автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности инерционного газоочистного оборудования наложением ультразвуковых полей высокой интенсивности

На правах рукописи г&оЧ'

Нестеров Виктор Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНЕРЦИОННОГО ГАЗООЧИСТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

6 НОЯ 2014

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бийск - 2014

005554426

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель: Шалунов Андрей Викторович,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Шиляев Михаил Иванович,

доктор технических наук, профессор, Томский Государственный Архитектурно-строительный Университет, профессор кафедры «Теплогазоснабжения»

Глазев Дмитрий Юрьевич,

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ОАО Федерального

научно-производственного центра «Алтай»;

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского

отделения Российской академии наук»

Защита диссертации состоится «30» декабря 2014 года в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», по адресу: 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.bti.secna.ru Бийского технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан «30» октября 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, доцент Шалунов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для улавливания готового продукта или пыли из отходящих газов на промышленных производствах используют разнообразные конструкции циклонов, фильтров, пылеуловителей, осадительных камер. При наличии и практическом использовании большого числа разнообразных устройств все они характеризуются низкой эффективностью, а иногда и принципиальной невозможностью улавливания высокодисперсных частиц. Из литературных источников хорошо известно, что эффективность используемых на практике установок сухого пылеулавливания значительно уменьшается улавливании высокодисперсных частиц с размерами менее 10 мкм.

Многочисленные исследования и разработки отечественных и зарубежных ученых, направленные на решение проблемы улавливания высокодисперсных частиц путем реализации наиболее эффективной в настоящее время центробежной или инерционной сепарации, позволили установить необходимость использования внешних энергетических воздействий, способных сообщать улавливаемым частицам дополнительное движение, перпендикулярное основному, способствующему их объединению, т.е. коагуляции.

Одним из наиболее перспективных способов обеспечения дополнительного энергетического воздействия для увеличения эффективности сепарации высокодисперсных частиц является использование акустических колебаний звукового и ультразвукового (УЗ) диапазонов.

Сегодня известно, что применение энергетического воздействия акустическими колебаниями звукового диапазона частот позволяет увеличить эффективность коагуляции частиц с размерами 10 - 30 мкм и практически не обеспечивает повышения эффективности процесса объединения дисперсных частиц 1 - 10 мкм, для коагуляции которых необходимы энергетические воздействия ультразвуковыми колебаниями. Однако практического применения акустических колебаний ультразвуковой частоты (более 20 кГц) для осуществления энергетических воздействий при улавливании высокодисперсных частиц с размерами менее 10 мкм реализовано не было из-за отсутствия газоочистного оборудования, способного обеспечивать совместное воздействие на дисперсные частицы силами инерции и акустическими колебаниями в ультразвуковом частотном диапазоне с уровнем звукового давления 130 - 150 дБ. Не предпринимались даже попытки проектирования такого оборудования из-за отсутствия данных об оптимальных режимах ультразвукового воздействия (частота воздействия, уровень звукового давления) на различные по параметрам газодисперсные потоки (с различными по размерам частицами, при различных скоростях потока, временах воздействия и т.п.). Отсутствие исходных данных для создания оборудования обусловлено неизученностью процесса ультразвуковой коагуляции в рассматриваемых условиях. В связи с этим задача создания специализированного газоочистного оборудования, способного обеспечить повышение эффективности улавливания высокодисперсных частиц из газовых сред за счет дополнительного использования энергетических воздействий ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности, является актуальной и требующей решения.

Цель работы: Создание центробежного газоочистного оборудования повышенной эффективности за счет обеспечения коагуляции высокодисперсных частиц в ультразвуковом поле высокой интенсивности.

Задачи исследования:

1. Выявить причины, ограничивающие эффективность процесса пылеулавливания. в наиболее перспективных для улавливания высокодисперсных частиц устройствах, и обосновать возможность повышения степени очистки газовых сред за счет воздействия ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности.

2. Определить условия течения закрученного газодисперсного потока при различных режимах ультразвукового воздействия, обеспечивающие максимальную эффективность коагуляции частиц на основе анализа создаваемой модели движения дисперсных частиц в закрученном потоке с наложением ультразвуковых колебаний высокой интенсивности.

3. Выработать требования и предложить методику расчета и проектирования центробежно-акустического газоочистного оборудования, реализующего режимы УЗ-воздействия и условия течения закрученного газодисперсного потока, обеспечивающие максимальную эффективность коагуляции частиц.

4. Провести экспериментальные исследования ультразвуковой коагуляции дисперсных частиц в закрученном потоке для подтверждения оптимальности теоретически выявленных режимов и условий сепарации твердых высокодисперсных частиц из газодисперсных систем.

5. Предложить и разработать газоочистное оборудование, реализующее центробежно-акустическое воздействие и обеспечивающее выявленные режимы и условия ультразвукового воздействия при движении газодисперсного потока.

6. Исследовать функциональные возможности и подтвердить повышение эффективности сепарации высокодисперсных частиц при помощи разработанного оборудования.

Научная новизна:

1. Установлено, что повышение эффективности улавливания высокодисперсных частиц (1-10 мкм) обеспечивается одновременным воздействием сил инерции в закрученном потоке и ультразвуковыми колебаниями, параметры которых (частота, время воздействия, уровень звукового давления) определяются характеристиками потока (скорость, концентрация и размеры частиц).

2. Предложена и разработана математическая модель движения дисперсных частиц в закрученном потоке с одновременным воздействием ультразвуковыми колебаниями.

