Dissert-UsmanovaПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТКИ ГИДРОДИНАМИК. Исследование влияния основных факторов на гидравлическое сопротивление аппарата Исследование влияния жидкой фазы Исследование влияния вращения ротора Выбор оптимального
 Скачать 5.14 Mb.
|
|
3.3 Исследование влияния режимно-конструктивных параметров аппарата на оптимальную скорость При обсуждении результатов предварительных исследований работы динамического газопромывателя было отмечено, что с увеличением угловой скорости вращения ротора величина уноса примесей уменьшается и при определенной скорости вращения становится практически равной нулю. Поэтому можно ввести понятие "оптимальная скорость вращения, т.е. минимальная угловая скорость вращения, при которой отсутствует вторичный унос. При изучении влияния угла установки лопаток завихрителя на эффективность сепарации дисперсных потоков было установлено, что для одного итого же угла α, оптимальная скорость вращения ω опт зависит от направления вращения, те. от угла рисунок Рисунок 3.8 – Зависимость оптимальной скорости ω опт от направления вращения – υ=21,2; 2 – υ=13,5; 3 – υ= 7,7 (м/с) Рисунок 3.9 – Влияние cosα на ω опт при скорости потока – υ=21,2; 2 – υ=13,5; 3 – υ= 7,7 (м/с) За положительное направление вращения примем направление, для которого cos ᾀ> 0. Зависимость ω опт от косинуса угла вращения представлена в виде графика (рисунок 3.9). Видно, что для фиксированного, например, ᾀ = величина ω опт для меньше, чем для ᾀ <90°. Зависимость ω опт = ⨍(cos имеет экстремум, который приходится на отрицательный косинус угла вращения cos ᾀ= – 0,2 и может быть описана следующим уравнением: ω опт =exp (a∙cos ᾀ+b∙cos 2 ᾀ) где a, b – коэффициенты, которые определяются после представления зависимости в новых координатах (lgω опт – lgω -0.6 ) /cosα+0,6 и cosα. При этом величина lg характеризует минимальную скорость вращения при cosα После обработки данных, представленных на графике (рисунок получим зависимость оптимальной скорости вращения от направления вращения завихрителя: 2 опт cos 18 , 2 cos ) 034 , 0 Получены следующие рекомендации для проектирования максимальная эффективность сепарации обеспечивается при установке лопаток на угол 10 ÷30° и отрицательном направлении вращения, те = 100 + Число лопаток z, представленное как относительное число лопаток ž = и равное относительному шагу лопаток τ=(πD/z)/D существенным образом влияет на эффективность сепарации. С увеличением числа лопаток минимальная скорость вращения снижается, (рисунок 3.10, б. Это объясняется увеличением числа сепарирующих каналов и уменьшением расстояния между стенками канала, те. уменьшается путь движения частицы до стенок канала и повышается вероятность осаждения частицы в канале. Однако число лопаток ограничивается условиями технологичности изготовления завихрителя и обеспечения его работоспособности. Исходя из проведенных исследований и принимая во внимание условия технологичности изготовления завихрителя, число лопаток рекомендуется выбирать последующему соотношению z ≈ (10÷2,5)·D. а) б) Рисунок 3.10 – Зависимость ω опт от: а – режимных параметров процесса б – конструктивных параметров завихрителя 1 – υ= 34,5 мс 2 – υ= 21,7 мс 3 – υ= 13,5 мс 4 – υ= 7,2 м/с 113 где a, b – коэффициенты, которые определяются после представления зависимости в новых координатах (lgω опт – lgω -0.6 ) /cosα+0,6 и cosα. При этом величина lg характеризует минимальную скорость вращения при cosα После обработки данных, представленных на графике (рисунок получим зависимость оптимальной скорости вращения от направления вращения завихрителя: 2 опт cos 18 , 2 cos ) 034 , 0 Получены следующие рекомендации для проектирования максимальная эффективность сепарации обеспечивается при установке лопаток на угол 10 ÷30° и отрицательном направлении вращения, те = 100 + Число лопаток z, представленное как относительное число лопаток ž = и равное относительному шагу лопаток τ=(πD/z)/D существенным образом влияет на эффективность сепарации. С увеличением числа лопаток минимальная скорость вращения снижается, (рисунок 3.10, б. Это объясняется увеличением числа сепарирующих каналов и уменьшением расстояния между стенками канала, те. уменьшается