CC BY
17
УДК 004.42+621.928.93
ТОЛСТЫХ АЛЕКСАНДР ВИТАЛЬЕВИЧ, канд. физ.-мат. наук, доцент, sinvintie@rambler.ru
ДОРОШЕНКО ЮЛИЯ НИКОЛАЕВНА, канд. техн. наук, доцент, kafotopvent1 @rambler.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОПЕРАТИВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ В ЦИКЛОНАХ*
При проведении реконструкции систем вентиляции и пылеудаления в цехе по опуд-риванию зефира кондитерской фабрики «Красная звезда» (г. Томск) была разработана и апробирована компьютерная программа «Расчет циклонов». Эта программа позволяет оперативно рассчитать фракционные коэффициенты очистки, дисперсию, медианный размер улавливаемых частиц и потери давления в отдельных циклонах НИИОГАЗ и их каскадах, работающих в любом диапазоне исходных параметров. Возможность быстрого выполнения многовариантных расчетов обеспечивает выбор необходимых параметров при регулировании систем промышленной вентиляции, выбросы которых очищаются от пыли в циклонах.
Ключевые слова: эффективность пылеулавливания; циклоны; каскады; потери давления; фракционный проскок; расчет циклонов.
ALEKSANDR V. TOLSTYKH, PhD, A/Professor, sinvintie@rambler.ru
YULIYA N. DOROSHENKO, PhD, A/Professor, kafotopvent1 @rambler.ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
OPERATION CONTROL SYSTEMS OF INDUSTRIAL VENTILATION FOR EFFECTIVE GAS PURIFICATION IN CYCLONES
The paper presents the 'Cyclone computations' software designed for the reconstruction of ventilation and dust removal system in the powdering marshmallow souffle workshop of Tomsk factory 'Krasnaya zvezda'. This program allows a quick calculation of fractional decontamination factors, dispersion, median size of trapped particles and pressure loss in NIIOGAZ cyclones and their cascades operating in any range of initial parameters. The possibility is shown for the quick performance of multiple calculations to select the required parameters under the industrial ventilation system control, the dust removal of which occurs in cyclones.
Keywords: dust collection efficiency; cyclones; cascades; pressure loss; fractional slip; cyclone computations.
* Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Минобрнауки РФ (№ 02.G25.31.0022).
© Толстых А.В., Дорошенко Ю.Н., 2015
В различных современных технологических процессах возникает потребность в очистке вентиляционных выбросов от выделяющихся с газами тонкодисперсных пылей. Большинство современных производителей пылега-зоочистного оборудования предлагают использовать в системах очистки воздуха для промышленных предприятий различные типы фильтров [1, 2]. Эти устройства имеют высокую стоимость по сравнению с инерционными пылеуловителями, и их эксплуатация невозможна без использования дополнительных устройств для регенерации фильтровального материала. В то же время инерционные пылеулавливающие аппараты даже при внешней простоте их конструкции продолжают соперничать с аппаратами других принципов пыле-газоочистки [3, 4]. Несмотря на значительное количество экспериментальных и теоретических исследований, в настоящее время еще не сложился единый подход к расчету инерционных пылеуловителей. Рекомендации по компоновке инерционных пылеуловителей приведены в работе [5]. В исследовании [6] разработана математическая модель пылеулавливания в циклоне и создано на ее основе программное обеспечение для расчета и проектирования новых типов циклонов, авторами работы [7] предложена другая вычислительная технология расчета аэродинамики циклонной камеры. В работе [8] представлена автоматизированная система исследования циклонов и скрубберов, а также отмечено, что в настоящее время отсутствует программное обеспечение для прогнозирования работы пылеуловителей. Согласно [9], методики расчета циклонов НИИОГАЗ [10] можно считать полными, строгими и достаточно точными, естественно, для определенного типа циклонов и рабочих условий. Именно эти способы расчета, а также универсальный метод расчета инерционных пылеуловителей [9] были положены в основу алгоритма, реализованного в программе «Расчет циклонов», разработанной авторами статьи.
Необходимость разработки программы для расчета циклонов возникла при выполнении проекта реконструкции систем вентиляции и пылеудаления в цехе по опудриванию зефира кондитерской фабрики «Красная звезда» (г. Томск). В уже существующей системе пылеудаления цеха по опудриванию зефира были установлены 4 противоточных циклона, конструктивная схема которых полностью аналогична схеме циклонов НИИОГАЗ ЦН-15. С целью обеспечения регулирования и настройки систем вентиляции и пылегазоочист-ного оборудования разработана специальная компьютерная программа «Расчет циклонов», предназначенная для выполнения расчетов эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления каскада циклонов при любых изменениях режимов работы технологического оборудования цеха, определяющих фракционный состав пыли сахарной пудры и влияющих на тепловлажностные параметры внутреннего воздуха.
