автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование эффективности пылеулавливания и массоотдачи в роторном аппарате с внутренней циркуляцией жидкости

На правах рукописи

ПЛОТНИКОВ КОНСТАНТИН БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ И МАССООТДАЧИ В РОТОРНОМ АППАРАТЕ С ВНУТРЕННЕЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ЖИДКОСТИ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАР 2015

005559712 Кемерово -2014

005559712

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Сорокопуд Александр Филиппович

Официальные оппоненты: Федоренко Борис Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», профессор кафедры «Технологические машины и оборудование»

Максимов Сергей Александрович,

кандидат технических наук,

коммерческий директор ООО «Кузнецкая топливная компания»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

научное учреждение «Сибирский научно-исследовательский и технологический институт переработки сельскохозяйственной продукции» (ФГБНУ СибНИТИП), Новосибирская обл., Новосибирский район, р.п. Краспообск.

Защита состоится «27» марта 2015 года в 10ой часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8 (3842) 39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp,ru).

С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан «/J>» PJL 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Попова Дина Геннадьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Очистка промышленных газов от пылей - актуальная проблема, как с экономической, так и с экологической точки зрения, так как теряется за частую готовый продукт, выбросы которого в атмосферу ухудшают санитарно - гигиеническое состояние территории предприятия, и могут наносить вред окружающей среде.

Заключительной стадией производства многих пищевых продуктов является сушка, т. е. окончательное концентрирование полуфабриката. Количество частиц уносимых с отработанными газами после сушилок размерами менее 3 мкм составляет 7-12%. В качестве первой ступени очистки сушильных газов на предприятиях используются батареи циклонов, которые улавливают частицы размерами 5-10 мкм с эффективностью 90-95% и вследствие этого количество мелкой фракции после очистки увеличивается до 20-35% по массе. В результате вышесказанного представляет интерес изучение процесса улавливания частиц пыли размером менее 3 мкм на второй ступени очистки газов, где чаще используются мокрые пылеуловители.

Данная работа направлена на исследование основных рабочих характеристик роторного аппарата (РА) с внутренней циркуляцией жидкости и поиск рациональных параметров для проведения процесса газо - пылеочистки.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП «Совершенствование аппаратурного оформления процессов пищевых производств» (№ гос. регистрации 01201362735).

Степень разработанности темы исследования. Известно большое разнообразие аппаратов мокрой очистки газов. Существенный вклад в теорию, технологию, разработку процессов мокрой пыле-газоочистки внесли отечественные ученые: А.Ю. Вальдберг, B.C. Ужов, H.A. Николаев, Б.Г. Холин, Г.Х. Гумерова, В.В. Варваров, Е.А. Сугак, А.Ф. Сорокопуд и другие. Наиболее перспективными являются аппараты с внутренней циркуляцией жидкости и самоорошением рабочего пространства, так как они обладают высокой эффективностью пылеулавливания, небольшим гидравлическим сопротивлением, минимальным расходом рабочей жидкости. Однако, данные аппараты недостаточно изучены с точки зрения аэродинамики, удельных энергозатрат, эффективности пылеулавливания особенно частиц пыли со среднемедиагашм диаметром менее 1,5 мкм.

Цель работы - снижение промышленных пылегазовых выбросов в атмосферу путем использования роторных аппаратов с внутренней циркуляцией жидкости.

Задачи работы:

1. На основе анализа конструкций роторных аппаратов с внутренней циркуляцией жидкости определить их перспективность для осуществления пыле — газоочистки выбросов предприятий пищевой промышленности;

2. Исследовать аэродинамические и энергетические характеристики роторного аппарата;

3. Установить закономерности процесса пылеулавливания и массоот-дачи ъ газовой фазе;

4. Разработать методику расчета исследуемого роторного аппарата, рекомендации по его совершенствованию и промышленному использованию.

Научная новизна:

1. Показано, что эффективная пылеочистка в аппарате снижается по мере возрастания вязкости рабочей жидкости. Получены экспериментально -статистические модели, определяющие эффективность пылеочистки, в том числе в условиях длительного самоорошения;

2. Установлена зависимость аэродинамических сопротивлений и относительного брызгоуноса в роторном аппарате без крыльчатки от основных параметров. Получены экспериментально - статистические модели пригодные для расчетной практики;

3. Получена экспериментально - статистическая модель описывающая зависимость коэффициента массоотдачи в газовой фазе от конструктивных и режимных параметров работы роторного аппарата;

4. Показано, что энергозатраты на работу роторного аппарата с BiryT-ренней циркуляцией жидкости на 85-95% определяются затратами энергии на преодоление его аэродинамического сопротивления.

