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.
|
|
жидкости в аппарат Распыление («дробление») жидкостей широко распространено в современной технике. Оно применяется, например, в химической промышленности для экстракции твердых веществ из жидкости, при сушке, при взаимодействии между жидкостью и газом, а также в других технологических процессах (охлаждение газа распыленной из форсунок жидкостью в ряде аппаратов) Настолько распространенное применение распыления обусловлено тем, что во всех этих процессах уменьшение размера капель значительно увеличивает коэффициент теплопередачи и, таким образом, снижает время протекания процесса. Это позволяет значительно уменьшить габариты аппаратов, обеспечивает большую равномерность распределения жидкости и улучшает ее взаимодействие с реагирующей средой. Результаты экспериментальных исследований показали, что струи жидкости, диспергирующие из отверстия оросителя в газовую среду, пульсируют [55, 56, 63]. В определенный момент пульсации жидкости усиливаются вдоль струи и приводят к распаду ее на капли. На характер пульсаций оказывают влияние форма сопла, из которого диспергирует жидкость, величина первоначальной турбулентности и относительная скорость жидкости, физические свойства жидкости и газа. С уменьшением размеров капель их устойчивость к внешним воздействиям возрастает, при этом снижается "дробящее" действие на них турбулентного потока, но и подвижность мелких капель увеличивается, и они начинают участвовать в движении крупномасштабных пульсаций. Образуется неустойчивая мелкодисперсная эмульсия, существующая в метастабильном состоянии, зависящем от условий течения. Капли, попавшие в пристенную зону газопромывателя, характеризуемую более слабыми крупномасштабными пульсациями, но высокими градиентами усредненной скорости потока, будут подвержены разрывающему действию сдвига в соседних слоях потока и могут дробиться на еше более мелкие капли. Процесс дробления капель в ядре потока ив пристенных слоях приводит к образованию широкого спектра размеров их, отличающихся иногда на один-два порядка В случае высоковязкой дисперсной фазы значительную роль играет продолжительность нахождения капель в поле касательных напряжений, хотя сам факт увеличения вязкости отнюдь не означает, что это увеличение является стабилизирующим фактором. В этом случае время, необходимое для деформации и дробления капель, может быть весьма значительным. При оптимальном положении оросителя будет обеспечиваться лучшее дробление жидкости и перекрытие факелом распыла орошающей жидкости всего сечения аппарата Рассмотрим движение капель жидкости в закрученном газовом потоке при оптимальном положении оросителя Θ 0 . Для упрощения решения задачи примем следующие допущения будем считать, что капля имеет форму шара и является абсолютно твердым телом. На самом деле форма капли не является строго сферической ив процессе движения в ней возникают деформация, обусловленная силой сопротивления газа и противодействие этой деформации, вызванное силой поверхностного натяжения жидкости [128, Движение сферической капли жидкости в потоке газа описывается дифференциальными уравнениями (Обозначим через 124 i D i D VD i i W r y r x r y x x 0 0 0 i D W i D W WD i W i W W r y r x r y x 0 Разложим уравнение (3.12) на компоненты по осями 3 (3.13) g D U U D dt d D r r ж y c r y r r ж 2 3 0 2 0 2 0 ) ( 4 Преобразуем левые части уравнений (3.13) и (3.14) для чего умножим и разделим производную в первом уравнении на dx, во втором на dy, тогда: x c r x x r r ж U U D dх d D 2 2 0 2 3 0 4 3 (3.15) g D U U D dх d D r r ж y c r y y r r ж 2 3 0 2 2 0 2 3 0 Обозначим через 0 2 0 D y Y D x X D t T ж r ж r ж r r U g D P c r r l 4 3 ; 2 и принимая во внимание ранее принятые обозначения, из уравнений (3.15) и) получим безразмерные уравнения: x x U dT d P U dT d y y (3.17) x x x U dx d U P U dy d U y y y (3.18) С помощью полученных уравнений можно определить скорость капли в любой момент времени и рассчитать траекторию ее движения в газовом потоке движущемся с переменной скоростью, если эти уравнения представить в конечных разностях. Так, из (3.17) имеем: ), ( x x y x y U P U U U U (3.19) а из (3.18) соответственно x x x X , P Y y y y (3.20) Анализ безразмерных уравнений (3.17, 3.18) показывает, что сравниваемые движения капель в геометрически подобных оросителях будут подобны, если здесь l – длина оросительной трубы. В этом случае траектории движения объемов жидкости будут также подобны Время движения капли подчиняется условию Применяя