Исследование применения эффекта Коанды для сепарации целевой фракции микрочастиц кварца

до 40% поверхности оребрения при использовании стандартных труб.

Выполненные исследования позволяют разработать комплекс мероприятий по улучшению технологических параметров работы трубчатых печей, снизить риски и ограничения, связанные с их эксплуатацией.

Результаты работы могут быть использованы в проектных материалах технического перевооружения и реконструкции предприятий.

Авторы искренне благодарят генерального директора ОАО «ИркутскНИИхиммаш» д.т.н. Кузнецова А.М. за участие в работе и поддержку.

Библиографический список

1. Тепловой расчёт котлов. Нормативный метод. СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. 259 с.

2. Котишек Я. Трубчатые печи в химической промышленности. Л., 1963. 148 с.

3. Ляшонок С.Ю., Книжник А.Н., Ищук Н.А., Новицкий Е.А., Дьячкова С.Г. Исследования, проектирование, изготовление, стандартизация и техническая диагностика оборудования и трубопроводов, работающих под давлением // Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических,

пищевых и металлургических производств: материалы науч.-практ. конф. Иркутск, 2011.

4. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтегазопеработки и нефтехимии. М.: Недра, 2005. 678 с.

5. Книжник А.В., Книжник А.Н., Марченко М.А. Перспективы развития технологии углеводородных, растительных и минеральных ресурсов // Оптимизация трубчатой печи установки № 209 ОАО «АНХК»: материалы науч.-техн. конф. Иркутск, 2011.

УДК 669.713.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТА КОАНДЫ ДЛЯ СЕПАРАЦИИ ЦЕЛЕВОЙ ФРАКЦИИ МИКРОЧАСТИЦ КВАРЦА

И.А. Сысоев1, В.В. Кондратьев2, А.Э. Ржечицкий3

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Выполнен патентный поиск и литературный обзор различных типов конструкций пылеуловителей и классификаторов. Создан прототип лабораторного сепаратора на основе эффекта Коанда для выделения целевой фракции из общего пылевого потока. Представлены результаты экспериментальных исследований лабораторного сепаратора по выделению целевой фракции кварцевых частиц. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр.4 назв.

Ключевые слова: кварц; эффект Коанда; сепарация; классификация; пылеулавливание; обеспыливание.

STUDY OF COANDA EFFECT APPLICATION FOR THE SEPARATION OF THE TARGET FRACTION

OF QUARTZ MICROPARTICLES

I.A. Sysoev, V.V. Kondratyev, A.E. Rzhechitsky

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

A patent search and literature review of various types of designs of dust collectors and classifiers are performed. A prototype of the laboratory separator is created on the basis of Coanda effect in order to separate the target fraction from the total dust flow. The results of experimental studies of the laboratory separator on the removal of the target fraction of quartz particles are presented. 3 figures. 1 table. 4 sources.

Key words: quartz; Coanda effect; separation; classification; dust catching; dust removal.

В настоящее время значительная часть технологических процессов связана с дроблением, измельчением, классификацией и транспортированием сыпучих материалов. При этом неизбежно часть материалов образует пыль и переходит в аэрозольное состояние. Этим обусловлено множество различных типов кон-

струкций аппаратов для пылеулавливания или сепарации (классификации) фракций необходимого гранулометрического состава. При всем многообразии оборудование может быть классифицировано по ряду признаков: по назначению, по основному способу действия, по эффективности, по конструктивным особен-

1Сысоев Иван Алексеевич, кандидат технических наук, зам. начальника управления научной деятельности, (3952) 405769, e-mail: ivansys@istu.edu

Sysoev Ivan, Candidate of technical sciences, Deputy Head of the Department for Research, (3952) 405769, e-mail: ivansys@istu.edu

2Кондратьев Виктор Викторович, кандидат технических наук, начальник отдела инновационных технологий Физико-технического института, тел.: 89025687702, e-mail: kvv@istu.edu

Kondratyev Victor, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Innovative Technologies of Physico-Technical Institute, tel.: 89025687702, e-mail: kvv@istu.edu

3Ржечицкий Александр Эдвардович, ведущий специалист (3952) 252151. Rzhechitsky Alexander, Leading Specialist, tel.: (3952) 252151.

ностям. Выбор и компоновка аппаратов основывается на свойствах пыли, эффективности и необходимой производительности.

В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований по выделению целевой фракции кварцевых частиц для создания высокотехнологичного производства сферических кварцевых гранул. Был использован опыт совершенствования уже известных конструкций пылеуловителей и классификаторов и примеры создания принципиально новых, отличающихся простотой изготовления и эксплуатации, надежной работоспособностью, компактностью, низкой металлоемкостью, небольшим аэродинамическим сопротивлением и высокой энергоэффективностью.

