CC BY
100
УДК 622.807-047.58
Д.Е. Смирнов, (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ),
A.В. Сугак, (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ),
B.К. Леонтьев, (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ),
Я.В. Чистяков, магистрант, (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ),
Н.И. Володин, д-р техн. наук, проф., (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ В ИЦПК
Разработана конструкция инерционно-центробежного пылеуловителя-классификатора, способного улавливать пыль с высокой эффективностью, а также разделять ее по фракциям. Выполнен расчет эффективности пылеулавливания инерционно-центробежного пылеуловителя-классификатора, основанный на применении современных средств моделирования, работа которых осуществляется за счет решения уравнений гидродинамики. Были проведены экспериментальные исследования разработанного аппарата, которые подтвердили результаты вычислений. Примененная методика расчета эффективности пылеуловителя способна выполнять вычисления с высокой точностью и может быть использована при оценке эффективности в разработке новых конструкций пылеулавливающих аппаратов инерционного типа.
Ключевые слова: пылеуловитель-классификатор, математическое моделирование, пылеулавливающие аппараты.
Загрязнение атмосферы выбросами предприятий химической, строительной, машиностроительной и других отраслей промышленности стало поистине международной проблемой.
Одними из наиболее распространенных техногенных загрязнителей атмосферного воздуха являются взвешенные частицы пыли, содержащиеся в отходящих газах промышленных предприятий.
Очевидно, что решение задачи снижения выбросов пыли в окружающую среду лежит в области усовершенствования существующего, а также разработки и внедрении нового газоочистного оборудования. При этом, в некоторых производствах (таких как, производство красящих пигментов, цемента, технического углерода) требуется решить не только задачу эффективного выделения пыли из газового потока, но и ее классификации и возврата в производство, так как частицы определенного размера являются целевым продуктом.
Наибольшее распространение на промышленных предприятиях получили инерционные пылеуловители «сухого» типа, поскольку они просты в изготовлении и эксплуатации, надежны, обладают небольшим гидравлическим сопротивлением, а также способны работать при повышенной температуре и большой начальной запыленности. Однако существующие конструкции инерционных аппаратов не всегда способны эффективно
улавливать мелкодисперсную пыль [1,2], а так же не обладают возможностью разделения уловленных частиц по фракциям.
Авторами была разработана конструкция инерционно-центробежного пылеуловителя-классификатора (ИЦПК) [3], способного не только улавливать пыль, но и классифицировать ее по фракциям (рис. 1).
ИЦПК работает следующим образом. Запыленный воздух поступает в аппарат через входной патрубок 6, далее попадает в завихритель 2. С момента попадания запыленного воздуха в пространство завихрителя 2, ограниченного стенками 3 и 4, при обтекании лопаток 5, начинается процесс сепарации частиц в закрученном потоке под действием центробежных сил. Далее отделение частиц пыли от газового потока продолжается в пространстве между экраном 8 и корпусом аппарата 1.
груоая фрикция пыли
мелкая фракция пыли
Рис. 1. Инерционно-центробежный пылеуловитель-классификатор: 1 - корпус; 2 - завихритель; 3,4 - стенки; 5 - лопатки;
6 - входной патрубок; 7 - патрубок очищенного газа; 8,12 - экраны; 9 - приемный цилиндр; 10 - днище; 11 - патрубок.
I - первая ступень очистки; 11 - вторая ступень очистки
В месте, где происходит изменение направления потока, крупные частицы пыли оседают в нижнюю часть пылеуловителя и через патрубок для крупной фракции удаляются из аппарата. Газовый поток с более мелкими частицами изменяет свое направление на 180 градусов, образуя восходящий поток.
Затем поток вновь изменяет свое направление движения и поступает в приемный цилиндр 9. Процесс отделения мелких частиц пыли от газа происходит в пространстве между экраном 12 и стенкой приемного цилиндра 9. Окончательное отделение мелких частиц пыли от газа происходит в пространстве между стенкой приемного цилиндра 9 и внешней стенкой патрубка очищенного газа 7. При этом пыль выделяется из газового потока и собирается на днище 10 и через патрубок 11 удаляется из аппарата. Очищенный газовый поток попадает в патрубок очищенного газа 7 и выводится из пылеуловителя.
Авторами был выполнен расчет эффективности пылеулавливания инерционно-центробежного пылеуловителя-классификатора, основанный на применении современных средств моделирования, работа которых осуществляется за счет решения уравнений гидродинамики. Численный эксперимент на основе современных моделей турбулентного потока позволяет проводить исследования пылеуловителей при различных расходах газа, размерах дисперсных частиц, плотности пыли, температуре газа и т.д. Численный эксперимент позволяет значительно сократить объем экспериментальных исследований.