3. Выявлены оптимальные зависимости параметров газодисперсного потока и УЗ-воздействия при центробежной сепарации с наложением УЗ-полей высокой интенсивности, обеспечивающие максимальную эффективность коагуляции.

4. Показано, что невозможность высокоэффективного улавливания частиц с размерами менее I мкм путем центробежной сепарации даже с наложением УЗ-полей высокой интенсивности требует применения предварительных коагуляторов, основанных на центробежно-акустическом воздействии.

Практическая значимость:

1. Впервые, на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований подтверждена целесообразность и эффективность применения газоочистного оборудования, основанного на одновременном центробежно-акустическом воздействии для улавливания твердых высокодисперсных частиц.

2. Определены основные конструктивные особенности газоочистного оборудования, основанного на одновременном центробежно-акустическом воздействии на дисперсные частицы.

3. Предложена и разработана методика определения геометрических параметров создаваемого центробежно-акустического газоочистного оборудования.

4. Разработаны практические конструкции двухступенчатых центробеж-но-акустических пылеуловителей, обеспечивающих улавливание дисперсных частиц размером от 1 мкм с эффективностью не менее 90 % без изменения их физических свойств и химического состава.

Объект и методы исследований. Объектом исследования является процесс отделения твердых дисперсных частиц из газодисперсных систем в закрученном потоке, за счет центробежно-акустического воздействия. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, направленные на решение поставленных задач. Исследования проводились путем построения теоретических моделей, допускающих аналитические и численные решения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Выявленные на основании теоретических исследований процесса сепарации закрученного газодисперсного потока с одновременным воздействием УЗ-колебаниями высокой интенсивности оптимальные параметры газодисперсного потока и условия ультразвукового воздействия, обеспечивающие максимальную эффективность коагуляции высокодисперсных частиц.

2. Разработанные конструкции газоочистного оборудования для высокоэффективного улавливания дисперсных частиц из газовых сред.

3. Методика проектирования предложенного и разработанного центробежно-акустического газоочистного оборудования, обеспечившего выявленные оптимальные параметры газодисперсного потока и условия ультразвукового воздействия.

4. Результаты экспериментальных исследований, подтвердившие целесообразность и эффективность применения двухступенчатого центробежно-акустического газоочистного оборудования, обеспечивающего улавливание дисперсных частиц с размером от 1 мкм с эффективностью не менее 90 %.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным согласованием результатов расчетов и фактических показателей работы пылеулавливающего оборудования.

Личный вклад автора: формулировка основных научных положений и идей работы; разработка математической модели сепарации высокодисперсных частиц в закрученном потоке с одновременной УЗ-коагуляцией, позволившей выявить оптимальные параметры газодисперсного потока и условия УЗ-воздействия; разработка методики создания центробежно-акустического газо-

очистного оборудования; разработка и создание стенда для определения степени укрупнения частиц в объеме агломератора; создание практических конструкций центробежно-акустических пылеуловителей; планирование, проведение и обработка результатов экспериментальных исследований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях-семинарах по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM (г. Новосибирск 2013 - 2014 гг.); Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности» (г. Бийск 2013 -2014 гг.); Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул 2013); Всероссийской научно-технической конференции ИАМП «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск 2013).

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 14 опубликованных печатных работах, в том числе 4 статьях в изданиях, входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий, и 3 патентах РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 102 наименований и содержит 161 страницу машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведено краткое описание состояния проблемы, сформулированы цель работы и задачи исследований.

В первом разделе представлены результаты анализа используемых на практике пылеуловителей, а также способов повышения эффективности улавливания частиц из газодисперсных систем. Произведенный анализ оптимальных конструктивных схем оборудования для эффективной сепарации твердых частиц позволил установить, что существующее оборудование обладает рядом серьезных недостатков, основным из которых является низкая эффективность улавливания высокодисперсных (менее 10 мкм) частиц. Низкая эффективность обуславливается физической сущностью эффектов, положенных в основу используемого газоочистного оборудования. Выявленные в результате проведенного анализа недостатки аппаратов, использующих различные физические эффекты для улавливания дисперсных частиц, взвешенных в газовом потоке, обуславливают наибольшее распространение используемых в настоящее время инерционных и вихревых пылеуловителей. При этом согласно работам А.Г. Ве-тошкина, предпочтение следует отдавать аппаратам со встречно-закрученными потоками, поскольку они обеспечивают возможность высокоэффективного улавливания частиц с размерами выше 10 мкм. Однако эффективность даже самых современных аппаратов такого типа не превышает 50 % для частиц размером менее 2 мкм. Показано, что одним из путей повышения эффективности улавливания высокодисперсных частиц инерционным оборудованием является предварительная подготовка газового потока, содержащего взвешенные частицы. Как показал анализ работ отечественных и зарубежных авторов (В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, М.И. Шиляев, А.Г. Ветошкин), все приемлемые способы предварительной обработки позволяют увеличить эффективность сепарации

высокодисперсных частиц. Однако большинство из них либо изменяют физические свойства, либо химический состав улавливаемого продукта. Одним из немногих известных способов, не вносящих изменения в химический состав или физические свойства коагулируемых частиц, является акустическая коагуляция. Анализ результатов современных исследований энергетического воздействия акустическими колебаниями звукового диапазона частот позволил установить возможность эффективной коагуляции частиц с размерами 10-30 мкм и практической невозможности повышения эффективности процесса объединения высокодисперсных частиц, для коагуляции которых необходимы энергетические воздействия ультразвуковыми колебаниями. Исследований практического применения акустических колебаний ультразвуковой частоты для осуществления энергетических воздействий при улавливании более высокодисперсных частиц с размерами менее 10 мкм практически не проводилось из-за отсутствия газоочистного оборудования, способного обеспечивать одновременное воздействие на дисперсные частицы силами инерции и акустическими колебаниями. Проектирования такого оборудования также не проводилось из-за отсутствия данных об оптимальных режимах ультразвукового воздействия (частота воздействия, уровень звукового давления) на различные по параметрам газодисперсные потоки (с различными по размерам частицами, при различных скоростях потока, времени воздействия и т.п.). Это позволило в завершении раздела сформулировать цель работы и поставить задачи, решение которых необходимо для ее достижения.

