Разработка методов расчета полых форсуночных скрубберов и промывных камер тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Дорошенко, Юлия Николаевна

• Дорошенко, Юлия Николаевна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дорошенко, Юлия Николаевна

ВВЕДЕНИЕ

Основные условные обозначения

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ОБСУЖДЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Классификация мокрых пылеуловителей

1.2 Конструкции, особенности эксплуатации мокрых пылеуловителей

1.3 Механизм инерционного осаадения частиц пыли на сферические капли жидкости

1.4 Способы и устройства орошения и дробления жидкости в мокрых пылеуловителях

1.4.1 Классификация распиливающих и оросительных устройств и области их применения

1.4.2 Основные характеристики распыливающих устройств

1.4.3 Распиливание жидкости центробежными форсунками. Определение размера капель и их скоростей

1.4.4 Распределение капель жидкости по величине и в факеле центробежной форсунки

1.5 Расчет полых газопромывателей, рекомендуемый в [3,4,20]

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ПОЛЫХ ПРОТИВОТОЧНЫХ ФОРСУНОЧНЫХ СКРУББЕРОВ

2.1 Простое приближенное решение для коэффициента проскока полого противоточного скруббера

2.2 Результаты расчета и его анализ

2.2.1 Сопоставление приближенных решений с точным для фракционного коэффициента проскока

2.2.2 Расчет полных проскоков

2.3 Расчет процесса пылеулавливания в полом форсуночном скруббере с многоуровневой установкой форсунок

2.3.1 Постановка задачи и расчетные зависимости

2.3.2 Результаты расчета и их анализ;

2.4 Сопоставление расчетных и опытных значений фракционного коэффициента проскока

2.4.1 Сопоставление с опытными данными работы [27]

2.4.2 Сопоставление с опытными данными работы [37]

2.5 Анализ зависимостей для коэффициента сопротивления капель в условиях их движения в полом противоточном скруббере

ГЛАВА 3 К РАСЧЕТУ СКОРОСТЕЙ ВИТАНИЯ ЧАСТИЦ ПЫЛИ

3.1 Обобщенные зависимости для скорости витания частиц пыли при нестоксовском законе сопротивления их движения

3.2 Сопоставление полученных расчетных формул для скоростей витания с экспериментальными данными

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ПРОМЫВНЫХ КАМЕР С ПОПЕРЕЧНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ГАЗА

4.1 Постановка задачи

4.2 Расчетные зависимости

4.3 Номограммы для расчета полного проскока

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчета полых форсуночных скрубберов и промывных камер»

Актуальность работы.

Предприятия по производству стройматериалов входят в первую пятерку промышленных загрязнителей атмосферы [1]. Для "сухой" очистки газов от пыли на них широко используются циклоны НИИОГАЗ [2]. Для более глубокого пылеулавливания применяются "мокрые" способы газоочистки. Наиболее эффективными пылеуловителями "мокрого" типа являются скрубберы Вентури [3,4,5]. Однако они обладают большим гидравлическим сопротивлением до несколько десятков кПа, или, что то же самое, большими удельными энергозатратами на очистку единицы объема газов [6]. Меньшее сопротивление имеют пенные аппараты (ПА) [3,5], но высокая эффективность пылеулавливания в них достигается для частиц с размерами большими 5 мкм. Частицы пыли с размерами до 1 мкм затруднительно улавливать как "сухим" способом в циклонах НИИОГАЗ, так и "мокрым" в ПА. В литературе представлены и обсуждены различные возможности повышения эффективности улавливания мелких частиц в различных аппаратах в [7-14] и, в частности, в "мокрых" пылеуловителях [15,16,17]. Особо обращает на себя внимание способ конденсации водяных паров на мелких частицах, который наиболее целесообразно осуществлять в малых объемах при высокой интенсивности протекания тепломассообменных и гидродинамических процессов. Такие условия могут быть реализованы в ПА и центробежно-барботажных аппаратах (ЦБА) в пузырьках, формирующихся на отверстиях и щелях их газораспределительных решеток.

Существенное повышение эффективности улавливания мелких частиц может быть достигнуто и в полых форсуночных скрубберах (ПФС), оросительных камерах с противоточным и поперечным движением пылегазового потока, где основным механизмом улавливания частиц пыли является их столкновение с падающими каплями, за счет также конденсации паров на частицах, их укрупнения, повышения инерционности и, как следствие, повышения коэффициента захвата мелких капель с частицами внутри каплями, генерируемыми форсунками. Теория конденсации паров жидкости на частицах подробна изложена в [18,19,20,21]. В [3] Ужовым В.Н., Вальдбергом А.Ю. представлены общие положения ее применения для повышения эффективности улавливания мелких частиц в "мокрых" пылеуловителях.

Анализ осаждения пыли на капли, генерируемые одним рядом форсунок в приближении их скорости падения, равной постоянной скорости стационарного осаждения под действием силы тяжести проведен С. Калвертом [15,22]. Им получена формула для фракционного коэффициента проскока для этих условий, которая приводится в [3]. Однако вопрос о нестационарном движении капли с начальной скоростью Vk0, существенно превышающей скорость стационарного осаждения (витания) и достигающей 50 м/с, до работ М.И. Шиляева с сотрудниками [23] никем не рассматривался. Процесс улавливания частиц на капли при установке нескольких рядов форсунок, а в реальных аппаратах их число достигает 14+16 [4], до сих пор не изучался. В настоящей работе такая задача поставлена и решена, построены номограммы для расчета полых проти-воточных скрубберов с несколькими рядами форсунок, которые могут быть с успехом использованы в инженерной практике. Наиболее простым полым газопромывателем является промывная камера. В работе рассмотрен также процесс улавливания пыли на капли диспергируемой форсунками жидкости при поперечном движении очищаемого газа, описанный в [23], и построены номограммы для расчета этого устройства.

Цель работы.

Разработка методов расчета полых противоточных форсуночных скрубберов и промывных камер, в том числе и с многоуровневой установкой форсунок.

Научная новизна работы.

1) Найдено простое и удобное для инженерной практики приближенное решение для фракционного коэффициента проскока полого противоточного скруббера, проведены его анализ и сопоставление с точным решением, определен диапазон режимно-геометрических параметров его применимости, соответствующий реальным условиям.

2) Впервые осуществлено сопоставление расчетных и опытных значений фракционного коэффициента проскока в ПФС с однорядным устройством форсунок.

3) Получены аналитические обобщенные зависимости и аппроксимаци-онные формулы для расчета скоростей витания (седиментации) при нестоксов-ском режиме движения частиц, которые могут быть использованы достаточно просто в различных теоретических исследованиях газодисперсных потоков и инженерных приложениях.

4) Проведен анализ зависимостей для коэффициентов сопротивления падающих капель в противоточном форсуночном скруббере. Из ряда формул для коэффициентов сопротивления движения капель выбрана наиболее приемлемая, дающая аналитическое решение для скорости падения капель и достаточную для практических целей точность в широком диапазоне чисел Рей-нольдса.

Практическая значимость работы.

1) На основе анализа приближенного решения для фракционного коэффициента проскока впервые построен метод, алгоритм и программное обеспечение расчета полых скрубберов с однорядной и многорядной установкой форсунок. Построены номограммы, позволяющие определять оптимальное число рядов форсунок и коэффициент орошения, обеспечивающие требуемую эффективность очистки газов от пыли с известными физическими параметрами, а также предельные возможности таких аппаратов.

2) Разработан инженерный метод расчета эффективности пылеулавливания в промывных камерах с поперечным движением очищаемого газа в форме номограмм с программным обеспечением.

3) Разработанные методы расчета переданы предприятию ОАО "Томск-вентиляция" и используются при проектировании и создании высокоэффективных и экономичных аппаратов газоочистки и систем тепловлажностной обработки воздуха по заказам различных производств, а также ипользуются в учебном процессе ТГАСУ при проведении практических и лабораторных занятий со студентами специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» в курсах «Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков» и «Методы расчета и проектирование пылегазоочистного оборудования».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на:

- четвертой Всероссийской научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики" (г. Томск, ТГУ, 2004 г.);

- десятой Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность"(г. Томск, ТПУ, 2004 г.);

- седьмом Всероссийском студенческом научно-практическом семинаре "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (г. Томск, ТПУ, 2005 г.);

- 63-й научно-технической конференции (г. Новосибирск, НГАСУ (Сиб-стрин), 2006 г.);

- седьмой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Энергия молодых - экономике России" (г. Томск, ТПУ, 2006 г.);

- тринадцатом Международном семинаре АТАМ. Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века (г. Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 2006 г.);

- пятой Всероссийской научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики" (г. Томск, ТГУ, 2006 г.);

- 64-й научно-технической конференции (г. Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 2007 г.);

- пятой Международной научной конференции "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (г. Волгоград, 2007 г.).

Публикации.

По основным результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, одна из которых в рекомендуемом ВАК издании (Ж-л "Известия вузов. Строительство") [24-5-34].

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 139 страниц, включая 59 рисунков и 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Дорошенко, Юлия Николаевна

В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1) Найдено простое и удобное для инженерной практики приближенное

решение для фракционного коэффициента проскока полого противоточного

скруббера, проведен его анализ, сопоставление с точным решением и опреде лены режимно-геометрические параметры его применимости, соответствующие

реальным условиям. 2) На основе анализа приближенного решения для фракционного коэф фициента проскока впервые построен метод и алгоритм расчета полого скруб бера с однорядной и многорядной установкой форсунок. Построены номограм мы, позволяющие определять оптимальное число рядов форсунок и коэффици ент орошения, обеспечивающие требуемую эффективность очистки газов от

пыли с известными физическими параметрами, а также предельные возможно сти таких аппаратов. В работе приведены примеры расчета полых противоточ ных скрубберов с использованием предложенных номограмм. 3) Показано, что при организации пылеулавливания в ПФС необходимо

обеспечивать равномерность распыла жидкости по сечению аппарата с целью

исключения мертвых зон и значительного выхода капель из потока за счет

столкновения их со стенками. 4) В представленной диссертационной работе на основе эксперименталь ных данных [57] для фракционного коэффициента проскока получена зависи ( 0 89^-34,3 5*/^^ ' и введена в банк данных инерционных пылеуло-S J

вителей, составленным Шиляевым М.И. и др. [20] (прил. 2). Так что, ПФС

можно с использованием этой зависимости рассчитывать, применяя универ сальную номограмму для расчета известных инерционных пылеуловителей [20]

(прил. 3) и ее программное обеспечение, ограничивая высоту эффективного

пылеулавливания величиной порядка 1,5-^ 2 м. Сопоставление с известными

опытными данными номограмм и результатов расчета К^ по массмедианному

размеру дает удовлетворительные согласования и позволяет полученную зави симость для К использовать в инженерных расчетах. 5) Проведен анализ зависимостей для коэффициентов сопротивления па дающих капель ^^ в ПФС. Показано, что из ряда выбранных формул для ста ционарного и нестационарного движения капель наиболее приемлема зависи мость, отвечающая автомодельной области ньютоновского режима сопротив ления ^^ = 0,44, дающая аналитическое решение для скорости падения капель и

достаточную для практических целей точность. 6) Получены аналитические зависимости и аппроксимационные формулы

для расчета скоростей витания (седиментации) при нестоксовском режиме

движения частиц, которые могут быть использованы достаточно просто в раз личных теоретических исследованиях газодисперсных потоков и инженерных

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дорошенко, Юлия Николаевна, 2007 год

1. Циклоны НИИОГАЗ: Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. Ярославль, 1970. - 94 с.

2. Ужов, В.Н. Очистка газов мокрыми фильтрами / В.Н. Ужов, А.Ю. Вальд-берг. М.: Химия,1972. - 247 с.

3. Справочник по пыле- и золоулавливанию / под общ. ред. А.А. Русанова. -М.: Энергия, 1975.-296 с.

4. Коузов, П.А. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности / П.А. Коузов, А.Д. Мальгин, Г.М. Скрябин. Л: Химия, 1982. - 256 с.

5. Шиляев, М.И. Методы расчета и принципы компоновки пылеулавливающего оборудования: учебное пособие / М.И. Шиляев, А.Р. Дорохов. Томск: Изд-во ТГАСУ, 1999. - 209 с.

6. Вальдберг, А.Ю. Технология пылеулавливания / А.Ю. Вальдберг, Л.М. Ися-нов, Э.Я. Тарат. -М.: Машиностроение, 1985. 192 с.

7. Залогин, Н.Г. Очистка дымовых газов / Н.Г. Залогин, С.М. Шухер. М.: Гос-энергоиздат, 1948. - 224 с.

8. Бушуев, В.В. Энергетический сектор системы «природа-общество-человек» / В.В. Бушуев // Энергетика в России и мире: Проблемы и перспективы. М.: МАИК. «Наука / Интерпериодика», 2001. - С. 114-121.

9. Штокман, Е.А. Очистка воздуха: учебное пособие / Е.А. Штокман. М.: Изд-во АСВ, 1998.-320 с.15.3ащита атмосферы от промышленных загрязнений: справ, изд. в 2-х ч. 4.1 / под ред. С. Калверта, Г.М. Инглунда. М.: Металлургия, 1988. - 760 с.

10. Вальдберг, А.Ю. К расчету эффективности мокрых пылеуловителей / А.Ю. Вальдберг // ТОХТ. 1987. - Т.21, №3. - С. 407-411.

11. Кирсанова, Н.С. Тенденции развития мокрого пылеулавливающего оборудования / Н.С. Кирсанова, JI.JI. Набутовская // Обзорная информация. Сер.ХМ-14 «Промышленная и санитарная очистка газов» М.: ЦИНТИХИМНЕФ-ТЕМАШ 1988.-32 с.

12. Шиляев, М.И. Методы расчета пылеуловителей: учебное пособие / М.И. Шиляев, A.M. Шиляев, Е.П. Грищенко; под ред. проф. М.И. Шиляева. Томск: Изд-во ТГАСУ, 2006. - 385 с.

13. Шиляев, М.И. Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков: учебное пособие / М.И. Шиляев, A.M. Шиляев. Томск: Изд-во ТГАСУ,2003. 272 с.

14. Шиляев, М.И. Расчет эффективности пылеулавливания в орошаемых газоходах / М.И. Шиляев, A.M. Шиляев, Ю.Н. Дорошенко // X Всерос. науч.-технич. конф. «Энергетика: экология, надежность, безопасность» Томск: Изд-во ТПУ 2004. - С. 368-370.

15. Шиляев, М.И. К расчету скоростей витания при нестоксовском сопротивлении частиц / М.И. Шиляев, A.M. Шиляев, Ю.Н. Дорошенко // Изв. вузов. Строительство. 2006. - №2. - С. 111-114.

16. Шиляев, A.M. Фракционная эффективность улавливания пыли в противо-точных полых форсуночных скрубберах / A.M. Шиляев, Ю.Н. Дорошенко //Тезисы докладов 63-й науч.-технич. конф. Новосибирск: НГАСУ (Сибст-рин) 2006. - С. 125.

17. Дорошенко, Ю.Н. Разработка методов расчета полых противоточных скрубберов и промывных камер / Ю.Н. Дорошенко //Тезисы докладов 64-й науч.-технич. конф. Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин) 2007. - С. 102.

18. Белоусов, В.В. Теоретические основы процессов газоочистки / В.В. Белоусов. М.: Металлургия, 1988. - 256 с.

19. Гордон, Г.М. Пылеулавливание и очистка газов / Г.М. Гордон, И.Л. Пейса-хов. М.: Металлургия, 1964. - 499 с.

20. Старк, С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве / С.Б. Старк. М.: Металлургия, 1990. - 400 с.

21. Банит, М.И. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов / М.И. Банит, А.Д. Мальгин. М.: Стройиздат, 1979. -352 с.

22. Швыдкий, B.C. Очистка газов: справочное издание / B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев. М.: Теплоэнергетик, 2002. - 640 с.

23. Швыдкий B.C. Теоретические основы очистки газов / B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий. М.: Машиностроение-1,2001. - 502 с.

24. Пирумов, А.И. Обеспыливание воздуха / А.И. Пирумов. М.: Строийиздат, 1974.-207 с.

25. Юрлов, A.M. Высокоэффективные мокрые пылеуловители: учебное пособие / A.M. Юрлов, Ю.Г. Ярошенко. Свердловск: УПИ, 1990 - 68 с.

26. Шиляев, М.И. Тепломассообмен при диспергировании газа в жидкость в центробежно-барботажных аппаратах / М.И. Шиляев, А.В. Толстых, А.Н. Деренок // Изв. вузов. Строительство. 2000. - № 2-3. - С. 58-62.

27. Шиляев, М.И. Элементарная теория газоочистки в центробежно-барботажном слое / М.И. Шиляев, А.Р. Дорохов, А.И Поливанов // Изв. вузов. Строительство. 1997. - № 5. - С. 77-81.

28. Шиляев, М.И. Критерии выбора и сравнения аппаратов газоочистки / М.И. Шиляев, А.Р. Дорохов // Изв. вузов. Строительство. 1998. - № 6. -С. 81-84.

29. Бородин, В.А. Распыливание жидкостей / В.А. Бородин и др.. М.: Машиностроение, 1967.-265 с.

30. Тарабанов, М.Г. Тепломассоперенос в камерах орошения кондиционеров с форсунками распыления / М.Г. Тарабанов, Ю.В. Видин, Г.П. Бойков. -Красноярск: Крас.ПИ, 1974. 210 с.

31. Витман, JI.A. Распыливание жидкостей форсунками / JI.A. Витман, Б.Д. Кацнельсон, И.И. Палеев. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1962.-264 с.

32. Хавкин, Ю.И. Центробежные форсунки / Ю.И. Хавкин. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1976. - 168 с.

33. Фукс, Н.А. Механика аэрозолей / Н.А. Фукс. М.: Изд-во АН СССР, 1955. -352 с.

34. Коузов, П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов / П.А. Коузов. Л.: Химия, 1974. - 280 с.

35. Белявский, Б.С. К вопросу об очистке доменного газа при работе на повышенном давлении / Б.С. Белявский // Сталь. -1954. № 7. - С. 659-661.

36. Вальдберг, А.Ю. Расчет пылеулавливания при работе скрубберов в конденсационном режиме / А.Ю. Вальдберг, Н.М. Савицкая // ТОХТ. 1993. - Т.27, №5.-С. 526-530.

37. Головачевский, Ю.А. Оросители и форсунки скрубберов химической промышленности / Ю.А. Головачевский. М.: Машиностроение, 1967. - 196 с.

38. Форсунки, рекомендуемые для применения в аппаратах и системах газоочистки: Атлас. М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1987. 46 с.

39. Stairmand, C.J. The design and performance of modern gas-cleaning equipment / C.J. Stairmand // J. of the Inst. Fuel (London), 1956. V. 29, P. 58-81.

40. Вальдберг, А.Ю. Обобщенная оценка дисперсности распыла гидравлических форсунок / А.Ю. Вальдберг, Н.М. Савицкая // ТОХТ. 1989. - Т.23, № 5. -С. 689-692.

41. Страус, В. Промышленная очистка газов / В. Страус. М.: Химия, 1981. -616 с.

42. Мошкарнев, JI.M. Комплексная технология очистки воздуха от пыли в аппаратах мокрого пылеулавливания / J1.M. Мошкарнев. Иркутск: Изд-во Ир-кут. ун-та, 1984.-200 с.

43. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воды. Изд. 2-ое. Л.: Химия, 1975. - 456 с.

44. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. -М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002.

45. Скрябина, Л.Я. Атлас промышленных пылей / Л.Я. Скрябина // Пыли предприятий металлургии, машиностроения и строительной промышленности. Ч. 2. -М.: Цинтихимнефтемаш, 1982. С. 24.

46. Горбис, З.Р. Теплообмен дисперсных сквозных потоков / З.Р. Горбис. М.; Л.: Энергия, 1964.-С. 45.