Разработка и исследование опытной конструкции высокоэффективного пылеуловителя и основ математической модели газодинамического процесса сепарации мелкодисперсной пыли Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК: 621.928.9:519.87

Я.В. Чистяков, асп., (4852)44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНОЙ КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЯ И ОСНОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛИ

На основании анализа конструкции, принципов работы существующих пылеуловителей и вычислительных экспериментов разработано новое поколение высокоэффективных аппаратов с использованием совмещения в себе принципов центробежной и инерционной сепарации для улавливания мелкодисперсной пыли из отходящих газов с возможностью классификации пыли поразличным фракциям.

Ключевые слова: запыленность, мелкодисперсная пыль, центробежно-

инерционный пылеуловитель, пылеуловитель-классификатор

В процессе производства, добычи, транспортирования многих видов материалов, сырья, готовой продукции часть этих веществ переходит в пылевидное состояние и теряется, загрязняя в то же время окружающую среду. Велики также потери из-за загрязнения окружающей среды. Пыль -один из наименее изученных компонентов атмосферы, а его влияние на изменение климата на планете, возможно, куда существеннее, чем можно было предположить. Большое количество пыли поступает в атмосферу в результате пыльных бурь. Свой вклад вносят и всевозможные внедорожники - ежегодно по этой причине в атмосфере оказывается от 2 до 3 тысяч миллионов тонн взвешенных частиц пыли.

В зависимости от природы сил, действующих на взвешенную в воздухе частицу пыли, может быть предложена следующая классификация пылеулавливающих аппаратов (рис. 1) [1]. Как видно из рис.1, пылеулавливающее оборудование в зависимости от способа отделения пыли от воздушного потока имеет следующие исполнения: оборудование для улавливания пыли сухим способом, мокрым способом и электрофильтры, как сухие, так и мокрые. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Основным достоинством сухих способов является то, что уловленную пыль, зачастую весьма ценную , можно сразу получить в качестве конечного продукта и пустить её в дальнейшую переработку.

Рассматривая все три типа аппаратов гравитационно-инерционного раздела, необходимо отметить, что у них есть общие недостатки: все они работают при низких скоростях газа, что приводит к весьма большим объемам аппаратуры, низким производительностям по газу и низкой эффективности по улавливаемому компоненту (70...90 % для пыли с дисперсностью >20 мкм и 40.60 % для мелкодисперсной пыли 5.20 мкм) . В то же время мелкодисперсная пыль имеет в некоторых случаях наибольшую

стоимость (например, цемент, пигмент, катализаторная пыль, кристаллические мономеры специального назначения и т.п.).

Возникает задача создания нового поколения высокоэффективных пылеуловителей, особенно для мелкодисперсной пыли. Эту задачу можно решить путем совмещения и использования в одном аппарате силы тяжести и принципов центробежной и инерционной сепарации мелкодисперс-ной пыли , что позволило бы значительно повысить рабочие скорости га -зовых потоков в аппарате , а значит снизить металлоемкость оборудования и получить аппарат с большей эффективностью.

Пылеулавливающие аппараты

Сухие аппараты

Гравитационно-

инерционные

Фильтрующие

Мокрые аппарать /

Промывные

Электрофильтры

Жидко-

пленочные

Однозонные

!

I

і

I

1

і

1

&

I

і

!

I

§

I

і

і

I

I

I

I

I

I

I

!

I

Г

I

$

Рис. 1. Схема классификации пылеулавливающих аппаратов

Для этого была разработана модель пылеуловителя центробежноинерционного типа , представленная на рис 2 .

Анализируя работу представленного аппарата, необходимо отметить, что результирующая всех сил, действующих на частицу пыли, по пути движения газового потока теряет свою величину, а значит падает и эффективность процесса пылеулавливания. Дальнейшее увеличение эффективности пылеуловителя возможно только после серьёзного анализа различных вариантов пылеочистки на разработанном варианте математической модели и алгоритма расчета пылеуловителя с применением вычислительного эксперимента. Исследование газодинамического процесса сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе проведено методами вычислительного эксперимента. Матема-

тическое моделирование осуществляется в двумерной ассиметричной постановке методом крупных частиц.