Практическая значимость:

1. Разработаны рекомендации и методика расчета роторного аппарата с внутренней циркуляцией жидкости, предложены рекомендации по его промышленному использованию;

2. Подана заявка на конструкцию распылителя для роторного аппарата с внутренней циркуляцией жидкости (вход. №071506, per. №2013146141, от 17.10.13);

3. Методика расчета и результаты исследования используются в учебном процессе в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности при выполнении выпускных квалификационных работ и учебно — исследовательской работе студентов и магистрантов (направление 151000) по специальности 260601.65 «Машины и аппараты пищевых производств».

Методология и методы исследования. Работа выполнена с применением патентно - информационного анализа проблемы, методов математического планирования эксперимента, статистической обработки опытных данных, экспериментальных методов, лабораторных измерений.

Положения, выносимые на защиту:

Результаты исследования аэродинамических сопротивлений, брызгоуноса, энергозатрат, эффективности пылеочистки и массоотдачи в РА.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением многократно апробированных экспериментальных методик и метрологическими характеристиками используемых измерительных приборов, а так же согласием измеряемых величин различными методами и воспроизводимостью результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись: на Международной конференции «Пищевые продукты и здоровье человека» (г.

Кемерово, 2012);на Международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнолопга» (г. Кемерово, 2013);на VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2013);на II Международной научно-практической конференции «Производство и переработка сельскохозяйственной продукции: менеджмент качества и безопасности» (г. Воронеж, 2013);на X Международной научно-практической конференции «Научные достижения на рубеже веков- 2014» (г. Прага, 2014); на научных семинарах кафедры МАПП КемТИПП (г. Кемерово, 2011- 2014 г.).

Публикации. Основное содержание отражено в 10 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК - 3, материалах трудов конференций и семинаров — 7, 1-ом положительном решении о выдаче патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, введения и выводов. Работа содержит 125 страниц текста, в том числе 32 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен патентно-аналитический обзор способов пыле-газоочистки и их аппаратурное оформление, приведены качественные и количественные оценки пылеулавливающих устройств мокрого типа с внутренней циркуляцией и самоорошением рабочего пространства.

Анализ литературных данных показал, что эффективность аппаратов мокрого типа достигает 99% при улавливании различных пылей. Поэтому для выбора определенной конструкции необходимо учитывать комплекс технико-экономических характеристик. Учитывая, что эти характеристики близки интерес вызывает снижение затрат энергии на работу и определение рациональны параметров при улавливании соответствующих пылей. Показана перспективность РА для улавливания растворимых и нерастворимых пылей.

Рассмотрены и обсуждены характерные особенности брызгоуноса и пути его снижения в аппаратах роторного типа с внутренней циркуляцией жидкости. Показано, что полное аэродинамическое сопротивление состоит из сопротивлений орошаемого аппарата и факела распыла, рассмотрено влияние различных факторов на аэродшшмическое сопротивление орошаемого аппарата. Рассмотрены затраты энергии в аппаратах с внутренней циркуляцией жидкости.

Анализ результатов исследования характеристик аппаратов близкой к РА конструкции, показал, что эффективность пылеочистки достигает 99% для частиц размером >1,3 мкм, при невысоких удельных энергозатратах.

Рассмотрена эффективность массоотдачи в газовой фазе на стадиях образования поверхности контакта фаз РА основываясь на результатах работ М.М. Авруцкого, И.М. Анютина, А.Ф. Сорокопуда и др.

В заключение главы сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию техники экспериментов и методам исследования. Основным элементом экспериментальной установки является РА рисунок 1. Основные геометрические характеристики: внутренний диаметр корпуса РА — 0,25 м; диаметр распылителя - 0,075 м; расстояние от центра верхнего ряда отверстий до сепаратора -3 составляло 45-10"3 м (в отличие от пат. № 229610 в исследуемой конструкции отсутствует крыльчатка - сепаратор). Пристенный каплеотбойник представляет собой набор вертикально установленных пластин на высоту факела распыла. Пластины установлены под углом 15-20° к касательной, проведенной к окружности распылителя, с шагом в 2 раза большим их ширины. В результате этого капли факела распыла (первичные) касательно ударяются о поверхность пластин и их энергия затрачивается в основном на скольжение капель по пластинкам и перемешивание пленки жидкости на них, а не на дробление на мелкие (вторичные) капли, как при прямом ударе. Материал деталей РА соприкасающихся с исследуемыми системами -12Х18Н10Т.

РА работает следующим образом. Очищаемый газ вводится в аппарат по патрубку (на рисунке 1 не показан), установленному тангенциально к корпусу -5. Отразившись от слоя жидкости находящейся в нижней части аппарата и сохраняя закрученное движение, газ движется вверх, соприкасается с пленкой рабочей жидкости, стекающей по корпусу - 5.

