CC BY
42
УДК 658.567
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РАЗНОТЕМПЕРАТУРНОГО КОНДЕНСАЦИОННОГО ФИЛЬТРА
В.И. Ряжских, Г.Г. Воронов, П.А. Солженикин, В.Г. Стогней
Многие промышленные предприятия еще не оснащены эффективными установками газоочистки, а существующие способы (электростатические, инерционные, гравитационные и др.) и устройства, их реализующие, не обладают универсальностью по температурным и расходным характеристикам рабочих сред. В связи с этим перспективным методом удаления вредных примесей из промышленных газов является процесс конденсационной очистки в разнотемпературных фильтрах
Ключевые слова: методика, расчет, очистка, параметры, поток
На сегодняшний день практически отсутствуют газоочистные установки, обладающие надёжностью, простотой и сравнительной дешевизной, способные эффективно очищать воздух и газовые выбросы высоких температур и больших объёмов. Ряд крупных исследований показывает перспективность в этом отношении методов очистки, основанных на конденсации, и разработки на их основе конденсационных фильтров, имеющих разнотемпературный рабочий канал.
В целях оптимизации подобного процесса газоочистки и разработки инженерной методики расчета промышленного
разнотемпературного конденсатора было проведено сравнение двух режимов работы конденсационного фильтра по коэффициенту осаждения жидкой аэрозольной фазы из рабочего газа в разнотемпературном канале. Первый режим характеризовался малыми скоростями, когда участок гидродинамической и тепловой стабилизации очищаемого газового потока совпадает с длиной конденсационного канала. Второй режим наблюдался при более высоких скоростях, когда участок гидродинамической и тепловой стабилизации потока меньше длины конденсационного канала.
Для выявления наиболее эффективного режима работы конденсационного фильтра проведено сравнение удельного количества конденсата, выделившегося в
разнотемпературном канале, и по полученным данным построен график зависимости коэффициента улавливания жидкой аэрозольной фазы из газового потока п в
Ряжских Виктор Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473)243-76-62 Воронов Геннадий Геннадьевич - ВГТУ, соискатель, тел. 8(473)243-76-62
Солженикин Павел Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473)243-76-62
Стогней Владимир Григорьевич - ВГТУ, Заслуженный работник ВШ, профессор, тел. 8(473)243-76-62
разнотемпературном фильтре от подачи воздуха через установку. 11 1
0,3 0,6 0,4 0,2 0
0 2 4 6 3
и10"4, м3/с
Коэффициент улавливания жидкой аэрозольной фазы
Анализ приведенной графической зависимости позволяет сделать вывод, что разнотемпературный конденсационный
фильтр эффективнее производит очистку потока газа от жидкой аэрозольной фазы, когда рабочий режим характеризуется наличием преобладающего начального участка гидродинамической и тепловой стабилизации в отличии от режима, когда наблюдается развитая гидродинамическая и тепловая стабилизация. Это можно объяснить созданием обширной зоны, где происходит зародышеобразование, дальнейший рост и выпадение в осадок капель жидкости в ядре потока загрязненного газа. Соответственно, можно говорить о целесообразности проектирования установок подобного типа, имеющих малую длину рабочего канала в рамках начального гидродинамического и теплового участка. Это положительно отразится на металлоемкости конструкции при конструировании.
Инженерная методика расчета рабочих режимов газоочистного фильтра с реализацией разнотемпературной конденсации решает следующие задачи:
- определение параметров процесса охлаждения и конденсации вредных примесей в рабочей среде в канале с
разнотемпературными стенками с целью характеристики процесса образования зародышей капель, их дальнейшего роста и последующего осаждения на поверхностях конденсации, основываясь на тепло -физических и физико - химических свойствах газового потока;
- кинетический анализ процессов фазовых переходов в разнотемпературном канале;
- нахождение геометрии конденсационного фильтра;
- оценка эффективности газоочистки в конденсационном фильтре.
Предлагается следующая
последовательность расчета для решения перечисленных задач:
1) Формируется блок исходных данных:
- выбирается загрязненная среда, которую необходимо очистить от вредного аэрозоля;
- определяются теплофизические физико-химические параметры рабочего газа: плотность р . теплопроводность
С 0 = с ¥ [Т {Hp )] ,
(2)
теплоемкость
I , концентрация
аэрозольных примесей в смеси с, и концентрация насыщения по примеси c ¥, в данной смеси;
- задаются расходными характеристиками загрязненного газа промышленного процесса и, м3/с;
- выбирается ширина h и длина И рабочего канала, образованного разнотемпературными стенками.
2) Идентифицируются температурные поля в разнотемпературном канале при движении аэрозоля через конденсационный фильтр по формуле
Т (X ,У ) = Х • Г +Х0 • (1 - у)+
+ - v {Х1 • яп(У •р • п ) + Х0 • яп[(1 - У )р • п ]} X (1)
р , п
п =1
X exp(- р 2п 2X / Ре)
учитывая, что относительные температуры нагрева X1 и охлаждения X 0 должны располагаться соответственно выше и ниже температуры насыщения примеси в газовом потоке Т (И ), определяемой по формуле:
где с0 - концентрация газообразной примеси в подаваемой рабочей среде [2];
3) По математической модели процессов образования зародышей, их роста и выпадения конденсата жидкости определяется
относительная функция плотности
распределения аэрозольных капель в разнотемпературном канале на определенной длине по формуле:
Ф(Х, 1,0)= 10-А- (I -1, )]х 1[х - А ¡1Ьк (I -15 )]х
х ехр
- АI1112 К * ([ )}1
, (3)
находится величина образовавшегося и сконденсировавшегося аэрозоля по формулам:
I
с (х ,г) = к, рк 1131 (х, 1,г)г I (4)
И
Мо = 0,5кЗк,р,Г4пТ11-1И 1Г(/ ,0функ У (5)
где к , - коэффициент формы частиц,
а также остаточная концентрация аэрозоля в рабочем потоке на выходе из конденсационного фильтра по формуле:
®фуж
М „ = 0,5к,р 1"41 гЬкк ч(т) [с*(И , 0)10 (6)
"Ш\п ] с; 0
4) Сравнивается остаточная концентрация содержащихся примесей после газоочистки с требуемыми нормативами для конкретного производства, где происходит очистка аэрозоля;
5) При превышении найденной остаточной концентрации вредного аэрозоля в газовом потоке на выходе из установки, по сравнению с возможно допустимой, требуется удлинить разнотемпературный рабочий канал и возвратиться ко 2 пункту. Если найденная остаточная концентрация не превышает возможно допустимой, то ее повторное определение не требуется и она будет характеризовать геометрию конденсатора;
6) Производится оценка гидравлических потерь за счет местных сопротивлений на входе и выходе, потерь на трение, влияющих на геометрию фильтра, для обеспечения
транспортировки рабочей среды через установку и для выбора рабочих характеристик насоса [4];
7) При найденной длине откорректировать геометрию фильтра, изменяя ширину рабочего канала, характеризуя тем самым пределы зоны конденсации. При этом считается, что подача газа через фильтр остается постоянной;
8) При изменении ширины разнотемпературного канала уточняются новым расчетом температурные поля внутри фильтра, остаточные концентрации аэрозоля в рабочем газе при выходе из конденсатора;
9) Выбирается оптимальный режим, основываясь на удовлетворительной концентрации при изменении длины и ширины рабочего канала.
Проведенные исследования подтверждают целесообразность и необходимость обширного применения разнотемпературных конденсаторов в целях промышленной газоочистки. Конденсационный фильтр имеет достаточно простую конструкцию,
тепломассообменные процессы испарения и конденсации происходят в нем достаточно быстро, имеет небольшую массу и габариты, что иногда является определяющим для некоторых условий эксплуатации.
Литература
1. Солженикин П. А. Перспективы использования конденсационных фильтров в промышленности / П.А. Солженикин, В.Г. Стогней, А.А. Галеев // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: Труды науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. 4. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005 - С. 39 - 42.
2. Ряжских В.И. Математическая модель тепломассообменного процесса в конденсационной камере / В. И.Ряжских, В. Г. Стогней, П. А. Солженикин, А.А. Щетинин, В.В. Черниченко // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика -2006) / Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 5., т. 2 - М.: Радио и связь, 2006, С. 74 - 78.
3. Ряжских В. И. Математический анализ процессов тепломассообмена в разнотемпературном канале / В. И. Ряжских, П. А. Солженикин, В. Г. Стогней, В. В. Черниченко // Авиакосмические технологии «АКТ -2006»: Труды седьмой международной научно -технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов - Воронеж: ВГТУ, 2006 - С. 434 - 440.
4. Стогней В.Г. Обоснование конструктивных параметров установки для исследования процесса пересыщения в газовом потоке / В.Г. Стогней, В.С. Железный, П.А. Солженикин, О. С. Шерстяных // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2006)/ Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 5., т. 2 - М.: Радио и связь, 2006, С. 78 - 80.
Воронежский государственный технический университет
IMPROVING ENGINEERING DESIGN PROCEDURE OF DIFFERENT TEMPERATURE
CONDENSATION FILTER
V.I. Ryazhskih, G.G. Voronov, P.Â. Solzhenikin, V.G. Stogney
Many industrial enterprises have not yet equipped with efficient gas purification plants, and existing methods (electrostatic, inertia, gravity, etc.) and implement their devices do not have the flexibility for temperature and flow rate characteristics of working environments. In this regard, a promising method for removing impurities from the process gases is condensing in the different temperatures cleaning filters
Key words: methodology, calculation, cleaning, parameters, flow
