Разработка научных основ рационального конструирования аппаратов газоочистки

получаемого в увлажнителе, перегреваемого в нагревателе и конденсируемого пара. Такая увязка должна быть сделана при выборе и ра-

счете конструкций всех аппаратов, участвующих в цикле установки. Она является задачей наших дальнейших исследований и разработок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Govindan, P.N. Status of humidification dehumid-ification desalination technology [Текст] / Govindan P.N., McGovern R.K., Thiel G.P. [et al.] // Proc. of World Intern. Desalination Association (IDA) Congress.— Perth, Western Australia.— September 4-9, 2011.— 20 p.

2. Арефьев, К.М. Определение коэффициента диффузии паров кадмия и магния в газах методом Стефана [Текст] / К.М. Арефьев, М.А. Гусева, Б.М. Хомченков // Теплофизика высоких температур.— 1987. Т. 25. № 2.— С. 250-255.

3. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент [ Текст]: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР В.А. Григорьева, В.М. Зорина.—2-е изд., перераб.— М: Энергоатомиз-дат, 1988.— 560 с.

4. Александров, А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара [Текст ]: Справочник / А.А. Александров, Б.А. Григорьев.— М.: Изд-во

МЭИ, 1999.- 168 с.

5. Sharqawy, M. H. The thermophysical properties of seawater: A review of existing correlations and data [Текст] / M.H. Sharqawy, J.H. Lienhard, S.M. Zubair // Desalination and Water Treatment.— 2010. Vol. 16.— P.354—380.

6. Бурцев ,С.Н. Влажный воздух. Состав и свойства [Текст ]: Учеб. пособие / С.Н. Бурцев, Ю.Н. Цветков.— СПб.: Изд-во СПбГАХПТ, 1998.— 146 с.

7. Бакластов, А.М. Тепло- и массоотдача при конденсации пара из влажного воздуха [Текст] / А.М. Бакластов, Ж.Ф. Сергазин // Известия вузов. Энергетика. 1965. № 2.— С. 59-64.

8. Смольский, Б.М. Тепло- и массообмен при конденсации водяного пара из влажного воздуха в узких каналах [Текст] / Б.М. Смольский, П.А. Новиков, Л.А. Щербаков // Инженерно-физический журнал.— 1971. Т. XXI. № 1.— С. 71-74.

УДК 532.527

Р.Р. Усманова

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ РАЦИОНАЛЬНОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ АППАРАТОВ ГАЗООЧИСТКИ

Проблема очистки газовых выбросов от мелкодисперсной примеси — одна из актуальных в газоочистке и давно выдвинута на первый план экспериментальных и теоретических исследований.

Один из наиболее перспективных методов повышения эффективности пылеулавливания мелкодисперсных частиц — мокрая очистка. Для этого метода характерны сложные массообмен-ные процессы в ходе взаимодействия газодисперсного потока с каплями орошающей жидкости, в результате чего изменяются скорость и концентрация фаз, определяющие газоочистку.

Имеющиеся исследования в данной области показывают сильную чувствительность выходных характеристик к режиму и конструкции аппарата, что свидетельствует о качественно различной ги-

дродинамике потоков при разных значениях ре-жимно-конструктивных параметров.

Таким образом, систематизированное рассмотрение гидродинамики и эффективности работы вихревых аппаратов, получение и обобщение зависимостей между режимно-конструк-тивными параметрами аппарата, создание эффективных и технологичных конструкций, освоение их серийного выпуска для широкого внедрения в промышленную практику — весьма актуальны.

Разработка конструкции барботажно-вихревого аппарата с регулируемыми лопастями

Для оптимизации барботажно-вихревого аппарта были проведены экспериментальные исследования. Эксперименты проводились по

единой методике [2] сравнительных испытаний пылеуловителей на барботажно-вихревом аппарате с цилиндрической камерой длиной 0,6 м и диаметром 0,2 и 0,4 м. Барботажно-вихревой аппарат с регулируемыми лопастями (рис. 1) содержит цилиндрическую камеру 1 с входной трубой 2. В цилиндрической камере 1 установлен завихритель 3 газового потока, представляющий собой четыре лопасти, изогнутые по синусоидальной кривой. Регулировка положения лопастей 2 выполняется путем поворота эксцентриков, скрепленных с цилиндрической камерой 1 посредством пружинных шайб и контргаек [1].