Основной контакт между очищаемым газом и жидкостью осуществляется в зоне диспергирования жидкости через распыливающие отверстия. Здесь газ движется вслед за струями и каплями, образованными при диспергировании рабочей жидкости распылителем.

Газ контактирует с каплями, струями жидкости в факеле, пленкой жидкости на поверхности пластин пристенного каплеотбойника и внутренней поверхности корпуса. Пройдя факел распыла газ с помощью сепаратора -3 освобождается от капель рабочей жидкости и далее выводится из аппарата по касательно установленному к корпусу патрубку - 12. Таким образом, газ и жидкость в факеле распыленной жидкости движутся в условиях близких к прямотоку. Газ попадает в зону разряжения, создаваемую движущимися в том же направлении струями и каплями жидкости.

Рабочая жидкость заливается в аппарат через патрубок - 10, необходимый ее уровень поддерживается с помощью патрубка - 13. Жидкость захватывается лопатками заборного устройства (ЗУ) - 8 с помощью транспортирующего цилиндра (ТЦ) - 7 поднимается к распыливающим отверстиям диспергирующего устройства (ДУ) - 14 и за счет центробежной силы диспергируется на струи и капли, образуя факел распыла. Отразившись от пластин каплеотбойника- 4, рабочая жидкость в виде пленки стекает по внутренней поверхности корпуса - 5 в бункер, откуда вновь подается на диспергирование. Подпитка жидкости до заданного уровня компенсирует потери на испарение, брызгоунос и т. п. Для предотвращения образования воронки в бункере предусмотрен успокоитель - 17 представляющий собойЗ вертикально установленные пластины, расположенные под углом 120°.

XL

| ши

Рисунок 1 - Роторный аппарат: 1 - вал; 2 - опора подшипниковая; 3 - сепаратор; 4 - пристенный каплеотбойник; 5 - корпус; 6 - крышка; 7 - ТЦ;8 ЗУ;9 - днище; 10 — патрубок подачи рабочей жидкости; 11 - патрубок отвода шлама;

12 - патрубок вывода очищенного газа:

13 - патрубок отвода излишек рабочей

жидкости; 14 — ДУ; 15 — электродвигатель постоянного тока; 16 - клиноременная передача; 17 - успокоитель

Для определения эффективности пылеочистки в РА, исследуемые модельные продукты подвергались измельчению. Средне - медианный размер измельченных частиц составлял: инертной пыли - 850=0,859, мкм дрожжевой -550=0,967, мкм подсыр-ной сыворотки -550=1,39, мкм, муки пшеничная высшего сорта -550=1,54, мкм.

Брызгоунос определяли сепа-рационным способом - на выходном газоходе РА был установлен выносной сепаратор - емкостной инерционный каплеуловитель с отбойной пластиной, поперек воздушного потока. Жидкость, уносимую из РА, собирали в мерный цилиндр (класса точности - В, с допустимой погрешностью ±10 мл) после выхода установки на стабильный режим работы. Время контролировалось ручным секундомером типа 1-СО третьего класса точности с ценой деления до ОД с.

Определение аэродинамического сопротивления РА заключалось в измерение разности статических давлений на входном и выходном - 12 патрубках (рисунок 1) с помощью U - образных дифманомет-ров (точность измерения ± 9,8 Па, манометрическая жидкость- дистиллированная вода). Аэродинамическое сопротивление РА определялось в два этапа: на первом осуществлялись замеры сопротивления на неорошаемом аппарате; на втором -измерение аэродинамического со-

противления на орошаемом аппарате. Для измерения полного напора и скорости воздуха в газоходах использовались трубки Пито-Прандтля подсоединенные к микроманометрам типа ММН-240 (класс точности 1, диапазон измерения 0 - 2400 Па, точность измерения ±6...24 Па).

Определение энергозатрат на механическую работу: устанавливалась необходимая частота вращения ротора (электродвигатель - 15 (рисунок 1) работал в номинальном режиме, для изменения частоты вращения использовались сменные ведомые шкивы клиноременной передачи - 16 различного диаметра, так же частота вращения регулировалась с помощью ЛА'ГР-2,5), измерение частоты вращения осуществляли тахометром матитоиндукционным ТЭ-4В, частота вращения периодически проверялась тахометром часового типа ТЧ-10Р, классом точности 1, затем снимались показания с ваттметра Д5065 с классом точности 0,2 по ГОСТ 8476-78, подключенного к двигателю постоянного тока на холостом ходу и на втором этапе снимались показания с ваттметра в рабочем режиме. Разность этих показаний дает затраты на механическую работу которая включает в себя потери энергии в ЗУ распылителя, ДУ, на образование струй жидкости, потери на подъем жидкости от ЗУ к ДУ. Для сравнения энергозатрат вводится показатель - удельные энергозатраты, который показывает, какое количество энергии тратится при прохождении через РА 1000 м3 газа.

