Перепад статического давления в газоочистном оборудовании вихревого типа

УДК 66.074.1

А. Н. Николаев, В. В. Харьков ПЕРЕПАД СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В ГАЗООЧИСТНОМ ОБОРУДОВАНИИ

ВИХРЕВОГО ТИПА

Ключевые слова: очистка газов, вихревой аппарат, перепад давления, гидравлическое сопротивление, коэффициент крутки,

тангенциально-лопаточный завихритель.

Установлено существование эффекта значительного снижения гидравлического сопротивления потока при взаимодействии его с небольшим количеством мелкодисперсной жидкой фазой орошаемого завихрителя. Показаны результаты экспериментального исследования падения статического давления однофазного потока газа по длине полого вихревого аппарата с тангенциально-лопаточным завихрителем с различными значениями коэффициента крутки. Представлена закономерность изменения перепада статического давления в условиях закрученного двухфазного течения при изменении соотношения нагрузок по жидкости и газу.

Keywords: gas cleaning, vortex apparatus, pressure drop, hydraulic resistance, coefficient of twist, tangent swirl diffuser.

The paper shows heavy drop effect of hydraulic flow resistance in the sprayed swirl diffuser with a small minority of fine-dispersed liquid. Experimental results describes static pressure drop for one-phase flow through the vortex apparatus length with the tangent-blade swirl diffuser at the various values of the twist coefficient. The relationship between pressure drop for two-phase swirling flow and input liquid-gas ratio is presented.

Для очистки больших объемов промышленных газовых выбросов одним из наиболее перспективных типов очистного оборудования является полый вихревой аппарат [1, 2]. Использование в вихревых аппаратах центробежной сепарации фаз снимает ограничение на предельно допустимую скорость газа и позволяет проводить процессы при среднерасходных скоростях газа достигающих 20-30 м/с. При использовании таких аппаратов в системах газоочистки важным является учет их гидравлического сопротивления, так как выбрасываемые в атмосферу газы имеют, как правило, низкое остаточное избыточное давление.

Полный перепад статического давления в аппаратах вихревого типа складывается из перепадов давления в завихрителе и рабочей зоне аппаратов.

Использование для закрутки потока газа тангенциально-лопаточного завихрителя вызвано его преимуществом, заключающимся в возможности снижения гидравлического сопротивления при подаче в его внутреннюю область небольшого количества жидкости. Этот вывод впервые был сделан в работах [3, 4], результаты которых представлены на рис. 1. Гидравлические потери характеризовались коэффициентом сопротивления завихрителя:

Ç =

2Ар

Р ^вх

где - скорость газа на входе в завихритель, Ар -перепад давления, р - плотность газа.

Как было установлено, подача в завихритель небольшого количества жидкости вызывает существенное снижение гидравлического сопротивления по сравнению с неорошаемым (сухим) завихрителем. Максимальное снижение величины гидравлического сопротивления

приходится на отношение массовых расходов жидкости и газа в диапазоне 0,5-1,0 кг/кг. Дальнейшее увеличение 1-т / ведет к

постоянному повышению гидравлического сопротивления, которое при некотором значении 1-т / начинает превосходить

величину гидравлического сопротивления неорошаемого завихрителя. Интервал

значений 1-т / Зт, при котором наблюдается эффект снижения сопротивления и степень его снижения зависят от величины коэффициента крутки завихрителя А.

Ç/Ç.

- 1 —тт—3

— 4

о

1 2

3

Lm IGn

Рис. 1 - Отношение коэффициентов сопротивления орошаемого и сухого завихрителей А: 1 - 0,5; 2 - 0,66; 3 - 0,91; 4 - 1,85

Тот факт, что подобное явление не зарегистрировано для других типов завихрителей объясняется особенностями гидродинамической обстановки в тангенциально-лопаточных завихрителях. Капли жидкости, образующиеся при подаче жидкости в завихритель, за счет центробежной силы осаждаются на лопасти, образуя жидкую пленку, которая, в свою очередь, срывается

2

1

с лопастей с образованием вторичных капель. В результате в периферийной зоне завихрителя образуется вращающийся капельный слой, который, по-видимому, и является причиной снижения энергетических потерь.

