Dissert-UsmanovaПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТКИ ГИДРОДИНАМИК. Исследование влияния основных факторов на гидравлическое сопротивление аппарата Исследование влияния жидкой фазы Исследование влияния вращения ротора Выбор оптимального

• Название: Исследование влияния основных факторов на гидравлическое сопротивление аппарата Исследование влияния жидкой фазы Исследование влияния вращения ротора Выбор оптимального
• Дата: 21.10.2022
• Размер: 5.14 Mb.
• Имя файла: Dissert-UsmanovaПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТКИ ГИДРОДИНАМИК.pdf
• Тип: Исследование; #746286
• страница: 8 из 22

2.5 Определение критической траектории частицы
При анализе результатов движения частиц в газопромывателе необходимо установить, будет ли частица вынесена газовым потоком в выхлопную трубу, либо под влиянием сил инерции переместится к стенкам аппарата и отсепарируется.
Определить исход движения частицы при одинаковой конфигурации газопромывателей (те. при постоянных функциях и U
r
), можно в зависимости от критериев подобия Си С
г
.
Влияние критериев подобия на эффективность очистки газа оценивалось посредством численного эксперимента для двух геометрически подобных газопромывателей (рисунки 2.32, 2.33), в результате которого устанавливались соотношения между Си С
г
, определяющие сепарацию частиц на стенках аппарата. В результате изменения значения С методом последовательных приближений, определялось некоторое критическое значение С
г
, разделяющее результаты эксперимента на сепарация при С С
кp и вторичный унос при
С
p
≥ С
кp
. Каждому значению технологического параметра С соответствует свой геометрический параметр С
г,
при превышении которого возникает вторичный унос пыли.
Рисунок 2.32 – Газопромыватель
Патент № Рисунок 2.33 – Газопромыватель
Патент № На рисунках 2.34, 2.35 представлены траектории частиц в газопромывателях при различных значениях Си фиксированном С
г

Рисунок 2.34 – Критическая траектория к аппарату рисунок Рисунок 2.35 – Критическая траектория к аппарату рисунок Достоверность регрессионной модели близка к единице, что позволяет говорить о хорошем приближении эмпирической формулой исследуемой зависимости С
р
≈f(С
г
). Точнее всего эта зависимость описывается степенной функцией, что представлено на рисунках 2.34, 2.35, где линия регрессии,
описывается формулами и y=0,520x
0.618
. Аналогичные результаты были получены для геометрически подобных аппаратов других авторов, при этом установлено, что вне зависимости от исходных параметров, показатель степени у С
г близок к 0,6 при идентичной конфигурации графика.
Построенная кривая С
р
≈f(С
г
) делит область сепарации на две зоны:
ниже графика расположены точки,
характеризующиеся величиной вторичного уноса частица выше расположена зона полной сепарации пыли.
Критическая траектория частиц, соответствующая значению
С
р
=С
кр разделяет все траектории на две части ближе соси аппарата расположены траектории более легких частиц, ближе к стенкам камеры – более тяжелых.
При этом С
кр можно характеризовать, как критическую траекторию частицы,
разграничивающую процессы сепарации и вторичного уноса. Численный эксперимент проводился для самого неблагоприятного случая первоначального расположения частиц заданного диаметра во входном патрубке, что позволяет прогнозировать улавливание частицы более крупного размера. Частицы, движущиеся по критической траектории, имеют критический диаметр, который возможен для проведения процесса сепарации в газопромывателе с вероятностью 100%.

Результат сепарации частиц характеризуется двумя безразмерными критериями подобия С
р и С
г.
При каждом значении С
р существует критическое значение С
гкр
, при превышении которого, частицы пыли сносятся в выхлопную трубу. В случае же, если С
р
<С
гкр
, то частицы успевают осесть на стенках газопромывателя. Зависимость С
р
≈f(С
г
)
, делящая результат процесса сепарации и вторичного уноса, аппроксимируется степенной функцией
С
р
≈ Φ·С
г
0,6
(2.32)
Формула (2.38) дает качественно верное представление о характере влияния основных факторов на процесс центробежной сепарации.
Физические параметры газодисперсной фазы г, ч, ч, режим эксплуатации
(расходы
G,
Q) и характерный размер лопастного завихрителя
(R
z.
)
характеризует критерий С
р,
относительная площадь входа
f
m
и угол тангенциального ввода потока в аппарат
α
входят в критерий
С
г
,
геометрические параметры аппарата, определяющие его форму и начальные условия движения частиц, определяет безразмерный коэффициент
Φ,
который является критерием геометрического подобия газопромывателей
(фактором сепарации. Для определения величины Φ были спланированы и проведены численные полнофакторные эксперименты позволившие выявить зависимость Фот входной скорости газодисперсного потока (z
1
), угла наклона лопастей завихрителя (z
2
), расхода орошающей жидкости (z
3
), а также координаты ввода дисперсных частиц (z
4
). Искомая зависимость хорошо описывается полиномом второй степени 4
44 2
3 33 2
2 22 2
1 11 4
3 34 4
2 24 3
2 23 4
1 14 3
1 13 2
1 2
1 4
4 3
3 2
2 1
1 0
z
b
z
b
z
b
z
b
z
z
b
z
z
b
z
z
b
z
z
b
z
z
b
z
z
b
z
b
z
b
z
b
z
b
b

















(2.33)

Для расчета фракционной эффективности пылеулавливания в газопромывателе составлена математическая модель переноса массы твердой из газовой в жидкую в зоне движения вращающегося слоя капель. При составлении модели учитывалось, что пылеулавливание в аппарате происходит как за счет центробежной сепарации в закрученном потоке, таки путем их инерционного осаждения на каплях. Причем для мелких частиц (δ≤5 мкм) это является основным механизмом осаждения.
Рисунок 2.36 – Расчетная схема к определению концентрации частиц
В предположении, что газовый поток движется через капельный слой в режиме идеального вытеснения, а изменение количества твердой фазы в газовом потоке обусловлено лишь инерционным захватом частиц пыли каплями жидкости, получена зависимость для определения выходной концентрации частиц:


b
B
C
C
XH
XK




exp
Эффективность пылеуловителя определяется как доля частиц, уносимых с жидкостью, от полного объёма пыли, поступившей с газом:


хн
ж
ун
yk
Г
u
C
G
C
C
L








(2.34)
Тогда эффективность инерционного осаждения 1
2 1
1 где 2
2 1
1 2
sin
1 1
4 3
R
m
t
t
d
m
G
L
T
k
K
k
ж
г












93
Иинерционный захват частиц каплями орошающей жидкости одновременно сих центробежной сепарацией моделировался с учетом фиктивного увеличения пути движения частицы во вращающемся капельном слое, определяемого параметром 2
1
x
U
U




(2.36)


dt
e
t
m
m
T
y








1 1
2 1
1 Установлено, что на эффективность процесса инерционной сепарации не влияет входная концентрация частиц в газовой фазе. Менее очевидно проявляется независимость эффективности газоочистки от толщины капельного слоя, что объясняется влиянием на количество отсепарированной дисперсной фазы расхода жидкости, размера капель и скорости их движения.
В реальных условиях для полидисперсного состава частиц в газовом потоке эффективность пылеулавливания может определяться по правилу сложения всех воздействующих на сепарацию факторов.
Степень очистки газа, определенная экспериментальным путем,
сопоставлялась с результатами, полученными по предложенной модели и с эффективностью согласно универсальной методике расчета.
По универсальному методу, согласно которому определение эффективности газоочистки сводится к определению эффективного диаметра частиц эф, полностью улавливаемых аппаратом. С учетом принятых ранее соотношений (2.25) получено выражение для определения эффективного диаметра частиц эф ч г эф





R
G
G
R
d
z
(2.38)
Вероятность сепарации частиц заданного дисперсного состава выражается величиной коэффициента очистки η. Характеристики дисперсного состава пыли талька представлены на графике (рисунок 2.37). Эффективность очистки

с учетом содержания частиц диаметром d≤ d эф
(N
эф
) определяется по формуле (эф) Рисунок 2.37 – Содержание частиц диаметром d≤ d
эф
Важно отметить, что эффективный диаметр частиц значительно меньше их медианного диаметра, обычно вводимого в расчет, что и обуславливает неточность известных зависимостей. Введение эффективного диаметра частиц позволило значительно сблизить экспериментальные и расчетные данные.
Результаты верификации представлены на графиках (рисунки 2.38, Рисунок 2.38 – Верификация универсальной модели, предложенной методики и эксперимента (по крутке потока)
Рисунок 2.39 – Верификация универсальной модели, предложенной методики и эксперимента (по скорости газа)
Максимальное отклонение не превышает 12%, что подтверждает возможность применения предлагаемых зависимостей для расчета динамического газопромывателя. Очевидно, что несмотря на принятые допущения, предложенные модели достаточно адекватно описывают поведении частиц в закрученном потоке и позволяют определить основные факторы процесса сепарации.
Сравнительный анализ представлен на рисунках 2.40, с учетом содержания частиц диаметром d≤ d эф
(N
эф
) определяется по формуле (эф) Рисунок 2.37 – Содержание частиц диаметром d≤ d
эф
Важно отметить, что эффективный диаметр частиц значительно меньше их медианного диаметра, обычно вводимого в расчет, что и обуславливает неточность известных зависимостей. Введение эффективного диаметра частиц позволило значительно сблизить экспериментальные и расчетные данные.
Результаты верификации представлены на графиках (рисунки 2.38, Рисунок 2.38 – Верификация универсальной модели, предложенной методики и эксперимента (по крутке потока)
Рисунок 2.39 – Верификация универсальной модели, предложенной методики и эксперимента (по скорости газа)
Максимальное отклонение не превышает 12%, что подтверждает возможность применения предлагаемых зависимостей для расчета динамического газопромывателя. Очевидно, что несмотря на принятые допущения, предложенные модели достаточно адекватно описывают поведении частиц в закрученном потоке и позволяют определить основные факторы процесса сепарации.
Сравнительный анализ представлен на рисунках 2.40, с учетом содержания частиц диаметром d≤ d эф
(N
эф
) определяется по формуле (эф) Рисунок 2.37 – Содержание частиц диаметром d≤ d
эф
Важно отметить, что эффективный диаметр частиц значительно меньше их медианного диаметра, обычно вводимого в расчет, что и обуславливает неточность известных зависимостей. Введение эффективного диаметра частиц позволило значительно сблизить экспериментальные и расчетные данные.
Результаты верификации представлены на графиках (рисунки 2.38, Рисунок 2.38 – Верификация универсальной модели, предложенной методики и эксперимента (по крутке потока)
Рисунок 2.39 – Верификация универсальной модели, предложенной методики и эксперимента (по скорости газа)
Максимальное отклонение не превышает 12%, что подтверждает возможность применения предлагаемых зависимостей для расчета динамического газопромывателя. Очевидно, что несмотря на принятые допущения, предложенные модели достаточно адекватно описывают поведении частиц в закрученном потоке и позволяют определить основные факторы процесса сепарации.
Сравнительный анализ представлен на рисунках 2.40, 2.41.

Рисунок 2.40 – Корреляция η, рассчитанной по универсальному методу и экспериментальной
Рисунок 2.41 – Корреляция η, рассчитанной по методике (2.43) и экспериментальной Оптимизация процесса сепарации
Параметром оптимизации, те. в качестве целевой функции (y) был принят фактор сепарации Φ , определяемый входной скоростью газодисперсного потока, углом наклона лопастей завихрителя (z
2
), расходом орошающей жидкости, а также координатами ввода дисперсных частиц
(z
4
).
Изменение оптимизируемого параметра хорошо описывается полиномом второй степени 4
44 2
3 33 2
2 22 2
1 11 4
3 34 4
2 24 3
2 23 4
1 14 3
1 13 2
1 2
1 4
4 3
3 2
2 1
1 Для определения величины убыли спланированы и проведены численные полнофакторные эксперименты. С целью получения уравнения регрессии применен ортогональный план второго порядка [64] с варьированием каждого фактора на нескольких уровнях (таблица Для расчета коэффициентов уравнения (2.39) была составлена расчетная программа. Блок-схема программы показана на рисунке Переход от натуральных переменных z к безразмерным х производился по формуле:
,
0
j
j
j
j
z
z
z
x



Таблица 2.1 - Параметр плана экспериментов z
1
(м/с)
z
2
(
0
)
z
3
(м
3
/с)
z
4
(м)
Основной уровень, Z
j
0 30 40 Интервал варьированья,
Z
j
5 10 где z
1
, z
2
, z
3,
z
4
– реальные параметры, соответствующие безразмерным параметрам х, х, х
3,
х
4
.

96
Z
j
0
– основной уровень max
0
j
j
j
z
z
Z


Z
j
– интервал варьирования Рисунок 2.42 – Блок-схема программы расчета коэффициентов для определения фактора сепарации

Данные таблицы 2.1 были использованы при проведении математико- статистических исследований, также была составлена матрица планирования эксперимента (таблица 2.2). Количество опытов принималось равным Дисперсия воспроизводимости с числом степеней свободы определялась по дополнительным
οпытам в центре плана 4
0 3
0 2
0 1




y
y
y
y
67
,
1 3
)
(
;
5
,
57 4
0 0
4 2
2
воспр
0 4
1 Коэффициенты уравнения регрессии и их ошибки были рассчитаны по формулам 1
1
∑
∑
ji
N
i
i
ji
N
i
j
x
y
x
b



2 1
2
воспр
2
∑
ij
N
i
bj
x
S
S


Значимость коэффициентов регрессии была проверена по t–критерию
Стьюдента:
,
bj
j
j
S
b
t

(2.40)
где b
j
– коэффициент в уравнении регрессии среднеквадратичное отклонение – критерий Стьюдента при уровне значимости р = 0,05 и числе степеней свободы f = 3 был равен t
p
(f) = В результате исключения незначимых коэффициентов, для которых критерий
Стьюдента ниже табулированного,
было получено уравнение регрессии в безразмерном вид 6
,
1 37
,
1 99
,
3 7
,
2 04
,
3 24
,
7 34
,
9 292
,
55 48
,
1
)
7
,
0
(
6
,
1
)
7
,
0
(
37
,
1
)
7
,
0
(
99
,
3
)
7
,
0
(
7
,
2 04
,
3 24
,
7 34
,
9 53
,
48 3
2 2
4 2
3 2
2 2
1 3
2 1
3 2
2 4
2 3
2 2
2 1
3 2
1
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
x
x
y
























(2.41)

Таблица Матрица планирования эксперимента 1
x
1 2
x
1 3
x
1 4
x
х
1
х
2
х
1
х
3
х
1
х
4
х
2
х
3
х
2
х
4
х
3
х
4
Y
1
+1
+1
+1
+1
+1 0,2 0,2 0,2 0,2 +1 +1 +1
+1
+1 +1 53 2
+1
-1
-1
+1
+1 0,2 0,2 0,2 0,2 +1
-1
-1
-1
-1
+1 47 3
+1
+1
-1
-1
+1 0,2 0,2 0,2 0,2
-1
-1
+1
+1
-1
-1 73 4
+1
-1
+1
-1
+1 0,2 0,2 0,2 0,2
-1
+1
-1
-1
+1
-1 43 5
+1
+1
-1
+1
-1 0,2 0,2 0,2 0,2
-1
+1
-1
+1
+1
-1 64 6
+1
-1
+1
+1
-1 0,2 0,2 0,2 0,2
-1
-1
+1
-1
-1
-1 38 7
+1
+1
+1
-1
-1 0,2 0,2 0,2 0,2 +1
-1
-1
+1
-1
+1 54 8
+1
-1
-1
-1
-1 0,2 0,2 0,2 0,2 +1 +1 +1
-1
+1 +1 56 9
+1
+1
-1
+1
+1 0,2 0,2 0,2 0,2
-1
+1 +1
+1
-1
+1 66 10
+1
-1
+1
+1
+1 0,2 0,2 0,2 0,2
-1
-1
-1
-1
+1 +1 39 11
+1
+1
+1
-1
+1 0,2 0,2 0,2 0,2 +1
-1
+1
+1
+1
-1 55 12
+1
-1
-1
-1
+1 0,2 0,2 0,2 0,2 +1 +1
-1
+1
-1
-1 58 13
+1
+1
+1
+1
-1 0,2 0,2 0,2 0,2 +1 +1
-1
+1
-1
-1 52 14
+1
-1
-1
+1
-1 0,2 0,2 0,2 0,2 +1
-1
+1
-1
+1
-1 46 15
+1
+1
-1
-1
-1 0,2 0,2 0,2 0,2
-1
-1
-1
+1
+1 +1 72 16
+1
-1
+1
-1
-1 0,2 0,2 0,2 0,2
-1
+1 +1
-1
-1
+1 42 17
+1 0
0 0
0
-0,8 -0,8 -0,8 -0,8 0
0 0
0 0
0 58 18
+1
+1,414 0
0 0
1,2 -0,8 -0,8 -0,8 0
0 0
0 0
0 69 19
+1
-
1,414 0
0 0
1,2 -0,8 -0,8 -0,8 0
0 0
0 0
0 50 20
+1 0
+
1,414 0
0
-0,8 1,2 -0,8 -0,8 0
0 0
0 0
0 40 21
+1 0
-
1,414 0
0
-0,8 1,2 -0,8 -0,8 0
0 0
0 0
0 52 22
+1 0
0
+
1,414 0
-0,8 -0,8 1,2 -0,8 0
0 0
0 0
0 50 23
+1 0
0
-
1,414 0
-0,8 -0,8 1,2 -0,8 0
0 0
0 0
0 55 24
+1 0
0 0
+
1,414
-0,8 -0,8 -0,8 1,2 0
0 0
0 0
0 60 25
+1 0
0 0
-
1,414
-0,8 -0,8 -0,8 1,2 0
0 0
0 0
0 57

В натуральном масштабе уравнение (2.41) примет вид 49200 15
,
2 038
,
0 492
,
0 1631 87
,
6 85
,
2 23
,
19 28
,
67 3
2 2
4 2
3 2
2 2
1 4
3 Для проверки адекватности полученного уравнения были определены остаточная дисперсия и F - критерий Фишерa :
58
,
7 9
25 3
,
121
)
(
2 ост 67
,
1 58
,
7 2
воспр
2
ост



S
S
F
Рисунок 2.43 – Зависимость фактора сепарации Φ от координаты ввода дисперсных частиц и удельного орошения
Рисунок 2.44 – Зависимость фактора сепарации Φ от скорости газодисперсного потока и наклона лопастей завихрителя
Полученное значение критерия Фишера, равное 8,95 при уровне значимости ρ = 0,05 и степенях свободы f
1
=15 и f
2
=3, свидетельствует о его адекватности при описании реального процесса (Fp
(f
1
, f
2
)). Уравнение (позволяет рассчитать безразмерный фактор Φ и прогнозировать эффективность процесса сепарации

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2
1. Был разработан алгоритм моделирования процесса сепарации дисперсной фазы в газовом потоке с орошением жидкостью в программном комплексе Ansys
CFX, позволивший исследовать характер взаимосвязи основных аэрогидродинамических показателей от конструктивных параметров газопромывателя. Разработана аналитическая модель течения газодисперсной среды, позволяющая рассчитать распределения всех компонент скорости U'
φ
, ха также функции тока ψ (r, z) и построить характерную гидродинамическую картину течения. Установлено, что условием, необходимым для возникновения обратных токов, является не сама закрутка, а падение крутки. От интенсивности и характера падения крутки зависит интенсивность и характер обратных токов. Этот вывод необходимо учитывать в практике и соответствующим образом организовывать гидродинамику потоков в аппарате.
2.
В результате численного эксперимента получено распределение составляющих скорости потока по сечению газопромывателя. Входе эксперимента подтверждена автомодельность газового потока при различных расходах газа и числах Рейнольдса Re = (1,5÷6,0) ∙10 4
. Установлено, что профили скоростей мало зависят от расхода жидкой фазы. Определены оптимальные соотношения между геометрическими размерами газопромывателя, установлено, что, в зависимости от дисперсности газовой фазы, в рабочей зоне аппарата могут возникать принципиально отличающиеся друг от друга режимы течения.
Качественная картина, полученная теоретически, хорошо согласуется с классической картиной, выявленной экспериментальными исследованиями других авторов, что подтверждает корректность положенной в основу исследований физической гипотезы. Проведена комплексная оценка эффективности процесса газоочистки, в основе которой лежит универсальный детерменированный подход, дающий полное представление о поведении частиц в закрученном потоке и определяющий основные закономерности процесса сепарации. Установлена

однозначность влияния на вторичный унос пыли критериев геометрического подобия С
г,
и С
р