CC BY
13
©Н.В. Юшков, В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев УДК 669.162.252
УТОЧНЕНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОДНОСОПЛОВЫХ И ДВУХСОПЛОВЫХ ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ФОРСУНОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
Н.В. Юшков, В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев
Липецкий государственный технический университет, г. Липецк, Россия
yushk. nikolai@yandex. гы
Резюме: полый форсуночный скруббер - основной аппарат полутонкой очистки доменного газа. С учетом того, что диаметр капель и скорость их движения в потоке запыленного газа - основные факторы, влияющие на эффективность очистки доменного газа и интенсивность его охлаждения в форсуночных скрубберах, распыл жидкости имеет определяющее значение в процессе пылеулавливания. Эвольвентные форсунки - основной тип распыливающих устройств, использующихся для диспергирования жидкости в полых форсуночных скрубберах. В настоящее время отсутствует точная методика расчета данных форсуночных устройств, учитывающая все конструктивные параметры форсунки и физические свойства жидкости. В данной статье получена уточненная методика расчета эвольвентных форсуночных устройств с одним и двумя выходными отверстиями (соплами), позволяющая получить основные параметры работы данных распыливающих устройств.На основе данной методики исследована работа эвольвентных форсунок, использующихся в пре-скруббере системы мокрой газоочистки доменного газа проекта компании РаыШыгЛ. Повышение давления технической воды и уменьшение диаметра выходного сечения позволит повысить качество распыла и увеличить осевую скорость капель, что улучшит эффективность очистки доменного газа.
Ключевые слова: эвольвентная форсунка, полый форсуночный скруббер, средний диаметр капель, осевая составляющая скорости капель, односопловая эвольвентная форсунка, двухсопловая эвольвентная форсунка.
REFINEMENT OF THE METHOD OF CALCULATION SINGLE-HOP AND DOUBLE
HOP EVOLVENT NOZZLES
N.V. Yushkov, V.Ya. Gubarev, A.G. Arzamastsev
Lipetsk state technical university, Lipetsk, Russia
yushk.nikolai@yandex.ru
Abstract: ahollow nozzle scrubber is the main unit of semi-fine of blast furnace gas cleaning.Since diameter of the droplets and speed of their movement in the flow of dusty gasare the main factors affecting the efficiency of cleaning andintensity of cooling of blast furnace gas in nozzle scrubbers, the liquid spray is crucial in the process of dust collection. The involute nozzles are basic type nozzle devices used for dispersing fluid into hollow nozzle scrubbers. Currently, there is no accurate method of calculating these nozzles, taking into account all the design parameters of the nozzle and the physical properties of the liquid. In this article, the refined method of calculation of evolventnozzle devices with one and two outlet holes (nozzles) is obtained, which allows to obtain the basic parameters of these spraying devices. On the basis of this method the work of evolvent nozzles used in the pre-scrubber of the wet gas cleaning system of blast furnace gas project of Paul Wurthcompany is investigated. Increasing the pressure of process water and reducing the
94
diameter of the outlet section will improve the quality of the spray and increase the axial velocity of the droplets, which will improve the efficiency of blast furnace gas cleaning.
Keywords: single-hopevolvent nozzle, double hop evolvent nozzle, a hollow nozzle scrubber, the average droplet diameter, axial component of velocity drops,
Основными аппаратами полутонкой очистки доменного газа являются полые форсуночные скрубберы различных конструкций. Принцип действия данных аппаратов основан на улавливании частиц колошниковой пыли каплями диспергированной жидкости за счет механизма инерционного столкновения частиц с поверхностью капли [1]. Поскольку одними из основных факторов, определяющих инерционность данного столкновения, являются размер капель и скорость их движения в потоке газа, распыл жидкости имеет важное значение в общем технологическом процессе пылеулавливания, реализуемого в полых форсуночных скрубберах. Кроме того, диаметр капель и их скорость влияют на интенсивность процесса охлаждения доменного газа [2].