Фракционный коэффициент очистки циклонных аппаратов %, достаточно точно описывается выражением, выведенным путем математической обработки уравнения для вероятностных функций:
^5= 50 (1 + Ф( х)),
(1)
где функция Ф(х) в соответствии с указаниями [10] определяется следующей зависимостью:
( х I 2 Ф(х) = егГ IГ ехр (-г2 )
^л/2) уЫ 0 V 7
(2)
Применительно к циклонам значение х наиболее удобно определять, пользуясь выражением, предложенным В.Ю. Падва:
18
55о,ц К -103
х = -
РтК
С„
(3)
где 5 - диаметр частиц, мкм, улавливаемых в циклоне с эффективностью п5; 550,ц - диаметр частиц, мкм, улавливаемых в условном циклоне с эффективностью 50 %, определяется из справочной таблицы [10]; сц - величина, характеризующая дисперсию частиц, улавливаемых циклоном; Жц - условная скорость в плане корпуса циклона, м/с; К - коэффициент, связанный с типом циклона [10]; рт - плотность вещества пыли, кг/м3; Б - внутренний диаметр циклона, м; ц - вязкость газа, н-с/м2.
Условная скорость, м/с, определяется из отношения объемного расхода газов Qp к полному поперечному сечению корпуса циклона:
4бр
Ж, =-
кБ23600
(4)
Полная эффективность очистки газов в одиночном циклоне п0, %, рассчитывается по выражению
П0 = 50 (1+ Ф (х')),
(5)
где
18
550,цК -103
х =-
РтК
>/< +18
(6)
где 550 - медиана распределения частиц пыли при входе в циклон, мкм; ст = 550 / 516 - величина, характеризующая распределение частиц пыли по дисперсному составу; 516 - диаметр частиц пыли на входе в циклон, при котором
суммарный вес всех частиц, имеющих размер, меньший, чем 516, составляет 16 % от общего веса пыли.
При групповой компоновке циклонов величина коэффициента очистки газов по сравнению с ее расчетным значением для одиночных циклонов несколько снижается. При очистке газов с высокой концентрацией пыли эффективность очистки увеличивается. Коэффициент очистки газов при концентрации пыли более 20-10-3 кг/м3 подсчитывается для неслипающихся пылей по следующей зависимости:
100 -Л0
Пк =П0 0,12^вх 18(0,ЦХ), (7)
где - эффективность очистки при запыленности 10-2 кг/м3, определяется по формуле (5); гвх - концентрация пыли на входе в аппарат, г/м3. Формулой (7) можно пользоваться при концентрации пыли до 0,15 кг/м3.
Для повышения общей эффективности очистки газов циклоны могут быть установлены последовательно в каскады. Коэффициент проскока для каскада т циклонов, установленных последовательно, определяется по формуле
К5,к = К5,1 - К5,2 - - - К5,1 , (8)
где К5л - коэффициенты проскока циклонов НИИОГАЗ, рассчитываемые по зависимостям (1) - (4). Однако, как показано в работе [9], воспользовавшись экспериментальными данными и расчетными графиками [10], выражения для коэффициентов проскока для циклонов НИИОГАЗ можно привести к виду
К5= ехр (-аБЛп), (9)
Ж
где а, п - постоянные, характеризующие тип циклона [9]; = х-^- - число
Стокса для циклона.
По приведенным выше зависимостям (1) - (4), (8), (9) выполняются расчеты фракционных коэффициентов проскока в компьютерной программе «Расчет циклонов», а также определяются фракционные коэффициенты очистки в соответствии с формулой
П5= 1 - К5. (10)
Общий коэффициент очистки может быть посчитан с достаточной для практических целей точностью [10] по фракционным коэффициентам очистки и фракционному составу пыли:
1 п
^=100 £ (('Ф') (11)
где ^фр, i - фракционные коэффициенты очистки газов в данном циклоне, %; Фг- - весовое количество частиц данной фракции (процентное содержание
к общему количеству пыли); i - порядковый номер фракции, изменяющийся от 1 до п. Таким образом, при работе программы сначала рассчитываются фракционные коэффициенты очистки по формуле (10), а затем вычисляется общий коэффициент очистки по формуле (11).
Кроме расчета параметров, характеризующих эффективность очистки газа от пыли в циклонах НИИОгаз, компьютерная программа «Расчет циклонов» дает возможность определения гидравлического сопротивления циклонов. Согласно указаниям [10] зависимость коэффициента сопротивления циклона от его диаметра и концентрации пыли выражается формулами
С Ц = K1К2С Ц,500, (12)
С Ц = K1К2С Ц,500, (13)
где Сц500, Охш - коэффициенты полного сопротивления циклона и для сети
[10] при D = 500 мм; Kb K2 - поправочные коэффициенты на влияние диаметра циклона и запыленности газа соответственно [10].
