Математическое моделирование процессов в вихревом пылеочистителе и повышение его эффективности с помощью вязкоупругих гасителей турбулентности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Егорова, Надежда Евгеньевна

• Егорова, Надежда Евгеньевна
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Егорова, Надежда Евгеньевна

Введение.

1. Проблемы инерционной сепарации.

1.1. Обзор и сравнительная оценка существующих способов инерционной сепарации пыли.

1.1.1 Оседание аэрозолей под действием силы тяжести.

1.1.2 Инерционная сепарация аэрозольных частиц.

1.1.3 Диффузное осаждение частиц.

1.2. Инерционные сепараторы.

1.2.1 Гравитационные камеры.

1.2.2 Циклоны.

1.2.3 Вихревые пылеуловители.

2. Вычисление турбулентных пульсаций скорости при помощи различных моделей турбулентности.

2.1. Модель пути смешивания Прандтля.

2.2. Модель с уравнением энергии.

2.3. Модель с двумя уравнениями переноса (К-8).

2.4. Модель А.Н. Секундова.

2.5. Уровень турбулентности в вихревых сепараторах.

3. Расчет турбулентного поля скоростей в вихревом пылеуловителе.

3.1. Структура и типы течений потоков, возникающих в вихревых сепараторах.

3.2. Математическое моделирование аэродинамики двухмерного турбулентного воздушного потока с применением методики А.Н. Секундова.

3.3. Математическое моделирование аэродинамики трехмерного закрученного турбулентного потока.

4. Пылевая частица в турбулентном поле.

4.1. Вычисление коэффициента диффузии пыли в турбулентном поле.

4.2. Вычисление распределения пыли в вихревом пылеочистителе с помощью континуальной модели.

5. Гашение турбулентности и рост эффективности сепарации.

5.1. Математическая модель гашения турбулентности при помощи вязкоупругих гасителей.

5.1.1. Первая математическая модель гасителя турбулентности

5.1.2. Вторая математическая модель гасителя турбулентности.

5.1.3. Третья математическая модель гасителя турбулентности.

5.2. Натурные эксперименты по гашению турбулентности с помощью упругих пленок.

5.3. Повышение эффективности пылеудаления в вихревых сепараторах с помощью гасителей турбулентности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование процессов в вихревом пылеочистителе и повышение его эффективности с помощью вязкоупругих гасителей турбулентности»

Рост объема производства и его интенсификация, несмотря на усовершенствование технологии и техники очистки воздушных выбросов, повлекли за собой увеличение общей массы вредных веществ, вносимых в атмосферу.

Обеспыливание производится с целью защиты атмосферы от загрязнения пылью, содержащейся в воздушных выбросах предприятий, или для предотвращения загрязнения воздуха в помещениях пылью, содержащейся в атмосфере. И в том, и в другом случае вопросы обеспыливания воздуха тесно связаны с состоянием воздушного бассейна населенных пунктов, которое со своей стороны в значительной мере определяется уровнем очистки выбросов.

Объем отдельных вентиляционных выбросов и содержание пыли в них, как правило, невелики. Выбросы обычно производятся в течение неполных суток с перерывами и переменной интенсивностью, но из-за небольшой высотой расположения над землей, большого суммарного объема и, как правило, плохой очистки они сильно загрязняют приземной слой атмосферы [43].

Общее количество взвешенных частиц, поступающих в атмосферу в результате многообразной деятельности человека, по данным экспертов Европейской экономической комиссии, ставится соизмеримым с количеством загрязнений естественного происхождения [48]. Так пыль естественного происхождения (выветривание почв и горных пород, лесные пожары, вулканическая пыль и др.) составляет 1850 млн. тонн в год, а пыль, образующаяся в результате деятельности человека (выветривание почв в результате их использования в сельском хозяйстве, сжигание отходов, выбросы промышленных предприятий и транспорта) составляет 760 млн. тонн в год. Как видно из этих данных, загрязнения атмосферы, связанные с деятельностью человека, превышает 40 % загрязнения естественного происхождения. Ясно, что такое соотношение нарушает установившееся в природе равновесие и способно вызвать определенные экологические сдвиги.

Человеческая активность меняет характер окружающей среды, причем в большинстве случаев, эти изменения оказывают негативное влияние на человека.

Например, многие технологии текстильной промышленности связаны с пылевыделением. Так, все процессы обработки льняного волокна сопровождаются выделением пыли, коротких волокон и костры. Многочисленные исследования показывают, что весовая концентрация, качественный и дисперсный состав пыли в различных цехах колеблется в широких пределах в зависимости от технологического процесса, состояния оборудования, характера производственных операций, состояния технических мер борьбы с пылью.

