CC BY
20РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ГИДРОДИНАМИКУ ПОЛОГО ВИХРЕВОГО АППАРАТА
Бахронов Х.Ш. Навоийский государственный горный институт, профессор, доктор технических наук bahronov040861 @mail.ru
Ганиева С.У. Навоийский государственный горный институт, сотрудник центра обучения цифровых технологий ganiyevasaboxat929@gmail.com
Ахматов А.А. Навоийский государственный горный институт, докторант
Жалилов Р.С., Навоийский государственный горный институт, докторант, jalilov. razzoq@bk. ru
Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению гидравлического сопротивления вихревого аппарата с тангенциальным завихрителем потока газа и жидкости, при различных режимных параметрах. Исследования потери давления в аппаратах вихревого типа позволяют определить энергозатраты на проведение процессов очистки газа от пыли, контактного теплообмена, абсорбционной очистки газов и других процессов, осуществляемых в системах газ-жидкость. Установлено, что при одной и той же скорости газа гидравлическое сопротивление исследованного вихревого аппарата существенно меньше, чем перепад давления в полых, насадочных и тарельчатых аппаратах и не превышает сопротивления высокоэффективных аппаратов вихревого типа других конструкций. Гидравлическое сопротивление полых вихревых аппаратов с тангенциальными завихрителями определяется скоростью газовой фазы, расхода жидкости и конструктивными параметрами аппарата, а также физическими свойствами рабочих сред. Установлены оптимальные режимы работы, разработанного вихревого аппарата, с точки зрения перепада давления в аппарате. Ключевые слова: вихревой аппарат, тангенциальный завихритель, коэффициент крутки, центробежная сила, гидравлическое сопротивление, скорость газа, коэффициент сопротивления, плотность орошения, энергозатраты, расход жидкости.
Abstract. The results of experimental studies to determine the hydraulic resistance of a vortex apparatus with a tangential swirler of gas and liquid flow, at various operating parameters are presented. Investigations of pressure loss in vortex-type apparatuses make it possible to determine the energy consumption for carrying out the processes of gas cleaning from dust, contact heat exchange, absorption gas cleaning and other processes carried out in gas-liquid systems. It was found that at the same gas velocity, the hydraulic resistance of the investigated vortex apparatus is significantly less than the pressure drop in hollow, packed and disc-shaped apparatus and does not exceed the resistance of highly efficient vortex-type apparatus of other designs. The hydraulic resistance of hollow vortex apparatuses with tangential swirlers is determined by the gas phase velocity, liquid flow rate and design parameters of the apparatus, as well as by the physical properties of the working media. The optimal operating modes of the developed vortex apparatus have been established from the point of view of the pressure drop in the apparatus.
Keywords: vortex apparatus, tangential swirler, swirl coefficient, centrifugal force, hydraulic resistance, gas velocity, drag coefficient, irrigation density, energy consumption, liquid flow rate.
23
ВВЕДЕНИЕ
Очистка промышленных газовых выбросов от пыли и вредных примесей в связи с непрерывно ухудшающейся экологической обстановкой становится в настоящее время одной из проблем, имеющих общенациональный характер. Для реального решения экологических проблем, формирования устойчивого типа экономического развития необходимо в каждой конкретной ситуации оценить эффективность функционирования экономических структур с экологических позиций и внести необходимые коррективы, а именно, существенно уменьшить выброс различных газовых потоков.
Анализ современных методов очистки газов в двухфазной среде показывает, что одним из способов интенсификации взаимодействия многофазных систем является осуществление контакта фаз в центробежном поле. За счет вращения в многофазном слое возникают значительные центробежные силы, что обеспечивают высокую дисперсность и устойчивость многофазной системы, большие удельные поверхности контакта и относительные скорости фаз. Применение аппаратов, работающих на принципах вихревого эффекта, создают широкие возможности для интенсификации ряда существующих газожидкостных процессов. Их производительность по газу может составлять сотни тысяч кубометров в час, а гидравлическое сопротивление одного аппарата от 40 до 150 мм вод. ст.
Аппараты вихревого типа обладают рядом достоинств, что выгодно отличает их от других аппаратов «мокрой» очистки. Возможна совместная очистка газов от газообразных и дисперсных включений. Они обладают большой пропускной способностью по газу, что позволяет очищать крупнотоннажные выбросы [1-3]. Вихревые аппараты устойчиво работают в широких диапазонах рабочих нагрузок по газу и жидкости, имеют малые габариты и сравнительно простое конструктивное оформление.
