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.
|
|
типа АТЗП и АТЗЦ Гидравлические характеристики конических завихрителей типа АТЗП наиболее полно исследованы при разработке высокоэкономичных прямоточных циклонов Исследованиями установлено, что увеличение количества лопастей завихрителя z при F pl =const приводит к падению ζ v независимо от их формы. Характер зависимости ζ v =f(z) объясняется плавным формированием крутки потока и уменьшение потерь на удар. С увеличением числа лопастей значительно уменьшается степень поджатия отдельных струй, их длина и угол поворота, а также стабилизируется ось вращения. Увеличение суммарной площади щелей приводит к падению ζ v , что является совершенно естественным, поскольку при этом уменьшается входная скорость. При F pl =const, z=const с уменьшением относительного диаметра диска d 2 /D функция ζ v =f(ď 2 ) изменяется по гиперболической зависимости, что объясняется изменением распределения тангенциальной скорости по радиусу при стремлении W t к постоянной величине. Увеличение высоты завихрителя при постоянных значениях не влияет на Коэффициент гидравлического сопротивления аппаратов с коническими завихрителями может быть рассчитан по уравнению 2 4 , 0 которое справедливо при 10 9 Re ; 8 1 z ; 8 , 0 05 , 0 2 d ; 0 , 1 Попытка обобщить экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению различных типов завихрителей была предпринята ХО. Нурсте [239]. Исследуя горелочные устройства с завихрителями типа АЗ, ТЛЗП, улиточным и тангенциальным подводом воздуха, автор установил, что гидравлическое сопротивление для всех типов завихрителей определяется соотношением площадей и расстоянием от центра тяжести площади F out до оси канала R out . Для лопастных завихрителей существенное влияние оказывает также угол выхода потока β 2 , так что общее выражение зависимости гидравлического сопротивления разных типов завихрителей от конструктивных параметров может быть представлено в виде: 2 ; ; R R F F f out out v (5.33) Из параметров в правой части можно составить комплекс, означающий расчетный безразмерный момент количества движения на выходе из завихрителя: 2 ММ который по смыслу и содержанию аналогичен используемой в работах Ахмедова Р.Б. величине n [80] и известному параметру Россби. Значения же при вычислениях получаются несколько отличными от них. На основании теории идеальной центробежной форсунки и полученных экспериментальных данных Н.О. Нурсте предлагает рассчитывать гидравлическое сопротивление завихрителей по уравнению 2 с v (5.35) где μ – коэффициент истечения завихрителя, равный 3 2 2 2 2 sin 1 out F F (5.36) ε c – поправочный коэффициент, принимаемый одинаковым для завихрителей ТЛЗП и АЗ Коэффициент ψ рассчитывается из условия максимального расхода приданном давлении P out , те. из условия d μ /d ψ =0: 2 3 sin 2 Гидравлическое сопротивление выходного патрубка ∆P вых , выполненного в виде плоской диафрагмы и цилиндрического или конического отбойника, определяется в основном относительным диаметром пережима d 3 и с достаточной степенью точности может быть рассчитано по уравнению 3 2 45 , 1 d W P cp вых (5.38) Для пылеуловителей с противоточным отводом пленки жидкости в сепарационной зоне при Ĺ=L/G≤2 гидравлическое сопротивление остается постоянными практически не зависит от нагрузок по жидкости. При последующем повышении Ĺ сопротивление начинает расти. Установлено, что при незначительных значениях Ĺ≈0,5÷1,0, гидравлическое сопротивление в орошаемом аппарате даже ниже сухого, однако с ростом относительной нагрузки по жидкости, гидравлическое сопротивление приближается к сопротивлению сухого аппарата и при Ĺ ≥2 начинает превосходить его. Этот факт может быть объяснен интенсивным изменением профиля осевой и тангенциальной скорости потока, а также гашением турбулентных пульсаций газа. При Ĺ≥2 значения коэффициента гидравлического сопротивления пылеуловителей равны для пылеуловителей с осевыми завихрителями с плоскими лопастями 0 44 , 2 G L v ; для пылеуловителей с осевыми завихрителями со спиральными