Исследование течения многофазных потоков в конструкциях пылеуловителей методами численного эксперимента

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_

ANALYZING EFFICIENCY OF WORKING COMPACT SEWAGE DISPOSAL PLANT

FOR WASTE WATERS

M.G. Burdova, M. V. Rykov

Analyzing efficiency of working compact sewage disposal plant for waste waters, which stipulating used technologies, were substantiated. Possibility of using cleaning waste waters by physical-chemical method was considered.

Key words: compact sewage disposal plant, physical-chemical cleaning.

Burdova Mariya Grigorievna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Tula, Tula State University,

Rykov Nikita Vladimirovich, postgraduate, nick-05qbk.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.511

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ

В КОНСТРУКЦИЯХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ МЕТОДАМИ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Я.В. Чистяков, A.A. Махнин, Н.М. Качурин

Приведены исследования газодинамического процесса сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе методами численного эксперимента. Математическое моделирование осуществляется в двумерной осесим-метричной постановке методом крупных частиц. С помощью разработанной программы выполнены численные эксперименты.

Ключевые слова: математическая модель, центробежно-инерционный пылеуловитель, расчет параметров.

Новое пылеулавливающее оборудование представляет собой батарею пылеотделителей, последовательно работающих внутри одного аппарата. Чередование цилиндрических перегородок и приемных цилиндров, расположенных коаксильно патрубку очищенного газа, позволяет достигнуть требуемой степени очистки за счет многократного изменения направления потока газа при его движении внутри аппарата и за счет поддержания высокой величины инерционной составляющей результирующей силы, действующей на частицы пыли [1].

Для теоретического решения такой сложной задачи, как исследование течения многофазных потоков в конструкциях пылеуловителей, возникает необходимость решения нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных или интегральных уравнений, выражающих

законы сохранения. Уравнения, описывающие протекающие здесь процессы, представляют собой весьма сложную систему дифференциальных уравнений в частных производных. Причем область изменения исходных функций настолько широка, что обычные методы аналитического исследования здесь в общем случае не могут быть использованы для получения полного решения задачи. В связи с этим численный эксперимент приобретает в данной области механики важное значение в комплексе с традиционным физическим экспериментом [2]. При этом важный принцип использования получаемых математических результатов в данном направлении состоит также в анализе физики явления и проясняет качественную картину, с помощью которой проверяется и уточняется постановка задачи.

Численный эксперимент позволяет, во-первых, уточнить конструкцию аппарата, во-вторых, скорость движения газопылевого потока в аппарате, в-третьих, эффективность очистки от пыли разной дисперсности и, наконец, перейти к конструкции самого аппарата.

Одним из элементов конструкции пылеуловителя является использование боковых щелевых ответвлений (рис. 1). Здесь поток разгоняется вдоль стенки и затем отклоняется от поверхности стенки на специальных выступах обтекаемой формы. Двигаясь после среза выступа мелкая фракция, увлекаемая потоком, пролетает зону щелевого ответвления, не успевая осесть в отверстие, а более тяжелые частицы крупной фракции, вследствие быстрого оседания под действием центробежной силы, которая создается во вращающемся потоке(вращение обеспечивается установкой завихрителя, установленного на входе в конструкцию), попадают в отверстие пылесборника.

Рис. 1. Схема движения потока в зоне разделения частиц

На рис. 2 дана визуализация процесса разделения фракций 2 и 5 мкм пыли химически осажденного мела при частоте вращения потока в зоне разделения 2 об/с. Для иллюстрации даны дополнительные рисунки с наложением векторной картины скорости частиц соответствующих фракций. Результаты свидетельствуют об очень низком уровне отделения крупной фракции пыли. Это объясняется одинаковой плотностью материала фракций и небольшим различием их размера, в связи с чем разница величин

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_

аэродинамических и массовых сил при заданной частоте вращения невелика и недостаточна для их классификации. Для повышения степени разделения частиц разных размеров в данной схеме следует увеличить частоту вращения потока.

Рис. 2. Визуализация процесса разделения фаз пыли химически осажденного мела при частоте вращения

потока 2 об/с

На рис.Зпоказана картина сепарации при частоте вращения потока 20 об/с. Из рис. 3 видно, что при более высокой скорости вращения потока степень отделения крупной фракции существенно повышается. При этих условиях 92% крупных частиц отбирается из потока, и лишь 8% частиц диаметром 5мкм остается в запыленном потоке воздуха после прохождения зоны приемника крупной фракции.

На качество отделения крупных частиц влияет также длина отверстия для отбора фракции. При уменьшении длины - часть крупной фракции не успевает пролететь в отверстие и остается в основном потоке.

