CC BY
22УДК 621.928.93
Valeriy S. Toptalov, Oleg M. Flisyuk, Oleg V. Muratov
PROFILE OF THE VANE OF DIRECT-FLOW CYCLONE AND ITS INFLUENCE ON THE HYDRAULIC RESISTANCE OF THE DEVICE
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovskiy Pr., 26, St. Petersburg, 190013, Russia. e-mail: ixumuk@mail.ru
The profile of the swirler blade of a direct-flow cyclone is obtained. The blade has zero curvature at the inlet and outlet of the gas flow. Using the blade profile, a new swirler for a direct-flow cyclone was developed. The hydrauic resistance of a direct-flow cyclone and its trapping efficiency for dust with dispersion of 17-20 microns was investigated.
Keywords: cyclone, direct-flow cyclone, gas purification, dust collection, swirler, swirler blade profiling, hydraulic resistance.
001 10.36807/1998-9849-2020-54-80-66-70
Введение
Интенсификация технологических процессов приводит к постоянному ухудшению экологической ситуации в промышленно развитых центрах, которое вызвано, в частности, увеличивающимися объемами газопылевых выбросов, содержащих токсичные компоненты, и ставит в разряд актуальных задачу разработки высокоэффективных пылеуловителей, обладающих эксплуатационной надежностью, большой пропускной способностью и малой энергоемкостью.
Решение проблемы очистки
крупномасштабных газовых выбросов предприятий химической, нефтехимической и смежных отраслей промышленности, а также теплоэнергетических установок, работающих на угле и мазуте, существенно осложняется тем, что традиционно применяемое пылеочистное оборудование из-за его низкой пропускной способности по газу не может быть использовано в случае больших объемов газовых выбросов [1].
Аппараты фильтрационного действия (тканевые, волокнистые, бумажные, зернистые и др.), разделение в которых происходит вследствие зацепления и инерционного взаимодействия частиц с фильтрующим материалом, при определенных условиях могут обеспечить высокую степень улавливания довольно мелкой пыли. Однако такие аппараты имеют высокое гидравлическое сопротивление, рассчитаны на небольшую скорость фильтрации и низкую концентрацию дисперсной фазы, их эксплуатация требует периодической регенерации фильтрующего материала. Кроме того, внедрение
Топталов В.С., Флисюк О.М., Муратов О.В.
ПРОФИЛЬ ЛОПАСТИ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АППАРАТА
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: ixumuk@mail.ru
Получен профиль лопасти завихрителя прямоточного циклона. Лопасть имеет нулевую кривизну на входе и выходе газового потока. С использованием профиля лопасти разработан новый завихритель для прямоточного циклона. Исследовано гидравлическое сопротивление прямоточного циклона и его эффективность улавливания для пышей дисперсностью 17-20 мкм.
Ключевые слова: циклон, прямоточный циклон, газоочистка, пылеулавливание, завихритель, профилирование лопасти завихрителя, гидравлическое сопротивление.
Дата поступления - 26 февраля 2020 года
тканевых фильтров часто сдерживается ограниченным выбором термостойких и химически стойких фильтрующих тканей [2]. Тканевые фильтры часто выходят из строя в процессе эксплуатации на открытом воздухе, не отличаются надежностью в условиях повышенной влажности и температуры.
В связи с этим все больший интерес находят циклоны, особенно пря-моточные, из-за существенно низких габаритных размеров, по сравнению с противоточными, но, как правило, проигрывающие им в эффективности очистки. Поэтому важной задачей является разработка новых конструкций прямоточных циклонов, обеспечивающих низкое гидравлическое сопротивление, при достаточно высокой эффективности разделения.
Вывод профиля лопасти завихрителя с нулевой кривизной на входе и выходе в аппарат
Как было отмечено ранее, главными факторами, характеризующими работу циклона, являются степень очистки и гидравлическое сопротивление. Оба эти фактора существенно зависят от формы лопастей завихрителя аппарата. Неудачная форма лопасти приводит к завихрениям при ее обтекании. Между тем в существующей литературе [35] и технических решениях [6, 7] этому вопросу практически не уделялось внимания.
Целью данной работы является получение уравнение профиля лопасти, минимизирующее гидравлическое сопротивление. Обязательным требованием к форме лопасти служит безударные вход
потока в межлопастное пространство и выход из него. Под безударным входом и выходом мы понимаем следующее:
1. касательная к лопасти в точке входа и выхода совпадает с направлением потока;
2. кривизна лопасти в точке входа и выхода равна нулю.
