Основные принципы расчета и конструирования аппаратов очистки от аэрозоля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат технических наук в форме науч. докл. Щибраев, Александр Евгеньевич

• Щибраев, Александр Евгеньевич
• кандидат технических наук в форме науч. докл.
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук в форме науч. докл. Щибраев, Александр Евгеньевич

Актуальность темы

Большинство промышленных технологических процессов сопровождается выделением вредных веществ, в том числе аэрозоля с твердыми или жидкими дисперсными фазами. По размерам и составу этот аэрозоль, чаще всего, полидисперсен, причем значительная доля частиц лежит в субмикронной области.

Мельчайшие частицы аэрозоля постоянно присутствуют в окружающем воздухе, хаотически перемещаясь в основном за счет турбулентной структуры воздушных токов. Высокодисперсные аэрозоли, кроме опасности для человека, проявляются так же с нежелательной стороны при создании и эксплуатации высокоточных механизмов, в оптической, электронной и других технологических системах. Они, по сути дела, являются главной причиной, препятствующей глубокой очистке приточного воздуха в системах кондиционирования помещений с повышенным требованием к его чистоте.

Выделением аэрозоля с твердой дисперсной фазой (пыль) сопровождаются металлургическое производство, обработка радиоактивных материалов, производство различных синтетических и стиральных порошков и особенно строительная индустрия при изготовлении материалов, их дроблении и различной транспортировке. Для этой пыли характерны высокие концентрация и дисперсность.

Валовые выбросы пыли в атмосферу исчисляются тысячами тонн в год в связи с несоответствием между развитием промышленного производства и техники очистки, которая не всегда в состоянии решать проблемы, поставленные перед той промышленностью.

Борьба с загрязнением атмосферы стала одной из важнейших социальных проблем глобального характера. Состояние воздушного бассейна промышленных районов определяется, главным образом, уровнем развития техники очистки и правильной организацией загрязняющих атмосферу выбросов. Следует отметить, что причиной повышенного загрязнения атмосферы выбросами пыли является также и эксплуатация устаревшего оборудования и нарушение технологических режимов.

Многие технологические газы, например, при термической и гальванической обработках металлов, выбрасываемые в атмосферу вентиляционными системами, являются туманами, жидкие частицы которых образуются вследствие конденсации паров или химического взаимодействия газообразных составляющих. Капельки в таких туманах имеют размеры меньше 5 мкм.

В последние десятилетия в нашей стране отмечается значительный рост производства синтетических материалов, технологический процесс которых сопровождается выделением в окружающую среду токсических веществ в виде частиц конденсационного происхождения. Так, при изготовлении поливинилхлоридных пленок, линолеума, клеенки и искусственных кож выделяются пары пластификаторов, диоктилфталата, дибутил-фталата и других веществ, опасных не только для человека, но и для окружающей природы. С таким же аэрозолем мы сталкиваемся при производстве материалов из ПВХ для элементов строительных конструкций, которые в последнее время все чаще применяются строительной индустрии. По данным американских исследователей, полидисперсный аэрозоль диоктилфталата содержит частицы размером <^=0,2-1,0 мкм, из которых не менее 50% с диаметром 0,2- 0,5 мкм. Вследствие столь высокой дисперсности такой аэрозоль весьма трудно очистить с необходимой эффективностью и особенно экономичностью с помощью применяемых в настоящее время очистных устройствг число модификаций которых настолько велико, что невозможно дать им единую оценку по направленности и эффективности действия. Можно лишь констатировать, что все они в большинстве своем основаны на принципах фильтрации, инерционной сепарации и осаждения в электростатическом поле. Все эти вопросы теоретического и сти действия. Можно лишь констатировать, что все они в большинстве своем основаны на принципах фильтрации, инерционной сепарации и осаждения в электростатическом поле.

Все эти вопросы теоретического и прикладного характера освещены в работах ряда ученых: Вальдберга А.Ю., Горбиса З.Р., Коузова П.А., Кляч-коЛ.С., Пирумова А.И., ПолушкинаВ.И., Ужова В.И., Ушакова С.Г., Фукс Н.А. и др.

Однако проблема по осаждению частиц аэрозоля аналитическим путем пока до конца не решена. Объясняется это физической сущностью явления, которое математически описывается незамкнутой системой дифференциальных уравнений Рейнольдса для осреднеиного движения вязкой несжимаемой жидкости.

Для компенсации недостающих связей широко используются экспериментальные данные о статических связях между пульсациями в пространстве и времени. В силу этих обстоятельств каждое теоретическое решение становится в определенной степени частным для какого-то одного аэрозоля или целой группы с одинаковыми физическими свойствами. Весьма существенное расхождение результатов, полученных на основе различных теорий, привело к созданию многочисленных полуэмпирических зависимостей, расчеты по которым могут значительно отличаться друг от друга, что делает сомнительной возможность их применения к расчету очистных аппаратов.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание методики расчета и конструирования новых аппаратов по очистке аэрозоля и утилизации уловленного продукта на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи и методы исследования

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

-анализ физико -химических свойств аэрозоля различного происхождения;

-анализ существующих способов осаждения капельного и пылевого аэрозолей;

