CC BY
33
ДИНАМИКА ТЕПЛОВЫХ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМ
УДК 621.928.99
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗОЛОУЛАВЛИВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE DUST COLLECTOR
В. П. Белоглазов1, Л. В. Мостовенко2
'Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
V . P. Beloglazov1, L. V. Mostovenko2
'Nizhnevartovsk State University, Nighnevartovsk, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Объектом исследования является инерционно-вакуумный золоуловитель, который является модернизованной версией золоулавливающего аппарата инерционного типа. Цель статьи - объяснить зависимость изменений геометрии проточной части от степени улавливания частиц золы. Данный вопрос актуален, т.к. оборудование на электростанциях устаревает и необходимо найти достойную замену либо создать новый, качественно лучший золоулавливающий аппарат. Данная установка позволяет улавливать золу с эффективностью установки 99%. Инерционно-вакуумный золоуловитель (ИВЗ) разрабатывался совместно с ОАО «ВТИ».
Ключевые слова: золоуловитель, запыленный поток, высокая степень улавливания.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-125-131
I. Введение
На территории России расположено более 24 тысяч предприятий, выбрасывающих вредные вещества в атмосферу и водоемы. Из них 29% приходится на энергетические объекты, 8% - объекты угольной промышленности, 33% выбросов дают предприятия металлургии. Ежегодно в России улавливается и обезвреживается лишь 76% общего количества вредных веществ[1]. Одними из причин столь низкого обезвреживания являются технологическая отсталость производства, низкие темпы внедрения ресурсосберегающих и других технически совершенных и безопасных технологий; износ оборудования, достигающий в ряде случаев предаварийного состояния; отсутствие нормативно-правовой базы страхования техногенных рисков.
Из работающих в Омске станций, таких как ТЭЦ-2, 3, 4, 5; ТЭЦ-4, 5 работают на угле, соответственно, перечисленные последними, станции выбрасывают твердые отходы в окружающую среду. К газоочистному оборудованию, установленному на станции ТЭЦ-4, можно отнести инерционные пылеуловители и электрофильтры; на ТЭЦ-5 - рукавные фильтры. На ТЭЦ-4 все золоулавливающие установки порядком устарели; электрофильтры дороги в своем ремонте, поэтому важно найти достойную альтернативу давно зарекомендовавшим себя установкам. На ТЭЦ-5 недавно были установлены рукавные фильтры, которые сами по себе дают степень улавливания около 99% [2]. Однако, т.к. Омские ТЭЦ работают на экибастузском угле, который является достаточно абразивным твердым топливом, да еще и его зольность составляет 37 и более %, не представляется возможным использовать долговременно без ремонтов рукавный фильтр. Данный факт дополнительно указывает на важность разработки нового золоулавливающего оборудования.
Одним из возможных методов разработки принципиально нового оборудования является использование программных модулей вроде ANSYS CFX и ANSYS FLUENT [3], [4], [5] для визуализации процессов динамики дисперсного потока в золоуловителе.
II. Постановка задачи
Целью данной статьи является проведение расчетно-экспериментального моделирования влияния геометрических характеристик инерционно-вакуумного золоуловителя (ИВЗ) на степень улавливания золы экиба-стузского угля. Для этого будут выполнены следующие задачи: выполнение математической постановки зада-чи[6]; осуществление замыкания выбранной модели турбулентности с помощью задания граничных условий данных запыленного потока с помощью современных программ на базе CAD; построение конфигурации расчетных моделей с помощью системы автоматизированного проектирования - программы SolidWorks, проведение ряда численных экспериментов для отображения различных зависимостей геометрических параметров на эффективность улавливания установки.
Для решения была использована программа ANSYS CFX [7], решающая данную задачу методом контрольных объемов.
Математическая модель, описывающая движение потока: уравнение неразрывности:
д(ри) | д(ру) | д(рм)
уравнения движения:
ди дх ду
ди
дх
ди
ду
Cz
= 0,
др д
дх ду дz дх дх V, дх J ду I ду ) дz V дz
ди дх ди
д
ди
ду
ди
д
ди ди
уравнения k-e модели:
д
ду ду др д ( ди | д f ди I д
р= -^т+^~1 ^^ |+^т| |+т-| и я
дх ду дz ду дх ^ ду J ду ^ ду J дz V дz
Cw дw Cw др д ( ди Л C f ди | д f ди,
ри— + pv— + pw— =--+-1 /-|+-1 /-| +-1 /— |.
