автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка и исследование роторного газопромывателя с целью интенсификации процесса пылеочистки

Г8 ОД 3 ПИВ №1

На правах рукописи

ДАНИЛЕНКО МАРИНА ИВАНОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РОТОРНОГО ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЯ С ЦЕЛЬЮ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПЫЛЕСЧИСТКИ

Специальности: 05 18.04 - технология

МЯСНЫХ. МОЛОЧНЫХ J

оыбных продуктов 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых лсоизводстз

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1996

Работа выполнена в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент СОРОКОПУД А.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, заведующий

лабораторией института

теплофизики СО РАН ПЕТРИК П.Т.

кандидат технических наук, доцент БОБРЫШЕВ А.А.

Ведущее предприятие: Кемеровский молочный комбинат.

Защита диссертации состоится " -'У " -¿к^й^е- 1997 г. в час на заседании диссертационного Совета (Д 064.67.01 )

при Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности.по адресу: б50.060/:Кемерово,б-РСтроителей,47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 19Э6 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент //£ ^ ^ Потипаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Одной из проблем, приобретающих в последние годы все большую экологическую роль и отраслевую значимость, является сокращение потерь в технологии пищевых продуктов за счет совершенствования очистки выбросов пылевидных фракций, обеспечивающих, в свою очередь, охрану воздушного бассейна.

В мясной и молочной промышленности частицы пыли представляют собой летучие продукты соответствующих производств (сушка молока и молочных продуктов, изготовление сухих кормов животного происхождения, пневмотранспортиро-вание, дробление, истирание и т. д. ). В выбросах предприятий частицы размером менее 10 мкм составляют более 50% по массе, что в ряде случаев в десятки раз выше величин предельно допустимых концентраций. Пылегазовые выбросы пищевых производств, за редчайшим исключением, оказывают отрицательное воздействие на людей, животных, наносят вред окружающей среде, оборудованию, зданиям, сооружениям и т. д. В некоторых случаях, не создавая прямой угрозы жизни и здоровью населения, они вызывают ощущение дискомфорта ( это характерно для дур-нопахнущих веществ в малых концентрациях ), которое, если длится достаточно долго, может привести к вторичным, более тяжелым последствиям. К тому же, все виды пыли, уловленные в средствах очистки отработанных газов предприятий могут быть полезно использованы. Поэтому, с целью повышения рентабельности производства, необходимо обеспечить повышение эффективности работы пылеулавливающих установок при очистке газов от мелкодисперсных пылей.

Несмотря на высокую эффективность, низкое гидравлическое сопротивление применение электрофильтров в пищевой промышленности недопустимо из - за пожаро - и взрывоопасности. Заметная роль в очистке газов от аэрозолей принадлежит мокрым методам и способам. Простота в изготовление и надежность в эксплуатации обеспечивают широкое распространение мокрых пылеуловителей. Наиболее эффективными аппаратами мокрой очистки являются скрубберы Вентури, обеспечивающие эффективность 99,9% при улавливании микронных и субмикронных частиц. Однако, высокое гидравлическое сопротивление и энергозатраты являются их основными недостатками.

Таким образом, разработка компактного, высокоэффективного, с низким гидравлическим сопротивлением и энергозатратами оборудования для мокрой очистки газов представляется актуальной задачей. Многообещающим началом яв-

ляется при этом применение ротационного принципа создания поверхности контакта фаз в устройствах с внутренней циркуляцией жидкости.

Поэтому исследование конструктивных, технологических и режимных параметров роторного распылительного аппарата ( РРА ) с целью разработки боле -. совершенной конструкции и создания обоснованной методики расчета является важной задачей, непосредственно связанной с разработкой и внедрением эффективного и интенсивного оборудования для очистки промышленных газов.

Работа выполнялась в соответствии с Комплексной научно-технической программой " Кузбасс" Кузбасского РНОК е 1993-1995 г. по теме 2. 3 " Разработка научных основ способа мокрого улавливания пылевидных пищевых продуктов на поед-

»

понятиях Кузбасса и создание пылеуловителей."

Научная новизна. Установлены оптимальные параметры заборного устройства распылителя, обеспечивающего более высокую производительность пои значительно меньших энергозатратах по сравнению с аналогичными конструкциями.

