CC BY
21ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НА ГИДРОДИНАМИКУ ВИХРЕВОГО АППАРАТА Худойбердиева Н.Ш.1, Каримов М.Ш.2
1Худойбердиева Назора Шарофовна - PhD доктор философии, доцент;
Каримов Маъруф Шухрат угли - студент, кафедра химической технологии, Навоийский государственный горный институт, г. Навои, Республика Узбекистан
Аннотация: целью исследований являлось определение более эффективной с точки зрения гидродинамики и тепломассопереноса конструкции завихрителя и его оптимальных параметров. Были изготовлены и испытаны различные конструкции завихрителей. После предварительных исследований, проведенных на лабораторной установке со стеклянным рабочим аппаратом, выбраны несколько завихрителей с учетом их гидравлического сопротивления, структуры закрученного газожидкостного потока и величины уноса жидкости газом. Следует отметить, что унос жидкости означает затухание вихрей в нижней части аппарата и, соответственно, снижение эффективности работы вихревого аппарата в целом. В работе представлены результаты экспериментального исследования
гидродинамики полого вихревого аппарата с одним и двумя тангенциальными и осевыми завихрителями. Определены гидравлические потери в канале и в завихрителях при прямоточном нисходящем движении газа и жидкости. Кроме того исследования гидравлического сопротивления аппарата вихревого типа позволяют определить энергозатраты данного аппарата на проведение комплексных процессов пылеулавливания и абсорбции или контактного теплообмена. Гидравлическое сопротивление при наличии жидкой пленки выше, чем при однофазном движении газового потока. Перепад давления в
4
исследованном вихревом аппарате не превышает сопротивления высокоэффективных циклонов и аппаратов вихревого типа других конструкций. Установлено влияние коэффициента крутки завихрителей газа, скорости газа и расхода жидкости на перепад давления в вихревом аппарате.
Ключевые слова: вихревой аппарат, тангенциальный завихрителъ, центробежная сила, коэффициент крутки, гидравлическое сопротивление, брызгоунос, пылеулавливание, абсорбции, перепад давления, корпус аппарата, мокрый пылеуловитель, центробежный сепаратор.
Для проведения процессов пылеулавливания, газоочистки, контактного теплообмена и абсорбции широкое применение находят аппараты с закруткой газового потока: циклоны, вихревые скрубберы, абсорберы и теплообменники вихревого типа [1-3]. Однако их применение ограничено условием существования противоточно-винтового взаимодействия очищаемого восходящего пылегазового потока с нисходящим движением пленки жидкости, из-за чего среднерасходная скорость движения газа по пустому сечению аппарата составляет 2,5-5,5 м/с.
В качестве других конструкций мокрых пылеуловителей, в которых может сочетаться пылеулавливание с теплообменом или пылеулавливание с абсорбцией, применяются полые газопромыватели, форсуночные скрубберы и скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури) с центробежными сепараторами. Применение вихревых скрубберов с различными типами оросительных устройств повышает эффективность пылеулавливания за счет осаждения частиц пыли на каплях и их совместного движения к стенкам аппарата под действием центробежной силы. Тонкость распыливания жидкости на капли с размерами от 100 до 10 мкм определяется конструкцией форсунок и режимом истечения жидкости. На крупных каплях наблюдается осаждение твердых частиц, а мелкие капли с размерами
менее 1 мкм почти без контакта с твердыми частицами уносятся потоком закрученного газа из аппарата.
Основная часть. Сотрудниками Навоийского государственного горного института была разработана конструкция прямоточного аппарата вихревого типа для комплексной очистки газов (рис. 1). Аппарат содержит цилиндрический корпус, в верхней части которого в противоположном направлении закреплены по два прямоугольных тангенциальных патрубка для ввода газа и жидкости. Тангенциальное расположение входных патрубков позволяет получить вихревые потоки газовой и жидкой фаз. В нижней расширенной части корпуса расположены бункер для сбора жидкости, осевой патрубок для вывода газа и боковой патрубок для вывода жидкости.