дх ду дz дz дz V дх J ду ^ ду J Cz V Cz
д д д д ( дк Л д ( дк Л д ( дк Л
Р — (k)+Pv—(k) + Pw—(k) = —\ и — I + —| и — | + —| и —\ + /D-ps
дх ду Cz дх \ дх J ду \ ду J Cz \ Cz J
д
д
Рих— (s) + Pv^(s) + Pw^l(s) = T" дх ду Cz дх
Kas дхJ
(
уравнение для эффективной и суммарной вязкости:
дуl&s дуJ + г к2 •
/?=/ + / / = СиР—'
Л
Cz
dz J
+ CisUS D - CiP^-
уравнения для описания движения частиц пыли:
m„
dwp dt
= F„,
где mp - масса частицы, а Fali принимается как сумма всех сил, влияющих на частицу. При этом следует определить действующие силы.
Fan =Fd +FB+Fr +FvM+Fp +FBA .
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
III. Теория
На рис. 1 представлен инерционно-вакуумный золоуловитель.
Рис. 1. Инерционно -вакуумный золоуловитель: 1 - двухступенчатый корпус , 2, 3 - цилиндрические обечайки, 4 - входной патрубок, 5 - канал для очищенных дымовых газов, 6 - золопри-емная камера (ЗПК),7 - выходной патрубок, 8 - поворотная камера ПК («уши»), 9 - рассекатель (сомбреро), 10 - конфузорное выходное сопло, 11 - входной диффузорный участок, 12 - кольца , 13 - удерживающая кольца, крестовина, 14 - ось
д
Исходя из рис. 1 инерционно-вакуумный золоуловитель содержит вертикально расположенный двухступенчатый корпус 1, нижняя ступень которого представляет собой золоприемную камеру (ЗПК) 6, а верхняя - предназначена для золоотделения и выполнена в виде двух соосно расположенных цилиндрических обечаек 2,3. Из них внутренняя обечайка 2 служит каналом 4 (входной патрубок) подвода очищаемых дымовых газов, а кольцевое пространство между двумя обечайками - каналом 5 отвода очищенных дымовых газов. Золоотделитель содержит также поворотную камеру (ПК) 8 в нижней части золоотделяющей ступени сообщающую выход из канала 4 в канал 5 (выходной патрубок). ПК 8 выполнена с кольцами 12 на крестовине 13, над которым по оси корпуса 1 установлен конусообразный рассекатель 9. Боковая поверхность последнего совместно с нижней частью внутренней обечайки 2 образует конфузорное выходное сопло 10 канала 4. Входной участок 11 кольцевого канала 5 выполнен диффузорным. Высота h рассекателя 9 составляет 0,5...0,8 высоты Н внутренней обечайки 2, а угол а сужения конфузорного сопла 10 равен углу повышения степени эффективности в расширения диффузорного участка 11 канала 5 отвода очищенных газов и составляет а=Р=(15...20)°. Обеспечивается улучшение аэродинамики движения потока очищаемых дымовых газов в золоотделяющей части ступенчатого корпуса золоотделителя за счет повышения степени эффективности золоулавливания до 99 %.
IV. Результаты экспериментов Граничные условия, при которые проводились численные эксперименты в А№У8 СБХ[8]: давление на входе в установку - 100000 Па, давление на выходе из установки - 99340 Па; запыленность газового потока - 70 г/м3; распределение частиц золы 5-40 микрон; скорость на пристеночных участках - 0 м/с.
В ходе ряда проведенных экспериментов, посвященных выбору корректной геометрии продольной части установки, можно свести результаты в виде графиков и таблиц. Параметрами, которые варьировались, считаются: высота конфузорного участка (рис. 2), изменение высоты рассекателя (рис. 3), влияние осесимметрично-сти рассекателя с кольцами на процесс улавливания (рис. 4).
Конфузорный участок, изменения которого присутствуют на рис. 2, напрямую взаимосвязан с изменением скорости потока, которая влияет на качественное улавливание частиц.