Струйные течения и эффект Коанда

Струйные течения, ограниченные твердыми поверхностями, являются одной из наиболее часто встречающихся форм организации эффективного тепломассообмена. Причина распространения струйных аппаратов - в удобстве и простоте конструкции, а также в чрезвычайно высокой интенсивности процессов переноса.

Одним из наиболее часто встречающихся видов ограниченных струйных течений являются импактные струи, т.е. струи, соударяющиеся с нормально или под углом расположенной твердой поверхностью. Струйный нагрев и охлаждение применяются в металлургии, энергетике и энергетическом машиностроении, пищевой промышленности и радиоэлектронике, в том числе для охлаждения нагревающихся элементов интегральных микросхем и мощных процессоров. К областям практического применения импактных струй можно также отнести и авиационную технику.

Широко распространенным типом ограниченных струйных течений являются присоединенные струи, т.е. струи, отклонившиеся от своего первоначального направления из-за возникновения поперечного градиента давления, появляющегося вследствие различий условий эжекции с разных сторон струи - так называемый эффект Коанда. Такие течения характерны для замкнутых объемов (аспирационные, пылеулавливающие устройства, камеры сгорания, химические реакторы, вентиляция, кондиционирование помещений и т.д.), и, в свою очередь, условия распространения струй в ограниченном пространстве зачастую определяют интенсивность и эффективность протекающих процессов.

Эффект Коанда - физическое явление, названное в честь румынского учёного Анри Коанды (во французском произношении Коанда, откуда и название эффекта). Об этом эффекте практически не приводится никаких сведений в физических справочниках и энциклопедиях, хотя он используется при создании воздушных и гидравлических движителей и других технических устройств. Известно, что с использованием эффекта Коанда для увеличения подъемной силы крыла, за счет его обдува реактивной струей от двигателя самолета, было построено несколько проектов самолетов.

Анри Коанда в 1932 году обнаружил, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это объясняется тем, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне пониженного давления. Аналогично и поведение струи газа.

Струя газа может быть либо свободной (ограниченной окружающим воздухом), либо ограниченной (стеснённой, ограниченной препятствиями со всех сторон), либо настилающей. Если пренебречь вязкостью, то на границе струи скорость воздуха должна быть равна 0. Для расчётов за границу струи обычно берут поверхность, где скорость равна 0,2 м/с.

Настилающая струя - это полуограниченная струя, и она всегда развивается только вдоль поверхности ограждения. Дальность распространения настилающей струи увеличивается примерно в 1,2 раза по сравнению со стеснённой струей. Этот эффект создается за счёт зоны пониженного давления возле поверхности (струя «прилипает» к поверхности и движется по ней).

В качестве примера рассмотрим принцип действия эффекта Коанда на установке для обеспыливания воздуха [1]. Установка (рис. 1) снабжена приемной кольцевой камерой 2, установленной в нижнем торце корпуса 1 с образованием кольцевой щели 3, причем внутренняя кромка 4 торца корпуса закруглена, при этом шламоотделитель 5 выполнен в виде пустотелого тора. Шламоотделитель соединен с входом вентилятора.

Установка работает следующим образом: запыленный воздух вентилятором 7 нагнетается по трубопроводу 8 в кольцевую камеру 2 и истекает из нее через кольцевую щель 3. При этом запыленный воздух отклоняется в сторону выпуклой закругленной кромки 4, разделяясь на потоки чистого воздуха 9 и пылевых частиц 10. Шламоотделитель 5, установленный на границе раздела этих сред, обеспечивает отделение частиц с них последующим удалением через пробку 6.

При работе установки возможно поступление части воздуха в полость шламоотделителя, что может привести к последующему выбросу избыточного воздуха вместе с пылевыми частицами внутрь корпуса через кольцевую щель 3. Для предотвращения накопления избыточного воздуха в полости шламоотдели-теля он отводится по трубопроводу 8 к входу вентилятора 7.

Литературных источников с упоминанием эффекта Коанда немного. Наиболее значимой работой, опубликованной в открытой печати, можно считать зарубежную статью [2]. Суть явления состоит в том, что плоские струи показывают стойкую тенденцию присоединяться и обтекать вокруг близко расположенной твердой поверхности. Этот феномен обычно связывают с именем Коанда, так как именно он использовал аспекты этого явления в своих изобретениях.