Первое условие на наш взгляд очевидно. Поясним требование равенства нулю кривизны лопасти в точке входа. До контакта с лопастью набегающий поток движется прямолинейно с постоянной скоростью, следовательно, его ускорение равно нулю. Если кривизна лопасти в точке контакта с ней потока не равна нулю, то скачкообразно возникает центростремительное ускорение, и как следствие, на поток мгновенно действует сила (удар), что приводит к дополнительным затратам энергии и возникновению завихрений потока. Аналогичная ситуация и при сходе потока с лопасти.
Пусть Y(X) - профиль лопасти. Система координат показана на рис. 1.
КЛх) -
У'О)
[0, 1].
Как геометрии
Ly(x) - длина кривой у(х) на отрезке известно из курса аналитической
Определим условия, удовлетворять у(х). уСо) - о у'(о) — о
у"(0) - о /СО - 1д(п - а ) УС 1) - о
которым должна
(i) (2)
(3)
(4)
(5)
Равенство (1) обусловлено определением начала координат, равенства (2) и (4) вытекают из требования 1, равенства (3) и (5) - из требования (2).
Будем искать функцию у(х) в виде полинома
вида
Система уравнений (1) - (5) позволяет определить коэффициенты полинома 4-й степени. Эту систему дополним условием с целью уменьшить гидравлическое сопротивление завихрителя, степень полинома п = 5.
Из равенств (1) - (3) следует, что а0 = а 1 = а 2 = 0. Поэтому система уравнений (1) - (5) сводится к уравнениям (4), (5).
Рассмотрим несколько вариантов построения профиля лопасти.
Профиль лопасти определяется по уравнениям
(4), (5):
(7)
Рис. 1. Геометрия лопасти завихрителя: 1 - лопасть завихрителя, 2 - линия тока газа, H - высота лопасти, а - угол закручивания потока газа
Ведём следующие обозначения:
1. у(х) профиль лопасти в безразмерных координатах, где у = YH, х = Х/Н. Функция у(х) определена на отрезке [0, 1];
2. К(х) - кривизна профиля у(х) в точке
(8)
Отсюда
у(х) = Ьд(к- а)(х3 - 0.5л:4). (9)
Из соображений симметрии дополнительно потребуем, чтобы максимум кривизны профиля лопасти достигался на половине длины профиля лопасти:
(10)
ах 3м
где х0- решение уравнения /./ль) = 0.5/./1); Ьу(х) = /0 д/1 + у'(х)2с{х - длина кривой у(Х) на
отрезке [0, х].
В этом варианте степень аппроксимирующего полинома п = 5, и мы приходим к следующей системе уравнений:
(11)
Решение этой системы возможно только численным методом, что при современном программном обеспечении персональных компьютеров не представляет проблем.
Оценим влияние кривизны профиля лопасти на потери энергии газа при прохождении завихрителя. На рис. 2 показан участок траектории потока между лопастями завихрителя.
V,
Рис. 2. Течение газа вдоль лопасти завихрителя: 1 - линия тока газа; 2 - соприкасающаяся окружность
В точке траектории А вектор скорости w направлен по касательной. Вертикальная составляющая скорости wy постоянна, так как не меняется сечение. А составляющая wx увеличивается от нулевого значения вверху завихрителя до некоторого максимального значения внизу в зависимости от угла а. То есть поток газа движется с ускорением, что приводит к изменению кинетической энергии. Локальное значение ускорения зависит от локальной кривизны траектории скорости. Можно считать, что в окрестности точки А поток газа движется по соприкасающейся окружности. Радиус R, называемый радиусом кривизны, есть величина, обратная кривизне. Локальное ускорение в точке А равно W/R= vWK. Соответственно, увеличение кривизны профиля влечёт увеличение центростремительной силы, действующей на поток газа со стороны лопасти, что, в свою очередь, приводит к потере энергии. Следовательно, кривизна лопасти оказывает определяющее влияние на потери энергии при прохождении газа через завихритель
С целью минимизации кривизны профиля лопасти определим коэффициенты уравнения (6) так, чтобы средне-квадратичное значение кривизны лопасти было бы минимальным.
Из первых двух уравнений системы (11) можно определить коэффициенты a3, a4 как функции a5. Обозначим
А>Кп:: - ДЧ-уСл-М.г, (12)
Где y(x, a) = a3(a5)xi + a^(a)x^ + asX Ksr - среднеквадратичное значение кривизны лопасти.
Тогда для определения искомого профиля получим систему уравнений:
3а3 + 4а4 + 5as = tg{тт - а)
(13)
Ksr(a$) = min
Локальное значение удельной кинетической энергии равно пропорционально квадрату скорости w2 = Wy[ 1 +у'(х)2]. Как правило, потеря энергии
при изменении вектора скорости пропорциональна кинетической энергии потока. Поэтому целесообразно дополнительное условие минимизации средней кинетической энергии Еср. По аналогии с уравнением
(12), (13) получим
Яср(а5) - 1 + у'(х,а5)2, (14)
3а3 + 4а4 + 5as = tg(iт - а)
6(1; - 12п, - 20п: = 0 (15)
¿ср(«5) = min
На рис. 3 представлены результаты расчёта рассмотренных вариантов профилей лопасти y(x) при а = 135°.
