Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями

Темникова, Елена Юрьевна

Охрана труда (по отраслям)

автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями

кандидата технических наук: Темникова, Елена Юрьевна
город: Кемерово
год: 2010
специальность ВАК РФ: 05.26.01

Диссертация по безопасности жизнедеятельности человека на тему «Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями»

Автореферат диссертации по теме "Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями"

□□3491364

На правах рукописи

Темникова Елена Юрьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ В ЦИКЛОНЕ С РЕЛЬЕФНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

05.26.01 - «Охрана труда» (отрасль химическая)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 4 ФЕО 2010

Кемерово - 2010

003491364

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Петрик Павел Трофимович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Трясунов Борис Григорьевич

доктор технических наук, профессор Злочевский Валерий Львович

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» (ГОУ ВПО ТГАСУ)

Защита состоится «26» февраля 2010 года в 13 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.102.03 при Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета

Автореферат разослан «¿<7» января 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Лесин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Химические вещества на всех стадиях технологического процесса, находясь в виде пыли, оказывают вредное воздействие на здоровье работающих, загрязняя воздух рабочей зоны. Промышленная пыль (аэрозоль) относится к наиболее распространенным вредным факторам, так как, воздействуя на органы дыхания человека, вызывает профессиональные заболевания -пневмокониозы. Для снижения запыленности среды используют процессы улавливания пыли в местах ее выделения и скопления с последующей очисткой запыленного воздуха в аппаратах-пылеуловителях. Наиболее значимой и распространенной системой пылеочистки является технологическая, т.е. очистка газопылевого потока при пневмотранспорте сыпучего материала.

Из современных аппаратов обеспыливания воздуха наиболее распространены циклоны, достоинством которых является их компактность, простота конструкции, что обусловливает значительное снижение стоимости пылеулавливающих установок. Основным недостатком циклонных аппаратов является возрастающая зависимость степени пылеулавливания и затрат энергии на прокачку запыленного потока через пылеулавливающее устройство. Указанные значительные энергозатраты на обеспыливание, в большинстве случаев относящиеся к химической и горной промышленности, ставят задачу поиска новых оригинальных конструкторских и технологических решений на основе перехода от гладкостенных циклонных пылеуловителей к таким, у которых организация движения потока внутри аппарата способствовала бы снижению эксплуатационных расходов при очистке запыленных потоков без ущерба собственно эффективности очистки. А именно к конструкциям пылеулавливающих устройств, включающим в себя установку рельефных поверхностей с отрывными зонами, так как одним из актуальных направлений современной гидродинамики является вихревая и струйная организация на поверхностях траншейных, луночных покрытий, каверн, вихревых ячеек, уступов, которая позволяет существенно повысить эффективность процессов, снизить аэродинамическое сопротивление при обтекании таких поверхностей. Что является важным направлением экспериментальных и модельных исследований с целью понимания физического механизма вихревой интенсификации, управления и оптимизации процессов в сепарационных и пылеуловительных установках.

Применение вычислительных технологий и пакетов программ, позволяет рассчитывать с приемлемой для практики точностью гидродинамические характеристики в турбулентных пространственных стационарных отрывных вихревых течениях на стадии разработки и проектирования промышленных устройств, в том числе пылеулавливающих, позволяя избежать необходимости дорогостоящих натурных испытаний.

Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научно-исследовательских работ Кузбасского государственного технического университета на 2005-2009 гг. «Гидродинамика, тепло- и массообмен в дисперсных системах», «Прикладная гидродинамика вихревых и закрученных потоков».

Целью работы является снижение запыленности воздуха в рабочих зонах промышленных предприятий путем использования циклонов.

Идея работы заключается в использовании рельефных поверхностей в циклоне с отрывом потока и созданием зон разрежения для улавливания мелкодисперсных частиц промышленной пыли.

Задачи работы:

1. На основе анализа конструкций циклонов разработать пылеуловитель с внутренними рельефными поверхностями.

2. Провести моделирование и экспериментально исследовать эффективность пылеуловителя с рельефными поверхностями, установить закономерности процесса пылеулавливания на основе аэродинамической структуры газового потока.

3. Разработать методику расчета эффективности процесса пылеулавливания в аппаратах с рельефными поверхностями.

Объектом исследования является пылеуловитель с рельефными поверх-ностями. предметом исследования - закономерности процессов пылеочистки и аэродинамики в циклонных аппаратах с зонами отрыва потока.

Методы исследования. Работа выполнена с применением патентно-информационного анализа проблемы, методов математического моделирования (использование программного комплекса (ЯПош), экспериментальных методов: лабораторных, полупромышленных и натурных, измерений и наблюдений (с помощью скоростной цифровой видеокамеры).

Положения, выносимые на защиту;

1. Условиями эффективной работы и снижения гидравлического сопротивления в 2 и более раза пылеуловителя с рельефными поверхностями являются его конструктивные особенности: а) уступы, расположенные по образующей цилиндрической части корпуса и ограниченные высотой входного участка; б) устройство - полый усеченный конус, обращенный вверх, находящийся в нижней части цилиндрического корпуса пылеуловителя.

2. Эффективность работы пылеуловителя с рельефными поверхностями вплоть до 99,97 % достигается за счет зон разрежения, обусловленных срывом потока газа с уступа, при этом происходит разрушение пограничного слоя и сепарация мелкодисперсных частиц пыли из основного потока, и наличия устройства, необходимого для транспортирования уловленной пыли из отрывных зон в бункер.

3. Эффективность процесса пылеулавливания в циклонах с рельефными поверхностями подчиняется экспоненциальной зависимости от инерционного критерия Стокса при полученных значениях постоянных а = 3,656 и п = 0,135.

Научная новизна:

внутренних рельефных поверхностях способствует снижению гидравлического сопротивления циклона в 2 раза по сравнению с гладкостенными циклонами.

2. На основе исследований газодинамической структуры выявлено, что происходит сепарация мелкодисперсной фракции пыли в отрывные зоны.

3. Установлены коэффициенты а = 3,656 и п = 0,135 экспоненциальной зависимости коэффициента проскока частиц пыли от критерия Стокса

К& = е~3'б5бак 5 позволяющие рассчитывать циклоны с рельефными поверхностями с использованием универсальной номограммы и энергетического принципа М.И. Шиляева.

Практическая значимость:

1. Пополнен сформированный М.И. Шиляевым банк данных для характеристик инерционных пылеуловителей, позволяющий пользоваться универсальным методом расчета инерционных пылеуловителей и энергетическим принципом их сравнения.

2. Установлены промышленные образцы циклона с рельефными поверхностями и проведены их натурные испытания в аспирационной транспортной системе установки сухого тушения кокса предприятия ОАО «Кокс» (г. Кемерово).

3. Методика и результаты исследования используются в учебном процессе по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» в Кузбасском государственном техническом университете (включены в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплинам «Процессы и аппараты химической технологии» и «Основы инженерного творчества», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

4. По результатам исследования разработана конструкция пылеуловителя с рельефными поверхностями и получен патент Российской Федерации на изобретение № 2316397 «Пылеуловитель мелкодисперсной пыли».

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных экспериментальных методик и метрологическими характеристиками используемых измерительных приборов, а также согласием измеряемых величин различными методами и воспроизводимостью результатов.

Личный вклад. Наиболее значимыми результатами, полученными лично автором, являются: создание техники экспериментов; проведение экспериментов по определению свойств лылей, их улавливанию в аппаратах, по гидродинамике в аппаратах; обработка и представление первичных и обобщенных экспериментальных данных; участие в постановке задачи по моделированию гидродинамических процессов пылеуловителей; расчет для сопоставления энергетических и пылеулавливающих характеристик аппарата с циклонами стандартизированными; участие в промышленных испытаниях.

гетики» (Владивосток, 2005; Иркутск, 2007), XXVTII Сибирском теплофизиче-ском семинаре (Новосибирск, 2005), Международной научно-практической конференции «Инновационная энергетика» (Новосибирск, 2005), XIII всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Красноярск, 2009).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 12 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК - 1, 1-ом патенте, материалах трудов конференций и семинаров - 9.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, введения и выводов. Работа содержит 175 страниц текста, в том числе 76 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 89 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность за поддержку и помощь при выполнении работы научному руководителю П.Т. Петрику, коллегам из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск) А.Р. Богомолову, C.B. Алексеенко, H.A. Прибатурипу, A.A. Дектереву, М.Ю. Чернецкому, из КузГТУ Ю.О. Афанасьеву, работникам предприятия

ОАО «Кокс» (г. Кемерово) С.Д. Тихову , Е.А. Кошелеву

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели работы, положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна полученных результатов и обсуждена их практическая значимость.

Первая глава носит обзорно-аналитический характер, в ней рассмотрены конструктивные особенности пылеуловителей, способы интенсификации процесса пылеулавливания, методики расчета, сопоставления пылеулавливающих устройств.

Значительный вклад в развитие теории и техники пылеулавливания внесли 1Т.А. Коузов, А.И. Пирумов, В.Н. Ужов, AJO. Вальдберг, Е.П. Теверовский, С.Б. Старк, В. Страус, М.И. Шиляев, В.Т. Стефаненко и др.

Первый раздел главы посвящен анализу существующих конструкций циклонных пылеуловителей, в том числе использующих нетрадиционные решения, включающие в себя установку внутренних рельефных поверхностей с отрывными зонами. Анализ литературных источников показывает, что большинство исследователей, занимающихся разработкой новых конструкций пылеулавливающих устройств, ставят целью создание циклонных аппаратов высокой эффективности очистки, но не принимают во внимание при этом увеличение гидравлического сопротивления, причем нередко значительное. Стремление к оптимизации процессов пылеочистки, направленной на получение гармоничного соотношения величин степени улавливания и гидравлических потерь газоочистительного оборудования - актуальное в настоящее время направление в создании энергоэффективных установок циклонного типа, как самых надежных и простых в изготовлении и эксплуатации.

Во втором разделе рассмотрены и обсуждены отрывные течения с созданием зон разрежения, возникающих при классических турбулентных течениях, а именно вихревая и струйная организация, а также самоорганизация на поверхностях траншейных, луночных покрытий, каверн, вихревых ячеек, выступов, уступов, которая позволяет существенно повысить эффективность тепломассообмена и снизить аэродинамическое сопротивление при обтекании таких поверхностей и предложить новые технические решения установок и аппаратов. Интерес к проблеме вихревой интенсификации сепарации частиц из газопылевого потока в инерционных пылеуловителях с одновременным снижением их гидравлического сопротивления возник в результате анализа экспериментальных и теоретических работ П. Чжена, A.B. Горина, А.И. Леонтьева, И.А. Белова, С.А. Исаева, H.A. Кудрявцева, Ю.А. Быстрова, Д.М. Марковича, Ю.Ф. Гортышова, В.И. Терехова и др. по турбулентным течениям при обтекании тел с помощью организованных крупномасштабных вихрей. В разделе также отмечено, что экспериментальных и теоретических исследований, касающихся использования отрывных зон закрученных газовых потоков в качестве сепарационных устройств пыли, в литературе не обнаружено.