Однако в настоящее время отсутствуют теоретические и экспериментальные основы исследований гидродинамики, структура потоков и массообмена в аппарате с вращательно-вихревым взаимодействием фаз, доведенные до практического применения, что сдерживает их широкое использование в промышленности.
В связи с этим, проведение исследований с целью расширения области применения и повышения эффективности, грамотного проектирования и умелого использования вихревых устройств, является актуальной, так как представляет как научный, так и практический интерес.
Процессы пылеулавливания в значительной мере определяются гидродинамикой аппаратов, в том числе полным гидравлическим сопротивлением отдельных элементов и всего аппарата в целом.
Общее сопротивление полых вихревых аппаратов складывается из потерь давления: на трение по длине во входных тангенциальных патрубках-завихрителях; на трение по длине и на создание крутки газожидкостного потока в самой вихревой трубе; на трение в сепарационной камере и бункере аппарата; на трение в патрубке выхода газа из аппарата, а также при входе в рабочую камеру и выхлопную трубу и на выходе из них. При этом преобладающими будут потери в завихрителях, где скорость газа высокая. Потери давления в завихрителях зависят от его геометрических характеристик и степени закрутки потока газа. Потери на выходе газа из аппарата зависят от закрутки в вихревой зоне и степени пережима потока на выходе из аппарата [4-8].
24
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Проведены экспериментальные исследования по определению перепада давления и по повышению эффективности пылеулавливания в вихревом аппарате «мокрым» способом. Определены влияние размеров рабочих элементов аппарата, скорости газовой фазы и расхода жидкости на эффективность процесса улавливания пыли. Выбраны оптимальные значения размеров аппарата, скорости газа и расхода жидкости с точки зрения величины гидравлического сопротивления аппарата и интенсивности пылеочистки. На основе полученных результатов разработана конструкция высокоэффективного пылеуловителя, внедрена в промышленность и испытана.
Для изучения гидродинамики и эффективности пылеулавливания вихревого аппарата с закрученным потоком газа, изготовлена и смонтирована экспериментальная установка (рис. 1). Исследование общего гидравлического сопротивления опытного вихревого аппарата проводилось по общепринятой методике. Экспериментальная установка состоит из прямоточного вихревого аппарата 1 с закрученными нисходящими потоками газа и жидкости, вентилятора для перемещения газа 5, центробежного насоса, для циркуляции жидкости (на рисунке не указан), запорно-регулирующих арматур, средств измерения и контроля. Размеры рабочей части опытного вихревого аппарата имеют значения: диаметр 0=0,056^0,1 м, высота 0,5^1 м. В качестве рабочих сред использованы атмосферный воздух, пыль песка и водопроводная вода.
Г*
/ \
\
4
Вода
Воздух
1 - рабочая камера вихревого аппарата; 2 - тангенциальные завихрители газа;
3 - тангенциальные завихрители жидкости; 4 - сепаратор;
5 - вентилятор; 6 - расходомер воздуха; 7 - расходомер воды;
8 - и-образный водяной дифманометр;
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
Воздух подавался вентилятором 5 в верхнюю часть аппарата через тангенциальные завихрители потока газа 2. Вода также центробежным насосом из расходной емкости подавалась на верхнюю часть вихревого аппарата через тангенциальные завихрители потока жидкости 3. Для обеспечения
2
3
3
1
8
ф »
гидродинамической устойчивости, вращающегося потоков газа и жидкостни в
аппарате, производилась тангенциальная подача как газа, так и жидкости с вращением их в одну сторону. Отработанный воздух выбрасывается по воздуховоду в атмосферу.
Расход газовой фазы измерялся с помощью вихревого расходомера типа РгошМ. Общее гидравлическое сопротивление вихревого аппарата измерялось [/-образным водяным дифманометром 8, один конец которого был соединен с входным тангенциальным патрубком, а другой с выходным патрубком газа.
Расход жидкости измерялся ротаметрами типа РС 7, регулировался вентилями, установленными на линии подачи жидкости и на линии байпаса насоса.
Исследования общего гидравлического сопротивления вихревого аппарата проводились при небольшом избыточном давлении газа на системе «воздух-вода» в изотермических условиях, когда температура газа и жидкости были почти равны и составляли 20±2, избыточное давление не превышало гидравлического сопротивления аппарата и подводящей газовой линии, и составляло 5^6 кПа.