путь движения частицы до стенок канала и повышается вероятность осаждения частицы в канале. Однако число лопаток ограничивается условиями технологичности изготовления завихрителя и обеспечения его работоспособности. Исходя из проведенных исследований и принимая во внимание условия технологичности изготовления завихрителя, число лопаток рекомендуется выбирать последующему соотношению z ≈ (10÷2,5)·D. а) б) Рисунок 3.10 – Зависимость ω опт от: а – режимных параметров процесса б – конструктивных параметров завихрителя 1 – υ= 34,5 мс 2 – υ= 21,7 мс 3 – υ= 13,5 мс 4 – υ= 7,2 м/с 113 где a, b – коэффициенты, которые определяются после представления зависимости в новых координатах (lgω опт – lgω -0.6 ) /cosα+0,6 и cosα. При этом величина lg характеризует минимальную скорость вращения при cosα После обработки данных, представленных на графике (рисунок получим зависимость оптимальной скорости вращения от направления вращения завихрителя: 2 опт cos 18 , 2 cos ) 034 , 0 Получены следующие рекомендации для проектирования максимальная эффективность сепарации обеспечивается при установке лопаток на угол 10 ÷30° и отрицательном направлении вращения, те = 100 + Число лопаток z, представленное как относительное число лопаток ž = и равное относительному шагу лопаток τ=(πD/z)/D существенным образом влияет на эффективность сепарации. С увеличением числа лопаток минимальная скорость вращения снижается, (рисунок 3.10, б. Это объясняется увеличением числа сепарирующих каналов и уменьшением расстояния между стенками канала, те. уменьшается путь движения частицы до стенок канала и повышается вероятность осаждения частицы в канале. Однако число лопаток ограничивается условиями технологичности изготовления завихрителя и обеспечения его работоспособности. Исходя из проведенных исследований и принимая во внимание условия технологичности изготовления завихрителя, число лопаток рекомендуется выбирать последующему соотношению z ≈ (10÷2,5)·D. а) б) Рисунок 3.10 – Зависимость ω опт от: а – режимных параметров процесса б – конструктивных параметров завихрителя 1 – υ= 34,5 мс 2 – υ= 21,7 мс 3 – υ= 13,5 мс 4 – υ= 7,2 мс Обобщением опытных данных установлено следующее соотношение ω опт ≈ При сокращении числа лопаток уменьшается активность воздействия ротора на газовый поток, что способствует падению давления газа на выходе и снижению затрат электроэнергии на привод ротора. Из приведенного анализа следует, что увеличение числа лопаток может быть целесообразным в том числе, если требуется увеличение давления газа на выходе из аппарата и не служит рациональным способом повышения эффективности газоочистки. Также установлено влияние дисперсности твердой фазы при различных скоростях газового потока и влияние расходов жидкой и газовой фаз (рисунок 3.10, а). Обобщением опытных данных установлено следующее соотношение 018 , 0 exp( ≈ ω p 6 опт d Увеличение расхода G очищенного газа при неизменном значении угловой скорости способствует пропорциональному росту осевой скорости газа и снижению эффективности сепарации из-за уменьшения времени пребывания твердых частиц в лопатках завихрителя. С учетом того, что рост гидравлического сопротивления происходит пропорционально квадрату осевой скорости газа, рационально обеспечивать умеренные величины υ (до 25 м/с). Увеличение оптимальной скорости ω опт ведет к пропорциональному росту расхода газа и, соответственно, к снижению времени сепарации частиц в лопастных каналах. При этом пропорционально ω опт 2 происходит рост центробежных сил, что способствует улучшению сепарации твердых частиц. Следовательно, увеличение угловой скорости вращения ротора приводит к повышению эффективности очистки газа. Однако при этом возрастают и механические нагрузки на ротор и затраты энергии на привод аппарата (пропорционально Обобщением опытных данных установлены следующие соотношения: ω опт ≈ υ 1,65 31 0 6 опт ) 10 ( ω m Кроме режимных параметров, на оптимальную скорость вращения ω опт оказывают влияние также и конструктивные параметры исследуемого аппарата. На рисунке 3.10, б проиллюстрирована зависимость ω опт от диаметра, вращающегося завихрителя. Увеличение диаметра завихрителя Ď, с одной стороны, затрудняет