В качестве модельных жидкостей при ггроведении экспериментов использовались: вода; растворы №С1 с концентрацией: 7, 14, 21% масс. Физико-химические характеристики рабочих жидкостей определялись: плотность - пик-тометрическим методом, вязкость - с использованием капиллярного вискозиметра типа ВПЖ-З с погрешностью измерений ±0,3 % по ГОСТ 10028-81, поверхностное натяжение - методом Ребиндера, наибольшего давления пузырьков.

Определение КПД пылеочистки осуществлялось при запылении газового потока с помощью дозатора. Концентрацию пыли на входе в аппарат определяли по расходу воздуха и производительности шнекового дозатора. КПД пылеочистки определяли по количеству уловленного продукта на фильтре АФА-ВП-20-1 (фильтр взвешивался до и после запыления на аналитических весах ВЛР-200 с точностью измерения±0,15 мг). Отбирали не менее 2 проб пыли из воздуховода.

При определении массоотдачи в РА использовали метод увлажнения: вода подавалась при температуре 20±1°С. Параметры воздуха на входе в РА измерялись с помощью сухого и мокрого термометров типа ТЛ-4 с ценой деления 0,1°С в диапазоне 0-50 °С расположенных на расстоянии 70 мм. На выходе из РА параметры воздуха снимались с использованием измерителя температуры и влажности ИТ5-ТР-2 "Термит" с погрешностью измерения ±2,5%. Воздух, подаваемый в РА подогревался, чтобы температура рабочей жидкости и показания влажного термометра не расходились более чем на 10°С. Воздух в РА подавался с относительной влажностью не более 35%. Для достижения заданной влажности воздуха, перед нагнетающим вентилятором устанавливался калорифер КЭВМ на определенном расстоянии от входного газохода. Ошибка в определении коэффициента массоотдачи по используемой методике не превышает 10... 15%.

Третья глава содержит анализ результатов исследований аэродинамических и энергетических характеристик РА.

450 6«!

1

Ф

* ^

; У?, «Л

Рисунок 2 -Зависимость аэродинамического сопротивления от скорости газа:

1 - не орошаемый аппарат; 2 - вода; 3 - №С1 7% масс.; 4 - ЫаСЛ 14% масс.; 5 - №С121% масс.

Как следует из данных (рисунок 2) аэродинамическое сопротивление факела распыла возрастает при увеличении скорости газа, та же картина наблюдается и при увеличении скорости истечения жидкости. Это объясняется увеличением скорости вращения распылителя, что приводит к увеличению производительности и, следовательно, к некоторому уменьшению свободного пространства в факеле для прохода газа. Получены экспериментально — статистические модели, для определения коэффициента и аэ-

родинамического сопротивления сухого аппарата: £ = 746,4 ■ Ь'¡Г1-82,11=0,984, ДРс = 373,2 ■ {/о-18 ■ рг, ПаД=0,976

(1) (2)

3 3,5

ц, мГСа-с

где Я - коэффициент корреляции. При продолжительной работе аппарата без подпитки рабочей жидкостью ее характеристики (вязкость (Цж), плотность (рж), поверхностное натяжение (<зж)) изменяются, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления (рисунок 3), при этом время за которое вязкость шлама достигает 2,5 мПа-с для каждой пыли индивидуальное.

При повышении вязкости рабочей жидкости диаметры капель увеличиваются, это приво-

Рисунок 3 -Зависимость полного аэродинамического сопротивления

от вязкости шлама: 1 -мука; 2 - подсырная сыворотка; 3 — кормовые дрожжи.

дит к росту аэродинамического сопротивления. Инертная пыль не способна растворяться в воде и поэтому при ее улавливании шлам представляет собой суспензию, из которой частицы пыли оседают на дно бункера РА. Поверхностное натяжение проб шлама инертной пыли составляло - 72,8-10~3 Н/м, вязкость — 1,005 мПа с, плотность дисперсионной среды изменялась в пределах 1002,31004,1 кг/м3.

Аэродинамическое сопротивление орошаемого аппарата (ДР0) при диспергирование капель со средним диаметром 1,6-3,2 мм может быть определено: ЛРо = 321 + 97,2 ■ иг + 4,2 ■ с1а + 1,6 ■ иж - 20,3 • ^0,01 • рж + 0,07 ■ ам, (3)

При 11=0,98 применимость уравнений (3) подтверждена в следующих пределах: иг=0,74-3,95 м/с;11ж=3,1-3,9 м/с; рж=1000-1160 кг/м3; р.ж=(1,03-2,91)-10"3Па-с; аж=(72,8-85,8)-10"3 Н/м. Отклонение экспериментальных данных от рассчитанных по уравнениям (3) не превышает 8,2 %, что подтверждает правильность выбора параметров, определяющих аэродинамического сопротивление факела распыла.

