока через входные и выходные щели, образованные перегород-
1-----------1-----------1----------1----------1----------1----------
4 б 8 10
Входная Скорость (м/с)
Рис. 8. Поля скорости в сечении кармана 0-2 (входная скорость 6 м/с)
Рис. 10. Эффективность ЛЗУ для разной высоты каналов
Рис. 9. Эффективности ЛЗУ для разных входных скоростей
Рис. 11. Эффективность ЛЗУ с открытыми щелями карманов для разных выходных скоростей
Теплофизика
101
ками, играет существенную роль в улавливании частиц. Эффективность ЛЗУ увеличивается с повышением скорости, т.к. траектории движения частиц смещаются к стенке с повышением скорости, что способствует лучшей сепарации частиц.
Влияние высоты каналов на эффективность ЛЗУ при их постоянной ширине показано на рис.1 0. Эффективность улавливания ЛЗУ снижается с ростом высоты каналов.
Эффективность карманов ЛЗУ с открытыми щелями показана на рис.11,откуда видно, что эффективность внутреннего кармана 1-2 больше, чем у других карманов для всех конструкций ЛЗУ. За исключением внутреннего кармана 1-3, эффективность карманов растет с повышением скорости. На рис. 12. показаны траектории частиц в ЛЗУ
Рис. 12. Траектории частиц в ЛЗУ
Заключение
Таким образом, в работе экспериментально и теоретически изучено влияние входной скорости и высоты лабиринтного золоуловителя на аэродинамику и эффективность улавливания ЛЗУ. Результаты, приведенные выше, подтверждают, что
- наличие рециркуляционных щелей повышает эффективность ЛЗУ;
- эффективность ЛЗУ снижается с увеличением высоты ЛЗУ при постоянной ширине каналов ЛЗУ;
- эффективность наружных карманов 0-1 и О2 повышается с увеличением высоты ЛЗУ при постоянной ширине каналов;
- рециркуляция части запыленного потока через улавливающие карманы, образованные перегородками значительно повышает эффективность ЗЛУ.
Примененная методика исследования процессов сепарации частиц в ЛЗУ показала свою работоспособность и может быть использована для аналогичных конструкций золоуловителей после соответствующего выбора модели турбулентности, связанной с особенностями течения запыленных потоков в извилистых каналах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Темникова, Е. Ю. Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями: дис. ... к-та техн. наук: 05.26.01: защищена 26.02.10. - Кемерово, 2010. - 175 с.
2. Bhasker, C. Flow simulation in industrial cyclone separator / C. Bhasker // Advances in Engineering Software. - 2010. - Vol. 41. - P. 220-228.
3. Vaitiekunas P. Analysis of numerical modelling of turbulence in a conical reverse-flow cyclone / Petras Vaitiekünas, Inga Jakstoniene // J. Envir. Eng. and Land. Manag. - 2010. - Vol. 18, No. 4. - P. 321-328.
4. Пат. № 2031691 РФ, МПК В 01 D 45/08. Пылеуловитель лабиринтного типа / Е.М. Пузырев, С.М. Кисляк, А.М. Сидоров // Изобретения.- 1995. - № 9. - С. 115.
5. Carmona M. A numerical study of the flow in a cyclone separator using the k-e realizable turbulence model / Mauricio Carmona, Cristobal Cortes, Antonio Ramirez // V European Conference on CFD. - Lisbon. -Portugal. 2010.
6. Kartushinsky A. Numerical simulation of uprising gas and solids flow in Cfb by Euler/Euler approach / Alexander Kartushinsky, Andres Siirde, Ülo Rudi, Alexander Shablinsky // 10th International Symposium Pärnu
- Estonia. - 2011.
□ Авторы статьи:
Алтухов Юрий Александрович, докт.физ.-мат.наук, профессор каф. вычислительной математики и программирования АлтГПА Email: Yuri Altukhov@mail.ru
Кисляк
Сергей Марксинович, канд.техн.наук, доцент каф. теплога-зоснабжения и вентиляции АлтГТУ им. И.И. Ползунова Email ksm5 8 @rambler.ru
Аль Замили Али Мирали Джасим, аспирант каф. теплогазоснабжения и вентиляции АлтГТУ им. И.И. Пол-зунова.
Email: alimeer2004@vahoo.com
Сеначин Павел Кондратьевич, докт.техн.наук, профессор каф. двигателей внутреннего сгорания АлтГТУ им. И.И. Ползунова . Email senachinpk@mail.ru
Богомолов Александр Романович, докт.техн.наук, доцент, проф. каф. процессов, машин и аппаратов химических производств КузГТУ, с.н.с. Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Email: barom@kuzstu.ru. т. 39-63-32
Дадонов Петр Васильевич, канд.техн.наук, научн.сотр. Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Тел. 8(3852)39-63-32