лопастями 0 56 , 1 G L v ; для пылеуловителей с цилиндрическими завихрителями типа ТЛЗП 4 , 0 Коэффициент сопротивления относится к скорости воздуха в свободном сечении завихрителей. При отводе жидкости в нижней части корпуса пылеуловителя, снижение гидравлического сопротивления орошаемого аппарата происходит до тех пор, пока соблюдается условие При Ĺ≥0,6 величина ζ v возрастает пропорционально росту этого отношения за счет увеличения затратна транспортировку жидкости. Коэффициенты гидравлического сопротивления для такого типа пылеуловителей могут быть рассчитаны по уравнениям для пылеуловителей с двухзаходными осевыми завихрителями при при при для пылеуловителей с цилиндрическими завихрителями типа ТЛЗП при Ĺ≤0,6 206 08 , 0 4 , 1 0 10 при Ĺ ≥0,6 2 , 8 904 , 0 Приведенные уравнения справедливы при и g ≥2∙10 коэффициенты сопротивления отнесены к среднерасходной скорости в сепарационной зоне. В случае нисходящего вихревого движения фаз собственный вес жидкости способствует спрямлению крутки и уменьшению величины абсолютной скорости при постоянной осевой. Спрямление крутки сказывается существенно при малых скоростях газа, значительных нагрузках по жидкости и слабой закрутке. Разница в гидравлическом сопротивлении пылеуловителей с восходящими нисходящим потоком снижается с ростом скорости газа и при значениях Re g ≥30000 стремится к нулю Для пылеуловителей с двухзаходными осевыми завихрителями при 17800 Re g 1 D S коэффициенты гидравлического сопротивления определяются уравнениями при 0 Re 676 , 0 l v при 1200 Re l ; Для пылеуловителей с коническими завихрителями предложено уравнение 1 , 16 8 , 9 1 6 где Ĺ – удельная нагрузка по жидкости, л/м 3 ; Ĥ – относительная длина смоченной поверхности корпуса. Анализ известных конструкций вихревых контактных устройств позволил выявить основные факторы (нагрузка по жидкой фазе, пережим и отрыв потока, размеры выходного патрубка, оказывающие влияние на гидравлическое сопротивление вихревых аппаратов. Показано, что потери давления в завихрителе зависят от его геометрии и степени закрутки газа. Предложены зависимости для расчета на гидравлического сопротивления в различных типах завихрителей: аксиально-лопаточных, тангенциальных улиточных, со спиральными и плоскими лопастями Влияние эффекта коагуляции на процесс осаждения частиц пыли В аэрозолях, как и во многих других дисперсных системах, протекают разные процессы, приводящие к укрупнению первичных частиц (агрегации) с последующей седиментацией. Некоторые из этих процессов протекают самопроизвольно, другие – под действием электрического, гидродинамического или гравитационного полей. В процессе укрупнения, благодаря уменьшению удельной поверхности частиц, происходит снижение поверхностной энергии. Укрупнение частиц происходит в двух случаях в результате изотермической перегонки, для жидкой фазы (эффект Кельвина, ив результате столкновения и слипания, те. коагуляции. В случае слияния жидких частиц этот процесс называют коалесценцией. Итак, в общем случае коагуляцией называется уменьшение степени дисперсности, те. уменьшение числа частиц дисперсной фазы при их укрупнении. Причиной коагуляции может быть броуновское движение частиц ив этом случае она называется броуновской, или самопроизвольной коагуляцией, либо воздействие внешних сил – гидродинамических, электрических, гравитационных и т.д., приводящих к столкновению частиц, ив этом случае коагуляция называется вынужденной. Основные закономерности коагуляции аэрозолей были впервые исследованы польским физиком М. Смолуховским [154]. С учетом эффективности слипания частиц при столкновении он разделил коагуляцию на два вида быстрая и «медленная». В первом случае слипание частиц происходит при столкновении, а во втором случае первое столкновение не приводит к слипанию частиц или не все сталкивающиеся частицы коагулируют 208 5.4.1 Коагуляция монодисперсных сферических частиц В случае турбулентного течения будут происходить столкновения частиц монодисперсных сферических частиц. Однако при любой схеме течения