Второй раздел работы посвящен теоретическим исследованиям процесса коагуляции высокодисперсных частиц в закрученном потоке. Для определения условий течения закрученного газодисперсного потока и режимов ультразвукового воздействия, обеспечивающих максимальную эффективность коагуляции частиц, предложена и разработана теоретическая модель. В рамках предложенной модели дисперсные частицы, движущиеся в закрученном потоке, заменяются условными модельными группами частиц. При этом процессы коагуляции частиц, вызванные наложением ультразвукового поля, рассчитываются в пределах каждой условной группы. Начальное количество дисперсных частиц в каждой группе выбирается таким образом, чтобы на этапе завершения расчета процесса сепарации их количество не падало ниже 103 частиц. Предварительные расчеты показали, что начальное число частиц в группе не должно быть ниже 105. В свою очередь, для расчета движения частиц используется эквивалентная характеристика условной группы - средний объёмно-поверхностный диаметр частиц, находящихся в группе. На рисунке 1 показано схематичное изображение принципа объединения частиц группы. Для описания движения частиц в закрученном потоке и расчета процесса сепарации рассматривается одномерное движение условных групп частиц, равномерно распределенных в потоке газа, движущегося со скоростью Ут в сепарационной камере. Количество групп частиц должно быть не менее к = 103, поскольку при такой величине не происходит существенного изменения характеристик газодисперсной системы между соседними группами частиц.

Группа частой ' [Макроскопическая чогтша

£} Дисперсные

Рисунок 1 - Схематичное изображение принципа объединения частиц в условные группы

При попадании в сепарационную камеру группы частиц приобретают окружную и осевую проекции скорости, равные соответствующим проекциям скоростей газового потока. Поэтому для определения их положения в объеме вихревой камеры рассчитывается значение радиальной скорости групп частиц, обусловленной центробежными силами:

__3 С,Л2 (!)

Л

44,

где Сц — коэффициент лобового сопротивления; Уг - скорость движения группы частиц в радиальном направлении, м/с;/- частота воздействия, Гц; Р - уровень звукового давления, дБ; йп - начальный диаметр дисперсных частиц, м; с132(а/1) -размер получаемых агломератов, м; ра - плотность агломерата частиц, кг/'м3; п -концентрация частиц, кг/м3; г — расстояние от центра вращения потока (оси камеры) до группы частиц, м; р0- истинная плотность материала частиц, кг/м3.

Для расчета коэффициента лобового сопротивления шарообразных частиц в диапазоне размеров 1 - 16 мкм используется формула Клячко:

24

(2)

" Яе Яе"3 '

где число Рейнольдса Р.е = УД32(а)9г/\*-г-\ Р/, - плотность газа, кг/м3; р./- - динамическая вязкость газа, Па с;.

Средний диаметр группы частиц вычисляется как:

(4)

где N - количество частиц в группе; - диаметры частиц входящих в группу.

С увеличением диаметров образующихся агломератов начинают действовать межмолекулярные силы, которые способствуют образованию более рыхлой структуры, поэтому плотность агломерата частиц вычисляется как:

(3)

Р« = Р»

Данное выражение позволяет учесть изменение плотности, образующихся при объединении частиц под действием УЗ-колебаний, агломератов в зависимости от их размера. Расчеты проведены при начальной плотности 2000 кг/м3.

Расчет процесса ультразвуковой коагуляции проводится в пределах отдельных условных групп частиц на основании уравнения Смолуховского, которое было дополнено слагаемыми, учитывающими изменение концентрации частиц

за счет взаимного перемещения групп частиц и изменения расстояния между группами:

^ (5)

г дI

дг„

гдеА: - натуральное число; - ядро коагуляции, характеризующее интенсивность столкновения /-мер и А-мер, м3/с; пк - концентрация А-мер, м"3; М - количество мер; го- начальное расстояние группы от центра оси, м.

Результирующее ядро коагуляции (3,^ можно представить в виде суммы двух компонент, характеризующих сближение частиц за счет механизма ортокине-гического взаимодействия (коагуляция происходит за счет разности скоростей различных по массе частиц) и механизма гидродинамического взаимодействия.

Р«=В<*+РВД> (6)

Ортокинетическая компонента определяется с помощью выражения:

Роу=2 (7)

где йь с1)- диаметр г-меры и ^-меры соответственно, м; и0 - амплитуда колебательной скорости газовой среды, м/с; Н^-\НГЩ - модуль разности коэффициентов увлечения /- и 7-меры, характеризующий амплитуду колебательной скорости относительного смещения /- и /-меры.

Для определения гидродинамической компоненты ядра коагуляции использовалось выражение, описанное в работах авторов С. БЬепд, X. БЬеп:

Р ни =

К+^Н 1 , 1

6ц,-

¡м/21)/2

51п ш.

(8)

где 0 — угол между волновым вектором акустической волны и линией центров частиц,);/?/ - сила взаимодействия частиц; - функция Хевисайда.