Третий раздел содержит анализ имеющихся в литературе рекомендаций к расчету, сопоставлению и выбору различных пылеуловителей. Из них можно считать полными, достаточно строгими, надежными и с логической точки зрения безупречными рекомендации к расчету и сопоставлению циклонов НИИОГАЗ. Однако, эти данные представлены отдельно для каждого типа цилиндрических и конических циклонов НИИОГАЗ, соответственно применение их для других видов пылеуловителей невозможно. В конце прошлого столетия МИ. Шиляевым была создана единая система расчета, оптимального выбора и компоновки инерционных пылеулавливающих аппаратов, включающая в себя банк данных по фракционным коэффициентам проскока и коэффициентам гидравлического сопротивления, математическое выражение энергетического принципа сравнения инерционных пылеуловителей и универсальную номограмму с ее программным обеспечением. Разработанная система позволяет сравнивать новые аппараты с известными и определять их уровень как по качеству газоочистки, так и по удельным энергозатратам на ее осуществление.

В заключение главы сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию техники экспериментов и методам исследования.

Первый раздел содержит описание экспериментального стенда и рабочих участков. Работа экспериментального стенда (рис. 1) осуществлялась следующим образом. При помощи воздуходувки 6 воздух из атмосферы и пыль из спирального дозатора-питателя 3 поступают в трубопровод 4. Полученный при смешении пыли с воздухом аэрозоль вводится тангенциально в верхнюю часть пылеуловителя 1, в котором происходит отделение пыли от воздуха. Пыль собирается в бункере 2, а очищенный воздух выходит через выхлопную трубу циклона 1 и перед выбросом в атмосферу дополнительно проходит через рукавный фильтр 7. Места измерения давления или разрежения обозначены поз. 8.

Рабочими участками выступали два пылеуловителя (рис. 1, поз. 1): циклон из кварцевого стекла диаметром 85 мм и циклон из оцинкованного железа диаметром 250 мм. Размеры пылеуловителей характерны ЦН-15, кроме угла наклона входного патрубка, который был равен 0°. Пылеуловители имеют разборную конструкцию, позволяющую получать из традиционных гладкостенных циклонов аппараты с внутренними элементами. В качестве внутренних элементов циклона диаметром 85 мм служат уступы 9, расположенные по образующей корпуса циклона (рис. 1), и устройство (полый усеченный конус, обращенный вниз, полый цилиндр или полый усеченный конус 10, обращенный вверх), находящееся в нижней части цилиндрического корпуса. Внутренними элементами циклона диаметром 250 мм служат 3 уступа-каверны 9 (зоны разрежения), расположенные по образующим цилиндрической части циклона и ограниченные высотой входного патрубка, и усеченный полый конус 10, обращенный вверх, находящийся в нижней части цилиндрического корпуса (рис. 1).

При движении нисходящего внешнего вихря в пылеуловителе, имеющем внутренние элементы, за уступами, установленными по пути движения потока, в кавернах, создаются зоны разрежения. На срезе уступа запыленная струя попадает в ограниченное пространство с прилегающей боковой цилиндрической стенкой аппарата, искривляется и присоединяется к стенке на некотором удалении от уступа, при этом за уступом создается отрывная зона, в которой зарождается вихрь. Некоторая часть потока втекает в каверну от точки присоединения (возвратное течение) и циркулирует там. Это позволяет мелкодисперсным частицам пыли перемещаться из основной струи в отрывную зону. В отрывной зоне создается структура в виде спиралевидной вихревой нити, по которой внесенные мелкие частицы перемещаются вниз, так как в нижней части каверны

Рис.1. Экспериментальный стенд

происходит свободный сток, интенсивность которого зависит от общего расхода и места расположения конуса 10 (внутреннего устройства) относительно выхлопной трубы И.

Второй раздел посвящен экспериментальному изучению характерных свойств (таких как дисперсный состав, плотность и сыпучесть) промышленных пылей, взятых на коксохимическом предприятии ОАО «Кокс» (г. Кемерово), и выбору пыли для проведения экспериментальных исследований по эффективности пылеулавливания. На рис. 2 представлены результаты анализа дисперсного состава исследуемых пылей и литературные данные (Стефаненко, 1991) по коксовой пыли из аспира-ционной системы узла выгрузки УСТК (ОАО «Кокс», г. Кемерово) и угольной пыли из аспирационной системы перегрузочного узла № 5 (Алтайкокс, г. За-ринск) в вероятностно-логарифмической координатной сетке. Полученные значения среднеквадратичных отклонений приведены в табл. 1 для пылей, представленных на рис. 2. Из табл. 1 видно, что исследуемые пыли, мельче, чем пыли, представленные из литературных источников по этому же предприятию.

Таблица 1

Среднеквадратичное отклонение пылей

№ Пыль Среднеквадратичное отклонение а

1 Угольная пыль (УП) 2,60

2 Коксовая пыль установки сухого тушения кокса (КП УСТК) 2,06

3 Коксовая пыль установки мокрого тушения кокса (КП УМТК) 2,20

4 КП УСТК (Стефаненко, 1991) 18,2

5 УП (Стефаненко, 1991) 3,00

6 Коксовая пыль установки беспылевой выдачи кокса (КП УБВК) 2,55

Для экспериментальных исследований по эффективности пылеулавливания выбрана коксовая пыль УСТК вследствие ее принадлежности к группе мелко- и среднедисперсных пылей со среднеквадратичным отклонением 2,06, медианным размером 36,6 мкм, насыпной плотностью 661-706 кг/м3, углом естественного откоса 43,3° и подчиняющейся логарифмически-нормальному закону распределения частиц по размерам.

о 1-УП

д 2-ту<ж

V З-КПУМПС

-- 4-КПУСПС(Сха)шЕищ 1991)

-- 5-УП(Сга(вно»<р, 1991)

> 6-УБВК

5 10 50 100 5, мкм

Рис. 2. Дисперсный состав угольных и коксовых пылей

Третий раздел содержит описание методики измерений и проведения эксперимента. Представлены виды основных и дополнительных измерений, расчетные формулы, оценка достоверности определения расхода воздуха. К основным измерениям относятся: перепад давления на диафрагме для определения расхода воздуха, гидравлическое сопротивление циклона, разрежение в зонах циклона, продолжительность процесса улавливания пыли, масса пыли поступающей и уловленной в циклоне. Для проверки достоверности измеряемой величины расхода газового потока, полученной с помощью диафрагмы, использовали метод определения расхода посредством стандартной трубки Пито. Измерения проводили для трех различных расходов воздуха. Расхождения составили 1,22 ■+- 3,46 %, что показывает на достаточную точность определения расхода газа диафрагмой в ходе эксперимента.

Третья глава содержит результаты и анализ экспериментальных исследований по эффективности пылеулавливания, гидравлическому сопротивлению и гидродинамике потока в циклонах.

В первом разделе приведены результаты исследований влияния на эффективность конструктивных особенностей: уступов (отрывных зон) и устройства (усеченный конус) в нижней части цилиндрического корпуса. Визуализация скоростной камерой процесса, происходящего за уступом без усеченного конуса, показала, что вихревая нить с пылью сносится в основной поток. Обоснована необходимость установки усеченного конуса в нижней части цилиндрического корпуса и его геометрия (конструкция). В результате выявлено, что традиционный циклон по сравнению с циклоном, имеющем внутренние элементы (уступы и конус), улавливает пыль с практически одинаковой эффективностью (табл. 2) при соблюдении масштабного фактора, однако, при этом энергозатраты на улавливание в традиционном циклоне в 2 раза выше, чем в пылеуловителе с рельефными поверхностями.

Таблица 2

Эффективность пылеулавливания циклоиа диаметром 250 мм

Тип циклона Эффективность пылеулавливания Т|, % Концентрация пыли в газовом потоке, г/м3

С внутренними элементами 98,59-99,47 8,6-14,9

Традиционный 99,60-99,78 11,8-15,9

Расчеты общей эффективности пылеулавливания при одинаковых энергозатратах показали (табл. 3), что в процессе пылеулавливания с использованием последовательной компоновки циклона с рельефными поверхностями (со средней степенью очистки 99 % для первого циклона из табл. 2 и меньшей - 93 % для второго) можно достичь большей эффективности очитки вплоть до 99,93 %, чем традиционным циклоном - 99,7 % (средняя эффективность пылеулавливания из табл. 2).

Во втором разделе представлены экспериментальные данные и их анализ по разрежению в зонах циклона диаметром 85 мм: на стенке традиционного гладкостенного циклона, за уступом (отрывная зона) циклона с рельефными поверхностями и в бункере. Показано, что до числа Не = 14-103 (рассчитанного

по приведенной скорости газа) разрежение за уступом и на гладкой стенке одинаковое (не создается отрывная зона за уступом). В диапазоне чисел Яе = (14 +■ 25)103 за уступом создается большее разрежение, чем на стенке циклона без установки уступа, но меньше, чем в бункере, вследствие чего пыль из основного потока перемещается в зону разрежения за уступом и отводится в бункер за счет разности давлений.

Таблица 3

Эффективность пылеулавливания циклонов при одинаковых энергозатаратах

Тип циклона Эффективности очистки последовательно установленных циклонов л, % Общий коэффициент проскока Ки % Общая эффективность очистки Г), %

1 циклон 2 циклон

С внутренними элементами 99 93 0,07 99,93

Традиционный 99,7 нет циклона 0,3 99,7

Исследования по гидравлическому сопротивлению циклонов (рис. 3) показывают, что циклон с внутренними элементами имеет гидравлическое сопротивление меньше в 2 раза, чем традиционный, в исследуемом диапазоне условной скорости и соблюдении масштабного фактора.

На рис. 4 и 5 представлены распределения статического разрежения на стенке циклона и схемы измерений: Р, - давление в точках замера, Р\ - давление в первой или верхней точке отрывной зоны.

Из рис. 4 видно, что длина отрывной зоны 1 характеризуется постоянством давления на твердой стенке, размер же переходной области 2 определяется из условия повышенного давления по сравнению с отрывной зоной и зоной пристенной струи 3. Область и положение переходной области соответствует месту присоединения струи на стенке, которая характеризуется максимальным значением давления (минимальным разрежением) на стенке. Обычно размер переходной области не превышает размера высоты уступа. Несмотря на значительные отличия в характере течения закрученной струи от плоской можно, отметить аналогию качественной картины.