-анализ гидродинамических особенностей осаждения частиц аэрозоля;

4 -теоретическая оценка закономерности распределения концентраций аэрозоля по ходу течения в трубе; •

-экспериментальные исследования по выявлению параметров, характеризующих эффективность и экономичность способа осаждения частиц аэрозоля;

-разработка методики расчета и конструирования аппаратов по осаждению жидких частиц аэрозоля;

-исследование и обоснование путей совершенствования систем сухой очистки пылевого аэрозоля в условиях асфальтобетонного завода вихревыми пылеуловителями;

-разработка принципиальных схем компоновок промышленных аппаратов по осаждению частиц аэрозоля и их возврата в производство;

-опытно-промышленная проверка результатов исследования и внедрение аппаратов очистки аэрозоля на заводе изоляционных материалов и асфальтобетонном заводе.

Научная новизна l.Ha основе анализа экспериментальных и теоретических исследований установлены факторы, влияющие на турбулентную скорость осаждения и эффективность улавливания частиц аэрозоля.

2. Разработана методика расчета аппаратов нового типа по очистке вентиляционных выбросов от капельных частиц аэрозоля.

3.Разработаны и обоснованы принципы проектирования устройств по улавливанию (с возвратом в производство) коагулята, на основе которых предложены принципиальные схемы конструирования промышленных установок.

Практическая ценность

Определяется полученными на основе исследовательских работ результатами, которые позволяют решать задачи по проектированию аппаратов очистки вентиляционных выбросов высокодисперсного аэрозоля в атмосферу для ряда конкретных производств.

Снижение концентрации токсических выбросов способствует оздоровлению воздушного бассейна и, следовательно, снижению профессиональных заболеваний.

На основе результатов исследований на ряде промышленных производств приняты к внедрению и внедрены разработанные системы очистки вентиляционных выбросов аэрозоля б атмосферу.

Основные положения работы, выносимые на защиту

1. Гидродинамика и теоретические предпосылки закономерностей осаждения частиц аэрозоля на стенках труб и каналов в разных дисперсных фазах.

2. Методики расчета и конструирования аппаратов по осаждению частиц аэрозоля с жидкой дисперсной средой.

3. Методы совершенствования элементов конструкций вихревых пылеуловителей при очистке пылевого аэрозоля.

Реализация результатов работы

На основании результатов исследований, аппараты, предложенные для очистки аэрозоля, внедрены и испытаны на Новокуйбышевском заводе изоляционных материалов и на Козелковском асфальтобетонном заводе.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах в Самарской государственной архитектурно-строительной академии (СамГАСА) (1983-2000г.), на конференциях по научно-техническим проблемам систем теплогазоснабжения и вентиляции в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии в 1998 г., на всесоюзной научно-практической конференции «Окружающая природная среда и экологическое образование» в Приволжском Доме знаний г. Пензы, на технических советах завода изоляционных материалов в Новокуйбышевске и ЗАО «Са-марапромвентиляция» в 2000 г., а также внедрены опытно-промышленные установки на этих производствах и промышленная на асфальтобетонном заводе.

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 15-ти печатных работах в том числе 3-х патентах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Особенности аэрозолей, образующихся на промышленных предприятиях [5], [8J, [111,

Технологический процесс изготовления поливинилхлоридных пленок на заводе изоляционных материалов сопровождается выделением различных вредностей, из которых наибольшей токсичностью и одновременно ценностью обладают диоктилфталат и дибутилфталат- пластификаторы сырья поливинилхлорида С-70, из которого формируется рабочая смесь. Пластификаторы могут применяться в виде смеси из нескольких компонентов или одной из его составляющей, в зависимости от свойств, которыми должна обладать пленка.

Поскольку эффективная локализация мест выделения вредностей невозможна по соображениям производственного характера, капельно-воздушный полидисперсный аэрозоль, подлежащий очистке, имеет высокую дисперсность при относительно невысокой концентрации, что характерно для вентиляционных выбросов.

Для аэрозоля, образующегося при производстве асфальта, показательны высокая концентрация (до 100 г/м") и низкая дисперсность, причем 60-98 % аэрозоля содержат частицы размером й?ч~20 мкм и только 3% -й?„=3мкм.

Таблица 1.

Характеристика аэрозоля пластификаторов

Завод Аэрозоль ПДК Р-з., мг/м3 Класс опасности Начальная концентрация Си, г/м5 Плотность частиц д г/см' t, °С Интегральное распределение частиц по размерам й?ч,мкм/%

Диоктилфталат 0,5 2 0,1-0,2 0,98 -20 0,2 0,3 0,4 0,5 0,

ЗИМ Дибутилфталат 0,5 2 0,1-0,2 1,045

Диоктил-себаценат 10 4 0,1-0,2 0,9 -20 - - - -

В табл. 1.1 приведены результаты американских исследователей по оценке степени дисперсионного распределения частиц тумана диоктил-фталата в процессе испытания воздушных фильтров, на основании чего можно с высокой степенью достоверности считать, что жидкие частицы диоктилфталата и родственного ему дибутилфталата не могут иметь размер больше d = 0,7 мкм. Об этом же свидетельствует конденсационная природа капель тумана, размеры которых всеми исследователями оцениваются в диапазоне ^,"0,5 -f 1,0 мкм.