а)
б)
Рис. 2. Изменение высоты конфузорного участка и его влияние на эффективность улавливания; а) направление движения уходящих газов в ИВЗ; б) графическое представление зависимости эффективности
установки от изменения высоты конфузорного участка
Рассекатель, разные высоты которого изображены на рис. 3, - очень важный элемент ИВЗ. Благодаря ему достигается реламиниризация потока, которая возникает при переходе турбулентного режима в ламинарный при условии, когда критерий Рейнольдса по всем сечениям вдоль рассекателя становится одинаков. За счет этого происходит сглаживание пульсаций потока. Также высота важна для равномерного набора скорости частиц и их последующего инерционного отделении от несущей фазы.
Рис. 3. Три варианта высоты рассекателя В табл. 1 приведены результаты численных экспериментов, связанных с изменением высоты рассекателя.
ТАБЛИЦА 1
ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ВЫСОТЫ РАССЕКАТЕЛЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УЛАВЛИВАНИЯ ЗОЛЫ
Изменение высоты рассекателя в мм Эффективность улавливания, %
3066 (а) 99,95
2800 (б) 90
2205 (в) 85
1800 (г) 79
1500 (д) 75
На рис. 4 приведено изменение положения рассекателя с крестовиной относительно центра, т.е. не осесим-метричность. На рис. 5 представлен график изменения расстояния оси установки от оси крестовины относительно эффективность улавливания частиц.
Рис. 4. Сдвиг «сомбреро» от центральной оси на расстояние Ь
105
И
+
Т 75
£
Сд|нг, г мл
Рис. 5. График зависимости показателя сдвига на степень эффективности улавливания
Рис. 6. Эффективность улавливания при сдвиге «сомбреро» в 1,95 мм
На рис. 6 видно, что почти все частицы остались в бункере и лишь небольшая часть ушла неуловленной. Это происходило при сдвиге в почти 2 мм. Однако даже такой сдвиг приводит к ухудшениям показателей улавливания. Для лучшей работы необходимо производить жесткую фиксацию комбинации крестовины со всеми присутствующими на ней элементами, чтобы устранить подобные вариации сдвига.
Рис. 7. Эффективность улавливания при сдвиге 36,36 мм
Рис. 8. Неравномерность улавливания золы при сдвиге в 36,36 мм
На рис. 7 и 8 показано движение потока при максимальном сдвиге в 36,36 мм. На рис. 8 [9] отмасштабиро-ван участок разворота потока и сепарации частиц. Из цветовой градации можно отметить, что распределение скоростей происходит неравномерно, где сечение уже, там скорости больше и очистка газа проходит лучше. А в другом сечении тем временем скорости значительно снижаются и кинетической энергии частиц не хватает на отрыв от газов из-за давления и малой скорости, и под давлением дымососа они движутся на выход.
V. Обсуждение результатов
Из проведенных экспериментов (рис. 2) можно сделать вывод о том, что конфузорный участок необходимо выполнять определенной высоты (0,5 м). При высоте участка, равном 0,7 м, поток набирает скорость, равную 52 м/с, что близко к скорости в 67 м/с, при которой происходит качественное улавливание. Однако скорость в 52 м/с поток развивает уже после разворота, а особенность сепарации заключается в достижении скорости, равной 67 м/с (для данных габаритов) на узком участке перед поворотом на выходной патрубок.
По получившемуся результату (табл. 1) можно сделать вывод о том, что высота рассекателя является немаловажным элементом, от высоты которого зависит эффективность установки в целом. От высоты рассекателя зависит, успеет ли поток, поступающий со входа, набрать необходимую скорость (67 м/с) и разделиться на два самостоятельных потока: золы и газа.
Исходя из результатов (рис. 5), можно сделать вывод, что зависимость влияния неоднозначна, нет стабильного улучшения показателей или ухудшения по мере увеличения сдвига. Любое изменение сечения на выходе из входной трубы приводит к тому, что распределение скоростей по ходу потока становится по обе стороны «сомбреро» неодинаковым.
VI. Выводы и заключение
На основании многочисленных экспериментов установлены зависимости степени улавливания золы от геометрических размеров аппарата и от его элементов, просчитаны конструктивные решения установки. Это позволило без дополнительного технического оснащения достичь максимальной эффективности улавливания частиц, а именно: а) большой вклад в эффективность аппарата внес рассекатель, который увеличил ее на 80%; б) 11% были достигнуты с учетом поворотных камер и модернизации рассекателя; в) общая эффективность с учетом остальных факторов позволила достичь эффективности улавливания золы до 99,7 %.
Отклонения в работу вносит неосесимметричность. Для лучшей работы аппарата необходимо производить жесткую фиксацию такого элемента, как «сомбреро», чтобы устранить подобные вариации сдвига. При сдвиге в 36,36 мм из цветовой градации можно отметить, что распределение скоростей происходит неравномерно, где сечение уже, там скорости больше, и очистка газа проходит лучше.
Подобные теоретические заключения важно подтвердить в натурном эксперименте и в дальнейшем производить модернизацию установки.
Источник финансирования. Благодарности
Данные исследования проводятся в рамках НИР ОмГТУ №18052В.
Список литературы
1. Семенова И. В. Промышленная экология. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 528 с.
2. Биргер М. И. [и др.]. Справочник по пыле- и золоулавливанию. 2-е изд. Москва: Энергоатомиздат, 1983. 312 с.
3. Долинин К. А., Долинин Д. А. Применение программного комплекса ANSYS FLUENT для моделирования движения пылегазового потока // Математическое моделирование в энергетике с использованием программной системы ANSYS. 2003. С. 15-18.
4. Широков С. Н., Ермаков А.В. Современный подход к проектированию установок газоочистки // Промышленная экология. 2005. № 1. С. 37-39.
5. Чистяков Я. В. [и др.]. Разработка пылеуловителей нового поколения // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. № 1. С. 21-31.
6. Джасим А.-З.А.М. Математическое моделирование и аэродинамическое исследование турбулентного течения запыленного потока в золоуловителях. Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, 2012. 142 с.
7. Белоглазова Л. В. Анализ математической модели при решении задач с запыленным потоком // Культура, наука, образование: проблемы и перспективы развития. 2017. С. 98-100.
8. Wilcox D. Turbulence modeling for CFD. 3rd ed. California: DCW Industries, 2006. 536 p.
9. Белоглазова Л.В. [и др.]. Влияние осесимметричности «сомбреро» на степень эффективности улавливания инерционно-вакуумного золоуловителя // Омский научный вестник. 2015. № 3(143). С. 230-232.
УДК 536.551; 629.7.036.72
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА В ПОТОКЕ DETERMINATION OF GAS TEMPERATURE IN THE FLOW
И. С. Вавилов, П. С. Ячменев, А. И. Лукьянчик, А. В. Лысаков, Р. Н. Литау
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
I. S. Vavilov, P. C. Yachmenev, A. I. A. I. Lukyanchik, A. V. Lysakov, R. N. Litau
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В работе представлены результаты тепловых экспериментальных исследований, целью которых является получение значений температуры газового потока методом перепада объёмного (массового) расхода. Исследовался трубопровод, нагреваемый на коротком серединном участке. Было выведено уравнение, позволяющее определять температуру газа в зоне нагрева по замеряемым статическому давлению до нагрева и после него и расходам газа до и после нагрева. Практическая значимость заключается в определении термодинамических параметров газа в тракте электротермического микродвигателя малого космического аппарата, когда условия эксперимента и конструктивные особенности двигателя не позволяют применять иные методы.
Ключевые слова: температура газа, объёмный расход, перепад расхода, электротермический дилатометрический микродвигатель, вязкость газа.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-131-142
I. Введение
Измерение температуры газа в теплообменных аппаратах резистивных реактивных корректирующих двигателей малой тяги малых космических аппаратов (МКА) является актуальной задачей, неизбежно возникающей при проектировании новых образцов микродвигателей. Актуальность обусловлена, в первую очередь, миниатюрностью двигателей микротяги МКА, что уменьшает, а в некоторых случаях - исключает применение традиционных средств измерения температуры, во вторую очередь - высокими температурами газа на выходе из камеры двигателя и внутри неё, а также высокими температурами корпусных элементов (речь идёт об электродуговых двигателях малой тяги). Второе обстоятельство приводит к повреждению и оплавлению элементов измерительных устройств.
В экспериментальной практике широко применяются термоприёмники с использованием термоэлектрических преобразователей (термопар). В стационарных условиях термочувствительный элемент термопары (спай) измеряет равновесную температуру, которая представляет собой баланс между подведённым к спаю теплом и