На рис. 5 представлена схема измерения разрежения по высоте цилиндрической части циклона и экспериментальные данные этих значений в зависимости от глубины погружения выхлопной трубы при соотношении площадей

¿хг, на 1200 1000 800 600 400 200 0

1 А

0,7

1,3

1,6

1,9 ш, м/с

Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления циклонов от приведенной скорости газа в циклоне: линии, осредняющие экспериментальные данные: I - с гладкой цилиндрической стенкой (НИИОГАЗ); 2-е уступами и конусом в цилиндрической части

Р/Р1 1,06 1,04 1,02 1

0,98 0,96 0,94 0,92

/ \ \

///

\ /

1 1 * ! а

0 0 2 ! 0 1 1 4 Р 1 6 0, 3 VI

1 / 1 1 ✓ 1 ч 1 1 чч 1 1 1 1 1 1 1 ✓ ' / ! Х>

9 - места измерения разрежения

Рис. 4. Распределение статического разрежения на твердой стенке за уступом: а) безразмерные величины; б) схема точек измерений: 0-1,48 м/с; □ - 2,10 м/с; Д - 2,22 м/с Разрежение в отрывной зоне по высоте уступа резко возрастает в середине высоты уступа, остается затем постоянным в нижней части уступа, а в нижней области установленного конуса разрежение равно или выше разрежения в отрывной зоне самой верхней части корпуса цилиндра.

Третий раздел посвящен анализу динамических характеристик циклонов. На рис. 6 представлены результаты измерения скоростей основного потока и потока в отрывной зоне. В основном потоке имеется максимум скорости, находящийся на расстоянии ~ 1 мм от среза уступа в пристенной зоне, затем значительное уменьшение на некотором удалении от стенки, далее в центральной части скорость практически постоянна, и вновь у выхлопной

((¡¡/с!) = 0,16 и одинаковой скорости потока со = 2,2 м/с. Из рис. 5 а, б видно, что изменение разрежения по высоте циклона имеет скачкообразный характер с резким уменьшением в зоне, находящейся ниже уступов и дальнейшим увеличением в области установленного усеченного конуса. Наибольшая эффективность циклона была достигнута при глубине погружения к\ = 30 + 40 мм, что соответствует /г]//гк = 0,12 0,16, которую можно принять оптимальной для площадей глубин погружения выхлопной трубы 30+40 мм характер изменения разрежения заметно отличается от других случаев.

0,93 0,96 0,99 1,02 /УР,

соотношения {<!№? = 0,16. Для

1 1 1 /

1 / 1 /■

№ ■! к

11. Ш ■ 1 б

- места измерения разрежения]

Рис. 5. Распределение статического разрежения по высоте корпуса циклона И^ для различных глубин погружения к\ выхлопной трубы: а) схема точек измерения; б) безразмерные значения: /п/й^,: 0 - -0,08; □ - -0,04; Д - 0; х - 0,04; * - 0,08; О - 0,12; + - 0,16; —0,2

трубы резко снижается. Наличие «впадины» или «провала скорости» на небольшом удалении от стенки в районе среза уступа, полагаем, связано с тем, что часть массы потока, обогащенного частицами пыли вносится в зону разрежения из пристенной области, создавая сразу за ней на некотором участке уменьшение средней расходной скорости.

Для отрывной зоны на рис. 6 представлены профили тангенциальной и и аксиальной \> скорости, которые показывают, что в ней происходит вращательное движение потока, направленного вниз в виде винтовой линии и имеющего форму разнотолщинной цилиндрической трубы. В отрывной зоне с небольшим смещением от центра существует область неподвижного цилиндра, где нет вращающегося потока. Аксиальная скорость потока в зоне разрежения достигает 3 м/с, что говорит о достаточно быстром перемещении частиц пыли с газовым потоком вниз, в то время как приведенная скорость равна 2 м/с. Расход потока через одну отрывную зону составляет 0,3 0,5 % от общего расхода газа в циклоне.

Четвертый раздел содержит обоснование выбора системы вентиляции для снижения запыленности в рабочих зонах промышленного предприятия. Графический метод наложения характеристик вентилятора и сети, содержащей традиционный циклон или пылеуловитель с рельефными поверхностями, показал, следующее. В случае сети с циклоном с рельефными поверхностями вентилятор дает большую производительность равную 430 м3/ч, а для сети с традиционным циклоном меньшую - 355 м3/ч. Соответственно при использовании системы вентиляции с циклоном с рельефными поверхностями из рабочей зоны будет забираться большее количество запыленного воздуха (воздухообмен по борьбе с пылью) и притекать большее количество чистого воздуха, что в результате позволить снизить концентрацию пыли в рабочей зоне промышленного предприятия в 1,21 раза (например, с 10 мг/м3 до 8,26 мг/м3), если считать, что приточный воздух не содержит пыли и интенсивность пылевыделения не изменяется.

Четвертая глава посвящена моделированию гидродинамических процессов в пылеуловителях. Проведены исследования режимов течения в модельном циклоне, имеющем рельефные поверхности, создающие отрывные зоны, и

Рис. 6. Профили скоростей в основном потоке и в отрывной зоне

в циклоне традиционного исполнения типа НИИОГАЗ с соблюдением масштабных областей. Для расчета использовался программный комплекс оР1о\у. В качестве граничных условий на входе задавался расход воздуха, на выходе -условия Неймана. Для расчета использовалась многоблочная структурированная сетка, состоящая из 48 блоков для циклона с внутренними элементами, из 42 блоков - традиционного, количество узлов 530000. Численный анализ течения газа внутри циклонного аппарата выполнен на основе решения широко известных уравнений Навье-Стокса, замкнутых с помощью модели турбулентности к-е Чена.

Профиль тангенциальной скорости (рис. 7) в циклоне с рельефными поверхностями, полученный численным решением, качественно согласуется с экспериментом (два максимума у стенок образующей поверхности цилиндра и выхлопной трубы и «впадина в центральной части), но количественно отличается большими значениями скоростей на 20-30 %. Профиль тангенциальной скорости в гладкостенном циклоне (традиционном) имеет выпуклую форму с одним максимумом, расположенным ближе к цилиндрической стенке, результатом которого, полагаем, является действие центробежных сил.

Экспериментальные результаты измеренных скоростей основного потока струи в аксиальном направлении (рис. 8) показывают, что вблизи стенки выхлопной трубы в пристенном слое имеет место достаточно интенсивное течение. Вблизи же криволинейной поверхности циклона (вдоль уступа) в пристенной области наблюдается резкое и значительное снижение аксиальной скорости практически до нуля. В центральной части потока струи аксиальная скорость имеет фактически постоянное значение. Численное моделирование по расчету аксиальных скоростей потока струи показывает качественное согласие для циклона с выступами только эффекта снижения скорости у стенки циклона. Толщина области с меньшей скоростью значительно больше. Расчет показывает

и, м/с и, м/с

32 т----- 12

28 24 20 16 12 В 4

---- —

у / у * ч ■ ^ ч

0 экспл -расчет — расчет ан.цикл.с традиц. а цикл, с в вн.эл. икл. I. эл.

<> -

-р

Ф эксп. дан. цикл, с вн. эл.

—--расчет традиц, цикл.

— расчет цикл, с вн. эл.

) 0,2 0,4 0,6 0.8 г/Л 1

Рис. 7. Тангенциальная скорость в циклоне (сечение А-А рис. 1)

0,8 r/R 1

Гис. 8. Аксиальная скорость в циклоне (сечение А-А рис. 1)

заметно меньшие значения скоростей. Что касается традиционного циклона, то расчетные значения аксиальных скоростей чуть меньше, чем расчетные для циклона с выступами.

Из проведенного анализа вытекает, что экспериментальные результаты по тангенциальным и аксиальным скоростям для циклона с внутренними элементами качественно согласуются с численным моделированием. При сравнении этих данных с рассчитанными результатами для традиционного циклона можно сделать вывод, что в циклоне с рельефными поверхностями по сравнению с гладкими тангенциальная скорость имеет меньшие значения, а аксиальная -большие. Полагаем, что такое соотношение скоростей должно повлиять на общее гидравлическое сопротивление циклона, т.е. сопротивление циклона с внутренними элементами будет меньше, чем традиционного циклона. Экспериментальные результаты подтверждают этот вывод (см. рис. 3).

На эффективность пылеулавливания оказывает большое значение распределения давлений и скоростей как в продольном, так и в поперечном сечснии циклона. Численный расчет модулей скорости в продольном и поперечном сечении (см. рис. 1) приведен на рис. 9.

Представленные изолинии модуля скорости отнесены к скорости во входном патрубке. Анализ показывает, что в продольном сечении скорость течения вблизи стенки цилиндра и конусной части циклона с гладкой стенкой имеет большие значения, чем в циклоне с кавернами. Такая же картина соответствует и для поперечного сечения. Только в области первой каверны вниз по потоку скорости мало отличаются в этих двух циклонах. Низкие скорости в отрывных зонах согласуются с экспериментально измеренными. Но более низкое давление в кавернах обусловлено вихревым движением, а значительное увеличение скорости в области стока (нижняя часть отрывной зоны) позволяет надежно перемещать частицы сепарированной пыли из основного потока в направлении бункера, несмотря на то, что скорости в продольном сечении меньше, чем в гладком циклоне. Скорости внутреннего восходящего потока в исследуемых циклонах практически не отличаются друг от друга. Необходимо отметить, что более устойчивое течение в выхлопной трубе наблюдается в гладком циклоне.

Показанные изолинии давления в продольном и поперечном сечении (см. рис. 1) для исследуемых циклонов на рис. 10 говорят о равномерном и равном давлению во входном участке, вдоль всей внутренней поверхности, распределении давлений в гладком циклоне и более низком и неравномерном давлении в циклоне, имеющем каверны, как в восходящем и нисходящем потоках, так и в поперечном сечении циклонов. Необходимо обратить внимание на результаты расчета циклона с рельефами, что в отрывных зонах наблюдается пониженное давление как по сравнению с основным потоком, так и с областями присоединения (натекания) основной струи на криволинейную поверхность стенок циклона. Неравномерность давлений в циклоне с внутренними элементами оказывает снижающее действие на эффективность очистки. При сравнении экспериментальных данных для циклонов по степени очистки выявлено, что снижение

эффективности циклона с внутренними элементами по сравнению с гладким циклоном незначительное (менее 0,7 %), хотя по степени неравномерности давлений отличия более заметные. Полагаем, что неравномерность давления компенсирована положительным влиянием наличия отрывных зон, способствую-

1615Е+02 ■

2511ЕЛ2 |

1.406Е«02 I

З.Ю7Е.01 \

•8.М2Е.01 I

-1.S0SE.02 1

<ШЕ<02 га

■4.11ЭЕ.02 Ш

•5.22<Е« 1

-6.329М2

•7ЧЗАЕ.02 Ч

■8.539Е.02 1

ш ■9.6МЕ.02

Рис. 9. Изолинии модуля скорости в продольном и поперечном сечении циклона

Рис. 10. Изолинии давления в продольном и поперечном сечении циклона

щих улучшению сепарации мелких частиц пыли из основного потока в зоны разрежения и сносу их вниз вначале по спиралевидной траектории, а затем по стенкам конической части циклона в бункер.

Как показали расчеты, в традиционном циклоне гидравлическое сопротивление = 491) больше, чем в конструкции с внутренними элементами (С, = 334) в 1,5 раза при тех же начальных условиях, что связано с меньшими тангенциальными и более высокими аксиальными скоростями в конструкции с уступами. Экспериментальные исследования показали снижение перепада давления для конструкции с уступами в 2 раза.