2. Эффективность существующих систем осаждения аэрозоля [4], [6], [8], [9], [11]

Все существующие устройства по очистке высокодисперсного аэрозоля по принципу действия можно разделить, прежде всего, на «сухие» и «мокрые». Применение последних в рассматриваемом случае исключено в связи с необходимостью утилизации и возврата в производство весьма ценного продукта. Из «сухих» осадителей наиболее эффективными являются волокнистые фильтры, в том числе и из иглопробивного материала. Очистка этих фильтров весьма сложна, эксплуатация их затруднительна. Кроме того, возврат уловленного продукта невозможен.

Высокоэффективные электрофильтры дороги, громоздки и в рассматриваемом случае- пожароопасны. Всевозможные аппараты инерционного типа, работающие по сухому циклу, малоэффективны в силу слабой инерционности частиц субмикронных размеров. Особенностью очистки песча-но-доломитной смеси является ее высокая начальная концентрация, что требует высокоэффективной очистки для обеспечения в выбросах концентраций, соответствующих санитарно-гигиеническим нормам. Мокрый способ очистки здесь также невозможен в связи со слипаемостью доломитной фракции смеси. Здесь наиболее уместно применение вихревых пылеуловителей, в которых надежно задерживаются частицы размером d4 = 3 мкм, что позволяет обеспечить величину предельно допустимых выбросов (ПДВ).

3. Гидродинамические особенности осаждения частиц аэрозоля IS], [9], [13]

Во взвешенном свободном состоянии высокодисперсный аэрозоль не коагулируется. Его частицы, будучи невелики по сравнению с масштабом пульсаций газа, вовлекаются в пульсационное движение газа и вместе с ним - в интенсивное диффузионное перемещение по потоку. При этом, чем меньше частица аэрозоля, тем в большей степени она следует траектории частиц газа, уподобляясь молю.

Одним из основных условий осаждения частиц аэрозоля из взвеси является необходимость ее соприкосновения со стенкой, поскольку именно в пристеночной области наиболее значительно проявляются градиент осред-ненной скорости и пульсационных составляющих, которые способствуют проявлению продольного смещения частиц относительно газа со скоростью, соизмеримой с его скоростью, а также поперечная миграция частиц со скоростью, соизмеримой со скоростью турбулентных пульсаций.

Следствием турбулентности газа является резкое повышение интенсивности осаждения частиц из турбулентного потока на стенки продольно обтекаемого препятствия. Интенсивность осаждения возрастает с повышением скорости течения газа, что свидетельствует об инерционной природе явления, которое особенно активно проявляется при осаждении жидких частиц за счет турбулентной коагуляции аэрозоля.

В существующих трудах по механике аэрозоля вопросы турбулентного переноса и осаждения частиц применительно к инженерному решению данного вопроса освещены недостаточно.

Значительное расхождение результатов различных теоретических решений в какой-то мере восполняется разработками конечно-масштабной версии математической теории явления, в которой амплитуда поперечных пульсаций газа в реальных турбулентных потоках считается не бесконечно малой, а конечной и сравнимой с поперечным размером потока (из этого следует важность роли стенки и масштаба турбулентности), позволяет получить с применением компьютерной техники, численные решения нелинейного дифференциального уравнения пульсационного переноса частиц в сдвиговом турбулентном потоке, результаты которых дают более благоприятную сходимость с опытными данными.

По некоторым экспериментальным данным в случае развитого турбулентного режима в пристенном слое наблюдается градиентная коагуляция частиц размером менее 1 мкм. Поскольку коагуляция турбулентная намного значительнее градиентной, можно посчитать возможным использовать эти условия для осаждения частиц аэрозоля в прямоточной трубе.

По результатам опытов и расчетов можно судить о том, что наиболее интенсивное осаждение частиц наблюдается в трубах малого диаметра размером до />=24мм, что позволяет даже при относительно небольших скоростях получить весьма основательный эффект осаждения при числах Re<Reyp (рис 3.1). При дальнейшем увеличении Re за счет увеличения диаметра канала эффект осаждения частиц значительно снижается. Происходит это в связи с увеличением вязкого подслоя, толщина которого при изменении диаметра трубы от D= 10мм до £>-=] 00мм возрастает в 10 раз, что значительно снижает вероятность прямого контакта со стенкой частиц аэрозоля.

V. си/с 2.

Зеиепь Ц]

Монтгомери (3] л D » 3 мм | о D * В мм ▼ О * fjwu х D * 16 им

Авторы

150 D, мм

25 50 75 Re0 10''

Рис. 3.1. Зависимость скорости турбулентного осаждения аэрозольных частиц от диаметра трубы при неизменной скорости um

Достоинством труб малого диаметра является и то, что в них при вынужденном движении аэрозоля практически не проявляется влияния сил тяжести и этим фактором можно пренебречь, особенно для частиц высокодисперсного аэрозоля. Во многих других опытах значение скорости оседания частиц при одинаковых значениях числа Рейнольдса значительно отличаются друг от друга.

