Моделирование тепломассообмена и совершенствование конструкции аппарата для очистки промышленных газов от аэрозольных включений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Солженикин, Павел Анатольевич

• Солженикин, Павел Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Солженикин, Павел Анатольевич

Основные обозначения.

Индексы.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОЧИСТКИ

ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ.

1.1. Классификация отраслей промышленности и предметные задачи, в которых используется очистка газов от аэрозольных примесей.

1.2. Существующие способы очистки газовых потоков и устройства для их осуществления.

1.3. Подходы к моделированию и расчету явлений переноса при очистке газовых потоков от аэрозольных частиц.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛОМАССООБМЕННОГО ПЕРЕНОСА В ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЕ «ГАЗ - КАПЕЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ».

2.1. Идентификация температурных полей в рабочей камере.

2.2. Кинетическая модель зародышеобразования, роста и осаждения капель жидкости в рабочей камере при движении потока.

2.3. Решение и анализ уравнений модели.

2.4. Вычислительный эксперимент по математической модели.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ.

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Метрологическое обеспечение приборного оснащения и методика проведения эксперимента.

3.3. Методика обработки экспериментальных данных.

3.4. Разработка мероприятий по оптимизации конструкции установки и способа проведения процесса очистки газового потока от аэрозольных частиц.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

В РАЗЛИЧНЫХ ПРЕДМЕТНЫХ ОБЛАСТЯХ.

4.1. Способ очистки воздуха и установка для его реализации.

4.2. Влагоотделитель.

4.3. Инженерная методика расчета определения рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра.

4.4. Примеры реализации результатов исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование тепломассообмена и совершенствование конструкции аппарата для очистки промышленных газов от аэрозольных включений»

Актуальность темы. Сжатый воздух является производственным источником энергии и основным двигателем многих промышленных процессов, в больших объемах используется для питания пневматических и пневмогидравлических систем. Также сжатый воздух широко применяется в лабораторных исследованиях и медицинских технологиях, при производстве электронной техники, в печатных технологиях, мобильных системах, точных инструментах и приборах [ 1 ].

Необходимо отметить, что атмосферный воздух неизбежно содержит водяные пары и взвешенные частицы. Во время сжатия воздуха компрессор концентрирует эти частицы, кроме этого, могут добавиться еще и частицы масла. Остающиеся на выходе компрессора влага и частицы загрязнения в большинстве случаев приводят к снижению эффективности работы и даже выходу из строя оборудования, поэтому для эффективного применения воздуха в производственных процессах он должен быть сухим и чистым [2].

Многие промышленные предприятия еще не оснащены в достаточной степени необходимыми установками газоочистки, обеспечивающими требуемую степень очистки, а имеющееся оборудование устарело и требует замены [ 3 ].

Удовлетворительная работа любой системы газоочистки зависит от правильного выбора принципа работы оборудования, качества его изготовления, монтажа и правильной эксплуатации.

Анализ причин неудовлетворительной работы целого ряда газоочистных сооружений позволяет сделать вывод, что они в основном объясняются следующими моментами: несовершенством конструкции пыле-и золоулавливающего оборудования; высокими гидравлическими сопротивлениями, определяющими повышенные энергозатраты в тягодутьевом тракте, невозможностью автоматической перестройки газоочистительных устройств, работающих по отличным от существующих принципам [ 4 ].

В настоящее время практически нет надёжных, простых и сравнительно дешёвых эффективных способов и устройств очистки воздуха и газовых выбросов, имеющих высокие температуры и большие объёмы. Как показывают проведенные исследования [ 5 ], наиболее перспективным в этом отношении является использование конденсационных методов очистки и разработка на их основе разнотемпературных конденсационных фильтров. Работы в этом направлении проводятся в течение ряда последних лет [3, 6,7].

Необходимо отметить, что, несмотря на достаточно большой объем теоретических исследований и полученный экспериментальный массив данных, до настоящего времени не удалось синтезировать математическую модель процессов тепломассопереноса с распределенными параметрами в очищаемом потоке газа, учитывающую специфику физико-химических явлений при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в проточных камерах конденсатора, что не позволяет в полной мере использовать преимущества разнотемпературных конденсационных фильтров [ 7 ].

В предлагаемой работе основное внимание уделено исследованию физико-химических явлений при образовании, росте и осаждении капель при очистке воздуха или промышленных газообразных выбросов с использованием конденсационных методов.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением Воронежского государственного технического университета «Физико-технические проблемы энергетики» в рамках ГБ 2007.12 (Гос. регистр. 01.2.00.409970).

Целью работы является моделирование тепломассообменного процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц, разработка методики расчета и аппаратурного оформления разнотемпературного конденсационного фильтра.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Синтез математической модели тепломассообменных процессов очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц и идентификация температурных полей в зоне конденсации.

2. Создание пилотной установки и проведение экспериментов для исследования процесса очистки и проверки адекватности разработанной математической модели.

3. Построение методики инженерного расчета рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра и разработка технических рекомендаций по способу и аппаратурному оформлению процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных примесей.

Для решения поставленных задач автором использовался комплексный метод их решения, включающий анализ научно-технического состояния вопроса по отечественным и зарубежным публикациям, изучение опыта смежных предприятий и институтов, анализ результатов научно-исследовательских работ и автономных испытаний модельных камер, их сопоставление с расчетными данными и результатами испытаний в составе установок для очистки воздуха, обобщение полученных данных, что позволило, в конечном итоге, осуществить разработку научно обоснованных методов и средств, позволяющих повысить эффективность очистки воздуха и газообразных промышленных выбросов.

Методы исследований. Полученные в работе результаты базируются на принципах и законах физико-химической гидродинамики, теории тепло- и массообмена для газообразных веществ, методах математического моделирования с использованием средств вычислительной техники. В экспериментальных исследованиях применялись современные методики обработки результатов испытаний, системы регистрации и обработки параметров.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректным применением в теоретических исследованиях законов физико-химической гидродинамики, теории тепло - и массообмена, теории абсорбции и десорбции газов, апробированных методик инженерных расчетов основных процессов и аппаратов химической технологии, а также экспериментальными данными, полученными на аттестованных лабораторных установках, стендах и объектах эксплуатации.

Основные выводы и положения диссертации учитывают физические особенности исследуемых процессов. Разработанные методики подтверждаются удовлетворительным согласованием расчетных данных и экспериментальных результатов.

Научная новизна:

- сопряженная математическая модель тепломассообмена с распределенными параметрами, отличающаяся учитыванием специфики физико-химических явлений переноса при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в разнотемпературном канале конденсатора, позволяющая определять величины потоков конденсата на стенки конденсатора и на выходе из него;

- оригинальная запатентованная конструкция пилотной конденсационной установки для очистки газовых потоков в разнотемпературном канале, отличающаяся организацией массового потока аэрозоля в поперечном направлении и продлением ресурса доочистки;

- способ очистки газовых потоков в разнотемпературном канале, отличающийся созданием пересыщения гетерогенной смеси, последующим образованием, ростом и осаждением жидкостных аэрозольных частиц в конденсационной камере;

- методика инженерного расчета разнотемпературного конденсационного фильтра, позволяющая повысить эффективность очистки воздуха и других газообразных промышленных выбросов путем выбора рациональных режимов функционирования.

Практическая значимость работы.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для новых технических и технологических решений в области очистки промышленных газов от аэрозольных включений.

Разработана и испытана конденсационная установка, позволяющая более эффективно производить очистку газовых потоков, новизна конструкции и принцип работы которой защищены патентом на изобретение.

Полученные аналитические соотношения использованы при разработке инженерной методики расчета разнотемпературного конденсационного фильтра.

Результаты диссертационной работы используются в производственном процессе Воронежской ТЭЦ-1 и|ДОАО «Газпроектинжиниринг» г. Воронежа

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Седьмой Международной научно -технической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии АКТ - 2006» (Воронеж, 2006); Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий (Инноватика)» (Москва-Сочи, 2006); Третьей Российской школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2006); научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2005-2007).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, в том числе 3 - в издании, рекомендованном ВАК РФ, получены 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов работы, списка литературы из 109 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 179 страницах, содержит 44 рисунка и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Солженикин, Павел Анатольевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Синтезирована сопряженная математическая модель тепломассообменных процессов при очистке газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц между поверхностями неодинаковой температуры, позволяющая определить количественно потоки конденсата, как на стенки конденсатора, так и на выходе из него.

2. Идентифицированы стационарные температурные поля в рабочей камере, позволяющие определить границы зоны зародышеобразования, роста I и осаждения капель жидкости в ядре потока очищаемого газа, составляющей до 80 % от ширины разнотемпературного канала.

3. Создана пилотная конденсационная установка для исследования процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц в разнотемпературном канале, функционирующая в диапазоне чисел Рейнольдса Re = (50 ч- 200).

4. В результате экспериментального исследования тепломассообменного процесса очистки получена сходимость теоретических и экспериментальных данных до 10 %, что подтверждает адекватность разработанной математической модели.

5. Показано, что наиболее эффективно ведение процесса очистки в конденсационном фильтре осуществляется в режиме, когда участок гидродинамической и тепловой стабилизации меньше длины разнотемпературного канала.

6. Предложен и запатентован способ очистки газовых потоков в разнотемпературном канале конденсационной камеры, основанный на создании пересыщения гетерогенной смеси и осаждении капель аэрозоля, позволяющий повысить эффективность очистки.

7. Разработана методика инженерного расчета определения рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Солженикин, Павел Анатольевич, 2008 год

1. Карабин А.II. Сжатый воздух. М.: Машиностроение, 1964. - 351с.

2. Очистка сжатого воздуха для пневматических систем и приводов станков, прессов литейных и других машин: Отраслевой руководящий материал. -М.: НИИМАШ, 1969. 132с.

3. Володин Н.И. Очистка газовых выбросов: Учеб. пособие / Н.И. Володин, Э.М. Соколов. Тула, 1999. - 259с.

4. Очистка сжатого воздуха для пневматических систем: Руководящие материалы; Под ред. А.И. Кудрявцева. М.: ВНИИгидропривод, 1978. -119с.

5. Штокман Е.А. Очистка воздуха: Учеб. пособие. М.: АСВ, 1999. — 319с.

6. Михельсон М.Л. Физические основы конденсационного метода пылеулавливания: Дис. канд. физ.- мат. наук / НИГРИ — Кривой Рог, I960. 174с.

7. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара, Изд. 3-е, доп. и перераб. М.: Химия, 1972. - 304с.

8. Грин X. Аэрозоли пали, дымы и туманы, Изд. 2-е, стер. / X. Грин, В. Лейн. - Л.: Химия, 1972. - 428с.

9. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. — М.: Наука, 1980.- 176с.

10. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. Косого Ю.Я. М.: Химия, 1981.-616с.

11. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. Изд. АН СССР, 1955. 351с.

12. Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. — М.: Высшая школа, 1971. — 319с.

13. Андреев П.И. Рассеяние в воздухе газов, выбрасываемых промышленными предприятиями. М.: Стройиздат, 1952. - 253с.

14. Кучерук В.В. Очистка от пыли вентиляционных и промышленных выбросов в атмосферу. — Гос. Изд. Лит. по стр. и архит., 1955. — 387с.15