CC BY
7минимален при максимально возможной эффективности распыления. Этому условию соответствует первый участок зависимостей (рис.1,7). Проведены исследования по улавливанию оксидов азота из отходящих от промышленных установок газовых потоков раствором щелочи [4]. Установлено, что при значениях критерия Рейнольдса, превышающих 2105, остаточная концентрация оксидов азота после очистки в основном зависит от критерия Рейнольдса и величины орошения. При проведении опытов путем изменения сопротивления по газовому тракту добивались постоянства расхода воздушного потока независимо от частоты вращения роторов. Приняв, что процесс улавливания оксидов азота подчиняется одной и той же закономерности, независимо от порядкового номера рядов дезинтегратора, мы получили следующее выражение для расчетов остаточной концентрации оксидов азота:
С= к 3800_, (5)
Е Е Яе0,55 О0,9 1=1 1
где С - остаточная концентрация оксидов азота мг/м3; Яе - критерий Рейнольдса на 1-ом ряду дезинтегратора; О- расход абсорбента, л/ч; к- число рядов дезинтегратора.
Следует обратить внимание, что показатель степени при производительности равный 0,9 не случаен. Аппроксимация зависимостей (рис.3) степенной функцией дает усредненный показатель
степени, равный 0,898. Опыты проведены на дезинтеграторе с диаметром роторов 200 мм при частотах вращения роторов 50-100об/с, расходе 5% раствора щелочи 1- 30 л/ч и концентрациях оксидов азота, достигающих значения 20 мг/м3. При частоте вращения роторов дезинтегратора 100 об/с, расходе раствора NaOH 30 л/час, концентрации раствора CNaOH = 5 % удалось снизить остаточную концентрацию оксидов азота до значений ниже предусмотренной по нормативам ПДКЖ2 = 2 мг/м3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Богородский А.В. Разработки конструкций и методов расчета интенсивных измельчителей дезин-теграторного типа.: Дис. канд. техн. наук. Иваново. 1982г.
2. Патент РФ № 2201279. Устройство для улавливания пыли и вредных газов. Ивановская государственная архитектурно - строительная академия. Авт. изобрет. Лапшина А.В., Гуюмджян П.П., Лапшин
B.Б. - заявлено 08. 06. 2000. №2000114626; опубл. в Б.И. 2003. №9. М.
3. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М.: Химия. 1972. 248 с.
4. Лапшин В.Б., Невский А.В., Лапшина А.В. Применение мельниц дезинтеграторного типа в экологизации различных производств. //Тезисы док. 1 Международной н.-тех. конф. «Актуальные проблемы химии и химической технологии. (Химия -97). Региональный семинар. Экологические проблемы Верх.-Волжского региона.» - Иваново. 1997.
C. 112-113.
Кафедра технической механики
А.Н. ЕМЕЛЬЯНОВ
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ДЛЯ ОБЖИГА ЛЁГКОГО КЕРАМЗИТА
(Самарская государственная архитектурно-строительная академия)
Изложен системный подход к выбору оптимального геометрического профиля вращающейся печи для обжига легкого керамзита.
При нагревании гранул полуфабриката керамзита при температурах, соответствующих кривой обжига Т=Т(х) во вращающейся печи до зоны вспучивания происходит постепенное и последо-
вательное снижение массы и объёма гранул, что приводит к незначительному увеличению их объёмной массы. Однако у гранул, полученных из монтмориллонитового или монтмориллонитово-
гидрослюдистого сырья не происходит снижения объёмной массы, хотя и снижение массы и объёма значительно. Это обусловлено особенностями строения кристаллов монтмориллонита и гидрослюд.
На рис.1 сплошной линией показано изменение плотности р гранул в зависимости от x, где х=x(Т). Такой характер изменений р сохраняется вплоть до точки М.
и _а__и. /м'
г$Ш \ \с
V*
о X
Рис.1. Профиль распределения насыпной плотности обжигаемого материала, поступательно движущегося по длине вращающейся печи.