Сравнение всех этих данных приводит к выводу, что число Рейнольдса не является корреляционным параметром, как это предполагалось раньше. Поэтому в опытах обработка результатов должна проводиться по зависимости эффекта осаждения частиц от скорости течения аэрозоля.

4. Теоретические предпосылки осаждения частиц аэрозоля из турбулентного потока на стенки труб и каналов [6J, [13]

Используя свойства аэрозоля в отношении осаждения частиц на любой поверхности, можно считать эту закономерность справедливой как для потока в круглой трубе, так и в канале произвольной формы поперечного сечения.

Аэрозольные частицы, перемещаясь по потоку в какой-то момент времени, достигают пристенной области и, когда расстояние до стенки становится равным их радиусу, касаются ее и оседают на ней.

Процесс осаждения частиц на стенках трубы в некоторой степени аналогичен закону формирования пограничного слоя при входе в трубу с плавным входом. Очевидно, основным показателем интенсивности осаждения частиц будет их массовая доля, выпадающая на стенку из потока в единицу времени на единицу поверхности, которая зависит как от гидродинамического характера течения, так и от концентрации аэрозоля. Пусть этим обобщающим параметром будет.скорость осаждения частиц Кна участке х трубы или канала с периметром Р и площадью поперечного сечения F при этом. где j- удельный поток частиц к стенке, г/м*с; ст— средняя по поперечному сечению концентрация частиц, г/см3. На участке dx такой трубы за 1 секунду будет осаждаться по перимет

Pjdx=PVcxdx, (4.2)

Где с - средняя концентрация частиц в данном сечении, г/см3.

В связи с выпадением из потока, движущегося со средней скоростью ит, частиц аэрозоля, его средняя концентрация в секундном объеме Fum уменьшится в конце участка dx на величину dcx, а o6ui.ee количество частиц - на величину Fumdcx:

Сравнивая последнее с (3.2), имеем: ' р dx , (4-3)

Интегрирование этого уравнения в пределах от х = 0 до х = / при условии, что при * = 0 ск=с„ (с* - начальная концентрация частиц), приводит к следующему уравнению:

In — =—~ \Vdx п FT/ j

Fum о

На стабилизированном участке труб и каналов скорость оседания частиц V не зависит от продольной координаты, в силу чего уравнение (4.4) сводится к экспоненциальной зависимости:

JLJL, с^спери" (4.5)

В зависимости (4.5) для круглых труб Р= t:D и F= пГТ/4, а их отношение - -—j ; в плоскощелевом канале Р= 2В и F~ Bh (В - ширина плоскостей, h - расстояние между ними) и, следовательно:

-ЦУ-! cx = cHeDu- . (4.б)

Для плоскопараллельных каналов Р= 2В и F- Bh. Здесь В - ширина плоскостей, h - расстояние между ними, следова-Р тельно, — = -. Тогда для таких каналов F h cx = cHehUm . (4.7) п Г D h .„ F.

Поскольку и - являются гидравлическим радиусом (J?,^ —), последние три уравнения можно рассматривать как единое целое для труб и плоскопараллельных каналов: сх =сне Ri"m . (4.8)

Из уравнений (4.5) и (4.7) следует, что полного осаждение частиц можно достичь на бесконечности, т .е. при бесконечно большом времени пребывания частицы в канале. Пределом этому при создании очистных аппаратов является экономически целесообразная степень очистки аэрозоля. Скорость осаждения частиц твердых или капельных) определяется экспериментально или по полуэмпирическим зависимостям.

Первый путь намного предпочтительнее, поскольку он приводит к достоверным и надежным результатам для данного типа аэрозоля или группы ему подобных, при расчете же по эмпирическим формулам расхождение результатов возможно до 100 %. В этих зависимостях

V =f(pv d,„ um, Л И rj), (4.9) где: рч, d4- плотность и размер частицы; ит - средняя скорость движения аэрозоля;

Я- коэффициент сопротивления трения;

И г] - коэффициенты кинематической и динамической вязкости дисперсионной среды.

Из зависимости (4.9) видно, что величина турбулентной скорости осаждения частиц V зависит от гидродинамических параметров дисперсионной среды и физических свойств частиц аэрозоля. Очевидно, такая зависимость сохраняется и при опытном определении значения V. Следовательно, результаты единичного эксперимента с каким-то аэрозолем становится возможным применить для расчета величины V другого аэрозоля с такими же физическими свойствами и в такой же дисперсионной среде.

5. Экспериментальные исследования [4], [5], [6], [8], [9], [13]

5.1 .Методика исследований

Согласно уравнениям (4.1) и (4.6), эффективность осаждения частиц оценивается зависимостью (5.1), в которой все параметры должны определяться экспериментальным путем: т] =f(l, D, um, CmJ) • (5.1)

Опыты проводились в промышленных и лабораторных условиях. В первом случае целью исследования было выявление величины концентрации аэрозоля пластификаторов в воздухе, удаленном из укрытий технологического оборудования, на основании анализа опытных статистических данных.

В лабораторных условиях эксперименты велись в двух направлениях, первоначальные исследования- поисковые, в которых оценивались различные способы очистки аэрозоля. Это касается опытов с зернистыми фильтрами, перфорированными пластинами и трубками различного диаметра и длины.