Для одной группы частиц получена система дифференциальных уравнений:

дп 1 *-'

-гЧО = РС)»»., (О - Л, (01 3,,МО - И» С)

дУ,

дг0

Л

V:

3 с_,кя2

(9)

аГ).2(») = "Т-

Полученная система уравнений позволяет рассчитать траекторию движения условных групп частиц в сепарационной камере с учетом коагуляции дисперсных частиц внутри группы под действием ультразвуковых колебаний. При этом считается, что группа частиц, достигнувшая стенки сепарационной камеры, движется вдоль нее, но не участвует в дальнейшем расчете коагуляции.

Проведенный анализ разработанной модели показал, что на эффективность процесса коагуляции помимо уровня звукового давления влияет и тангенциаль-

ная скорость газодисперсного потока (рисунок 2). Расчеты были проведены при тангенциальной скорости газового потока 20 м/с, частоте воздействия 22 кГц, диаметре вихревой трубы 340 мм, уровне звукового давления 145 дБ и начальной концентрации 50 г/м3. Обрыв кривых на графиках означает, что все группы частиц достигли стенки камеры. Из рисунка 2, а следует, что степень укрупнения частиц прямо пропорциональна уровню звукового давления. Увеличение уровня звукового давления до 145 дБ позволяет до 2,8 раз по сравнению со 135 дБ уменьшить время полной сепарации за счет ] 8-кратного укрупнения частиц. Кроме этого было установлено, что на эффективность коагуляции влияет также тангенциальная скорость газового потока.

ш оС^а ЙЯ)

и //Ту* К._________ дС> ^ —тз$дб

^—/ // ^11 I -Ш-ЮдБ -4 Д4!»дБ -*)1Б0д6

Время сепарации, <

Время сепарации, с

а) б)

Рисунок 2 - Зависимость эквивалентного диаметра группы частиц от времени УЗ-воздействия при разных уровнях звукового давления (а) и при разных тангенциальных скоростях газа (б)

Согласно зависимостям, представленным на рисунке 2, б, увеличение скорости с 8 м/с до 24 м/с обеспечивает увеличение диаметра частиц в 2 раза и сокращение времени сепарации в 12 раз. Для сравнения, аналогичное увеличение скорости потока без наложения УЗ-поля обеспечивает сокращение времени сепарации всего в 4,5 раза. Причина заключается в том, что укрупненные за счет УЗ-воздействия группы частиц смещаются к стенке сепарационной камеры с большей скоростью. Это приводит к увеличению концентрации дисперсных частиц (т.е. уменьшению расстояния между группами частиц), что, в свою очередь, повышает эффективность коагуляции.

Анализ модели позволил установить, что существует оптимальная скорость, при которой степень укрупнения дисперсных частиц и сокращение времени на разделение газодисперсного потока будут максимальными. Расчеты проведены при уровне звукового давления 145 дБ, частоте 22 кГц. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при малых скоростях газа (на рисунке 3, а соответствует зоне I) разделение потока будет несущественным, и на удалении от оси вращения закрученного потока не наблюдается локальных повышений концентрации частиц. Соответственно, повышения эффективности коагуляции и уменьшения времени сепарации происходить не будет. Повышение тангенциальной скорости увеличивает эффективность разделения газодисперсного потока (зона 11), происходит локальное повышение концентрации, в результате чего эффективность коагуляции возрастает. Максимум отношения диаметров частиц и времени полного разделения (рисунок 3, б) соответствует оптимальным скоростям, при которых достигается максимальная эффективность коагуляции.

10

ш

1) 1 мкм

-----2)2 мкм

__- "-3)4 мкм

UI.....j----- 4) 8 МКМ

5) 16 мкм

1) 1 мкм

2)2 мкм

3)4 мкм

4) 8 мкм

5) 16 мкм

5 10 15 20 25 ВО 35 Скорость rasa, м/с

0 5 10 15 20 25 30 35 Тангенциальная скорость потока, м/с

а) б)

Рисунок 3 - Зависимости степени укрупнения частиц от скорости газа с УЗ (а) и зависимости отношения времени сепарации без УЗ ко времени сепарации с УЗ от скорости газа (б)

Скорости в зоне III приводят к снижению эффективности коагуляции из-за изменения распределения концентрации дисперсных частиц в объеме вихревой трубы. Повышение тангенциальной скорости приводит к быстрому разделению газодисперсного потока за счет центробежной силы и уменьшению времени достижения частицами стенки вихревой трубы, уменьшению времени УЗ-воздействия. Поскольку значение оптимальной тангенциальной скорости потока зависит от диаметра сепарационной камеры, то для проведения дальнейших расчетов был выбран параметр, свободный от такой зависимости - центростремительное ускорение. Полученная зависимость оптимального ускорения от размера частиц показана на рисунке 4, а.

