Анализ гидравлического сопротивления и расчет противоточных циклонов и вихревых камер

УДК 66.069.832

В. В. Алексеев, И. И. Поникаров, П. В. Алексеев

АНАЛИЗ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И РАСЧЕТ ПРОТИВОТОЧНЫХ ЦИКЛОНОВ И ВИХРЕВЫХ КАМЕР

Ключевые слова: противоточные циклоны, энергоемкость процесса, гидравлическое сопротивление.

В данной статье проведен анализ энергоемкости процесса центробежного пылеулавливания в циклонах (Ц), циклонных (ЦК) и циклонно-вихревых камерах (ЦВК). Расчет гидравлического сопротивления циклонов, циклонных и циклонно-вихревых камер является актуальной задачей и поэтому требует дальнейших изучений.

Keywords: counter cyclones, power consumption of process, hydraulic resistance.

This article analyzes the energy consumption of the process of centrifugal dust collection in cyclones (C), cyclone (CC) and the cyclone-vortex chamber (CVC). Calculation of hydraulic resistance of cyclones, cyclones and cyclone-vortex chamber is an urgent problem and therefore requires further study.

Основными аппаратами, применяемыми в практике отечественного пылеулавливания, являются высокопроизводительные противоточные циклоны НИИОГАЗ типа ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24 и высокоэффективные - типа СК-ЦН-22,СК-ЦН-34, СК-ЦН-40, СДК-ЦН-33. Прямоточные циклоны, как правило, применяются в качестве первичных пылеуловителей и значительно реже из-за их малой эффективности. Вихревые аппараты со встречно закрученными потоками по причинам отсутствия надежных инженерных методик расчета и сложной аэродинамической структуры потока нашли еще меньшее применение.

Расход энергии на проведение данного процесса пропорционален объемному расходу газовой смеси и перепаду давления, определяемому гидравлическим сопротивлением. Последнее складывается из сопротивления на входе в аппарат, сопротивлений движения потока в аппарате и сопротивления на выходе из аппарата.

Основными конструктивными параметрами, влияющими на гидравлическое сопротивление циклонов и вихревых камер, являются: относительная

площадь входного патрубка FEx = 4 • a-b/п; площадь выходного патрубка F вых = d2; диаметр выходной (выхлопной) трубы d = d/D; радиус входного момента количества движения R вх = 2 • R вх/D=1 ± а; (знак "+" используется для циклонов с улиточным закручивающим, а знак "-" -с простым тангенциальным закручивающим устройством); ширина и высота входного патрубка

а = a/D и b = b/D. Кроме того, на распределение скоростей в рабочей зоне циклонов и вихревых камер и их гидравлическое сопротивление влияют относительные размеры: общая высота H/D, высота цилиндрической h/D и конической частей аппарата, а также глубина погружения выхлопной трубы L = l/D , где D - внутренний диаметр аппарата, м.

Гидравлическое сопротивление циклонов и вихревых камер определяется по уравнению:

ар = ; вх-Рг • "^ВхА,

где £вх - коэффициент аэродинамического сопротивления, рассчитанный по скорости движения газа во входном патрубке Vвх, м/с; рг - плотность газовой фазы, кг/м3; АР = АРст + АРдин - полный перепад давления во входном патрубке, Па; АРст = Р-| - Р2 -статический и АРдин = рГ ^вх2/2 - динамический перепады давления, Па; Р^ и Р2 - давления на входе в патрубок и выходе из аппарата, Па.

В таблице 1 представлены относительные размеры высокопроизводительных, а в таблице 2 -высокоэффективных циклонов НИИОГАЗ.

Таблица 1 - Относительные размеры высокопроизводительных циклонов НИИОГАЗ типа ЦН

Тип аппарата авх, град а b L Ьц/D hK/D

ЦН-11 11 0, 0,48 1,56 2,06 2,0

ЦН-15 15 26 0,66 1,74 2,26 2,26

ЦН-15У 15 - 0,66 1,50 1,51 1,5

ЦН-24 24 - 1,11 2,11 2,11 1,75

Окончание табл. 1

H/D d0/D 1b/D

4,36 4,56 3,31 4,26 0,3-0,4 0,3 0,3 0,3 0,4

По данным таблиц 1 и 2 были вычислены значения геометрических и конструктивных параметров циклонов: площади входного или улиточного танген-

— — 2 2

циального патрубка Бвх = а • Ь • Б , м ; кольцевого

• (б2 - а2)/

канала Fk = п• (D2 -d2 )/4 = FD-f 1 -d2

м2;

параметр крутки потока КТ = FBX /FK = 4 • а • b/| п-| 1 - d

интегральный конструктивный параметр крутки потока на входе в циклон 0вх=эт фвх • явх/кТ , где фвх= 90-авх - угол закрутки потока на входе, град.