Как правило, для диспергирования жидкости в полых скрубберах применяют эвольвентные форсунки (рис. 1) с большим диаметром выходных отверстий (69-88 мм). В зависимости от конструкции скруббера и места установки используются как односопловые, так и двухсопловые форсуночные устройства. Данные распыливающие устройства характеризуются высокой пропускной способностью, возможностью работы на оборотной воде (высокое содержание взвешенных частиц) и жестким несминаемым факелом распыла
В настоящее время отсутствуют точные методики расчёта данных форсуночных устройств, позволяющие получить выражения для определения основных параметров работы эвольвентных форсунок с одним или двумя выходными отверстиями иучитывающие вязкость диспергируемой жидкости и все конструктивные особенности форсунки. Например, в работе Дорошенко Ю. Н., Пенявского В.В., Соловьева О.Ю. [4] не учитывается количество выходных отверстий (сопел) форсуночного устройства, угол между направлением оси входного канала и осью выходного отверстия, а также деформация струи диспергируемой жидкости при входе в камеру закручивания. В работе Попковой О.С., Гайфутдинова А.Н., Файзуллина А.И. [5] и исследовании Ходырева А.И. Муленко В.В. [6] отсутствуют выражения для определения среднего диаметра капель, учитывающие физические параметры диспергируемой жидкости и геометрические параметры распыливающих устройств.
В настоящей работе уточнена методика расчета эвольвентных форсуночных устройств с одним и двумя выходными отверстиями, позволяющая определить средний диаметр капель, абсолютную скорость капель и ее составляющие, коэффициент расхода и
[3].
Рис. 1. Схема эвольвентной форсунки
коэффициент заполнения сопла с учетом конструкции форсунок и параметров жидкости и очищаемого газа.
Основным параметром, характеризующим конструктивные параметры данных форсуночных устройств, является величина геометрической характеристики, определяемая согласно следующему выражению:
шЯгс
Лв --Р (!)
8«Гвх
где Лв - величина геометрической характеристики эвольвентной форсунки; ш -количество выходных отверстий (сопел) эвольвентной форсунки; Я - расстояние от оси сопла до оси входного канала (плечо закручивания) эвольвентой форсунки, м; гс - радиус сопла эвольвентной форсунки, м; р - угол между направлением оси входного канала и осью выходного отверстия (сопла) эвольвентной форсунки, град; е - коэффициент деформации струи; п - количество входных отверстий в камеру эвольвентной форсунки; гвх - радиус входного отверстия в камеру эвольвентной форсунки.
Для учета свойств реальной жидкости определятся комплекс, характеризующий влияние сил трения о стенки камеры закручивания на момент количества движения жидкости:
К
е = ^ лг 2 с
' Я л
(2)
^ -1
гс у
где В - комплекс, характеризующий влияние сил трения о стенки камеры закручивания на момент количества движения; - коэффициент трения о стенки камеры закручивания эвольвентой форсунки (определяется с учетом критерия Рейнольдса для течения на входе в камеру закручивания эвольвентной форсунки); Як - радиус камеры закручивания эвольвентной форсунки, м.
В выражения (1), (2) введен параметр - п, учитывающий количество выходных отверстий в камере закручивания форсунки. Учет данного параметра позволяет использовать эти выражения для расчета как односопловых, так и двухсопловых форсуночных устройств.
Для форсуночных устройств, работающих на вязких жидкостях, используют эквивалентную геометрическую характеристику, определяемую по следующей формуле:
ЛЭ = -^ (3)
Э 1+е
где Лэ - эквивалентная геометрическая характеристика эвольвентой форсунки.
Значения величин коэффициента расхода и коэффициента заполнения сопла определяются с учетом следующих выражений [7]:
Лэ - О-^2 (4)
ел/е
н-е- I -1 (5)
ЛЭ , 1
(1 - е) е2
где е - коэффициент заполнения сопла эвольвентой форсунки; р,е - коэффициент расхода эвольвентной форсунки.
Для определения производительности эвольвентной форсунки используется следующее выражение [8]:
п 2 2 ■(РЖ - Рд.г.)
б = -д— (6)
V Рж
где б - объемный расход жидкости, подаваемой на эвольвентную форсунку при данном
перепаде давления, м /с; Рж - избыточное давление жидкости перед форсункой, Па;
Рд.г. - избыточное давление доменного газа, Па.
Для проведения расчета обычно вводится параметр эквивалентной скорости, определяемый по следующей формуле [9]:
-Э =~б1 (7)
%т,с
где —э - значение эквивалентной скорости жидкости в сопле эвольвентой форсунки, м/с.
Величина абсолютная скорость капель на выходе из сопла форсунки связана с эквивалентной скорость через коэффициент расхода и определяется перепадом давления между диспергируемой жидкостью и очищаемым газом, а значение осевой составляющей абсолютной скорости капель связана с эквивалентной скоростью через коэффициент заполнения сопла [10]:
wк = (8)
Це
2 ■ (Рж - Рд.г. )
-к = л--(9)
V Рж
где —к - абсолютная скорость капель диспергированной жидкости на выходе из сопла форсунки, м/с.
—2 = — (10)
6
где — - осевая составляющая абсолютной скорости капель диспергированной жидкости, м/с.