По результатам предварительных опытов в качестве осадительного элемента была принята трубка диаметром D = 8 мм, длиной / = 200 см (J/D =250). Оправдано это условиями ведения опыта, величиной масштаба турбулентности, максимальным проявлением эффекта миграции и турбулентной коагуляции при вертикальном положении трубки.

Последующие исследования были направлены на подтверждение теоретических предпосылок, выявление и оценку факторов, влияющих на эффективную и экономически целесообразную методику осаждения частиц аэрозоля на стенках круглых труб, их взаимосвязь, создавая тем самым предпосылки для расчета и конструирования очистных устройств.

Опытные исследования в лабораторных условиях проводились на двух независимых по назначенню установках: одна - по созданию тумана пластификаторов, соответствующих по кондиции промышленным условиям, вторая — по улавливанию частиц этого тумана.

Первая установка монтировалась из установленного в вытяжном укрытии испарителя, в котором вырабатывается пар пластификаторов за счет регулируемого нагрева. Необходимая для дальнейших исследований концентрация аэрозоля создавалась путем подмешивания к парам вытяжного вентиляционного воздуха.

Во второй установке с регулируемым расходом подготовленный туман очищался в осадительном элементе. Измерение концентрации на входе сн и выходе ск осадительного элемента (трубка или пакет трубок) проводилось весовым методом по одновременно отобранным в фильтры АФА пробам. Расход воздуха в обеих системах измерялся с помощью микроманометров с диафрагмами, трубками Пито, струнным анемометром, смотря по обстоятельствам. При отборе проб на АФА применялись расходомеры ПРУ или реометры в сочетании с воздуходувкой. Исследуемая среда просасывалась через одиночные трубки и пакеты пылесосом или воздуходувкой. Температура измерялась термометрами или с помощью термопар.

5.2. Результаты опытных исследований

Для всех опытов характерным оказалось интенсивное нарастание степени очистки при скоростях потока, соответствующих переходному режиму турбулентности. Объясняется это, прежде всего, полидисперсностью аэрозоля, при которой процесс коагуляции значительно интенсивнее, чем в средах монодисперсных, а также высокой начальной степенью турбулентности при входе в трубу с острыми краями и, особенно, с боковым подводом воздуха, при котором вектор скорости меняет направление на 90°.

Эти факторы существенно сокращают длину начального участка. Кроме того, процесс формирования стабилизированного турбулентного потока носит неустойчивый перемещающийся характер, время от времени на некотором участке трубы появляются и затем уносятся потоком турбулентные возмущения- «турбулентные пробки». Из-за этого в трубе происходит нерегулярная смена ламинарного и турбулентного профилей скоростей и, как следствие, нерегулярное падение скорости на оси трубы и, наоборот, возрастание ее на периферии в момент турбулизации течения. При таком режиме течения создаются предпосылки для коагуляции наиболее крупных частиц, которые становятся центром коагуляции более мелких, во всем объеме движущегося аэрозоля. Фракции субмикронных размеров выпадают из потока при дальнейшем увеличении его скорости вследствие интенсификации турбулентных пульсаций как в самом потоке, так и в пристенном слое трубы.

Установленный уравнением (4.5) экспоненциальный характер падения концентрации аэрозоля вдоль потока хорошо согласуется не только качественно, но и количественно, что подтверждается результатами экспериментальных данных, представленных на рис. 5.1.

Рис. 5.1 Падение концентрации аэрозольных частиц диоктилфтэлата вдоль трубы с диаметром D--8 мм и скорости Um=20 м/с

На рис. 5.2 приведены результаты опытных исследований для трубок диаметром VI £>=16 мм, в которых установлена зависимость эффективности очистки от скорости движения аэрозоля r]-f(Um) и одновременно от аэродинамического сопротивления осадительного элемента rj=f(AP), что позволяет оценивать величину энергетичейких потерь - основной фактор, характеризующий очистное устройство с экономической точки зрения, f

TJ, %

2,5 S ю 15 го "г 25 за 35 и„. м/с

J? 12,0 18J 27 36.7 йР, Па 10~'/м

Рис 5.2 Зависимость коэффициента эффективности очистки от скорости движения аэрозол т) = /(ия) и от аэродинамического сопротивления осадительного элемента r| =f(&F)

Из рисунка видно, что недостаточная длина трубок (7/D = 125, кривые 2 и 3) дает низкий эффект осаждения частиц. Поэтому при создании очистных аппаратов выбор величины / является приоритетным. Опытами установлено также, что при скорости аэрозоля ит> 20 м/с прирост эффективности осаждения проявляется очень слабо, тогда как энергетические затраты возрастают по квадратичной зависимости. Дальнейшее стремление к повышению 7 за счет увеличения скорости будет определяться условиями экономической целесообразности очистки аэрозоля.

Рассчитана скорость турбулентного осаждения частиц V в соответствии с зависимостью (4.1) по определенным в опытах D, ит,с,„ ск.

По известному расходу L, м3/с, массовое количество осевших частиц будет равно

G=(cm-cK)L, г/с. (5.1)

Величина j вычисляется как отношение

J - ~J , г/см2 , (5.2) где f - Р1 - площадь поверхности внутренней стенки трубы, см2.

