Оптимизация инерционно-сепарационной техники в экологии Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Тразанова Е.А., Ветошкин А.Г. ОПТИМИЗАЦИЯ ИНЕРЦИОННО-СЕПАРАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ В ЭКОЛОГИИ

Для обезвреживания аэрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые и электрические методы. В основе сухих методов лежат гравитационные, инерционные, центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. При использовании мокрых методов очистка газовых выбросов осуществляется путем тесного взаимодействия между жидкостью и запыленным газом на поверхности газовых пузырей, капель или жидкой пленки. Электрическая очистка газов основана на ионизации молекул газа электрическим разрядом и электризации взвешенных в газе частиц.

Инерционные сепараторы применяются для предварительной очистки газа с целью снижения запыленности газа, поступающего в последующие аппараты газоочистки, а также для защиты их от износа. Скорость газа на входе в аппараты инерционного улавливания относительно высокая - от 15 м/с и выше, поэтому они имеют небольшие габариты и металлоемкость. Эти аппараты имеют малое гидравлическое сопротивление и могут встраиваться непосредственно в газоходы.

Улавливание частиц аэрозолей (пыли, капель) в инерционных сепараторах осуществляется за счет резкого изменения направления движения газового потока. В результате частицы аэрозоля, двигаясь по инерции, сепарируются из потока на стенки сепаратора, а затем отводятся в бункер.

Скорость частицы изменяется в результате приложения к ней силы или удаления этой силы. Характер движения частиц, размеры которых превосходят длину свободного пробега молекул, в основном определяются инерционными, гравитационными силами, и сопротивлением среды.

Для описания движения твердой частицы в потоке газа можно использовать баланс сил, воздействующих на частицу:

Е - Е - Е = 0 ,

с и т '

где Е - сила сопротивления (давления) потока газа на частицу; Еи ” сила инерции частицы; Ет - сила тяжести.

Сила тяжести (в рассматриваемых условиях движения мелких твердых частиц) на несколько порядков меньше силы аэродинамического сопротивления. Для мелких частиц размером до 7 0 мкм можно принять

Ет » 0 .

Оценка режима движения и осаждения частиц позволяет выявить кинетику и динамику поведения взвешенных в газовом потоке частиц в условиях инерционного механизма осаждения и взаимодействия потока с дисперсными частицами.

При очистке газа от взвешенных дисперсных частиц в сепараторах с инерционно-центробежным механизмом осаждения типа циклонов режим движения и осаждения будет определяться величиной скорости потока газа У0 , входящей в критерий Рейнольдса для газового потока, при его разгоне в сопловом насадке сепаратора:

Яе, = ^ < Ке , (1)

И к

где V - осредненная скорость потока газа в сопловом насадке; 1 - характерный размер соплового насадка; Ке~^ «2300 - критическое значения критерия Рейнольдса газа перехода ламинарного ре-

жима в турбулентный при течении в канале (трубе).

Оценим значение числа Рейнольдса газового потока при различной величине характерного размера 1 щели сопла и скорости У0 . За характерный размер 1 плоского сопла на входе в сепаратор при отношении его длины (высоты) Ь к его ширине Ь0 :

ь / ь ^ 10,

можно принять

, 4 • Ь • Ь0 2 • Ь • Ь0 2-10 • 6р2 20 • ^ ^ ^

2(= + Ь0) Ь + Ь0 (10 +1)60 11 ~ ' 0 '

В практике пылеочистки в узком сечении (щели) сопла инерционно-центробежного сепаратора приняты следующие параметры: У0 = 10...20 м/с и Ь0 > 5 • 10 3 м.

Результаты этой оценки приведены в табл. 1.

Таблица 1. Число Рейнольдса потока газа в щелевом сопле сепаратора

Скорость газа в щели сопла V , м/с Число Рейнольдса газа в щели сопла при его ширине Ь0 •Ю3 , м

5 7,5 10

10 6657 9986 13315

15 9986 14 980 19972

20 13315 19972 26630

По данным табл. 1 при ширине сопла Ь0 > 5 • 10 3 м и скоростях газа на входе У0 = 10...20 м/с число Рейнольдса газа всегда будет больше Ке = 2300 .

