Экспериментальное и визуальное исследование процесса сепарации в прозрачной модели прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное и визуальное исследование процесса сепарации в прозрачной модели прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли

Кулакова И.М., Аршинский М.И., Кулаков А.Ю., Асламова В.С.

Эффективная очистка воздуха от пыли, выбрасываемой предприятиями строительной индустрии, представляет собой важную народнохозяйственную задачу. Предприятиями отрасли ежегодно выбрасывается в атмосферный воздух около 2,4 млн. т пыли [1].

Традиционно действующие мокрые системы пылеулавливания исключительно энергоемки, требуют организации шламового хозяйства, исключают утилизацию уловленной пыли и не всегда обеспечивают нормы предельно допустимых выбросов (ПДВ). Поэтому особое значение приобретают разработка н анализ научных основ энергосберегающего сухого пылеулавливания. Дальнейшее сокращение вредных выбросов предприятиями строительной индустрии может быть достигнуто вводом в действие новых эффективных газоочистных установок и аппаратов, технического усовершенствования действующих пылеулавливающих систем, внедрения в промышленность современных эффективных методов очистки [2].

Высокую эффективность очистки могут обеспечить высоко-производительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО), основными преимуществами которых являются: возможность стабильного и эффективного разделения в широком диапазоне варьирования расхода газа и концентрации пыли при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении.

В работах [3], [4] уже проводилось исследование ПЦПО. Все же некоторые детали циклона требуют уточнения и усовершенствования своей конструкции. Целью данной работы является исследование: технических характеристик ПЦПО при углах установки лопаток к радиальной плоскости на выходе из осевого направляющего аппарата (ОНА); выявление зависимости эффективности пылеулавливания промежуточного, второго отборов пыли и циклона от площади отверстий, через которые эжектируется воздух из бункера второго отбора в патрубок очищенного воздуха.

Исследуемый прямоточный циклон был спроектирован с помощью автоматизированной системы проектирования и расчета деталей ПЦПО [5]. В работах [5,6] описано математическое моделирование его основных и особо сложных в изготовлении и расчете деталей, программная реализация проектирования и изготовления прозрачной модели ПЦПО.

На опытной установке (рис. 1) исследовался ПЦПО диаметром D = 114 мм, конструкция которого защищена патентом на полезную модель отбором [7].

Рис. 1. Схема опытной установки: 1 - трубка Пито; 2 - виброворонка для подачи пыли; 3 - ОНА; 4 - ПЦПО; 5 - U-образный манометр; 6 - микроманометр; 7 - промежуточный бункер пыли; 8 - раскручивающий лопастной аппарат (РЛА); 9 - основной бункер пыли; 10 - заслонка; 11 - вентилятор; 12 - тканевый фильтр.

Закручивание потока осуществлялось ОНА 3 с бицилиндрическими профилированными лопатками. Испытаны ОНА с углом установки лопаток г = 20°, 30° и 35° к радиальной плоскости (закрутка потока 70°, 60° и 55°) и числом лопаток 10, 10 и 11 соответственно.

Измерения проводили по общепринятым стандартам [8]. Для запыления потока использовали цемент марки М400. Гранулометрический состав порошка определялся методом жидкостной седиментации в керосине. Масс-медианные диаметры частиц цемента d_m составили 8 мкм, среднее квадратическое отклонение функции распределения частиц по размерам lg у_ч = 0,276.

Дозатор пыли 2 представлял собой виброворонку с возможностью изменения размера выходного сечения. Для предотвращения слеживания частиц пыль предварительно прогревалась. Истинная плотность с_д цемента, измеренная с помощью пикнометра, составила 3150 кг/м³.

Скорость потока определялась с помощью откалиброванной трубки Пито 1. Для измерений малых перепадов давлений использовался микроманометр 6 серии ММН-240. Основные конструктивные параметры ПЦПО представлены на рис. 2.

Расход очищаемого воздуха Q регулировался с помощью заслонки 10. Запыленность потока определялась по формуле:

где m_п - масса навески пыли, [г]; t_з - время истечения пыли из дозатора, [с].

Критерий Рейнольдса рассчитывался по формуле (2).

где с - плотность воздуха, [кг/м³]; D - диаметр циклона, [м]; µ - динамическая вязкость воздуха, [Пa·с]; w_ср - среднерасходная скорость, [м/с], вычисляемая по формуле (3).