Расчет аэродинамики аппарата по газовому потоку проводился на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса с учетом турбулентного режима течения потока с использованием к-е модели турбулентности. Для нахождения параметров к и е использовались два дополнительных уравнения, содер-жащих эмпирические константы. Задача решалась методом конечных элементов. Для описания движения твердых частиц в инерционноцентробежном пылеуловителе-классификаторе использовался подход Лагранжа. Эта модель позволяет одновременно моделировать несколько раз-
А ОТ* П »«
Рис. 2. Траектории движения частиц (окрашенные в соответствии с их размерами) в нижней части ИЦПК при скорости на входе в аппарат Жвх =5 м/с
мерных групп частиц. Рассматривает траектории одиночных частиц и может достоверно описывать их движение, если имеет место упругое соударение со стенкой аппарата. Турбулентность считается общей для двух фаз и описывается к-е моделью. В качестве дисперсной фазы использовались частицы пыли диаметром от 3 до 160мкм и плотностью 3170кг/м .
Основными факторами, влияющими на эффективность работы пылеуловителя, являются скорость газового потока во входном патрубке, размеры и плотность частиц пыли. Результаты проведенного расчета приведены на рис. 2-4.
На представленных рисунках изображены траектории движения частиц (окрашенные в соответствии с их размерами) в нижней части инерционноцентробежного пылеуловителя-классификатора при скоростях на входе в аппарат Жвх =5 м/с, Жвх =11 м/с,
Жвх =17 м/с. Как видно на рис. 2-4, частицы двигаются по спирали вдоль стенки корпуса. Пр и скорости на входе в пылеуловитель Жвх =5 м/с угол отклонения траектории движения частицы от вертикали составляет приблизительно 120, при Жвх =11 м/с - 200, при Жех =17 м/с - 370. При
этом эффективность пылеулавливания увеличивается и составляет п=96,8 %, П=97,8 %, п=98,2 % соответственно.
Рис. 3. Траектории движения частиц (окрашенные в соответствии с их размерами) в нижней части ИЦПК при скорости на входе в аппарат Жвх =11 м/с
Рис. 4. Траектории движения частиц (окрашенные в соответствии с их размерами) в нижней части ИЦПК при скорости на входе в аппарат Жвх =17 м/с
В результате можно сделать выводы о том, что с увеличением скорости на входе в инерционно-центробежный пылеуловитель-классификатор Wex (м/с) увеличивается число витков спирали газового потока и,
следовательно, возрастает эффективность пылеулавливания п (%).
Также была проведена серия экспериментальных исследований. Использовалась пыль с медианным диаметром частиц d50 = 132 мкм, дисперсией о = 2,4, плотностью р = 3170 кг/м . При скорости воздуха на входе в аппарат Wx =17 м/с эффективность пылеуловителя достигаеп=98 %, гидравлическое сопротивление при этом не превышает 2300 Па. Был проведен дисперсный анализ уловленной пыли первой и второй ступенью, который показал, что частицы пыли размером менее 20 мкм улавливаются на второй ступени, частицы пыли размером 20 мкм и более улавливаются на первой ступени.
Величина средней погрешности между экспериментальными исследованиями и математическим моделированием не превысила 3 % на интервале скорости на входе в пылеуловитель от Wx =5 м/с до Wx =17 м/с.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что инерционноцентробежный пылеуловитель-классификатор позволяет осуществить эффективную очистку промышленного воздуха от пыли, а так же разделить уловленную пыль по фракциям. Конструкция пылеуловителя проста в изготовлении, не требует постоянного контроля при эксплуатации, может быть с успехом использована на промышленных предприятиях.
Примененная авторами методика расчета эффективности пылеулавливания способна выполнять вычисления с высокой точностью и может быть использована при оценке эффективности в разработке новых конструкций пылеулавливающих аппаратов инерционного типа.
Список литературы
1. Экотехника. Защита атмосферного воздуха от выбросов пыли, аэрозолей и туманов/ под ред. Л.В.Чекалова. Ярославль: Русь, Кондор-Эко, 2004.
2. Пылеуловители инерционно-центробежного типа / Н.И. Володин [и др.] // Экология и промышленность России. 2002. № 7. С. 13-14.
3. Патент 81092 U1. Российская Федерация, МПК B 01 D 45/04. Устройство для улавливания и классификации пыли по фракциям / Н.И. Володин [и др.].- Опубл. 10.03.2009. Бюл. №7.
D. Smirnov, A. Sugak, V. Leontiev, Y. Chistiykov, N. Volodin
Mathematical modeling dust collecting process in the ICPK
Construction of inertial-centrifugal dust extractor-classifier (ICPK), which can collect dust with high efficiency and separate by fractions, was creation. Calculating efficiency of dust collecting inertial-centrifugal dust extractor-classifier based using modern methods of modeling hydrodynamics processes was realized. Experimental researches of creating device
for evaluating adequacy were made. The calculating method of dust collecting efficiency makes it possible calculation with high accuracy and can be used by evaluating efficiency of new inertial-centrifugal dust collecting constructions.
Key words: extractor-classifier, mathematical modeling, dust separator.
Получено 17.03.2010