Энергия турбулентных пульсаций в поперечном сечении и по высоте циклона имеет большие значения в традиционной конструкции приблизительно на 9%, чем в циклоне с уступами, что приводит к лучшей дисперсии частиц в потоке и увеличению эффективности циклона. Опыты подтвердили незначительное снижение значения эффективности циклона с уступами по сравнению с традиционным циклоном.

Пятая глава посвящена сопоставлению энергетических и пылеулавливающих характеристик циклона с внутренними элементами с известными циклонными аппаратами.

В первом разделе определены константы а = 3,656 и п = 0,135, которые позволят рассчитывать пылеуловитель с внутренними элементами с помощью универсального метода и сопоставить с другими аппаратами на основе энергетического принципа М.И. Шиляева. В результате получена зависимость фракционного коэффициента проскока К& от инерционного числа Стокса БИс = то/с/ (где г - время динамической релаксации частицы пыли, со - приведенная скорость газа в пылеуловителе диаметром с!)

V _ -ЭфвБИс"'™

л-8_е '

с помощью которой можно рассчитывать аппараты данного типа, используя универсальную номограмму и энергетический принцип. Также определение констант а, п и коэффициента сопротивления пылеуловителя с внутренними элементами позволило пополнить банк данных по характеристикам инерционных пылеуловителей, предложенный М.И. Шиляевым.

Во втором разделе с помощью энергетического принципа проведено сопоставление с циклонными аппаратами НИИОГАЗ. Пылеуловитель с внутренними элементами по энергетическому принципу сравнения имеет удельные энергозатраты близкие с циклонами ЦН-15у и ЦН-24. С другими циклонами НИИОГАЗ конкурировать циклону с внутренними элементами по энергозатратам сложно. Обращает на себя внимание линейный размер циклонных аппаратов с меньшими энергозатратами, таких как СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и СЦН-40, который значительно превышает величину с! циклона с внутренними элементами практически вдвое. При ограничении в габаритах, что нередко можно встретить на производстве, циклон с внутренними элементами может достойно занять место для процессов очистки газопылевых потоков с целью создания нормальных условий окружающей среды как в производственных помещениях, так и в технологических системах.

Шестая глава содержит результаты промышленных испытаний циклонов с внутренними элементами 0 560 мм и 700 мм на УСТК коксохимического предприятия ОАО «Кокс» (г. Кемерово), которые были спроектированы по результатам лабораторных исследований и аналогичны лабораторной модели пылеуловителя 0 250 мм.

Производственные испытания на эффективность и гидравлическое сопротивление двух действовавших циклонов при последовательном соединении показали, что их гидравлическое сопротивление при расходе 2400-3000 м3/ч равно 3000-3300 Па, а общее сопротивление двух циклонов с внутренними элементами при последовательном включении в работу составило 880-1020 Па. Видно, что сопротивление новых циклонов (с внутренними элементами) в 3 раза меньше действующих. Эффективность очистки воздуха одного циклона с уступами 0 700 мм и двух действующих циклонов практически одинакова и в среднем составляет около 80 %.

Пониженное сопротивление нового циклона позволяет успешно перемещать пыль (исчезло периодическое забивание аспирационной транспортной системы пылью) от установки сухого тушения кокса в пылеосадительную систему. Кроме того, низкое гидравлическое сопротивление нового циклона позволяет достаточно легко поддерживать необходимый высокий с незначительными отклонениями расход воздуха в транспортной системе, что позволяет транспортировать пыль с большим расходом, а значит и с большей концентрацией. Время для транспортировки одинакового объема пыли сокращается почти в 4 раза.

Достоинством новых циклонов является низкое гидравлическое сопротивление по сравнению с гладкостенными циклонами при прочих одинаковых условиях и параметрах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационное исследование является научно-квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной технической задачи, заключающейся в создании и разработке средства коллективной защиты от промышленной пыли работников химических, горных и металлургических предприятий. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие выводы:

1. Разработана новая конструкция эффективного циклона, имеющего рельефные поверхности с отрывными зонами и обращенным вверх усеченным конусом, обладающего меньшим, в 2 раза, аэродинамическим сопротивлением по сравнению с гладкостенным. Снижению гидравлического сопротивления циклона способствует наличие отрывных зон на рельефных поверхностях.

2. Моделирование турбулентного течения газа в пылеуловителе нового типа и гладкостенного на основе программного комплекса оБ1о\у показало, что:

- расчеты картины течения в циклоне качественно удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными;

- численные значения энергии турбулентных пульсаций для гладкостенного и нового типа циклонов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными по эффективности пылеулавливания этих пылеуловителей;

- снижение гидравлического сопротивления циклона с внутренними элементами по сравнению с гладкостенным аппаратом происходит вследствие перестройки течения: уменьшение тангенциальной скорости с одновременным увеличением аксиальной скорости потока в циклоне.

3. Получена расчетная зависимость, основанная на универсальном методе М.И. Шиляева, для определения основных характеристик нового типа циклонов, позволяющая производить экономически обоснованный выбор пылеуловителя.

4. Пополнен банк данных по характеристикам инерционных пылеуловителей новым циклоном на основе экспериментально определенного коэффициента сопротивления и параметров, входящих в экспоненциальную зависимость для коэффициента проскока.

5. Данные промышленных испытаний циклонных аппаратов с внутренними элементами на ОАО «Кокс» хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований лабораторных образцов.

В результате внедрения разработанного научно-технического решения будет достигнут положительный эффект, связанный со снижением пылевыде-лений, в сфере охраны труда работников химических, коксохимических, горных, металлургических предприятий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Богомолов, А. Р. Экспериментальная установка по исследованию аппарата сухого пылеулавливания / А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик, Е. Ю. Темнико-ва // Вестник КузГТУ / Гос. образоват. учреждение Кузбас. гос. техн. ун-т. -Кемерово, 2005. - № 4.2. -С. 67-71.

Патенты

2. Пат. 2316397 Российская Федерация, МПК51 В 04 С 5/107. Пылеуловитель мелкодисперсной пыли / А. Р. Богомолов, Ю. О.Афанасьев, С. Д. Тихов, Е. А. Кошелев, П. Т. Петрик, Е. Ю. Темникова; заявитель и патентообладатель ГУ КузГТУ - № 2006122092/15; заявл. 20.06.06; опубл. 10.02.08. Бгол. № 4. -9 е.: ил.

Статьи в других изданиях

3. Темникова, Е. Ю. Исследование характеристик циклона с внутренними элементами / Е. Ю. Темникова, А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик // Вестник КузГТУ / Гос. образоват. учреждение Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2009.-№2.-С. 140-144.

Материалы конференций и семинаров

4. Богомолов, А. Р. Дисперсность и плотность пылей коксохимических предприятий / А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик, Г. С. Пермякова, Е. Ю. Темникова // Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты: тр. VIII международ. науч.-практ. конф., 10-12 мая 2005 г. -Кемерово, 2005. - С. 107-i 12.

5. Богомолов, А. Р. Исследование эффективности очистки пылеуловителя, имеющего сепарационные зоны / А. Р. Богомолов, Е. Ю. Темникова. // Проблемы теплофизики и теплоэнергетики: сб. докл. IV семинара вузов Сибири и Дальнего Востока, 18-20 сент. 2005 г. - Владивосток, 2005. - С. 219-220.

6. Богомолов, А. Р. Организация процессов сепарации запыленных потоков, сопровождающихся эффектом Коанда/ А. Р. Богомолов, Е. Ю. Темникова [Электронный ресурс]. // Сборник трудов XXVIII сибирского теплофизического семинара, 12-14 окт. 2005 г., Новосибирск. - Электрон, текстовые дан - Новосибирск, 2005. - 1 электрон, диск (CD-ROM). - Систем, требования: Windows 95 и выше; дисковод CD-ROM48x. - Загл. с экрана.

7. Богомолов, А. Р. Энергозатраты и эффективность циклонных аппаратов, имеющих зоны разрежения / А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик, Е. Ю. Темникова [Электронный ресурс]. // Сборник материалов Международной научно-

практической конференции «Инновационная энергетика», 15-16 нояб. 2005 г., Новосибирск. - Электрон, текстовые дан - Новосибирск, 2005. - 1 электрон, диск (CD-ROM). - Систем, требования: Windows 95 и выше; дисковод CD-ROM48X. - Загл. с экрана.

8. Темникова, Е. Ю. Пылеуловитель с рациональными элементами высокой очистки при пониженных энергозатратах / Е. Ю. Темникова, А. Р. Богомолов // Проблемы теплофизики и теплоэнергетики: мат. V семинара вузов Сибири и Дальнего Востока, 26-30 сент. 2007 г. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. -С. 15-19.

9. Темникова, Е. Ю. К расчету пылеуловителя с рациональными элементами на основе универсального метода / Е. Ю, Темникова,П. Т. Петрик, А. Р. Богомолов // Энергетика: экология, надежность, безопасность: мат. док. XIII всеросс. науч.-техн. конф., 5-7 декаб. 2007 г. - Томск: Изд-во ГПУ, 2007. -С. 258-261.

10. Богомолов А. Р. Влияние зон разрежения пылеуловителя на общее гидравлическое сопротивление / А. Р. Богомолов, П. Т. Петрик, Е. Ю. Темникова // Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты: тр. XI международ. науч.-практ. конф., 22-25 апр. 2008 г. - Кемерово, 2008. - С. 265-267.

11. Темникова, Е. Ю. Сравнение рабочих характеристик традиционного циклона и имеющего внутренние элементы с помощью программного комплекса oFLOW / Е. Ю. Темникова, М. Ю. Чернецкий // Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты: тр. XII международ, науч.-практ. конф., 21-24 апр. 2009 г. - Кемерово, 2009. - С. 131 -132.

12. Темникова, Е. Ю. Анализ газодинамических структур течения в пылеуловителе, имеющем внутренние элементы, с помощью программного комплекса oFlow / Е. Ю. Темникова, М. Ю. Чернецкий, А. А. Дектерев, А. Р. Богомолов // Всерос. семинар кафедр вузов но теплофизике и энергетике: тез. докл., 13-15 мая 2009 г., Красноярск. - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 2009.-С. 106-106.

