CC BY
110
Литература
1. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. -832 с.
2. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 616 с.
3. Roland S. Burns. Advanced Control Engineering. PLANTA TREE, 2001.
4. Веретнов А.Г., Кибардин В.В. Синтез наблюдателей полного порядка // Решетневские чтения: мат-лы XIV Междунар. науч. конф., посвящ. памяти М.Ф. Решетнева (10-12 нояб. 2010, г. Красноярск): в 2 ч. / под общ. ред. Ю.Ю. Логинова; ^б. гос. аэрокосм. ун-т. - Красноярск, 2010. - Ч. 1. - С. 141-142.
5. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала». - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 800 с.
6. Перельмутер В.М. Пакеты расширения MATLAB. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox. Серия «Библиотека профессионала». - М.: СОЛОН-Пресс, 2008. - 224 с.
---------♦'----------
В.А. Рогов, Ю.С. Баранов, В.А. Прусакова ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АППАРАТОВ ЦИКЛОННОЙ ОЧИСТКИ
В статье предложен и апробирован метод повышения эффективности очистки воздуха от высокодисперсных аэрозольных частиц древесной пыли, основанный на воздействии на аэрозоль полем высокого напряжения.
Разработана конструкция для зарядки аэрозольных частиц древесной пыли, что дает возможность повысить эффективность работы циклона на 8-10%.
Ключевые слова: пыль, аэрозоль, циклон, сепарация, коагуляция.
V.A. Rogov, Yu.S. Baranov, V.A. Prusakova WORK EFFICIENCY INCREASE OF THE CYCLONIC CLEARING DEVICES
The technique to increase the efficiency of air clearing from high-dispersed aerosol particles of wood dust, based on high-voltage field influence on an aerosol is offered and approved.
The design for the wood dust aerosol particles charge that gives a chance to increase cyclone work efficiency by 8-10 % is developed.
Key words: dust, aerosol, cyclone, separation, coagulation.
Цель исследования заключается в том, чтобы решить проблему очистки воздушной среды от тонкодисперсной пыли в деревообрабатывающей промышленности с применение поля высокого напряжения.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- изучить и проанализировать литературу по теме исследования;
- рассмотреть применение циклонов;
- исследовать дисперсный состав древесной пыли;
- проанализировать движение одиночной частицы пыли в закрученном потоке в циклоне;
- определить влияние поля высокого напряжения на древесную пыль и работу циклона.
Загрязнением атмосферы считается прямое или косвенное введение в нее любого вещества в таком
количестве, которое воздействует на качество и состав наружного воздуха, нанося вред людям, экосистемам, природным ресурсам и всей окружающей среде [1]. Вследствие этого защита атмосферы - комплекс технических, организационных мер, направленных на прекращение или уменьшение загрязнения атмосферы.
Снижение вредных выбросов от промышленных источников может достигаться в результате совершенствования или изменения технологических процессов. К природоохранным мероприятиям, как краткосрочным и
среднесрочным, также относятся разработки технологических процессов и оборудования, предназначенных для совершенствования очистки газовых выбросов от газообразных и дисперсных примесей [1,2].
Твердые частицы в большинстве промышленных регионов составляют 16-20% от общей массы выбросов в атмосферу. На деревообрабатывающих предприятиях в отходящих промышленных газах транспортируются твердые взвешенные частицы, образующиеся в результате механической переработки древесного сырья и его полуфабрикатов.
Среди аппаратов инерционной очистки газов наибольшее распространение в деревообрабатывающей промышленности получили различные циклоны. Объясняется это тем, что по сравнению с другими видами пылеуловителей циклоны отличаются рядом преимуществ по технико-экономическим показателям. Простота конструкции и изготовления, сравнительно небольшие габариты при больших производительностях по воздуху, небольшие эксплуатационные расходы - вот преимущества, которые обуславливают широкое применение циклонов и целесообразность работ над их совершенствованием [3].
Такие работы проводятся как у нас в стране, так и за рубежом и преследуют две цели: повышение эффективности и снижение энергоемкости циклонной очистки.