Дальнейшее нагревание при температурах, соответствующих зоне вспучивания, вызывает интенсивное увеличение объёма гранул при их практически постоянной массе. Здесь наблюдается значительное снижение объёмной массы гранул. Эта зависимость показана на рис.1 сплошной линией от точки М вправо.
В целом, кривая изменения р=Дх) (рис.1, сплошная линия) представляет собой профиль распределения р в зависимости от длины х=х(Т) печи. Главная особенность этой зависимости состоит в том, что здесь не учтено действие поверхностных сил внутреннего взаимодействия, являющихся следствием физико-химического процесса частичного спекания (до точки М) и вспучивания (от точки М вправо), и оказывающих значительное влияние на динамику материального потока во вращающейся печи и, соответственно, на качество готового продукта, производительность печи и удельный расход топлива.
На рис.1 пунктирной линией показан профиль распределения насыпной плотности р обжигаемого материала, поступательно движущегося по длине вращающейся печи х. Здесь также справедливо соотношение х=х(Т). От начала координат (загрузка полуфабриката в печь) до точки М насыпная плотность растет с увеличением х. На этом участке происходит сжатие материального слоя, так как гранулы уменьшаются в объеме и соответственно a'b'<ab. Справа от точки М (зона вспучивания пунктирная линия) насыпная плотность р резко убывает с увеличением х. На этом участке имеется значительное разрежение материального
слоя, так как c'd'>>cd. Скорость изменения значений р зависит от насыпной плотности, поэтому профиль распределения насыпной плотности будет меняться с течением времени.
Профиль распределения насыпной плотности обжигаемого материала по длине вращающейся печи (рис.1) представляет собой профиль распределения плотности р от x в распространяющейся вправо плоской волны конечной амплитуды (волны Римана) [1].
Участок волны до точки М, на котором насыпная плотность обжигаемого материала возрастает и так как гранулы обжигаемого материала сближаются ^Ъ'^Ь), становится все короче, а профиль волны на этом участке становится все круче. Участок волны от точки М вправо, на котором насыпная плотность обжигаемого материала при распространении волны убывает, а так как гранулы обжигаемого материала раздвигаются, расстояние между ними увеличивается (c'd'>>cd), профиль волны на этом участке становится все положе.
Когда угол, образованный касательными, проведенными в точке пересечения кривой (пунктирная линия) нового положения профиля распределения насыпной плотности обжигаемого материала и начального участка исходной кривой этого же положения профиля распределения, достает величины Р^т), равной углу динамического откоса обжигаемого материала при температуре вспучивания, наступает опрокидывание волны распределения насыпной плотности в зависимости от х, и следовательно, температуры обжига, так как х=х(Т). По другому говоря, волна начинает двигаться в противоположном направлении по отношению к движению материального потока. При этом происходит диссипация энергии и соответственно затухание волны. Поэтому положение точки М на кривой профиля распределения р от х неустойчиво. Точка М может перемещаться влево вплоть до начала координат. По физическому смыслу процесса обжига такое "поведение" точки М хорошо согласуется с реальным процессом вспучивания во вращающейся печи.
Общеизвестно, что зона вспучивания (на рис. 1 она условно отделяется перпендикуляром, опущенным из точки М, от зоны химических реакций в твердой фазе) во вращающейся печи самопроизвольно перемещается в сторону холодного (загрузочного, по противотоку) конца печи вплоть до ее фланца.
Как уже отмечалось выше, профиль кривой распределения насыпной плотности по длине вра-
щающейся печи может изменяться с течением времени. Это указывает на то, что время пребывания гранул полуфабриката и горячего керамзита во вращающейся печи и время обжига могут существенно различаться с преимуществом первого временного показателя. В итоге такое положение приводит к снижению качества продукта, производительности печи и увеличению удельного расхода топлива на обжиг.
Закономерности динамики движения материального потока во вращающейся печи составляют основу развития современного строительного печестроения.
Динамику движения материала во вращающейся печи целесообразно рассматривать по зонам. Динамическое уравнение поступательного движения материала в зоне вспучивания имеет вид: Р2^22/2)(е2-япе2К22-р№2/2)(ер1^теК12=А, (1) где р - насыпная плотность, кг/м ; е - центральный угол сегмента, занятого материалом, рад; V - линейная скорость поступательного движения материала, м/с; R - радиус печи, м; А - сумма поверхностных сил внутреннего взаимодействия, кг-м/с2; индексы 1-начало (вход); 2-конец(выход) зоны печи.
Из уравнения (1) видно, что радиус печи оказывает существенное влияние на процессы, протекающие в печи. При R<1 в процессе обжига важную роль играет массоперенос, при R>1 снижается влияние массопереноса, в первую очередь диффузионных процессов. Здесь можно отметить возрастание роли теплопереноса. Вращающиеся печи с R=l м характеризуются переходным режимом. Если А<0, то в материальном потоке (единичного объема) происходит массообмен не только с внешней средой (по отношению к единично -му объему), но и соответствующий обмен массой внутри этого объема, то есть самопроизвольное перемешивание гранул полуфабриката и вспучивание горячих гранул. При этом (А<0) массообмен осуществляется в направлении обратном движению обжигаемого материала. Это положение еще раз подтверждается многолетним производственным опытом работы вращающихся печей.
На основании результатов исследования динамики движения материального потока в печи разработан оптимальный геометрический профиль вращающейся печи, который может быть положен в основу модернизации действующих и изготовления новых печей с фундаментной базой вращающейся печи 2,5x40 м и дан краткий сопоставительный анализ этапного развития вращающихся печей в сравнении с появившимися в середине 80-90-х годов двухбарабанными вращающимися печа-
ми(тенденция Германии, фирмы КХД Гумбольдт Ведаг АГ и Блахтон Кеттенбауэр ГМБХ Со КГ).
На рис. 2 показаны геометрические профили вращающихся печей и эпюры линейной скорости поступательного движения материальных потоков в них. Однобарабанные печи представлены печами: с гладким профилем(ОаbcdfO, эпюра 1), переменного сечения (OabcedfO, 2) и барабанно-конусного типа (О'а'Ь'с^'е'Г - ГеЪ'п'т'к^ТО', 4), с первым барабаном переменного сечения (О'а'Ь'с'пЪ'е'Г-ГеЪ'п'т'к^ТО', 5) и со вторым барабаном переменного сечения (О'а'Ь^'еТ -ГеЪ'п'т'р^^ТО', 6). Две последние двухбарабан-ные печи являются разработками немецких фирм; КХД Гумбольдт Ведаг АГ и Блахтон Кеттенбауэр ГмБХ КГ соответственно, а с гладкими барабанами - фирм Италии, Финляндии и др.
Рис.2. Геометрические профили (I) вращающихся печей и эпюры (II) линейной скорости поступательного движения материальных потоков в них: ОаЬс<1Ю - (1) - однобарабанная, гладкая; OabcegfO - (2) - переменного сечения; ОаЬ^Ю - (3) - барабанно-конусная; 'О'а'Ь'(!'еТ - ГеЪ'п'Я^Т О' - (4) - двух-
барабанная с гладкими барабанами; О'а'Ь'с'пЪ'еТ -ГеЪ'п'т'Я^ТО' - (5) - двухбарабанная, с первым барабаном переменного сечения (тенденция Германии, фирма КХД Гумбольдт Ведач АГ); О'а'Ь'(!'е'Г - ГеЪ'п'т'р^^Т О' - (6)- двухбарабанная, со вторым барабаном переменного сечения (тенденция Германии, фирма Блахтон Кеттенбауэр ГиБХКГ). Продольные оси печей совмещены и показаны горизонталями ОО и О'О'.
Эпюры линейной скорости поступательного движения в печах построены при условии, что источники и стоки гранул полуфабриката в печи отсутствуют, а поступательное движение является результатом их сложного движения. Эпюры 1, 2, 3 построены для однобарабанных печей одной длины 40 м, а эпюры 4, 5, 6 - для двухбарабанных печей с приведением их к одной длине, при этом и длины барабанов приняты равными. Такое упрощение было необходимо для сравнительного анализа работы печей. По этой причине эпюры линейной скорости носят качественный характер.
В однобарабанных печах волны сжатия и разрежения действуют последовательно. Величина разрежения значительно больше сжатия, высота слоя материала в зоне вспучивания больше, чем в предыдущей зоне химических реакций. Поэтому в печах с гладким профилем (эпюра 1) и переменного сечения (эпюра 2) происходит опрокидывание волны и соответственно образуются обратные потоки материала, снижая эффективность печи. Во всех зонах барабанно-конусной печи создаётся волна разрежения, т. к. скорость материального потока постоянно увеличивается. В печи этой конструкции образование обратного потока исключается, а, следовательно, полнее используется ресурс вспучивания, повышается качество готовой продукции и производительность печи.
Эпюры линейной скорости поступательного движения материального потока в двухбара-банных печах существенно отличаются от эпюр однобарабанных печей, так как они имеют большую производительность (200-300 тыс. м3/год) и в общем, более высокую частоту вращения барабанов. В материальных потоках этих печей действуют значительно большие поверхностные силы внутреннего взаимодействия.
В двухбарабанных печах (эпюры 4,5,6) волны сжатия и разрежения перемещаются отдельно, в индивидуальных барабанах гладкого и/или переменного сечения. В барабанах термоподготовки и химических реакций образуется и перемещается волна сжатия, а в барабанах обжига (вспучивания) - волна разрежения. При пересыпании полуфабриката из барабана термоподготовки в барабан обжига (вспучивания) образуется скачок скорости, который интенсифицирует действие поверхностных сил внут-
реннего взаимодействия в барабане обжига, усиливая образование обратного потока. Этот поток развивается сильнее, так как ему нет противодействия со стороны зоны химических реакций (она осталась вверху, в барабане термоподготовки). Расширение конца барабана термоподготовки (эпюра 5) или обжига (эпюра 6) не устраняет негативного потока, наоборот, его интенсифицирует, особенно в барабане обжига вращающейся печи (эпюра 5).
Для того, чтобы достигнуть максимального вспучивания каждая гранула полуфабриката материального потока должна получить требуемое количество теплоты в минимальный промежуток времени. Это аксиоматическое условие требует равенства количества гранул, перемещающихся в различных зонах печи и оно должно выполняться по всей длине печи.
С учётом выявленных особенностей движения материального потока гранул полуфабриката из вспучивающихся шихт (глины, порошки строительного, шлакового или специально сваренных стёкол) - волновой характер, неустойчивость по направлению и величине вектора поверхностных сил внутреннего взаимодействия, скачок скорости и разрежения - при конструировании новых и модернизации действующих вращающихся печей необходимо принимать за основу вышеуказанное условие равенства гранул по сечениям печи, которое обеспечивает не только наибольшую эффективность по вспучиванию, но и по объему вращающейся печи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. М.: Наука. 1988. 736 с.
УДК 621.928.3
А.В. ДМИТРИЕВ, Д.Н. ЛАТЫПОВ, А.Н. НИКОЛАЕВ
ДИНАМИКА СПЛОШНОЙ ФАЗЫ В АППАРАТАХ ВИХРЕВОГО ТИПА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
(Нижнекамский химико-технологический институт Казанского государственного технологического университета)
Рассмотрена динамика газового потока и гидравлического сопротивления в вихревых аппаратах при однофазном и двухфазном течении в зависимости от нагрузок и степени крутки потока.
В связи с ухудшающейся экологической примесей стала проблемой общенационального обстановкой проблема очистки промышленных характера. Решение этой проблемы осложнено газовых выбросов от газообразных и дисперсных тем, что традиционно применяющиеся для очист-