Рис. 3. Визуализация процесса разделения фаз пыли химически осажденного мела при частоте вращения потока 20 об/с

26

Увеличение длины отверстия приводит к попаданию части мелкой фракции в фазоприемник для крупных частици снижение степени очистки. Таким образом, при проектировании сепаратора необходимо при помощи численного эксперимента определить длину отверстия фазоприемника и угол подъема направляющей потока перед зоной разделения.

На рис. 4 приведена более сложная схема конструкции пылеуловителя. Газопылевой поток еще раз меняет направление своего движения.

Рис. 4. Схема исследуемой конструкции аппарата и дискретизация на элементы: 1 - входной запыленный поток; 2 - выходной очищенный

поток; 3 - отбор твердой фазы

На рис. 5-6 показаны результаты вычислительного эксперимента для пыли с частицами плотностью 200 кг/м с размером частиц 10 и 15 мкм для конструкции пылеуловителя, приведенной на рис. 4. Поля концентрации твердой фазы показаны в форме цветовой градации.

Рис. 5. Поле концентрации твердой фазы в зоне сепарации для пыли плотностью 200 кг/м3 с размером частиц 10 мкм

Рис. 6. Поле концентрации твердой фазы в зоне сепарации для пыли плотностью 200 кг/м3 с размером частиц 15 мкм

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_

На рис. 7 представлено сравнение теоретически определенной степени очистки запыленного потока с экспериментальными данными для различных размеров частиц пыли плотностью 200 кг/м [3].

Все вычислительные эксперименты по исследованию протекающих процессов и определению параметров конструкции, обеспечивающих разделение фракций твердой фазы, проведены на основе сформулированной математической модели течения газа в центробежно-инерционном сепараторе с учетом двухфазности газодинамического потока и созданной прикладной программы.

7,% 80

60

40

20

0

0 5 10 15 20 5,мкм

Рис. 7. Зависимость степени очистки % газового потока от размера частиц д для пыли плотностью 200 кг/м3

На рис. 8 показана визуализация процесса сепарация частиц различных материалов: химически осажденного мела (карбонат кальция) (5 = 3... 6 мкм; р = 2200 кг/м3), синтетического моющего средства (CMC) (8 = 15 мкм; р = 500 кг/м3) и белой сажи (5 = 10...15 мкм; р = 200 кг/м3). Конструкция аппарата модернизирована по сравнению с рис. 4, но принцип остался тем же, кроме этого, на рис. 8 приведены обе симметричные половины конструкции пылеуловителя.

Анализ результатов (см. рис. 8) показывает, что воздух с частицами твердой фазы поступает из завихрителя, в котором расположены лопатки, закручивающие пылегазовый поток, во внутреннюю полость сепаратора. Более тяжелая пыль прижимается центробежными силами к наружной

_Промышленная безопасность_

стенке корпуса, вдоль этой стенки поступает в нижнюю часть аппарата и собирается в бункер. В средней части внутреннего объема сепаратора поток воздуха с остатками захваченные частиц дважды разворачивается на 180 градусов, поступает в патрубок очищенного газа и выгходит из сепаратора.

Концентрация 1.0000е+01

I а0000е+00

I 6.0000е+00

U 4.0000е+00

I 2.0000е+00  г0000е-05

МЕЛ

кг/куб.м 1.0000е+01

I 8.0000е+00

I 6.00008+00

У 4.0000е+00 I 2.0000е+00 ' 1.0000е-05

СМС

Концентрация 1.0000е+01

I 8.0000е+00

I Е.0000е+00

| 4.0000е+00 2.0000е+00 1.0000е-05

БЕЛАЯ САЖА

Рис. 8. Сравнение полей концентрации твердой фазы при сепарации

различных веществ

Расчеты показали, что степень очистки потока зависит от ряда факторов: скорости вращения потока и расхода газа через сепаратор, плотности материала частиц твердой фазы и их размера. Получив удовлетворительные результаты по адекватности математической модели на тестовых экспериментах мы провели серию расчетов зависимости степени очистки^ (%) от скорости газового потока на входе в аппарат.

В таблице и на рис. 9 представлены результаты расчета зависимости степени очистки газового потока от скорости газового потока на входе в аппарат, определяющего степень закрутки потока и расход воздуха.

Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3

Результаты расчета зависимости степени очистки газового потока

П

^^—Вещество Мел СМС Белая сажа

20 96 87 74

10 91 76 63

5 78 62 49

№ - результаты расчета

\У, м/с

Рис. 9. Экспериментальные данные и теоретические результаты расчета зависимости степени очистки Т]

Как видно из рис. 9, результаты расчета вполне адекватны результатам эксперимента, что позволяет рекомендовать программу для расчета и оптимизации разрабатываемых конструкций пылеуловителей (звездочки относятся к результатам расчета, кривые - к экспериментальным данным).