полученные выражения рассматриваемому движению струи орошающей жидкости в оросителе и пренебрегая весом струи, получим в первом приближении 126 , 0 idem D d l x r (3.26) , idem Ud r l (3.27) , idem U U l оpt y x (3.28) где диаметр конического рассекателя в области обреза оросителя, м; d l – диаметр отверстия оросителя, м; ω oпт – скорость газа в области орошения, м/с; υ l – проекция скорости орошающей жидкости на перпендикуляр к направлению движения газа В данном случае мы принимаем, что вся орошающая жидкость полностью преобразовалась в плоские радиальные струи. При этом выполнение условий подобия (3.26 – 3.28) для сравниваемых струй орошающей жидкости является необходимым, но недостаточным. Эти условия не учитывают подачу жидкости в устройство в виде плоских радиальных струй, обеспечиваемую коническим рассекателем. Рисунок 3.17 – Путь капли на поверхности конического рассекателя На рисунке 3.17 изображен путь частиц поверхности конуса в полярных координатах R 1 и Θ. Стрелкой показано направление вращения ядра потока. Кривая представляет собой границу конуса, кривая изображает действительный путь частицы жидкости, поступающей по касательной на окружность конуса и вытекающей в его вершине. При распаде капли действуют следующие силы 0 2 0 0 2 0 Условие распада капли под действием газового потока может быть представлено в виде двух следующих критериев 127 idem D u l 0 2 (3.29) и idem uD r l 0 (3.30) Распространяя полученные зависимости на случай распада сплошных струй жидкости под действием газового потока в первом приближении получим: idem d u l l 2 (3.31) и idem ud l r l (3.32) Используя полученные зависимости) и (3.32), можно сказать, что сравниваемые движения струй орошающей жидкости, выходящих из оросителя в геометрически подобных аппаратах с осевым подводом орошающей жидкости будут подобны, если idem d d l l x r (3.33) idem Ud l l (3.34) idem l опт (3.35) idem d l опт l 2 (3.36) idem d l опт l l (3.37) Анализ этих критериев показывает, что они являются связанными величинами, т.к. при обеспечении наилучшего дробления жидкости и полного перекрытия сечения аппарата факелом орошения, изменение одного из них влечет за собой непременно изменение и других 128 3.5.1 Расчет критерия оптимального положение оросителя Предположим, что определяющим критерием обеспечения будет какой-то другой критерий, объединяющий все или почти все здесь полученные критерии. Так, произведение четырех из них, а именно (3.31), (3.32), (3.36) и (3.37) дает нечто иное, как отношение чисел Рейнольдса газового потока в области распыла орошающей жидкости и струи орошающей жидкости, при выходе из отверстия оросителя, умноженное на безразмерную величину, равную 2 ) / ( 1 опт l , т.е. idem d d опт l l l l l r опт x 2 ) / ( 1 (3.38) Для разработанной конструкции оросителя для подачи орошающей жидкости 1 1 2 m f опт l , поэтому выражение (3.38) может быть представлено в виде Здесь величина удельного орошения, равная отношению расхода жидкости к объемному расходу газа, взятому при условии на входе в газопромыватель, л/м 3 Обозначив отношение чисел Re r и через m , т.е. r l l l x опт l r d d m Re Re (3.40) выражение (3.39) можно записать в виде где 1 1 2 m f idem m f Для выбранной конструкции оросителя для подачи орошающей жидкости и при использовании какой-либо одной жидкости с σ=const критерий (примет следующий вид 0 idem G опт (3.42) где l l d G 0 Умножив и разделив выражение (3.42) на ν l 2 , получим idem G опт l l 2 Анализ полученного выражения (3.43) показывает, что т.к. отношение ν l / ω oпт ≈ согласно определению, а ν l ≈ при ω oпт ≈const, то критерий (3.36) при указанных выше условиях будет также пропорционален удельному орошению. Исследование критериев (3.35) и (показывает, что поскольку в качестве орошающей жидкости обычно используется вода, то первый из них является более общими поэтому есть все основания полагать, что в первом приближении он (ḿ) будет являться определяющим при нахождении оптимального положения ввода жидкости через ороситель, отвечающего лучшему дроблению орошающей жидкости и более равномерному распределению ее по сечению аппарата при заданных значениях и Рисунок 3.18 – Схема к определению положения оросителя Определив экспериментальным путем зависимость критерия оптимального положения патрубка подачи орошающей жидкости (ḿ) от удельного орошения, можно будет с помощью этой зависимости находить оптимальное место ввода жидкости и при других, отличных от опытных, параметрах газового и жидкостного потоков. Так, для рассматриваемого