6 и

Начальныйдмаметр частиц, мкм

0,4 0,6 0,8 1 Время сепарации, с

а) б)

Рисунок 4 - Зависимость оптимального ускорения от начального диаметра частиц (а) и зависимости степени укрупнения частиц от времени сепарации при оптимальных ускорениях (б)

На рисунке 4, б приведены зависимости степени укрупнения частиц от времени сепарации при оптимальных центростремительных ускорениях. Эти зависимости позволяют оценить вклад, вносимый УЗ-колебаниями в процесс сепарации частиц. В результате проведенных исследований установлено, что для обеспечения максимальной эффективности сепарации требуется установление оптимальной тангенциальной скорости газового потока, которая определяется начальными размерами дисперсных частиц. При этом время пребывания частиц в УЗ-поле, при котором частицы с диаметром 1-5 мкм с оптимальными параметрами газодисперсного потока увеличиваются до 10 мкм (для эффективного улавливания инерционным газоочистным оборудованием), составляет 0,8-2,7

секунды. Таким образом, невозможно обеспечить требуемое время пребывания частиц только в одной ступени очистки с одновременным обеспечением высокой эффективности сепарации. Для получения необходимой степени укрупнения частиц газоочистное оборудование должно содержать как минимум две ступени очистки. В первой ступени осуществляется УЗ-воздействие на закрученный газовый поток для быстрой коагуляции дисперсных частиц за счет их предварительного разделения. Во второй - осуществляется высокоэффективная сепарация уже скоагулированных частиц.

Третий раздел содержит описание конструкции разработанного газоочистного оборудования. Было установлено, что оборудование, основанное на одновременном центробежно-акустическом воздействии, целесообразно строить по двухступенчатой конструктивной схеме. Первая ступень - агломератор, его основным назначением, является обеспечение коагуляции частиц за счет продолжительного пребывания газодисперсной смеси в УЗ-поле. Агломератор должен коагулировать частицы до размеров, обеспечивающих высокую степень улавливания второй ступенью. Другой функцией, выполняемой первой ступенью, является снижение концентрации частиц вследствие их частичного улавливания. В качестве основы агломератора была использована конструкция вихревой трубы, снабженной закручивателем потока на входе и раскручивателем на выходе (рисунок 5). Для осуществления энергетического воздействия на газодисперсный поток на торцах вихревой трубы установлены УЗ-излучатели. Для уменьшения уноса частиц, находящихся вблизи оси вращения вихревой трубы, концентрически установлен вытеснитель. Поскольку эффективность работы первой ступени пылеуловителя в главным образом определяет степень улавливания частиц установкой в целом, то была разработана методика расчета ее основных конструктивных параметров и состоит из следующих этапов:

1. На основании известного расхода газа из выражения (10) определяется диаметр вихревой трубы:

где ¡2 - расход газа м7с; Усс, — скорость потока в свободном сечении вихревой трубы, м/с (для агломератора Усс. =3,5 м/с); - количество агломераторов в батарейной компоновке (параллельное соединение). Диаметр вытеснителя при-

.щи

1 — коагуляционно-сепарационная камера; 2 - закручиватель; 3 - раскручи-

ватель; 4 - вытеснитель; 5 - бункеры; 6 - дисковые излучатели; 7 - фронтальная кромка; 8 - щелевой зазор Рисунок 5 - Эскиз агломератора

нимается равным 0,5 от диаметра вихревой трубы. Если Q/NAг,l>3 м7с, то увеличиваем количество параллельно соединенных аппаратов.

2. По известному среднему начальному диаметру частиц из зависимости, показанной на рисунке 4, а, определяется оптимальное ускорение.

3. Из найденных оптимального ускорения и диаметра вихревой трубы определяется требуемая тангенциальная скорость на входе в агломератор с учетом плотности частиц:

а„К,0

Вих.Тр

(П)

где Б Вих.Тр. — диаметр вихревой трубы, рассчитанный по требуемому расходу газа, м; ац - оптимальное центростремительное ускорение для требуемого диаметра частиц, м/с2; К, = ррас/р - поправочный коэффициент на плотность материала; ррас - плотность материала частиц, принимаемая при анализе теоретической модели 2000 кг/м3; р - плотность материала сепарируемых частиц, кг/м3.

4. Размеры входного патрубка определяются выражением (12). Высота и длина сечения входного патрубка определяются выражением (13) и (14).

,=-

<2

^Пиу Тп

(12)

(13)

(14)

Отношение площади поперечного сечения выходного патрубка к площади сечения входного патрубка составляет 1,2. Высота и длина выходного патрубка рассчитываются по выражениям (13) и (14) соответственно.

11) 5 г/м3

2) 20 г/м3

3) БО г/м3

4) 100 г/м3

5) 150 г/м3

I §

Начальный диаметр частиц, мкм

Начальный диаметр частиц, мкм

а) б)

Рисунок 6 - Зависимости поправочного коэффициента на концентрацию (а) и на звуковое давление (б) от начального диаметра частиц 5. В зависимости от размера частиц, который необходимо получить на выходе агломератора (не менее 10 мкм), на основании кривых, показанных на рисунке 4, б, определяется время УЗ-воздействия. Поправочные коэффициенты на концентрацию и звуковое давление находятся из графиков на рисунке 6. Из найденных времени УЗ-воздействия (7) и скорости потока в свободном сечении аппарата (Ксс) определяется длина коагуляционно-сепарационной камеры, выражением:

^вих.тр-~ КыКрТУсс, (15)

где поправочный коэффициент на концентрацию; Кр— поправочный коэффициент на звуковое давление.

6. При обработке частиц с массовой концентрацией более 50 г/м3 для снижения их концентрации вдоль боковой поверхности агломертора могут быть выполнены щелевые зазоры. При этом необходимо вокруг вихревой трубы аг-ломератора выполнить герметичные бункеры для сбора уловленных агломератов. Стенки бункера должны находиться от стенок вихревой трубы на расстоянии не менее 0,5 Ов,аГр. Количество бункеров выбирают исходя из выражения:

' (¡6)

иВих.Гр.

длина бункера, равная 0,5 м; LBux. тР. - длина вихревой трубы, м.