_Промышленная безопасность_

На рис. 10 представлена схема центробежно-инерционного сепаратора с разделением фаз конденсированной фракции, в которой совмещены конструкции, приведенные на рис. 2 и 8.

Рис. 10. Схема сепаратора с разделением фаз твердой фракции

Результаты проведенных исследований работоспособности предложенной конструкции показаны на рис.11 - 12.

а фракция 2мкм

б фракция 5мкм

Рис. 11. Визуализация процесса разделения фаз пыли химически осажденного мела при частоте вращения потока 2 об/с

а фракция 2мкм

б фракция 5мкм

Рис. 12. Визуализация процесса разделения фаз пыли химически осажденного мела при частоте вращения потока 20 об/с

Из данных рисунков видно, что при низкой частоте вращения потока (рис. 11), как и следовало ожидать, разделение фракций неудовлетворительное.

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_

При высокой частоте вращения потока (рис. 12) отделение крупной фракции вполне удовлетворительное. В предложенной конструкции при этих условиях практически полностью (более 99%, в том числе 3% частиц диаметром 2мкм) крупные частицы отбираются из потока. Степень отделения мелкой фракции на второй ступени очистки составляет 98 %.

Конструкция пылеуловителя, разработанная на основе численного эксперимента, представлена на рис. 12 [3 - 5].

Таким образом, новое пылеулавливающее оборудование позволяет не только извлекать из газового потока мелкодисперсную пыль, но и проводить классификацию частиц пыли по фракциям, первоначально выделяя основную более крупную фракцию, а затем и мелкую.

А-А

Рис. 12. Схема центробежно-инерционного сепаратора с классификацией (стрелками указано направление движения газового

потока и частиц)

При этом разные фракции пыли собираются в разные приемники для дальнейшего их использования в качестве конечного продукта или сырья.

Список литературы

1. Высокоскоростные центробежно-инерционные пылеуловители: монография / Э.М. Соколов [и др.]. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2013. 128 с.

2. Чистяков Я.В., Махнин A.A., Невский А.В. Математическая модель для определения параметров центробежно-инерционного пылеуловителя // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55. Вып. 12. С. 93-97.

3. Чистяков Я.В., Махнин A.A., Невский А.В. Разделение газопылевого потока в центробежно-инерционном пылеуловителе с позиций эко-лого-экономического подхода//Вестник МИТХТ. 2012. Т.7. №3. С. 92-96.

4. Пат. 111773 Российская Федерация, МПК В 01 D 45/12. Центро-бежно-инерционный пылеуловитель / Я.В. Чистяков, О.Н. Володина,

_Промышленная безопасность_

А.Ю. Дубов, Л.А. Моисеева, А.А. Махнин. Опубл. 27.12.2011, Бюл. № 36.

5. Пат. 117103 Российской Федерации, МПК В 07 В 7/08. Пылеуловитель-классификатор / Я.В. Чистяков, О.Н. Володина, А.Ю. Дубов, А.А. Махнин, Г.М. Гончаров. Опубл. 20.06.2012, Бюл. №17.

Чистяков Ярослав Владимирович, канд. техн. наук, ст. препод., varOOOOO&yandex.ги, Россия, Ярославль, Московский государственный университет путей сообщения, Ярославский филиал,

Махнин Александр Александрович, д-р техн. наук, проф., volodinniaijystu.ги, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., ecologygtsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

STUDY OF MULTIPHASE FLOW MOVEMENT IN A DUST CA TCHER BY METHODS OF NUMERICAL EXPERIMENT

Ya. V. Chistyakov, A.A. Makhnin, N.I. Volodin

The paper presents the study of the gas-dynamic process of fine-dispersed dust separation in a centrifugal inertial dust catcher carried out by methods of computing experiment. Mathematic modeling is carried out for the problem set up as a two-dimensional axially symmetric one, by particle-in-cell method. With the aid of the developed program the computing experiments have been performed.

Key words: mathematic model, centrifugal inertial dust catcher, calculation of parameters.

Chistyakov Yaroslav Vladimirovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, yarOOOOOa yandex. ru, Russia, Yaroslavl, Moscow State University of Railway Engineering, Yaroslavl branch,

Makhnin Alexander Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, volodinniaijystu.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,

Kachurin Nikolay Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, ecologya tsu. tula.ru,Russia, Tula, Tula State University