Абсолютная скорость капли, тангенциальная и осевая ее составляющие связаны между собой через выражение:
—К = л[—[+ — (11)
где —т - тангенциальная составляющая скорости абсолютной скорости капель диспергированной жидкости, м/с.
Соответственно угол конусности факела распыла для данного типа форсуночных устройств будет определятся с учетом следующего выражения:
—Т
ф = аг^— (12)
где ф - угол конусности факела распыла эвольвентной форсунки, град.
Средний диаметр капель диспергированной технической воды определяется по следующей формуле [11]:
5 =___(13)
АХ ■ КеЖ7 ■ П?'1 ( )
где 5 - средний диаметр капель диспергированной жидкости, м; к - коэффициент, зависящий от типа форсуночных устройств; Авх - комплекс №1 для определения среднего диаметра капель диспергированной жидкости, учитывающий конструктивные
характеристики форсунки - Лвх =
(RK - гвх) rC
м; Яеж - значение критерия Рейнольдса с
'вх
учетом эквивалентной скорости жидкости в сопле эвольвентой форсунки; П - комплекс №2 для определения среднего диаметра капель диспергированной жидкости, учитывающий
физические параметры диспергированной жидкости- П =
2
_рж '»ж
1.
ad.
а - коэффициент
с
поверхностного натяжения жидкости, H/м; »ж - кинематическая вязкость жидкости, м2 / с .
С учетом представленной методики было проведено исследование изменений параметров работы эвольвентных форсуночных устройств в зависимости от радиуса сопла и давления диспергируемой жидкости и построены соответствующие графики (рис. 2- 7). В качестве примера рассматриваются односопловые и двухсопловые форсунки пре-скруббера системы мокрой газоочистки доменного газа проекта компании Paul Wurth. Как односопловые, так и двухсопловые конструкции форсуночных устройств, использующихся в данной системе мокрой газоочистки доменного газа, имеют одинаковую производительность.
д, мм
4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0
Двухсопловые
форсуний
--
Односопловые форсуний - -
- -
rc, мм
0,032 Рис.
0,033
0,034 0,03S 0,036 0,037 0,038 0,039 0,040 0,041
2. График зависимости среднего диаметра капель для односопловых и двухсопловых форсунок от радиуса сопла
м
Ó, мм
5,0 4,8 4,6 4,4 4,2 4,0
3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4
Двухсопповые
форсунк и
ионосопловы в
форсунки
Рж, Па
390000 410000 430000 450000 470000 490000 510000 530000 S50000
Рис. 3. График зависимости среднего диаметра капель от давления технической воды
На основании двух вышепредставленных графиков (рис. 2, 3) можно сделать следующие выводы:
- для односопловых эвольвентных форсунок характерен более тонкий распыл жидкости (меньшее среднее значение диаметра капель) по отношению к двухсопловым форсуночным устройствам;
- как для односопловых, так и для двухсопловых конструкций форсунок имеет место повышение качества распыла с увеличением давления диспергируемой жидкости и уменьшением радиуса выходного отверстия (сопла) камеры закручивания эвольвентных форсунок.
Данные факторы обусловлены увеличением скорости жидкости в сопле форсунки при повышении давления диспергируемой жидкости и уменьшении радиуса сопла. (см. формулы (7), (13) и рис. 2, 3).
23 22 21 20 19 18 17 16 15 14
Wr, М/С
. {вуЛСвПЛ0вЫ4 форсунки
форсунки
Рж, Па
390000 410000 430000 450000 470000 490000 510000 530000 550000
Рис. 4. График зависимости радиальной составляющей скорости капли от давления технической воды для односопловых и двухсопловых форсуночных устройств
Рис. 5. График зависимости осевой составляющей скорости капли от давления технической воды для односопловых и двухсопловых форсуночных устройств
Рис. 6. График зависимости осевой составляющей скорости капли от радиуса сопла эвольвентной форсунки
м/с
г „ мм
0,032 0,033 0,034 0,035 0,036 0,037 0,038 0,039 0,040 0,041
Рис. 7. График зависимости радиальной составляющей скорости капли от радиуса сопла эвольвентной форсунки
На основе четырех вышепредставленных зависимостей (рис.4, 5 ,6 ,7), относительно исследуемых форсуночных устройств можно отметить следующие факты:
- для конструкции форсуночных устройств с одним соплом характерно меньшее значение радиальной составляющей скорости капель и, соответственно, большее значение осевой составляющей по отношению к двухсопловой конструкции;
- как для односопловых, так и для двухсопловых распыливающих устройств имеет место увеличение радиальной и осевой составляющих скорости капель с увеличением давления диспергируемой жидкости и уменьшением радиуса сопла форсунки.