Экспериментами был охвачен следующий диапазон изменения параметров: коэффициент крутки: Л=Рап/^щ=2,1^3; скорость газового потока в завихрителях Wз в диапазоне 20^60 м/с; средне-расходная осевая скорость газа в рабочей зоне аппарата мо=10^60 м/с; число Рейнольдса для газа Де=10000^200000; соотношения массовых расходов жидкости и газа, поступающих в вихревой аппарат, в диапазоне L/G=0,3^5.
В данной статье приведены результаты экспериментальных исследований гидравлического сопротивления, полученных в вихревом аппарате диаметром 0=0,1 м, высотой рабочей зоны #р=1,0 м, коэффициентом крутки А=Fап/Fщ=2,1 при следующих режимных параметрах: средне расходных скоростях газа мо=12^28 м/с; отношениях массовых расходов жидкости и газа L/G=0,36^4,4.
Для подачи пыли песка в газовый поток использовалось специально изготовленное запиливающее устройство - дозатор. Использованный дозатор пыли позволял создавать запыленность газа (воздуха) до 0,5 кг/м3.
Концентрация пыли на входе в аппарат Свх определялась по формуле:
Свх=т1/(т-Кв3) (1)
где т1 - масса пыли, помещённая в дозатор, кг; т - время полного истечения пыли из дозатора, ч; Ут - объёмный расход воздуха, м3/ч.
На выходе из аппарата запыленность воздуха определялась с помощью отбора проб на прямом участке газохода.
Концентрация пыли на выходе из аппарата Свых определялась по формуле:
Свых=т2/( т-Кв3) (2)
С целью исследования гидродинамики вихревого аппарата обработкой опытных данных определены следующие параметры:
1) средне расходная (отнесенная к полному поперечному сечению аппарата), осевая скорость воздуха:
wo=Vc/S, м/с (3)
где Vc - объемный расход воздуха, м3/с; S - площадь поперечного сечения аппарата, м2.
2) критерий Рейнольдса:
Re=woDp/^ (4)
26
elibrary
О
где р и ц - соответственно плотность и динамическая вязкость воздуха.
3) экспериментальное значение гидравлического сопротивления слоя:
Дрэ = 9,81-йпз, Па
где - разница уровней воды в [/-образном дифманометре, мм. вод. ст. 4) коэффициенты сопротивления:
^=2Др/(р-м2)
(5)
(6)
где Ар - общее гидравлическое сопротивление вихревого аппарата, Па; wo - осевая скорость в вихревой камере, м/с.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты полученных экспериментальных данных в виде зависимости общего гидравлического сопротивления вихревого аппарата от среднерасходной скорости газа представлены на рис. 2. Видно, что с ростом скорости газа как в сухом, так и в орошаемом аппаратах перепад давления в исследуемом аппарате почти монотонно увеличивается. Гидравлическое сопротивление в вихревых камерах с орошаемыми стенками в условиях прямотока сильно зависит от действительной скорости газа, которая тесно связана со скоростью газа по полному сечению и толщиной пленки. При одинаковой плотности орошения в условиях прямотока повышение скорости газа всегда приводит к уменьшению толщины пленки. При этом с ростом скорости газа по полному сечению камеры уменьшается толщина пленки, фактическая скорость газа при этом увеличивается, соответственно увеличивается гидравлическое сопротивление. При увеличении скорости газа перепад давления постепенно возрастает и после определенного участка приобретает почти прямую зависимость от скорости газа, как в сухом, так и в орошаемом аппаратах. С увеличением расхода жидкости изгиб кривых зависимостей гидравлического сопротивления от скорости газа уменьшается.
Из рис. 2 видно, что рост отношений массовых расходов жидкости и газа от 1,6 до 4,4 при одинаковых скоростях газа приводит к увеличению перепада давления в вихревом аппарате на 50-55 %, при одних и тех же скоростях воздуха. Зависимость перепада давления в вихревом аппарате от скорости газа wo, носит почти линейный характер. При этом с повышением скорости газа АР возрастает более интенсивно. Характер зависимости гидравлического сопротивления от расхода жидкости (плотности орошения Г) при Ь/в>1 и постоянных начальных параметрах газа и жидкости почти такой же: с увеличением Г рост АР возрастает.