7. В зависимости от тангенциальной скорости потока согласно графику на рисунке 7 определяется гидравлическое сопротивление. Расчет проводился с использованием пакета ANSYS Fluent. Если максимальное развиваемое давление вытяжной установки при требуемом расходе меньше общего гидравлического сопротивления первой и второй ступени очистки, то увеличивают количество агломера-торов в батарейной компоновке для уменьшения скорости потока (см. п.1 методики).

10 1S 20 25 Скорость потока, м/с

30 35

Рисунок 7 - Зависимость гидравлического сопротивления агломератора от тангенциальной скорости газового потока 8. В соответствии с требуемым уровнем звукового давления и рассчитанным диаметром вихревой трубы выбирается необходимое количество УЗ-дисковых излучателей согласно графику на рисунке 8, а и схему их установки на рисунке 8, б. Был определен оптимальный угол установки между осью вращения излучателя и осью вращения вихревой трубы равный 30°.

1S5.......... —......

ш Ч

1 ) 2 излучзтеля

2) 4 излучателя

3) 6 излучателей

4) 8 излучателей

3S0 450 550 650 750 '■ Д

Диаметр вихревой трубы, мм

а)

Рисунок 8 - Зависимости уровня звукового давления от диаметра агломератора (а) и схемы установки УЗ-излучагелей (б) Вторая ступень должна обеспечивать высокую эффективность сепарации уже скоагулированных частиц. В качестве второй ступени очистки предложено использовать конструкцию аппарата со встречно-закрученными потоками (ВЗГ1), дополненную двумя УЗ-излучателями (рисунок 9).

1-Я-1

1 - патрубок первичного потока;

2 - патрубок вторичного потока;

3 - выходной патрубок;

4 - сепарационная часть;

5 - отбойная шайба; 6 - бункер; 7, 8 - усеченные конусы; 9 — ультразвуковые излучатели Рисунок 9 - Эскиз аппарата ВЗП

Выбор аппарата ВЗП обусловлен наибольшей эффективностью улавливания высокодисперсных частиц среди оборудования, основанного на сухом способе пылеулавливания. Конструкция выбранного аппарата была доработана для установки УЗ-дисковых излучателей. При расчете аппарата ВЗП основным параметром является расход газа, в соответствии с которым выбирается его типоразмер. Для определения фракционной эффективности улавливания дисперсных частиц газоочистным оборудованием, состоящим из последовательно соединенных агломератора и аппарата со встречно-закрученными потоками, был проведен ряд модельных расчетов, который позволил построить графики фракционной эффективности оборудования (рисунок 10). Расчеты проведены при расходе газа 1000 м7час, диаметр агломератора составил 340 мм, длина 3000 мм, диаметр аппарата ВЗП составил 300 мм. Картина течения газа в агломераторе и аппарате ВЗП представлены на рисунке 11.

| г во

ш §-70 -& с

п (и

Ж и 60

1 2 3 4 5 6 7 8 10

Начальный диаметр частиц, мкм

1 -установлены агломератор и аппарат ВЗП; 2—установлены агломератор

(+ УЗ-воздействие) и аппарат ВЗП;

3 - установлены агломератор (+ УЗ-воздействие) и аппарат ВЗП (+УЗ-воздействие); 4-литературная эффективность аппарата ВЗП Рисунок 10-Фракиионная эффективность оборудования

При анализе фракционной эффективности установлено, что без УЗ-воздействия агломератор не обеспечивает существенного ..повышения эффективности сепарации во всем рассматриваемом диапазоне диаметров частиц. Это связано с отсутствием укрупнения частиц, при этом наблюдаемое повышение эффективности сепарации в среднем на 10 % происходит за счет улавливания

б)

Рисунок 11 - Картина течения газа в агломераторе (а), аппарате ВЗП (б), траектории движения частиц 1 мкм (в)

т. ш®

частиц в агломераторе. При наличии УЗ-воздействия в агломераторе эффективность существенно возрастает за счет укрупнения дисперсных частиц. При осуществлении УЗ-воздействия как в агломераторе, так и в аппарате ВЗП эффективность сепарации повышается до 98 % за счет дополнительной коагуляции частиц в объеме аппарата ВЗП.

В четвёртом разделе приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих повышение эффективности сепарации за счет предварительного укрупнения частиц ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности. С использованием разработанной методики был изготовлен опытный образец центробежно-акустического пылеуловителя, рассчитанный на расход газа 1000 м3/час. Эта конструкция была реализована для химического предприятия, международной корпорации «КМ-ЬаЬэ», производящей диоксид кремния (рисунок 12, а), а также, разработан стенд, который обеспечивал возможность отбора проб по внутреннему объему (рисунок 12, а).

* И ' 3.. 2 6_ А 5 1_

1 - агломератор; 2 - аппарат ВЗП; 3 - воздуховоды; 4 — делитель потоков; 5 - УЗ-излучатели; 6 - центробежный вентилятор

а)

Рисунок 12

i " ,

I.i

1

(1 х ^ I ■ «

1 91 II

н*—.........ц _____v f I

1 J 1 1

3000

входной патрубок; 2 - выходной патрубок; 3 - УЗ-дисковый излучатель; 4 - коагуляционно-сепарационная камера; 5 - вытеснитель; 6 - трубка для отбора проб б)

Экспериментальный образец центробежно-акустического пылеуловителя (а) и эскиз стенда для исследований (б)

Для отбора проб в корпусе 4 (рисунок 12, б) через определенное расстояние установлены изогнутые трубки 6, торцы которых направлены навстречу потоку. Отбор проб осуществляется на предметное стекло микроскопа с нанесенным тонким слоем масла, обеспечивающим прилипание частиц на поверхность. К выходному патрубку агломератора 2 присоединен делитель потоков, который посредством газоходов соединен с аппаратом ВЗП. Анализы исходного и конечного дисперсного состава исследуемых образцов были проведены на оптическом и растровом электронном микроскопе GSM 840. В результате проведенных экспериментальных исследований установлена зависимость оптимальной тангенциальной скорости газа на входе в аппарат от размера частиц (рисунок 13). Анализ зависимостей показал, что оптимальные скорости, выявленные экспериментально, во всем диапазоне диаметров частиц в среднем на 25 % выше, чем теоретические.