Получены расчетные зависимости для определения производительности и энергозатрат заборного устройства распылителя в широком диапазоне изменения конструктивных, режимных и физико - химических параметров.

Определены рациональные соотношения системы "заборное устройство -сливная тарелка" и условия совместной работы заборного и диспергирующего устройств распылителя. Установлена эмпирическая зависимость для расчета мощности, потребляемой диспергирующим устройстзогл распылителя.

Экспериментально установлены рабочие характеристики роторного распылительного газопромывателя ( РРГ^обеспечивающего низкие энергозатраты и высокую степень очистки газов от пылей пищевых продуктов.

Практическая значимость работы. Предложена новая конструкция заборного устройства распылителя, обеспечивающего снижение энергозатрат при сохранении той же производительности, что и известные конструкции, новизна и полезность которой подтверждена положительным решением на заявку № 947037835/25 (03118) от 24.07.96.

Результаты исследования позволили разработать методику и рекомендации по расчету,конструированию роторных гагслромывателей промышленных размеров.

На основе проведенных исследований разработана конструкция роторного распылительного газопромывателя диаметром 1,6 м, предназначенная для оч -тки сушильных газов в производстве сухого молока на акционерном обществе Кемеровский молкомбинат и АООТ "Бараба" г. Куйбышев Новосибирской области.

Использование газопромывателя в системе очистки воздуха от пыли сухого молока на сушильной установке ЦТ - 300 позволяет снизить потери по готовому продукту на 7 - 10 т. за сезон работы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно - технической конференции профессорско - преподавательского состава, научных работников, инженеров и аспирантов КемТИППа в апреле 1994 г. и на отчетной сессии Кузбасского научно - образовательного комплекса за 1996г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 работ, получено положительное решение на заявку 94037 835/25 ( 038118) от 24.07.96.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов,списка литературы из 110 наименований. 14 приложений, 12 таблиц, 34 рисунков. Основное содержание изложено наЖстранииах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дана общая характеристика состояния проблемы и обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ наиболее распространенных и типичных конструкций газопромывателей. Показано, чтс самым перспеэтивным направлением в развитии и совершенствовании газопромывателей является создание высокоэффективных аппаратов с низким гидравлическим сопротивлением и энергоз?тра-тами, способных устойчиво работать при незначительном питаний по свежей жидкости в условиях ее внутренней циркуляции. Определены наиболее перспективные и рациональные конструкции основных узлов РРГ: заборное устройстзо распылителя в виде двух коаксиальных цилиндров с заборными лопатками между ними; диспергирующее устройство в виде перфорированного цилиндра; пристенный каплеотбойник в виде Бергик'зльных металлических пластин; сливная тарелка с центральным перетоком.

Рассмотрены основные вопросы гидродинамики, связанные с особеннотгью работы отдельных узлов роторного газопромывателя. Показано, что гидродинамическая обстановка на контактном элементе отличается сложностью и недостаточной изученностью.

Опубликованные данные по гидравлическим сопротивлениям известных роторных аппаратов справедливы для аппаратов с перекрестным движением фаз и могут быть использованы лишь для оценочных расчетов прямоточных закрученных газожидкостных потоков.

Показано, что в мокрых газопромывателях эффективность пылеулавлиезния существенно зависит от поверхности межфазового контакта. В РРГ она образу-

- с -

ется поверхностью капель и пленки жидкости. Основной механизм отделение пыли - инерционный.

Энергозатраты на организацию работы газопромывателя являются опреде-яющим фактором в оценке экономичности аппарата. Точное определение оасхо-да энергии в целом ряде РРГ представляет известные трудности, т. к. распределение энергозатрат столь же разнообразно, сколь разнообразны и конструкций аппаратов.

В конце главы сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе приводится описание опытной установки, методики проведения экспериментов, излагаются результаты исследований конструктивных •/. гидравлических характеристик заборного устройства (ЗУ) распылителя и сливной тарелки.