Средняя по поперечному сечению трубы концентрация аэрозоля Ст принята по зависимости

С -С с = -5

На основании опытных и расчетных данных построен график по зависимости V- f ( и J, представленный на рис. 5.3. 1 i. i i ьъ-гъ1 ' 00=8мм(опыт) + D=6mm (расчет) 1 80=16мм (расчет) Х0=24мм (расчет) - J-

О * в 12 11 20 24 2а

Рис. 5.3 Зависимость скорости турбулентного осаждения частиц от скорости аэрозоля в трубе V=f(Um)

6. Методика расчета и конструирования аппаратов очистки капельного аэрозоля [4J, [5], [9J, |10], [11], [14J

6.1 .Расчет очистного устройства

На основании расчетных и опытных данных предлагается осадитель-ные пакеты компоновать из круглых труб или плоских тонких пластин.

При расчете трубчатых аппаратов следует применять формулу (4.6), а пластинчатых - (4.7) совместно с графиком рис. 5.3, который позволяет вести поисковые расчеты величины конструктивных характеристик очистного устройства.

Проскок частиц через трубу П оценивается как отношение

11 - с • (6.1)

Эффективность улавливания будет равна

1-е 'д. (6-2)

Задаваясь величиной скорости аэрозоля ип по графику определяем скорость турбулентного осаждения частиц V и по ней вычисляем расчетное значение эффективности очистки t]p по зависимости (6.2).

Если полученная величина т]р не удовлетворяет требуемым условиям (fy^Vmp), то ее значение определится изменением скорости и„,у длины / или D при l/D=250. При этом необходимо учитывать энергетические возможности.

Задачу можно решить и путем замены в уравнении (6.2) величины г)р на r/mp и рассчитать величину / по выбранному значению D.

По известному значению / определяем количество трубок или пластин в осадительном пакете, исходя из величины полного расхода аэрозоля в очистном аппарате.

При расчете плоскощелевых осадительных элементов или каналов произвольной формы вместо D следует принимать значение их эквивалентного диаметра- D,.

6.2. Конструирование аппаратов по очистке капельного аэрозоля

В трубчатых аппаратах целесообразно в качестве осадительных элементов применять трубки диаметром D< 24 мм.

Концы трубок можно крепить в трубных решетках, но в некоторых случаях от них можно отказаться и тогда основной поток при входе в пу-чек разделится на два - внутри трубок и в межтрубном пространстве через каналы, сопротивление которых будет выше, чем внутри трубок, что повлечет за собой снижение скорости и, следовательно, эффективности осаждения частиц на наружных стенках трубок в межтрубном пространстве.

Влияние этого снижения эффективности сепарации отразится на эффективности работы всего устройства, поскольку после осадительного пучка смешиваются две среды с различной степенью очистки: высокой -из трубок и более низкой - из каналов межтрубного пространства. Этот фактор можно устранить, уравняв гидравлическое сопротивление в смежных каналах, и тем самым повысить эффективность сепарационного устройства. Дополнительное выравнивающее сопротивление проще всего вводится уменьшением живого сечения внутреннего диаметра трубки путем сжатия ее стенок. Место поджатая произвольно и выбирается исходя из конструктивно-технологического удобства. Размер сжатия - величина расчетная. Однако такое решение, кроме усложнения конструкции, влечет за собой увеличение сопротивления всего аппарата, что с экономической точки зрения может быть оправдано только сравнительным расчетом вариантов.

Как показали расчеты, наиболее рационально трубки компоновать в пучок по параллельной схеме в прямоугольном корпусе с соотношением сторон а/Ь=МЪ, исходя из условия наиболее оптимальной величины гидравлического диаметра каналов., отводящих очищенную среду ( рис. 6.1 .в).

В результате расчета, длина осадительного элемента может оказаться весьма значительной, что неудобно в конструктивном отношении, поскольку осадительный пакет устанавливается вертикально в силу природы аэрозоля. Уменьшение вертикального размера аппарата можно осуществить несколькими способами, схематично представленными на рис. 6.1. а б о г

Рис. 6.1 Схемы компоновки трубчатых осадительных пакетов в установке по очистке капельного аэрозоля; а и б - соответственно с дзумя и одной трубными решетками; в-без решетки; г- последовательное включение осадительных пакетов с прямыми трубами.

Изогнутые трубы - наиболее рациональное решение, так как в изгибах за счет отрыва пограничного слоя интенсифицируется процесс осаждения частиц на стенках изогнутых элементов, особенно с низким радиусом кривизны Ru/D < 1,5. Число, форма и координатная направленность изгибов произвольны. Их назначают исходя из конструктивных соображений, однако отношение Ru/D должно быть пронормировано для облегчения гидравлического расчета.

При компоновке по варианту в трубки в торцах укладываются вплотную, по аналогии с рис. 6.1, в, только межтрубные каналы на входе заделываются, а концы трубок на выходе не поджимаются. Горизонтальные участки выполняются с уклоном в сторону движения аэрозоля для обеспечения стока коагулянта.

При больших диаметрах трубок наиболее простым решением будет последовательное соединение осадительных пакетов по схеме приведенной на рис. 6.1, г. В этом случае размер соединительного канала Д между пакетами принимается исходя из условия обеспечения в них такой же скорости потока ит% как и трубках.