В источнике [2] даны приблизительные теории, которые учитывают вышеуказанные свойства захвата

струи. Эти теории основываются на пространственных анализах, принципе моментов и существующей теории для неразделенных струй. Рассматриваются два случая: течение струи вокруг круглого цилиндра и отделение струи от наклонной стены. В обоих случаях поток трактуется как несжимаемый и окружающая среда находится в состоянии покоя. Принято, что захват является фундаментальным для этих течений, расчеты для окончательного разделения потока, в первом случае, и отсоединение потока от стены - во втором. Наиболее интересны два случая: свободная турбулентная струя и турбулентная струя, протекающая вдоль прямой стенки, вровень со щелью (плоское пристенное течение).

В нашей стране этой проблемой занимались ученые ЦАГИ, в частности Соколова И.Н. занималась исследованием эффекта. Так, в [3] приводятся результаты экспериментального изучения поведения плоской струи, вытекающей по тангенциально цилиндрической поверхности, как при отсутствии, так и при наличии зазора между щелевым соплом, из которого истекает струя, и цилиндром. Показано, что при неизменном давлении на срезе сопла для более тонких струй отрыв наступает при большей величине зазора между соплом и цилиндром.

В работе [4] проведено экспериментальное исследование отрыва течения Коанда при различных давлениях в форкамере сопла, толщинах струй и зазоров между соплом и цилиндрической поверхностью. Уста-

новлены предельные значения давлений и толщин струй и зазоров, при которых реализуется течение Коанда. Обнаружены гистерезисные явления в поведении струй Коанда.

Конструирование опытной модели лабораторного сепаратора

Практическая реализация классификации частиц в любом разделительном аппарате требует:

1) создания в сыпучем материале таких условий, при которых частицы могут перемещаться друг относительно друга, преодолев пороговые значения сил сухого трения и сцепления;

2) создания альтернативных сил классификации, приложенных к каждой частице, по-разному зависящих от их размеров и составляющих между собой некоторый угол;

3) обеспечения отвода классифицированных частиц от границ зоны разделения.

По способу придания частицам подвижного состояния различают: механические (грохоты, вибросепараторы), гидравлические и аэродинамические классификаторы. В ходе выполнения данной работы в качестве приоритетного направления были выбраны аэродинамические классификаторы в силу их большей энергоэффективности.

Внешний вид опытного прототипа лабораторного классификатора (сепаратора) для выделения целевой фракции кварцевых частиц 5-30 мкм приведен на рис. 2.

Сепаратор основан на применении эффекта Коанда и предназначен для выделения целевой фракции из общего пылевого потока с концентрацией взвешенных частиц от 200 мг/дм3 до 5 г/дм3 и скоростей потока от 15 до 25 м/с.

Результаты испытаний по выделению целевой фракции кварца

Инструментальные замеры при испытаниях были произведены в соответствии с ГОСТ 17.2.4.06-90 «Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения» с помощью поверенных приборов: пнев-мометрических трубок конструкции «НИОГАЗ», спиртового микроманометра ММН-2400(5)-1.0, дифференциального микроманометра цифрового ДМЦ-01, термоанемометра «testo 425», ртутных термометров.

По результатам инструментальных исследований с использованием формул по расчету аэродинамических параметров, приведенных ниже, рассчитывались следующие характеристики пылегазовоздушных потоков организованного газоотсоса и систем газоочистки:

- плотность газовой среды при рабочих условиях;

- скорость движения пылегазовоздушного потока на участке замера;

- объем газа при рабочих условиях;

- объем газа при нормальных условиях.

Плотность газовой среды при рабочих условиях,

v =

кг/м

273

- - _ - - V- _v V атм ст )

Ур = П Х 760 Х (2273 + Т) ,

где у0 = 1,29 кг/м - плотность воздуха при нормальных условиях; Ватм - барометрическое давление на момент проведения замеров, мм рт. ст.; Рст - статическое давление (разрежение) в газоходе, мм рт. ст.; Тг - температура газовой среды, °С.

Скорость газа на участке замера, м/с:

i

2 х g х Pc

дин

ГР

где д = 9,8 м/с - ускорение свободного падения; Рдин -динамический напор газа на участке замера, мм вод. ст.;

Расход газа на участке замера при рабочих условиях, м3/ч:

О = у х 5 х 3600,

где Б - площадь поперечного сечения газохода на

2

участке замера, м .

Расход газа на участке замера при нормальных условиях, нм3/ч:

00 = О,

273

_ч, \ атм_ст /

760 (273 + Т ) В качестве взвешенных частиц применялся кварцевый порошок с фракционным составом в диапазоне 1-150 мкм с максимумом распределения на 35 мкм (рис. 3). Порошок вводился дозированными порциями в воздушный поток с возможностью изменения кон-

о о

центрации взвешенных частиц от 200 мг/дм до 5г/дм и скоростей потока от 15 до 25 м/с. Отсепарированная фракция анализировалась на гранулометрический состав, проходящая фракция улавливалась с эффективностью 90% способом фильтрации через иглопробивную фильтроткань марки «Alusurf».