Подписано в печать 15.01.2010 г. Формат 60x84 1/16 Объем 1,2 п.л. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано на ризографе. ГУ Кузбасский государственный технический университет 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

Типография ГУ КузГТУ. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Темникова, Елена Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫХ РАЗРАБОТОК

ПЫЛЕОЧИСТИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. Конструкции циклонных пылеуловителей

1.2. Использование отрывных течений для интенсификации процессов

1.3. Методические основы к расчету, сопоставлению и выбору пылеулавливающих аппаратов

Выводы. Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Описание экспериментального стенда и рабочих участков

2.2. Выбор рабочего вещества и его свойства

2.3. Методика измерений и проведения эксперимента

ГЛАВА 3. ОБСУЖДЕНИЕ И ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

3.1. Результаты и анализ эффективности пылеулавливания

3.2. Гидродинамические результаты и их сравнение

3.3. Анализ динамических характеристик

3.4. Обоснование выбора системы вентиляции с применением циклона, имеющего рельефные поверхности

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ

ГЛАВА 5. СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТА С ЦИКЛОНАМИ СТАНДАРТИЗИРОВАННЫМИ

5.1. Определение констант к расчету универсальным методом

5.2. Энергетический принцип сравнения пылеуловителей

ГЛАВА 6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЦИКЛОНОВ 142 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152 Условные обозначения 154 Список использованной литературы 156 Приложение

Введение 2010 год, диссертация по безопасности жизнедеятельности человека, Темникова, Елена Юрьевна

Вопросы очистки от пыли газовоздушных потоков промышленных предприятий были и остаются актуальными и связаны с обеспечением снижения экологического вреда, наносимого выбросом дисперсных частиц с отходящими газами в химической (коксохимической), горной, металлургической и других отраслях промышленности.

Предотвращение загрязнения атмосферы является одной из важнейших проблем глобального характера. Газообразные вещества и пылеватые материалы могут перемещаться на большие расстояния и накапливаться, и при высоких концентрациях на поверхности Земли они способны воздействовать на условия растительного и животного мира как в локальном, так и в глобальном масштабе.

Обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда на промышленных предприятиях требует обеспыливания воздуха, подаваемого в помещения. Промышленные пыли относятся к аэрозолям, вредно действующим на органы дыхания человека [1] и в том числе раздражают кожу, глаза, уши, десны. Вредность пыли зависит от количества, дисперсности и формы (структуры) пылинок. Чем больше пыли витает в воздухе, чем мельче пыль, тем она опаснее. Более крупные пылинки быстро оседают в воздухе, а при вдыхании задерживаются в носоглотке и удаляются (мерцательным эпителием - покровные клетки с колеблющимися жгутиками) к пищеводу. Пылинки размером от 0,1 до 10 мкм в воздухе оседают медленно и проникают глубоко в легкие. При этом они вызывают профессиональные заболевания - пневмокониозы, которые ведут к ограничению дыхательной способности легких (силикоз, антракоз и др.). Изменения, вызываемые в легких осажденными в них частицами, развиваются, как правило, медленно в течение нескольких лет. При пневмоко-ниозе (карбокониозе, антракозе, графитозе - при вдыхании угольной, коксовой пыл ей) [1] частицы угля задерживаясь в легких длительное время, постепенно вызывают разрастание вокруг каждой пылинки соединительной ткани, которая не способна воспринимать кислород из вдыхаемого воздуха, насыщать им кровь и выделять при выдохе углекислоту. При длительном стаже работы в условиях повышенной запыленности происходит разрастание соединительной ткани, которая постепенно замещает легочную, снижая основную функцию легких. Длительная недостаточность кислорода приводит к отдышке (при быстрой ходьбе и работе), ослаблению организма (перегрузка защитных и очищающих механизмов организма), понижению работоспособности, снижению сопротивляемости организма инфекционным и другим заболеваниям, изменениям функционального состояния других органов, систем и организма в целом [2]. В результате всех этих изменений происходят постепенно увеличивающиеся нарушения здоровья человека, которые могут привести к летальному исходу. В последних стадиях пневмокониоза больные нередко заражаются туберкулезом, пневмонией, ускоряющим наступление смерти [1].

Не менее важным аспектом в предотвращении выбросов дисперсных включений из газопылевых потоков является полное и комплексное использование сырья, которое напрямую связано с динамикой оптовых цен на первичные ресурсы, так как в некоторых случаях улавливаемая пыль представляет определенную ценность: например, пыли цветных и редких металлов, коксовая и угольная пыль - полнота использования которых позволяет снизить производственные затраты.

Поэтому развитие многих отраслей производства в сочетании с задачами охраны природы и рационального использования ее ресурсов часто оказываются тесно связанными с проблемой разделения пылесодержащих потоков.

Проведенный анализ состояния проблемы по технологическим выбросам в атмосферу на коксохимических предприятиях с установками сухого тушения кокса и разработкой средств для улавливания пыли [3] показал, что при выборе аппаратов для улавливания коксовой пыли, исходя из достаточно эффективной работы существующих циклонов, но имеющих главным недостатком высокое гидравлическое сопротивление, и имея в виду необходимость ликвидации водно-шламового хозяйства пылеулавливания, предпочтение следует отдать сухим методам и аппаратам.

Важную роль в решении многих технических вопросов в химической, угольной, металлургической и других отраслях промышленности играют исследования динамики газовзвесей, т.е. структур течения в пылеуловителях, особенно, с отрывными течениями, создающими условия образования турбулентных жгутов, вихревых потоков, внутрь которых засасываются частицы пыли. Возрастающий интерес к вихревым ловушкам на криволинейных поверхностях тел стимулирует использование отсоса потока в качестве инструмента интенсификации течения.

Все выше сказанное требует создания и освоения эффективных и экономически выгодных систем пылеулавливания. То есть разработки оборудования, обеспечивающего не только высокую эффективность очистки газов, но и минимально возможные капитальные затраты на его сооружение и, что очень важно, минимально возможные удельные энергозатраты на его эксплуатацию.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. На основе анализа конструкций циклонов разработать пылеуловитель с внутренними рельефными поверхностями.

Объектом исследования является пылеуловитель с рельефными поверхностями, предметом исследования - закономерности процессов пылеочистки и аэродинамики в циклонных аппаратах с зонами отрыва потока.

Методы исследования. Работа выполнена с применением патентно-информационного анализа проблемы, методов математического моделирования (использование программного комплекса аР1олу), экспериментальных методов: лабораторных, полупромышленных и натурных, измерений и наблюдений (с помощью скоростной цифровой видеокамеры).

Положения, выносимые на защиту:

Научная новизна:

1. Установлено, что конструкция пылеуловителя с отрывными зонами позволяет эффективно проводить процесс очистки газопылевого потока с пониженным гидравлическим сопротивлением в сравнении с гладкостенными традиционными циклонами. Впервые показано, что наличие отрывных зон на внутренних рельефных поверхностях способствует снижению гидравлического сопротивления циклона в 2 раза по сравнению с гладкостенными циклонами.

Къ-е ' , позволяющие рассчитывать циклоны с рельефными поверхностями с использованием универсальной номограммы и энергетического принципа М.И. Шиляева.

Практическая значимость:

Личный вклад. Наиболее значимыми результатами, полученными лично автором, являются: создание техники экспериментов; проведение экспериментов по определению свойств пылей, их улавливанию в аппаратах, по гидродинамике в аппаратах; обработка и представление первичных и обобщенных экспериментальных данных; участие в постановке задачи по моделированию гидродинамических процессов пылеуловителей; расчет для сопоставления энергетических и пылеулавливающих характеристик аппарата с циклонами стандартизированными; участие в промышленных испытаниях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались автором на VIII, XI, XII международной научно-практической конференции «Химия - XXI век. Новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2005, 2008, 2009), IV, V семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (Владивосток, 2005; Иркутск, 2007), XXVIII Сибирском теплофизиче-ском семинаре (Новосибирск, 2005), Международной научно-практической конференции «Инновационная энергетика» (Новосибирск, 2005), XIII всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Красноярск, 2009).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 12 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК - 1, 1-ом патенте, материалах трудов конференций и семинаров — 9.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность коллегам из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск) А.Р. Богомолову за идею работы, неизменное внимание к работе, поддержку и огромную помощь при выполнении работы, C.B. Алексеенко, H.A. Прибатури-ну за внимание, обсуждение и техническую поддержку при проведении видеосъемок процессов высокоскоростной камерой, A.A. Дектереву, М.Ю. Чернец-кому за результаты совместной работы по моделированию процессов в программном комплексе aFlow, из КузГТУ Ю.О. Афанасьеву за обсуждение работы и участие в создании техники эксперимента, работникам предприятия ОАО

Кокс» (г. Кемерово) С.Д. Тихову , Е.А. Кошелеву за сотрудничество и техническую помощь в создании техники экспериментов, промышленных образцов и их испытаниях на предприятии.

Заключение диссертация на тему "Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями"

Выводы. Постановка задач исследования

Борьба с загрязнением атмосферы стала одной из важнейших государственных проблем социального характера. Состояние воздушного бассейна промышленных районов определяется главным образом уровнем развития техники очистки дымовых и других газов промышленных установок. Очистка технологических выбросов является частью основного производства, которая должна проектироваться одновременно с ним. Правильное применение средств техники обеспыливания воздуха приобретает особое значение в современных условиях растущего загрязнения атмосферы. Существенного снижения пылевыделений на рабочих местах и выброса в воздушную окружающую среду можно добиться с помощью системного подхода к анализу физических свойств пыли, концентрационных колебаний запыленного потока, характеристик пылеуловителей.

В практике до настоящего времени при разработке устройств пылеуловителей главным являлся только один показатель - наибольшая степень очистки. С недавнего времени и в будущем ставится задача создание пылеуловителей, отвечающих высоким не только технологическим, но и экономическим требованиям. Поэтому наиболее перспективные, предлагаемые в последнее время конструкции, анализ которых проведен в разделе 1.1, имеют высокий коэффициент сопротивления и не могут иметь успеха массового внедрения в производство. Стремление к оптимизации процессов пылеочистки, направленной на получение гармоничного соотношения величин степени улавливания и гидравлических потерь газоочистительного оборудования — актуальное в настоящее время направление в создании энергоэффективных установок циклонного типа, как самых надежных и простых в изготовлении и эксплуатации.

Укажем, что объем исследований поведения аэрозольных частиц в турбулентных газовых потоках и влияние самих частиц на динамику потока газа весьма широк и не исчерпывается тем кругом вопросов, которые рассмотрены в обзоре и анализе первой главы. Следует отметить, что важную роль в решении многих технических вопросов в химической, угольной, металлургической и других отраслях промышленности играют исследования динамики газовзвесей, то есть структур течения в пылеуловителях, особенно, с отрывными течениями, создающими условия образования турбулентных жгутов, вихревых потоков, внутрь которых засасываются частицы пыли. В последнее время разработчиками уделяется особое внимание рассмотрению вопросов, представляющих интерес для решения задач охраны атмосферного воздуха, а именно, исследованию эффективности новых конструкций циклонных аппаратов по очистке газов от взвешенных в них частиц, разработке надежных и простых мебтодик расчета, привлечениию коммерческих пакетов прикладных программ для моделирования процессов, происходящих в циклонных аппаратах.

В связи с этим, конструктивные особенности аппаратов из [13, 14] являются наиболее интересными по сравнению с остальными, так как одним из актуальных направлений современной гидродинамики и теплофизики является вихревая и струйная организация, а также самоорганизация на поверхностях траншейных покрытий в виде каверн, вихревых ячеек, которая позволяет существенно повысить эффективность тепломассообмена и снизить аэродинамическое сопротивление при обтекании таких поверхностей и предложить новые технические решения установок и аппаратов. Достаточно скудная информация по новым техническим способам и конструкциям пылеулавливающих устройств, использующим нетрадиционные решения, включающие в себя установку внутренних рельефных поверхностей с отрывными зонами, дает право рассматривать предложенные решения направлением дальнейших экспериментальных и модельных исследований с целью понимания физического механизма вихревой интенсификации, управления и оптимизации процессов в сепара-ционных и пылеуловительных установках.