Рис. 2. Конструкция центробежно-инерционного пылеуловителя:

1 - корпус; 2 - заеихритель; 3 - верхняя стенка завихрителя;

4 - нижняя стенка завихрителя; 5 - лопатки; 6 - входной патрубок;

7 - выходной патрубок; 8 - экран; 9 - бункер

Двухфазное рабочее тело в рассматриваемых установках отличается от однофазного ("чистого воздуха") наличием достаточно мелких твердых частиц пыли (К-фазы) различных форм и размеров, обменивающихся с газом кинетической энергией. Особенности движения двухфазной среды состоят в увлечении газом конденсированных частиц и взаимном влиянии К-фазы на газ в зонах резкого изменения вектора скорости. Ускорение частиц происходит под действием аэродинамических и вязкостных сил, проявляющихся при наличии разности скоростей, и центробежных сил, возникающих при вращении потока.

При выводе уравнений, описывающих движение двухфазного рабочего вещества в центробежно-инерционном пылеуловителе, принимались следующие основные допущения:

- объемная доля К-фазы невелика, в связи с чем соударениями частиц пренебрегалось, что является достаточно обоснованным [2-4];

- гидродинамические силы, действующие на движущиеся частицы, определялись посредством коэффициента сопротивления Сх, учитывающего размер и форму частиц. В том случае, когда частицы имеют различные размеры и формы, они разбиваются на фракции, в каждую из которых входят частицы с одинаковыми параметрами;

- фазовые переходы отсутствуют.

Наиболее эффективной для инженерных расчетов и корректной математической моделью сплошной среды, на основании которой составлена система уравнений движения многофазной смеси, является модель, рассматривающая течение сплошной среды как "движение взаимопроникающих континуумов" [3]. Для замыкания системы используются законы взаимодействия фаз. Пространственные физические границы расчетной области течения газового потока подразделяются на следующие типы: непроницаемая стенка, открытые границы и ось симметрии. Для непроницаемых границ задаются условия прилипания, т.е. равенство нулю нормальной и касательной составляющих вектора скорости потока. Через открытые границы происходит конвективный перенос массы газа, К-фазы и соответствующие этим массам переносы импульса и энергии, поэтому на таких границах постановка граничных условий заключается в определении соответствующих параметров потока. На оси симметрии обеспечивается равенство нулю нормальных к оси составляющей скорости и градиентов термодинамических параметров.

Для расчета рассматриваемых течений применен численный метод, использующий схемы расщепления метода крупных частиц [5], но реализованный на неравномерной сетке метода конечных элементов.

Для проверки точности решения задач течения в каналах сложной формы с образованием рециркуляционных зон проведены расчеты по исследованию течений в плоских и цилиндрических каналах с резким изменением площади поперечного сечения. Частные случаи таких течений достаточно хорошо изучены и имеются многочисленные экспериментальные данные [2, 4]. Проведенное тестирование подтвердило достоверность получаемых с помощью разработанного алгоритма результатов и удовлетворительной точности численного моделирования.

С помощью разработанной программы выполнены вычислительные эксперименты по исследованию процесса сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе. На рис.3 представлены результаты численного моделирования установившегося газодинамического процесса в модельной установке.

Наиболее перспективным направлением повышения эффективности работы аппарата является поддержание величины инерционной составляющей результирующей силы на протяжении всего пути движения газового потока внутри аппарата за счет последовательного изменения направлений движения и изменения сечений каналов восходящих и нисходящих потоков. Конструкция 2-ступенчатого пылеуловителя-классификатора, отвечающая требованиям по совершенствованию аппаратурного оформления данного направления, представлена на рис.4 [6, 7].