Экспериментально получены зависимости изменения степени укрупнения частиц по длине агломератора (рисунок 14). В ходе проведения исследования установлено, что при малом начальном размере 3 мкм за время пребывания в

объеме стенда исходные агломераты увеличиваются в 4,5 раза, что достаточно для эффективного улавливания во второй ступени - аппарате ВЗП. Анализ зависимостей показал, что расчетные значения степени укрупнения выше экспериментальных на 20 %. В результате проведенных экспериментальных исследований получены данные о фракционной эффективности улавливания разработанным газоочистным оборудованием, приведенные на рисунке 15.

5 10 15

Начальный диаметр частиц, мкм

1 - теоретические данные; 2 - экспериментальные данные

Рисунок 13 — Зависимость оптимальной скорости газа от начального диаметра частиц

100 95

з? 85 з:

го 80 о.

2 75

8 70

65 60

_____| -.............-

ГО" "!------------

I // л______!_____ 1

- ;......-.......г------- ----!-------1----

1 ! 1

3 5 7 9 И 13 15 1 Начальный диаметр частиц, мкм

I - установлен только аппарат ВЗП; 2 - установлены агломератор и аппарат ВЗП;

3 - установлены агломератор (+ УЗ-воздействие) и аппарат ВЗП;

4 - установлены агломератор (+ УЗ-воздействие) и аппарат ВЗП

(+ УЗ-воздействие) Рисунок 15 — Фракционная

О 0,25 0,5 0,75 1

Относительная длина агломератора, 1./1_0

1)О5,0=3 мкм; 2)П50=1 1 мкм; 3)О5 0=17мкм;

4) теоретические данные В = 3 мкм;

5) теоретические данные О = 16 мкм; Рисунок 14 - Изменение степени укрупнения

по длине агломератора

Анализ графиков (рисунок 15) показал, что эффективность улавливания одним аппаратом ВЗП несколько ниже, чем с агломератором (без УЗ-воздействия). Это связано с улавливанием и самопроизвольной коагуляцией частиц в объеме агломератора даже при отсутствии УЗ-воздействия. При наличии УЗ-колебаний только в агло-мераторе эффективность двухступенчатой конструкции существенно возрастает (эффективность улавливания частиц 3 мкм повышается с 68 % до 93 %). В свою очередь одновременное УЗ-воздействие в агломераторе и аппарате ВЗП повышает эффективность улавливания до 97% за счет дополнительного укрупнения частиц в объеме аппарата ВЗП (на I % меньше рассчитанных значений). При сравнении

эффективность оборудования экспериментальных данных (рисунок 15) с данными, полученными теоретически (рисунок 10), выявлено, что эффективность улавливания при равных условиях в реальном аппарате ниже. Это обусловлено образованием турбулентных пульсаций в объеме агломератора при высоких скоростях, из-за которых происходит унос дисперсных частиц, а также разрушением уже образовавшихся аг-

ломератов из-за малой прочности. Несмотря на это, подтверждено, что применение УЗ-колебаний высокой интенсивности в оборудовании, основанном на центробежной сепарации, является перспективным способом повышения эффективности улавливания твердых высокодисперсных частиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполнения работы создано газоочистное оборудование, обеспечившее повышение степени очистки газовых сред от высокодисперсных частиц за счет реализации центробежно-акустического воздействия решены следующие задачи:

1. Установлено, что степень очистки от высокодисперсных частиц в условиях закрученного газодисперсного потока может быть увеличена за счет внешних энергетических воздействий, и показано, что наиболее эффективным является воздействие ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности.

2. Предложена и разработана математическая модель, учитывающая изменение траектории движения дисперсных частиц в закрученном потоке за счет увеличения их диаметра под действием УЗ-колебаний высокой интенсивности, и позволившая выявить условия течения газодисперсного потока (центростремительное ускорение) и режимы УЗ-воздействия (уровень звукового давления, время воздействия), обеспечивающие максимальную эффективность коагуляции при различных начальных диаметрах и концентрациях частиц.

3. Предложена двухступенчатая конструкция центробежно-акустического газоочистного оборудования, включающая в себя агломератор на основе вихревой трубы с последовательно установленным аппаратом ВЗП, снабженные УЗ-излучателями, обеспечивающие оптимальные режимы УЗ-воздействия и параметры газодисперсного потока. Предложена и разработана методика расчета центробежно-акустического газоочистного оборудования в одиночной (при расходе газа не более 10000 м3/час) и батарейной компоновках.

4. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие теоретически выявленные режимы УЗ-воздействия и условия течения газодисперсного потока и показавшие, что при оптимальных условиях течения потока воздействие УЗ-колебаниями обеспечивает укрупнение дисперсных частиц до 4,5 раз.

5. На основе предложенной методики расчета разработан экспериментальный образец центробежно-акустического газоочистного оборудования, состоящий из последовательно установленных агломератора (диаметром 340 мм и длиной 3000 мм) и аппарата ВЗП диаметром 300 мм.

