Повышение технологической эффективности аппаратов вихревого типа в системах газоочистки

На правах рукописи

Тарасова Людмила Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АППАРАТОВ ВИХРЕВОГО ТИПА В СИСТЕМАХ

ГАЗООЧИСТКИ

05.17.08 процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московском государственном

университете инженерной экологии» (МГУИЭ)

Научный консультант:		доктор технических наук, профессор Трошкин Олег Александрович
Официальные оппоненты:		доктор технических наук, профессор Лагуткин Михаил Георгиевич
		доктор технических наук, профессор Гудим Леонид Иванович доктор технических наук, профессор Горшенин Павел Александрович
Ведущая организация:	ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск)

Защита диссертации состоится 21 октября 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии, 105066, Москва, улица Старая Басманная, дом 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (ауд. Л207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии

Автореферат разослан «___» 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. С.А. Трифонов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Аппараты вихревого типа широко исполь-зуются в химических технологиях. Достаточно указать на такие распрост-раненные устройства как центрифуги, аппараты с мешалкой, циклоны, скрубберы центробежного действия, вихревые трубы, вихревые компрессоры и многие другие. Все эти аппараты объединяет общий принцип их функцио-нирование базируется на использовании центробежной силы. В научнотех-нической литературе, как правило, не рассматривается движение в пристенных зонах, которые обычно исключаются из анализа, и не выполняется условие прилипания, поскольку значение окружной скорости на стенке принимается отличных от нуля, не проанализированы условия потери устойчивости вихревого течения при наличии вязкого радиального потока. В настоящее время интенсивно развивается теория закрученных течений в связи со стремлением объяснить природу вихревого эффекта, которая остается до сих пор не выявленной. Поэтому работы в этом направлении представляют научный интерес.

Особенно перспективно применение аппаратов с закрученным движением фаз в системах газоочистки. В этой связи следует заметить, что инженерная защита окружающей среды базируется на хорошо развитых химических технологиях.

Необходимость и важность решения проблемы повышения эффектив-ности систем газоочистки, базирующихся на функциональных особенностях аппаратов с закрученным движением фаз определяют актуальность данного исследования.

Работа выполнена по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ Пр577 «Энергосберегающие технологии», «Системы жизнеобеспечения и защиты человека», Программе Красноярского краевого экологического фонда (19992001).

Объект исследования аппараты с закрученным движением фаз в системах газоочистки, в частности вихревые трубы низкого напора и водокольцевые компрессоры.

Предмет исследования гидродинамические и технологические процессы энергоразделения, очистки воздуха от пыли, его осушка в аппаратах вихревого типа.

Цель диссертационной работы изучение гидродинамики и повыше-ние технологической эффективности аппаратов с закрученным движением фаз, связанное с приданием им дополнительных функций и техникоэкономически оправданных методов выбора вихревых устройств в установках газоочистки.

Задачи исследований:

1. Проанализировать динамику закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата и оценить вклад отдельных составляющих в общее гидравлическое сопротивление аппарата с закрученным движением фаз с учетом его конструктивных особенностей.

2. Провести анализ газодинамической устойчивости закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата.

3. Определить термодинамические характеристики вихревой трубы низкого напора и установить влияние пылевлагосодержания входящего потока сжатого воздуха на эксплуатационные параметры аппарата;

4. Разработать методики расчета параметров выходных потоков вихре-вой трубы низкого напора.

5. Установить пылеудерживающую способность водокольцевых нагне-тателей.

6. Разработать комбинированные системы защиты атмосферы от загрязнений на базе вихревой трубы низкого напора и вихревого водокольцевого компрессора (ВВК).

7. Выработать критерии технико-экономической оценки эффективности системы защиты окружающей среды от загрязнений.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы аналитические и численные методы решения математических моделей, разработаны и изготовлены экспериментальные стенды, проведены натурные и модельные физические исследования.

Научная новизна.

1. Проведено аналитическое решение уравнений вихревого движения, осложненного радиальным течением вязкого потока. Рассматривался общий случай движения между двумя произвольными слоями вязкого несжимаемого газа при перемещении среды к оси вращения против действия центробежной силы. Полученные теоретические соотношения показали, что потенциальный вихрь формируется не сразу, как это обычно полагается, а при определенных значениях показателя интенсивности радиального потока, приближаясь к закону потенциального течения асимптотически. Теоретически установлено, что центральный вихрь квазитвердого вращения (вихрь Ренкина) возникает при условии уравновешивания центробежной силы созданным на периферии давлением и предложено соотношение для его вычисления в зависимости от режимных параметров.
2. Проведенный анализ течения в пристенной зоне вихревого аппарата позволил замкнуть решения и выполнить условия прилипания на неподвижной поверхности, которые не выполнялись в других исследованиях. При этом вводится прием уравновешивания касательного напряжения на границе пограничного слоя скоростным напором внешнего течения, что позволило вычислить толщину пристенной зоны.
3. Полученные теоретические соотношения позволяют провести анализ устойчивости закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата. Избран метод Релея и трансформированы известные соотношения к условиям конкретной задачи, которая была решена. Оказалось, что вихревой поток теряет устойчивость в узкой области на границе центрального и периферийного вихрей при малой интенсивности радиального течения. Вводится критерий потери устойчивости Ку= 2 и аналитически показано, что область потери устойчивости находится в зоне потенциального вихря.

4. Экспериментально показано, что исходное пылевлагосодержание сжа-того газа не оказывает влияния на термодинамическую эффективность вихре-вой трубы низкого напора (ВТНН), что подтверждено эксергетическим анализом.

5. Теоретически получены и подтверждены данными непосредственных измерений значения эксплуатационных характеристик вихревого водоколь-цевого компрессора, обеспечивающие предельные режимы работы машины при которых запирающая жидкость не попадает в воздушные окна.

6. Выработаны критерии оценки эффективности систем газоочистки, включающие как экономические, так и технологические факторы.

Практическая значимость заключается в том, что

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена применением основных уравнений механики жидкости и газа при разработке газодинамических моделей закрученного потока, а сами решения соот-ветствующих задач осуществлены классическими методами математического анализа.

Экспериментальная часть исследования базируется на общепринятых мето-диках с применением стандартных средств измерительной техники. Резуль-таты наблюдений автора хорошо согласуются с данными, имеющимися в технической литературе и результатами собственных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докла-дывались и обсуждались на Международной конференции и 5-ом между-народном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов (Москва, 2001г., МГУИЭ); научной конференции «Техника низких температур и экология» (Москва, 2002 г.); Международной конференции «Математические методы и технологии» (РостовнаДону, 2003 г.); Международной конферен-ции «Машиностроение и техносфера ХХI века» (Севастополь,2003 г.); Между-народном симпозиуме «Межрегиональные проблемы экологической безопас-ности» (Сумы, 2003 г.); Международной научнотехнической конференции «Насосы, проблемы и решения» (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции «Насосы, эффективность и экология» (Москва, КВЦ «Сокольника» 2005, 2006,2007, 2008 г.г.).

Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка, обоснование и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений. В совместных публикациях автору принадлежит до 80 % результатов исследований.

По теме диссертации опубликовано 53 печатных работы, из которых 4 учебных пособия, 28 статей в периодических изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложения. Содержание диссертационной работы изложено на 240 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 39 графиков, 5 таблиц и список использованных источников литературы, включающий 164 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, намечены объекты исследований и методы решения поставленных задач.

В первой главе анализируются имеющиеся в технической литературе данные по тематике диссертации, рассматриваются конструктивные осо-бенности аппаратов вихревого типа для очистки отходящих газов от вредных примесей, приводятся примеры газодинамических моделей закрученных течений. Особенно интенсивным изучение вихревых течений связано с попыт-ками объяснить эффект Ранка. Исследованиями в этом направлении занима-лись отечественные ученые Дубинский М.Г., Мартыновский В.С., Бородянс-кий В.И., Мартынов А.В., Меркулов А.П., Гольштик М. А., Суслов А.Д., Чижиков Ю.В., Азаров А.И., Пиралишвили Ш.А., Арбузов В.А., Алексеенко С.В., Леонтьев А.И. и многие другие. Отдельные фрагменты этих работ приводятся ниже. Теория концентрированных вихрей подробно рассмотрена в работах Алексеенко С.В., Кульбина П.А., Окулова В.Л. (2005). Пиралишвили Ш.А. (1990) считает, что перераспределение энергии происходит в результате совершения турбулентными молями микрохолодильных циклов при их радиальном перемещении в поле с высоким градиентом давления. Арбузов В.А. и др. (1997) наблюдали крупномасштабные гидродинамические структуры. По мнению авторов, в настоящее время имеются достаточные основания для предположения о принципиальной роли крупномасштабных вихревых структур в эффекте Ранка. Чижиков Ю.В. (1998) замечает, что при отсутствии точных решений уравнения движения в камере разделения в некоторых случаях результата можно добиться методом анализа размерностей. Гусев А.П. (2004) полагает, что в рабочей камере возникают продольные и поперечные ударные волны, при этом турбулентность рассматривается как некий наложенный микропроцесс. По мнению Азарова А.И., Пиралишвили Ш.А. (2005) семидесятилетний спор о физической природе эффекта Ранка не завершен. Наиболее проработанной на данный момент является гипотеза взаимодействия вихрей.

Таким образом, единая точка зрения исследователей заключается в том, что отсутствует общая теория вихревого эффекта, существуют различные гипотезы, происходит накопление теоретического и экспериментального мате-риала. В результате, в основе известных методов расчета лежат эмпирические соотношения.

Вторая глава посвящена гидродинамике аппаратов с закрученным дви-жением фаз. В первом приближении рассмотрено вращательное движение газа при наличии равномерно распределенного радиального потока, направленного к оси вращения. Ограничимся случаем, когда газ движется с дозвуковой ско-ростью при числе Маха М

Для решения задачи использована абсолютная цилиндрическая система координат r, , z. Рассмотрено установившееся течение вязкого несжимаемо-го газа между двумя цилиндрическими поверхностями R1, R2, (R1 > R2), вра-щающихся соответственно с угловыми скоростями 1, 2. Торцевые крышки удалены в бесконечность и не оказывают влияние на общую картину течения. Без учета сил тяжести уравнения данного осесимметричного движения газа в цилиндрической системе координат предстанут как

. (1)

Значение vr может быть вычислено из уравнения расхода, удовлетворя-ющее уравнению неразрывности. Оценим интенсивность радиального течения как . В итоге второе уравнение системы (1) запишется в виде

, (2)

Решение уравнения (2) имеет вид

. (3)

Постоянные интегрирования определим из условия: r = R1, v = 1 R1 ;

r = R2, v = 2 R2. Из уравнения (3) с учетом граничных условий для тангенциальной компоненты скорости получена формула

. (4)

При отсутствии радиального перемещения жидкости, когда рассмат-ривается движение текучей среды между двумя непроницаемыми цилиндрами, k = 0 и соотношение (4) трансформируется в выражение, полученное ранее Таргом С.М. и хорошо известное из технической литературы.

Результаты вычислений показывают, при движении газа к центру под действием градиента давления, характерному для потока в циклонах и вихревых трубах скорость его вращения повышается. На рис.1 графически представлены результаты вычислений величины v при различных значениях k для случая, когда проницаемые цилиндрические поверхности вращаются с одинаковой угловой скоростью 1=2. Полученные данные свидетельствуют о том, что с увеличением значения k течение асимптотически приближается к потенциальному. Таким образом, потенциальный вихрь форми-руется не сразу, а при условии, что k >>2, при этом течение становится автомодельным.

v/r 3 3 2 2 1 1 1,5 2 r/R2 Рис.1 Распределение окружной скорости в кольцевом зазоре, образованном вра- щающимися цилиндрами с пронизае- мыми стенками при 1 = = 2 = ; R1/R2 =2; 1 k=1, 2 k=10, 3 k=100

Перейдем к определению давления, которое нужно создать у внешней проницаемой цилиндрической повер-хности для того, чтобы преодолеть центробежную силу вращения. Задача вычисления давления в общем виде решается интегрированием первого уравнения исходной системы (1) при известных значениях vr, v. В случае вращения потока как квазитвердого тела (5) Течение жидкости к оси закрутки возможно, очевидно, если у перифе-рии давление Р > Ро. Учитывая слож-ный характер зависимости (4) прямое интегрирование первого уравнения системы (1) приводит к весьма гро-моздким результатам и поэтому не