Газ подается в корпус через два верхних прямоугольных тангенциальных патрубка 2, расположенных со смещением 180 градусов, и приобретает вращательно-поступательное вихревое движение. Жидкость поступает в верхнюю часть корпуса через два прямоугольных тангенциальных патрубка 3, также получает вращательно-поступательное движение и под действием возникающих центробежных сил отбрасывается к стенке корпуса и далее стекает по его внутренней поверхности в виде тонкой закрученной пленки. Газ и жидкость движутся сверху вниз по стенке корпуса с разными скоростями и возникающая при этом относительная скорость фаз позволяет интенсифицировать тепло- и массообменные процессы между газом и жидкостью за счет постоянного обновления поверхности их контакта.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - рабочая камера вихревого аппарата; 2 - тангенциальные завихрители газа; 3 - тангенциальный завихритель жидкости; 4 - бункер-емкость жидкости; 5 - вентилятор; 6 - расходомер воздуха; 7 - расходомер воды; 8 - дифференциальный манометр диафрагмы; 9 - дифференциальный манометр для измерения перепада давления в вихревом аппарате
В случае очистки газов от твердых частиц, последние отбрасываются к стенке корпуса под действием центробежных сил, которые возникают при вихревом движении газа. Наличие пленки жидкости на стенке скруббера позволяет улавливать мелкодисперсную пыль.
Преимущества данного скруббера по сравнению с известными конструкциями заключаются в повышении эффективности гидромеханических, тепло- и массообменных процессов между газом и тонким слоем
пленки жидкой фазы за счет различных их скоростей, а также в снижении гидравлического сопротивления аппарата и упрощении его конструкции.
Для проведения экспериментальных исследований гидродинамических и тепломассообменных характеристик работы полого вихревого аппарата (ВА) в лаборатории кафедры химической технологии Навоийского государственного горного института изготовлен лабораторный стенд, схема которого представлена на рис. 1. Рабочими средами при проведении экспериментальных исследований гидродинамических характеристик ВА были воздух и вода.
При работе лабораторного стенда регулировались расходы жидкости и газа, что позволило изучить работу аппарата при различных соотношениях нагрузок по жидкости и газу.
Целью исследований являлось определение более эффективной с точки зрения гидродинамики и тепломассопереноса конструкции завихрителя и его оптимальных параметров. Были изготовлены и испытаны различные конструкции завихрителей. После предварительных исследований, проведенных на лабораторной установке со стеклянным рабочим аппаратом, выбраны несколько завихрителей с учетом их гидравлического сопротивления, структуры закрученного газожидкостного потока и величины уноса жидкости газом. Следует отметить, что унос жидкости означает затухание вихрей в нижней части аппарата и, соответственно, снижение эффективности работы вихревого аппарата в целом. Коэффициент крутки тангенциальных завихрителей газа составлял А = 2^3 и определялся по зависимости:
F ы
м>
где F - площадь поперечного сечения аппарата, м2; Fщ -площадь поперечного сечения щелей тангенциальных патрубков для ввода газа, м2; - скорость газа в щелях
завихрителей, м/с; w - фиктивная (приходящая на площадь поперечного сечения аппарата) скорость газа, м/с.
При исследовании гидродинамики вихревого аппарата лабораторный стенд работал следующим образом.
Воздух из окружающей среды через воздухозаборник подавался радиальным вентилятором высокого давления 5 в рабочую камеру вихревого аппарата 1 через верхние тангенциальные патрубки 2. Жидкость из системы водоснабжения поступала в верхнюю часть рабочей камеры 1 через тангенциальные патрубки 3. В нижней части аппарата расположен бункер 4, куда стекала вода из рабочей камеры аппарата и далее отводилась из бокового патрубка.
В рабочей камере аппарата жидкость и воздух приобретали вращательное движение и взаимодействовали между собой. Отвод воздуха из аппарата осуществлялся через осевой патрубок в нижней (торцевой) части бункера.
Расход воздуха и жидкости регулировались в соответствии с планом эксперимента. При работе аппарата замерялось его гидравлическое сопротивление и определялся брызгоунос.
Для определения брызгоуноса на выходе из рабочей камеры был установлен брызгоотделитель, в котором происходило разделение газожидкостной смеси. Уловленная жидкость из аппарата стекала в измерительную емкость.
Геометрические параметры исследованного вихревого аппарата: диаметр рабочей камеры - 100 мм, ее высота -1000 мм, следовательно, отношение высоты вихревой камеры к ее диаметру было равно 10.
Для измерения расхода воздуха использовалась стандартная измерительная диафрагма 6, а жидкости ротаметр 7. Гидравлическое сопротивление сухого и орошаемого аппарата измерялось с помощью и-образного дифференциального манометра 9.
Для определения гидродинамических характеристик вихревого аппарата были проведены замеры скоростей газа в его характерных точках.
Результаты эксперимента по определению гидравлического сопротивления сухого аппарата приведены
на рис. 2. Графики иллюстрируют монотонное увеличение гидравлического сопротивления с ростом скорости газа. С уменьшением коэффициента крутки перепад давления в вихревом аппарате существенно снижается.
1200 1000
800 600 400 200
йР, Па ■ ч щ
1 / / / /
1 V / к 1 /2
ш * / • У ' / ч
+ у // ' / ' / Л 3
X §■ ✓ /С ' 4
V/, м/с
О
12 16 20
Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления сухого вихревого аппарата АР от фиктивной скорости воздуха w:
тип завихрителя и коэффициент крутки А: 1 - тангенциально-цилиндрический, однозаходный, А = 3,0;
2 - эвольвентообразный, А = 2,8; 3 - тангенциальный, однозаходный, А = 2,7; 4 - улиточный А = 2,0
На рис. 3 представлены зависимости перепада давления в орошаемом вихревом аппарате с однозаходным тангенциальным завихрителем с коэффициентом крутки А = 2,7 от скорости газа при различных значениях отношения массовых расходов жидкости и газа (Х/О). Анализ этого графика показывает, что при постоянных нагрузках по газу увеличение расхода жидкости приводит к росту гидравлического сопротивления. Однако больший вклад в возрастание гидравлического сопротивления аппарата при
10
постоянной нагрузке по жидкости дает увеличение расхода газовой фазы.
1200
1000
800
600
400
200
йР, Па
4 *— =*
№ /
/ //. /Л // Л 1
✓ !>* У о /
V/, м/с
12
16
20
Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления вихревого аппарата с тангенциальным, однозаходным завихрителем и А = 2,7 АР от фиктивной скорости воздуха w при различных отношениях L/G: 1 - сухой аппарат; 2 - 0,36; 3 - 1,6; 4 - 3,8; 5 - 4,4
Отсутствие изломов на кривых, изображенных на рис. 3, говорит о том, что для разработанной конструкции вихревого аппарата, не характерен ярко выраженный переходный режим, который наблюдается в аппаратах с противотоком газовой и жидкой фаз. Таким образом, разработанная конструкция может устойчиво работать в широком диапазоне изменения нагрузок, как по газу, так и по жидкости.
Повышение гидравлического сопротивления в орошаемом аппарате, вероятно, подтверждает высказанные ранее предположения о вовлечении жидкости во вращательное движение за счет энергии газового потока.
Заключение. Исследования гидравлического
сопротивления аппарата вихревого типа позволяют определить энергозатраты данного аппарата на проведение комплексных процессов пылеулавливания и абсорбции или контактного теплообмена.
Гидравлическое сопротивление при наличии жидкой пленки выше, чем при однофазном движении газового потока.
Перепад давления в исследованном вихревом аппарате не превышает сопротивления высокоэффективных циклонов и аппаратов вихревого типа других конструкций.
Список литературы
1. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. Л.: Химия, 1982. 256 с.
2. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982. 200 с.
3. Николаев А.Н., Овчинников А.А., Николаев Н.А. Высокоэффективные вихревые аппараты для комплексной очистки больших объемов промышленных газовых выбросов // Химическая промышленность, 1992. № 9. С. 36-38.