Технологии численного моделирования турбулентных потоков позволяют совершенствовать существующие конструкции циклонных аппаратов и создавать принципиально новые конструкции циклонов, которые будут иметь высокий коэффициент улавливания тонкодисперсных частиц при низком гидравлическом сопротивлении. Конечные пользователи прикладного программного обеспечения для моделирования движений жидкости и газа оказываются перед выбором применения готовых инструментальных проблемно-ориентированных средств. Программный комплекс стР1о\¥ - современное средство моделирования, основанное на численном решении уравнений гидрогазодинамики, позволяет проанализировать вклад, как правило, следующих факторов: физические свойства дисперсного материала, начальную концентрацию газопылевого потока на входе, рабочую температуру и реальный расход газа. Комплекс применим для решения широкого круга задач по анализу эффективности пылеулавливания в реальных условиях эксплуатации.

В литературе имеются рекомендации к расчету и сопоставлению циклонов НИИОГАЗ [5], которые можно считать полными, достаточно строгими, надежными и с логической точки зрения безупречными. Расчет циклонов НИИОГАЗ основан на использовании эмпирических вероятностных функций, описывающих фракционные эффективности пылеулавливания для каждого аппарата, и представляется двумя методами: аналитическим и графоаналитическим.

В конце XX века назрела необходимость, чему способствовал огромный накопленный потенциал школы М.И. Шиляева, в создании единой теории сравнения пылегазоочистного оборудования. Эта теория должна, во-первых, обобщить весь имеющийся экспериментальный и теоретический материал, во-вторых, дать способ описания характеристик имеющихся аппаратов с единой позиции и, в-третьих, сформулировать принципы, позволяющие из всего многообразия пылеулавливающей техники выбирать именно те конструкции, которые оптимально решают задачу газоочистки в конкретных условиях. На основе этой теории сформулирован энергетический принцип сопоставления инерционных пылеуловителей, сущность которого заключается в математическом выражении связи между удельными энергозатратами на очистку газов в аппаратах либо в их комплексах при равных эффективностях пылеулавливания. Математическая формулировка принципа позволяет находить оптимальные условия эксплуатации и компоновки аппаратов при минимальных энергозатратах, обеспечивая требуемую степень очистки газов.

В связи с изложенными в обзорной части диссертации материалами, в работе поставлены задачи:

1. На основе анализа конструкций циклонов разработать пылеуловитель с внутренними рельефными поверхностями.

ГЛАВА 2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Описание экспериментального стенда и рабочих участков

Исследования физических моделей пылеуловителя проводились на экспериментальном стенде, схема которого представлена на рис. 2.1.1. Выход потока газов из циклона осуществляется в газовый тракт через сравнительно длинный прямой выходной участок с диаметром, равным диаметру выхлопного патрубка циклона - работа циклона в сети.

Экспериментальный стенд (рис. 2.1.1) состоит из следующих основных частей: рабочего участка (циклона 1 с бункером пыли 2), дозатора-питателя 3, соединительного трубопровода 4, измерительной диафрагмы 5, воздуходувки 6

Рис. 2.1.1. Экспериментальный стенд и рукавного фильтра 7. Также на рис. 2.1.1 обозначены места измерения давления или разрежения 8. Дозатор-питатель 3 предназначен для подачи пыли в трубопровод 4. Диаметр спирального шнека дозатора составлял 9 мм, шаг спирали - 3 мм. Электропитание двигателя дозатора-питателя производилось посредством блока питания. Диаметр трубопровода 4 в зависимости от рабочего участка составлял 48 или 100 мм. Измерительная диафрагма 5 представляет собой стандартное сужающее устройство с модулем т = 0,5. Длина прямого участка трубопровода 4 постоянного диаметра перед диафрагмой составляла 30 диаметров трубопровода, за диафрагмой - 14 диаметров трубопровода, что соответствует требованиям к стандартным сужающим устройствам [75]. Воздуходувка 6 представляет собой одноступенчатый центробежный вентилятор высокого давления типа Косточкина ВД-2. Основные характеристики воздуходувки - производительность 1400 м3/ч, давление 2600 Па, мощность двигателя 2,05 кВт. Рукавный фильтр 7 имеет цилиндрическую форму и изготовлен из ткани. Фотография экспериментального стенда показана на рис. 2.1.2.

Рис. 2.1.2. Фотография экспериментального стенда

Рабочими участками выступали два пылеуловителя (рис. 2.1.1): циклон из кварцевого стекла диаметром 85 мм и циклон из оцинкованного железа диаметром 250 мм. Размеры пылеуловителей характерны ЦН-15, кроме угла наклона входного патрубка, который был равен 0°. Каждый циклон содержит плоский входной канал, цилиндрический корпус, коническое днище, выхлопную трубу, бункер пыли. Кроме того, пылеуловители имеют разборную конструкцию, позволяющую получать из традиционных циклонов аппараты с внутренними элементами. В качестве внутренних элементов циклона диаметром 85 мм служат уступ, расположенный по образующей корпуса циклона, (рис. 2.1.1) и устройство (полый усеченный конус, обращенный вниз, как в [13], полый цилиндр как в [14] и полый усеченный конус, обращенный вверх, предложенный автором), находящееся в нижней части цилиндрического корпуса. Внутренними элементами циклона диаметром 250 мм служат 3 уступа-каверны (для создания зон разрежения), которые для наглядности показаны на рис. 2.1.3, расположенные по образующим цилиндрической части циклона и ограниченные высотой входного патрубка, и усеченный полый конус, обращенный вверх, находящийся в нижней части цилиндрического корпуса, где он соединяется с коническим днищем, представленные в продольном и поперечном сечениях циклона на рис. 2.1.1.

Рис. 2.1.3. Внутренняя полость циклона с уступами-кавернами

Работа экспериментального стенда осуществлялась следующим образом. При помощи воздуходувки 6 воздух из атмосферы поступает в трубопровод 4, пыль из спирального дозатора-питателя 3 подается в трубопровод 4. Полученный при смешении пыли с воздухом аэрозоль вводится тангенциально в верхнюю часть пылеуловителя 1. В аппарате 1 происходит отделение пыли от воздуха. Пыль собирается в бункере 2, а очищенный воздух выходит через выхлопную трубу циклона 1 и перед выбросом в атмосферу дополнительно проходит через рукавный фильтр 7. Точки измерения давления (разрежения), располагаемые по образующей циклона, в зонах разрежения, на криволинейной поверхности, в бункере, до и после циклона наглядно показаны на рис. 2.1.1 и 2.1.4.

Рис. 2.1.4. Схема расположения точек для измерения давления (разрежения)

Принцип работы пылеуловителя следующий. Запыленный газовый поток входит в аппарат тангенциально через плоский канал входного участка. Сформировавшийся вращающийся поток (внешний вихрь) опускается по кольцевому пространству, образуемому внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса и выхлопной трубой и попадает в конусную часть. Частицы пыли под действием центробежной силы прижимаются к стенкам корпуса циклона и в нижней части конусного днища отделяются и опускаются через пылеотво-дящее отверстие в бункер пыли с частью воздуха. В конусной части поток газа поворачивается и движется вверх к выхлопной трубе, через которую выходит из аппарата, образуя внутренний вращающийся вихрь. Попавшая в бункер и освободившаяся от пыли часть воздуха возвращается в циклон через центральную часть пылеотводящего отверстия, давая начало внутреннему вихрю очищенного газа, покидающего аппарат. По мере движения этой части газа в сторону выхлопной трубы к ней постепенно присоединяются порции газов из основного потока.

При движении внешнего вихря в пылеуловителе, имеющем внутренние элементы, за уступами (в кавернах), установленными по пути движения потока, создаются зоны разрежения. На срезе уступа (рис. 3.2.8 б) запыленная струя попадает в ограниченное пространство с прилегающей боковой цилиндрической стенкой аппарата, искривляется и присоединяется к стенке на некотором удалении от уступа и при этом за уступом создается отрывная зона, в которой зарождается вихрь. После срыва струи с уступа некоторая часть потока втекает в каверну от точки присоединения (возвратное течение) и циркулирует там.

Это позволяет мелкодисперсным частицам пыли перемещаться из основной струи в отрывную зону и затем по вихревой нити вниз, так как в нижней части каверны происходит свободный сток, зависящий от общего расхода и места расположения конуса (внутреннего устройства) относительно выхлопной трубы.

Эжектирующее свойство потока (струи) находит проявление в отрывной зоне, где создается достаточное разрежение, позволяющее переносить (вовлекать) пристенные слои (с частицами пыли), срывающиеся со среза уступа, в зону разрежения, то есть часть массового потока струи, имеющая высокую концентрацию пыли отводится в отрывную зону, из которой пыль вдоль стенки перемещается внешним спиралевидным потоком в пылеотводящее отверстие и в бункер пыли.

Известно, что поверхностное трение стенки циклона оказывает тормозящее действие на поток при его вращении. При данных габаритах и расходах путь движения внешнего спиралевидного потока в традиционном циклоне намного больше, чем в циклоне с уступами. Часть пути основной поток движется, не касаясь стенок циклона. На границе между струей потока и зоной разрежения возникает слой смешения, толщина которого растет с расстоянием вплоть до соприкосновения со стенкой. Вследствие меньшей длины пути потока, соприкасающегося со стенкой аппарата, происходит уменьшение сопротивления трения и в итоге общего гидравлического сопротивления.

Установка усеченного полого конуса, обращенного вверх и находящегося в нижней части цилиндрического корпуса, позволяет получить скорости вращающегося основного газопылевого потока ниже каверн большие, чем в зоне каверн, тем самым позволяя направить движение пыли по спиралевидной вихревой нити в отрывной зоне сверху вниз (организовать сток) и затем в конусную часть корпуса, т. е. из области большего давления по всей длине каверн в зону меньшего давления ниже каверн и далее в бункер. Второе положительное действие установленного усеченного конуса проявляется в том, что вторичный ток, вращающийся во внутренней области этого усеченного конуса с мелкодисперсной пылью, сносится вниз (в направлении бункера) по расширяющейся поверхности конуса, захватывается основным потоком газа и движется по конусной части пылеуловителя в бункер пыли. Таким образом, мелкодисперсная пыль не выносится восходящим потоком в выходной патрубок, а улавливается и ссыпается в бункер пыли.

2.2. Выбор рабочего вещества и его свойства

Надежность и эффективность работы пылеочистительных устройств в любой отрасли промышленности в значительной мере зависят от свойств аэродисперсных систем, определяющих особенности физических законов их поведения. Для коксохимического производства характерно несколько видов газопылевых потоков и мест выделения пыли.