Перед завихрителем газового потока установлена центральная форсунка 4, а после за-вихрителя расположены периферийные форсунки 5, в которые подается орошающая жидкость. Отвод дисперсных частиц производится по трубе перетока шлама 6 в шламосборник 7.

Барботажно-вихревой аппарат с регулируемыми лопастями работает следующим образом: запыленный газ подается в цилиндрическую камеру 1, где завихритель 3 при помощи лопастей, закрепленных в радиальных пазах стержня, отклоняет поток и придает ему вращательное движение. Под действием возникающей при этом центробежной силы дисперсные частицы перемещаются к стенкам аппарата. Для регули-

рования положения лопастей на входе и выходе каждой лопасти 3 предусмотрены два выступа, посредством которых лопасть находится в контакте с парой эксцентриков. Эксцентрики осуществляют поворот лопастей на входном и выходном участках цилиндрической камеры 1 в различных направлениях, благодаря чему лопасти 3 устанавливаются в положение, соответствующее наибольшей эффективности газоочистки.

Исследование эффективности очистки воздуха

Исследования проводились на барботажно-вихревом аппарате с цилиндрической камерой диаметрами 0,2 и 0,4 м. В качестве модельной системы были исследованы воздух и порошок талька с размером частиц й = 2—30 мкм. При этом определялись общая и фракционная эффективности очистки. Исследовалось влияние на показатель эффективности очистки режимных параметров, в качестве которых служили общий расход воздуха через барботажно-вихре-вой аппарат, расход воды, коэффициент закрутки К.

Установлено, что с увеличением расхода воздуха происходит возрастание коэффициента очистки (рис. 2).

Определены оптимальные с энергетической точки зрения границы пропускной способности

<ъ

Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 — цилиндрическая камера; 2 — входная труба; 3 — завихритель; 4 — центральная форсунка; 5 — периферийные форсунки; 6 — труба перетока шлама; 7 — шламосборник; 8 — циклон

л, %

D = 0,2 м

D = 0,4 м

10 12

v, м/с

Рис. 2. Зависимости эффективности очистки от скорости газового потока. Пыль: порошок талька й = 10 мкм; а = 3,64; р = 2650 кг/м3; 2 = 5 г/м3

аппарата: нижнии предел соответствует условной скорости в сечении 5 м/с, максимальный расход — скорости 15 м/с.

При работе барботажно-вихревого аппарата со скоростью ниже минимальной происходит снижение степени очистки, выше максимальной — резкий рост гидравлического сопротивления.

Установлено также влияние коэффициента закрутки завихрителя К на величину эффектив-

л, %

90

70

60

50

40

1- n = 0,7

2- n = 0,6

3- n = 0,5

10"

10- 10- 10-

10 с-у

Рис. 3. Эффективность очистки газов в зависимости от произведения параметров су при п равном 0,7

ности пылеулавливания: с ростом K степень очистки возрастает. Определен диапазон величин K, при котором обеспечивается относительно высокая эффективность улавливания частиц: K . = 5, K = 8. При K = 1 наблюдается значи-

min ' max ^ ^

тельное снижение эффективности очистки; при K > 10 эффективность остается практически на постоянном уровне, но потери давления в аппарате существенно возрастают. Исследовано влияние диаметра аппарата на эффективность очистки: с увеличением диаметра эффективность улавливания снижается, причем, чем меньше медианный диаметр частиц, тем больше величина падения эффективности очистки. Предложена методика расчета, единая с методикой расчета циклонов [3], по которой общая и фракционная эффективность пылеулавливания может быть определена аналитически:

Л = 50 [1 + Ф(х')],

где

lg

x =-

d5o

d5ok103

D &

a2 +1

50 di6;

Лф

2 [i+Ф(х )],

где

lg

x = -

d4 k103

D ^&

a

й50 — медиана распределения частиц пыли на входе в аппарат, м; й50 — диаметр частиц, улавливаемых с эффективностью 50 %, м; — условная скорость газа в аппарате, м/с; цг — динамическая вязкость газа, Па-м/с2; рч — плотность частиц, кг/м3; й16 — диаметр частиц на входе в аппарат, при котором масса всех частиц, имеющих размер меньше й16, составляет 16 % от общей массы пыли, м; а — величина, характеризующая дисперсию частиц; к — коэффицент (для данного аппарата получено к = 34,76. При предварительных расчетах общий коэффициент очистки может быть определен графическим методом (рис. 3): используются с — функция только геометрических параметров аппарата, которая

2

может быть рассчитана для проектируемых аппаратов по известной методике [4], и Ф — модифицированный инерционный параметр, характеризующий состояние пылегазовой смеси.

