Интегральные характеристики закрученных течений в газоочистном оборудовании вихревого типа

УДК 66.074.1

А. Н. Николаев, В. В. Харьков

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ В ГАЗООЧИСТНОМ ОБОРУДОВАНИИ ВИХРЕВОГО ТИПА

Ключевые слова: очистка газов, вихревой аппарат, интегральный параметр крутки.

Проанализирована зависимость интегрального параметра крутки по высоте вихревого аппарата, отнесенного к интегральному параметру крутки на входе в контактную зону от коэффициента крутки завихрителя. Определено изменение интегрального параметра крутки в условиях двухфазного течения на различных удалениях от завихрителя при равных отношениях массовых расходов жидкости и газа. Получен график изменения интегрального параметра крутки в выходном сечении тангенциально-лопаточного завихрителя от коэффициента крутки.

Keywords: gas cleaning, vortex apparatus, integral parameter of twist.

The relationship between integral parameter of twist through the vortex apparatus height based on integral parameter of twist at the core inlet region and the swirl diffuser twist coefficient is analyzed. The study defines range of integral parameter of twist for two—phase flow at the various distances from a swirl diffuser under equal input liquid-gas ratio. A graph of integral twist parameter at the outlet region of a tangent swirl diffuser against the twist coefficient is prepared.

Загрязнение воздушного бассейна газовыми выбросами промышленных предприятий по-прежнему остается одной из острейших проблем промышленного производства. Задача очистки газовых выбросов существенно осложняется тем, что объемы выбросов промышленных предприятий составляют десятки, а иногда и сотни тысяч м3/час, что делает затруднительным применение традиционного очистного оборудования. Это послужило причиной того, что многие промышленные газовые выбросы вообще не подвергаются очистке. В качестве примера можно привести дымовые газы предприятий металлургии, энергетики, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности, танковые и продувочные газы различных предприятий, выбросы пыли и паров органических растворителей в производственных помещениях предприятий.

Проблема очистки больших объемов газовых выбросов промышленных предприятий в атмосферу может быть решена за счет применения для этих целей аппаратов вихревого типа [1, 2]. Высокая пропускная способность вихревых аппаратов обуславливает их малые габаритные размеры. Одной из модификаций газоочистного оборудования вихревого типа является полый вихревой аппарат [2], обеспечивающий высокую эффективность очистки газовых выбросов как от твердых, так и от газообразных примесей. Газ в таком аппарате получает вращательное движение, проходя через тангенциальный завихритель. Жидкость подается в аппарат из трубчатого коаксиального оросителя по всей высоте, что позволяет создать объемный факел распыленной жидкости, заполняющий всю рабочую зону.

Одной из основных характеристик закрученного потока является степень его крутки. Изменение степени крутки потока по длине вихревого аппарата оказывает влияние на гидравлическое сопротивление, интенсивность процессов массообмена и сепарацию капель в аппарате.

Для характеристики степени крутки потока в произвольном сечении канала наиболее широкое

распространение получил интегральный параметр крутки [3], определяемый выражением:

П = M/KR,

где М - осевая составляющая потока момента коли-

я

чества движения, М = 2гср|г; К - осевая

о

составляющая полного потока количества движе-я

ния, К = 2гср| W2гdг ; Я, г - радиус канала и теку-о

щий радиус; Wф- окружная и осевая составляющие скорости газа; р - плотность газа.

В результате обработки профилей скорости [4], полученных в условиях однофазного течения в аппарате диаметром 100 мм для тангенциально-лопаточных завихрителей с коэффициентом крутки А = 2,17; 1,35; 0,98 было установлено, что изменение интегрального параметра крутки по высоте аппарата, отнесенное к интегральному параметру крутки на входе в контактную зону не зависит от коэффициента крутки завихрителя (рис. 1, линия 1).

Изменение параметра крутки по длине аппарата для любого коэффициента крутки завихрителя может быть описано зависимостью:

£ -1 - (d

0,6

где I - расстояние от завихрителя вдоль оси аппарата; d - диаметр аппарата.

В условиях двухфазного течения наблюдается более значительное снижение крутки, чем в однофазном потоке (рис. 2).