ав

угол наклона входного патрубка, град.

2

Таблица 2 - Относительные размеры высокоэффективных циклонов НИИОГАЗ типа СК и СДК

Тип аппарата а а Ь L

СК-ЦН-22 0,22 0,18 0,40 0,70

СК-ЦН-34 0,34 0,214 0,515 0,815

СК-ЦН-40 0,40 0,15 0,38 0,70

СДК-ЦН-33 0,334 0,264 0,535 0,835

продолжение табл. 2

Ьк/О Н/О dо/D 1в/О

2,60 3,30 0,18 0,30

2,11 2,925 2,229 0,2-0,3

3,0 3,835 0,20 0,3

3,0 3,835 0,334 0,2-0,3

Результаты вычисленных значений параметров Рвх, Рк, КТ, Квх и 0вх представлены в таблице 3.

Коэффициент аэродинамического сопротивления рассчитанный на пустое сечение циклона диаметром Б с улиточным тангенциальным раскручивающим устройством и значения коэффициента аэродинамического сопротивления циклонов диаметром 0=0,5 м - Со=о,5, работающим без раскручивающих устройств на выхлоп в атмосферу [11] представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Расчетные значения конструктивных параметров и коэффициентов аэродинамического сопротивления циклонов НИИОГАЗ типов ЦН, СК и СДК

Параметры Тип аппарата

ЦН-11 ЦН-15 ЦН-15У

Ёвх /О2 0,096 0,132 0,132

Ёк /О2 0,512 0,512 0,512

Р вх 0,122 0,168 0,168

0,8 0,8 0,8

R вх 0,1875 0,258 0,258

Кт 4,188 2,995 2,995

0вх 210 140 160

Со 3,721 4,60 4,798

Свх 250 163 170

Окончание табл. 3

ЦН-24 СК- СК- СК- СДК-

ЦН-22 ЦН-34 ЦН-40 ЦН-33

0,222 0,072 0,110 0,057 0,141

0,512 0,747 0,694 0,659 0,697

0,310 0,092 0,140 0,0726 0,180

0,8 1,18 1,214 1,15 1,264

0,433 0,096 0,1585 0,086 0,202

1,688 12,29 7,86 13,36 6,25

90 - 1540 - 980

7,688 16,928 22,54 - 19,44

80 2000 1150 - 600

Для удобства анализа и сравнения энергозатрат различных типов циклонов, вычисленных по значениям коэффициента может быть использовано уравнение для связи коэффициентов аэродинамического сопротивления £вх и

Свх =Сй • Р ех

Значения коэффициентов ^вх, рассчитанные по экспериментальным данным различных авторов для циклонов, циклонных и циклонно-вихревых камерах приведены ниже.

По данным Якубова [1] вычисление коэффициента жвх для ЦК производят по формуле:

ж = 1,38 • (Ёвх/(Ёвых • Ь0,5) + 0,03 (3) В работе Стюртеванта [9] для Ц коэффициент жвх рассчитывают по выражению:

ж = 2,918/сг.

Другие авторы Шеферд и Лейпла [8] для Ц вычисляют коэффициент жвх по формуле:

= 16 • Ёвх М.

У авторов Касала, Мартинес-Бенета [10] коэффициент жвх для Ц определяют по выражению:

ж = 11,3 •

Тонконогий и Вышенский [2] для расчета коэффициента жвх для ЦК используют формулу:

Жх = 0,5 + 60 • Ёвх, Ь = 1,7;Н = 0,4 . (7) Авторы Бухман, Вышенский, Устименко [4,5,6] для расчета коэффициента Жвх для ЦК ведут по формулам:

Ж,х = 0,225 • п0115 • Яе0х170; Ь = 1,812^ = 0,4;

п = 1...4; Рвх • 102 = 3,19 .

По данным Яковлева, Змейкова, Устименко [3, 4] вычисление коэффициента жвх для ЦВК производят по формуле:

С вх = 2 • Reвх07.

Мельников, Сухович [7] рассчитывают коэффициент жвх для ЦВК по выражению:

^вх = 0,08 Ре0х32.

Уравнения (3) - (7) предназначены для расчета гидравлического сопротивления центробежного оборудования в автомодельном режиме, когда коэффициент определяется лишь конструктивной особенностью аппарата.

Результаты расчетов по этим формулам для соответствующих геометрических параметров представлены на рисунке 1.

Уравнения (8) - (10) предназначены для расчета в не автомодельной области и являются функцией как конструктивных, так и режимных параметров Ревх = Увх-й-рг/^г, где - коэффициент динамической вязкости газа, Па-с. Анализ энергоемкости процесса центробежного пылеулавливания в не автомодельной по числу Рейнольдса области показывает некоторое увеличение значения £вх в области чисел Яевх от 30-103 до 230-103.

Как следует из таблицы 3, наибольшее сопротивление имеют высокоэффективные циклоны типа СК и СДК, а наименьшее - циклонные камеры (по данным Якубова). Высокопроизводительные циклоны типа ЦН, а также ЦК, представленные в работе

Тонконогого и Вышенского, принимают промежуточные значения гидравлического сопротивления. Коэффициент £вх возрастает при увеличении Ёвх и

уменьшении параметра d (см. циклоны типа СК и

е г-

г 1 с 3 J: -F ^ -i --

Рис. 1 - Зависимость коэффициента £вх от режима движения газа Яевх, по уравнениям

СДК). Меньшим значениям коэффициента £ вх соответствуют большие гидравлические потери. Отсюда следует, что коэффициент £вх дает неверную информацию об оптимальной работе циклонов и циклонных камер: минимальное значение £вх отвечает наихудшим условиям аэродинамической работы аппарата, а максимальное - наилучшим. Поэтому расчет гидравлического сопротивления циклонов, циклонных и циклонно-вихревых камер рекомендуется выполнять по уравнению (1), в котором в качестве коэффициента аэродинамического сопротивления следует использовать т.к. данный коэффициент правильно отражает затраты энергии аппарата на организацию циклонного процесса. Аппарату с меньшим гидравлическим сопротивлением ДР соответствует меньшее значение величины

Исследования гидравлического сопротивления аппаратов вихревого типа комплексной очистки газов [12] проводились по коэффициенту гидравлического сопротивления рассчитанному по скорости движения газа в контактной зоне тепломассооб-менной камеры.

В других исследованиях на основе анализа аэродинамических закономерностей вихревого пылегазо-разделителя [13] и контактного теплообменника вихревого типа [14] также получены подтверждения правильной оценки энергозатрат по скорости дви-

жения закрученного потока газа или пара в контактной зоне оборудования.

Литература

1. Якубов Г.В. Исследование некоторых закономерностей движения потока в циклонных камерах: Автореф. канд. дис. Алма - Ата, 1971.

2. Тонконогий А.В., Вышенский В.В. Исследования конвективного теплообмена на моделях циклонных камер. - Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Вып. 1. Алма - Ата., 1964.

3. Змейков В.Н., Яковлев А.Т. Экспериментальное исследование влияния распределенности подводов на аэродинамику плоской вихревой камеры. - Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Вып.12. Алма -Ата, 1977.

4. Устименко Б.П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях. - Алма - Ата: Наука, 1977. -228 с.

5. Бухман М.А. Экспериментальное исследование аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных камерах с распределенным по периметру подводом воздуха: Автореф. канд. дис. Алма - Ата, 1970.

6. Вышенский В. В. Изучение конвективного теплообмена в циклонной камере. - Изв. АН КазССР. Сер. энергетическая. 1961. Вып. 2 (20).

7.Мельников В.К., Сухович Е.П. Конвективный теплообмен в вихревой камере. - Изв. АН ЛатвССР. Сер. физ. и техн. наук. 1967. № 2.

8. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. -Л.: Химия, 1982. - 256 с.

9. Shepherd С.В., Lapple С.Е. Fow pattern and pressure in cyclone dust collectors. - Ind. and Eng. Chem. 1939. Vol. 31, № 8.

10. Stairmand С.1 Pressure drop in cuclone separators. - Engineering. 1949. Vol. 21, № 10.

11. Casal J, Martinez - Benet J.M. A bettr way to calculate cyclone pressure drop.- Chem. Eng.1983.Vol.

12. Алексеев В.В. Исследование гидравлического сопротивления аппарата вихревого типа комплексной очистки газов / Алексеев В.В., В.О. Лукин, Поникаров И.И. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 16. №7; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2013. - 217 с.

13. Алексеев В.В. Исследование аэродинамических закономерностей вихревого пылегазоразделителя / Алексеев В. В., Поникаров И. И., Алексеев П. В. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 16. №20; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Унт. - Казань: КНИТУ, 2013. - 217 с.

14. Москалев, Л.Н. Исследование влияния аэродинамических закономерностей входного потока на конструктивные параметры контактного теплообменника вихревого типа / Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И., Алексеев В. В. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 15. №10; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2012. - 240 с.

© В. В. Алексеев - канд. техн. наук. доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, valexeevtt@mail.ru; И. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., советник ректората КНИТУ; П. В. Алексеев - инж. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.