X
u i Ь ibnadak ml
О 0.1 0.2 0.3 OÁ 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 )
Рис. 3. Варианты расчёта профилей лопасти завихрителя: 1 -расчёт по уравнению (7), Кбг=0.973, Ебг=2.242; 2 - расчёт по уравнениям (11), Квг=0.983, Бзг=2.202; 3 - расчёт по уравнениям (13), Квг=0.972; Бзг=2.200; 4 - расчёт по уравнениям (15), Квг=0.972, Бзг=2.200.
Обозначения осей на рисунке 3 повторяют обозначения на рисунке 1.
Из рис. 3 видно, что профиль 2 имеет наименьшую длину и, следовательно, наименьшие потери на трение. Но при этом кривизна оказывается наибольшей. Профили 1, 3 и 4 практически идентичны, а профили 1 и 4 совпадают.
Поэтому, оптимальным с точки зрения потерь энергии и с точки зрения простоты расчёта следует признать профиль лопасти, определённый уравнениями (7).
Экспериментальная часть
Описание установки и новой конструкции завихрителя для прямоточного
циклона
По приведенным в статье [8] расчетам видно, что наибольшее гидравлическое сопротивление, среди всех элементов циклона, оказывает как раз завихритель. И на сопротивление завихрителя влияют все его конструктивные элементы. Поэтому разработка завихрителя с малым гидравлическим сопротивлением и при этом с достаточной эффективностью является актуальной задачей.
Для снижения энергетических потерь при очистке газовых выбросов от пыли и повышения эффективности разделения нами был разработан прямоточный циклон новой конструкции [9]. Циклон состоит из соосно расположенных патрубков для входа и выхода газа. Во входном патрубке установлен лопастной завихритель с профилированными лопатками. Профиль лопаток обеспечивает безударный вход и выход газового потока из завихрителя, что уменьшает его турбулентность. После прямого участка с завихрителем расположен участок, имеющий расширение в форме усечённого конуса. Входной диаметр этого участка равен й, а усеченный конус длину (1-1,25^ и конусность 10-12°. После прохождения входного патрубка газ проходит в выхлопной патрубок для выхода газа. Первой частью
патрубка для выхода газа является усеченный конус с диаметрами оснований (0,8-0,85^ и 1,25й
Экспериментальные исследования
проводились на установке, схема которой приведена на рис. 4. С помощью центробежного вентилятора 7 запылённый воздух засасывается в верхнюю часть аппарата. После чего он проходит завихритель 1, который образует закрученный поток. За счет возникшей центробежной силы частицы пыли относит к стенкам циклона, где они замедляются и затем попадают в емкость для сбора пыли. Гидравлическое сопротивление всего аппарата измерялось дифманометром 4. Расход воздуха измерялся с помощью диафрагмы 5 и присоединенного к ней дифманометра, регулировался вентилем 6 в пределах от 270 до 900 м3/ч.
гидравлического сопротивления циклона от скорости воздуха (на сечение циклона), представлена на рис. 6.
Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1 - завихритель типа «розетка»; 2 - лопасть завихрителя; 3 - корпус прямоточного циклона; 4 - дифманометр; 5 - диафрагма с присоединенным к ней дифманометром; 6 - регулирующий вентиль; 7 - центробежный вентилятор
С использованием профиля (2) лопасти, показанного на рис. 3 и проведенных расчетов, нами был разработан завихритель для прямоточного циклона (рис. 5) и построена модель циклона диаметром 150 мм.
Рисунок 5. Завихритель с профилированными лопастями
На установке были проведены экспериментальные исследования по определению гидравлического сопротивления циклона при различных скоростях газового потока. Зависимость,
4 5 6 78 910 2 3 4 5 6 78910 \л/ м/с
Рисунок 6. Зависимость гидравлического сопротивления циклона от скорости газового потока на полное сечение циклона
Анализ полученных результатов показал, что даже при достаточно высоких скоростях газового потока, гидравлическое сопротивление циклона остается небольшим. Кроме того, по результатам предварительных испытаний, циклон с таким завихрителем, показал довольно высокую эффективность пылеулавливания - 85-86 %, даже на материалах малого фракционного состава - 17-20 мкм. Помимо этого, была предварительно определена и наиболее эффективная скорость газового потока для пылеулавливания - она составила 12 м/с.
Выводы
1. Выведен профиль лопасти завихрителя с нулевой кривизной на входе и выходе газового потока. Новая модель лопасти позволяет уменьшить турбулентность за счет нулевой кривизны в верхней и нижней частях, что повышает эффективность улавливания циклона и уменьшает его гидравлическое сопротивление.