процесс сепарации, но при этом приводит к снижению осевой скорости газа и к увеличению времени пребывания дисперсных частиц в зоне лопастей, в итоге сепарация улучшается. С увеличением Ď уменьшаются энергозатраты в области завихрителя, которые зависят от осевой скорости газа. Обобщением опытных данных установлено следующее соотношение ω опт ≈ Ď͞ -0,31 . Статистическая обработка данных позволила обобщить результаты эксперимента в виде регрессионной модели, дающей возможность оценить влияние конструктивных параметров динамического газопромывателя, а также газа и твердых частиц на оптимальную скорость вращения ω опт 2 6 05 1 31 0 31 0 6 65 1 cos 18 , 2 cos ) 034 , 0 06 , 1 ( 10 018 0 exp ) 10 ( 38 397 p опт d z D m ω (3.2) Таблица 3.1 – Статистическая значимость регрессий Рис. n R² R k D σ ∆ 3.8 17 86,70 0,9311 0,61 0,0213с‾¹ 4,58с‾¹ 3.9 14 86,63 0,9308 0,56 0,0206с‾¹ 4,92с‾¹ 3.10, асс, асс, б 97,19 0,9858 1,44 74.82 с с, б 85,54 0,9249 1,04 0,306с‾¹ 0,83с‾¹ Полученная зависимость аппроксимирует экспериментальные результаты с точностью ± 1,5%, ее можно использовать для предварительного выбора значений отдельных конструктивных параметров газопромывателя. 116 3.4 Исследование влияния основных факторов на гидравлическое сопротивление 3.4.1 Исследование влияния жидкой фазы Гидравлическое сопротивление с учетом влияния жидкой фазы может быть выражено суммой перепада давлений. Такие перепады будут складываться из сопротивления, возникающего при движении газа в сухом аппарате и напором, который необходимо сообщить газовому потоку, чтобы компенсировать сопротивление на транспорт жидкостного потока, теор сух Р Р Р (3.3) или по уравнению Дарси: 2 2 Р ор сух где сух коэффициент сопротивления неорошаемого аппарата; ζ ор – коэффициент сопротивления, с учетом изменений, вносимых орошением. Была сделана попытка теоретического определения зависимости потерь напора неорошаемого аппарата от скорости воздуха по известной методике с определением суммы коэффициентов местного сопротивления конструктивных элементов аппарата. Во внимание были приняты потери напора на входе при повороте на 90°, потери по длине с учетом движения потока по спирали и потери на выходе из аппарата. Однако, сравнение значений гидравлического сопротивления, полученных вышеуказанным методом, значительно выше экспериментальных значений. Это послужило поводом для более широких исследований гидравлического сопротивления сухого аппарата Установлено, что гидравлическое сопротивление сухого аппарата подчиняется квадратичной зависимости от скорости газа. С увеличением коэффициента закрутки, ξ снижается, что связано с уменьшением уровня тангенциальной составляющей скорости газа в завихрителе. При вводе жидкой фазы для некоторого значения k, коэффициент гидравлического сопротивления практически не зависит от расхода орошающей жидкости, что объясняется воздействием двух факторов, связанных с подачей орошающей жидкости в динамический газопромыватель. С одной стороны – увеличение ξ связано с ростом потерь напора газового потока на транспорт жидкости; с другой – происходит снижение ξ из- за уменьшения тангенциальной скорости газа за счет тормозящего действия жидкости. Обобщение экспериментальных данных [125] позволило получить уравнения для определения гидравлического сопротивления в виде 1 2 2 2 1 1 сух 6 0 1 1 4 k G L ор , (3.5) где R – радиус аппаратам радиус вихрям объёмные расходы жидкости и газам ч, υ 2 – скорость газа на входе и выходе из аппаратам с – коэффициэнт потери крутки потока – коэффициэнт крутки в завихрителе; n – показатель вихревого движения. Полученные выражения для определения гидравлических потерь сухого аппарата и потерь на транспорт жидкой фазы позволяют рассчитать гидравлическое сопротивление в исследуемом диапазоне нагрузок по фазам. Для инженерных расчетов орошаемого газопромывателя может быть рекомендовано обобщенное выражение (3.6): 2 6 , 0 2 2 2 2 1 1 Q 4 1 1 ) / ( 1 K G K r R n вх вых Г ж n ор (3.6) Проверка адекватности приведенного выражения показала его корректность (рисунок 3.11). Из рисунка 3.12 видно, что завихритель с углом наклона лопастей α=45° имеет наименьшие энергетические характеристики, однако эффективность газоочистки