Для деревообрабатывающей промышленности эти задачи осложняются следующим образом. В стране применяется множество типов циклонов при почти полном отсутствии расчетов, рекомендаций и методик, учитывающих конкретные условия деревообрабатывающих производств. Не установлены зависимости влияния фракционного состава пыли (особенно тонкодисперсной от 20 мкм и ниже) на режимы работы и геометрические параметры циклонов и их эффективность.
Исследования дисперсного состава пылегазового потока на деревообрабатывающих предприятиях показали, что для достижения предельно допустимых выбросов (ПДВ) в технологических и вентиляционных выбросах необходимо обеспечить эффективное улавливание тонкодисперсных аэрозолей с размером частиц менее 10 мкм. Однако циклоны, применяемые в деревообрабатывающей промышленности, не обеспечивают требуемую степень улавливания аэрозолей тонких фракций, использование определенных типов циклонов носит традиционный характер, в большинстве случаев не связанный с технологическими условиями.
Дисперсный состав пыли, не уловленной циклоном (выбрасываемой в атмосферу), представлен в таблице.
Дисперсный состав пыли, не уловленной циклоном (выбрасываемой в атмосферу)
Размеры частиц на границах диапазонов, мкм Фракции, % от общей массы частиц
0,7...5 15,0
5...10 45,0
10...20 16,5
20...30 10,0
30...40 6,0
40...45 6,0
45...50 1,0
50...160 0,5
При теоретических расчетах эффективности циклонов без учета влияния случайных факторов движение и сепарация частиц рассматриваются как детерминированный процесс, и при этом изучаются равновесные или критические траектории частиц [4].
При анализе движения одиночной частицы в радиальном направлении обычно центробежная сила приравнивается силе сопротивления Стокса, а затем из равенства времени движения частицы в радиальном и осевом направлениях определяется минимальный диаметр полностью улавливаемых частиц. При этом для описания полей скоростей газа используются упрощенные модели.
В вертикальном восходящем или нисходящем закрученном потоке в системе координат, связанных с частицей (рис. 1), без учета влияния турбулентных пульсаций газа такими силами являются: сила тяжести -в осевом направлении, сила Кориолиса - в тангенциальном, центробежная сила - в радиальном направлении, и система уравнений движения частицы в закрученном потоке запишется в следующем виде [4]:
<и2
<И
3 Р
4 рс1 8
М’_ —и
(1)
£Й/Г _ 3 р 1//Т , г/г - г/г
Л 4 рс1 8 т г г т ^ г
<иг
3 р ууг
4 рс1 8
К -«гИ’г -"гЭ- ”Г
Ил
г
(2)
(3)
где щ, ur, ^- осевая, окружная (тангенциальная) и радиальная составляющие скорости частицы, м/с;
1^, 1жг, 1жг - осевая, окружная (тангенциальная) и радиальная составляющие скорости среды, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с ;
№, Цт, У- коэффициенты сопротивления в осевом, окружном и радиальном направлениях.
Рис. 1. Составляющие скорости частицы в циклоне в закрученном потоке
Полученные результаты расчетов по теоретической эффективности часто отличаются от экспериментальных данных, но так как детерминированный расчет определяет усредненные значения, то полученные с его помощью аналитические зависимости в целом верно отражают реальный процесс и явления.
При детерминированном расчете возможность сепарации частиц заданного размера определяется радиусом входящего патрубка циклона. Все частицы, вышедшие за зону квазипотенциального течения, размер которого определяется радиусом гф, будут отсепарированы. Критический радиус гф для частиц размера 5 можно определить по формуле (4) при известных геометрических параметров циклона.
-L^tg2r Т
г = Я-еа'к2 =1п7? +-------------(4)
р а-Я2
где гкр - критический радиус циклона, м;
L - высота циклона, м;
R - радиус циклона, м;
а =
18 ¿и
м>г-82 -р
где р - концентрация смеси;
Wz - плотность воздуха, кг/м3;
5 - размер частицы, м;
р - осевая составляющая скорости частицы.