Результаты испытаний по выделению целевой фракции приведены в таблице.

Таким образом, результаты испытаний показывают принципиальную возможность улавливания мелкой фракции кварца с минимальными размерами от 7 мкм. Верхний предел сепарируемой фракции лимитируется фракционным составом исходных взвешенных частиц.

По результатам анализа проведенных исследований сконструирован прототип лабораторного сепаратора для выделения целевой фракции из общего пылевого потока с концентрацией взвешенных частиц от 200 мг/дм3 до 5г/дм и скоростей потока от 15 до 25 м/с.

Результаты испытаний

№ опыта Температура, °С Скорость потока, м/с Начальная концентрация, мг/дм3 кпд улавливания, % Фракционный состав отсепарированной фракции, мкм

1 28 15 200 60,8 от 25

2 27 15 300 61,2 от 25

3 28 15 400 75,2 от 21

4 28 15 500 78,1 от 23

5 28 20 500 65,3 от 9

6 27 20 1000 75,0 от 11

7 27 20 1500 75,2 от 11

8 27 25 2500 75,6 от 9

9 27 25 3000 78,1 от 11

10 27 25 5000 79,3 от 7

Конструкция сепаратора может быть масштабирована в опытно-промышленный образец.

Проведены испытания по выделению целевой фракции кварцевых частиц. В качестве взвешенных частиц применялся кварцевый порошок с фракционным составом в диапазоне 1-150 мкм с максимумом распределения на 35 мкм. Порошок вводился дозированными порциями в воздушный поток с возможностью изменения концентрации взвешенных частиц от 200 мг/дм3 до 5г/дм3 и скоростей потока от 15 до 25 м/с.

Результаты испытаний показывают принципиальную возможность улавливания мелкой фракции кварца с минимальными размерами от 7 мкм. Верхний

предел сепарируемой фракции лимитируется фракционным составом исходных взвешенных частиц.

В настоящее время изготавливается крупнолабораторный прототип установки с целью проведения зачетных испытаний. В перспективе планируется патентная защита аппарата и его использование на производственной базе ООО «Усольехимпром», а также применительно к аппаратам газоочистки металлургических производств.

Статья подготовлена с использованием результатов научно-исследовательских работ, выполненных в рамках программы кооперации вузов и промышленных предприятий

Библиографический список

1. А.с. №1662628 B 07 D 45/04/ Созонов А.Ф., Паничкина Л.Ф., Бекежанов Е.Б. (СССР) №4716476/26: опубл. 15.07.89.

2. Doerschlag С, Miczek G. Chem. Eng. (№Y), 1977. V. 84. №4. P. 64-72.

3. Соколова И.Н. Экспериментальное исследование при-

стеночных струй // Труды ЦАГИ. М.: ЦАГИ, 1982. Вып. 2148. С. 21-31.

4. Соколова И.Н. Экспериментальное исследование пределов реализации течения Коанда // Ученые записки ЦАГИ. М.: ЦАГИ, 1983. Т. IV. С. 124-126.

УДК 628.349.08

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ДРЕНАЖНЫХ ВОД ЗОЛООТВАЛА ШЕЛЕХОВСКОГО УЧАСТКА НИ ТЭЦ

Е.Ю. Фомина1, А.С. Агеева2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Даны сведения о золошлакоотвале Шелеховского участка Ново-Иркутской ТЭЦ, характеристике р. Олха, о химическом составе дренажных сточных вод золоотвала и методах очистки таких стоков. Получены характеристики активного угля КАД-йодный, который предложен в качестве эффективного сорбента при очистке дренажных стоков от тяжелых металлов. Ил. 3. Табл. 4. Библиогр. 5. назв.

Ключевые слова: теплоэлектростанция; золошлакоотвал; активный уголь; дренажные сточные воды; очистка; изотерма адсорбции.

1 Фомина Елена Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии, тел.: (3952) 405118, 89643513702, е-mail: e_u_fom@bk.ru

Fomina Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mineral Processing and Environmental Protection, tel.: (3952) 405118, 89643513702, e-mail: e_u_fom@bk.ru

2Агеева Александра Сергеевна, аспирант, тел.: (3952) 405118, е-mail: alexa_agejewa@hotmail.com Ageeva Alexandra, Postgraduate, tel.: (3952) 405118, e-mail: alexa_agejewa@hotmail.com