в аппарате с таким завихрителем снижается на 6…8% по сравнению с аппаратом, где лопасти наклонены на угол α=30°. Рисунок 3.11 – Зависимость коэффициента ξ от закрутки потока K : –– расчет ····эксперимент Это можно объяснить уменьшением закрутки потока, которая характеризуется относительным углом закручивания (90°÷45°), и наименьшими центробежными силами. В связи с этим, сточки зрения повышения эффективности газоочистки, следует предпочесть завихритель с наибольшей величиной закрутки потока. Исследования гидродинамических характеристик газопромывателя показали, что коэффициент гидравлического сопротивления существенно зависит от угла установки лопастей завихрителя α, а также от режима движения газодисперсной среды, определяемого числом Рейнольдса Re=ρDυ/μ. Рисунок 3.12 – Влияние угла на энергетические характеристики динамического газопромывателя Рисунок 3.13 – Влияние критерия Рейнольдса и угла наклона лопаток завихрителя на коэффициент гидравлического сопротивления Из рисунка 3.12 видно, что завихритель с углом наклона лопастей имеет наименьшие энергетические характеристики, однако эффективность газоочистки в аппарате с таким завихрителем снижается на 6…8% по сравнению с аппаратом, где лопасти наклонены на угол α=30°. 3.13, при увеличении критерия Рейнольдса от 8·10 наступает автомодельность ξ. Исключением является завихритель с углом наклона лопастей 35,5°, при установке которого продолжается рост гидравлического сопротивления Исследование влияния вращения ротора При вращении ротора, исследуемый завихритель предлагается рассчитывать, основываясь на теории центробежных вентиляторов, согласно которой величина теоретического давления, создаваемого вращающимся ротором, в предположении бесконечно большого числа лопаток, определяется по формуле ) ( ∞ 2 г T tg u u H (3.7) где г радиальная составляющая скорости газа на выходе из роторам с – угол выхода газового потока из ротора. Из треугольника скоростей на выходе из ротора, согласно рисункам 3.12, г sin где W 2 – относительная скорость газа на выходе, м/с. Формула теоретического давления запишется как 2 T W u u H (3.8) Рисунок 3.14 – Профилирование лопастей завихрителя. Направление вращения Рисунок 3.15 – Профилирование лопастей завихрителя. Направление вращения Однако, как следует из специальных экспериментальных исследований рабочих колес центробежных вентиляторов [5], теоретическое давление по формуле (3.8) достаточно надежно можно рассчитывать только для колес с большой густотой решетки (τ p >3). Густота решетки колес центробежных вентиляторов определяется по формуле y 1 1 1 p sin π 2 z l D z l 0 = α y ) 2 ( 1 и находится, как правило, в пределах τ p = 0,8÷2,5 [55]. Поэтому при расчете теоретического давления вводится поправочный коэффициент μ, учитывающий конечное число лопаток. Для колес с углами 20 +170° коэффициент можно рассчитывать по формуле Учитывая соотношения (рисунки 3.14, 3.15) u=ω∙(D/2), β 2 =α, и поправочный коэффициент μ, учитывающий конечное число лопаток 121 ) 1 ( 90 / 1 , 1 5 , 1 1 1 Учитывая (3.9) формула (3.8) примет вид 5 , 1 1 1 ) cos ( 2 1 2 При движении газа во вращающемся роторе от центра к периферии теоретическое давление, создаваемое ротором, вычисляется по формуле 5 , 1 1 ) cos ( 2 1 2 Газовый поток в завихрителе динамического газопромывателя движется от периферии к его центру. Поэтому газовый поток должен преодолеть кроме гидравлического сопротивления неподвижного ввода, еще и давление (напор), создаваемое вращающимся завихрителем в предположении обратного тока газа через него. При таком предположении, учитывая следующие соотношения (рисунок 3.15). 2 для расчета третьего слагаемого (3.3) можно использовать формулу (3.10) в следующем виде 5 , 1 1 ) cos 5 , 0 ( 5 , 0 2 1 1 1 Учитывая (3.11) и (3.3), величина гидравлического сопротивления динамического газопромывателя рассчитывается по полуэмпирической формуле: 0 ор сух Р Р Р Рисунок 3.16 – Зависимость гидравлического сопротивления от скорости и направления вращения завихрителя Расхождение расчетных и экспериментальных значений гидравлического сопротивления ротора не превышает 10%, что приемлемо для технических расчетов Выбор оптимального положения оросителя для подачи |