На основании полученного значения коэффициента сопротивления циклона, зная плотность газов в рабочих условиях рг, можно вычислить и соответствующие потери давления, Па, по следующей формуле:
Л^ = Сц-^. (14)
Справочные данные по коэффициентам K и K2, приведенные в виде таблиц 10], для удобства использования в компьютерной программе аппроксимированы полиномиальными зависимостями.
Компьютерная программа «Расчет циклонов», реализующая описанные выше методы расчета пылегазоочистного оборудования, разработана с использованием языка программирования Delphi. На рис. 1 представлено основное рабочее окно программы.
Перед началом расчета необходимо ввести часть исходных данных, связанных с параметрами газа и частиц: Qp - расход подаваемого газа, м3/ч; t -температуру воздуха, °С; гвх - запыленность газов на входе, 103 кг/м3; ц - динамическую вязкость воздуха, Пас; р - плотность воздуха, кг/м3; рт - плотность частиц пыли.
Далее, после того как будет указано количество фракций в улавливаемой пыли, следует задействовать кнопку «Ввести таблицу фракционного состава» и после появления специальной таблицы заполнить таблицу, содержащую данные об исходном составе пыли (размер фракций, мкм; граничный размер частиц, мкм; фракционный состав, %).
На первом этапе проводится расчет 1-го циклона, результаты которого включают фракционные коэффициенты проскока и очистки, общий коэффициент очистки, запыленность газов на выходе, медианный размер частиц, дисперсию на выходе, потери давления и коэффициент сопротивления в циклоне (рис. 2).
linHIOMHHIb fUL'HLM 1 ■ I Li IjKF nittlil
ВЫХОД
Рис. 1. Основное рабочее окно программы «Расчет циклонов»
Рис. 2. Результаты расчета 1-го циклона в программе «Расчет циклонов»
На следующем этапе можно провести расчет каскада, состоящего из любого числа последовательно установленных циклонов. В итоге в специальной форме, показанной на рис. 3, будут отражены те же результаты, что и при расчете первого циклона, а также фракционные коэффициенты очистки и общий коэффициент очистки в каскаде. Все результаты расчета могут быть переданы в MS Excel при необходимости дальнейшей обработки.
Как показала эксплуатация реконструированной вытяжной системы вентиляции в цехе по опудриванию зефира фабрики «Красная звезда», компьютерная программа «Расчет циклонов» представляет собой средство, дающее возможность технологу быстро выполнить достаточно сложный и трудоемкий расчет циклонов, учитывающий изменение параметров воздуха в цехе или состава пыли сахарной пудры, для регулирования их режимов работы с целью обеспечения требуемой очистки газовых выбросов.
(Зр.м:"3/ч|2105 I, С гек. 10"3кг/м"3 |[П ^ Па С 17 75Е-6
Рис. 3. Расчет каскада циклонов в программе «Расчет циклонов»
В табл. 2 представлен один из вариантов характеристик системы из двух последовательно установленных циклонов в цехе по опудриванию зефира, рассчитанный с помощью компьютерной программы «Расчет циклонов». В качестве исходных данных принимались значения, приведенные в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные для расчета циклонов
Обозначение QP ^вх рт р
Размерность м3/ч °С 10-3кг/м3 кг/м3 кг/м3 Па-с
Значение 2105 21 0,1 1583 1,2 17,75-10-6
Таблица 2
Результаты расчета каскада из двух циклонов
ЕТТА0 31,045
2вых, 103,кг/м3 0,015
ББЬ50 4,561
БЮЫА 3,125
ББЬр 3032,312
233,41
ЕТТАОкас 64,214
Окончание табл. 2
Расчет по фракциям
ББЬ Ые1 ЕТТАфр ЕТТАфр каскада
5,0 0,42945 57,05511 81,55736
10,0 0,20203 79,79651 95,91819
20,0 0,04850 95,14950 99,76473
40,0 0,00326 99,67390 99,99894
60,0 0,00024 99,97550 99,99999
Таким образом, компьютерная программа «Расчет циклонов» позволяет рассчитывать фракционные коэффициенты очистки, дисперсию, медианный размер улавливаемых частиц и потери давления в отдельных циклонах НИИОГАЗ и их каскадах, работающих в любом диапазоне исходных параметров. В исходных данных программы учтены все конструктивные параметры циклонов и характеристики пыли, влияющие на определение эффективных режимов работы пылегазоочистного оборудования. Разработанная программа может быть использована для регулирования работы систем промышленной вентиляции, выбросы которых очищаются от пыли в циклонах.
Библиографический список
1. Фирсов, Д.Н. Современные технологии в аспирации и газоочистке (ООО ТД «Эко-фильтр») / Д.Н. Фирсов // Сб. докладов VII Международной конференции пылегазо-очистка-2014. - М. : ООО «Интехэко», 2014. - С. 7-10.