Запыленность воздуха в рабочей зоне резко ухудшает условия труда рабочих, снижает их работоспособность, увеличивает утомляемость. При длительном воздействии пыли, образующейся в процессе переработки низкосортного льна, происходят изменения бронхиально-легочного аппарата в виде хронического бронхита, эмфиземы легких и умеренно выраженного пневмосклероза. Пыль, действуя на верхние дыхательные пути, снижает их защитные функции, может явиться фактором, предрасполагающим к развитию других заболеваний, в частности острых катаров верхних дыхательных путей.

В состав льняной пыли входят разнообразные микроорганизмы, грибки и другие примеси. В приготовительно-прядельном производстве микробное содержание составляет 119560-246200 колоний в одном кубическом метре воздуха. Бактериальная загрязненность находится в прямой зависимости от концентрации пыли в воздухе [73].

Борьба с пылью в текстильной промышленности имеет большое социальное значение, так как около 72 % всех рабочих на текстильных предприятиях составляют женщины. Неблагоприятные условия труда вызывают текучесть кадров и создают трудности в подборе рабочей силы, что в свою очередь отрицательно влияет на производительность труда.

Улучшение санитарно-гигиенического состояния воздушной среды на текстильных предприятиях имеет большое экономическое значение [73].

Пыль оказывает вредное воздействие на технологическое оборудование. Пыль загрязняет рабочие органы машин, что приводит к их преждевременному износу, а также к разладке и снижению точности работы оборудования. Повышенная запыленность воздуха на текстильных предприятиях представляет опасность в пожарном отношении.

Одно из главных современных практических направлений деятельности экологии: создание таких технологий, которые в наименьшей степени влияют на окружающую среду, в частности находить способы более эффективной очистки производственных выбросов.

Выше изложенное позволяет сделать вывод, что борьба с пылью имеет гигиеническое, экономическое и социальное значение.

Актуальность темы исследований. Поиск новых способов очистки воздуха от пыли является актуальным направлением науки. Применяемое в этом процессе оборудование отличается:

- крупными габаритами;

- большими энергетическими затратами;

- невысокой эффективностью.

Похожие технологии применяются и при фракционном разделении порошков в промышленностях (химической, фармацевтической, цементной и т.п.).

Одним из путей повышения эффективности очистки воздуха является снижение турбулентности воздушных потоков, подаваемых на сепарацию. Вопросами гашения турбулентных пульсаций занимаются ученые, занятые разработкой и исследованием сложных систем в самолето-, ракето- и кораблестроении. Но все они касаются других скоростей движения сплошных сред и размера объектов. Технологии по гашению турбулентности, применяемые в этих отраслях, к очистке воздуха от пыли мало подходят.

Так как перечисленные производства, использующие очистные сооружения, отличаются крупнотанажностью, то в случае улучшения любого из выше названных показателей, выгода в целом может оказаться значительной.

Цели и задачи исследования. Целью исследования является:

• обоснование и получение более современных математических моделей и соотношений для расчета и прогнозирования эффективности работы вихревых сепараторов;

• определение уровня гашения турбулентности с помощью вязкоупругих покрытий, расположенных в потоке;

• оценка повышения эффективности сепаратора, использующего гасители турбулентности, и сокращения затрат энергии на сепарацию.

Для достижения поставленных целей ставятся и решаются следующие задачи:

• обосновывается и проводится расчет диффузии пылевых частиц в турбулентном поле;

• обосновывается получение математической модели движения пыли в установившейся аэродинамической среде вихревого сепаратора;

• рассматривается влияние турбулентности на сепарацию пыли в вихревых пылеуловителях;

• решается задача гашения турбулентности в вихревых сепараторах при помощи вязкоупругих пленок;

• выводятся аналитические соотношения для расчета повышения эффективности сепараторов в результате гашения турбулентности;

• оценивается увеличение эффективности сепарации от использования вязкоупругих гасителей.

Методы исследования. В работе использовались основные положения прикладной математики, специальные функции, численные методы решения неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка, основные положения и формулы из механики сплошных сред.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на разработанной нами установке с использованием современной измерительной аппаратуры и специальных устройств. Обработка результатов эксперимента выполнена с применением методов математической статистики и прикладных программ на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем: произведен расчет диффузии пылевых частиц в турбулентном поле; получена новая математическая модель движения пыли в вихревом сепараторе; оценено влияние турбулентности на эффективность пылеотделения в вихревых сепараторах; найден способ гашения турбулентности при помощи вязкоупругих покрытий и пленок; построено три математических модели для определения гашения турбулентности при различных технологических показателях гасителя; установлено повышение эффективности сепараторов пыли с помощью гасителей турбулентности.

Практическая значимость работы. Выведенные на основе полученных математических моделей аналитические соотношения по определению эффективности пылеулавливания и разработанное программное обеспечение позволяют получить близкие к фактическим расчетные показатели.

Практическое применение основных теоретических результатов данной работы позволяет увеличить эффективность сепарации и сократить затраты энергии.

Поэтому основные положения диссертационной работы рекомендуется использовать сотрудникам научно-исследовательских организаций и КБ, занимающихся вопросами сепарации, а также в учебном процессе вузов.

В настоящее время результаты работы и методы расчета, предложенные в ней, используются студентами специальности 330500 «Безопасность технологических процессов и производств» при дипломном проектировании.

Апробация работы. Материалы по теме диссертации доложены и получили положительную оценку на следующих конференциях:

Межвузовской научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Иваново - 2000);

Межвузовской научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Иваново - 2000);

Межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва - 2000);

IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза - 2001);

Межвузовских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов (Кострома - 2000,2001);

П Международный симпозиум «Математическое моделирование экологических процессов» (Иваново - 2000) традиционных научно-методических конференциях кафедры безопасности жизнедеятельности Ивановской государственной текстильной академии в 2000-2004 гг.

Содержание представленных докладов опубликовано в сборниках и тезисах вышеперечисленных конференций.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в следующих статьях:

Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н. Оценка эффективности аэродинамического гравитационного сепаратора с учетом турбулентности воздушного потока. // Тез. докл. Межвуз. научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности». Иваново, 2000.

Балуев Э.Ф., Егорова Н.Е., Ларионов В.А., Ясинский Ф.Н. Математическое моделирование процессов в центробежном сепараторе. // Сб. докл. Междун. научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности». Иваново, 2000.

Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н. Учет турбулентности воздушного потока при оценке эффективности аэродинамического гравитационного сепаратора. // Тез. докл. Межвуз. научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности». Ч. №1. Москва, 2000.

Егорова Н.Е., Егоров С.А., Ясинский Ф.Н. Оценка эффективности центробежного сепаратора с учетом турбулентности воздушного потока. // Сб. материалов IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». Ч. №1. Пенза, 2001.

Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н. «Математическое моделирование рассеивания пыли в турбулентном воздушном потоке». // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2002 № 2.

Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н., Сидоров С.Г. «Математическая модель гашения турбулентности при помощи вязкоупругих пленок». // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2003 № 3.

Yegorova N.YE., Smirnov A.N., Yasinsky F.N. «To the problem of reducing the turbulence level using viscoelastic films» // Revista Romana de Textile -Pielärie (ISSN: 1454-5424), Iasi, 2004.

Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 2655. «МАТП» (Моделирование аэродинамики турбулентных потоков). Авторы: Ясинский Ф.Н., Егорова Н.Е. Зарегистрировано 3 июня 2003 года.

Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3167. «ММГТ» (Математическое моделирование гашения турбулентности). Авторы: Ясинский Ф.Н., Егорова Н.Е. Зарегистрировано 10 февраля 2004 года.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, обобщенных выводов и рекомендаций. Список литературы включает 84 источника. Работа содержит 137 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 3 таблицы и 11 приложений, содержащих тексты программ для ЭВМ. Общий объем составляет 190 страниц.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Егорова, Надежда Евгеньевна

Общие выводы и рекомендации

1. Установлено, что для повышения эффективности пылеотделения вихревых сепараторов, необходимо снизить энергию турбулентных пульсаций в воздушном потоке.

2. Получены математические модели, описывающие аэродинамику в вихревом сепараторе, которые удобно использовать для прогнозирования работы вихревого сепаратора при его конструировании.

3. Создана модель для расчета коэффициента диффузии пылевых частиц, движущихся в турбулентном потоке.

4. Получена математическая модель для описания движения пыли в вихревом сепараторе, с помощью которой вычисляется распределение плотности частиц в сепараторе.

5. В результате исследований, проведенных на специально разработанной экспериментальной установке, установлено, что вязкоупругие покрытия снижают турбулентность воздушного потока, проходящего внутри трубопровода, при этом физико-технологические параметры покрытия оказывают существенное влияние на уровень гашения турбулентности.

6. Построено три математических модели для оценки гашения турбулентных пульсаций при различных физико-технологических показателях вязкоупругого гасителя. Установлены уровни гашения турбулентности при различных параметрах вязкоупругих покрытий. Уровень квадратов пульсационных скоростей в оптимальном случае составил 40 % от квадратов пульсационных скоростей без гасителя. Это значит, что скорости турбулентных пульсаций при наличии гасителя составили 65 % от уровня таковых без гасителя.