Эффективность сепарации увеличивается с увеличением размера и плотности частиц, с увеличением длины и с уменьшением диаметра цилиндра циклона, с увеличением концентрации аэросмеси. Расчетные значения фракционной эффективности бывают завышенными по сравнению с экспериментальными. Известно, что частицы диаметром менее 10 мкм при увеличении скорости до определенной величины не улавливаются, а увеличивается обратный вынос ее из бункера. По результатам испытаний циклонов выявлен оптимальный, с точки зрения эффективности пылеулавливания и потерь давления, диапазон скоростей воздуха во входном патрубке циклона, который равен 15-20 м/с.
Методы повышения эффективности сепарации дисперсной фазы из воздушного потока связаны с использованием дипольных сил и эффектов. Одним из методов повышения эффективности является условие для увеличения размеров частиц. Наиболее эффективные и часто используемые - электрические и центробежные силы.
Особое место отводят электрическим полям и зарядам дисперсных частиц. Силы электрической природы могут эффективно влиять на взаимодействие дисперсных частиц в системе и приводят к существенным изменениям в его дисперсном и морфологическом составе. Теоретические и экспериментальные исследования влияния ионного потока на аэрозоль в отсутствие электростатического поля убедительно доказали возможность коагуляции аэродисперсных частиц (объединение мелких частиц в более крупные под влиянием сил сцепления), образование агрегатов. Была предложена методика приближенного моделирования процесса коагуляции биполярного и униполярного аэрозоля, которая позволяет прогнозировать поведение дисперсной системы при заданном ее начальном состоянии.
Кинетика трансформации древесной пыли в электрическом поле, то есть при прохождении аэрозоля через коронирующие электроды и далее в циклон (рис. 2), делает необходимым детальное изучение механизма воздействия поля на весь комплекс процессов, идущих в аэрозоле на макро- и микроуровне. Исследования проводились на аэрозольных системах, получаемых в лабораторных условиях, что позволяло непосредственно сопоставлять данные расчетов и измерений.
Рис. 2. Схема циклона с устройством для заряжения аэрозоля: 1 - циклон; 2 - воздуховод; 3 - коронирующие электроды
Влияние поля высокого напряжения, создаваемого электродами, вмонтированными в воздуховод, способствует укрупнению и агрегации частиц, повышает эффективность очистки от высокодисперсных частиц древесной пыли на 8-10%. При униполярном заряжении частиц эффективность циклона повышается по сравнению с биполярным заряжением.
По итогам проведения эксперимента было выявлено, что с использование поля высокого напряжения в окружающую среду попадает меньше пыли при напряжении на электродах более 20 кВ (при напряженности поля 3-4 кВ/см). При напряжении менее 20 кВ не будет ионизации, и зарядки пыли не происходит. При напряжении на коронирующих электродах от 20 до 30 кВ (напряженность поля 3-4 кВ/см) зарядка пыли происходит, количество выбрасываемой пыли становится меньше.
Установлены зависимости геометрических параметров пылеочистного оборудования от фракционного состава и свойств пыли. Модельные образцы этого оборудования подтверждают достоверность и практическую значимость разработанной теории. Коэффициент очистки циклона, изготовленного по разработанной методике, составляет 99,5 %.
Литература
1. Бретшнайдер Б., Курфюст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: технология и контроль. -Л.: Химия, 1989. - 288 с.
2. Сугак Е.В. Моделирование и интенсификация процессов очистки промышленных газов выбросов в
турбулентных газодисперсных потоках: дис. ... д-ра техн. наук. - Красноярск: Изд-во СибГТУ, 1999. -320 с.
3. Рогов В.А. Влияние отрицательных ионов и летучих терпеноидов на очистку воздушной среды произ-
водственных помещений деревообрабатывающих предприятий. - М.: Изд-во МГУЛ, 2002. - 223 с.
4. Сугак Е.В., Войнов Н.А., Николаев Н.А. Очистка газовых выбросов в сепараторах с интенсивными
гидродинамическими режимами. - Казань, 1999. - 224 с.