2. Горелкин, Д.Н. Комплексные решения в области пылегазоочистки на примере проектов, реализованных ЗАО «СовПлим» / Д.Н. Горелкин // Сб. докладов VII Международной конференции «ПЫЛЕГАЗ00ЧИСТКА-2014». - М. : ООО «Интехэко», 2014. - С. 32-35.
3. Чекалов, Л.В. Формула газоочистки / Л.С. Чекалов. - Семибратово : Кондор-Эко, 2008. -224 с.
4. Приходько, В.П. Основные принципы создания энергосберегающих устройств циклонного типа / В.П. Приходько, О.А. Пирогова, Е.М. Прохоров // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2006. - № 10. - С. 32-33.
5. Шиляев, М.И. Оптимизация компоновки инерционных пылеуловителей / М.И. Шиляев, Ю.Н. Дорошенко // Материалы I Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью». - Кемерово : КузГТУ, 2010. - С. 239-244.
6. Соболев, А.В. Математическое моделирование процесса пылеулавливания в многосекционном циклоне : дис. ... канд. техн. наук. - Брянск, 2005. - 154 с.
7. Бубенчиков, М.А. Расчет аэродинамики циклонной камеры / М.А. Бубенчиков, И.А. Иванова // Вестник Томского государственного университета. - 2011. - Т. 13. -№ 1. - С. 67-73.
8. Асламова, В.С. Автоматизированная система исследования циклонов и скрубберов / В.С. Асламова, А.А. Жабей // Известия Томского политехнического университета. Энергетика. - 2010. - Т. 316. - № 4. - С. 71-76.
9. Шиляев, М.И. Методы расчета пылеулавливающих систем / М.И. Шиляев. - М. : Форум, 2013. - 402 с.
10. Циклоны НИИОгаз: Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. - Ярославль : Ярославское книжное издательство, 1970. - 250 с.
References
1. Firsov D.N. Sovremennye tekhnologii v aspiratsii i gazoochistke (OOO TD 'Ekofil'tr') [Modern technology in gas extraction and cleaning (OOO TD "Ekofiltr")]. Coll. Papers 7s Int. Conf. 'Dust and Gas Treatment 2014'. Moscow : OOO 'Intekheko', 2014. Pp. 7-10. (rus)
2. Gorelkin D.N. Kompleksnye resheniya v oblasti pylegazoochistki na primere proektov, real-izovannykh ZAO «SovPlim» [Integrated solutions on gas treatment implemented by ZAO 'SovPlim']. Coll. Papers 7s' Int. Conf. 'Dust and Gas Treatment 2014'. Moscow : OOO 'Intekheko', 2014. Pp. 32-35. (rus)
3. Chekalov L.V. Formula gazoochistki [Gas treatment scheme]. Semibratovo : 'Kondor-Eko', 2008. 224 p. (rus)
4. Prikhod'ko V.P., Pirogova O.A., Prokhorov E.M. Osnovnye printsipy sozdaniya energos-beregayushchikh ustroistv tsiklonnogo tipa [Basic principles of energy-saving cyclone devices]. Chemical and Petroleum Engineering. 2006. No. 10. Pp. 32-33. (rus)
5. Shilyaev M.I. Optimizatsiya komponovki inertsionnykh pyleulovitelei [Optimization of inertial dust collector configuration]. Proc. 1st Int. Sci. Conf. 'Problems of Construction Industry and Real Estate Management'. Kemerovo : KuzSTU Publ., 2010. Pp. 239-244. (rus)
6. Sobolev A.V. Matematicheskoe modelirovanie protsessa pyleulavlivaniya v mnogosektsion-nom tsiklone [Mathematical simulation of dust collection in multisection cyclone. PhD thesis]. Bryansk, 2005. 154 p. (rus)
7. Bubenchikov M.A., Ivanova I.A. Raschet aerodinamiki tsiklonnoi kamery [Aerodynamic computations of cyclone chamber]. Vestnik TSUAB. 2011. V. 13. No. 1. Pp. 67-73. (rus)
8. Aslamova V.S., Zhabei A.A. Avtomatizirovannaya sistema issledovaniya tsiklonov i skrub-berov [Automated system for research cyclones and scrubbers]. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Energetics. 2010. V. 316. No. 4. Pp. 71-76. (rus)
9. Shilyaev M.I. Metody rascheta pyleulavlivayushchikh sistem [Methods for calculating the dust collecting systems]. Moscow : Forum, 2013. 402 p. (rus)
10. Tsiklony NIIOgaz: Rukovodyashchie ukazaniya po proektirovaniyu, izgotovleniyu, montazhu i ekspluatatsii [Guidelines for design, construction, installation and operation]. Yaroslavl' : Ya-roslavskoe knizhnoe izdatel'stvo, 1970. 250 p. (rus)