Влияние начального участка на входе в секции после первой будет ничтожно малым в силу высокой степени начальной турбулентности потока аэрозоля. В случае необходимости можно каждую осадительную секцию в отношении эффективности рассчитать отдельно, принимая на входе концентрацию аэрозоля на выходе из предыдущей секции ск.

Согласно зависимости (4.8), закономерности осаждения частиц аэрозоля в круглых трубах справедливы и для плоско-щелевых каналов. Их применение оправдано, во-первых, гидродинамической особенностью течения, при котором устойчивое турбулентное течение наступает при Яе.о>4800, а в трубах - при Re0t 10000; во-вторых, аэродинамическое сопротивление в щелевом канапе будет меньше, чем в круглой трубе при одинаковом значении скоростей и эквивалентных диаметров. Таким образом, одинаковый эффект осаждения частиц в щелевом канале можно осуществить с меньшими энергетическими затратами, чем в трубе. Сокращение длины начального участка (,Re>4800) позволяет уменьшить длину осадительного элемента и, следовательно, - длину всего аппарата. Достоинством таких очистных устройств является более простая а, следовательно, и более дешевая конструкция, основу которой составляют осадительные элементы в виде тонких металлических листов, параллельно смонтированных в пакет с расчетным зазором «Ь» между листами. На рис. 5.3 представлены продольное и поперечное сечения осадительных элементов.

Рис. 6.2 Принципиальная схема компоновки пластинчатого и трубчатого осадительных пакетов. Разрезы: а- продольно-боковой; бив- поперечные: соответственно пластинчатого к трубчатого пакетов:

1- корпус, 2- воздуховод равномерной раздачи, 3- оеадительный элемент, 4конфузорныс патрубки,

5, 6- сетки, 7- бункер сбора коагулята

В предлагаемом устройстве с целью защиты от уноса предусмотрено снижение скорости газа за счет расширения каналов транспорта на выходе, с помощью последовательной установки двух конфузоров и сеток - укрупнителей капель коагулянта. Роль конфузоров сводится к тому, что в них происходит стягивание линий тока, в силу чего взвешенные частицы отстают от несущего газа и отклоняются от линии тока в сторону стенок, по которым стекают в поддон. Угол раскрытия конфузоров 2о=15°, выбран исходя из условий минимального гидравлического сопротивления.

7. Принципы повышения эффективности вихревых очистителей пылевого аэрозоля }3], [4J, [6], [8], [12]

Из всех имеющихся в настоящее время инерционных осадителей твердых сухих частиц из пылегазовой взвеси наиболее эффективными являются вихревые пылеуловители (ВПУ), отличающиеся повышенной степенью извлечения частиц из высокодисперсного аэрозоля. В опытах по очистке полидисперсной эталонной пыли в мультиустановках задерживались частицы размером d4 =1,5-2 мкм при фактической эффективности сепарации до 99%, что равноценно эффективности тканевых фильтров. Однако с увеличением производительности с одновременным увеличением размеров ВПУ эффективность их фракционной очистки снижается.

Исследование аксиальных и тангенциальных скоростных полей распределения статических давлений и траекторий частиц в различных сечениях пылеулавливателя выявили образование вихрей и жгутов, способствующих уносу отсепарированной пыли в приосевую зону очищенного газа, удаляемого из ВПУ. В результате снижается эффективность очистки. Характерными местами таких вихреобразозаний являются область впуска первичного запыленного газа в камеру сепарации и область удаления из нее очищенного газа.

В связи с этим, при конструировании ВПУ одной из основных задач является решение проблемы уноса пыли. Одним из первых мероприятий в этом направлении была замена нарезного сопла, закручивающего поток запыленного газа, лопаточным, типа «розетка», обеспечивающим более интенсивное закручивание в направлении, создаваемом струями вторичного потока газа. Эта модернизация позволила уменьшить непродуктивный унос отсепарированной пыли, однако окончательно эта проблема не была решена. В последующих многолетних и многочисленных исследованиях задача снижения уноса пыли решалась, в основном, путем изменения конструкции узла отбойных шайб. Известны конструкции ВПУ, в которых поставленная задача решалась выбором различного количества отбойных шайб и места их расположения, путем изменения их конфигурации (веерообразная и спиралеобразная), вращающихся вокруг входного патрубка на роликах, а также путем применения механизма, перемещающего коническую отбойную шайбу в вертикальном направлении.

Можно предположить, что во всех этих реконструкциях сделана попытка по созданию условий для оптимального положения отбойной шайбы. Однако, как показали дальнейшие исследования, истинной причиной образования паразитарных вихрей после завихрителя являются не положение и форма отбойной шайбы, а способ подачи запыленного газа в камеру сепарации, при котором поток первичного аэрозоля изменяет направление течения на 90° непосредственно перед входом в завихритель. В таком подводящем патрубке, в связи с двухзональным вихреобразованием, искажается поле скоростей и, следовательно, концентраций. Это искажение сохраняется по форме и в потоке аэрозоля, выходящего из завихрителя в камеру сепарации. Оно и будет являться причиной образования паразитарных вихрей, разрушающих стабильность формирования вихревого потока первичного запыленного газа.

Очевидно, улучшение в данном вопросе следует ожидать только после стабилизации поля скоростей и концентраций в потоке подводимого первичного газа.

С этой целью для погашения излишней неравномерности и турбулентности подводимого запыленного газа поворотное колено должно быть скругленным, поскольку такая форма, аэродинамически более совершенна, чем прямоугольная или со скошенными кромками. Для усиления выравнивающего поток действия в колене устанавливаются лопатки либо профилированные (Прандтля), либо тонкие листовке, очерченные по дуге круга в количестве 5-7 штук с углом раскрытия ^0=95-5-107°.

Профилированные лопасти конструктивно более сложны и целесообразны только в случае необходимости охлаждения газа путем подачи проточного хладагента через полости лопаток.

Для ВПУ высокой производительности стабилизация скоростного поля в колене может оказаться недостаточной. В этом случае рекомендуется дополнительная установка хонейкомба, который представляет собой конструкцию, состоящую из трубок или сотовых элементов длиной 4 = 5-10 калибров при толщине стенки 0,5-1 мм. Хонейкомб выравнивает поток по направлению, разбивая крупные вихри, а также уменьшает неравномерность распределения продольных скоростей. Для погашения турбулентных возмущений (следа) после него устанавливаются сетки из тонкой проволоки с ячейками 2-5 мм. Однако они вносят дополнительное сопротивление, поэтому вместо них лучше максимально увеличить расстояние S.

Независимо от наличия хонейкомба или сеток непосредственное примыкание подводящего канала к «розетке» осуществляется через диффузор, в котором наиболее эффективно происходит превращение кинетической энергии стабилизированного потока в энергию давления. Ввиду уменьшения скорости и расхождения линий тока газа взвешенные частицы несколько опережают несущий газ и отклоняются от его линий тока в сторону оси потока. С целью предотвращения отрыва пограничного слоя от стенок диффузора и, следовательно, нарушения стабильности поля скоростей и концентраций угол раскрытия диффузора не должен превышать 2а <10°. В целом «поле» подводящего тракта не должно заметно меняться при переходе от одного сечения к другому. При этом должно обращаться внимание на сохранение плавности аэродинамического контура канала при скорости в нем аэрозоля, обеспечивающей невыпадение взвешенных частиц.

Однако предложенные по патентам автора конструктивные дополнения, направленные, в конечном счете, на снижение уноса пыли, не могут повлиять на картину формирования паразитарных вихрей в верхней зоне камеры сепарации.

Известно, что вихревые течения возникают при появлении градиента скорости в местах обтекания поверхностей, сопряженных не в одной плоскости, при срыве потока, при входе его в канал и других аналогичных явлениях, т. е., по сути дела, на границе неудобообтекаемых тел. В данном случае такими местами являются угловые сопряжения верхней плоскости камеры сепарации с ее цилиндрической стенкой и на входе в патрубок очищенного газа. Очевидно, если верхнюю плоскость камеры и ее вертикальную цилиндрическую поверхность, а также стенку патрубка отвода очищенного газа сопрягать не под углом 90°, а через удобообтекаемые плоскости, выполненные по профилю Витошинского, лемнискаты или хотя бы по радиусу цилиндра, причин образования вихрей в этой области будет значительно меньше.

Второй причиной возникновения вихрей в области ввода вторичного газа может быть его радиальный подвод к «розетке», что нарушает плавность слияния двух циклонируюших потоков, при котором должны максимально проявляться только центробежные и инерционные силы. Для создания таких благоприятных условий необходимо стабилизировать статическое давление и, следовательно, поле скоростей на входе в завихритель. Наиболее простым решением этой проблемы, с нашей точки зрения, будет замена радиального подвода вторичного газа раздачей его через канал равного статического давления по всему верхнему контуру завихрителя. Это обеспечит равномерность поля статического давления и, следовательно, скоростей на входе в «розетку» по всему ее периметру и одновременно уменьшит габариты ВПУ за счет устранения камеры давления.

На рис. 7.1. представлена принципиальная схема ВПУ. вихревого пылеуловителя

Размеры D, H,d, d„ и взаимосвязь между ними в современных ВПУ, выпускаемых серийно, пронормированы, поэтому на рисунке обозначены только элементы, внесенные в конструкцию с целью усовершенствования по опыту ранее проведенных разработок.

Вихревой пылеуловитель содержит короб равномерной раздачи 1, стабилизирующие обтекатели 2, 3, диффузор 4, сетки 5, хонейкомб 6, колено со стабилизирующими лопатками 7.

Количество стабилизирующих элементов в ВПУ определяется его производительностью: чем больше габаритные размеры уловителя, тем выше должна быть степень стабилизации потоков, вводимых в камеру сепарации. Однако элементы 1, 2, 3, 4, 7 следует ставить во всех ВПУ, исключая мультиустановки.

Первоначальные предположения о возможности использования ВПУ для сепарации капельного аэрозоля не нашли применения в инженерной практике, в основном, в силу малых величин тангенциальной и радиальной составляющих скорости потока в камере сепарации, которые не могут придать частицам достаточную инерционность, особенно при высокодисперсных средах.