Основными физико-химическими свойствами промышленной пыли, которые следует изучать и учитывать при проектировании, выборе и эксплуатации систем газоочистки, являются дисперсный состав (дисперсность), плотность и сыпучесть.

Методы определения этих свойств весьма многообразны и достаточно полно описаны в литературе [76, 77].

Ниже приведены экспериментально полученные сведения о характеристиках угольной пыли (УП) и коксовых пылей (КП) установки беспылевой выдачи кокса (УБВК), установки мокрого тушения кокса (УМТК) и установки сухого тушения кокса (УСТК), взятых на действующем коксохимическом предприятии ОАО «Кокс» г. Кемерово.

2.2.1. Дисперсность пыли

Без характеристики степени дисперсности промышленной пыли нельзя объективно оценить эффективность действующих пылеочистительных устройств. Так как методы расчета эффективности пылеуловителей основаны на использовании данных о дисперсном составе улавливаемой пыли и фракционных степенях очистки.

Дисперсный состав пыли имеет важное гигиеническое значение при оценке степени ее вредности. Частицы пыли крупнее 5 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях (нос, рот, носоглотка). Более мелкие частицы проникают в нижние дыхательные пути (гортань, трахея бронхи) и влияют на увеличение острых респираторных заболеваний. Фракции пыли в диапазоне 0,1-1 мкм достигают альвеол легких и, задерживаясь в них могут привести к тяжелым заболеваниям - пневмокониозам [77].

Промышленные пыли - это, как правило, полидисперсные системы, содержащие частицы различных размеров. В главе 1 представлена система классификации пылей по их дисперсности с использованием классификационной номограммы, в соответствии с которой определяется классификационная группа пылей, полученных с коксохимического предприятия, а именно, угольная пыль (УП) и коксовые пыли (КП) установки беспылевой выдачи кокса (УБВК), установки мокрого тушения кокса (УМТК) и установки сухого тушения кокса (УСТК).

Разделение пыли на фракции производили механическим способом. Прибор для механического просева (вибросито) с кругообразным движением сит в горизонтальной плоскости имел амплитуду движения сит 15 мм при частоте 300 об/мин.

Ряд использованных сит в мкм: 400, 250, 200, 160, 100, 50. Лабораторные сита имели диаметр 200 мм и высоту 50 мм. Воздушносухая навеска пыли (сухой просев) при каждом рассеве составляла около 200 г. Для интенсификации процесса перемешивания пыли (уменьшение времени анализа) в каждое сито укладывались по 5 резиновых кубиков размером ребра 10 мм. Время рассева составляло 30 мин, которое было установлено экспериментально в соответствии с рекомендациями [76, 77] по окончанию рассева, если остаток на сите уменьшается не более чем на 0,2 % в течение 2 мин. После окончания рассева каждая фракция взвешивалась с точностью до 0,01 г. Потери пыли при выполнении анализа не превышали 2 % от общей массы навески. Для достоверности рассева выполняли два анализа.

Фракция от 0 до 50 мкм дополнительно исследовалась с применением электронного цифрового микроскопа с 200-кратным увеличением. Электрон-номикроскопические снимки некоторых пылей показаны на рис. 2.2.1. Подсчет числа частиц в поле зрения под микроскопом и их распределение по фракциям осуществляли при помощи компьютерной программы. Для достоверности полученных значений производилась компьютерная обработка нескольких снимков одной и той же пыли, результаты которых подвергались осреднению.

Рис. 2.2.1. Электронномикроскопический снимок частиц пылей

Фракцией от 0 до 50 мкм: а — угольная пыль (УП), б - коксовая пыль установки сухого тушения кокса (КП УСТК), в - коксовая пыль установки беспылевой выдачи кокса (КП УБВК)

Полученный по результатам дисперсионного анализа фракционный состав пылей сведен в табл. 2.2.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

2. Моделирование турбулентного течения газа в пылеуловителе нового типа и гладкостенного на основе программного комплекса аР1о\у показало, что:

В результате внедрения разработанного научно-технического решения будет достигнут положительный эффект, связанный со снижением пылевыделений, в сфере охраны труда работников химических, коксохимических, горных, металлургических предприятий.

Условные обозначения

В - атмосферное давление, Па;

С - концентрация пыли в воздушном потоке, г/м3; - проход, %; с1 — диаметр циклона, мм;

4 - диаметр выхлопной трубы, мм;

И — высота цилиндрической части корпуса циклона, мм; к/с— высота плоского входного канала, мм; к\ - глубина погружения выхлопной трубы, мм; 1- Г|/100 - полный коэффициент проскока; - фракционный коэффициент проскока; / - общая длина близлежащей стенки между уступами, мм; /г - длина, отсчитываемая от первого уступа, мм; Ра, - абсолютное давление в точках замеров, Па; Р1 = В - Ра- разрежение в точках замеров, где / = 1,2., Па; о

2 - расход газа, м /с; Я — остаток, %; и - аксиальная скорость потока, м/с;

АР = <^рсо /2 - гидравлическое сопротивление, Па;

5 - размер частицы, мкм;

С, — коэффициент сопротивления; т] — эффективности пылеулавливания, %; ц - коэффициент динамической вязкости воздуха, Па-с;

V - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с; р - плотность газа, кг/м3; рт - плотность частиц, кг/м ; а - среднеквадратичное отклонение, характеристика пыли;

T = ^m du Время динамической релаксации частиц масс-медианным 18ц размером ô5o, с; и — тангенциальная скорость потока, м/с; со — условная (приведенная) скорость газа в циклоне, м/с;

Re = сod/v - критерий Рейнольдса;

Stk50 = т50 — - критерий Стокса (инерционное число Стокса)

Библиография Темникова, Елена Юрьевна, диссертация по теме Охрана труда (по отраслям)

1. Грин, X. Аэрозоли пыли, дымы и туманы / X. Грин, В. Лейн. — Л.: Химия, 1972.-428 с.

2. Безопасность труда в химической промышленности: учеб. пособие для вузов / Л. К. Маринина и др.; под ред. Л. К. Марининой. М.: Академия, 2006. - 528 с.

3. Стефаненко, В. Т. Исследования технологических выбросов в атмосферу и разработка средств для улавливания пыли на коксохимических пред-притиях: Автореф. дис. . д-ра техн. наук: 05.17.07 / ФГУП «ВУХИН». Екатеринбург, 2007. - 47 с.

4. Стефаненко, В. Т. Очистка от пыли газов и воздуха на коксохимических предприятиях / В. Т. Стефаненко. М.: Металлургия, 1991. - 72 с.

5. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. Ярославль: Верхнее-Волжское кн. изд-во, 1970.-94 с.

6. А.С. 1679709 СССР. Циклон. Авт.: Б. К. Смирнов, С. М. Комаров, А. В. Сугак, Н. П. Рогозина, Е. Г. Кисельников, В. М. Матвеев. Заявл. 16.10.89; № 4749492/26. Опубл. 10.07.96. Б.И. № 19.

7. Пат. 2260476 Российская Федерация, МПК7 В 04 С 5/103. Пылеуловитель / А. М. Гавриленков, Е. А. Рудыка; заявитель и патентообладатель Во-ронежск. гос. технолог, акад. № 2004124858/15; заявл. 13.08.2004; опубл. 20.09.2005, Бюл. № 26.

8. Пат. 2256510 Российская Федерация, МПК7 В 04 С 9/00. Циклон / А. С. Кочетов, М. О. Кочетова, Т. Д. Ходакова; заявитель и патентообладатель Кочетов А. С., Кочетова М. О., Ходакова Т. Д. № 2004117818/15; заявл. 15.06.2004; опубл. 20.07.2005, Бюл. № 20.

9. Пат. 2183305 Российская Федерация, МПК7 F 24 F 3/16. Циклон с тканевым фильтрующим элементом / Г. Е. Готесман; заявитель и патентообладатель Готесман Г. Е. № 2000117207/06; заявл. 27.06.2000; опубл. 10.06.2002, Бюл. № 16.

10. Завьялов, Ю. И. Нетрадиционное оборудование для очистки газопылевых выбросов в металлургии / Ю. И. Завьялов // Металлообработка. -2003. -№ 1 (13).-С. 36-40.

11. Пат. 2174452 Российская Федерация, МПК7 В 04 С 5/103. Пылеуловитель / Завьялов Ю. И.; заявитель и патентообладатель ООО «ПЛАНЕТА-К» -№2000125875/12; заявл. 10.10.00; опубл. 10.10.2001, Бюл. № 28.

12. Алексееко, С. В. Закрученные потоки в технических приложениях (обзор) / С. В. Алексеенко, В. Л. Окулов // Теплофизика и аэромеханика. -1996. Т. 3, № 2. С. 101-138.

13. Чжен, П. Отрывные течения. В 3 т. Т. 1. / П. Чжен. М.: Мир,1972.-300 с.

14. Чжен, П. Отрывные течения. В 3 т. Т. 2. / П. Чжен. М.: Мир,1973.-280 с.

15. Чжен, П. Отрывные течения. В 3 т. Т. 3. / П. Чжен. М.: Мир, 1973.-333 с.

16. Чжен, П. Управление отрывом потока / П. Чжен. М.: Мир, 1979.552 с.

17. Гогиш, Л. В. Турбулентные отрывные течения / Л. В. Гогиш, Г. Ю. Степанов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979. - 368 с.

18. Гогиш, Л. В. Отрывные и кавитационные течения: основные свойства и расчетные модели / Л. В. Гогиш, Г. Ю. Степанов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. -384 с.

19. Антонов, А. Н. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях / А. Н. Антонов, В. М. Купцов, В. В. Комаров. М.: Машиностроение, 1990.-272 с.

20. Столер, В. Д. Основы организации и расчета вентиляционных процессов, сопровождающихся эффектом Коанда / В. Д. Столер; Уральс. политехи, ин-т им. С. М. Кирова. Свердловск, 1987. - 138 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.04.87, № 1317-В87.

21. Зайцев, Е. Г. Исследование распространения над уступом плоской пристеночной струи / Е. Г. Зайцев // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1991. - № 4. - С. 61-66.

22. Маркович, Д. М. Турбулентная струя в ограниченном пространстве: дис. . к-та физ.-мат. наук: 01.04.14: защищена 28.12.94 Новосибирск, 1994. -259 с.

23. Маркович, Д. М. Гидродинамическая структура ограниченных струйных течений: Автореф. дис. . д-ра физ.-мат. наук: 01.02.05 / РАН. Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики. Новосибирск, 2003. - 38 с.

24. Зубарева, О. Н. Разработка струйно-инерционных пылеуловителей для предприятий стройиндустрии: Автореф. дис. . к-та техн. паук: 05.23.03. -ГОУ ВПО ННГАСУ. Нижний Новгород, 1999. - 25 с.

25. Енютин, Г. В. Влияние скоса потока на аэродинамическую эффективность мелкоребристых поверхностей / Г. В. Еиютин, Ю. А. Дашков, Н. В. Самойлова, И. В. Фадеев, Е. А. Шумилкина // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1991. - № 1. - С. 37-41.