Гидравлическое сопротивление пылеуловителя рассчитывается по перепаду полных давлений на входе в циклон (см. сечение 1-1, рис. 2) и на выходе (см. сечение 2-2, рис. 2). Учитывая, что z₂ = 0, уравнение Бернулли запишем для несжимаемого газа в виде:

где z₁ - расстояние между сечениями 1-1 и 2-2, [м]; Р₁ - Р₂ - перепад статических давлений, измеряемый по показанию U образного манометра 5, [Па]; W₁, W₂ - среднерасходные скорости потока в кольцевом зазоре и в выхлопном патрубке; - коэффициент Кориолиса, учитывающий неравно-мерность распределения скорости по сечению и равный отношению истинной кинетической энергии к кинетической энергии потока, вычисленной по средней скорости. Известно, что для турбулентного режима движения газа = 1,10…1,15. Принимаем = 1. После преобразований получим:

Зная , можно рассчитать коэффициент гидравлического сопротивления, отнесенный к условной среднерасходной скорости в плане циклона W₀, по формуле (6).

Оценка эффективности пылеулавливания проводилась двояко: по поданной и улавливаемой отборами циклона пыли (минорантная оценка з_min); по поданной и выносимой из циклона пыли (мажорантная оценка з_max); средняя эффективность пылеулавливания рассчитывалась по формуле:

.

Среднее расхождение между з_min и з_max не превышало 6 %, что соответствует требованиям нормативных документов, по которым ошибка измерения эффективности очистки не должна превышать 10 % [8].

При определении плотности воздуха его влажность не учитывали, так допускаемая при этом ошибка не превышает 0,5 %. В таблице 1 приведены средние характеристики испытанного циклона ПЦПО.

На рис. 3 представлена зависимость эффективности очистки от угла установки лопаток ОНА. При статистической обработки результатов в пакете Statgraphics Plus получена регрессионная зависимость:

, (7)

где угол задан в градусах. Критерии достоверности регрессии (7): коэффициент детерминации R², скорректированный коэффициент детерминации R_с², критерий Дарбина-Уотсона DW, среднеквадратическая у и ? абсолютная ошибки, n_в - объем выборки - приведены в таблице 3. Опыты с углом установки лопаток г = 18° проводились авторами работы [5].

Таблица 1 - Влияние угла г ОНА на технические характеристики циклона ПЦПО

Рис. 2. Основные конструктивные параметры ПЦПО

В таблице 2 и на рис. 4 представлены экспериментальные данные по влиянию эжектирующей насадки в виде восьми отверстий (f - площадь отверстий) на технические характеристики ПЦПО.. Видно, что использование эжектирующей насадки способствует увеличению эффективности очистки з на 5-8 %. Наблюдаемое повышение эффективности сепарации з при самоотсосе части воздуха из бункера можно объяснить выравниванием профиля скоростей при входе очищенного газа в выхлопной патрубок и вследствие этого уменьшением возмущения пристенного пылевого слоя при входе в бункер.

Рис. 3. Влияние угла установки лопаток г на эффективность сепарации ПЦПО

При статистической обработке данных табл. 2 получены следующие уравнения регрессии:

для эффективности пылеулавливания ПЦПО

; (8)

для эффективности пылеулавливания промежуточного отбора пыли

; (9)

для эффективности пылеулавливания второго отбора пыли

. (10)

Множественные уравнения регрессии, описывающие зависимости эффективности пылеулавливания ПЦПО и второго отбора от расхода воздуха, запыленности потока и площади эжектирующих отверстий имеет вид:

. (11)

. (12)

Критерии достоверности регрессионных зависимостей приведены в табл. 3.

Рис. 4. Зависимость эффективности очистки з ПЦПО от площади отверстий f, эжектирующих воздух из бункера основного отбора

Таблица 2 - Влияние эжектирующей насадки на технические характеристики циклона ПЦПО

Рис. 5. Влияние площади отверстий, эжектирующих воздух из бункера второго отбора, на его эффективность пылеулавливания

Для изучения спирального следа из частиц на внутренней стенке корпуса циклона был использован метод Л. Прандтля [10], согласно которому на внутреннюю поверхность сепарационной камеры циклона был нанесен слой суспензии (окись титана на воде). После высыхания воды на стенках образовывался налет пыли. Далее в циклон подавался поток, и в течение двух часов аппарат работал при заданном режиме. По истечению времени на стенках циклона образовывался спиральный след линий тока закрученного потока. С помощью транспортира измерялись углы вэ, образованные этими линиями к радиальной плоскости циклона.

На рис. 6 приведена схема измерений и значения углов вэ по длине сепарационной камеры ПЦПО.

Рис. 6. Схема измерений и значения углов в камере ПЦПО: г - угол установки лопаток на выходе из ОНА, г_э - экспериментально определенный угол на выходе из ОНА; вр и вэ - углы, рассчитанные по модели и из эксперимента.