Из графиков зависимости гидравлического сопротивления от скорости газа, как сухого, так и орошаемого вихревого аппарата видно, что существует два режима работы аппарата. При wo>22-24 м/с наблюдалось более существенное возрастание гидравлического сопротивления, чем при wo<24 м/с. При этом стабильность гидродинамического режима работы аппарата незначительна ухудшилась. А также при высоких скоростях ^о>25 м/с) брызгоунос жидкости с потоком газа на выходе из аппарата увеличился.
По уравнению (4) и графику зависимости зависимости Ар=/^) построен график зависимости коэффициента гидравлического сопротивления вихревого аппарата от режима движения газа в рабочей зоне аппарата. Критерий Рейнольдса определялся по диаметру трубы и осевой составляющей скорости закрученного потока.
27
Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления вихревого аппарата с коэффициентом крутки А=2,1 от скорости воздуха при различных отношениях Ь/С: 1 - сухой аппарат; 2 - 0,36; 3 - 1,6; 4 - 3,8; 5 -
4,4.
Регулировка расходов газа и жидкости позволило изучить гидродинамику аппарата при различных соотношениях нагрузок по жидкости и газу. Влияния отношений массовых расходов жидкости и газа на гидравлическое сопротивление вихревого аппарата можно установить по рис. 2. Анализ этих графиков показывает, что при постоянных нагрузках по газу, рост расхода жидкости приводит к увеличению гидравлического сопротивления вихревого аппарата и тем больше, чем больше расход жидкой фазы. Такая картина обусловлена тем, что гидравлическое сопротивление орошаемого аппарата характеризует дополнительную энергию газового потока, затраченную на турбулизацию жидкости. При низких значениях расхода жидкости гидравлическое сопротивление повышается незначительно.
При тангенциальной закрутке потока газа происходит «разворачивание» потока в канале с преобразованием тангенциально-закрученного потока в поступательно-вращательное движение, что приводит к потерям полного давления. Следует отметить, что больший вклад в гидравлическое сопротивление аппарата при постоянной нагрузке по жидкости дает расход газовой фазы.
Гидравлическое сопротивление неорошаемого аппарата существенно отличается от сопротивления орошаемого аппарата. Такая картина означает, что перепад давления в вихревом аппарате в основном обусловлен сопротивлением трения между потоком воздуха и поверхностью рабочей трубы. Отметим, что шероховатость
28
(средняя высота выступов шероховатости на внутренней поверхности трубы) использованных нами труб превышала 0,2 мм.
На последующих этапах исследований запланировано определение влияния конструктивных параметров вихревого аппарата на его гидродинамику.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования перепада давления в полом вихревом аппарате с тангенциальными завихрителями позволили определить энергозатраты исследуемого аппарата на проведение процесса пылеулавливания, а также было установлено, что с увеличением скорости газа, как в сухом, так и в орошаемом аппаратах перепад давления в исследуемом аппарате увеличивается. С увеличением расхода жидкости изгиб кривых зависимостей гидравлического сопротивления от скорости газа уменьшается. Рост отношений массовых расходов жидкости и газа от 1,6 до 4,4 при одинаковых скоростях газа приводит к увеличению перепада давления в вихревом аппарате на 50-55 %, при одних и тех же скоростях воздуха.
Сравнение полученных результатов показало, что гидравлическое сопротивление разработанного и исследованного вихревого аппарата не превышает сопротивления традиционных пенных, пленочных, насадочных, тарельчатых и других центробежных аппаратов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Николаев А.Н., Овчинников А.А., Николаев Н.А. Высокоэффективные вихревые аппараты для комплексной очистки больших объемов промышленных газовых выбросов. Химическая промышленность. 1992. №9. С. 36-38.
2. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. -Л.: Химия. 1982. 256 с.
3. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. -М.: Машиностроение. 1982. 200 с.
4. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных сил. Том 7: «Вихревые технологии аэротермодинамикы в энергетическом машиностроении» // Киев: Изд. ИТТФ НАНУ. -2008. -292 с
5. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1980. -240 с.
6. Яркин А.Н., Ложкин В.В., Чернухина Ю.В. Теплообмен и потери давления на трение в каналах с закрученным потоков // Теплоэнергетика. 1991. № 7. С. 47-51.
7. Гостицев Ю.А. Тепломассообмен и гидравлическое сопротивление при течении по трубе вращающейся жидкости // Изв. Ан СССР. Механика жидкости и газа. 1988. №5. С. 115-117.
8. Леонтьев А.И., Кузма-Кичта Ю.А., Попов И.А. Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках // Теплоэнергетика. 2017.-№ 2. -С. 36-54.
29