26. Терехов, В. И. Структура течения и теплообмен при обтекании единичной сферической каверны. Состояние вопроса и проблемы (обзор) /

27. B. И. Терехов, С. В. Калинина // Теплофизика и аэромеханика. 2002. - Т. 9, № 4. - С. 497-520.

28. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю. А. Быстров, С. А. Исаев, Н. А. Кудрявцев, А. И. Леонтьев. -СПб.: Судостроение, 2005. 392 с.

29. Гортышов, Ю. Ф. Научные основы расчета высокоэффективных компактных теплообменных аппаратов, с рациональными интенсификаторами теплоотдачи / Ю. Ф. Гортышов, И. А. Попов // Теплоэнергетика. 2006. - № 4.1. C. 2-14.

30. Sandborn, V. A. Flow models in boundary-layer stall inception / V. A. Sandborn, S. J. Kline // Journal of Basic Engineering. 1961. - September. -P. 317-327.

31. Гольдштик, М. А. Математическая модель отрывных течений несжимаемой жидкости / М. А. Гольдштик // Доклады Академии наук СССР. — 1962.-Т. 147, №6.-С. 1310-1313.

32. Бадатов, Е. В. Математическое моделирование процессов переноса в отрывных течениях с турбулентной областью смешения / Е. В. Бадатов, М. Г. Слинько, В. Е. Накоряков // Теоретические основы химической технологии. 1970. - Т. 4, № 6. - С. 868-874.

33. Burggraf, О. Analitical and numerical studies of the structure of steady separated flows / O. Burggraf // Journal of Fluid Mechanics. 1966. - vol. 24, part l.-P. 113-151.

34. Горин, А. В. Обзор моделей расчета течения несжимаемой жидкости в квадратной каверне / А. В. Горин // Градиентные и отрывные течения: сб. научн. тр. Новосибирск: ИТ, 1976. - С. 85-116.

35. Жак, В. Д. Трехмерные вихревые структуры в кавернах / В. Д. Жак,

36. B. А. Мухин, В. Е. Накоряков // Прикладная механика и техническая физика. -1981.-№2.-С. 54-59

37. Варфоломеев, И. М. Структура и характеристики турбулентного отрывного течения в полости / И. М. Варфоломеев, Г. А. Глебов, Ю. Ф. Горты-шов, А. Н. Щелков, Р. А. Яушев // Инженерно-физический журнал. 1985. -Т. 48, №3.- с. 387-391.

38. Кудинов, П. И. Численное исследование пространственного неустойчивого течения в бесконечной каверне / П. И. Кудинов // Вестник Днепропетровского университета. Серия Механика. 2002. Выпуск 6. - Т. 1.1. C. 48-53.

39. Исаев, С. А. Численный анализ струйно-вихревой картины течения в прямоугольной траншее / С. А. Исаев, П. И. Кудинов, Н. А. Кудрявцев,

40. И. А. Пышный // Инженерно-физический журнал. — 2003. Т. 76, № 2. — С. 24-30.

41. Волков, К. Н. Бифуркация линий тока течения вязкой несжимаемой жидкости в прямоугольной каверне с подвижной стенкой / К. И. Волков // Инженерно-физический журнал. 2006. - Т. 79, № 2. - С. 81-85.

42. Волков, К. Н. Топология течения вязкой несжимаемой жидкости в кубической каверне с подвижной стенкой / К. Н. Волков // Инженерно-физический журнал. 2006. - Т. 79, № 2. - С. 86-91.

43. Альбом течений жидкости и газа: пер. с англ. / М. Ван-Дайк. М.: Мир, 1986.- 184 с.

44. Курбацкий, А. Ф. Численное исследование турбулентного течения вокруг двумерного препятствия в пограничном слое / А. Ф. Курбаций, С. Н. Яковенко // Теплофизика и аэромеханика. 1996. - Т. 3, № 2. С. 145-163.

45. Ларичкин, В. В. Экспериментальное исследование турбулентного течения в окресности двумерного препятствия в пограничном слое / В. В. Ларичкин, М. В. Литвиненко, В. А. Щербаков // Теплофизика и аэромеханика. -2002.-Т. 9, № 1.С. 73-85.

46. Ларичкин, В. В. Влияние толщины пограничного слоя на структуру пристенного течения с двумерным выступом / В. В. Ларичкин, С. Н. Яковенко // Прикладная механика и техническая физика. 2003. - Т. 44, № 3. С. 76-84.

47. Чернышенко, С. И. Отрывное обтекание уступа, высота которого много больше толщины нижнего подслоя области взаимодействия / С. И. Чернышенко // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1991. - № 4. - С. 25-30.

48. Довгаль, А. В. Экспериментальное моделирование периодического вихреобразования при отрыве течения за уступом поверхности / А. В. Довгаль, А. М. Сорокин // Теплофизика и аэромеханика. 2002. - Т. 9, № 2. С. 193-200.

49. Довгаль, А. В. Применение отсоса потока для управления сходом крупномасштабных вихрей при отрыве пограничного слоя / А. В. Довгаль, А. М. Сорокин // Прикладная механика и техническая физика. 2006. - Т. 47, №4. С. 60-65.

50. Терехов, В. И. Особенности течения и теплообмена при отрыве турбулентного потока за уступом и ребром. 1. Структура течения / В. И. Терехов, Н. И. Ярыгина, Р. Ф. Жданов // Прикладная механика и техническая физика. 2002. - Т. 43, № 6. - С. 126-133.

51. Батенко, С. Р. Влияние динамической предыстории потока на аэродинамику ламинарного отрывного течения в канале за обратным прямоугольным уступом / С. Р. Батенко, В. И. Терехов // Прикладная механика и техническая физика. 2002. - Т. 43, № 6. - С. 84-92.

52. Батенко, С. Р. Трение и теплообмен в ламинарном отрывном потоке за прямоугольным уступом при наличии пористого вдува или отсоса / С. Р. Батенко, В. И. Терехов // Прикладная механика и техническая физика. 2006. -Т. 47, № 1.-С. 18-28.

53. Дьяченко, А. Ю. Обтекание турбулентным потоком поперечной каверны с наклонными боковыми стенками. 1. Структура потока / А. Ю. Дьяченко, В. И. Терехов, Н. И. Ярыгина // Прикладная механика и техническая физика. 2006. - Т. 47, № 5. - С. 68-76.

54. Терехов, В. И. Тепловые и динамические характеристики отрывного течения за плоским ребром с различной ориентацией к потоку / В. И. Терехов, Н. И. Ярыгина, Я. И. Смульский // Прикладная механика и техническая физика. 2007. - Т. 48, № 1.-С. 103-109.

55. Пирумов, А. И. Обеспыливание воздуха / А. И. Пирумов. М.: Стройиздат, 1974. 207 с.

56. Швыдкий, В. С. Теоретические основы очистки газов / B.C. Швыд-кий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий. М.: Теплотехник, 2004. - 502 с.

57. Справочник по пыле- и золоулавливанию / М. И. Биргер, А. Ю. Вальдберг, Б. И. Мягков, А. А. Русанов, И. И. Урбах. Под общ. ред. А. А. Русанова. М.: Энергия, 1975. 296 с.

58. Ужов, В. Н. Очистка промышленных газов от пыли / В. Н. Ужов, А. Ю. Вальдберг, Б. И. Мягков, И. К. Решидов. М.: Химия, 1981.-392 с.

59. Страус, В. Промышленная очистка газов / В. Страус. Пер. с англ. Ю. Я. Косого. М.: Химия, 1981. 616 с.

60. Теверовский, Е. Н. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками / Е. Н. Теверовский, Е. С. Дмитриев. М.: Энергоатомиздат, 1988. -160 с.

61. Шиляев, М. И. Методы расчета и принципы компоновки пылеулавливающего оборудования: учеб. пособие / М. И. Шиляев, А. Р. Дорохов. Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 1999. 209 с.

62. Шиляев, М. И. Принцип сравнения пылеулавливающих систем по удельным энергозатратам на очистку газов / М. И. Шиляев, А. М. Шиляев // Известия вузов. Строительство. 2002. - № 4. С. 77-81.

63. Шиляев, М. И. Моделирование процесса пылеулавливания в прямоточном циклоне. 2. Расчет фракционного коэффициента проскока / М. И. Шиляев, А. М. Шиляев // Теплофизика и аэромеханика. — 2003. Т. 10, № 3. С. 427-437.

64. Шиляев, М. И. Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков: учеб. пособие / М. И. Шиляев, А. М. Шиляев. Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2003. 272 с.

65. Шиляев, М. И. К фракционному методу расчета инерционных пылеуловителей / М. И. Шиляев, А. М. Шиляев, И. В. Гормолысова, И. Б. Оленев // Известия вузов. Строительство. 2006. - № 1. С. 62-67.

66. Шиляев, М. И. Методы расчета пылеуловителей: учебное пособие / М. И. Шиляев, А. М. Шиляев, Е. П. Грищенко; под ред. проф. М. И. Шиляева. Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2006. — 385 с.

67. Правила 28-64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. М.: Издательство стандартов, 1978. — 151 с.

68. Коузов, П. А. Методы определения физико-химических свойств промышленных пыл ей / П. А. Коузов, Л. Я. Скрябина. Л.: Химия, 1983. 143 с.

69. Коузов, П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов / П. А. Коузов. Л.: Химия, 1987. 264 с.

70. Краткий справочник химика / Под ред. Б.В. Некрасова. М.: Гос. науч.-тех. изд-во хим. лит., 1954. - 559 с.

71. Теплотехнический справочник / Под ред. С.Г. Герасимова. - М-Л.: Гос. энерг. изд-во, 1957. - 728 с.

72. Белов, И. А. Моделирование турбулентных течений: учеб. пособие / И. А. Белов, С. А. Исаев. СПб.: Изд-во Балт. гос. техн. ун-т, 2001. - 108 с.

73. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С. Патанкар. Пер. с англ. Под ред. В. Д. Виленского. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

74. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер. Пер. с англ. т. 1. М.: Мир, 1991. - 504 с.

75. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер. Пер. с англ. т. 2. М.: Мир, 1991. - 552 с.

76. Chen, Y. S. Computation of turbulent flows using an extended k-s turbulence closure model / Y. S. Chen, S. W. Kim. NASA CR-179204, 1987.

77. Смирнов, E. M. Метод конечных объемов в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена в областях сложной геометрии / Е. М. Смирнов, Д. К. Зайцев // Научно-технические ведомости СПбГТУ. -2004. -№ 2 (36). -С. 70-81.

78. Поляков, С. Н. Анализ эффективности пылеулавливания вихревого аппарата ВЗП-М 200 с помощью программного комплекса ANSYS CFX / С. Н. Поляков // ANSYS Advantage. Русская редакция. 2008. - Весна 2008 (7).-С. 29-33.

79. Старк, С. Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии / С.Б. Старк. М.: Металлургия, 1977. - 328 с.

Похожие работы

Безопасность жизнедеятельности человека
05.26.00