Гидродинамическая и энергетическая характеристики РРГ в известной степени зависят от конструкции ЗУ распылителя. В большинстве роторных распылительных аппаратов с многократной циркуляцией и диспергированием жидкости используются распылители, диспергирующее устройство которых выполнено в аиде перфорированного цилиндра, а ЗУ в виде двух коаксиальных цилиндров с заборными лопатками прямого профиля. Однако,необходимость повышения производительности и снижения энергозатрат в ЗУ требует применения более рационального профиля заборных лопаток, Работа заборного устройства заключается в подаче жидкости в диспергирующее устройство, аналогично осевым насосам, заборные лопатки которых имеют переменный угол наклона как по длине, так и по ширине. Профили лопастей насосов определяют энергозатраты и величину подачи. Таким образом, задача предстоящих исследований заключается в определении оптимальных параметров гидродинамической решетки заборных лопаток ломанного профиля для ЗУ в виде двух коаксиальных цилиндров, обеспечивающего максимальную производительность при наименьших удельных затратах энергии на его работу.

В качестве исходного был принят просЬиль, состоящий из двух прямых пластинок, установленных под различным углом наклона к поверхности жидкости на сливной тарелке (рис.1). С целью выявления оптимальных параметров забооных лопаток ЗУ на первом этапе был реализован ПФЭ24 .

Факторы менялись на двух уровнях: В 1 (Х,)-угол наклона нижней части заборной лопатки (5-20°); р2(Х2)-угол наклона верхней части заборной лопатки (3060°); Ь„/Ьв (Хз)-отношение длины нижней части заборной лопатки к длине верхней ее части (0,25-4); ЬЛ(Х4) - густота решетки заборных лопаток (0,4-0,6). Число заборных лопаток С целью получения сопоставимых данных некоторые параметры исследуемого ЗУ были аналогичны с базовой конструкцией заборного устрой-

ства. А именно: Оср=85мм, В=20мм, (1,=40мм. Опыты проводились пои г, =71,2 -141,1с"1, 11=0,015 -0.039м .

В результате математической обработки экспериментальных данных были получены уравнения регрессии, среди коэффициентов которых в 90% уравнений значимыми были Ь, и Ь2. Факторы Х3 и были либо малозначимы (з 3-4 уравнениях из девяти), либо незначимы вообще. Таким образом, наибольшее влияние на производительность и удельные затраты энергии ЗУ оказывают углы установки заборных лопаток в решетке.

Полученные уравнения регрессии были взяты за основу для поиска оптимальных геометрических параметров решетки заборных лопаток методом крутого восхождения. При этом главной задачей было достижение максимальной производительности, а затраты энергии являлись ограничивающим фактором. Параметры Х3 и Х4. как малозначимые, были зафиксированы в центре плана эксперимента.

В результате проведенного поиска получены оптимальные значения: (3 ,=12°; (5 г=45°; Ь„/Ьв=2,13; ЬЛ=0,5: 2=3. Сопоставление результатов работы исследуемого ЗУ оптимальной конструкции с ближайшими аналогами, испытанными при тех же условиях, показало, что разработанная конструкция обеспечивает производительность на 20% выше, а энергозатраты на ее работу в 3.5 - 9 раз ниже. Новизна и полезность разработанной конструкции ЗУ подтверждена положительным решением на заявку № 94037835/25(038118) от 24.07.96г.

Дальнейшим этапом исследований являлось изучение производительности распылителя с ЗУ оптимальной конструкции. Поскольку ЗУ представляет собой несколько заборных каналов (лопаток), погруженных на глубину И (см. рис.1) в жидкость на тарелке целесообразно учесть эти особенности. Описать движение вязкой несжимаемой жидкости в центробежном поле можно путем решения уравнений • Нозье - Стокса совместно с уравнением неразрывности потока. Однако, решение уравнений Новье - Стокса вследствии их нелинейности встречает непреодолимые трудности. Поэтому,некоторые авторы преобразуют их методом анализа размерностей к виду критериального уравнения, учитывающего все факторы, определяющие режим движения жидкости в ЗУ. Поскольку на первом этапе исследований часть фактороз, вхссящих в безразмерные критерии, достаточно полно изучены, необходимость использования уравнения в таком виде нет. Поэтому целесообразно перейти к более показательному для конструкторских разработок распылителей и оценки влияния отдельных факторов на производительность ЗУ степенному многочлену:

Оз=с исср В^ }1к; (1)

Исследование производительности ЗУ проводилось на 20 моделях распылителей в следующих диапазонах изменения параметров: И=(0,025 - 0,039)м; В=(0,02 - 0,102)м; Оср=(0-С>78 . 0,218)м: =0,26 - 0.79: частота вращения рото-

Вид А

и>

'Вер

\

¿г

¥

¿3

Ъг.

