ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕВЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ С ОТСОСОМ ИЗ БУНКЕРНОЙ ЗОНЫ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Статья поступила в редакцию 17.09.13. Ред. рег. № 1763

The article has entered in publishing office 17.09.13 . Ed. reg. No. 1763

УДК 625.7.330

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕВЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ С ОТСОСОМ ИЗ БУНКЕРНОЙ ЗОНЫ

Н.М. Сергина, Д.В. Азаров

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Ул. Академическая, 1, Волгоград, 400074, Россия, Тел.: (844) 296-99-07, e-mail: kaf_bgdvt@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 22.09.13 Заключение совета экспертов: 28.09.13 Принято к публикации: 03.10.13

На основе вероятностно-стохастической модели проведен анализ эффективности вихревого пылеуловителя со встречными закрученными потоками при организации отсоса из бункерной зоны.

Ключевые слова: вихревой пылеуловитель со встречными закрученными потоками, отсос из бункерной зоны, вероятностно-стохастический подход, фракционная эффективность.

THEORETICAL EVALUATION OF VORTEX DUST SEPARATORS EFFICIENCY WITH EVACUATION FROM BUNKER AREA

N.M. Sergina, D.V. Azarov

Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering 1 Academic St., Volgograd, 400074, Russia Tel.: (8442) 96-98-26, fax (8442) 97-49-33, e-mail: kaf_bgdvt@mail.ru

Referred: 22.09.13 Expertise: 28.09.13 Accepted: 03.10.13

Analysis of efficiency of dust collector with colliding vortex swirling flow at organization of suction from bunker area is carried out based on probabilistic and stochastic model.

Keywords: dust collector with counterclaims swirling flows , suction from the bunker area; probabilistic and stochastic approach , fractional efficiency.

Денис Валерьевич Азаров

Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского гос. архитектурно-строительного университета.

Область научных интересов: повышение эффективности и снижение энергоемкости вихревых инерционных пылеуловителей со встречными закрученными потоками. Публикации: 59, в том числе 14 патентов.

Введение

С целью повышения эффективности пылеулавливания и снижения энергозатрат многими исследователями было предложено множество усовершенствований конструкций вихревых пылеуловителей. В частности, авторами была применена организация отсоса из бункерной зоны пылеуловителя, что позволяет: предотвратить пылевыделение при выгрузке из

аппарата уловленного продукта; уменьшить абсолютное значение давления в аппарате, что, в свою очередь, приведет к снижению выбивания пыли; исключить установку шлюзового питателя, что также обеспечивает уменьшение количества пыли, выбивающейся из пылеотделителя; повысить надежность работы систем аспирации в результате снижения вероятности забивания пылеуловителя [1, 2, 3].

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Существует ряд расчетных моделей для вихревых аппаратов. Профессором Е.И. Богуславским разработан и уточнен для решения проблем охраны окружающей среды вероятностно-стохастический подход, в соответствии с которым основным показателем, характеризующим процессы массопереноса, принята фракционная эффективность Пф.

ния частиц Wi может быть определена из системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Интенсивность локальных источников и стоков дана через параметр рх. Процессы поглощения, коагуляции, рождения частиц по длине траектории учтены коэффициентом Лу и временем ту. Коэффициенты диффузии пылевых частиц Ьу могут быть определены различными способами.

Результаты и обсуждение

Важнейшим понятием вероятностно-стохастического подхода является понятие вероятности попадания частицы фракции йп с поверхности Щ на поверхность Ку

P

(^ L

(1)

где тпЯ - масса пылевых частиц размером йп, стартующих из ячейки N поверхности N тпК - масса

частиц, попадающих на входную поверхность ячейки К зоны К с поверхности N.

Интегрируя по всей зоне К, по всей зоне N и по т (времени процесса), получим

SJ dK J CnjWjd т

р (А"к )n = -,

SJ dN J CnWnjdT

(2)

'=1 N d T

где N К - входная и выходная поверхности; с, W -концентрация и скорость частиц.