частота столкновений становится значительно больше, если в потоке имеются частицы различного диаметра, которые в ускоряющейся жидкости движутся по разным траекториям. При этом соударения типа частица — частица происходят, как правило, вследствии полидисперсиости частиц в газовзвеси. Частота столкновений увеличивается примерно пропорционально квадрату счетной концентрации частиц. Влияние столкновений частиц очень важно для проектирования установок газоочистки, его оценку необходимо проводить при решении любых задач. Столкновения частиц существенно влияют на выбор соответствующих параметров подобия. Информации о частоте соударений частиц недостаточно для описания свойств потока взвеси. Обычно важно также знать следствия соударений. Например, сталкивающиеся частицы могут при ударе коагулировать или, если они уже до соударения представляли собой агломераты, действие может быть обратным — эти агломераты разрушатся. Характеристики потока взвеси определяются эффективным (с учетом коагуляции) спектром размеров частиц. Поскольку в реальных системах рассматривается только начало коагуляции, размер образовавшихся агломератов не будет существенно отличаться от первоначального размера частиц. Такая модель приемлема и для описания коагуляции капель жидкости. Если в системе сферических частиц диаметром расстояния между ними хаотически распределены, то одна из частиц, зафиксированная в пространстве, становится фокусом для коагуляции остальных частиц, при τ=0. Это приближение впервые было предложено Смолуховским [34] для определения скорости диффузии частиц на центр коагуляции Рисунок Схема к расчету коагуляции Уравнение нестационарной диффузии между агломерированными частицами имеет вид: C D C d 2 (5.41) где C – концентрация частиц коэффициент диффузии частиц – расстояние от центра коагуляции Для сферической симметричной системы, уравнение (5.41) можно записать: r C r r С D C d 2 или 2 В точке сталкновения с центральной частицей на расстоянии 2R от нее, концентрация частиц будет равна нулю, то есть C ꞌ=0 при r=2R для τ=0). Учитывая, что частицы равномерно распределены по объему, получим C ꞌ=C при Тогда уравнение (5.43) запишется 2 2 Количество частиц N, диффундирующих на расстоянии от центра коагуляции в единицу времени, определяется как произведение диффузионного потока , r C D J d (5.45) на сферическую поверхность радиусом где производная) определяется при Рисунок Изменение концентрации частиц во времени 2 r C D R N d (5.46) При r=2R из (5.44) определим 1 2 d D R R C r С (5.47) Тогда число частиц, скоагулировавших за время dτ, составит С учетом диффузии между частицами в интервале времени dτ, при условии, что в единице объема происходит C/2 столкновений Число столкновений за время dτ в единице объема, определим из уравнения 1 2 16 где C – число частиц в единице обьема. Запишем константу коагуляции K 0 : c c d kT RD K 3 8 16 и, пренебрегая вторым слагаемым в уравнении (5.49), получим стандартное уравнение коагуляции При интегрировании (5.51) при начальных условиях C=C 0 , и τ=0, получим 1 1 Выражение (5.52) показано в виде графической зависимости на рисунке согласно которой, величина, обратная концентрации частиц, описывается линейной зависимостью от времени. Наклон этой прямой характеризует константу коагуляции. Если за время τˈ концентрация частиц уменьшается в два раза, то 0 Зависимость) может быть использована для обработки экспериментальных данных по коагуляции Осаждение частиц на каплях при распылении жидкости Эффективность осаждения частиц на каплях жидкости (кинематическая коагуляция) зависит, прежде всего, от величины их относительной скорости движения υ. Кинематическая (гравитационная) коагуляция может протекать при свободном падении капель через неподвижный аэрозоль счетной концентрации. В этом случае число мелких частиц, захваченных одной каплей в с, можно определить по формуле c к v d n Q 2 Если капли осаждаются в движущемся потоке аэрозоля, скоростью которого пренебречь нельзя, тов формулу (5.54) следует ввести относительную скорость