й Чр ч »г

(п + 1).

18цг В

Здесь коэффициент п определяется по формуле

г т \0,3

' г

! = 1 -

г

283

где Тг — абсолютная температура газа, К; В — диаметр аппарата, м.

Исследование гидродинамических характеристик

Исследовались потери давления в барботаж-но-вихревом аппарате в зависимости от его ре-жимно-конструктивных параметров.

Установлено, что наиболее эффективным и экономичным является режим работы при К = 5-8 [5].

Предложена методика расчета потери давления и удельных энергозатрат на пылеулавливание, которые определяются по формулам

р а2 д р

др = Па; Е = , кВт-ч/1000 м3.

2

3600

§ = I

Ьсух

П

V

Л Г

2п

-1

1

У

V»l)

и потерь напора на транспорт жидкости

ч 0,6

зтр

.414Г .1+Л

§ = 1

Ьор

к2

'1 + рж

V Рг )

V»! )

+ 4

1 + -

к2

где Я — радиус аппарата, м; г — радиус вихря, м; Ь, С — объемные расходы жидкости и газа, м3/ч.; »1, »2 — скорость газа на входе и выходе из аппарата, м/с; в — коэффициент потери закрутки потока; К — коэффициент закрутки за-вихрителя; п — показатель вихревого движения.

Полученная формула учитывает наличие дисперсной фазы и частичную потерю закрутки потока. Учет потерь на транспорт жидкости выполнен путем формального применения принципа аддитивности §.

Интенсивность закручивания газового потока оценивалась геометрическим коэффициентом закрутки Кг,

к = 32 г л2 »ГВ'

Поскольку значение Кг не совпадает с истинным коэффициентом закрутки, то принимается следующее соотношение:

Экспериментально установлена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от режимных и конструктивных параметров аппарата, которая складывается из коэффициента гидравлического сопротивления «сухого» аппарата

К = 1,4 Кг0,72.

Результаты опытов представлялись графическими зависимостями гидравлического сопротивления от режимно-конструктивных параметров (рис. 4 и 5).

§

20 17 14 11

Окончательная зависимость для расчета орошаемого барботажно-вихревого аппарата выглядит так:

0,06

0,08

0,10

ОД 2 Ь/С, м3/м3

Рис. 4. Зависимость § от удельного орошения аппарата

Е ,-

АР, кПа

1000 м3 0,83 3.0 при К = 10 у

/при К = 9/

0,66 2,4 / /

0,43 1,5 / / при К = 8

0,27 1,0 ^—

0,16 0.6 при К = 6

0,08 0.3 / у у

1 1 1 1 1 1 1

15 20 0, м/с

Рис. 5. Зависимость энергозатрат на пылеулавливание и гидравлического сопротивления от скорости газа в аппарате

квт • ч

£

Расчет стоимости пылеулавливания

С помощью полученных ранее соотношений, связывающих эффективность пылеулавливания и гидравлическое сопротивление с режимно-конструктивными параметрами барботажно-вихревого аппарата, разработана методика расчета, позволяющая выбрать аппарат с такими режимными и конструктивными параметрами, при которых он бы обеспечивал требуемые технологические параметры при минимальной стоимости очистки.

Основными компонентами стоимости очистки являются стоимость пыли, не уловленной барботажно-вихревым аппаратом, (Сп) и стоимость энергозатрат на пропускание через аппарат газового потока (Сэ).

Стоимость очистки определяется по формуле С0 = С + С .

0 п э

Стоимость неуловленной пыли Сп уменьшается с ростом эффективности ц работы аппарата, с уменьшением начальной концентрации пыли и с уменьшением стоимости уловленной

пыли С :

у

сп =(1 -фсу.

Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на пылеулавливание, возрастает с увеличением гидравлического сопротивления аппарата и рассчитывается по формуле

Сэ =АР0гСтэ.