В нашем конкретном случае под поверхностью N можно подразумевать поверхности входа пылегазо-вых потоков в аппарат, а под зоной К - бункерную зону аппарата. Ключевым моментом реализации стохастического подхода к задачам пылеулавливания является вывод о тождестве

Пф

= P (AK )n

(3)

Это тождество математически обосновано законом больших чисел на основании теоремы Бернулли и практически подтверждено большим числом экспериментальных исследований.

В основу математической модели профессора Е.И. Богуславского положено уравнение, описывающее вероятность процесса массопереноса в рассматриваемом объеме [4]

^=SW^+

дт ±f ' ЭХ,

А,.

S + + 0,5S b

д2 P

X=1'"n

j=1 т у

,=1 " ЭХ, ЭХ,

. (4)

Схема вихревого инерционного пылеуловителя на встречных закрученных потоках с отсосом из бункерной зоны

Scheme of dust collector with counter swirling flows with suction from the bunker area

При изучении процессов пылеулавливания в вихревом аппарате со встречными закрученными потоками использовано понятие о вероятности сложного процесса обеспыливания. Массоперенос происходит из двух как бы параллельных входных зон - зоны А и зоны В (рисунок), и вероятность этого сложного процесса составит

р = РАтвхА + РВ твхВ

(5)

В уравнении (4) детерминированные процессы описаны первой, второй и третьей составляющими правой части уравнения, а стохастические явления учтены последней составляющей. Скорость движе-

Вероятность события РЛ и Рв может быть описана уравнением вероятности массопереноса в цилиндрической системе координат

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

ЭР дт

dP + WLdP Эт r Эф

д2 P

— = W0,5by ^т- (6)

С использованием метода разделения по физическим процессам профессором Е.И. Богуславским получено [4]

^ = 0,5b : Эт y Эг2

дР2 дт

■ = W-

дР Wé ЭР

dr r Эф

(7.1)

(7.2)

ном, от конструкции закручивающего элемента. Учесть такую неравномерность можно с помощью коэффициента Буссинеска М - коэффициента количества движения, равного

М = - f4r dS, SJ V

V

(12)

где - площадь поперечного сечения рассматриваемой зоны аппарата; V, V - истинная и средняя скорости газового потока.

Используя коэффициент Буссинеска, перепишем (11) в виде

Решение (7.1) и (7.2) имеет вид

P = Poerf

R

2\Л2Ь (т-т0)

P2 = C exp

(8)

(9)

dW - - -

m— = F4 + Fa + Fy,

(10)

где РЦ , РА, р - силы, действующие на частицу в

аппарате, соответственно центробежная, аэродинамического сопротивления, ударного взаимодействия.

Центробежная сила представлена через тангенциальную скорость газового потока

mV.

(11)

При входе газового потока из завихрителя в корпус пылеуловителя происходит перераспределение скоростей по сечению аппарата. При этом закономерности распределения скоростей зависят, в основ-

F =■

Цср

mMV„

ф

(13)

Центробежная сила по (13) зависит от Ми V ,

значения которых отличаются для зон аппарата.

Коэффициенты Буссинеска для зон А и В составляют

На основе (8) и (9) получены аналитические зависимости, характеризующие фракционную эффективность пылеулавливающего аппарата со встречными закрученными потоками с учетом его основных конструктивных параметров, режима его работы и свойств поступающего дисперсного потока. При этом для определения отношения Wr/Vr, входящего в (9), в аппарате было условно выделено три зоны: зона выхода первичного потока из входного патрубка - зона А ; зона входа вторичного потока в корпус аппарата - зона В; зона между выхлопной трубой, срезом патрубка В, корпусом и ядром потока - зона С (см. рисунок).

Рассмотрим влияние дополнительного воздушного потока, возникающего при организации отсоса из бункерной зоны аппарата, на величину соотношения Wr/Vr, которое может быть получено из уравнения движения частиц в виде

МА =

(( - Rt ))

ln2 (RH/RT )RHRT

mb =

(n + r )2 r (r + n)

(14)

(15)

При организации отсоса из бункерной зоны пылеуловителя дополнительно выделяется зона между отбойной шайбой и корпусом аппарата - зона У (см. рисунок), для которой после интегрирования и общепринятых предположений коэффициент Буссине-

ска составит

MY =

(RH - RT )2

ln2 (RhRt )ВД,

(16)

где ЯШ - радиус отбойной шайбы.

Коэффициент Буссинеска для зоны С в аппаратах с отсосом из бункерной зоны определяется из уравнения количества движения для этой зоны

J FC = КС - КА - КВ + КУ ,

(17)

КА , КВ :

Ку -

где Ес - результирующая сила; КС количество движения для потоков в зонах С, А, В, У -соответственно.

Считая, что определяющей по величине является тангенциальная скорость, можно записать

APcSc = MepScV2 cos ©C -MaPSaVАФ cos ©A -

—M B pSbV^ cos © в + MY pSyVy2 cos ©

(18)

где © - угол между сечением и направлением скорости.

2

r

2

r

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Принимая, что потери давления при слиянии двух потоков в зоне С незначительны, т.е. APC ^ 0, имеем

Mc =

MAVAif cos aA + MBVBif cos aB -MYVYif cos aY

УСф cos aA cos aB

(19)

Принимая в качестве первого приближения

vc\ = Vip + VB2v, имея в виду, что VAv = VAbx cos a a , VB(p = VBbx cos aB и aY ~ aA , методом итераций определим Mc и VC(p.

Учитывая результаты экспериментальных исследований, изменения величины Vv по высоте циклонных аппаратов, можно считать

V = a exp bz. (20)

После проведения расчетов (11) для центробежной силы в зонах А и В принимает вид

где Рин - вероятность инерционного попадания крупных частиц на границу молекулярного слоя мелких частиц размером а?п; с - концентрация пыли, мг/м3; АВп - массовая доля частиц с размером < ёп; йп, - размер больших частиц

Подставив (21) - (26) в уравнение движения частиц (10) и решая относительно Wr/Vr, получим

WЛ

Vb

= 1 --

2п2 cos2 aAHЯLA

3DnF^A (1 - Lolc )2

VY PnAdnA П KA (1 + Аа ) aA

(27)

W^ =

VrB

= 1 - 2n2cos2 aBhЯ% VyРпвdlbПKB (1 + Ав )/Сав Re4S ц ;

IDnF^ (1 - Lotc )

(28)

- e -

"✓/ЦС" Ж

F4A =

F =

1 ЦВ

Ма

ln (Ma/Mc )) m,

! - Mc

m

К

cos a

,)A

MB

ln (Mb/Mc )) m,

! - Mc

m

К

cos a B

(21)

(22)

Faa =-

F = -

1 AB

GmAnRe„i (Wa - V в ) ;

8П KA Р An d\n '

Gm^c, Re„B (W rB - VM )

8П KBPBndBn

(23)

(24)

где L = -

где аЛ , ав - средний угол закрутки потока в зонах А и В соответственно.

Силы аэродинамического сопротивления твердых частиц в проекции на ось г имеют вид

где ц - коэффициент динамической вязкости газового потока, Па-с; рп - плотность частиц пыли, кг/м3; Са - коэффициент аэродинамического сопротивления твердых частиц; Яеч - число Рейнольдса для твердых частиц; ПК - поправка Каннингэма.

Силы ударного взаимодействия для зон А и В соответственно имеют вид

РУА = 1,5mлИMЛVв2хА СОв2 авхАРинАСА Х

х(1 -АДл) -йп.А)7(1 -кл)пЛ + ^); (25)

Рув = 1,5твМлКв С^ аВхвРинВСВ Х

х(1 -АДв))в -¿„-в)7(1 -к„в)пв + в), (26)

La + Lb

■; LB =■

La + Lb

■ ; = ■

La + Lb

Окончательно для зоны А можно записать

exp

Ра = 1 -

- £ I R

exp

-XI1 - WW11RH

Wa

Va

1 -TT1 ((h - R )

x erf

(RT - RH ) 2ц2Й (A -T0 )

(29)

exp

Рв = 1 --

-X1 - £ IR

exp

1 - £ IЯ"

WS

1 -~yl ( -RBT)

x erf

(Rh - RS )2

2ц2ь (в -T0 )

(30)

Заключение

Полученные аналитические выражения позволяют рассчитывать фракционную эффективность пылеулавливающего аппарата со встречными закрученными потоками с отсосом из бункерной зоны с учетом основных конструктивных параметров аппарата (Яя, Яг, Яв, Явг, Рвх, Ня, Мл, Мв, Мс, Му), режима его работы (относительного объема отсасываемого из бункера воздуха Ьотс = Ьотс/(Ьл + Ьв), массы частиц,

поступающих в зоны А и В, скоростей потока на входе в зоны А и В и свойств поступающего дисперсного потока (р, ц, ёп, рП, АВп, с).

с I

3 CL

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

L

L

L

A

B

отс

Список литературы

References

1. Сергина Н.М., Азаров Д.В., Гладков Е.В. Системы инерционного пылеулавливания в промышленности строительных материалов // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 66-68.

2. Пат. 044339 Россия МКИ В01ДО5/12, В04С5/26. Двухступенчатая система пылеулавливания / Азаров В.Н., Сергина Н.М., Тюрин А.С. и др. // Опубл. 15.07.2008.

3. Сергина Н.М. Совершенствование схем компоновки многоступенчатых систем инерционного пылеулавливания: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Волгоград. 2000.

4. Азаров В.Н. Комплексная оценка пылевой обстановки и разработка мер по снижению запыленности воздушной среды промышленных предприятий. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Ростов-на-Дону. 2004.

1. Sergina N.M., Аzarov D.V., Gladkov E.V. Sistemy inercionnogo pyleulavlivaniâ v promyslennosti stroitel'nyh materialov // Stroitel'nye materialy. 2013. № 2. S. 66-68.

2. Pat. 044339 Rossiâ MKI V01DD5/12, V04S5/26. Dvuhstupencataâ sistema pyleulavlivaniâ / Аzarov V.N., Sergina N.M., Tûrin А^. i dr. // Opubl. 15.07.2008.

3. Sergina N.M. Soversenstvovanie shem komponovki mnogostupencatyh sistem inercionnogo pyleulavlivaniâ: Аvtoref. dis. ... kand. tehn. nauk. Volgograd. 2000.

4. Аzarov V.N. Kompleksnaâ ocenka pylevoj obstanovki i razrabotka mer po snizeniû zapylennosti vozdusnoj sredy promyslennyh predpriâtij. Аvtoref. dis. . d-ra tehn. nauk. Rostov-na-Donu. 2004.

Транслитерация по ISO 9:1995

г'-": — TATA — LXJ

0 i

CS

I

С!

01

Российские и эаруОвлшы« няйш м журналы

ГАЗЕТЫ И ЖУРНАЛЫ

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ

ЭНЕРГЕТИКА

И экология

ПОДПИСКА - 2014 на январь-июнь по Объединенному каталогу «Пресса России»

На почте с октября 2014 г. проводится подписная кампания на

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»

по Объединенному каталогу Пресса России «ПОДПИСКА-2014, первое полугодие» индекс: 41935

Условия оформления подписки (аннотация, индексы, стоимость) вы найдете в I томе каталога

ТРЕБУЙТЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ КАТАЛОГ НА ПОЧТЕ!

Контактный номер телефона специалиста по распространению (495) 661-20-30

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

S1