Эти выводы обусловлены увеличением скорости капель в сопле при повышении давления технической воды и уменьшении радиуса сопла, а также меньшим значением коэффициента заполнения сопла для односопловых форсунок. Что касается форсунок с двумя соплами, зависимость величин радиальной и осевой составляющих скоростей капель от радиуса сопла имеет более выраженный характер по отношению к односопловым форсункам за счет большего диаметра живого сечения выходного отверстия (см. формулы
(7) - (11)).
Кроме того, с учетом формы графиков (рис. 4, 5, 6, 7) и формул (11), (12) можно отметить следующие закономерности:
- для односопловых и двухсопловых форсуночных устройств имеют место равные значения абсолютных скоростей капель, так как данная величина определяется величинами давления технической воды и очищаемого газа;
- для односопловых и двухсопловых форсунок характерно увеличение абсолютной скорости капель с повышением величины давления диспергируемой жидкости;
- для односопловых форсунок, относительно двухсопловых, за счет меньшей величины радиальной составляющей скорости капель и большей осевой свойственен меньший угол конусности факела распыла;
- при повышении давления технической воды для конструкций эвольвентных форсуночных устройств с одним и двумя соплами угол конусности факела не меняется;
- при увеличении величины радиуса сопла, как для односопловых, так и для двухсопловых распыливающих устройств имеет место повышение величины угла конусности факела эвольвентных форсунок.
Выводы
1) с учетом своих геометрических характеристик и конструкции данные распыливающие устройства характеризуются высокой производительностью и возможностью работы на оборотной воде;
2) с точки зрения эффективности очистки доменного газа за счет более качественного распыла и большей величины осевой составляющей скорости капель эвольвентные форсунки с одним соплом имеет преимущества перед двухсопловыми форсуночными устройствами;
3) как для односопловых, так и для двухсопловых распыливающих устройств, возможно увеличение качества распыла за счет повышения давления технической воды и уменьшения радиуса сопла.
Таким образом, получена уточненная методика расчета, позволяющая определить основные параметры работы эвольвентных форсуночных устройств: средний диаметр капель, коэффициент расхода, абсолютная скорость капель, радиальная и осевая составляющие абсолютной скорости капель, коэффициент заполнения сопла.
Кроме того, данная методика дает возможность оценить эффективность инерционного осаждения частиц пыли на каплях и интенсивность охлаждения очищаемого газа в полых форсуночных скрубберах.
Литература
1. Володин А.М. Перспективные скрубберы для газоочистки в промышленности и тепловой энергетике // Энергетик. 2018. №8. С. 29-32.
2. Guo T.-L., Chu M.-S., Liu Z.-G., Tang J., Yagi J.-I. Mathematical modeling and exergy analysis of blast furnace operation with natural gas injection // Steel Research International. 2013. Т. 84. № 4. С. 333-343.
3. Юшков Н.В., Губарев В.Я. Совершенствование систем газоочисток доменного газа // Молодой ученый. 2016. №10. С. 166-169.
4. Дорошенко Ю.Н., Пенявский В.В., Соловьева О.Ю. Подбор центробежных форсунок для осуществления мокрой очистки газов //Евразийское научное объединение. 2015. Т. 1. № 4 (4). С. 37-38.
5. Попкова О.С., Гайфутдинова А.Н., Файзуллина А.И. Распределение капель в спектре распыливания центробежной форсунки // Вестник технологического университета. 2018. Т. 21. № 4. С. 111-114.
6. Ходырев А.И., Муленко В.В. Об инерционном осаждении капель жидкости, впрыскиваемой в трубопровод центробежной форсункой // Территория Нефтегаз. 2018. №3. С. 72-73.
7. Строкач Е.А., Боровик И.Н. Численное моделирование процесса распыливания керосина центробежной форсункой // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2016. №3 (108). С.37-54.
8. Бурдыкин В.Д. Центробежная форсунка для дизелей // Автомобильная промышленность. 2016. №7. С.7-10.
9. Москалев Л.Н., Москалев И.Н., Вилохин С.А., Халиков М.Р. Исследование распредления капель при истечении воды из центробежной форсунки с вкладышем // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 15. С. 205-206.
10. Систер В.Г., Крюкова Е.Н., Рустамбеков М.К. Исследование работы центробежной форсунки в режиме получения крупных капель // Естественные и математические науки в современном мире. 2013. № 7. С. 18-28.