Исследование брызгоуноса проводилось при изменении варьируемых параметров в диапазонах, наиболее приемлемых для моделирования режимов работы РА и свойств промышленных продуктов. Анализ результатов на рисунках 4 и 5 дает представление о влиянии диаметра отверстий и физико-химических свойств исследуемых жидкостей, на величину брызгоуноса.

Дм количественной оценки, использовался показатель «относительный брызгоунос» (е) - отношение массы унесенной жидкости к массе прошедшего через аппарат газа за одно и тоже время.

Отсутствие крыльчатки - сепаратора позволило увеличить высоту сепа-рационного пространства, однако наличие большого числа мелкодисперсных капель с низкой потенциальной энергией не позволило уменьшить брызгоунос.

5 0.2

^0,18 I 0,16

0,14 0,12 0,1 0.08 0,06 а.ол 0,02 о

Гвода 1 .........^

4.........

•Л

........5 •"" .......з...... х?- щя.. * 1

........ ....^¿Сг'. „ .....

■ ¡'«^НГ ■ Ш......... ....... и г, м/с

2,5

6 0,16 * 0,14 0,12 ОД 0.88 0,06 0,04 0,02 0

1 ¿0=2,5 мм 0

1 1Ьй=3,9 м/с 1 . . \

; 2........ <> / о □ ° д

.............3.....г 'Л.' ...........................^ -' 'д

{> .. Л....... у' & 4 X

X X !х..х.........

- Я' ...-х- • • --и. . - . - Иг, м/с

1,5

Рисунок 4 -Зависимость относительного брызгоуноса от скорости газа: (11ж=3,9 м/с) 1 - <10=1,41 мм; 2 - с10= 1,7 мм; 3 - с!0=2,0 мм; 4 - (10=2 ,2 мм; 5 - (10=2,5 мм

Рисунок 5 -Зависимость относительного брызгоуноса от скорости газа (иж=3,9 м/с): 1 - вода; 2 - ЫаС1 7% масс; 3 - ЫаС1 14% масс; 4 - №С1 21% масс;

Получена экспериментально - статистическую модель:

е = -0,23 + 0,02 ■ + 0,01 • Уж - 0,03 ■ /лж - 5,4 ■ 10"6 ■ рж + (4)

+0,002 ■ аж + 0,042 • £/г, кг/кг, Я=0,98,

Уравнение (4) имеет практическое значение для работы РА в тех же диапазонах варьируемых параметров, что и уравнение (3).

Полные энергозатраты на работу РА складываются из затрат на преодоление аэродинамического сопротивления и на механическую работу которая в свою очередь складывается из затрат энергии на преодоление сил трения в подшипниках, уплотнениях, передаточном механизме и т. д. и на «полезные затраты» - потери энергии в ЗУ распылителя, ДУ, на образование струй жидкости,

то есть на сообщение жидкости кинетической энергии, потери на подъем жидкости от ЗУ к диспергирующим отверстиям.

Сравнительный анализ «полезных затрат» и механических (рисунок 6) показывает, что «полезные затраты» составляют не более 9% от механических, причем при увеличении скорости истечения жидкости из диспергирующих отверстий и скорости газа «полезные затраты» снижаются до 2,5-3%. При сравнительном анализе механических затрат с затратами на преодоление аэродинамического сопротивления видно, что затраты на механическую работу не велики и при увеличении скорости газа их доля от общих затрат энергии уменьшается. В случае, когда рабочей жидкостью служит №С1 (рисунок 7) наблюдается та же зависимость, но доля энергозатрат на механическую работу увеличивается на 24% от общих затрат энергии, что в свою очередь не превышает 15% от общих энергозатрат.

* da=2 vi/ ¡;

"v. . 1

: 2

3 _ '

0,5 I 1,5 2 2,5 3 3,5 4

иг,м/е

Рисунок 6 -Зависимость полезных энергозатрат от скорости газа (рабочая жидкость вода): 1 —'иж=3,1 м/с; 2 — иж=3,5 м/с;3 -иж=3,9 м/с

X ■•о ds=2 ш ; l;»^ 3,9 м/с i

i^v 3 * «Sv : Г—

1 ^

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Рисунок 7 -Зависимости механических энергозатрат от скорости газа: 1 -вода; 2 -НаС1 7% масс.; 3 КаС1 14% масс.; 4 №С121 % масс.

Обработка экспериментальных данных по механическим и затратам энергии на преодоление аэродинамического сопротивления позволила получить экспериментально — статистические модели:

Nm = 192 + 0,1 • р - 3,1 ■ ц + 0,74 • а - 39,8 ■ Ur - 24,5 • иж - 0,001 • d0, (5)

R=0,94.

N¿P = 367 + 0,1 ■ р + 20,8 ■ ¡i - 0,3 ■ о + 98,4 ■ Ur - 6,6 ■ иж + 0,001 • d0, (6)

R=0,98. Уравнения (5-6) имеют практическое значение в тех же диапазонах, что и уравнения (3-4).

Четвертая глава содержит анализ исследований эффективности пылеулавливания и массоотдачи в газовой фазе.

Установлено, что при увеличении скорости газа КПД аппарата уменьшается (рисунок 8 а) на незначительную величину, поэтому РА можно использовать при больших расходах по газу, чем достигнуто. Увеличение скорости истечения жидкости приводит к повышению КПД пылеочистки (рисунок 8 б), но

при этом следует учитывать, что рост частоты вращения приводит к повышению энергозатрат. Поэтому с экономической точки зрения целесообразней проводить процесс с меньшей скоростью истечения жидкости, (иж=3,1 м/с), при которой обеспечивается устойчивая работа РА.

# 403 Л

зз.зэе за,да^ 93,382 s%9s

♦

-- - -

SS.S9 89.ss&

9S.SSS

1,8

а)

» зл

о>

fciSii, йй/С

Рисунок 8: а) Зависимость КПД аппарата от скорости газа (<¿0=1,4 мм; иж=3,9 м/с);

б) Зависимость КПД аппарата от скорости истечения жидкости из диспергирующих отверстий (ё0=1,4 мм; иг=1,94 м/с)

Обработка данных, позволила получить экспериментально - статистическую модель описывающую зависимость КПД пьшеочистки от основных параметров, при орошении водой и постоянном отводе шлама:

Л = 99,96 + 12,88 ■ (10 ■ Ю-6 + 9,24 ■ иг ■ КГ3 + 8,94 ■ Сп ■ 1(Г3 + 9,67 ■

иж • 10-

+ 4,1 ■ Ur ■ иж ■ 10

-з

3,18 ■ Ur ■ Сп R-99,9

10~3 — 2,18 ' Сп • 11ж • 10"

(7)

Эффективность пылеулавливания в РА составляла не менее 99%. Такая высокая эффективность для гидрофобной инертной пыли со средне медианным диаметром частиц 550=0,859, мкм позволяет предположить, что эффективность улавливания хорошо растворимых пылей пищевых продуктов, будет не ниже 99% и для частиц менее 0,8 мкм.

Показано влияние физико-химических свойств рабочей жидкости на КПД пьшеочистки при продолжительной работе в условиях самоорошения. Инертная пыль не способна растворяться в воде вследствие большого содержания известнякового щебня и поэтому при ее улавливании шлам представляет собой суспензию. Часть пыли захватывается заборным устройством вместе с водой, но это количество не оказывает существенного влияния на процесс пьшеочистки в РА. При этом КПД пьшеочистки составляло 99,4 - 99,8.При улавливании инертной пыли РА может работать продолжительное время (до 180 мин.) без опорожнения. В диапазоне изменения вязкости 1-2,3 мПа-с обеспечивается устойчивая работа РА при снижении КПД от 99,8 до 96,3%. Точки 12', 3' (рисунок 9) являются критическими, при достижении которых происходит резкое снижение КПД пьшеочистки. Это связано со следующим - при продолжительной работе без опорожнения происходит рост вязкости и плотности рабочей жидкости, а так же увеличивается количество агломератов не растворенных в воде частиц пылей. Рост вязкости и плотности шлама приводит к тому, что напора для подъема рабочей жидкости по транспортирующему цилиндру становится недостаточно для обеспечения стабильной работы аппарата.

Увеличение числа агломератов приводит к забиванию диспергирующих отверстий. При продолжительной работе в условиях самоорошения при улавливании растворимых ттылей происходит образование отложений улавливаемых частиц и их агломератов в различных частях аппарата и зонах слабого движения вязкости шлама: 1 - мука; 2 - дрожжи кормовые; жидкости, особенно это за-3 - сыворотка подсырная метно на пристенном кап-

леотбойнике. Это приводит к снижению КПД. Обработка данных, позволила получить экспериментально — статистическую модель КПД пылеочистки:

Л = 106 - 64,8 ■ 10"4-рж- 1,8 -|1ж + 236,2 ■ 1СГ4 • ож, Я = 95,3 (8) Уравнение (8) можно использовать для практических расчетов при определении размеров бункера РА, времени опорожнения бункера при необходимой эффективности пылеулавливания и т.п.

Были проведены серии экспериментов для выявления времени устойчивой работы без забивания улавливаемым продуктом пластин пристенного кап-леотбойника. Через каждые 15 минут работы определялся КПД пылеочистки, а РА подвергался разборке для фиксирования отложений. Из исследуемых пылей инертная давала наименьшие отложения на каплеотбойнике. При работе на пыли кормовых дрожжей не наблюдался эффективный рост отложений на всем промежутке времени до резкого снижения КПД аппарата. Это видно из графика (рисунок 9), КПД пылеочистки для кормовых дрожжей незначительно уменьшается при увеличении вязкости и плотности рабочей жидкости и при этом не зависит от снижения эффективности в зоне удара капель о пристенный капле-отбойник. В точках 1", 3" происходит активный рост отложений, что приводит к снижению развитой поверхности контакта фаз и, следовательно, снижению КПД. Поэтому для непрерывной эффективной работы аппарата, на данных пыли необходимо не доводить физико-химические параметры рабочей жидкости в бункере до критических.

Из данных (рисунок 10) следует, что с увеличением скорости газа суммарный приведенный коэффициент массоотдачи возрастает, что можно объяснить возрастающей турбулизацией фаз. Суммарная площадь отверстий истечения при различных диаметрах была одинакова, поэтому при неизменной скорости истечения иж по мере увеличения с1(; возрастает диаметр капель в факеле. Уменьшение (1о, на наш взгляд, повышает турбулизацию пленки на стадии удара капель и на поверхности пластин, поскольку уменьшается расстояние между ударяющимися каплями.

я 3,1

s

t 2.9

a:

У 2,7

S _ -

< 2,5

Ч 2,3

?> ,,

r-l i.-i

ш. 1,9

К? 1,5

. | иж= 3,8 м/с | : * -

'0Ф

■ v

К s :

-i-i-i-

1,5

2,S

3,5 4 Ur, м/с

Рисунок 10 - Зависимость приведенного Рисунок 11 - Зависимость коэффициента

коэффициента массоотдачи от скорости массоотдачи от скорости жидкости:

газа в РА: 1 - ¿0=1 ,4 мм; Ц- = 0,64 м/с: 1 - ¿0=1,4 мм; 2 - ¿0=2

2 - ¿0=1,7 мм; 3 - ¿0=2 мм; 4 - ¿о=2,2 мм; 3 - ¿0=2,5 мм;Ц, = 3.95 м/с: 4 -

мм;5 — ¿о=2,5 мм ¿0=1,4 мм; 5 - сЮ=2 мм; 6 - ¿0=2,5 мм

Увеличение скорости жидкости позволяет увеличить приведенный коэффициент массоотдачи (рисунок 11). В первую очередь увеличивается коэффициент массоотдачи на стадии полета капель, поскольку уменьшается их средне - поверхностный диаметр от 2,65 до 1,6 мм в интервале иж = 3,1-3,9 м/с, но ¡3(Ъ возрастает в данном диапазоне на 10-15%. . 16

14 12 10 8 6 4 2

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 (Ам/с

Рисунок 12 - Зависимость количества испарившейся влаги от скорости газа:

1 -иж = 3,9 м/с; 2 - иж=3,1 м/с

(суммарное для всех стадий);

3 -иж = 3,9 м/с;4 - иж=3,1 м/с (для полета капель)

Вероятно увеличение скорости 1ТЖ в большей степени скажется на стадии удара капель о пристенный каплеот-бойник. Из данных (рисунок 12) следует, что количество влага испарившейся при полете капель на 1 кг газа составляет 40-55% от общего количества влаги испарившейся в аппарате. Однако иж была не высокой при ее увеличении вклад стадии 1 в суммарное значение, испаренной в РА влаги снизится. В результате обработки данных была получена экспериментально - статистическую модель:

(Зг = (7,89 + 0,8 • d0 4-1,4 ■ Ur + 3,2 ■ иж) ■ 102, кг/(м2- ч(кг/кг))-10"

(9)

R=0,95. Данное уравнение справедливо при ¿0=1,4-2,5 мм; Ur=0,6-3,95 м/с; иж=3,1-3,9 м/с.

В пятой главе на основании анализа литературных данных и проведенных исследований разработаны рекомендации и предложена методика расчета РА. По результатам исследования была подана заявка на патент (вход. № 071506, per. № 2013146141, от 17.10.13). Разработано техническое предложение

по использованию РА диаметром 1,4 м для второй ступени очистки сушильных газов при производстве подсырной сыворотки с эффективностью не менее 98%. Это позволит вернуть в производство до 50 т/год продукта.

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа конструкций роторных аппаратов с внутренней циркуляцией жидкости показана, перспективность их применения для осуществления пыле - газоочистки выбросов предприятий пищевой промышленности.

2. Выявлены зависимости аэродинамических сопротивлений, брызгоуноса и энергозатрат от технологических, конструктивных параметров исследуемого роторного аппарата (Пат. № 229610). Получены экспериментально статистические модели описывающие эти характеристики в диапазонах приемлемых для расчетной практики.

3. Установлены закономерности процесса пылеулавливания как при орошении водой и постоянном отводе шлама так и в условиях длительного самоорошения, получены экспериментально - статистические модели пригодные для инженерных расчетов.

4. Установлены предельно допустимые значения физико - химических свойств рабочих жидкостей, обеспечивающие эффективную пылеочистку и устойчивую работу аппарата в условиях длительного самоорошения.

5. Выявлены зависимости коэффициента массоотдачи в газовой фазе от режимных и конструктивных параметров, получена экспериментально - статистическая модель.

6. Разработаны рекомендации, методика расчета роторных аппаратов промышленных размеров, предложены рекомендации по совершенствованию конструкции и промышленному использованию.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ик — скорость капли, м/с; иг — скорость газа в аппарате, м/с; рж — плотность жидкости, кг/м3; (Зо — диаметр диспергирующих отверстий, м; ¡лж - динамическая вязкость рабочей жидкости, Па-с; аж - поверхностное натяжение жидкости, Дж/м2; ДР0 -аэродинамическое сопротивление орошаемого аппарата, Па; ДРС - аэродинамическое сопротивление сухого аппарата, Па; ^ - коэффициент аэродинамического сопротивления сухого аппарата; N - общие энергозатраты, кДж/м3; - «полезные» энергозатраты, кДж/м3; >1м - затраты энергии на механическую работу, кДж/м3; е - относительный брызгоунос, отношение массы унесенной жидкости к массе прошедшего через аппарат газа за одно и тоже время кг/кг; п - частота вращения ротора, об/мин; 7] — КПД пылеочистки, %; рг -коэффициент массоотдачи, приведенный к площади сечения аппарата кг/(м2-ч(кг/кг))-10 3.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Исследование брызгоуноса в роторном распылительном пылеуловителе / А.Ф. Сорокопуд, К.Б. Плотников, Д.В. Резик, Д.Б. Иванова // Ползу-новский вестник. — 2013. - № 3. — С. 303-310.

2. Сорокопуд, А.Ф. Исследование эффективности работы роторного распылительного пылеуловителя / А.Ф. Сорокопуд, К.Б. Плотников // Техника и технология пищевых производств. — 2013. - № 4. — С. 122-126.

3. Плотников, К.Б. Исследование коэффициента массоотдачи в газовой фазе в роторном распылительном пылеуловителе / К.Б. Плотников // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств (электронный журнал) / ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». - 2014. - № 1. - Режим доступа к журналу: http://processes.ihbt.ifmo.ru/file/article/9365.pdf.

Материалы конференций и семинаров

4. Плотников, К.Б. Определение дисперсного состава модельной пыли / К.Б. Плотников // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — Кемерово, 2012.-С. 329-331.

5. Плотников, К.Б. Исследование гидравлического сопротивления роторного распылительного пылеуловителя / К.Б. Плотников, Д.В. Резик // Пищевые инновации и биотехнологии: международный научный форум. — Кемерово, 2013.-С. 775-780.

6. Ермилова, И.О. Исследование энергозатрат в роторном распылительном пылеуловителе / И.О. Ермилова, К.Б. Плотников // Пищевые инновации и биотехнологии: международный научный форум. - Кемерово, 2013. — С. 704 - 709.

7. Сорокопуд, А.Ф. Исследование предельной нагрузки по газу в роторном распылительном пылеуловителе / А.Ф. Сорокопуд, К.Б. Плотников // Производство и переработка сельскохозяйственной продукции: менеджмент качества и безопасности: материалы П Международной научно - практической конференции, посвященной 100-летию ВГАУ и 20-летию образования факультета технологии и товароведения. — Воронеж, 2013. - № 2. — С. 8 - 13.

8. Сорокопуд, А.Ф. Исследование энергетической характеристики роторного распылительного пылеуловителя / А.Ф. Сорокопуд, К.Б. Плотников, И.О. Ермилова // Технология и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы VI Всероссийской научно - практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. - Бийск, 2013. - С. 425 - 430.

9. Плотников, К.Б. Модернизация сушильных установок при производстве сухой сыворотки / К.Б. Плотников, А.О. Власиевский // Пищевые инновации и биотехнологии: материалы Международной научной конференции. -Кемерово, 2014. - № 1. - С. 285-287.

10. Сорокопуд, А.Ф. Влияние физико-химических характеристик шлама на параметры работы роторного распылительного пылеуловителя / А.Ф. Сорокопуд, К.Б. Плотников // Научные достижения на рубеже веков - 2014: материалы X Международной научно - практической конференции, 2014. - Прага, 2014.-Часть 21.-С.19-25.

Подписано в печать 29.01.2015. Формат 60x86/16. Тираж 70 экз. Объем 1 пл. Заказ №81 Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47.

Отпечатано в рекламно-полиграфической компании «Радуга» 650004, г. Кемерово, ул. Соборная, 6