Используя полученные данные, проведем оценку режима движения взвешенных в газовом потоке частиц аэрозоля в щели сопла по значению числа Рейнольдса Ке+ для полидисперсных шарообразных частиц с размерами в диапазоне d = 1...5 мкм, характерных для тонкодисперсных газопылевых выбросов.

Для этого используем уравнение (1), в котором для рассматриваемого случая определяющий размер I = d и скорость частицы w = у0 ,

^ wd Р,

Кеч =----— . (2)

И

Минимальное значение критического числа Рейнольдса при переходе в турбулентный режим обтекания шаровых частиц газовым потоком можно принять <2 .

В расчетах примем скорость частиц w = 10;15; 20 м/с.

Таблица 2

Число Рейнольдса частиц в щели сопла сепаратора

Скорость частиц w , м/ с Число Рейнольдса частиц диаметром d■lO6, м

1 2,5 5

10 0,66 1,66 3,32

15 0,99 2,5 5,0

20 1,32 3,33 6,66

Из данных табл. 2 видно, что для частиц диаметром d > 2,5 • 10 6 м при скоростях частиц w > 10 м/с число Рейнольдса частиц всегда будет больше Кеч кр =2 . Для сохранения ламинарного режима движения

частиц они должны двигаться с торможением при условии взаимного скольжения с газовым потоком.

Значение числа Рейнольдса потока газа в рабочей зоне сепаратора, где происходит отделение частиц от потока газа, можно оценить по зависимости V d р

Ке р ^ = р . з з. р . 3Рг , (3)

Р. Иг

где скорость потока в рабочей зоне

V = -О- , (4)

ур.з с , (4 )

° р.з

где Я - расход газа в сепараторе; Яр. з = - площадь рабочей зоны прямоугольной формы по

нормали к направлению движения потока газа; Ь - длина (высота) рабочей зоны; Ьрз - текущая ширина рабочей зоны; эквивалентный диаметр прямоугольной рабочей зоны:

= 4ЬЬ„, = г±ъ£±

2(1 + Ь„) Ь + Ьрз ■ 151

Исходя из формул (3) и (4 ) получим

Q, 2 L ■ bp ;_ 2 ■ Q,

v р d р з =-----------— =--------— ( 6)

P L-Ьрз L + Ьрз L + Ьрз

и, в свою очередь, с учетом выражения (6) уравнение (3) примет вид Re = 2'Q- -р ,

Р ■ 3 L + Ьр . з ц

т.е. режим движения газа в рабочей зоне сепаратора будет определяться расходом газа Q (или скоростью потока vdg ), длиной (высотой) L и шириной рабочей зоны Ь .

Выразим число Рейнольдса потока газа в рабочей зоне через параметры щели сопла. Известно, что

2- L-Ь,

V - ______° - Q

Re = v°dэ.щР- = ° L + Ьо - (7 }

Щ Ц Ц '

где v - скорость газа в щели сопла; d3 щ - эквивалентный диаметр щели сопла; Ь0 - ширина щели

сопла.

Из условия неразрывности потока следует Q- = ^щ = Vp■ А ■ 3 , (8)

где $щ = Ь-Ь°; Spз = L-llpз •

Из уравнения (8) следует

L- Ь Ь

VP3 = V° - ~T~U- = V°-l~ • (9)

L- Ьрз Ьрз

С учетом (5) и (9) выражение (3) запишется в виде

Ь° 2- L- Ьр 3 2- L-Ьд

Vn ---------- Р Vn------------ - р

° Ьр 3 L + Ьр 3 Р ° L + Ьр 3 Р

Re р з =--р-----------р----=----------р-----• (10)

С учетом выражений (7) и (10) из отношения

v 2- L-Ь°

v°---------

Re р з L + Ьр з L + Ь°

Reщ = V- 2^ = L + Ьрз L + Ь°

следует

Reр ■=■'vf+f: ■ 1111

что позволяет оптимизировать кинетические и геометрические параметры инерционного сепаратора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пирумов А.И. Аэродинамические основы инерционной сепарации. - М.: Госстройиздат, 1961.

2. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. -М.: Химия, 1981.

3. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. В 2-х ч. Ч. 1: /Под ред. Калверта С., Инглун-да Г.М. - М.: Металлургия, 1988.