7. Результаты численных экспериментов показали, что, применяя вязко-упругие гасители, можно повысить эффективность сепарации на 8-10 %.

8. Предложена новая конструкция сепаратора, циклонного типа (рис. 5.20), использующего в работе принцип гашения турбулентности, изложенный в диссертации.

-I

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Егорова, Надежда Евгеньевна, 2004 год

1. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. Москва: Наука, 1984.

2. Абрамович Г.Н., Крашенников С.Ю., Секундов А.Н. Особенности турбулентных течений при наличии объемных сил и неавтомодельности. // Турбулентные течения. М.: Наука, 1974.

3. Акулич A.B., Егоров А.Г., Ковалев В.Я. Новые вихревые пылеуловители со встречными закрученными потоками. // Тез. докл. Междун. научно-практич. конференции «Энергосберегающие технологии переработки с/х сырья». Минск, ч.1, 1980.

4. Акулич A.B., Сажин Б.С., Егоров А.Г. Моделирование движения газовой фазы в проточном вихревом пылеуловителе // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1998 №4.

5. A.c. СССР 1516985, 01P3/36. Б.И. №39,1989.

6. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. Издательство ВЦСПС, Профиздат, 1965.

7. Белоусов A.C. Структура встречных закрученных потоков и расчет центробежного разделения газовзвесей. Кандидатская диссертация. М.: МТИ, 1986.

8. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982.

9. Борейко В.Е. Первые экологи в России // Наука в России. 1999 №3.

10. Бурлаков A.C., Москаленко Э.М. Динамика аэрозолей в горных выработках. М.: Наука, 1965.

11. Бутаков С.Е. Аэродинамика промышленной вентиляции Профиздат, 1949.

12. Воропаев Г.А., Птуха Ю.А. Моделирование турбулентных сложных течений. Киев: Наукова Думка, 1991.

13. Гервасьев A.M. Пылеуловители СИОТ. М., Профиздат, 1954.

14. Глушко Г.С. Изв. АН СССР, Механика 1965, №4.

15. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981.

16. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Контроль пылеулавливающих установок. Москва, 1973.

17. Горячев В. Д., Чернышев В .В., Корнев Г.П. // Известия вузов. Энергетика. 1984, №3.

18. Гудим И.Л., Гудим Л.И., Сажин Б.С. Метод расчета режимных и конструктивных параметров вихревого пылеуловителя // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1998 №2.

19. Гудим Л.И., Сажин Б.С. Структура потоков в вихревых аппаратах // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1994 №6.

20. Гуржиенко Г.А. Учет вязкости в теории турбулентности Кармана / Труды центрального аэро-гидродинамического института им. профессора Н.Е. Жуковского. Выпуск 322 / М: 1937.

21. Гурьев B.C., Успенский В.А. // Промышленная и санитарная очистка воздуха. 1975 №4.

22. Даниленко Н.В. Разделение пылегазовых смесей в аппаратах вихревого типа. Канд. дисс. М.: МИХМ, 1988.

23. Дерягин Б.В., Духин С.С. Об осаждении частиц аэрозолей на поверхностях фазового перехода. Диффузный метод пылеулавливания. Знание в медицине. ДАН СССР, 1956, т.З, №3.

24. Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н. «Математическое моделирование рассеивания пыли в турбулентном воздушном потоке». // Известия вузов. Технологиятекстильной промышленности. 2002 № 2.

25. Ерматов Г. Исследование и разработка циклонных воздухоочистительных установок для очистки атмосферных выбросов хлопкозаводов. // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Иваново, 1973.

26. Ефремов Г.И., Лукачевский Б.П. Пылеочистка. М.: Химия, 1990.

27. Зайончковский Я. Обеспыливание в промышленности. М.: Стройиздат, 1969.

28. Иевлев В.М. Численное моделирование турбулентных течений. М.: Наука, 1990.

29. Капустин С.Ю. Исследование турбулентности воздушных потоков // Тез. докл. Междунар. научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности». Иваново, 2001.

30. Колмогоров А.Н. ДАН СССР т.30,1941, №4.

31. Куликова З.И., Павлов Г.Г. Механизация процессов пылеудаления в хлопчатобумажном производстве. М., Легпромбытиздат, 1985.

32. Ламли Дж. Модели второго порядка для турбулентных течений // Методы расчета турбулентных течений / под ред. А. Хонькина М: Мир, 1984.

33. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: ГИТТЛ, 1954.

34. Лаундер Б. Обобщенные алгебраические гипотезы переноса напряжений // Ракетная техника и космонавтика. 1982.- 20, №4.

35. Левин Л.М. Исследование по физике грубодисперсных аэрозолей. М., АН СССР, 1961.

36. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978.40