Полное выражение для расчета стоимости очистки одного кубометра газа можно получить с учетом формулы (1) для расчета эффективности и формулы (2) для расчета гидравлического сопротивления.

Разработан метод расчета общей и фракционной эффективности пылеулавливания, учитывающий геометрические параметры аппарата.

Разработан метод расчета гидравлического сопротивления барботажно-вихревого аппарата, учитывающий конструктивные параметры за-вихрителя и наличие дисперсной фазы.

Полученные формулы послужили основой для разработки методики расчета барботажно-вихревого аппарата. Разработанная методика позволяет рассчитывать аппараты оптимальной геометрии, работающие в оптимальном режиме. Критерием оптимизации принята минимальная стоимость очистки единичного объема газа при обеспечении требуемой эффективности пылеулавливания.

Разработанный метод может быть использован при расчете и конструировании аппаратов газоочистки, так как составляющие его соотношения определяют связь между технологическими характеристиками пылеуловителей и их геометрическими и режимными параметрами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент 2234358 РФ. Барботажно-вихревой аппарат с регулируемыми лопастями [Текст] / Р. Р. Усманова, А.К. Панов [и др.]— 0публ.21.02. 2004.— Бюл. № 23.

2. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Ю.П. Адлер, Е.В. Марков, Ю.В. Грановский // М.: Наука, 1986.— 279 с.

3. Ужов, В.Н. Подготовка промышленных газов

к очистке [Текст] / В.Н.Ужов, А.Ю. Вальдберг.— М.: Химия, 1975.— 216 с.

4. Leith, D. Aiche, symposium series [Текст ] / D. Leith, W. Licht // Air.— 1971.— 12 p.

5. Usmanova, R.R. Complex aerohydrodynamic research and the efficiency of arresting particles for barbo-tage — rotation [Текст] / R.R. Usmanova, A.K. Panov, G.E. Zaikov // Journal of the Balkan tribological association.— 2006. № 3.— P. 368-373.

УДК 66.017

А.А. Попович, Ван Цин Шен

ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ АНОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛИТИЙ-ИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Традиционным сырьем для получения материала анода литий-ионных полимерных ак-кумулятроров является пиролитический углерод — продукт разложения углеродсодержащих соединений. Но в настоящее время стоит актуальная задача: заменить углеводородное сырье на органическое сырье природного происхождения. Это обусловлено следующими факторами:

высокой стоимостью углеводородного сырья и сложной технологией его переработки.

повышенной токсичностью при переработке углеводородного сырья;

истощением мировых запасов традиционных энергетических ресурсов: нефти, природного газа, каменного и бурого угля;

высоким содержанием вредных и нежелательных примесей.

В середине ХХ века азиатскими исследователями, в частности учеными Китая и Японии, активно делались попытки заменить углеводородное сырье на органическое, то есть традиционный пиролиз углеводородов стали заменять пиролизом некоторых органических соединений: фенолформальдегидной смолы, новолачной эпоксидной смолы. Попытки по замене принесли позитивные результаты в области электрохимических свойств анодного материала, в частности увеличили реальную интеркаляционную

емкость до 600-700 мА-ч/г. Вскоре китайскими и японскими исследователями было предложено использовать органическое сырье природного происхождения, а именно растительное сырье (сахарный тростник, бамбук, скорлупа кокосовых орехов, косточки фруктовых деревьев, кофейные зерна, отходы хлопка, шелуха риса, арахиса, сои [1-3]) и отходы его переработки

В работе [4] китайских исследователей было установлено, что анодный материал, полученный пиролизом рисовой шелухи, обладает ценным комплексом электрохимических свойств: имеет высокую интеркаляционную емкость, достигающую 1055 мА-ч/г, оптимальные для анодного материала степень графитизации, размер частиц, скорость интеркаляции-деинтеркаляции, коэффициент диффузии лития, обратимую и необратимую емкость, низкую скорость деградации, хорошую технологичность при изготовлении электродов. По мнению китайских исследователей, уникальный комплекс электрохимических свойств анодного материала обусловлен еще и тем, что в рисовой шелухе содержится кремний, который при пиролизе выступает своеобразным допантом и придает уникальные свойства анодному материалу.

Аналогичные эксперименты проводились японскими исследователями [5]. Для получения