2. С использованием одного из полученных профилей лопастей был разработан новый завихритель. Проведено исследование гидравлического сопротивления и эффективности нового циклона. Установлено, что он имеет небольшое гидравлическое сопротивление и обладает достаточно высокой эффективностью.
Литература
1. Богословский В.Н, Новожилов В. И., Симаков Б.Д., Титов В.П. Отопление и вентиляция: В двух частях. Вентиляция. / под ред. д-ра техн. наук В.Н. Богословского. М.: Стройиздат, 1976. 439 с.
2. Справочник проектировщика. Вентиляция и кондиционирование воздуха / под ред. И.Г. Староверова. М.: Стройиздат, 1978. 509 с.
3. Асламова В.С. Сопоставление результатов расчета коэффициента гидравлического сопротивления и потерь давления прямоточного циклона с промежуточным отбором с экспериментом // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2008. Т. 313. № 4. С. 51-53.
4. Приходько В.П., Пирогова О.А., Прохоров Е.М. Основные принципы создания энергосберегающих устройств циклонного типа // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. № 10. С. 32-33.
5. Long Huanga, Songsheng Denga, Zhi Chenb, Jinfa Guana, Ming Chena. Numerical analysis of a novel gas-liquid pre-separation cyclone // Separation and Purification Technology. 2018. № 194. P. 470-479.
6. Прямоточный циклон: пат. 2240868 Рос. Федерация. № 2001114908/15A; заявл. 30.05.2001; опубл. 27.11.2004. Бюл. № 32.
7. Прямоточный циклон: пат. 2552440, Рос. Федерация. № 2013132312/05A; заявл. 11.07.2013; опубл. 10.06.2015. Бюл. № 16.
8. Асламова В.С. Расчет гидравлического сопротивления прямоточного циклона с промежуточным отбором // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2008. Т. 313. № 4. С. 54-60.
9. Прямоточный циклон: пат. 195672, Рос. Федерация. № 2019136768; заявл. 15.11.2019; опубл. 03.02.2020; Бюл. № 4.
Reference
1. Bogosiovskij V.N, Novozhiiov V.I, Simakov B.D., Titov V.P. Otoplenie i ventilyaciya: V 2-h chastyah. Ventilyaciya. / рod red. d-ra techn. nauk V.N. Bogosiovskogo. M.: Strojizdat, 1976. 439 s.
2. Spravochnik proektirovshchika. Ventilyaciya i kondicionirovanie vozduha / pod red. I.G. Staroverova. M.: Strojizdat, 1978. 509 s.
3. Aslamova VS. Sopostavlenie rezul'tatov rascheta koefficienta gid-ravlicheskogo soprotivleniya i poter' davleniya pryamotochnogo ciklona s promezhutochnym otborom s eksperimentom // Izvestija Tomskogo politehni-cheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2008. T. 313. № 4. S. 51-53.
4. Prihod'ko V.P, Pirogova O.A, Prohorov E.M. Osnovnye principy sozdaniya energosberegayushchih ustrojstv ciklonnogo tipa // Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. 2006. № 10. S. 32-33.
5. Long Huanga, Songsheng Denga, Zhi Chenb, Jinfa Guana, Ming Chena. Numerical analysis of a novel gas-liquid pre-separation cyclone // Separation and Purification Technology №194 2018. P. 470-479.
6. Pryamotochnyj ciklon: pat. 2240868, Ros. Federaciya. № 2001114908/15A; zayavl. 30.05.2001; opubl. 27.11.2004. Byul. № 32.
7. Pryamotochnyj ciklon: pat. 2552440, Ros. Federaciya. № 2013132312/05A; zayavl. 11.07.2013; opubl. 10.06.2015. Byul. № 16
8. Aslamova VS. Raschet gidravlicheskogo soprotivleniya pryamotochnogo ciklona s promezhutochnym otborom // Izvestija Tomskogo politehni-cheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2008. T. 313. № 4. S. 54-60.
9. Pryamotochnyj ciklon: pat. 195672 Ros. Federaciya. № 2019136768; zayavl. 15.11.2019; opubl. 03.02.2020. Byul. № 4.
Сведения об авторах:
Топталов Валерий Сергеевич, аспирант, каф. процессов и аппаратов; Valeriy S. Toptalov, Ph.D. student, Department of processes and apparatus, e-mail: ixumuk@mail.ru
Флисюк Олег Михайлович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. процессов и аппаратов; Oleg M. Flisyuk, Dr Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of processes and apparatus, e-mail: flissiyk@mail.ru
Муратов Олег Вадимович, канд. техн. наук, доцент, каф. процессов и аппаратов; Oleg V. Muratov, Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Department of processes and apparatus, e-mail: ovmuratov@mail.ru