Качественное объяснение этого явления, данное в работе [3], заключается в том, что при увеличении расхода жидкости происходит с одной стороны снижение крутки потока и затрат на ее организацию, а с другой стороны, увеличение энергетических затрат на транспорт капель жидкости, причем при небольших расходах жидкости снижение энергозатрат, расходуемых на крутку потока оказывается значительнее, чем увеличение энергозатрат на транспорт и дробление жидкости. Вместе с тем, наблюдаемый эффект в определенной степени может быть вызван гашением турбулентных пульсаций газового потока каплями жидкости. Существование эффекта снижения гидравлического сопротивления потока при взаимодействии его с мелкодисперсной жидкой фазой подтверждено в работе [5].

Максимальное значение 1-т / , при котором исчезает проявление эффекта снижения гидравлического сопротивления, может быть определено по уравнению:

(Ьт/вт )тах = 6,6 ехр (-0,92/Л).

Определение потерь статического давления в рабочей зоне полого вихревого аппарата осложняется тем, что статическое давление в закрученном потоке газа переменно по радиусу г. Продольное изменение статического давления в рабочей зоне аппарата может быть выражено через изменение величины среднего по сечению аппарата избыточного статического давления, вычисляемого по выражению:

2%\р№ггдг Р- р = тт/?2^, 1

'ср

где ? - радиус аппарата; - осевая компонента скорости газа.

Результаты экспериментального исследования падения статического давления по длине аппарата диаметром 100 мм для тангенциально-лопаточных завихрителей с коэффициентом крутки Л = 2,17; 1,35; 0,98 представлялись в виде разницы относительного среднего давления в поперечном сечении на выходе из завихрителя и относительного среднего давления в текущем сечении аппарата

Рср0 рср _

2

-'срО

ср

При вычислении интегралов в выражении (3) использовались профили изменения статического давления по радиусу аппарата в сечениях с

различным удалением от завихрителя. Обработка результатов исследования показала, что в условиях однофазного течения газа в аппарате потери статического давления увеличиваются линейно с увеличением расстояния от завихрителя, а градиент статического давления по длине зависит от коэффициента крутки завихрителя (рис. 2).

рр0 р 0,8 0,6 0,4 0,2

ср 3

2

1

---б

0

2

4

6

8 I/!

Рис. 2 - Изменение перепада статического давления в полом вихревом аппарате по его длине: С = 100 мм; А: 1 - 2,17; 2 - 1,35; 3 - 0,98

На рис. 3 представлена закономерность изменения перепада статического давления в рабочей зоне полого вихревого аппарата в условиях двухфазного течения при изменении соотношения массовых нагрузок по жидкости и газу.

А р

ср 1,0 0,8 0,6 0,4Д 0,2

0

- 1  - 2 ° - 3 • - 4 д - 5

0,5 1,0 1,5

^ /Ют

Рис. 3 - Зависимость коэффициента сопротивления для закрученного двухфазного потока от соотношения нагрузок по жидкости и газа: А=2,17; IС =8; с! = 100 мм; Wвх , м/с : 1 -20; 2 - 25; 3 - 30; 4 - 35; 5 - 40

Результаты показали, что значения перепада относительного среднего по поперечному сечению аппарата статического давления не зависят от скорости газа при условии постоянства соотношений массовых расходов жидкости и газа.

При небольших нагрузках по жидкости в рабочей зоне аппарата также наблюдается эффект снижения энергетических затрат, но он проявляется в меньшей степени, чем во внутренней области тангенциального завихрителя, что связано с отличием структуры дисперсных потоков в рабочей зоне и зоне завихрителя. Указанный эффект достигается в рабочей зоне вихревых аппаратов при

2

соотношении массовых газа Lm/Gm < 0,5.

расходов жидкости и

Литература

1. А. Н. Николаев, Н. М. Нуртдинов, В. В. Харьков, Вестник технологического университета, 18, 3, 294296 (2015).

2. М. Р. Вахитов, Н. М. Нуртдинов, А. Н. Николаев,

Вестник Казанского технологического университета, 14, 8, 130-134 (2011).

3. А. А. Овчинников, Н. А. Николаев, Изв. ВУЗов, Химия и хим. технология, 19, 1, 130-133 (1976).

4. А. А. Овчинников. Дисс. канд. техн. наук, КХТИ, Казань, 1973.

5. Л. В. Захаров. Дисс. канд. техн. наук, КХТИ, Казань, 1988.

© А. Н. Николаев, д.т.н., профессор кафедры оборудования пищевых производств КНИТУ; В. В. Харьков, ассистент той же кафедры, v.v.kharkov@gmail.com.

© A. N. Nikolaev, Doctor of Engineering, Professor, Head of Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University, andr_nik_nik@rambler.ru; V. V. Kharkov, Assistant Professor, the same Department, v.v.kharkov@gmail.com.