Рис. 3. Поле концентрации К-фазы (плотность 200 кг/м3, медианный размер частиц 15 мкм): 1 - входной запыленный поток;

2 - выходной очищенный поток; 3 - отбор К-фазы

Как видно из рис. 3, в выходной (очищенный) поток происходит проскок наиболее мелкодисперсной пыли (зона А). Одним из направлений повышения эффективности работы пылеуловителей является их конструктивное совершенствование, позволяющее постоянно поддерживать высокую величину результирующей силы по ходу движения газового потока внутри аппарата.

Пылеуловитель работает следующим образом. Запыленный газ через входной патрубок поступает в завихритель. Отделение частиц пыли в закрученном потоке под действием центробежных сил начинается в завих-рителе при обтекании его лопастей, затем наиболее интенсивно в пространстве между экраном и корпусом. Отделившаяся пыль по стенке корпуса под действием силы тяжести опускается в его нижнюю часть и собирается на наклонном днище и через патрубок удаляется из аппарата. Газовый поток, очищенный от крупных частиц пыли, изменяет свое направление на 180° и поступает под экран, образуя восходящий поток при движении между внутренней стенкой экрана и стенкой приемного цилиндра. Затем, отражаясь от нижней стенки завихрителя, вновь изменяет свое направление движения на нисходящее и поступает в приемный цилиндр. Окончательное отделение мелких частиц пыли от газа происходит в пространстве между стенкой приемного цилиндра и внешней стенкой патрубка очищенного газа. При этом пыль за счет сил инерции выделяется из газового потока и собирается на наклонном днище в нижней части приемного цилиндра, а затем через патрубок удаляется из аппарата. Очищенный газовый поток, изменив свое нисходящее движение на восходящее, проходит пространство между перегородкой и внешней стенкой пат-

рубка, вновь отражается от нижней стенки завихрителя, попадает в патрубок очищенного газа и выводится из пылеуловителя.

Рис.4. Конструкция 2- ступенчатого пылеуловителя классификатора нового поколения:

1 - корпус; 2 - завихрителъ; 3 - верхняя стенка; 4 - нижняя стенка;

5 - профиллированные лопатки; 6 - патрубок ввода запыленного газа;

7 - патрубок вывода очищенного газа; 8 - экран; 9 - приемный цилиндр;

10 - наклонное днище; 11 - патрубок для выгрузки пыли из днища;

12 - перегородка цилиндрической формы; 13 - наклонное днище;

14 - патрубок для отвода крупных частиц из днища

Обеспечение улавливания частиц мелкой пыли, являющихся продуктом вторичного уноса на предыдущих стадиях пылеулавливания в аппарате, происходит за счет создания более высоких инерционных сил (а значит и более высоких скоростей в нисходящем потоке) в пространстве между стенкой приемного цилиндра и перегородкой по сравнению с инерционными силами в нисходящем потоке в пространстве между экраном и корпусом, что достигается последовательным уменьшением от периферии к центру площади сечения каналов восходящих потоков газа по сравнению с площадью сечения каналов нисходящих потоков газа. Особое значение это приобретает при извлечении из газового потока мелкодисперсной пыли. Кроме того, такое конструктивное решение пылеуловителя позволяет проводить классификацию частиц пыли по фракциям, первоначально выделяя более грубую фракцию, а затем и мелкую при периодическом изменении восходящего направления газового потока на нисходящее. При этом разные фракции пыли будут собираться в разные приемники с дальнейшим их использованием в качестве конечного продукта или сырья.

Анализируя рис.3, необходимо обратить внимание на поведение наиболее крупнодисперсной фракции из смеси разделяемых компонентов.

Из рис. 3 видно, что у стенки аппарата имеются области, где концентрация крупнодисперсной пыли имеет наиболее высокое значение, поэтому представляет научный и практический интерес попытка вывести из этой зоны (рис. 3, зона Б,), не нарушая аэродинамики пылеуловителя, фракцию пыли определенного размера и наиболее крупную из разделяемой смеси.

Указанный технический результат достигается в пылеуловителе-классификаторе, представленном на рис.5 [8]. Как видно из рис. 5 корпус снабжен, по меньшей мере, одной щелью, соединенной пылеотводящим устройством с накопителем выхода пылевидного продукта

Рис. 5. Пылеуловитель-классификатор:

I - корпус; 2 - заеихритель; 3 - верхняя стенка завихрителя;

4 - нижняя стенка завихрителя; 5 - лопатки; 6 - входной патрубок;

7 - выходной патрубок; 8 - экран; 9 - наклонные стенки; 10 - сужение;

II - патрубок; 14 - рукав; 15 - карман-накопитель ; 16 - бункер

Кроме того, щель может быть выполнена прямолинейной или криволинейной и расположена вдоль образующей корпуса или под углом к образующей корпуса, щель может быть снабжена заслонкой-регулятором её продольного размера.

Пылеуловитель-классификатор работает следующим образом. Воздух через входной патрубок 6 поступает в завихритель 2. Отделение частиц пыли в закрученном потоке под действием центробежных сил начинается с завихрителя 2 при обтекании лопастей, затем наиболее интенсивно в пространстве между экраном 8 и корпусом 1.

Крупная фракция через щель 12 поступает в рукав 14 и далее в накопитель 15. Остальные фракции пыли собираются в бункере 16.

Анализируя представленный отчет и зарубежный опыт по исследованию процесса очистки отходящих газов от мелкодисперсной пыли, можно констатировать следующее:

1. В настоящее время не существует конструкции сухого пылеуловителя для тонкодисперсных частиц (5.10 мкм) и надежного метода рас-

чета для очистки выбрасываемых вентиляционных и технологических газов.

2. На основании анализа конструкций, принципов работы существующих пылеуловителей и вычислительных экспериментов разработано новое поколение высокоэффективных аппаратов с использованием совмещения принципов центробежной и инерционной сепарации для улавливания мелкодисперсной пыли из отходящих газов с возможностью классификации пыли по различным фракциям.

Список литературы

1. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. М.: Металлургиздат, 1977. 328 с.

2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973.

847 с.

3. Рахматулин Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред// ППМ. 1956. Т. 20. № 2. С.184-185.

4. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газов с частицами. М.: Машиностроение, 1994. 320 с.

5. Моделирование отрывных течений на ЭВМ / О.М.Белоцерковский [и др.]// М.: Научный совет по комплексной проблеме "Кибернетика" АН СССР, 1984. 122с.

6. Обеспыливание технологических и вентиляционных газовых потоков на предприятиях строительной индустрии / Н.И. Володин [и др.]// ТулГУ. Тула, 1999. 142 с. Деп. в ВИНИТИ 26.02.99. № 613-В99.

7. Патент 81092 U1(Poc. Федерация), МПК В 01 D 45/04. Устройство для улавливания и классификации пыли по фракциям. Опубл. 10.03.2009. Бюл.№7.

8. ПатентРос. Федерация№85366 Пылеуловитель-Классификатор.

Ya.V. Chistyakov

DEVELOPMENT AND INVESTIGATION OF THE HIGH-PERFORMANCE DUST CATCHER PILOT DESIGN AND OF BASICS OF THE MATHEMATICAL MODEL OF GAS-DYNAMIC PROCESS OF FINE DUST SEPARATION

Based on the analysis of constructions, functioning principles of existing dust catchers and computing experiments, a new generation of high-performance apparatuses was created combining the principles of centrifugal and inertial separation for catching the fine dust from waste gases, with the possibility of classification of dust particles by fractions.

Key words: dustiness, fine dust, inertial centrifugal dust catcher, dust catcher-classifier.

Получено 20.04.11