Л,

А

J

О 1 -ф-р-.

I ■

Развертка сечения заборного устройства по среднему диаметру "лопаток

Рис. 1. Схема контактного элемента (И ;>РР17: 1 - распылитель; 2 - каплеогБой-ник; 3 - сливная тарелка: 4 - вал. эч

ра ь>=49.2 - 141,1с'1. Характеристики рабочих жидкостей пси этом: плотность-Р=(872 -1507) 10"3кг/м3; вязкость - и=(1,0 - 106,1) мПас; поверхностное натяжение ст=(28,5 -128,5)ю"3Н/м;В качестве рабочей жидкости использовалась вода, водные растворы едкого натра, автотракторное масло, Еодьые растворы ПАВ.

Анализ экспериментальных данных показал, что наибольшее влияние на производительность оказывает скорость вращения распылителя лс среднему диак-зтру иср= ш Оср/2 и ширина 3 У -В. Это объясняется тем, что производительность пропорциональна осевой скорости жидкости в заборном канале и его плошали. Однако увеличение В более 61,5мм вызывает снижение производительности вследствии возникновения радиальных перетеканий жидкости в канале, ведущих к возрастанию гидравлических потерь и снижению осевой скорости потока. Существенное влияние на производительность оказывает только вязкость жидкости - ц. С увеличением ц происходит снижение производительности, это можно объяснить возрастанием гидравлического сопротивления при движении жидкости в канале 3 У за счет увеличения потерь на трение.

В результате обработки более 100 опытов получено выражение для расчета производительности:

03= 0,256 исо194 В1,41 И0,34 и"0'22; ' (2)

Уравнение (2) справедливо при: И=(0,025 - 0,038)м; В=(0,02 - 0,062)м; исо=(2,8 -7,7)м/с: <у0,=0.48 - 0 79; р=(872 - 1507)кг/м3; и={1 -106 ) мПас: с1Д>,=0.43 - 0,79; ст =( 0,0285 - 0,1285 ) Н/м, Отклонение экспериментальных данных от расчитаьных по уравнению (2 ) не превышает ±12%. ,

Для расчета РРА промышленных размеров важно знать условия, при которых геометрические и гидравлические параметры сливной тарелки, не оказывают влияния на производительность 3 У.

Анализ взаимного влияния геометрических и гидравлических характеристик системы " заборное устройство - сливная тарелка" на производительность ЗУ позволяет сделать вывод, что для создания высокоразвитой и устойчивой поверхности контакта фаз необходимо, чтобы отношение количества жидкости.образугащей поверхность контакта фаз. к объему слоя жидкости в питающей чаше сливной тарелки было бы постоянным за одно и тоже время.

Влияние основных характеристик системы " заборное устройство - сливная тарелка" на производительность ЗУ достаточно полно характеризуется параметрами:». 02ЯЭ3 - раскручивание жидкости в питающей чаше сливной тарелки; 0210з (И +11о) -обьем слоя жидкости на тарелке; О, - производительность ЗУ, характеризующая объемную скорость циркуляции жидкости на контактной ступени.

В результате экспериментального исследования было установлено, ^то на производительность ЗУ существенно влияют расстояние h0 от нижнего торца ЗУ до дна тарелки и диаметр питающей чаши D;. Пп? обеспечения устойчивой работы распылителя необходимо, чтобы глубина 'погружения ЗУ в жидкость на таоелке удовлетворяла условию h^0.015M. а наибольшая производительность ЗУ обеспечивается при следующих условиях:

- -у- - .-------------< 0,02, пои D2/D,=1.5+1,7 ( 3 } ,

. cortD'-D~ ih+h \

\ 2 З/ ov

Справедливость выражения ( 3 ) подтверждена в пределах D;=( 0,14 - 0,5 ) м; Оз= (0,098 - 0,279 ) м; а=( 49.2 - 71,2 ) с"': h=( 0,025 - 0.039 1 м.

В третьей главе изложены результаты исследований энергозатрат распы-■ лителя. которые складываются из затрат на оаботу заборного устройства -N3=Nyfl.Q3 и диспергирующего устройства (ДУ) - 1\!д, т. е. М3+Na= N?. Аналитическое определение N3 представляет известные трудности, поэтому они были найдены экспериментальным путем, паоаллельно с изучением производительности ЗУ. В результате математической обработки даилых более 100 опытов получена обобщенная зависимость вида:

Nw=130h"° 23В-°'24иср1'У 25(pD/p в); г 4)

которая справедлива в диапазоне:Ь=(о 02S- 0.039) м: В=( 0,02 - 0,062 ) m;DCp=( 0,0780,192 ) м: U„={ 2.8 -6.8 ) м/с: м=(1 - 106 ) мПас: р=( 876 - 1507 ) кг/м3; с =( 0:0285 -0,1285 ) Н/м: d3/D3=0,48 - 0.79.

При этом отклонение опытных и оасчетных данных не превышает 18%.

Анализ опубликованных данных показал отсутствие расчетных зависимостей, пригодных для определения энергозатрат диспергирующего устройства, что объясняется невозможностью на практике рассчитать и учесть гидравлические потери внутри диспергирующего устройства при оасчете через выражение кинетической энергии. В общем случае расход энергии на работу диспергирующего устройства является фунхцией айда:

Nlj=f( G, со, R ); (5)

Из ( 5 ),путем соответствующих преобразований,получено выражение, удобное для практических расчетов:

и

Il -

где Nnp - приведенные затраты мощности. Джм*7кг; G - массовая секундная пооиз-водительность'.'кг/с; AS - площадь пеосЬсрнрованной поверхности, отнесенная к одному отверстию истечения, м2.

Экспериментальные исследования затоат мощности диспергирующего устройства и последующая отработка опытных данных позволили получить выражение { 6 ) в явном виде:

УУ^р =9,2- 10~13|it)2/?7]3'! ; (7)

которое справедливо при: D3=( 0,105 - С,13 ) м: DB=( 0,125 - 0,24 ) м; В=( 0 02 - 0.04 ) м: ¿\S=( 4.9 - 5,9 )10"5 м2: НДу=( 0.073 - 0.185 } м: h3=0.04 м: h=( 0.028 - 0.038)м: .'■;=' 71.2 - 99 4 ) с"1. В качестве рабочей жидкости использовалась вода.

Важнейшим условием устойчивой и надежней работы распылителя яаляется согласованная совместная работа заборного и диспергирующего устройств, которая - определяется материальным и энергетическим балансами Cb=Qn и Н3=Нг. Экспериментальные исследования показали, что разработанное ЗУ обеспечивает гидравлический КПД порядка 8 -15%, при этом величина напора жидкости составляет Н3=18 -90 мм. Этого крайне недостаточно для обеспечения энергетического баланса.

Анализ внутренней гидродинамики распылителя показал, что для расчета Hj могут быть использованы известные из гидростатики уоавнения Эйлера для жидкости. находящейся в состоянии равновесия во вращающемся сосуде. Таким образом, уравнение для определения величины напора Н=:

д 1 800I V 2 ) \ 2 J !

; I

L _j

где Од и D3 - диаметр диспергирующего и заборного устройства, м.

Следовательно, дополнительный напор, необходимый для соблюдения материального баланса,достигается увеличением Яиаметоа Од относительно D3 при неизменной величине угловой скорости.

• Экспериментальные исследования совместной работы ЗУ и диспергирующего устройств подтвердили возможность использования выражения ( 8 ) для определения размеров Од и D3 при условии выполнения материального баланса Од=СЪ.

8 четвертой главе рассматриваются оезультаты теоретических и экспериментальных исследований процесса пылеочистки в РРГ, разработанном • на основе исследований.

Повышение эффективности пылеулавливания в газопоомывателях можно добиться создавая высокоразвитую и интенсивно обновляющуюся поверхность кон-