в работе конического рассекателя (рисунок 3.18) имеем 2 1 ( 1 и 1 0 2 2 1 ) 2 2 1 ( 4 tg d Q опт (3.45) где секундный расход газа при параметрах на входе в аппарат; α 1 – угол раскрытия конуса конического рассекателя. Подставляя полученные зависимости d x и ω опт в формулу (3.40) и решая относительно Θ 0 , получим 2 1 2 2 1 1 0 d m Q d Q tg d L г ж l ж x (3.46) где угол между направлением истечения жидкости из оросителя и направлением движения газового потока; Q 1 – секундный расход жидкости из оросителя. В том случае, когда выражается через ω 2 , аж через ж, формула (примет следующий вид 2 1 1 2 2 2 1 0 m d d tg г l l ж (3.47) где и γ 2 – удельный вес газа при температуре и давлении на входе и выходе из аппарата, соответственно, кг/м 3 Оптимальное положение оросителя можно также определить либо из выражения (3.48) 1 2 1 1 0 либо из выражения (3.49) sin 1 2 2 1 1 1 1 где общая длина оросительного патрубкам диаметр оросителя, м; L 0 – расстояние от конического рассекателя до оросительного патрубкам отношение величины к Исследование экспериментальных данных [31 – 33] о характере отклонения различных по диаметру и скорости истечения струй воды под действием газового потока, движущегося с различной скоростью, показывает, что выведенные выше формулы и критериальные зависимости для нахождения оптимального положения оросителя для подачи жидкости могут быть распространены лишь для ограниченной по размеру зоны орошения. Определение максимальной зоны орошения, обслуживаемой осевым оросителем, в настоящий момент возможно только экспериментальным путем. Для рассматриваемого газопромывателя получено оптимальное значение критерия который находится в диапазоне Θ 1 =(0,06÷0,10). ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 1. В результате лабораторных испытаний газопромывателя определены режимы работы, при которых его эффективность во много раз превышает эффективность используемых в настоящее время аппаратов. Рассмотрена одна из задач гидродинамики, заключающаяся в целенаправленной интенсификации или подавлении турбулентности среды, движущейся в поле центробежных сил, что достигается с помощью вращающегося лопастного завихрителя. Основой управления турбулентностью среды является формирование области интенсивной закрутки, где ключевым параметром выступает угловая скорость вращения завихрителя ω опт . Выявлены оптимальные гидродинамические условия центробежной сепарации, которые предложено оценивать величиной оптимальной скорости вращения завихрителя, при которой отсутствует вторичный унос пыли. Установлено, что целесообразно обеспечивать умеренные значения υ (до 30 мс) и ω опт (до 100 с. Обобщением опытных данных получены выражения для определения гидравлических потерь сухого аппарата, потерь на транспорт жидкой фазы и потерь при принудительной закрутке потока, которые позволяют рассчитать гидравлическое сопротивление в исследуемом диапазоне нагрузок по фазам. При вращении ротора, исследуемый завихритель предлагается рассчитывать, основываясь на теории центробежных вентиляторов. На основе принятых допущений получены выражения для расчета гидравлического сопротивления газопромывателя. 3. Получены следующие рекомендации для проектирования: максимальная эффективность сепарации обеспечивается при установке лопаток на угол α= 10 ÷ 30° и отрицательном направлении вращения, те = 100 + увеличение числа лопаток целесообразно в том случае, когда необходимо увеличение давления газа на выходе из аппарата и не относится к рациональному методу повышения эффективности очистки газа 133 4. При подаче воды в центральный ороситель, место ее ввода оказывает существенное влияние на степень распыла воды, распределение ее по сечению аппарата, создание плоского факела орошения и эффективность улавливания пыли. Установлен и экспериментально подтвержден критерий, определяющий оптимальное положение оросителя Θ 1 =(0,06÷0,10), при котором для заданных ив аппарате обеспечивается наилучшее дробление воды, более равномерное распределение ее по сечению аппарата и наиболее высокая эффективность пылеулавливания. Характер представленных экспериментальных зависимостей повторяет характер расчётных зависимостей. Это обстоятельство подтверждает корректность использования законов гидродинамики для математического описания процессов, происходящих при работе газопромывателя. Отклонение расчетных значений от экспериментальных данных не превышает 10 %. ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСАЖДЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ |