Моделирование процессов тепломассопереноса и фильтрации в адиабатическом увлажнителе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Хилдаяти Анниса

• Хилдаяти Анниса
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Хилдаяти Анниса

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Анализ конструкций и методов расчета насадочных увлажнителей скв

1.1. Требования, предъявляемые к системам кондиционирования воздуха

1.2. Требования, предъявляемые к системам фильтрации воздуха

1.3 Конструкция и принципы работы адиабатических увлажнителей и охладителей в системах кондиционирования воздуха

1.4 Насадки для увлажнителей воздуха

1.5 Технология изготовления полимерной (полиэтиленовой) проволоки

1.6 Гидродинамика насадочных аппаратов

1.7 Обзор методов моделирования адиабатических увлажнителей. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. Моделирование гидродинамических, тепловых и массообменных

процессов в орошаемых насадках

2.1 Модель эквивалентного канала проволочной насадки

2.2. Гидродинамический расчет орошаемой проволочной насадки в плоском и цилиндрическом канале

2.3. Модель фильтрации аэрозолей в эквивалентном канале

2.4. Модель тепломассобмена в эквивалентном канале

2.5. Определение коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процессов

тепломассопереноса в насадке адиабатического увлажнителя

3.1 Определение гидравлического сопротивления слоя проволочной насадки

3.1.1 Характеристики металлической проволочной насадки

3.1.2 Методика проведения эксперимента на стенде ВолГТУ

3.2 Исследование адиабатического увлажнителя с полимерной проволочной

насадкой

3.2.1. Характеристики насадки из экструдированного полиэтилена

3.2.2 Методика проведения экспериментов на стенде ИТМО

3.3. Оценка погрешностей измерений

ГЛАВА 4. Сравнительный и параметрический анализ результатов исследования

4.1 Сопоставление результатов гидродинамического расчетного и

экспериментального исследований

4.2 Результаты расчета эффективности фильтрации

4.3 Результаты расчетного параметрического исследования

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список рисунков

Список таблиц

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Публикации автора по теме диссертации

Authors publications on the PhD thesis topic

Тексты публикации

Реферат

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процессов тепломассопереноса и фильтрации в адиабатическом увлажнителе»

Актуальность темы.

В системах кондиционирования воздуха (СКВ) зданий и сооружений широкое распространение находят тепло и массообменные процессы, реализуемые в орошаемых насадках. Современный уровень развития тепломассообменных аппаратов характеризуется ростом интереса к возобновляемым источникам энергии. Испарительное охлаждение является самым простым и энергоэффективным методом охлаждения воздушных потоков. При прямом испарительном охлаждении воздух, находящийся в непосредственном контакте с пленкой воды, охлаждается за счет адиабатического испарения. Этот способ охлаждения основан на разнице температур мокрого и сухого термометров. Термодинамическое неравновесие между атмосферным воздухом и поверхностью воды представляет собой возобновляемый энергетический ресурс для получения холода.

Орошаемая насадка может применяться для фильтрации воздушных потоков от мелкодисперсных твердых и жидких частиц. В насадке реализуются основные механизмы удержания аэрозолей: просеивание, адгезия, молекулярное (броуновское) и инерционное смещение. Противоточное движение газа и жидкости обеспечивает эффективную очистку фильтрующего материала.

При добавлении в жидкость необходимых сорбентов и ароматизаторов увлажнитель позволяет проводить дезодорацию воздуха.

Таким образом, адиабатический увлажнитель может рассматриваться как аппарат комплексной обработки воздуха, обеспечивающий изменение температуры и влажности воздуха, его очистку и дезодорацию.

Интенсивность тепломассообменных процессов в насадках зависит от геометрических характеристик и режима работы аппарата. К насадочными

контактными элементами тепло - и массообменных аппаратов предъявляются основные требования: большая удельная поверхность, большой свободный объем, а также обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах и, желательно, низкую стоимость и простоту обслуживания. Режим работы должен обеспечивать оптимальное соотношение расходов воздуха и жидкости. Оптимальный режим будет зависеть от требуемых параметров газа и жидкости на выходе из устройства, конструктивных и эксплуатационных ограничений.

Насадочные аппараты широко используются в нефтехимической, химической и энергетических отраслях промышленности в абсорберах и градирнях. Значительное число работ посвящено расчетным и экспериментальным исследованиям процессов в насадках крупнотоннажных производств. До последнего времени наиболее часто используемыми в орошаемых насадочных колоннах являлись упорядоченные и неупорядоченные структуры из колец Рашига и Палля, тарелок и сеток различной формы.

Работ, в которых рассматриваются малорасходные насадочные увлажнители систем кондиционирования немного, и они, в основном, ориентированы на определение термодинамических характеристик по И-ё диаграммам.

Перспективным направлением повышения эффективности тепло-массообменных процессов в насадочных аппаратах систем кондиционирования воздуха является применение проволоки из полимерных и композитных материалов. Насадки из таких материалов могут изготавливаться с заданной удельной площадью поверхности и долей свободного объема, имеют низкую стоимость и высокую химическую стойкость.

Объект исследования.

Орошаемая проволочная насадка адиабатического увлажнителя СКВ.

Предмет исследования.

Процессы тепломассообмена и фильтрации при противоточном ламинарном движении жидкости и газа в орошаемой проволочной насадке.

Степень разработанности проблемы.

При проектировании объектов новой техники и оригинальных СКВ необходимо решать оптимизационные задачи целевая функция которых включает в себя интегральные и локальные оценки эффективности тепломассообменного оборудования.

Значительный вклад в разработку методов расчета тепломассообменных процессов в машинах и аппаратах различного назначения внесли отечественные и зарубежные исследователи Лаптев А. Г., Фарахов М. М., Пронин В.А., Воскресенский В. Е., Гримитлин А. М., Сотников, А. Г. Хлебников Ю.П., M.I. Hasan, A.A. Rageb, M. Yaghoubi, H. Li J., Peterson G.P., Cheng, P. Вместе с тем остаются актуальными вопросы, связанные разработкой единого подхода к решению оптимизационных задач для принципиально новых конструкций и материалов орошаемых насадок СКВ.

Традиционный подход к расчету тепломассообменных процессов основан на вычислении тепло и массопереноса через коэффициенты теплоотдачи, массоотдачи и гидравлического сопротивления. Возможность применения полученных коэффициентов для орошаемых проволочных насадок требует сопоставления всего комплекса безразмерных критериев, определяемых уравнениями сохранения импульса, теплоты и массы. Для этого необходимо иметь полные описания конструкций, условий и методик проведенных натурных экспериментов, которые в рассмотренных публикациях не приведены.

Другим подходом к исследованию процессов тепломассообмена является использование методов вычислительной гидродинамики (CFD), которые реализованы в программных комплексах ССМ+, Fluent, CFX, FlowFision и других. Основным ограничением, сдерживающим применение CFD моделей, является

большой размер вычислительных сеток, что приводит к необходимости использовать высокопроизводительных вычислительных средств. Даже наличие мощных современных компьютеров не позволяет решать многовариантные оптимизационные задачи с фазовыми переходами используя только ОБО моделирование.

Промежуточным подходом к расчету процессов в насадочных тепломассообменных аппаратах является моделирование на основе метода эквивалентных каналов. Так как эквивалентные каналы имеют простую геометрическую форму, то для них накоплен большой объем экспериментальных данных, а уравнения тепломассообмена для стационарных процессов и простых граничных условий допускают аналитическое решение, что позволяет решать широкий круг оптимизационных задач.

Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является создание методов расчета гидродинамических и тепломассообменных процессов в орошаемых проволочных насадках систем кондиционирования воздуха.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- Разработаны модели плоского и цилиндрического эквивалентных каналов проволочной насадки,

- Разработана математическая модель, алгоритм и программа расчета гидродинамических процессов в орошаемых проволочных насадках,

- Разработана математическая модель, алгоритм и программа расчета тепломассообменных процессов в орошаемых проволочных насадках,

- Разработана математическая модель, алгоритм и программа расчета фильтрации аэрозолей в орошаемых проволочных насадках,

- Проведен комплекс экспериментальных исследований орошаемой проволочной насадки,

- Проведено расчетное параметрическое исследование влияния режимных и конструктивных параметров на эффективность орошаемой проволочной насадки,

- Получены оценки достоверности предложенного метода расчета на основании сопоставления расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна работы.

- Предложена модель эквивалентных каналов для расчета сопряженных гидродинамических, тепломассообменных и фильтрационных процессов в орошаемой проволочной насадке,

- Разработаны линеаризованные математические модели и алгоритмы расчета тепломассообменных процессов в орошаемой проволочной насадке,

- Получены экспериментальные и расчетные результаты исследования гидродинамических и тепломассообменных процессов, проходящих в орошаемого насадках;

- Приведены результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных позволяющие оценить возможность использования предлагаемого метода расчета.

Практическая значимость работы.

Практическая значимость результатов работы заключается в возможности применения разработанных математических моделей, алгоритмов и программ в практической деятельности проектных организаций для повышения эффективности работы систем формирования микроклимата в жилых и общественных зданиях и автономных объектах. Материалы диссертационной работы используются в учебных курсах НИУ ИТМО «Компьютерное моделирование СКВ» и «Математическое моделирование процессов в СКВ».

Положения, выносимые на защиту.

- Математическая модель и методика расчета орошаемых колонн с проволочной насадкой методом эквивалентного канала.

- Математическая модель и гидродинамический расчет орошаемой проволочной насадки в плоском и цилиндрическом канале.

- Математическая модель фильтрации аэрозолей в эквивалентном канале в орошаемых проволочных насадках.

- Математическая модель тепломассобмена в эквивалентном канале в орошаемых проволочных насадках.

- Результаты экспериментального исследования гидравлического сопротивления слоя проволочной насадки.

- Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяющие оценить возможность использования предлагаемого метода расчета.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ряде конференций:

1. VI Всероссийский конгресс молодых ученых - 2017. ИТМО.

2. IV Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов «Шаг в науку» - 2018. г. Томск. Томский Политехнический Университет.

3. XLVШ Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 2019. ИТМО.

4. IX Международная научно-техническая конференция "Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства" - 2019. г. Омск. Омский Государственный Технический Университет.

5. XLIX научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 2020. ИТМО.

6. Юбилейная 10-я Международная Научная Конференция "Техника и

Технология Нефтехимического и Нефтегазового Производства" -2020. г.

Омск. Омский Государственный Технический Университет.

7. ГХ Всероссийский конгресс молодых ученых - 2020. ИТМО.

Достоверность научных результатов.

Достоверность полученных результатов обосновывается использованием общепризнанных положений теории тепломассообмена, применением современного программного обеспечения, результатами расчетных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов численного моделирования с данными, полученными экспериментальным путем.

Личный вклад автора.

Автором предложена математическая модель и методика расчета, разработана программа расчета, разработана методика эксперимента и экспериментальный стенд. Автор лично участвовал во всех экспериментах и обработке полученных данных.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 научных трудов, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в базах цитирования Scopus, 1 патент на полезную модель RU.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 130 наименований работ отечественных и иностранных авторов. В общий объем диссертации входит 195 страниц основного машинописного текста, 42 рисунков, 10 таблиц и 4 приложения.

Содержание работы

Введение

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и научные задачи, решенные в диссертации. Выявлена научная новизна работы, основные научные диссертации, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Приведена информация об апробации результатов исследования на конференциях, семинарах и в опубликованных статьях. Описана структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Глава 1

Первая глава посвящена анализу конструкций и методов расчета насадочных увлажнителей СКВ. Рассмотрены санитарно-гигиенические, строительно-монтажные и эксплуатационные требования, предъявляемые к техническим средствам формирования микроклимата и основные типы устройств для увлажнения и фильтрации приточного воздуха в системах кондиционирования и вентиляции. Показаны возможности и особенности использования адиабатических увлажнителей в схемах прямого и косвенного охлаждения. Представлены результаты исследования насадок различной конструкции. Показано, что применение насадок из пористых полимерных и композитных материалов из изготовленных по технологии экструдирования полимерных нитей с регулируемой плотностью укладки является перспективным направлением повышения эффективности воздухоочистки. Проволочные и сетчатые насадочные элементы имеют более высокие значения удельной поверхности свободного объема и удерживающей способностью по жидкости. Повышенная удерживающая способность связана с тем, что при небольших межвитковых расстояниях для проволочных элементов и небольших размерах ячеек в сетках эти пространства заполняются жидкостью, которая за счет сил

поверхностного натяжения прочно удерживается в свободном объеме насадки. Приведены химические, физические и эксплуатационные свойства полиэтилена низкого давления.

Рассмотрены гидродинамические процессы в насадочных аппаратах, показано что для орошаемых насадок малорасходных СКВ рабочим (штатным) является пленочный режим движения жидкости.

Представлены результаты анализа методов моделирования гидродинамических и тепломассообменных в адиабатических увлажнителях.

В системах кондиционирования воздуха широко используются насадочные тепломассообменные аппараты. К преимуществам таких устройств можно отнести простоту конструкции, удобство обслуживания, малую мощность насосов орошения и незначительную массу аппаратов.

Традиционный подход к расчету тепломассообменных процессов основан на вычислении тепло и массопереноса через коэффициенты теплоотдачи - а, массоотдачи - р и гидравлического сопротивления - Существующие методы определения этих коэффициентов для насадочных аппаратов представляют собой обобщение экспериментальных исследований и опыта эксплуатации в виде критериальных зависимостей = аЯеа1Ыиа2Рга3Сга4, где Re , Pr, Gr

числа Рейнольдса, Нуссельта, Прандтля и Грасгофа соответственно. Существующие методы определения этих коэффициентов для насадочных аппаратов представляют собой обобщение экспериментальных исследований и опыта эксплуатации в виде критериальных зависимостей. Возможность применения полученных зависимостей для других массообменных аппаратов, и в частности орошаемых проволочных насадок, неочевидна и требует сопоставления всего комплекса безразмерных критериев, определяемых уравнениями сохранения импульса, теплоты и массы. Для этого необходимо иметь полные описания конструкций, условий и методик проведенных натурных экспериментов, которые в рассмотренных публикациях не приведены.

Другим подходом к исследованию процессов тепломассообмена является использование методов вычислительной гидродинамики (CFD), которые реализованы в программных комплексах ССМ+, Fluent, CFX, FlowFision и других. Основным ограничением, сдерживающим применение CFD моделей, является большой размер вычислительных сеток, что приводит к необходимости использовать высокопроизводительных вычислительных средств. Даже наличие мощных современных компьютеров не позволяет решать многовариантные оптимизационные задачи с фазовыми переходами используя только CFD моделирование.

В диссертации представлен подход к расчету процессов в насадочных тепломассообменных аппаратах методом эквивалентных каналов. Насадка представляется в виде совокупности плоских или цилиндрических каналов. Количество и геометрические размеры которых определяются из условий эквивалентности площади поверхности, доли свободного объема, напор расходных характеристик, массы удерживаемой жидкости и других в реальной и модельной насадках. Выбор эквивалентных параметров определяется наличием экспериментальных данных и особенностями моделируемых процессов. Так как эквивалентные каналы имеют простую геометрическую форму, то для них накоплен большой объем экспериментальных данных полученных при исследовании гидродинамических и теплообменных процессов, которые обобщены в виде критериальных уравнений и представлены в справочной литературе. Уравнения математической физики для стационарных процессов и простых граничных условий допускают аналитическое решение, что позволяет решать оптимизационные задачи.

Обзор литературных источников, в которых приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований насадочных увлажнителей позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Глава 2

Вторая глава посвящена моделированию гидродинамических, тепловых и массообменных процессов в эквивалентных каналах орошаемой насадки. Под эквивалентным каналом понимается либо единичная плоская щель, либо совокупность цилиндрических каналов. Для любой модели обеспечивается равенство доли свободного объема и поверхности раздела фаз реальной и модельной насадок. В зависимости от решаемых задач и моделируемых процессов могут выдвигаться дополнительные условия, например, эквивалентность массы, гидравлического сопротивления и т.п. Общим является требование совпадения количества варьируемых геометрических характеристик канала и параметров эквивалентности.

Удельная доля свободного объема -е и удельная поверхность раздела фаз -а, отнесенные к объему сухой насадки вычисляются по формулам:

а = , £ = 1--—.

где Гп - площадь поперечного сечения насадки, Нп - высота насадки, объем проволоки в насадке - ¥р , площадь поверхности проволоки - Бр, Нп - высота насадки.

Плоский эквивалентный канал. Из условий эквивалентности размеры модельного плоского канала

^^ГТ4 (1)

Ьт= а^^ , (2)

где кт - расстояние между стенками модельного канала, Ьт - длина канала, Нт -

высота канала.

Если известны только геометрические характеристики насадки а и £ , то размеры канала вычисляются по формулам (1), (2), а высота канала принимается равной высоте насадки Нт = Нп.

Если в результате натурных экспериментальных исследований определена зависимость расхода воздуха от градиента давления в сухой насадке, то ширина кт вычисляется из условия эквивалентности напор-расходных характеристик в

насадке и модельном канале. Экспериментальную напор-расходную характеристику представим в виде линейной зависимости,

Qn= к АРп , (3)

где Qn - объемный расход воздуха через насадку, АРп - перепад давления в направлении движения воздушного потока, к - коэффициент пропорциональности.

Изменение скорости по ширине канала, расход и осредненная по расходу скорость потока в плоском канале при ламинарном движении вычисляются по формулам

Qm = 2^m/2uLm = | (4)

Ът2АРп

12ц.вНт

Формула для расчета перепада давления в канале

др = с Рв(ит)2 нт ^ч

s 4 Нт ' ( )

где 4- коэффициент гидравлического сопротивления, рв- плотность воздуха.

Для ламинарного режима движения в плоском канале

^ Яе

Число Рейнольдса Яе = 2и™-Нт, ^ - кинематический коэффициент вязкости воздуха.

V,

в

После подстановки в (3) выражений (4) и (5) получим формулу для вычисления ширины плоского эквивалентного канала.

_ 3 \12Нтк ^т = I ,

Цилиндрические эквивалентные каналы.

По аналогии с изложенным выше, условия эквивалентности имеют вид

& НпРп 'кптЛтНт, _ 1 2

где пт - количество каналов, ёт - диаметр канала.

Распределение скорости по сечению круглого канала, расход воздуха и осредненная по расходу скорость потока в цилиндрическом канале вычисляются по формулам.

дуКт ^

п = д.1 (6)

Чт 128^в ду , (6)

4Qm ^т дР

п{йт)2 32ду

Коэффициент гидравлического сопротивления цилиндрического канала

^ Г> г,

64 64 ув

После подстановки в (3) формулы (6) получим

з 128 Нтк^в

аРп

Гидродинамический расчет плоского эквивалентного канала. Схема движения жидкости и воздуха в эквивалентном канале насадки показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема движения жидкости и воздуха в плоском канале.

Установившееся ламинарное движение вязкой несжимаемой жидкости по поверхности плоского канала под действием силы тяжести описывается уравнением

й2Р1 йР _

(7)

где /л1 - динамический коэффициент вязкости жидкости, = (х)- скорость

движения жидкости, g - ускорение свободного падения, Р1 - плотность жидкости,

- (р1~ро) йу нт

Граничные условия для уравнения (7)

'0 при х = 0

ун при х = 8

VI =

Здесь уя - скорость на границе раздела сред, 8-толщина слоя жидкости.

После интегрирования (7) получим

VI

I. Нт '

(8)

Ламинарное движение воздуха в канале, ограниченном пленкой жидкости описывается уравнением

Л йр

^а -Г -—=0, (9)

ах2 йу ' к }

где - динамический коэффициент вязкости воздуха, - скорость воздуха.

В качестве граничных условий принято условие симметрии потока воздуха по ширине канала и скорость на границе раздела сред

<1 V

д = 0 при х = 0

йх

к

Уд = УН при X = +-.

После интегрирования уравнения (7) получим

(Р1-Р0) (Ь2 2

(^-Х2) + УН (10)

уа = 1 0 (--Х2) + РН

9 2^дНт\ 4 ) н

В уравнения (8) и (10) входит скорость на границе раздела сред, которая определяется из условия сплошности,

йУ1 йх

х = 5

йх

Ь (11)

х = -

2

После дифференцирования и подстановки в (11) вычислим скорость V

Н

к8 (Р1 - Р0) ун =---+

2^а Нт

(Р1 - Р0)

Нщ

РгЗ

8

2

2^1

Проинтегрировав уравнения (8) и (10) по толщине потока жидкости и воздуха соответственно получим формулы для расчета расходов жидкости и воздуха.

С/ =

(Р1-Р0)

нп

Р13

3

— + унЬ 6

6 VI м

9 96Нт ^д Н

Гидродинамический расчет цилиндрического эквивалентного канала. Схема движения жидкости и воздуха в эквивалентном цилиндрическом канале насадки показана на рисунке 2.

§ к

Рисунок 2 - Схема движения жидкости и воздуха в цилиндрическом канале.

В цилиндрической системе координат (у, г) уравнение движения пленки жидкости имеет вид

(12)

Граничные условия для уравнения (12)

VI =

0 при г = R

ун при г =

Ламинарное движение воздуха в канале, ограниченном пленкой жидкости описывается уравнением

1 / ^р

(13)

9 г\ йг ) йу

с граничными условиями

(1 V

9

йг

= 0 при г = 0

V = ун при г = R1.

9

После интегрирования уравнений (12), (13) и преобразований аналогичных приведенным выше для плоского канала получим

23

'(Р1-Ро) „ Л в2

С1 = 2пЯ16пт [(^ - Р1д) ],

г \пЯ\ (Р1-Р0) 02 1

Модель фильтрации аэрозолей в эквивалентном канале. Расчетная модель фильтрации приведена на рисунке 3.

Я,

т

Г-п

г

Щ > ей / Сои!

////////у / ^ у X У / '//У/// Ау

Рисунок 3 - Расчетная модель фильтрации в эквивалентном канале.

Изменение концентрации аэрозольных частиц в эквивалентном канале описывается дифференциальным уравнением

йСу _П

Су БУд

&у,

(14)

где П- периметр проходного сечения канала, 8С - площадь проходного сечения канала, Су - концентрация частиц в сечении, ^ скорость газа осредненная по расходу, ^ - скорость оседания частиц на поверхности канала. Граничное условие для уравнения (16)

С*

У = 0

= г.

(15)

Проинтегрировав (14) и определив постоянную интегрирования из (15) получим

^^гп = ехр{-^к ау) (16)

Примем, что скорость фильтрации совпадает со скоростью броуновского движения частиц, тогда

Ук __ Ъд

рг=Тр°= 12пн~

11т , 11т

Если рассматривать частицы в потоке как микроскопические сферические шарики, то коэффициент диффузии могут быть вычислены по формуле Стокса-Эйнштейна

о = кв Тд

6П^дГк

где кв = 1.32 х10-23 - постоянная Больцмана, - температура газа в канале, гк -радиус частицы, ц - динамический коэффициент вязкости газа.

Показателем качества фильтрации является относительное изменение концентрации частиц (пыль, капельные аэрозоли) на выходе из канала -Сои(, и концентрации частиц на входе в канал -Сп.

V =-г- = (17)

Если температура газа в канале величина постоянная, то постоянными являются коэффициент диффузии и скорость фильтрации. Проинтегрировав (16) по длине эквивалентного канала и подставив результат в формулу (17) получим

( Пугнт\ ( уЛ

п

где = — - гидравлический радиус эквивалентного канала.

Использование молекулярных характеристик движения для аэрозолей является достаточно грубым допущением. Поэтому показатель качества фильтрации дает лишь оценочный результат, но, тем не менее, позволяет

проводить сравнительный анализ конструктивных и режимных характеристик смачиваемых насадок.

Модель тепломассобмена в эквивалентном канале. Уравнение баланса расхода жидкости в эквивалентном канале

СЫ = сом - (18)

где О1" - массовый расход жидкости на входе в канал, О0и - массовый расход жидкости на выходе из канала, oJ - массообмен между поверхностью жидкости и паровоздушной смесью в канале. Движущей силой испарения жидкости с поверхности пленки является разность концентрации паров над поверхностью и в ядре потока или разности парциальных давлений.

С? = = Пнтр (РМ - РпЫ)

где /- коэффициент массоотдачи, я0 = 8,3142 Дж - универсальная газовая

|_ моль.К J

постоянная, рН20[кг/кмолъ\- молекулярная масса водяного пара, ^ = 0,5^™ +

г°и1)- средняя температура газа в канале, ^ = 0,5(^1п + - средняя температура жидкой пленки, Рн - парциальное давление насыщенного пара, Рп -парциальное давление пара в воздушном потоке, рн - плотность насыщенного пара, рп - плотность пара в воздушном потоке.

Связь между давлением насыщенного воздуха над поверхностью воды и температурой определяется формулой

17,504 гг Рн = 611,2еХр 2412+^1

Парциальное давление, влагосодержание и относительная влажность

связаны зависимостями

ю=— Р = Р —-— а = 0 6221

V п ГП гатм г, ^ппл^А и 0,6221

Рн п 0,6221+й Ратм-фРн

Уравнение баланса водяного пара в паровоздушной смеси, проходящей через канал.

в™^ = с™а0Ш + в? (19)

где о^ - расход сухого воздуха проходящего через канал й1п, йоШ -

влагосодержание на входе и выходе из канала соответственно. Уравнение теплового баланса жидкой пленки

где с = 4,186

С^с^ - - аПНт^д - = СГ'с^Г* (20)

кДж

средняя удельная массовая теплоемкость воды, а

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хилдаяти Анниса, 2020 год

Литература

1. Шпилин Д. И., Пронин В. А. Повышение эффективности очистки и дезодорации газовоздушных выбросов пищевых предприятий в орошаемых колоннах насадочного типа с полимерной насадкой // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2014. № 4 (22). С. 195-203.

2. Экологические проблемы мегаполисов и промышленных агломераций: учеб. пособие / М. А. Пашкевич, М. Ш. Баркан, Ю. В. Шариков и др. СПб., 2010. 202 с.

3. Майоров В. А. Запахи их восприятие, воздействие, устранение. М.: Мир, 2006. 366 с.

4. Зиганшин М. Г., Колесник А. А., Посохин В. Н. Проектирование аппаратов пылегазоочистки. М.: Экопресс-ЗМ, 1998. 505 с.

5. Каган А. М, Пушное А. С. Сравнительные характеристики насадок для процессов тепло- и массообмена.// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. № 4. с. 5-7.

6. Каган А. М, Чиж К. В. и др. Аэродинамика миникольцевых насадок. Энергосбережение и водоподготовка, 2010. № 6. с. 42-45.

7. Лаптев А. Г. Фарахов М. М. Разделение гетерогенных систем в насадочных аппаратах. Казань: Казан, гос. энергетический. ун-т, 2006. 342 с.

8. Tsygankov А. К Kuznetsov Y. L., Dolgovskaia О. К Hildavati А., Shilin A. S. Hydrodynamic calculation of spray wire packing // A1P Conference Proceedings. 2019, Vol. 2141, pp. 030023.

9. Цыганков А. В.. Пронин В. А., Шпилин Д. И., Алешин А. Е. Гидродинамический расчет орошаемой колонны с пористыми насадочными телами // Вестник Международной академии холода. 2014. № 2. С. 34-36.

10. Kutateladze S. S. Heat transfer and hydrodynamic resistance. Academic Press, New York, 1993.

11. Loitsyanskii L. G. Mechanics of Liquids and Gases. Pergamon Press, 1966.

12. Тарг С. M. Основные задачи теории ламинарных течений. М. ГИЗ Технико-теоретической литературы, 1951. С. 420.

13. Tayfun Е. Tezduyar. Interface-tracking and interface-capturing techniques for finite element computation of moving boundaries and interfaces// Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2006. No 195. P. 2983-3000.

14. Hirt C. W., Nichols B. D. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries // Journal of Computational Physics. 1981. No 39, P. 201-225.

References

1. Shpilin D. I., Pronin V. A. Increase in efficiency of cleaning and deodorization of air-gas emissions of the food entities in the irrigated columns of nozzle type with a polymeric nozzle. Nauchnyi zhurnal NIUITMO. Seriya «Protsessy i apparaty pishchevykhproizvodstv». 2014. No 4 (22). p. 195-203. (in Russian)

2. Environmental problems of megalopolises and industrial agglomerations: education guidance / M. A. Pashkevich, M. Sh. Barkan, Yu. V. Sharikov ets. SPb., 2010. 202 p. (in Russian)

3. Maiorov V. A. Smells their perception, influence, elimination. Moscow, Mir, 2006. 366 p. (in Russian)

4. Ziganshin M. G., Kolesnik A. A., Posohin V. N. Proektirovanie apparatov pyilegazoochistki. Moscow. Ekopress-3M, 1998. 505 p. (in Russian)

5. Kagan A. M., Pushnov A. S. Comparative characteristics of nozzles for heat and mass transfer processes. Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie, 2008. No 4, pp. 5-7. (in Russian)

6. Kagan A. M. Chizh K. V. Aerodynamics of mini-ring attachments. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2010. No 6, pp. 42-45. (in Russian)

7. Laptev A. G. Farahov M. M. Separation of heterogeneous systems in nozzles. Kazan: 2006. 342 p. (in Russian)

8. Tsygankov A. V., Kuznetsov Y. L., Dolgovskaia O. V., Hildayati A., Shilin A. S. Hydrodynamic calculation of spray wire packing. A1P Conference Proceedings. 2019, Vol. 2141, pp. 030023.

9. Tsygankov A. V., Pronin V. A., Shpilin D. I., Aleshin A. E. Hydrodynamic calculation of an irrigated column with porous packed bodies. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda. 2014. No. 2. P. 34-36. (in Russian)

10. Kutateladze S. S. Heat transfer and hydrodynamic resistance. Academic Press, New York, 1993. (in Russian)

11. Loitsyanskii L. G. Mechanics of Liquids and Gases. Pergamon Press, 1966. (in Russian)

12. Targ S. M. The main tasks of the theory of laminar flows. Moscow. 1951. P. 420. (in Russian)

13. Tayfun E. Tezduyar. Interface-tracking and interface-capturing techniques for finite element computation of moving boundaries and interfaces. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2006. No 195. P. 2983-3000.

14. Hirt C. W., Nichols B. D. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries. Journal of Computational Physics. 1981. No 39, P. 201-225.

XXIII АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ ФОРУМ ЮГА РОССИИ

ВЫСТАВКИ

24-26 февраля 2021 г.

АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ ФОРУМ ЮГА РОССИИ - это специализированный форум, направленный на демонстрацию сельскохозяйственной техники, оборудования и материалов для производства и переработки сельхозпродукции.

РАЗДЕЛЫ ВЫСТАВКИ «ИНТЕРАГРОМАШ»:

• Сельскохозяйственная техника и запчасти

• Автоматизация

РАЗДЕЛЫ ВЫСТАВКИ «АГРОТЕХНОЛОГИИ»:

• Растениеводство

• Оборудование для хранения и переработки сельхозпродукции

• Животноводство

• Оборудование для животноводства

• Услуги для АПК В ПРОГРАММЕ ФОРУМА:

• Проведение в рамках форума ежегодного Аграрного конгресса юга России, в рамках которого проходит три большие тематические конференции, посвященные вопросам растениеводства, животноводства и с/х технике.

• Проведение предпосевного совещания для муниципальных районов области с участием Губернатора РО.

• Презентации и демонстрации от участников форума.

Организатор: Руководитель проекта - Демченко Алла

КВЦ «ДонЭкспоцентр», тел.: [phone] Тел.: [phone]

Место проведения: E-mail: [e-mail]

КВЦ «ДонЭкспоцентр»

г. Ростов-на-Дону, пр. М. Нагибина, 30 http://www.interagromash.net/index.html

УДК 628.84

Методика подбора фильтров для чистых помещений

Д-р техн. наук А. В. ЦЫГАНКОВ1, канд. техн. наук В. И. ЛЫСЕВ2, О. В. ДОЛГОВСКАЯ', А. ХИЛДАЯТИ '[e-mail],2уПузеу@согр.ifmo.ru, '[e-mail] Университет ИТМО

Рассмотрена обобщенная схема фильтрации и сформулирована отними ¡анионная задача проектирования фильтров для чистых помещений, представлен анализ механизма удерживания пылевых частиц. Предложена модель фильтра, состоящая из множества цилиндрических эллиптических каналов, по которым движется запыленный воздух. Геометрические размеры каналов определяются из решения задачи линейного программирования минимизирующей погрешность между результатами моделирования и предусмотренных действующими стандартами натурных испытаний фильтров. В качестве целевой функции оптимизационной задачи принят взвешенный аддитивный критерий, представляющий собой свертку комплекса технико-экономических параметров, заданных техническим заданием на проектирование системы фильтрации. Вектор варьируемых параметров представлен совокупностью воздушных фильтров с известными технико-экономическими параметрами. В качестве внутренних ограничений области допустимого решения выступают массогабаритпые характеристики, количество ступеней фильтрации, количество потоков фильтрации, требования по акустике и т. п. Внешние ограничения — это параметры приточного и рециркуляционного воздуха (температура, влажность), дисперсионный состав пыли и ее физико-технические характеристики.

Ключевые слова: чистые помещения, фильтрация, эквивалентный канал, дисперсионный состав пыли, ламинарное течение, оптимизационная задача, приточный и рециркуляционный воздух.

Информация о статье:

Поступила в редакцию 14.01.2019, принята к печати 28.02.2019 001: 10.17586/1606-4313-2019-18-1-11-16 Язык статьи — русский Ссылка для цитирования:

Цыганков А. В.. Лысев В. И.. Долговская О. В., Хилдаяти А. Методика подбора фильтров для чистых помещений. // Вестник Международной академии холода. 2019. № 1. С. 11 16.

The selection of a filter for cleanrooms

D. Sc. A. V. TSYGANKOV1, Ph. D. V. I. LYSEV2, O. V. DOLGOVSKAIA'. A. H1LDAYATI

'[e-mail], [e-mail], [e-mail] ITMO University

General chart of filtration is analyzed and an optimization task of filter design for cleanrooms is formulated. An analysis of dust particles retention process is presented. A filter model of consisted of numerous cylindrical elliptical channels in which dust-loaded air is moved is proposed. Geometrical dimensions of the channels are defined from a linear programming task which is to minimize the divergence between the simulation results and the standardized results of field tests for the filters. As an objective function for the task of optimization weighted additive criterion is taken, which is a convolution of technico-economical parameters set by design specification for a ventilation system. Vector of varying parameters is represented by complex of air filters with known technico-economical parameters. Internal constrains for acceptable solution are physical data, the number offiltration stages, the number of filtration flows, acoustic requirements etc. External constraints are the parameters of intake and recirculation air (temperature, humidity), dispersive composition of dust and its physicochemical characteristics.

Keywords: cleanroom, filtration, equivalent channel, dispersive composition of dust, laminar flow, optimization task, intake and recirculation air.

Article info:

Received 14/01/2019, accepted 28/02/2019 DOI: 10.17586/1606-4313-2019-18-1-11-16 Article in Russian For citation:

Tsygankov A. V., Lysev V. I., Dolgovskaia O. V., Hildayati A. The selection of a filter for cleanrooms. Vestnik Mezhdunamdnoi akademii kholoda. 2019. No 1. p. 11-16.

Введение

Чистые помещения (ЧП) широко используются в современных производствах, которые предъявляют особые требования к качеству внутренней воздушной среды. Основными требованиями производства биологических, медицинских материалов и микроэлектроники является безусловное соблюдение нормативов чистоты воздушной среды и поддержание технологических или комфортных параметров микроклимата в заданных пределах [I]. Опыт эксплуатации ЧП показывает, что качество продукции существенно зависит от эффскгивности воздухоподготовки и во многом определяет энергозатраты на единицу выпускаемой продукции. Стандарты международной организацией стандартизации ИСО регламентируют всю технологическую последовательность проектирования, испытания и эксплуатации чистых помещений [2]. Эти нормативные документы ориентированы, прежде всего, на формирование задач проектирования и организации мониторинга качества воздушной среды в процессе эксплуатации. Задачи повышения энергетической эффективности и сокращения затрат на воздухоподготовку решаются как правило на основе рекомендаций, сформулированных на основе опыта эксплуатации ЧП существующих производств. Такой подход вполне оправдан при проектировании типовых объектов и использовании апробированных технических решений, но не эффективен при использовании новых технологий, материалов и специфических параметрах приточного воздуха. В настоящее время разработаны высокопроизводительные эффективные технологии фильтрации воздуха, которые становятся приемниками традиционных фильтров классической конструкции [3-6]. Поэтому разработка оптимальной, с позиции энергоэффективности, системы воздухоподготовки, фильтрации и методов ее проектирования является актуальной задачей.

Постановка задачи исследования

Внедрение новых технологических процессов в производство товаров и услуг требует создания высокоэффективных систем кондиционирования воздуха. Системы воздухоподготовки в таких производствах являются основными потребителями энергии. Проектирование систем фильтрации воздуха, обеспечивающих оптимальное техническое решение, требует разработки обобщенной модели фильтрации, позволяющей решать комбинаторные задачи выбора технического решения с учетом разнообразия технологий, материалов, внешних и внутренних ограничений.

Методика проектировании системы фильтрации

Выбор фильтров для систем кондиционирования воздуха может быть сформулирован в виде стандартной оптимизационной задачи, поиска глобального или локального экстремума целевой функции при заданных ограничениях [7].

ех1г=Р (X), (1)

где ^ (X) — целевая функция; X— вектор варьируемых параметров.

В общем случае, при проектировании системы фильтрации целевая функция состоит из комплекса технико-экономических параметров:

К1 — капитальные затраты на систему фильтрации, включающие стоимость оборудования, его монтаж и наладку;

К2— эксплуатационные затраты, включающие замену и (или) регенерацию фильтрующего материала, стоимость энергии для привода вентиляторов, сервисное обслуживание;

Къ — размер частице максимальной проникающей способностью;

КА—допустимый перепад давления в системе фильтрации;

К,— пылеемкость системы фильтрации;

К— эффективность фильтрации частиц определенного диапазона размеров.

Перечисленный комплекс параметров не является исчерпывающим и может быть дополнен в зависимости от назначения, особенностей и требований к системе.

В качестве целевой функции принят взвешенный аддитивный критерий [7]

(2)

где а — весовые коэффициенты, лежащие в диапазоне 0-1 и определяющие значимость конкретного параметра в целевой функции;

К0 — нормирующие величины, которые выбираются из прототипа проектируемой системы или из диапазона параметров определяемого техническим заданием;

т — количество параметров, входящих в целевую функцию.

Знак в формуле (2) выбирается в зависимости от того, следует уменьшать или увеличивать параметр. Так при поиске минимума целевой функции параметры К-К} имеют знак плюс, а К-К— знак минус.

Вектор варьируемых параметров X представляет собой совокупность воздушных фильтров с известными технико-экономическими параметрами, которые могут быть установлены в проектируемой системе фильтрации.

Вектор варьируемых параметров должен находиться в допустимой области внутренних и внешних ограничений задаваемых в форме равенств и неравенств. В качестве внутренних ограничений могут выступать мас-согабаритные характеристики, количество ступеней фильтрации, количество потоков фильтрации, требования по акустике и т. п. Внешние параметры (ограничения) — это, прежде всего, параметры воздуха (температура, влажность) и дисперсионный состав пыли и ее физико-технические характеристики.

На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема системы фильтрации чистых помещений, состоящая из параллельных потоков приточного и рециркуляционного воздуха и фильтров грубой (01-04), средней (М5-М6), тонкой (Р7-Р9) и сверхтонкой (Е10-Е12) очистки.

Количество параллельных потоков приточного воздуха и места входа в приточный поток рециркуляционного воздуха и его расход определяются требованиями к качеству фильтрации, габаритными размерами системы, акустической нагрузкой и т. д.

' = 1.2.....ш,

Рис. 1. Структурная схема системы фильтрации Fig. 1. Structure chart of filtration system

■ 0-0.1 мкм

■ 0.1 -0.2 мкм

■ 0.2-0.3 мкм

■ 0.3 -0.4 мкм

■ 0.4-0.5

■ 0.5-0.6

■ 0.6 -0.8

■ □ >0/8

Е

Размер частиц

Рис. 2. Зависимость удельной массы пыли от размеров частиц Fig. 2. Dependence of dust specific gravity on particle size

При разработке систем фильтрации техническим заданием должны быть определены:

ц.п — расход наружного приточного воздуха, м3/с; с[р — расход рециркуляционного воздуха, м'/с; т. 1/1 — удельная масса пыли наружного воздухау'-го размера, г/м3;

т т — удельная масса пыли рециркуляционного воздуха /-го размера, г/м3;

тошт — удельная масса пыли после фильтрации воздуха ¡-го размера, г/м3.

На рис. 2 показана характерная гистограмма распределения массы пыли в воздухе. Очевидно, что гистограмма изменяется после прохождения каждой ступени фильтрации и смешения приточного и рециркуляционного воздуха. Место смешения потоков зависит от качества рециркуляционного воздуха.

Общая пылевая нагрузка приточного и рециркуляционного воздуха вычисляется по формулам:

тт =?/«т2"=1и,й/>;

"•р^Чр^Ии^р,

где т — время движения воздуха через фильтры.

Время движения воздуха через фильтр — это то время, которое проходит от установки нового или регенерированного фильтра до достижения им рекомендуемой пылеемкости, которая контролируется по перепаду давления на фильтрующем материале.

Таким образом, при проектировании системы фильтрации необходимо определить время т для каждой ступени очистки при заданной пылевой нагрузке.

Самым распространенным типом материалов воздушных фильтров являются материалы, изготовленные из волокон различной толщины, формы и плотности переплетения или прессования. При прохождении запыленного воздуха через фильтрующий материал аэрозольные частицы осаждаются в теле материала, что очищает воздух и увеличивает аэродинамическое сопротивление фильтра.

В работах [8-10] рассматриваются четыре механизма удерживания пылевых частиц.

Механизм сита действует, если проходное сечение воздушных каналов на поверхности материала меньше размеров частиц. В этом случае пыль оседает не в теле фильтра, а на его поверхности блокируя движение воздуха и увеличивая перепад давления при фиксируемом расходе воздуха.

Механизм зацепления (адгезии) действует, если частица пыли попадает в тупиковый канал внутри фильтрующего материала или силы молекулярного взаимодействия частицы и поверхности фильтрующего материала больше силы аэродинамического давления на осевшую частицу.

Механизм инерционного взаимодействия проявляется, если происходит столкновение частиц в воздушном потоке. В этом случае траектория движения частиц не совпадает с линией тока, а, следовательно, возрастает вероятность контакта частицы с фильтрующим материалом. С другой стороны, столкновение с частицей, ранее осевшей на фильтре, может приводить к ее отрыву и возвращению в воздушный поток.

Механизм молекулярного течения проявляется, если броуновское движение молекул газа оказывает влияние на траекторию движения частиц. В этом случае движение воздуха должно описываться уравнениями молекулярного взаимодействия в газовой смеси.

Для некоторых фильтрующих материалов необходимо учитывать электростатический эффект. Вследствие трения частиц о воздух, на поверхности аэрозолей возникает электростатический заряд. Если фильтрующий материал является электропроводящим, то можно во всем его объеме поддерживать электрический заряд. Электростатический эффект приводит к появлению силы притяжения между частицей и поверхностью фильтра и увеличению сил адгезии.

Многообразие типов фильтров и сложность сопряженных физических процессов, проходящих в них, стали причиной того, что проектирование систем фильтрации базируется на рекомендациях, сформулированных в процессе эксплуатации систем очистки воздуха. Многочисленные экспериментальные исследования позволили получить только качественные оценки эффективности фильтрации. Необходимо отметить, что даже в стандартах [11-12], где приводятся результаты и методики экспериментальных исследований, специально оговаривается, что полученные результаты не могут применяться

для прогнозирования эффективности при эксплуатации и срока службы фильтров.

Решение оптимизационных задач может проводиться на основе сравнения нескольких вариантов технического решения, которые сводятся к единой компаративной модели, сформированной на основе обобщенных характеристик проектируемого объекта.

В качестве модели фильтра рассматривается множество цилиндрических эллиптических каналов, расход воздуха через которые эквивалентен расходу через реальный фильтр [13-14]:

п — количество каналов;

к 1

1к — длина канала;

ак — размер большой полуоси эллиптического сечения;

Ьк — размер малой полуоси эллиптического сечения.

В ГОСТе [11], формулирующем требования к фильтрам очистки воздуха общего назначения, приведена методика испытаний фильтров. Эффективность фильтров определяется по отношению концентрации частиц в воздухе до фильтра и отношению концентрации частиц после него. В приложении О этого стандарта приведены результаты испытаний фильтра, которые использовались в дальнейшем при разработке модели. При испытании фильтров получают зависимости:

ЬР=/Ш (3)

ДP=f(M), 1=1, 2.....m;

E=f(M),i= 1,2.....m;

м,=-м,£(м,);

M2 = M¡+[E(Mi) + E(M2)] M2 = M, + [£(М,) + £(М2)] М, = М._х + ) + Е(М.)]

1.

М2-М | 2

м. -м._

При ламинарном движении расход воздуха в эллиптическом канале модели вычисляется по формуле [15]

mbtbPk 8(1+ eV*'

(7)

(4)

(5)

где ДРк—перепад давления в канале;

р — динамический коэффициент вязкости воздуха;

е = —— эксцентриситет эллиптического канала (о, >/>,);

Ьк

ак — размер большой полуоси эллиптического модельного канала с учетом изменения проходного сечения, вследствие адгезии частиц пыли, осевших в фильтре;

Ьк — размер малой полуоси эллиптического модельного канала.

Примем ряд допущений:

— каналы идентичны, в них оседает одинаковое количество пыли;

— частицы пыли равномерно оседают на всей внутренней поверхности канала;

— эксцентриситет проходного сечения канала — величина постоянная;

— плотность пыли, осевшей в фильтре, величина постоянная, не зависящая от дисперсионного состава пыли.

С учетом допущений, формулы для вычисления ак и Ьк примут вид

ак=ак-12;

Ь,.=Ь,.-1„

(8)

где АР— перепад давления при подаче на фильтр чистого (без пыли) воздух, Па;

q — расход чистого воздуха в диапазоне 0,25-^1,25 от номинального расхода;

ДР — перепад давления на фильтре при подаче кварцевой пыли /-го размера и контрольном расходе воздуха; М. — масса пыли ;-го размера, поданной на фильтр, г; Е — эффективность фильтрации для частиц /-го размера и контрольном расходе воздуха;

; — количество диапазонов размера кварцевой пыли, поданной на фильтр.

Испытания фильтра проводились для десяти диапазонов размеров частиц пыли. Оценка эффективности проводилась последовательно, после подачи определенной порции пыли. Пыль подавалась на фильтр до достижения конечного давления АР,

Зависимость (4) удобно представить в виде ДР. = М- = )'(М,Е)— общая масса пыли, находя-

щейся в фильтре после подачи г-ой порции пыли, определяется из выражения

При численном интегрировании методом трапеций, вычисление можно проводить по рекуррентной формуле

Толщина слоя Г. после г-ой порции пыли вычисляется из квадратичного уравнения

М

77 = *'*["<А - К - lzKbk-/„)], "kpj

(9)

где I,— толщина слоя пыли в канале;

р — плотность пыли, осевшей в канале. Решение системы уравнений (6)-(9) позволяет найти расход воздуха через модельный канал, в зависимости от массы пыли, поданной в канал, эффективности фильтра и перепада давления на фильтре. Если расход воздуха известен, то вычисляется перепад давления.

Параметры модельного канала пк, 1к, ак, Ьк определяются из решения задачи линейного программирования, которая заключается в нахождении параметров, обеспечивающих минимальную погрешность между экспериментальными данными, полученными при испытании фильтра, и результатами моделирования. Среднеквадратичная погрешность определяется функционалом

(6)

1 j' 1

где Ai— количество экспериментальных точек.

Решение этой задачи может быть проведено в приложении «Solver» программы Excel, по эволюционному алгоритму.

Формулы (6)—(9) позволяют определить зависимость изменения перепада давления на фильтре от времени т при известном расходе воздуха q.n и удельной массе пыли в воздухе т.л Значения Af, входящие в уравнение (6), вычисляются по формуле M=q т и)т, т. е. интегрирова-

ние по массе пыли, поданной на фильтр, заменяется на интегрирование по времени.

Заключение

Необходимо отметить, что предлагаемая расчетная модель не ориентирована на вычисление дисперсионного состава аэрозольных загрязнений, прошедших

систему фильтрации и изменения аэродинамического сопротивления фильтров в процессе эксплуатации реального технического объекта. Модель позволяет оценить влияние варьируемых параметров, технических и технологических ограничений на процесс фильтрации на начальных этапах проектирования чистых помещений.

Литература

1. ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.

2. ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха по концентрации частиц.

3. Alexandrescu L., Syverud К., Nicosia A., Santachiara G., Fabrizi A., Belosi F. Airborne nanoparticles filtration by means of cellulose nanofibril based materials // Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. 2015. V. 7. P. 29-36.

4. Kim S. J., Chase G., Jana S. C. The role of mesopores in achieving high efficiency airborne nanoparticle filtration using aerogel monoliths // Separation and Purification Technology. 2016. V. 166. P. 48-54.

5. Araji M. Т., Ray S. D., Leung L. Pilot-study on airborne PM2.5 filtration with particle accelerated // Sustainable Cities and Society. 2016. V. 28. P. 101-107.

6. Yuna К. M., Hogan Jr. C. J., Matsubayashi Y., Kawabe M., IskandarF., Okuyama K. Nanoparticle filtration by electrospun polymer fibers // Chemical Engineering Science. 2007. V. 62. P. 4751-4759.

7. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Регсдел К. Оптимизация в технике. Т. 1. М.: Мир, 1986, 349 с.

8. Сотников А. Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции. Т. 2. СПб.: 000»АТ», 2006. 416 с.

9. Вальдберг А. Ю. Технология пылеулавливания. JL: Машиностроение, 1985. р. 192.

10. Самсонов В. Т. Обеспыливание воздуха в промышленности. Методы и средства, М.: ИНФА-М, 2016. р. 233.

11. ГОСТ Р ЕН 779-2014. Фильтры очистки воздуха общего назначения. — М.: Стандартинформ, 2014.

12. ГОСТ Р ЕН 14799-2013. Фильтры воздушные для общей очистки воздуха. М.: Стандартинформ, 2013.

13. Цыганков А. В., Алешин А. Е. Моделирование процессов конденсации и испарения в канале регенеративного тепло-утилизатора // Вестник Международной академии холода. 2016. № 1. с. 82-85. DOI: 10.21047/1606-4313-2016-15-182-85

14. Цыганков А. В., Пронин В. А., ШпилинД. Н., Алешин А. Е. Гидродинамический расчет орошаемой колонны с пористыми насадочными телами. // Вестник Международной академии холода. 2014. № 2. с. 34-36.

15. Luitsyansky L. Н. Mechanics of fluid and gas. New York: Wiley, 1961.

References

1. State standard 30494-2011. Residential and public buildings. The parameters of the microclimate in the premises, (in Russian)

2. State standard R ISO 14644-1-2017. Clean rooms and associated controlled environments. Part 1. Classification of air cleanliness by concentration of particles, (in Russian)

3. Alexandrescu L., Syverud K., Nicosia A., Santachiara G., Fabrizi A., Belosi F. Airborne nanoparticles filtration by means of cellulose nanofibril based materials. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. 2015. V. 7. P. 29-36.

4. Kim S. J., Chase G., Jana S. C. The role of mesopores in achieving high efficiency airborne nanoparticle filtration using aerogel monoliths. Separation and Purification Technology. 2016. V. 166. P. 48-54.

5. Araji M. T., Ray S. D., Leung L. Pilot-study on airborne PM2.5 filtration with particle accelerated. Sustainable Cities and Society. 2016. V. 28. P. 101-107.

6. Yuna K. M., Hogan Jr. C. J., Matsubayashi Y., Kawabe M., Iskandar F., Okuyama K. Nanoparticle filtration by electrospun polymer fibers. Chemical Engineering Science. 2007. V. 62. P. 4751-4759.

7. Reklatis G., Ravindran A., Ragsdell K. Optimization techniques. Vol. 1. Moscow: Mir, 1986, 349 p. (in Russian)

8. Sotnikov A. G. Processes, devices and systems of air conditioning and ventilation. Vol. 2. — SPb.: AT LLC, 2006.416 p. (in Russian)

9. Valdberg A. Y. Technology of dust collectors. Leningrad: Mechanical Engineering, 1985. p. 192. (in Russian)

10. Samsonov V. T. Dust removal in industry. Methods and means. Moscow: INFA-M, 2016. p. 233. (in Russian)

11. State standard R EN 779-2014. General-purpose air filters. Moscow: Standartinform, 2014.. (in Russian)

12. State standard R EN 14799-2013. Air filters for General air purification. Moscow: Standartinform, 2013.. (in Russian)

13. Tsygankov A. V., Aleshin A. E. Simulation of evaporation and condensation processes into the channels of regenerative heat exchangers. Vestnik Mezhdunarodnoi Akademii Kholoda. 2016. No 1. pp. 82-85. DOI: 10.21047/1606-4313-2016-15-1-82-85. (in Russian)

14. Tsygankov A. V., Pronin V. A., Shpilin D. I., Aleshin A. E. Calculation of hydrodynamics for spray tower with porous packing. Vestnik Mezhdunarodnoi Akademii Kholoda. 2014. No 2. p. 34-36.. (in Russian)

15. Luitsyansky L. H. Mechanics of fluid and gas. New York: Wiley, 1961.

Сведения об авторах Цыганков Александр Васильевич

д. т. н., профессор факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail], РИНЦ SPIN-код 6394-8045, Scopus ID 57192671898

Information about authors

Tsygankov Aleksander Vasilyevich

D. Sc., Professor of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail], Scopus ID 57192671898

Лысев Владимир Иванович

к. т. н., старший научный сотрудник, старший преподаватель факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail], РИНЦ 8РШ-код 6287-7848

Lysev Vladimir Ivanovich

Ph. D., senior researcher, senior lecturer of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Долговскаи Ольга Владимировна

аспирант факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail], РИНЦ БРШ-код 9181-9946

Dolgovskaia Olga Vladimirovna

Postgraduate Student of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Хилдаяти Лиипса

аспирант факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Hildayati Annisa

Postgraduate Student of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

V Международная научно-техническая конференция

Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

с 23 по 24 мая 2019 г

Организаторы: Университет ИТМО Международная академия холода

МАХ

Ф

IAR

Основные научные направления конференции:

> Состояние теплофизических измерений в области низких и умеренных температур (методы и приборы).

> Результаты исследований теплофизических свойств.

> Вопросы автоматизации теплофизических измерений.

> Состояние метрологии теплофизических измерений.

Срок подачи заявок на участие в конференции до 21 апреля 2019 г. Срок сдачи докладов до 15 мая 2019 г.

Конференция проводится на базе мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем Университета ИТМО Место проведения: Ленинградская обл., Приозерский район, поселок Ягодное

Телефон для справок: [phone], [phone], Тамбулатова Екатерина Викторовна

E-mail: [e-mail]

Подробная информация на сайте: www.tfi.ifmo.ru

Предлагаемая конструкция колпачковой тарелки массообменного аппарата относится к аппаратурному оформлению массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость и может быть использована в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в процессах очистки газов от вредных примесей.

Известна колпачковая тарелка, состоящая из основания в виде стального отбортованного диска с отверстиями для установки паровых патрубков и сегментной сливной трубы. Над газовыми патрубками установлены стандартные колпачки, которые прикреплены к патрубкам специальными шайбами и гайками (Шаповалов Ю.Н., Шеин B.C. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. Издательство Воронежского университета, 1982, с. 141).

К недостаткам данной конструкции относится малый диапазон устойчивости работы тарелки в связи с фиксированными диаметрами отверстий, не зависящих от температурного режима рабочих сред.

Известна колпачковая контактная тарелка для тепломассообменных аппаратов, содержащая паровой патрубок и крышку, имеющую перфорацию в нижней части на боковой поверхности, причем боковая поверхность крышки в зоне перфорации снабжена кольцевым выступом, а сечение парового патрубка в верхней части имеет каплевидную форму (Патент РФ №94037361, B01D 3/20, 1996).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложность конструкции колпачковой тарелки, а также фиксированные размеры отверстий в основании тарелки, не меняющие свое проходное сечение при изменении температур рабочих сред, что снижает диапазон устойчивой работы тарелки.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является колпачковая тарелка, содержащая жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, при этом три зубца колпачка отогнуты в сторону патрубка и жестко присоединены к его наружной поверхности. Колпачок тарелки выполнен составным из скругленного донышка, к которому сварным швом прикреплены зубчатая кромка (Патент РФ №2452557, B01D 53/14, B01D 3/20, 2012).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточный диапазон устойчивости работы колонны при изменении температур газов (паров) и жидкости в связи с фиксированными диаметрами патрубков.

Техническим результатом предлагаемой конструкции колпачковой тарелки массообменного аппарата является увеличение устойчивости ее работы при изменении температуры газов (паров) и жидкости, проходящих через отверстия внутри патрубков.

Поставленный технический результат достигается тем, что в колпачковой тарелке массообменного аппарата, содержащей жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, при этом три зубца колпачка отогнуты в сторону патрубка и жестко присоединены к его наружной поверхности, причем каждый патрубок дополнительно снабжен внутренним патрубком, выполненным из эластичного материала с наружным диаметром, подчиняющемуся выражению

d/D=(0,6-0,8), (1)

где d - наружный диаметр внутреннего патрубка,

D - внутренний диаметр наружного патрубка,

и патрубки по торцам герметично соединены кольцевыми крышками с образованием

Стр.: 2

пустотелой кольцевой камеры между наружным и внутренним патрубком.

Установка внутри патрубка дополнительного патрубка из эластичного материала позволяет создавать герметичную кольцевую камеру, давление в которой изменяется с изменением температуры газов (паров) и жидкости, находящихся с внешней стороны этой камеры. Под действием этого давления возникает радиальная сила, изменяющая проходное сечение патрубка колпачковой тарелки, что обеспечивает устойчивую работу этой тарелки в широком диапазоне изменения температур.

Установка кольцевых крышек над патрубками и их герметичное соединение с этими патрубками осуществляется при соотношении наружного диаметра внутреннего патрубка к внутреннему диаметру наружного патрубка, определяемому по условию (1).

Увеличение верхнего предела, равного 0,8 в соотношнии (1), уменьшает объем пустотелой камеры настолько, что деформация боковой стенки внутреннего патрубка будет недостаточной для регулирования проходного сечения, в котором движутся пар (газ) и жидкость, что приведет к потери устойчивости работы тарелки массообменного аппарата.

Уменьшение нижнего предела против указанного в условии (1) значения 0,6 увеличивает объем пустотелой камеры настолько, что деформация боковой стенки внутреннего патрубка приведет к резкому снижению проходного сечения, в котором движутся пар (газ) и жидкость, и потери устойчивости работы тарелки.

На фиг. 1 представлен общий вид фрагмента колпачковой тарелки массообменного аппарата. На фиг. 2 изображена аксонометрия верхней крышки колпачковой тарелки в разрезе. На фиг. 3 - аксонометрия нижней крышки колпачковой тарелки в разрезе.

Тарелка состоит из опорного перфорированного диска 1 (полотна тарелки) с отверстиями для установки патрубков 2. Над патрубками установлены колпачки 3, при этом, по меньшей мере, три зубца колпачка 3 отогнуты в сторону патрубка 2 и жестко присоединены к его наружной поверхности сварным швом. Каждый патрубок 2 дополнительно снабжен осесимметрично установленным в нем внутренним патрубком 4, выполненным из эластичного материала, например резины или полимера, с наружным диаметром <3, подчиняющемуся условию (1). Патрубки 2 и 4 по торцам герметично соединены кольцевыми крышками 5 и 6, образуя пустотелую кольцевую камеру 7 между наружным и внутреннего патрубками 2 и 4.

Колпачковая тарелка массообменного аппарата работает следующим образом. Жидкость поступает на полотно тарелки - опорный перфорированный диск 1 с вышележащей ступени контакта фаз и взаимодействует с восходящим через дополнительный внутренний патрубок 4 потоком пара (газа). При повышении температуры в процессе массопереноса в пустотелой кольцевой камере 7 происходит расширение газа и дополнительный внутренний патрубок 4 деформируется под действием радиальной силы, что изменяет проходное сечение внутреннего патрубка 4 и обеспечивает саморегулирование локального расхода и скорости жидкости или газа (пара).

Обычно на массообменной тарелке температуры газовой и жидкой фазы распределяются неравномерно по ее сечению: в середине она выше, чем на периферии. В этом случае для выравнивания расхода газовой (паровой) фазы по сечению колпачковой тарелки необходимо уменьшать проходное сечение патрубков тарелки в центральной части. Это обеспечивает предлагаемая конструкция колпачковой тарелки, так как с ростом температуры растет давление внутри кольцевой камеры 7, которое, деформируя эластичную поверхность внутреннего патрубка 4, уменьшает его проходное

Стр.: 3

сечение, тем самым уменьшая расход газа (пара). В периферийных колпачках, где температура паров и жидкости ниже, чем в центральной части, давление воздуха внутри пустотелой кольцевой камеры 7 увеличивается незначительно. В связи с этим проходное сечение колпачков в периферийной области изменяется в меньшей степени, обеспечивая тем самым повышенный расход газовой (паровой) фазы.

Кроме того подвижность боковых стенок дополнительного внутреннего патрубка 4 и их колебания способствуют снижению отложений примесей в отверстии колпачковой тарелки и, как следствие, равномерному распределению газожидкостной смеси на поверхности тарелки.

Таким образом, дополнительное снабжение каждого патрубка 2 внутренним патрубком 4, выполненным из эластичного материала с наружным диаметром с1, подчиняющемуся выражению (1), и герметично соединенными по торцам кольцевыми крышками 5 и 6 с образованием пустотелой кольцевой камеры 7 между наружным 2 и внутренним 4 патрубками, обеспечивает выравнивание расхода газовой фазы по сечению колпачковой тарелки при широком диапазоне изменения температур газовой (паровой) и жидкой фаз в этом сечении, тем самым повышает устойчивость ее работы.

Формула полезной модели Колпачковая тарелка массообменного аппарата, содержащая жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, при этом три зубца колпачка отогнуты в сторону патрубка и жестко присоединены к его наружной поверхности, отличающаяся тем, что каждый патрубок дополнительно снабжен внутренним патрубком, выполненным из эластичного материала с наружным диаметром, подчиняющимся выражению сШ=(0,6н-0,8),

где (1 - наружный диаметр внутреннего патрубка; О - внутренний диаметр наружного патрубка,

и патрубки по торцам герметично соединены кольцевыми крышками с образованием пустотелой кольцевой камеры между наружным и внутренним патрубками.

Реферат к полезной модели «Колпачковая тарелка массообменного аппарата»

Предлагаемая конструкция колпачковой тарелки относится к аппаратурному оформлению массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость и может быть использована в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в процессах очистки газов от вредных примесей.

Техническим результатом предлагаемой конструкции колпачковой тарелки массообменного аппарата является увеличение устойчивости ее работы при изменении температуры газов (паров) и жидкости, проходящих через отверстия внутри патрубков.

Поставленный технический результат достигается тем, что в колпачковой тарелке массообменного аппарата, содержащей жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, причем три зубца колпачка отогнуты в сторону патрубка и жестко присоединены к его наружной поверхности, при этом каждый патрубок дополнительно снабжен внутренним патрубком, выполненным из эластичного материала, а по торцам патрубки герметично соединены кольцевыми крышками с образованием пустотелой кольцевой камеры между наружной боковой поверхностью внутреннего патрубка и внутренней боковой поверхностью наружного патрубка

2016124498

МПК B01D3/20

КОЛПАЧКОВАЯ ТАРЕЛКА МАССООБМЕННОГО АППАРАТА

Предлагаемая конструкция колпачковой тарелки массообменного аппарата относится к аппаратурному оформлению массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость и может быть использована в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в процессах очистки газов от вредных примесей.

Известна колпачковая тарелка, состоящая из основания в виде стального отбортованного диска с отверстиями для установки паровых патрубков и сегментной сливной трубы. Над газовыми патрубками установлены стандартные колпачки, которые прикреплены к патрубкам специальными шайбами и гайками (Шаповалов Ю.Н., Шеин B.C. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. Издательство Воронежского университета, 1982, с.141) .

К недостаткам данной конструкции относится малый диапазон устойчивости работы тарелки в связи с фиксированными диаметрами отверстий, не зависящих от температурного режима рабочих сред.

Известна колпачковая контактная тарелка для тепломассообменных аппаратов, содержащая паровой патрубок и крышку, имеющую перфорацию в нижней части на боковой поверхности, причем боковая поверхность крышки в зоне перфорации снабжена кольцевым выступом, а сечение парового патрубка в верхней части имеет каплевидную форму (Патент РФ №94037361, B01D3/20, 1996).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложность конструкции колпачковой тарелки, а также фиксированные размеры отверстий в основании тарелки, не меняющие свое проходное сечение при изменении температур рабочих сред, что снижает диапазон устойчивой работы тарелки.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является колпачковая тарелка, содержащая жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, при этом три зубца колпачка отогнуты в сторону патрубка и жестко присоединены к его наружной поверхности. Колпачок тарелки выполнен составным из скругленного донышка, к которому сварным швом прикреплены зубчатая кромка (Патент РФ №2452557, В0Ю53/14, ВО ЮЗ/20, 2012).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточный диапазон устойчивости работы колонны при изменении температур газов (паров) и жидкости в связи с фиксированными диаметрами патрубков.

Техническим результатом предлагаемой конструкции колпачковой тарелки массообменного аппарата является увеличение устойчивости ее работы при изменении температуры газов (паров) и жидкости, проходящих через отверстия внутри патрубков.

Поставленный технический результат достигается тем, что в колпачковой тарелке массообменного аппарата, содержащей жестко соединенные с ней патрубки, над каждым из которых с зазором от полотна тарелки установлен колпачок, при этом три зубца колпачка отогнуты в сторону патрубка и жестко присоединены к его наружной поверхности, причем каждый патрубок дополнительно снабжен внутренним патрубком, выполненным из эластичного материала с наружным диаметром, подчиняющемуся выражению

ё/0=(0,6-0,8), (1)

где (1 - наружный диаметр внутреннего патрубка, О - внутренний диаметр наружного патрубка,

и патрубки по торцам герметично соединены кольцевыми крышками с образованием пустотелой кольцевой камеры между наружным и внутренним патрубком.

Установка внутри патрубка дополнительного патрубка из эластичного материала позволяет создавать герметичную кольцевую камеру, давление в которой изменяется с изменением температуры газов (паров) и жидкости, находящихся с внешней стороны этой камеры. Под действием этого давления возникает радиальная сила, изменяющая проходное сечение патрубка колпачковой тарелки, что обеспечивает устойчивую работу этой тарелки в широком диапазоне изменения температур.

Установка кольцевых крышек над патрубками и их герметичное соединение с этими патрубками осуществляется при соотношении наружного диаметра внутреннего патрубка к внутреннему диаметру наружного патрубка, определяемому по условию (1).

Увеличение верхнего предела, равного 0,8 в соотношнии (1), уменьшает объем пустотелой камеры настолько, что деформация боковой стенки внутреннего патрубка будет недостаточной для регулирования проходного сечения, в котором движутся пар (газ) и жидкость, что приведет к потери устойчивости работы тарелки массообменного аппарата.

Уменьшение нижнего предела против указанного в условии (1) значения 0,6 увеличивает объем пустотелой камеры настолько, что деформация боковой стенки внутреннего патрубка приведет к резкому снижению проходного сечения, в котором движутся пар (газ) и жидкость, и потери устойчивости работы тарелки.

На фиг.1 представлен общий вид фрагмента колпачковой тарелки массообменного аппарата. На фиг. 2 изображена аксонометрия верхней крышки колпачковой тарелки в разрезе. На фиг. 3 - аксонометрия нижней крышки колпачковой тарелки в разрезе.

Тарелка состоит из опорного перфорированного диска 1 (полотна тарелки) с отверстиями для установки патрубков 2. Над патрубками установлены колпачки 3, при этом, по меньшей мере, три зубца колпачка 3 отогнуты в сторону патрубка 2 и жестко присоединены к его наружной поверхности сварным швом. Каждый патрубок 2 дополнительно снабжен

осесимметрично установленным в нем внутренним патрубком 4, выполненным из эластичного материала, например резины или полимера, с наружным диаметром с1, подчиняющемуся условию (1). Патрубки 2 и 4 по торцам герметично соединены кольцевыми крышками 5 и 6, образуя пустотелую кольцевую камеру 7 между наружным и внутреннего патрубками 2 и 4.

Колпачковая тарелка массообменного аппарата работает следующим образом. Жидкость поступает на полотно тарелки - опорный перфорированный диск 1 с вышележащей ступени контакта фаз и взаимодействует с восходящим через дополнительный внутренний патрубок 4 потоком пара (газа). При повышении температуры в процессе массопереноса в пустотелой кольцевой камере 7 происходит расширение газа и дополнительный внутренний патрубок 4 деформируется под действием радиальной силы, что изменяет проходное сечение внутреннего патрубка 4 и обеспечивает саморегулирование локального расхода и скорости жидкости или газа (пара).

Обычно на массообменной тарелке температуры газовой и жидкой фазы распределяются неравномерно по ее сечению: в середине она выше, чем на периферии. В этом случае для выравнивания расхода газовой (паровой) фазы по сечению колпачковой тарелки необходимо уменьшать проходное сечение патрубков тарелки в центральной части. Это обеспечивает предлагаемая конструкция колпачковой тарелки, так как с ростом температуры растет давление внутри кольцевой камеры 7, которое, деформируя эластичную поверхность внутреннего патрубка 4, уменьшает его проходное сечение, тем самым уменьшая расход газа (пара). В периферийных колпачках, где температура паров и жидкости ниже, чем в центральной части, давление воздуха внутри пустотелой кольцевой камеры 7 увеличивается незначительно. В связи с этим проходное сечение колпачков в периферийной области изменяется в меньшей степени, обеспечивая тем самым повышенный расход газовой (паровой) фазы.

Кроме того подвижность боковых стенок дополнительного внутреннего патрубка 4 и их колебания способствуют снижению отложений примесей в отверстии колпачковой тарелки и, как следствие, равномерному распределению газожидкостной смеси на поверхности тарелки.

Таким образом, дополнительное снабжение каждого патрубка 2 внутренним патрубком 4, выполненным из эластичного материала с наружным диаметром с1, подчиняющемуся выражению (1), и герметично соединенными по торцам кольцевыми крышками 5 и 6 с образованием пустотелой кольцевой камеры 7 между наружным 2 и внутренним 4 патрубками, обеспечивает выравнивание расхода газовой фазы по сечению колпачковой тарелки при широком диапазоне изменения температур газовой (паровой) и жидкой фаз в этом сечении, тем самым повышает устойчивость ее работы.

У

Стр.: 11

48

HH.I'IO- II ГЫ )|Ч1Х Ь№Ш.Н|||.: IIPOMblllJ 1ППНК I 1. II IPAIK IIOPI

6. Чернобыльский. //. ¡1. Сушильные установки химической промышленности У И. И. Чернобыльский. - Киев, 1969.-2Й0с

7. Касаткин. Л. Г. Оснивныс процессы и аппараты хичшчсскоИ технологии: учеб пос для хнм.-технол спец. вулов. - 8-е )Г!Л лерераб - М : Химия. 1971. - 784 с.

Й. Русакова. Г. Г. Технологический процесс выделения зфггрного горчичного масла кз продуктов переработки тин горчнцы У Г'. Г. Русакова Т. В. Киселева, Е- Д-11ара-хневич, Л- В. Шарахневыч. УУ Итвестня Нкжневолжского агроуииверсигстского комплекса: наука и высшее профессиональное образование - Волгоград: ИНК «Нива» ФГОУ «Волгоградская ГСХА» № 4. - 2012. - С.

9. Русакова Г. /'. Извлечение сиввгринв гп продуктов переработки семян горчнцы / Г. Г. Русакова М. М. Русакова Я. В. Дерпиев Т. В. Киселева. В Ь Котенко, Е. Д. 11а-

рахкевич, Д. Н Парахневнч .' Комбикорма. - 2012- -С 75-76.

10. Русакова. А1. А1. Технологический процесс получения кпрмовш] добавки кз побочных продтетов горчично-маслобойного производства ■ М М. Русакова Я. В Дергилса, Г. 1. Русакова, Г Д [[зр&хневич, Д В I Ещшхневич, I .В. Киселева II Пути интенсификации производства и переработки ссльсках(уи1КтвснкоП продукции в современных условиях: Материалы Мезкдуиар нэуч.-прлкт. конф I НУ ПНИН 11и]| ЫНП РАСХН ■ ВашГГУ Волгоград 28-29 нюня 2012 г. Ч. 2. Иерс|иб. ссльскохоз сырья и пищевых пр-в. - Ван-оград: ИУНЛ Вшг1 ТУ, 2012. -С. 63-68.

11. Русакова. Г. /'. Комплексная переработка ссмяк горчицы: монография У Г. Г. Русакова, В. А. Хомутов, Л- В. Парахневнч. М. М Русакова. - Волгоград: И11К «Нива.. Ф1 ОУ В ПО В1СХА, 2009 - 195 с.

УДК 66 021 13

Е. Гомванчиков, О. А. Зашпаева, А. ХилОиятл

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОФРИРОВАННОЙ НЕРЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКИ

Волгоградский г осу дарс1 венный гехннческнй \ uimepcinei

e-mail: pahprij vsiu ru

Проведены жеиеримеи гыьные исследования с использованием нерегулярной гофрированной насадки in полимера. Приведен сравнительный анализ гшродннамикн аппарата при различных высотах насадки. Получены расчетные уравнения для определения гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки Киочевые слова: гидродинамика, гофрнрованная насадка, гидравлическое сопротивление.

А. В. Golovaitchikov, О. .1 Zulipaeva, A. Hildmali INVESTIGATION OF IIADRODYNA.M1CCHARACTER1STIST1CS OF CORRUGATED IRREGULAR PACKING Volgograd Slate Technical University

This paper describes an experimental work on hydradynamic of corrugated packing from polymer . The experiment was focused on comparing hydraulic resistance with different height packing element. A calculated equation for determining hydraulic resistance of dry and irrigated packing is obtained Keywords hydrodynamic, corrugated packing, hydraulic resistance.

В химической, пищевой, фармацевтической н других отраслях промышленности широко используются процессы массопереноса. Для проведения масеообмеиных процессов обычно используются аппараты с контактными устройствами. Насадочные контактные устройства обладают большой пропускной способностью >1 более низким гидравлическим сопротивлением [I ]. Недостаточные исследования проводятся с па-еадочными аппаратами малого диаметра при небольших скоростях жидкой фазы, где нецелесообразно применение тарельчатых контактных устройств.

Как известно, конструкция насадки ячя различных колонн должна обладать максимальной удельной поверхностью, химической стойко-

стью, низкой стоимостью и низким гидравлическим сопротивлением. В настоящее время представляет шггсрсс исследование ыалокорро-дирующих насадок для колонн с малым поперечным сечением аппаратов, в которых не могут быть использованы существующие насадки (кольца Пазя, кольца Рашнга, седловидные насадки и т. п.) из-за своих габаритных размеров по отношению к диаметру аппарата [2]. Применение в малоразмерных аппаратах существующих насадок приводит к пристеночному зффекту.

Известны регулярные гофрированные металлические насадки для аппаратов небольшого диаметра [3]. Несмотря на низкое гидравлическое сопротивление, такие регу лярные насадки

С Голованчиков А. Ь . Залнпаева О. А., Хнлдаятн А., 2017

50

ЭНЕР1 О- И РЕС > Р» (Н ЬКРЬЖИНН-: ПГИМЫШ 1111ШХ 1Ь И Г РАИС ПОР!

. «Я

с

а /и 60 Ы1 40 1(1 ¿и 10

—- л

- г X

*- —

* , •

ИГ» 1

«001

— И 002

— мпрЛ

ПгзЗ

в И ГХ.Ч Юь*

1 ч»3

* 101

♦ 10Г1

• ЮГ2

А. юез

,1. и»

0.П00 П.ГГ|П 0.1ПП П. I чо П.7ЛО П.?г,0 П.™ П.Т.П

Рис 2. Зависимости [ идраалического сопротивления насадки от скорости ппа при расходах жидкости Ц = Окг'с — ¿ = 0,011кг,'с .........

Как видно из графиков, гидравлическое сопротивление слоя насадки, имеющей максимальное отношение размера элемента насадки ее к диаметру, имеет более высокое значение по отношению к другим типам используемых насадок ">го обусловлено распределением насадки в аппарате преимущественно в горизонтальном по-ложешш, что создаст дополнительное сопротивление газовому потоку. В то же время такая насадка из-за наличия прямоугольных гофр обладает максимальной удерживающей способностью, что способствует максимальному времени пребывания фаз в аппарате Наименьшее гидравлическое сопротивление имеет насадка с минимальным отношением размера высоты элемента насалки к диаметру. Это обусловлено низкой массой насадки, хорошей пропускной способностью и возможностью осуществлением массооб-МС1ШОГО процесса в условиях пссвдоожнжснного слоя. Благодаря интенсивному перемешиванию в пссвдоожнжсшюм слое выравнивается поле температур и устраняется возможность появления локальных перегревов, но при этом снижается эффективность массопсрсноса.

Проведен корреляционный анализ экспериментальных зависимостей гидравлических сопротивлений насадок второго типа от фиктивной скорости газа. Обобщенное уравнение неорошаемой насадки получено в виде ДЯ=94,76с)11171.

В орошаемой насадке имеется некоторое количество жидкости вследствие смачиваемости насадки, что ведет к уменьшению свободного объема и к повышению гидравлического

сопротивления орошаемом насалки по сравнению со значением гидравлического сопротивления сухой насадки:

ЛЯ=76,25<оош.

Относительные отклонения значений гидравлических сопротналеннй нерегулярной гофрированной насадки, рассчитанных по полученным выражениям, не превышают 10 %.

Таким образом, применение гофрированной насадки с подбором значения отношения ее высоты к диаметру позволяет создавать устойчивый процесс массопсрсноса в газожидкостном слое. Наличие гофр и возможность проводить процесс при малых значениях скоростях газа способствует увеличению времени пребывания контактирующих фаз в аппарате. Небольшие размеры элементов насадки н их высокая коррозионная стойкость могут быть исполыованы в малотоннажных производствах н установках лабораторного типа

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Намк В. Л/. Абсороция гакт I В М Рамм - Итд 2-е, псрсраб и доп. - М Химия. 1976. - 656 с.

2 Лаптев. А.С. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов 1 А М Катан. А. С. Лаптев. А. С. Пушнов. М И Фарахов - Кадань: Отечество. 2013 - 454с

3 Ьур.\шстра& Д. .4- 1 ндролинамнческнс характеристики новом регулярной гофрированной насалки Д. А. Бурмистров. М М Фарахов. М И Фарахов. А В Климов ! Вестник Каннского технологического университета : сб науч. ст 7- - Казань, 2010. - С. 310-314

4 ( тепин. Б. Д- Методы получения особо чистых веществ ■ Б. Д Стспин, И I 1 орилейн, I 3 Блюм. I М Кур-дюмов. И. II Оглобли на. - Л Химия, 1969 - 480 с.

УДК 628.84

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОРОШАЕМОЙ ПРОВОЛОЧНОЙ

НАСАДКИ

Цыганков A.B.', Кузнецов Ю.Л.~, Долговская О.В.!, Хилдаяти А.Шилин А. С.'

'Университет ПТМО, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, ул.

Ломоносова, 9

' ОАО «Компрессор», Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, пр. Б.

Сампсоньевский, 64

В химической, нефтехимической промышленности и системах кондиционирования воздуха зданий и сооружений широкое распространение находят массообменные процессы, реализуемые в орошаемых насадочных колоннах и блоках. Перспективным направлением повышения эффективности такого оборудования является применение проволоки из полимерных и композитных материалов [1-2]. Насадки из такого материала могут изготавливаться с заданной пористостью и плотностью, имеют низкую стоимость и высокую химическую стойкость. Рассмотрена математическая модель ламинарного противоточного движения жидкости и газа в эквивалентном канале. Размеры эквивалентного канала определяются из условий равенства доли свободного объема и удельной площади поверхности насадки и модельного канала [3-4].

Расчетная модель показана на рисунке 1.

Рис. 1. Расчетная модель: I - газ, 2 - жидкость.

Приведено решение системы дифференциальных уравнений движения газа и жидкости [5-6]. В качестве граничного условия принято равенство скоростей на границе раздела фаз. После интегрирования уравнений движения газа и жидкости гидродинамический расчет сведен к решению системы из трех нелинейных алгебраических уравнений.

Представлены результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных позволяющие оценить возможность использования предлагаемого метода расчета. Предлагаемый инженерный метод расчета позволяет оценить влияние режимных и конструктивных параметров орошаемой насадки на ее гидродинамику.

Библиографическим список

1. Каган А. М.. Пушнов А. С. Сравнительные характеристики насадок для процессов тепло- и массообмсна // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. № 4. С. 5-7.

2. Пат. 125877 Российская Федерация. МПК В 01 D 47/14. Насадочный скруббер / Пронин В. А., Утин А. В. [и др.]. № 2012147580/05; заявл. 06.11.2012; опубл. 20.03.2013, Бюл. № 8.

3. Aleshin А. Е.. Rubtsov А. К. Verification of CFD modeling for rotor type of recuperation energy // Procedia Engineering. 2016. Vol. 152. P. 205-208.

4. Ныганков А. В.. Пронин В. А.. Шпилин Д. П., Алешин А. Е. Гидродинамический расчет орошаемой колонны с пористыми насадочными телами // Вестник Международной академии холода. 2014. № 2. С. 34-36.