движения υ частиц относительно капли вместо скорости оседания v с Суммарный коэффициент захвата частиц сферической каплей η зависит от режима обтекания. Согласно расчетам Фукса эффективность улавливания определяется, в первую очередь, размером частиц. Так, частицы плотностью ρ = 2000кг/м 3 будут улавливаться в том случае, если их размер δ≥0,5 мкм. При этом для мелкодисперсных частиц (от 0,5 до 0,7 мкм) эффективность улавливания будет тем выше, чем крупнее капли. Это подтверждается только в случае малых относительных скоростей. Если же относительные скорости велики, как это имеет место при впрыскивании жидкости в поток газа, то эффективность коагуляции частиц растет с уменьшением размера капель. Это подтверждается выражением (если его привести к объему капли Захват частиц каплями зависит от нескольких причин. Здесь наряду с кинематической протекает и градиентная коагуляция. Важную роль в осаждении играет турбулентность потока. В мокрых пылеуловителях барботажного типа движение газа и капель жидкости может быть организовано по одной из трех схем противоточной, прямоточной или с перекрестным током [23, 25]. Проведем анализ процесса осаждения пыли на каплях жидкости в зависимости от схемы движения потоков и определим его эффективность. Рисунок 5.19 – Схема к расчету эффективности аппарата для движения: а – прямоток б – противоток в – перекрестный ток Выделим элемент пространства размером dldbdh (рисунок 5.19). Обозначим направление материальных потоков в зависимости от схемы движения. Во всех трех случаях на верхнюю грань (dldb) поступает поток капель, объемный расход которого, м 3 /с, dldb v V Ж (5.55) где ν – скорость движения капель – доля объема, занятого каплями. Запыленный поток газов в зависимости от схемы движения поступает на верхнюю, нижнюю или боковую грань (Если массовая концентрация пыли в газе на входе в элементарный объем равна С, кг/м 3 , то поток пыли на входе составит, кг/с: для прямоточной и противоточной схем для схемы с поперечным ходом газа C dbdh u g 1 (5.57) где u – скорость пыли, равная скорости газа. На выходе из элементарного объема газ будет содержать пыли (С – dC), кг/м 3 , а поток пыли составит соответственно, кг/с: dC C dldb u g 2 (5.58) для поперечного хода dC C dbdh u g 2 (5.58) Осаждение частиц пыли на каплях происходит с относительной скоростью В схеме с прямотоком эта скорость ω с противотоком ω =u–ν 1 , а в случае перекрестного движения в направлении потока газа: , u l 0 l v Согласно формуле (5.55) на одной капле диаметром d K при эффективности захвата t осаждается частиц массой 4 1 к d C (5.59) Всего в выделенном объеме находится капель 3 6 к d dldbdh (5.60) Таким образом, в результате захвата каплями поток частиц пыли 3 4 6 3 Запишем уравнение материального баланса элементарного объема 3 2 или для прямо- и противоточной схемы а для перекрестного тока После очевидных преобразований получим для первых двух схем, где 214 dh u d C dC K 2 а для перекрестного тока, где w=u при u=0, dl d C dC K 2 Введем показатель орошения газов m, мм, как отношение объемных расходов жидкости и газов для первых двух схем u v udldb vdldb V V m Г Ж (5.66) или u m а для схемы с поперечным ходом с учетом того, что u=v dh dl V V m Г Ж (5.67) или mdh dl Подставим полученные выражения в уравнения (5.64), (5.65): dh d v m C dC K 2 3 dh d m C dC K 2 После интегрирования по всей высоте зоны контакта пыли с каплями жидкости (высоте аппарата) выражение (5.68) можно записать в виде для схем с поточными противоточным движением и для схемы с поперечным движением потоков Анализ эффективности трех схем был проведен при следующих допущениях) капли распределены равномерно по объему) процесс изотермический, без фазовых переходов 215 3) частицы имеют скорость газа и улавливаются только каплями в результате столкновений при наличии относительной скорости. Реальный процесс улавливания пыли каплями жидкости значительно сложнее и не поддается полному учету. Поэтому эффективность аппарата определяют, как правило, с помощью эмпирических зависимостей. |