Таблица 3 - Критерии статистической значимости уравнений регрессий

Установлено, что при прохождении потока в области промежуточного отбора происходит растягивание спирали закрученного потока до 35 36° и сжимание спирали закрученного потока до 15 16° при подходе к раскручивающему аппарату.

Выполнено сравнение угла установки лопаток вр = 13,75°, рассчитанного по модели, с экспериментально определенным вэ = 15,5° на прозрачной модели ПЦПО (см. рис. 6), погрешность расчета составила 1,75°, относительная погрешность 11,29 %.

прямоточный циклон пыль очищенный воздух

Выводы

1. Получены регрессионные зависимости, прогнозирующие показатели работы прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли при промышленной эксплуатации, пригодные для постановки оптимизационных задач на стадиях проектирования и модернизации систем пылеочистки.

2. Установлено влияние площади отверстий, эжектирующих воздух из бункера второго отбора, на его эффективность пылеулавливания. Наибольшая эффективность пылеулавливания циклона соответствует диаметру эжектирующих отверстий 2 мм.

3. Установлен рациональный угол г = 28 - 32° расположения лопаток ОНА, обеспечивающий наибольшую эффективность пылеулавливания в ПЦПО.

4. Впервые экспериментально определен угол установки лопаток раскручивающего аппарата, отличающийся от теоретически определенного угла на 1,75° (погрешность расчета 11,29 %) и позволяющий снизить гидравлическое сопротивление прямоточного циклона без изменения эффективности пылеулавливания.

5. По полученным экспериментальным данным наблюдается повышение эффективности сепарации цемента марки М400 (плотность пыли 3150 кг/м³ и медианный диаметр d_m = 8 мкм) в ПЦПО до 81 82% по сравнению с сепарационной характеристикой предыдущей модели ПЦПО (75-77 %) за счет проведенного геометрического профилирования лопаток ОНА и РЛА при изготовлении прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли, согласно чертежам автоматизированной системы [11].

Литература

1. Красовицкий, Ю.В. Новый подход к проблеме энергосберегающего сухого пылеулавливания при производстве строительных материалов [текст]/ Ю.В. Красовицкий, В.В. Батищев, В.Г. Иванова // Строительные материалы.- 2004.- № 4. - С. 2.

2. Банит, Ф.Г. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов [текст]/ Ф.Г. Банит, А.Д. Мальгин. - М.: Мир, 1979. -163 с.

3. Асламова, В.С. Исследование прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли [текст] / В.С. Асламова, М.И. Аршинский, Н.А. Брагин, А.А. Жабей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2009. - № 6. -С. 37-38.

4. Асламова, В.С. Промышленные испытания группового прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли [текст] / В.С. Асламова, А.А. Асламов, П.К. Ляпустин // Вестн. Иркут. гос.техн. ун-та. - 2007. - Т.1. - № 2(30). - С. 6-8.

5. Кулаков, А.Ю. Автоматизация расчета и проектирования деталей прямоточного циклона [текст] / А.Ю.Кулаков, И.М. Кулакова, В.С. Асламова, А.А. Асламов, М.И. Аршинский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2011. - № 1.- С. 110-116.

6. Аршинский, М.И. Разработка прямоточного циклона для визуального наблюдения [текст] / М.И. Аршинский, А.Ю. Кулаков, В.С. Асламова // Сб. трудов молодых ученых и студентов: в 2-х ч.- Ангарск: АГТА, 2010. - С. 20-22.

7. Патент RU 61156 U1, МПК В04С 3/06. Прямоточный циклон / В.С. Асламова, А.А. Асламов, П.К. Ляпустин, Т.Н. Мусева, Н.А. Брагин. - Бюл. № 6. - 2007.

8. ГОСТ 17.2.4.06-90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнений. - М.: Госкомитет по охране природы СССР, 1990.

9. Вальдберг, А.Ю. Расчет циклонов с использованием вероятностно-энергетического метода [текст]/ А.Ю. Вальдберг, С.Г.Сафонов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. - № 8. - С. 14.

10. Веригин, А.Н. Экспериментальное подтверждение гипотезы о существовании вторичных вихрей в циклоне [текст]/ А.Н. Веригин, В.Н. Федоров, В.А. Ким, Н.А. Незамаев // Химическая промышленность сегодня. - 2010. - № 2. - С. 47-50.

11. Кулаков, А.Ю. Автоматизированная система проектирования деталей прямоточного циклона / А.Ю. Кулаков, А.А. Асламов, И.М. Кулакова, В.С. Асламова // Вестник СГТУ.- 2011. - № 3 (58).- Вып. 2.- С. 68 - 73.

Размещено на Allbest.ru