11. Дорошенко Ю.Н. Разработка методов расчета полых форсуночных скрубберов и промывных камер: диссертация. канд. техн. наук: 6107-5/4767. Томск, 2007.
Авторы публикации:
Юшков Николай Владимирович - аспирант кафедры Промышленная теплоэнергетика Липецкого государственного технического университета. Email: yushk.nikolai@yandex.ru.
Губарев Василий Яковлевич - канд. тех., профессор, заведующий кафедры Промышленная теплоэнергетика Липецкого технического государственного университета.
Арзамасцев Алексей Геннадьевич - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры Промышленная теплоэнергетика Липецкого государственного технического университета.
References
1.Volodin A.M. Perspektivnye scrubbery dlya gazoochistki v prhomyshlennosti i teplovoi energetiki [The advanced scrubbers for gas cleaning equipment in industry and thermal power sector] // Energetika. 2018. issue 8. p.p. 29-32.
2. Guo T.-L., Chu M.-S., Liu Z.-G., Tang J., Yagi J.-I. Mathematical modeling and exergy analysis of blast furnace operation with natural gas injection // Steel Research International. 2013. Т. 84. № 4. С. 333343.
3.Yushkov N.V., Gubarev V.Ya. Sovershenstvovanie sistem gazoochistok domennogo gaza. [Improvement of blast furnace gas cleaning systems] // Molodoy Ucheniy. 2016. issue 10. p.p. 166-169.
4. Doroshenko Yu.N., Penyavski V.V., Solov'eva O.Yu. Podbor tsentrobezhnykh forsunok dlya osushchestvleniya mokroy ochistki gazov [Selection of centrifugal nozzles for implementation of wet gas cleaning] // Evroaziiskoe nauchnoe ob'edinenie. 2015. T. 1. issue 4 (4). p.p. 37-38.
5. Popkova O.S., Gaifutdinov A.N., Faizullin A.I. Raspredelenie kapel v spectre raspylivaniya tsentrobezhnoy forsunki [Distribution of droplet in the spectrum of the atomization the centrifugal nozzle] // Vestnik technicheskogo universiteta. 2018. T. 21. issue 4. p.p. 111-114.
6. Khodyrev A.I., Mulenko V.V. Ob inertsialnom osazhdenii kapel zhidkosti, vpyskivaemoi v truboprovod tsentrobezhnoy forsunkoi[On the inertial deposition of liquid droplets injected into the pipeline by a centrifugal nozzle] // Territoriya Neftegaz. 2018.T. 21. issue 3. p.p. 72-73.
7. Strokach E.A., Borovik I.N. Chislennoe modelirovanie protsessa raspylivaniya kerosina tsentrobezhnoy forsunkoi [Numerical simulation of kerosene spraying process by the centrifugal nozzle] // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta imeni N.E. Baumana. SeriyaMashinistroenie. 2016. issue 3(108). p.p. 37-54.
8. Burdykin V.D. Tsentrobezhnaya forsunka dlya diselei [The centrifugal nozzle for diesel engines] // Avtomobilnya promyshlennost. 2016. issue 7. p.p. 7-10.
9. Moskalev L.N., Moskalev I.N., Villokhin S.A., Khalikov M.R. Issledovanie raspredeleniya kapel pri istechenii vody iz tsentrobezhnoy forsunki s vkladyshem [Investigation of the distribution of droplets at the water flow from the centrifugal nozzle with the liner] // Vestnik Kazanskogo technologicheskogo universiteta. 2014. T. 17. issue 15. p.p. 205-206.
10. Sister V. G., Kryukova E. N., Rustambekov M.K. Issledovanieraboty tsentrobezhnoy forsunki vrezhimepolucheniuyakrupnykhkapel [Investigation of the centrifugal nozzle in the mode of large drops]// Estesvennye i matematichiskie nauki v sovremennom mire. 2016. issue 7. p.p. 18-28.
11. Doroshenko Y.N. Razrabotka metodov rascheta polych forsunochnykh scrubberov i promyvnykh kamer [Development of methods for calculation of the hollow nozzle scrubbers and washing chambers]: dissertatsiya kandidata tekhnicheskikh nauk: 6107-5/4767. Tomsk. 2007.
Authors of the publication: Nikolai V. Yushkov - Lipetsk state technical university, Lipetsk, Russia. Email: yushk.nikolai@yandex.ru.
Vassily Ya. Gubarev - Lipetsk state technical university, Lipetsk, Russia. Aleksey G. Arzamastsev - Lipetsk state technical university, Lipetsk, Russia.
Принята к публикации 29 декабря 2018 г.