Q/ Q

1,0

0,5

H О - а

ч • - б Д - в

___д

1

3

0

2

4

6

l/d

Рис. 1 - Изменение относительного интегрального параметра крутки по длине аппарата: d = 100 мм; ^вп, кг/кг: 1 - 0; 2 - 0,4; 3 - 0,8; А: а -2,17; б - 1,35; в - 0,98

Q

1,5

1,0

0,5

о - а • - б Д - в

тд

3 2 1

0

0,4

0,8

1,2

Lm/Gir

Рис. 2 - Зависимость интегрального параметра крутки от соотношения массовых расходов жидкости и газа: d = 100 мм; l/d = 2,85; A: а - 2,17; б -1,35; в - 0,98

Для определения изменения интегрального параметра крутки по высоте контактной зоны в условиях двухфазного потока обрабатывались результаты измерения составляющих скорости газа, полученные на различных удалениях от завихрителя (2,85; 3,6; 5,6; 7,6 диаметров аппарата) при равных отношениях массовых расходов жидкости и газа (Lm/Gm). Жидкостью орошалась зона аппарата между завихрителем и сечением, в котором проводились измерения.

Результаты (рис. 1, линии 2 и 3) указывают на то, что разность между изменением параметра крутки однофазного потока и двухфазного при фиксированном Lm/Gm слабо зависит от длины зоны контакта. Это позволяет учитывать влияние орошения на снижение интегрального параметра крутки в виде величины А, не зависящей от длины зоны орошения и являющейся функцией коэффициента крутки завихрителя и отношения массовых расходов жидкости и газа.

Обработка результатов экспериментального исследования показала, что А линейно связана с величиной Lm/Gm (рис. 2) и может быть определена по зависимости:

А/а = 0,18

Относительный интегральный параметр крутки в

произвольном сечении аппарата может быть вычислен путем вычитания величины Д / QH из отношения Q / QH для однофазного потока. Следует отметить, что аппроксимации (2) и (3) справедливы только для значений соотношений массовых расходов жидкости и газа и расстояний от завихрителя, находящихся в интервалах, в которых проводились исследования (L^/Gm = 0-2 кг/кг; l /d = 0-8).

Зависимости (2) и (3) позволяют определить интегральный параметр крутки потока на входе в контактную зону, который обеспечивает эффективную сепарацию по всей высоте аппарата. В качестве показателя степени сепарации может быть принята величина максимального осевого смещения капель на выходе из контактной зоны или минимальный размер осаждаемых на выходе капель. Эти величины связаны с минимальным параметром крутки на выходе и могут быть определены, если известны профили составляющих скорости потока в этом сечении. На выходе из аппарата при значениях отношения массовых расходов жидкости и газа более 1,6 можно в первом приближении принять профили, описывающие квазитвердое вращение: Wz = const, W, = Cr, где С - радиальный градиент тангенциальной составляющей скорости. Подстановка этих выражений в (1) позволяет получить соотношение:

Q = CR/2Wz.

Значение С, соответствующее заданному осевому смещению капель определяется из уравнений движения капель в закрученном потоке газа.

Величина интегрального параметра крутки на входе в рабочую зону аппарата (в выходном сечении тангенциально-лопаточного завихрителя) однозначно связана с коэффициентом крутки завихрителя А, который зависит только от геометрических параметров завихрителя. На рисунке 3 представлена зависимость = f (А) для тангенциально-лопаточного завихрителя, построенная по данным настоящего исследования и данным работы [5].

Q

о/л

Д - а о - б —

A

Рис. 3 - Зависимость интегрального параметра крутки на выходе из тангенциально-лопаточного завихрителя от коэффициента крутки: а -данные [5]; б - данные автора

2

1

4

0

2

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. В. К. Щукин, А. А. Халатов, Теплообмен, массообмен

и гидродинамика закрученных потоков в осесиммет-ричных каналах. Машиностроение, Москва, 1982. 200 с.

4. А. Н. Николаев, В. А. Малюсов, Теорет. основы хим. технологии, 23, 2, 216-222 (1989).

5. Х. О. Нурнсте, Ю. В. Иванов, Х. О. Луби, Теплоэнергетика, 1, 37-39 (1978).

© 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.