6. Проведенные исследования функциональных возможностей созданного оборудования позволили установить, что применение УЗ-воздействия обеспечивает повышение эффективности улавливания дисперсных частиц размером от 1 мкм не менее 90 %.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Нестеров, В.Л. Разработка конструкции аппарата центробежно-акустического улавливания аэрозолей наноразмерного диапазона (Текст| / В.А. Нестеров, В.Н. Хмелёв, A.B. Шалунов, К.В. Шалунова, А.Н. Галахов, Р.Н. Голых // Ползуновский вестник. - 2013. - № 1. - С. 156-160.

2. Нестеров, В.А. Контроль процесса ультразвуковой коагуляции дисперсных частиц нано-метрового размера |Текст| / Хмелёв H.H., Шалунов А.П., Нестеров В.А., Хмелев М.В., Галахов А.Н., Голых Р.Н. // Ползуновский вестник. - 2013. - Л? 2. - С. 154-158.

3. Нестеров, В.А. Создание оборудования для улавливания высокодисперсных частиц цен-тробежно-акустическим методом |Текст] / В.А. Нестеров, В.Н. Хмелёв, А.В. Шалунов, К.В. Ша-лунова, В.Е. Бажин // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013. - № 3. - С. 282-285.

4. Шалунов, А.В. Разработка и исследование эффективности центробежно-акустического пылеуловителя [Текст] / В.А. Нестеров, В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, А.Н. Галахов, P.C. Доров-ских // Научно-технический вестник Поволжья. - 2014. - № 2. - С. 225-228.

5. Нестеров, В.А. Стенд для контроля процесса ультразвуковой коагуляции дисперсных частиц на-нометрового размера [Текст]/ В.А. Нестеров, В.Н. Хмелёв, А.В. Шалунов, MB. Хмелев, А Н. Галахов, Р.Н.Голых // Измерение, контроль, информатизация: материалы XIV Международной научно-технической конференции. Том 1/Подред. Л.И. Сучковой. - Барнаул: АлтГТУ,2013.-С. 106-110.

6. Нестеров, В.А. Повышение эффективности сепарации газоочистительного оборудования за счет применения ультразвуковых колебаний / В.А. Нестеров, В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, А.Н. Галахов, Р.Н. Голых// Южно-Сибирский научный вестник.-2013.-№ 1. - С. 5-9.

7. Шалунов, А.В. Разработка и исследование эффективности центробежно-акустического пылеуловителя / В.А. Нестеров, В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, А.Н. Галахов // Южно-Сибирский научный вестник. - 2013.-№2 (4). - С. 30-35.

8. Nesterov, V.A. The control of the ultrasonic coagulation of dispersed nanoscale particles / V.A. Neste-rov, V.N. Khmelev, A.V. Shalunov, A.N. Galakhov, R.N. Golykh, M.V. Khmelev // International Conference and Seminar on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2013: Conference Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2013.-P. 166-170.

9. Nesterov, V.A. Development of the construction of the apparatus for centrifugal acoustic collection of nanoscale aerosols [Текст] / V.A. Nesterov, V.N. Khmelev, A.V. Shalunov, A.N. Galakhov, R.N. Golykh, K.V Shalunova // International Conference and Seminar on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2013: Conference Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2013. - P. 161-165.

10.Nesterov, V.A. The development of the agglomerator for efficiency increase of the separation of nanoscale particles [Текст] / V.A. Nesterov, V.N. Khmelev, A.V. Shalunov, A.N. Galakhov, R.N. Golykh, K.V Shalunova // International Conference and Seminar on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2013: Conference Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2013. - P. 171-175.

11. Nesterov, V.A. Increase of separation efficiency in the inertia! gas-purifying equipment by high-intensity ultrasonic vibrations [Текст] / V.A. Nesterov, V.N. Khmelev, A.V. Shalunov, R.N. Golykh, R.S. Dorovskikh // International Conference and Seminar on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2014: Conference Proceedings.-Novosibirsk: NSTU, 2014.-P. 233 - 239.

12.Улавливатель дисперсных частиц из газового потока П.м. № 133432, Российская Федерация: МПК B01D51/08, B01D45/I2 / В.Н. Хмелёв, В.А. Нестеров, А.В. Шалунов, А.Н. Галахов, Р.Н. Голых; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуко-вых технологий» (ООО «ЦУГ»). 2013123218/05; заявл. 21.05.2013; опубл. 20.10.2013, Бюл. № 29 . - 10 е.: ил.

13. Аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока П.м.. № 131307, Российская Федерация: МПК B01D 51/08 / В.Н. Хмелёв, В.А. Нестеров, А.В. Шалунов, А.Н. Галахов, Р.Н. Голых; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий» (ООО «ЦУТ»),-№2013106573/05;заявл. 14.02.2013; опубл. 20.08.2013 -Бюл. №23. - 2 е.: ил

14.Ультразвуковая колебательная система для газовых сред П.м. № 132000, Российская Федерация: МПК В06В1/00 / В.Н. Хмелев, А.Н. Галахов, А.В. Шалунов, В.А. Нестеров, Р.Н. Голых; заявитель и патентооблааатель: Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» (ООО «ЦУТ АлтГТУ»). - № 2013123940/28 заявл. 24.05.2013; опубл. 10.09.2013 - Бюл. № 25. -11 е.: ил.

Подписано в печать 2S .i0 .20 г. Печать - ризография. Заказ 2014 -9L Объем 2,5 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова