авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

М.В.Василевский

ОБЕСПЫЛИВАНИЕ ГАЗОВ ИНЕРЦИОННЫМИ

АППАРАТАМИ

Томск

Издательство Томского политехнического университета

2008

УДК 532.547.4+621.928.93

В19

Василевский М.В.

В19 Обеспыливание газов инерционными аппаратами: монография/

М.В. Василевский Томск: Изд-во Томского политехнического

университета, 2008.258 с.

ISBN

В книге рассмотрены свойства дисперсной фазы на различных этапах процесса сепарации частиц, особенности воздействия турбулентности потока на процессы переноса частиц в циклонных, ротационных аппаратах, анализируются причины отклонений показателей промышленных систем от проектных, а также результаты имеющихся исследований, связанных с разработкой, усовершенствованием инерционных газоочистителей. Предложены методы повышения устойчивости и эффективности работы аппаратов, методы испытания промышленных систем очистки газов от золы и пыли. Книга предназначена для инженеров и научных работников, занимающимися вопросами охраны труда и защиты окружающей среды от загрязнений.

УДК 532.547.4+621.928. Рецензент Доктор технических наук, профессор Е.М. Пузырев ISBN © Томский политехнический университет, © Оформление. Издательство ТПУ, © М.В. Василевский, Предисловие Существующие системы обеспыливания газов в производствах энергетической, химической, металлургической, строительной, пищевой и другой продукции предназначены для улучшения санитарно- гигиенического состояния атмосферного воздуха, улучшения условий труда, извлечения из газа ценных фракций пыли, если улавливаемый материал является основным продуктом процесса.

Современные технологические процессы связаны с перемещением и механической обработкой сыпучих продуктов, которые сопровождаются большим выделением пыли в окружающую среду.

Задачей аспирационных систем является поддержание чистоты воздуха и создание комфортных условий в рабочих помещениях. При аспирации создается разрежение внутри герметизирующего оборудования, что позволяет устранить поступление пыли в помещение.

Пневмотранспортные установки в настоящее время являются неотъемлемой частью большинства производств химической, металлургической, строительной, пищевой, энергетической и других промышленностей. Основные трудности, которые возникают при эксплуатации пневмотранспортных установок – ненадежная работа пылеотделителей, в качестве которых используют устройства с фильтрами. Основной недостаток устройств – быстрый износ фильтрующих тканей и присутствие колебаний давлений в системе, что приводит к неустойчивой работе технологической линии.

Наиболее распространенные методы обеспыливания можно разделить на механические, мокрые, электростатические. Выбор оборудования зависит от того, какими свойствами обладают частицы золы или пыли, от состава, температуры, влажности потока, от режимов работы технологического объекта. При этом важнейшую роль играют компоновочные решения, экономические вопросы.

Одним из наиболее распространенных и надежных способов очистки промышленных газов от взвешенных частиц является механическая очистка в сухих аппаратах. Большинство таких аппаратов можно изготовлять непосредственно на монтажных площадках, они дешевле других аппаратов, проще в эксплуатации. К технико экономическим показателям газоочистителя относятся фракционная эффективность, общая эффективность, энергозатраты на проведение процесса обеспыливания (гидравлическое сопротивление), устойчивость газоочистки (эксплутационные затраты), капитальные затраты. Первый показатель необходим для оценки технических возможностей пылеуловителя при работе на пылях разной дисперсности.

Существует большое разнообразие аппаратов, каждый из которых применяют в зависимости от решаемых задач. Наиболее широко распространено выделение частиц из запыленного газа при его криволинейном движении. Оно реализуется в различного вида концентраторах, циклонных, ротационных аппаратах.

Ротационные пылеуловители разрабатывались в направлении совмещения функций пылеулавливания и перемещения очищаемой среды. В 1920-1950 годы в США для очистки дымовых газов от золы применялись ротоклоны. Для перемещения поршкообразных материалов, проведения погрузочно – разгрузочно работ, в порошковых технологиях, широкое применение нашли пневмотранспортные установки, в которых также используются ротационные пылеотделители. В 30 – 80 г.г. прошлого столетия инженерами разных стран, в том числе и в СССР, были проведены разработки сравнительно дешевых малогабаритных инерционных воздухоочистителей для защиты двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, вентилирования кабин передвижных средств, автомобильного транспорта, зерноуборочных комбайнов на базе ротационных пылеуловителей, альтернативных системам, состоящими из узлов разгрузки, фильтрации, нагнетания. Ротационные аппараты выполняли функции воздухоочистителей и нагнетателей. Оценки эффективности обеспыливания воздуха, поступающего в кабины, основанные на расчете траекторий частиц в сепарационных объемах аппаратов, показали возможность удаления из воздуха наиболее респирабельноопасной части пыли (более 1,5 мкм) и применения этих аппаратов для санитарной очистки воздуха. Однако эксплутационные показатели аппаратов оказались ниже расчетных. Широкое применение ротационные аппараты нашли в качестве классификаторов пылевидных материалов.

Много усилий было затрачено на разработку аппаратов с агломерацией частиц на поверхностях каналов роторов, вращающихся фильтров, сеток. Однако широкого распространения они не получили, хотя в справочных руководствах приводятся как перспективные пылеотделители.

Женишек Н.Н. [73] провел классификацию ротационных пылеотделителей по аэродинамическим признакам. Имеет смысл ввести дополнительные признаки по переносу входного момента импульса скоростей: перенос входного момента импульса в аксиальном направлении (прямоточные аппараты), перенос входного момента импульса в радиальном направлении (радиальные аппараты).

Поступающий в систему газоочистки дисперсный материал состоит из совокупностей первичных частиц, агрегированных частиц, и представляет вместе с несущей средой аэрозоль. В другом состоянии он находится в виде отложений или представляет насыпное тело.

Противоточный циклонный пылеуловитель является основным элементом в системах газоочистки большинства производств энергетической, химической, машиностроительной, строительной, пищевой и других промышленностей. В этом аппарате вихрь организован таким образом, что дисперсная фаза из аэрозольного состояния в приемнике преобразуется в дисперсное тело, в котором частицы соприкасаются друг с другом и взаимодействуют друг с другом. Таким образом, вихрь производит сборку дисперсного тела из частиц начиная от входа заканчивая в приемнике. Структурирование дисперсной фазы происходит в виде жгутов, которые транспортируются потоком в приемник. Однако устойчивость процесса определяется термодинамическими свойствами несущего потока и физико химическими свойствами частиц. Один и тот же аппарат может иметь эффективность близкую к 100% и близкую к 0% в зависимости от относительной влажности газа в случае образования отложений на поверхности аппарата.

Концентрация, при которой частицы оказывают влияние на все турбулентные характеристики, оценивается величиной 0,3 кг/м3, при значениях концентрации 0,5 кг/м3 образуются флюидные потоки.

Несущая способность потока в циклоне по мере движения концентрированного потока к пылевыводному отверстию уменьшается, поэтому существуют предельные значения концентраций, определяющие работоспособность циклона.

Существующий фундамент механики дисперсных сред позволяет строить физические и математические модели для крайних состояний дисперсной среды: для аэрозоля, в котором частицы не взаимодействуют друг другом (объемная концентрация частиц менее 104) и для дисперсного тела с объемной концентрацией частиц больше 0,05. Для промежуточных состояний дисперсной фазы имеются гипотезы образования движущихся слоев из крупных частиц на ограждающих закрученный поток поверхностях технологических аппаратов, а также образования жгутов из дисперсной фазы полидисперсного состава. Имеющиеся экспериментальные результаты отражают влияние ограниченного числа факторов и не представлены сопоставительным анализом изменений термодинамических параметров потоков и физико –химических свойств частиц, их концентраций.

Концепции исследователей аэромеханических процессов в закрученных потоках по механизмам сепарации частиц, поведению дисперсной фазы, а также библиографии в области обеспыливания газов приведены в справочных руководствах Дж. Перpи [149];

А.А. Русанова [179];

общедоступных публикациях В.А.Шваба [204];

В.Страуса [181];

А.Гупта, Д.Лили, Н.Сайреда [67];

А.Н.Штыма [209];

Э.П.Волчкова, В.И.Терехова [112];

И.И.Смульского [175] и др.

Основным недостатком имеющихся исследований, связанных с разработкой, усовершенствованием инерционных газоочистителей, является отсутствие моделей структурообразования дисперсной фазы в аппаратах, а также отсутствие параллельных сравнительных испытаний вновь созданного пылеотделителя с известными, широко распространенными аппаратами, проведенными в одних и тех же условиях, на одной и той же пыли. Причем, не рассматриваются вопросы, связанные с эксплуатацией пылеотделителя в условиях конкретного производства, в результате чего показатели рекомендованного для технологии аппарата оказываются намного хуже по сравнению с показателями, полученными в лабораторных условиях.

Отметим, что наиболее распространенные групповые и батарейные циклонные газоочистители имеют эффективности намного ниже по сравнению с рассчитанными по фракционным эффективностям, определенными в лабораторных условиях для отдельных элементов с собственными приемниками пыли.

Поэтому, зачастую, рекомендации по использованию разработанных аппаратов или систем носят умозрительный характер.

Автор настоящей работы имеет многолетний опыт исследования, конструирования, испытаний промышленных образцов пылеуловителей и представляет свое отношение к проблеме обеспыливания газов инерционными аппаратами. Автор полагает, что данная книга будет полезна всем заинтересованным лицам, занимающимися вопросами охраны труда и защиты окружающей среды от загрязнений. В подготовке материалов принимали участие проф. Логинов В.С. – разделы 13;

инж. Зыков Е.Г. – разделы 14, 68;

инж. Разва А.С. – разделы 14, 8;

студ. Некрасова К.В. – разделы 1, 8. Автор выражает им благодарность, а также благодарность проф. Панину В.Ф. за внимание и обсуждение ряда вопросов данной работы.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 06-08 -00054).

Глава 1. СВОЙСТВА ОЧИЩАЕМЫХ ГАЗОВ И ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В процессе выделения пыли из газонесущего потока дисперсная среда из аэрозольного состояния с порозностью 0.999 переходит в состояние насыпного слоя с 0.95 0.4. Порозность –это отношение объема газа к выделенному объему, занимаемому двухфазной средой.

Для порозности, близкой к единице, полагают, что присутствие частиц не влияет на движение газа. Движение частиц определяется воздействием массовых и поверхностных сил со стороны несущего Величина для дисперсной среды в насыпном состоянии газа.

зависит от размеров частиц, свойств газа и поверхности частиц:

толщины адсорбированной газовой оболочки, величины поверхностного электрического заряда частиц, капиллярных взаимодействий и т.д. Рассмотрим характеристики потока подлежащего очистке, а также свойства дисперсного материала в насыпном состоянии.

1.1. Характеристика газовзвеси 1.1.1 Дисперсный состав Он определяется массовым содержанием частиц меньше заданного размера в отобранной из потока пробе. Интегральная функция Ф(х) для частиц с логарифмически-нормальным распределением имеет следующие значения [179]:

х -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2, Ф(х)% 0,62 2,28 6.68 15,87 30,85 50 69,15 84,1 93,3 97,7 99, Здесь х=lg(/m)/lg, =m/16, m-медианный размер, меньше которого вес частиц составляет 50% от веса пробы. По физическому смыслу интегральная функция представляет функцию проходов при рассеве пробы из частиц газовзвеси: через сито с большим размером ячейки пройдет большая относительная масса дисперсного материала.

Т. е. m это размер ячейки сита, через которое прошло 50% материала пробы, 16 это размер ячейки сита, через которое прошло 16% пробы, 2 это размер ячейки сита, через которое прошло 2% пробы. Величина m/2=2 является показателем крупности мелкой части частиц, т. е. во сколько раз размер ячейки, соответствующий двухпроцентному проходу в пробе, будет меньше размера ячейки, соответствующего медианному значению. Аналогично m/0,1=3.

Определим количество частиц в см3 при концентрации с=1г/м (106г/см3).

Если рассмотреть монодисперсный газозоль с одинаковыми частицами и плотностью 2 г/см3, то в зависимости от размера их количество n будет определяться формулой mnc, расстояние между частицами l 1/n1/3, где m-масса, значения n и l представлены в таблице 1. Таблица 1.1 Число частиц и расстояние между частицами в см.

размер частицы мкм 1 10 106 n l 0,01 0,1 Следовательно, счетное количество мелких частиц в одном и том же объеме в большинстве случаев оказывается большим, чем крупных, хотя их массовое количество может составлять менее процента.

1.1.2 Время релаксации частицы в потоке газа [185, 195].

Это время, в течении которого частица, попавшая в поток, последует за потоком. Изменение скорости течения газа приводит к тому, что частица либо ускоряется, либо замедляется, приспосабливаясь к несущему ее потоку. Поэтому сила инерции Fин может быть приближенно определена как скорость относительного движения U, умноженного на массу m и деленная на время релаксации, Fин ~ mU.

Увлекающая сила потока (сила сопротивления, действующая на частицу со стороны потока газа) равна f=0,5SmoU..Приравняв эти силы, получим выражение для времени релаксации: =2m/SmoU. Для сферических частиц со стоксовским характером обтекания внешним потоком газа имеет вид =2/о18. В этих формулах Sm=эффективная площадь сечения частицы, -коэффициент сопротивления,, о плотности частиц и газа, m, масса и диаметр частицы, коэффициент кинематической вязкости газа. Коэффициент сопротивления зависит от режима обтекания частицы потоком и определяется числом Рейнольдса Re=U/. Зная порядок величины времени релаксации, выясняют характер поведения твердой частицы в турбулентном потоке газа. Если время релаксации значительно больше времени жизни турбулентного моля, то данный моль на движение частицы практически не влияет. Если время релаксации меньше времени жизни турбулентного моля, то частица увлекается в движение этим молем. Таким образом, время релаксации должно сравниваться с характерным временным масштабом турбулентного образования.

1.1.3. Диффузия частицы Механизм переноса количества движения и массы в турбулентном потоке идентичен, поэтому коэффициент турбулентной диффузии газа принимают равным коэффициенту турбулентной вязкости. В [130] проводятся оценки коэффициента диффузии для частиц.

Рассматриваются спектры частот вихрей разных масштабов.

Выделяется три интервала частот. В первом интервале низких крупных энергоемких вихрей совершается отбор энергии от осредненного движения газа, т.е. производство турбулентности;

во втором интервале частот (инерционный интервал) происходит передача энергии вдоль по спектру от низких частот к высоким. В третьем интервале частот (высокочастотный интервал) происходит рассеяние механической энергии в тепло. Для потока в цилиндрической трубе коэффициент турбулентной диффузии частиц определяется диффузией энергоемких вихрей, частота пульсаций которых пропорциональна скорости потока и обратно пропорциональна размеру потока (радиусу трубы).

Общее выражение для коэффициента диффузии имеет вид ~y2/t, где y длина диффузионного шага, а t время затраченное на этот шаг.

Для периодических колебаний шагом является масштаб (амплитуда) пульсаций А, а затраченное время-период пульсаций Т. Амплитуда пульсационной среды связана со скоростью пульсационного движения соотношением V, где V амплитуда скорости пульсаций, частота пульсаций среды. Такое же соотношение связывает амплитуду пульсаций взвешенной частицы с амплитудой ее пульсационной скорости Ар= Vр =р(V), где р –осредненная степень увлечения частицы турбулентными пульсациями;

2=up2u2=1/(1Е), где up, u пульсационные скорости частиц и газа, Е частота пульсаций энергоемких вихрей среды. Для потока в трубе Е=u lЕ u 0.1R, где R радиус трубы, uдинамическая скорость (скорость трения). Нижний предел частоты турбулентных пульсаций принадлежит наиболее крупным вихрям 0um D, где um расходная скорость потока, D диаметр трубы E=200(8)1/2, где коэффициент трения.. Часто для частиц различной крупности их коэффициент турбулентной диффузии приравнивается коэффициенту турбулентной вязкости. Однако для большей точности расчетов необходимо вводить поправку на инерционность частиц р=/(1+E) [130]. При осаждении частиц под воздействием сил тяжести и под влиянием пульсационного обтекания газом частиц сила сопротивления осаждению возрастает, кроме того из за больших значений “подвижных” концентраций в молях газа возникают восходящие диффузионные потоки, которые уравновешивают гравитационные [130]. В этом случае алгебраическая сумма нисходящих гравитационных потоков и восходящих диффузионных равна нулю [130] (условие невыпадения частиц на дно).

1.1.4. Взаимодействие частиц.

Поступающий в систему газоочистки дисперсный материал состоит из совокупностей первичных частиц, агрегированных частиц, и представляет вместе с несущей средой аэрозоль. В другом состоянии он находится в виде отложений или представляет насыпное тело.

Агломераты образуются в результате турбулентной коагуляции, при срыве потоком отложений с поверхностей, при пересыпках материалов, при сегрегации частиц в результате его транспортировки в различных устройствах.

Турбулентная коагуляция аэрозолей рассмотрена в [118].

Рассматриваются частицы, размер которых мал по сравнению с внутренним масштабом турбулентности 0. Такие частицы будут полностью увлекаться крупномасштабными (0) пульсациями, но обтекаться мелкомасштабными ( 0) пульсациями.

Ускорение пульсаций масштаба 0 равно 0у= d0/dt ~ /, где ~ (V)/L – мощность, диссипируемая в единице массы газа, V и L– скорость и масштаб крупномасштабных пульсаций.

Для случая сферической частицы радиусом R и при скорость частицы относительно газа выразится в виде u = (230,5/9) ·[( 0) / 0] ·(R /) (230,5/9) ·(/ 0)·(R /)/ Таким образом, средняя относительная скорость частицы при R 0 оказывается не зависящей от масштаба турбулентных пульсаций и пропорциональной разности плотностей и квадрату радиуса частицы.

При этом u 0, если имеет место неравенство R ·0/ · 0· (/ 0) ~ R/( 0) · (/ 0)1.

Поскольку средняя скорость газа относительно частицы зависит от ее размеров, происходит перемещение мелких частиц по отношению к тяжелым.

Очевидно, что на частицу радиуса R попадают за 1 сек. все частицы радиуса r, которые лежат в цилиндре радиуса (R+r) и высотой, пропорциональной (R - r ). Число встреч в единицу времени в 1 см (число актов коагуляции):

N0= · (R r) 2 (R 2 r 2 ) (2/9)· (/ 0) · (0у·c0/ ), где усреднение производится по распределению частиц аэрозоля по размерам. Для вычисления этого среднего задаются функцией распределения по размерам.

При любой функции распределения (R r) 2 (R 2 r 2 ) = R 4, где R – средний размер частиц и – числовой коэффициент. Поэтому N0 =( 2 / 9) · (/ 0) · ( R 4/ ) · 0у·c0 (230,5/9) · (/ 0) · ( R 4··c0/ 5/4) Число актов коагуляции растет со средней скоростью V0 потока как V09/4.

Соотношение числа актов коагуляции в 1 см в 1 сек, обусловленных турбулентным перемешиванием и броуновской диффузией (последнее дается известной формулой Смолуховского) выражено в виде N0/ND = (230,5/9) · (/ 0) · ( R 4· ·с0/ 5/4):4 RD c (30,5/18)··(/ 0)· ( R 3·3/4/ 5/4·D) ~ ·1010· ( R 4/ 03).

При этом учтено, что v0 · 0 / ~ 1 и D ~ ( R /d)1, где d -величина порядка молекулярных размеров. В обычных условиях размешивания 0~101105 см. Поэтому это соотношение пригодно для частиц, размер которых превышает 5 106– 105 см.

Если сравнивать число актов коагуляции взвешенных частиц в турбулентном потоке газа N0 и жидкости NDтурб, то при 0~101102, N0 NDтурб для частицы размером R 10-410-5. Поэтому для таких аэрозольных частиц разработанный в [118] механизм встреч обеспечивает основное число актов коагуляции.

Коагуляция зависит от многих факторов: свойств материала пыли.

концентрации и дисперсного состава частиц, в значительной степени о электрического заряда частиц. Основное значение имеет молекулярная агломерация.

Устойчивость агломератов Прочность агломератов зависит от прочности индивидуальных контактов частиц F, координационного числа, пористости П, а также размера исходных чаcтиц dч [77, 5].

F Т 1 П /П d Агломерат в виде шара, состоящий из множества частиц, обтекаемый потоком, испытывает раздавливающее воздействие перепада давления в лобовой части. Возникающие при этом боковые усилия способствуют разъединению частиц, причем напряжения разъединения пропорционально перепаду давления, поскольку частицы связаны аутогезионными силами. При обтекании агломерата более мелкими частицами возможно эрозийное разрушение его тела или, наоборот, захват мелких частиц агломератом.

Сопротивление крупной частицы в автомодельной области обтекания определяется d ч 2 W, P x 4 где -коэффициент сопротивления, W- скорость газа относительно агломерата на бесконечности, - плотность газа.

Коэффициент сопротивления шара в диапазоне чисел Рейнольдса 500-100000 имеет значения, находящиеся в интервале 0,6-0,4;

для диапазона 1000-100000 этот коэффициент принимается равным 0,44;

а сила сопротивления прямо пропорциональна скоростному напору [120].

Распределение давления по поверхности агрегата показано на рис. 1. В области 0-400 давление избыточно (положительно), при 400 это давление равно нулю, в области 40-1800 избыточное давление отрицательно. Поскольку перепад давления на агломерате является действующей нагрузкой, то эта нагрузка должна определяться интегралом давления по поверхности. Однако средний перепад определяется лобовым сопротивлением Р.

Рис.1.1 Распределение давления по поверхности агрегата Эта действующая распределнная нагрузка определяет возникающее напряжение внутри агрегата. При импульсном воздействии мелких частиц на агломерат напряжения в теле его возникают в виде волны, причем деформации, ведущие к перекладке частиц, необратимы. Скорость распространения волн деформаций в поперечном и продольном направлениях в грунтовых материалах находятся в диапазоне 100-300 м/с соответственно [202]. Характер кривой разгрузки в материалах после импульсного воздействия зависит не только от свойств материала, но и частоты воздействия импульса. Однако сравнение времени воздействия нагрузки и времени распространения волны, позволяет считать, что находится при постоянном воздействии нагрузки.

В реальных потоках агрегаты из мелких частиц находятся под воздействием переменных аэродинамических сил со стороны транспортирующего их потока.

При движении одиночной крупной частицы-агломерата в восходящем потоке уравнение имеет вид [22]:

U n dU 1, (*) g dt U в где U-скорость частицы, Uвскорость витания., g-ускорение силы тяжести, -скорость газа, n=12 зависит от режима обтекания частицы газом. Интегрирование (*) позволяет получить зависимость пути, пройденного частицей от его скорости при n=2 (автомодельная область сопротивления).

U Uв Uв Uв U в ln U в ln, Lp U Uв Uв g при условии, что U0=0-начальная скорость частицы. Если за масштаб скорости принять, то последнее выражение можно выразить в безразмерном виде:

1 U Uв 1 Uв Lp U 0 1 U в ln 1 U в ln, (**) 1 U Uв 1 Uв L p 2g U U где L p ;

Uв ;

Uв.

Кривые по (**) на рис.1.2 позволяют определить скорость на каждой длине пробега частицы.

Рис.1.2. Зависимость безразмерной длины пробега частицы от безразмерной скорости Для малых чисел L p зависимость U f ( L p, U в ) приведена в таблице 1. Таблица 1.2 Значение U Uв L p 10 4 0.05 0.1 0.2 0. 1 0.18 0.1 - 5 0.33 0.19 0.075 10 0.42 0.25 0.1 20 0.57 0.38 0.2 0. Скорость витания Uв находится из зависимости:

U в dч Ar g dч ч ;

;

при Reв700, Reв Ar 18 0.61 Ar 1/ d g ч.

U в 1.71 ч Расчеты показывают, что для крупных агломератов Uв6 12 м/с, для мелких агломератов Uв=15 м/с;

для мелких частиц Uв0.01м/c.

Если агломерат образовался за счет влаги, то можно теоретически определить его прочность. Прочность агломерата зависит от диаметра исходных частиц, поверхностного натяжения связующего, количества связующего W, угла смачиваемости частиц связующим. Прочность гранул в зависимости от диаметра исходных частиц приведены в следующей таблице: (=73103Дж/м2, =0).

Значения Т(Па) Таблица 1. dч,мкм 1 5 W 7700 0.27 3.7 7400 Разрушение определяется величиной и длительностью воздействия нагрузки. Это связано со скоростью перераспределения волн деформаций в агломерате. С другой стороны, величина силы воздействия определяется разностью скоростей потока и частицы. На малых расстояниях пробега частицы, сопоставимых с размером частиц, при начальной нулевой скорости ввода, нагрузка будет определяться разностью скоростей потока и частицы. Скорость частицы определяется из таблицы 1.2. Примем значение скорости частицы при безразмерном перемещении частицы, равным 0.0001. Сравнение данных позволяет сделать вывод, что при скоростях потока больше 40 м/с агрегаты могут разрушаться. При умеренных скоростях агрегаты из мелких частиц более устойчивы к нагрузкам, которые характерны при осуществлении процессов в производственных газоочистных аппаратах. Поступающие в аппарат агломераты взаимодействуют с поверхностями, деформируются, образуют отложения в виде полос.

Метод пылеулавливания выбирают в зависимости от физико-хими ческих свойств пылей, анализ которых позволяет наиболее рационально выбрать метод пылеулавливания и его аппаратурное оформление.

1.1.5.Характеристики криволинейного потока.

Поворот потока в криволинейном канале приводит к появлению инерционной центробежной силы, действующей поперек потока, которая, в свою очередь, изменяет условия движения газа. Возникают вторичные течения первого и второго рода [206, 210], воздействие которых на сепарацию частиц проявляется в зависимости от формы канала, концентрации и крупности частиц. Вторичные течения первого и второго рода могут иметь место в каналах одновременно, но в большинстве случаев решающее воздействие на поток оказывает одно из них. Вторичные течения второго рода (вихри Тейлора-Гртлера) играют важную роль в каналах с формой поперечного сечения, характерных для длинных вихревых камер, т. е. уменьшение радиального размаха сечения усиливает влияние вторичных течений второго рода [210]. Интенсивность вторичных течений зависит от степени неоднородность скоростного поля в поперечном сечении канала. Поэтому при ламинарном течении жидкости создаются более благоприятные условия для их возникновения, чем при турбулентном.

Однако и при турбулентном течении центробежные силы оказывают существенное влияние на характер течения газа, они приводят к возникновению вторичных течений и влияют на интенсивность турбулентных флуктуаций [210]. Составляющие скорости потока в поперечном сечении определяются характером вторичных течений.

Вторичные течения и повышенный уровень генерации радиальной составляющей пульсационной скорости около вогнутой стенки способствуют интенсификации обменных процессов [191]. Для учета влияния массовых сил на турбулентный перенос в [112] рассматривается число Ричардсона, которое характеризует отношение турбулентной энергии, произведнной массовыми силами и касательными напряжениями. При этом массовые силы могут быть вызваны не только градиентом циркуляции, но и градиентом плотности в пограничном слое :

2 1 2 r r r r 3 r r, (1.1) Ri 3 в этом выражении ГWrциркуляция тангенциальной скорости газа.

Отношение турбулентных касательных напряжений в погранслое на вогнутой поверхности к их значению в течении без продольной кривизны равно:

f 1 y / l0 Ri (1.2) число Ричардсона в этом случае, как следует из (1.1) отрицательно.

Результаты расчта трения по предложенной модели для выпуклой и вогнутой поверхностей достаточно хорошо совпадают с известными методами, использующими различные эмпирические соотношения для модифицированной длины пути смешения.

В работах [209, 166] при анализе потока в вихревой камере выделяются три характерные зоны: пристенная, ядро потока с квазипотенциальным распределением тангенциальных скоростей, приосевая, находящаяся внутри условной цилиндрической поверхности, проходящей через поверхность выходного патрубка. В пристенной зоне скорости меняются от нуля на стенке до значения на границе, условной толщине пограничного слоя и внешнего радиуса ядра потока. В [209] пристенная зона представляет собственно пограничный слой на стенке и струйная часть, расположенная между ядром и пограничным слоем. На границе пограничного слоя производная циркуляции тангенциальной скорости по радиусу равна нулю, а значение циркуляции максимально;

границей между ядром и струйной частью служит поверхность, на которой вторая производная циркуляции по радиусу равна нулю. Даны оценки размеров этих зон, а также распределения скоростей в погранслое и струйной части. В приосевой зоне происходит интенсивный турбулентный обмен на внутренней границе ядра потока с возвратными газами из приосевых областей, расположенными за пределами вихревой камеры. Причм для противоточных циклонов с собственным примником пыли потоки газов, поступающих и выходящих из примника, одинаковы, тогда как в выходном сечении газовыводящей трубки циркулирующий поток смешивается с транзитным, который проходит через циклон начиная с входного патрубка, и таким образом в выходном сечении проходит большее количество газов, чем входит в циклон.

Отмечены интенсивные радиальные положительные токи со скоростями, сопоставимыми с тангенциальными скоростями [186]. При исследовании закономерностей в квазипотенциальной зоны (ядро потока) выделяют характерные поверхности вращения, на которых тангенциальные скорости приобретают максимальное значение, аксиальные скорости нулевое значение, циркуляция скорости максимальное значение. Большое внимание уделено вопросу определения поверхностей нулевого давления, т.е. нулевой разнице давлений межу точками этих поверхностей и пространством, в которое истекает газ [209, 175]. В некоторых методиках аэродинамического расчета циклонных камер положено, что поверхности с максимальными тангенциальными скоростями соответствуют нулевому избыточному давлению в закрученном потоке. Данные условия приближенно выполняются при значительной радиальной протяженности квазипотенциальной зоны [166]. В [166] приведена обзорная информация о результатах исследования радиусов положения характерных значений скоростей и давлений по имеющимся публикациям, приведены расчтные зависимости, графические иллюстрации.

Для вихревых камер с равномерно распределенным тангенциальным вводом газа по образующей в [112] приведены теоретические оценки потоков, которые согласуются с экспериментом. Хотя такие камеры используются в основном для интенсификации массообменных процессов (сжигание топлива, сушка дисперсных материалов), движение газовой среды в них такое же как и циклонных пылеуловителях.

Схема пространственного пограничного слоя на торцевой поверхности представлена на рис.1.3.

Рис. 1.3. Схема пространственного пограничного слоя Пограничный слой в аксиальном направлении разбивается на две зоны (рис. 1.3) – пристенную 0 xn m с закономерностями пристенной турбулентности и (u r n ) m струйную m x, где превалирующими являются процессы струйного смешения. Такой подход широко используется в теории пристенных струй и, как показывают сопоставления, он дат хорошее соответствие с экспериментом для различных случаев взаимодействия струй с поверхностями [112].

Пограничный слой на торцевой поверхности в процессе его развития по радиусу также разбивается на две зоны: область развивающегося ~ * ~ 1 и развитого ~0 ~ ~ * течения ( ~ * - радиус, где весь расход r r r rrr газа Gk проходит через торцевые пограничные слои и радиальная компонента скорости в области вне пограничных слов равна нулю).

Уравнения движения аэрозоля в инерционных пылеуловителях Общие уравнения движения двухфазных сред представлены в работах [178, 204].

В основе всех гидродинамических расчетов дисперсных двухфазных потоков лежит второй закон Ньютона m(ddt) F, где F вектор равнодействующей сил, оказывающих воздействие на частицу. В качестве сил выступают массовые силы (силы тяжести, электрические, магнитные), силы гидродинамического сопротивления, Магнуса, Жуковского, а для очень малых частиц радиометрические силы (термофорез, фотофорез, диффузиофорез и т.п.).

Запишем ускорение частицы в цилиндрической системе координат (орты еr, e, z), которая связана с декартовой системой координат (орты i, j, k) следующими соотношениями xrcos, yrsin, zz. rerre0 err.

Коэффициенты Ламэ этой системы [161] Hr1, Hr, Hz1.Единичные векторы er(rr)(1Hr) icosjsin;

e(r)(1) sinicos;

(dr/dt)(dr/dt)err(d/dt)e;

(der/dt)ed/dt;

de/dterd/dt;

d/dt (d2r/dt2)er (d/dt)(dr/dt)e (dr/dt)(d/dt)e r(d/dt)2er rd2/dt2e;

(d/dt)r;

dr/dt r. Т.е.

d/dt(dr/dt 2/r)er (ddt rr)e. (1.3) При установившемся движении производные по времени составляющих скоростей в последнем выражении равны нулю и инерционные силы в радиальном и окружном направлениях выражаются через соответствующие ускорения (окружные и радиальные скорости и радиус). Для грубодисперсных аэрозолей с частицами более 1 мкм, в которых протекающие процессы не зависят от броуновского движения частиц, определяющими силами являются силы инерции и силы вязкостного сопротивления несущей газовой среды [195, 112], а в турбулентных потоках определяющим фактором является также турбулентный перенос частиц [195, 185].

При феноменологическом подходе к исследованию дисперсного потока с малой концентрацией частиц используют идею условного континуума компонент среды, что позволяет применять аппарат механики сплошных сред.

Обозначим n(i)-число i-х одинаковых частиц в единице объема, m(i) масса отдельной чаcтицы, p(i)n(i)m(i)плотность среды из i-х частиц, плотность газовой фазы, F(i)отнесенная к единице объема сила действия газа на i-e частицы твердой примеси [178, 194]. Массовая концентрация частиц в аэрозолях мала и p(i)0, C(i) p(i)/(0p(i)) p(i)/0, C(i)p(i)/0.

Сформулируем задачу движения аэрозоля аналогично [117] при следующих допущениях.

1)поток несущей среды установившийся, 2) присутствие частиц аэрозоля не влияет на движение газовой фазы, 3) температуры частиц и газа одинаковы, фазовые превращения между компонентами отсутствуют, 4) форма частиц сферическая. Движение одинаковых частиц рассматривается как движение некоторой псевдожидкости, поля скоростей которых удовлетворяют уравнениям движения частиц.

Уравнение движения и неразрывности примеси, состоящих из i–х частиц p(i)(dV(i)/dt)F(i);

C(i)/tdiv(C(i)V(i))0. (1.4) Уравнение движения и неразрывности газа 0dW/dt Div;

0/tdiv(0W)0, (1.5) здесь тензор напряжений в газе.

Величина F(i) в соответствии с формулой Стокса может быть представлена F(i)n(i)6(i)(WV(i)).

Поделим обе части первого уравнения (5) на р(i) и запишем dV(i)/dt[6(i)(WV(i))]/m(i)(WV)/(i) (1.6) Для установившегося течения уравнение движения и неразрывности дисперсной среды имеют вид (t0), знак (i) опускаем (V)V(WV)/;

div(CV)0. (1.7) Поле скоростей несущей среды рассчитывается из уравнения движения и неразрывности газа или определяется экспериментально.

Для мелких частиц значение много меньше времени пребывания частиц в сепарационном объеме пылеотделяющего аппарата, тангенциальные и аксиальные скорости частиц отличаются незначительно [62, 64].

Для таких частиц уравнения движения и неразрывности в цилиндрической системе координат при установившемя течении аэрозоля запишутся V2/R (WrVr)/;

WrVr;

VzWz;

(/R)(RCVr)(/)(CV)(/Z)(RCVz)0, (1.8) здесь Vr, V, Vz- радиальная, тангенциальная, аксиальная компоненты скорости частиц.

Предоставим актуальные значения концентраций и скоростей в виде VV V;

CCC.

Подставляя эти выражения в уравнения движения и неразрывности для частиц и учитывая, что V, Vr, Vx V,Vx, осредняя получим V2/R(Wr Vr)/;

V W;

VzWz;

R( CVz C Vz ) ( CV C V ) R( CV C Vr ) 0 (1.9) Z R Обычно потоки в осредненном движении в окружном и аксиальном направлениях много больше, чем диффузионные потоки при турбулентном движении в тех же направлениях, т.е.СVz C V z CV C V поэтому определяющее значение имеет диффузионный поток в радиальном направлении. В соответствии с теорией турбулентного переноса [194] C Vr p(C/R).

Уравнение сохранения массы частиц (1.9) линейно, с переменными коэффициентами и для однозначности решения требуется постановка начальных и граничных условий. Во входном сечении аппарата концентрация частиц каждого размера имеет одно и то же значение.

Поэтому С(r,0) = const. На границе потока, вблизи ограничивающей поверхности тангенциальная скорость газового потока уменьшается и принимает нулевое значение на самой стенке потока. Инерционные (условно центробежные) силы, действующие на мелкие частицы также уменьшаются в пограничном слое до нуля. Частицы вблизи стенки увлекаются турбулентными пульсациями и отходят от стенки, а инерционными (условно центробежными) силами возвращаются к стенке. Таким образом, вблизи стенки частицы находятся в динамическом равновесии, и на границе потока перенос частиц в радиальном направлении в среднем отсутствует (условие неналипания частиц). Это обстоятельство еще можно сформулировать, что вследствие непроницаемости стенки суммарный поток частиц за счет центробежных сил и диффузионного переноса должен быть равен нулю.

Тогда С(R,Z)RUC0 U (Wr Vr). (1.10) В реальных потоках процессы переноса сопровождаются образованием сгустков при значимых концентрациях.

1.1.6. Пристеночные течения двухфазного потока Особенность решений ламинарного двухфазного потока [178] на плоской пластине состоит в том, что в случае замедления множества частиц при отсутствии переноса по нормали к стенке их концентрация должна увеличиваться. Решение уравнений переноса дает следующее распределение концентраций частиц (плотностей частиц, рассматриваемых как сплошная среда в единичном объеме) upw=Up(x/);

[pup]w=p0Up, pw x 1, (1.11) p0 U p где pw, p0 плотности среды из частиц на стенке и вдали от стенки, upwпродольная скорость частиц на стенке, Up продольная скорость частиц вдали от стенки, x продольная координата, время релаксации. Для мелких частиц можно cчитать что продольные скорости частиц и газа на удалении от стенки совпадают и при х*=(x/U)1, pw и пределом величины pw будет величина ps=мах, где Uскорость газа на удалении от стенки, мах, объемное содержание и плотность частиц. Таким образом, на стенке образуется слой из частиц, скорость которого определяется из соотношения Us 0. (1.12) U мах Основное значение в оценке турбулентного переноса имеет интенсивность турбулентности, определяемая отношением осредненной по времени амплитуды пульсаций скорости к его средней скорости, масштаб турбулентности, характеризующий пространственную протяженность жидких объемов в потоке [120]. Эти характеристики определяются конфигурацией канала, скоростью потока. В пристенной области генерация дополнительных движений носит локальный характер, осуществляется в некоторой области, ограниченной линейными масштабами турбулентности и является периодическим процессом. Во всей области турбулентности местоположение центров генерации турбулентности в данный момент времени и их периодичность действия регулируются интенсивностью диссипации энергии турбулентного движения [205].

В [27] представлены сведения и исследования в области двухфазного пограничного слоя. В отличии от классических представлений о структуре погранслоя, механизме генерирования турбулентности, распределения пульсационных характеристик, пограничный слой не делится на области вязкого подслоя и область развитой турбулентности, а определяется по времени на периоды медленного вязкого развития и быстрого невязкого разрушения. При этом зависимость между частотой разрушения и динамической скоростью определяется соотношением 0,056 и, кроме того, выделяются первичная турбулентность, связанная с выбросами, и вторичную, обусловленную неустойчивостью и распадом струй. Такие процессы обуславливают возникновение вторичных течений.

Присутствие частиц приводит к перераспределению касательных напряжений, а переток молей газа в поперечном направлении обусловлен градиентом касательных напряжений в этом же направлении [142]. Это приводит к тому, что в местах с большими касательными напряжениями продольные скорости уменьшаются, а касательные напряжения выравниваются. По данным исследований характера формирования отложений частиц из суспензий в гидравлических лотках, на дне образуются структуры с неравномерным слоем частиц в поперечном направлении.

На рис. 1.4;

1.5 показаны характер поперечных перетоков и распределение отложений частиц [142].

Рис.1.4 Поперечные движения суспензии в лотке Рис.1.5 Отложения частиц в лотке В [178] рассматривается полуэмпирический метод, пригодный в случае турбулентного пограничного слоя двухфазного потока.

Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными.

При одинаковых порядках толщин пограничного слоя по мере движения смеси замедляется все большее число частиц. Теневые фотографии свидетельствуют о нарастании толщины слоя частиц у стенки.

Минимальная скорость переноса частиц–это скорость потока, при которой на дне горизонтальной трубы не накапливается слой неподвижных или проскальзывающих частиц. Основным фактором, влияющим на вертикальное движение твердых частиц в потоке, является отношение конечной скорости осаждения к скорости трения w 2 RP (динамической скорости), причем, где w uw * m 4 m L напряжение сдвига на стенке, m плотность смеси, R радиус трубы, Lдлина трубы Частицы, расположенные в ламинарном подслое находятся во взвешенном состоянии, поскольку они имеют малые размеры. В турбулентной зоне пограничного слоя происходит перенос более крупных частиц, которые могут взаимодействовать с поверхностью и выбивать с нее осевшие мелкие частицы.

В [131] показано, что даже в прямолинейном канале происходит активное осаждение частиц на стенку. Под мелкими частицами подразумеваются частицы полностью увлекающиеся турбулентными пульсациями. В пристеночной области возникает поток частиц, направленный к поверхности, обусловленный турбулентной миграцией частиц. Скорость частиц миграционного турбулентного переноса определяется формулой dV, U m V ( y ) dy где V амплитуда пульсационного движения молей газа, –время, у - расстояние от стенки. Максимальное релаксации частиц yu * ;

u значение этой скорости находится на расстоянии y+=12,7;

y скорость трения, - коэффициент кинематической вязкости газа.

Расчет показывает, что длина инерционного пробега в ламинарном подслое равна 0,9· u ·, и таким образом, для реального потока, обтекающего шероховатую поверхность, оказывается, что на самой стенке нормальная к поверхности скорость частицы отлична от нуля, поскольку ламинарный подслой на выступах шероховатостей поверхностей отсутствует.

Неоднородности концентраций, возникающие при повороте потока в пристеночной области, приводит к неоднородности распределения напряжения трения на стенке в потоке. В локальные области, где напряжения трения оказываются «завышенными», подтекает окружающий газ с содержащимися в нем частицами и неоднородность увеличивается. Дисперсная среда в этой неоднородности движется в целом медленнее несущего газового потока, обтекается им, частично диспергируется, ускоряется, под воздействием центробежных сил концентрируется у стенки и снова подтекает к основной неоднородности. Частицы, находящиеся вне жгута, движутся быстрее, нагоняют его, присоединяются к нему, участвуя в циклах сепарации и диспергации в области движения жгута. В целом наблюдается картина движущегося жгута, который является динамическим объектом: частицы на протяжении всего пути его движения уходят и возвращаются в него, причем в этом движении концентрация частиц в жгуте, порозность, скоростные характеристики несущего потока в локальной области жгута организуется таким образом, чтобы это динамическое образование оказалось устойчивым.

В пристеночной области сгущений поток ламинаризируется, интенсивность вихрей Тейлора Гертлера возрастает и эффект жгутообразования усиливается. Поэтому в окружном направлении отставание жгута от газа будет большим, чем в аксиальном направлении. Давление газа внутри жгута должно быть таким же, как и в окружающем газе. Если бы это было не так, происходило бы размывание жгута из-за перетоков газа внутрь или наружу из него.

Поскольку наблюдается устойчивое образование, его можно представить как движение псевдожидкости с плотностью s =(1)+], где порозность,, плотности материала частицы и газа. Тогда для устойчивого движения должно соблюдаться равенство 2 V V dP s s ;

и.

Vs V s dR R R В [172] проведен анализ пограничного слоя на криволинейной стенке циклона. Тангенциальная скорость затормаживается вязкими касательными силами и толщина слоя возрастает. Когда в слое развивается утолщенное место, оно быстро разрастается в результате захвата медленно движущейся среды из окружающих слов. Этот рост происходит от неустойчивости медленно движущейся среды по отношению к смещению по радиусу внутрь. Когда утолщенное место достаточно разрослось, оно отрывается и движется по радиусу внутрь, одновременно диффундируя и теряя свое отличие. Отрыв и движение внутрь частиц среды, движущейся медленнее, вызывает сильную турбулизацию почти во всм сепараторе. Тврдые частицы вблизи стенки вызывают пространственную ориентацию оторвавшихся частиц пограничного слоя. Когда в пограничном слое образуется утолщенное место, тврдые частицы увлекаются течением в эту область из окружающего слоя. Когда часть пограничного слоя отрывается, тяжлые частицы отстают. Высокая концентрация частиц вызывает местное возрастание силы трения и последующее быстрое восстановление пограничного слоя. Большой приток приносит из окружающего слоя дополнительные частицы в снова утолщающийся район. Осредннное течение в пограничном слое распределяет частицы по полоске, параллельной течению в пограничном слое. Таким образом, частицы в пограничном слое концентрируются в полоски, которые, по видимому, всегда имеются в циклонах в закрученных потоках [186, 172]. Полоски пыли локализуются в тех местах, где медленно движущийся пограничный слой систематически отрывается от стенки и движется по радиусу к центру [186, 172]. Направленное внутрь течение пограничного слоя увлекает из этого слоя более лгкие частицы [186].

В циклоне с одним тангенциальным входом наблюдается, что полоска примеси начинается на пересечении нижней стенки входного патрубка с цилиндром циклона. Пограничный слой на верхней стенке входного патрубка соединяется с радиальным притоком в пограничном слое на верхней поверхности сепаратора. Пограничный слой с нижней стенки входного патрубка течт внутрь через поток в цилиндре циклона.

Пограничный слой на наружней стенке входного патрубка распространяется в осевом направлении под влиянием высоких скоростей в центре входного патрубка, и затем эта медленно текущая среда следует за верхним и нижним слоями внутрь. Рабочая среда, двигаясь внутрь, оставляет тяжелые частицы на внешней стенке, формируя таким образом начало полоски частиц. Однажды начавшись, полоска распространяется, как описано выше [186].

При повышенных концентрациях частиц они собираются в циклические жгуты (струйки) [186], которые стекают по стенкам, тогда как в циклоне газ нест лишь ограниченное количество пыли. В [181] представлен обзор результатов исследований по законамерностям движения жгутов. Рассматриваются уравнения динамического равновесия жгутов, в которых фигурируют центробежная сила, действующая на жгут, сила трения, сила тяжести, коэффициент попадания пыли в жгут, угол наклона, порозность в объме жгута, увлекающая сила газового потока. Далее ведтся оценка торможения жгутом несущего газа.

В [40] полагается, что механизм образования жгутов связан с особенностями течения неоднородных по плотности смесей вблизи вогнутой криволинейной стенки. Здесь течение ламинаризируется, усиливается интенсивность вихрей Тейлора-Гртлера, а устойчивость распределения по плотности определяется числом Ричардсона. В работе приведены данные по визуальным наблюдений за движением жгутов, определены окружные скорости газа в разных сечениях, приведены расчетные результаты потерь момента импульса. Оказалось, что величины циркуляций газовой фазы по высоте циклона различаются во много раз, особенно это относится к пылевыводному отверстию конической части циклона.

Время пребывания частиц материала в аппарате складывается из времени сепарации и времени их движения их по стенке камеры аппарата или в пристенной области до выхода из него. Как показали экспериментальные данные, время движения сыпучего материала в пристеночной области в десятки и сотни раз больше времени сепарации [134]. При рассмотрении движения частицы по цилиндрической стенке аппарата анализировались следующие силы, действующие на частицу:

сила тяжести, сила сопротивления газовой среды, упругая реакция стенки и сила трения частицы о стенку.


Анализ уравнений движения газовой фазы и частиц с учтом всех сил, действующих на них, позволил получить безразмерное соотношение между безразмерным временем и числами Стокса, Фруда, концентрации и коэффициентов, характеризующих сопротивление частиц, а также свойства материала при взаимодействии со стенкой. Экспериментальное определение среднего времени пребывания тврдой фазы вещества проводилось через величину массы вещества единовременно находящейся в циклонной камере и его расхода в единицу времени. Количество удерживаемого материала или "задерживающая способность" камеры определялась путм отсечки двухфазого потока на выходе из аппарата с одновременным отключением подачи материала и воздуха. В приведнных зависимостях фигурирующие экспериментальные коэффициенты для различных материалов отличаются в 1,5-3,5 раза.

Оказалось, что изменение угла наклона винтовой траектории потока частиц по стенке аппарата, движущегося в виде "шнура", незначительно и накопление материала в камере происходит в основном за счт увеличения диаметра (поперечного сечения) и, вероятно, плотности шнура. Эти данные позволили предположить, что режим движения материала в камере приближается к поршневому и среднее время пребывания в первом приближении можно считать одинаковым для всех частиц. Значительное влияние на среднее время пребывание частиц оказывает их размер и плотность. С увеличением диаметра частиц величина среднего времени пребывания интенсивно растт, что, по видимому, объясняется увеличением задерживающей способности камеры за счт увеличения сил трения потока материала о стенку в связи с увеличением центробежной силы, действующей на частицы [134].

В значительной мере характер движения частиц определяется концентрацией тврдой фазы [170]. Часть материала входит в соприкосновение со стенками камеры сразу же на начальных участках, а весь дальнейший процесс определяется законами скольжения и перекатывания тврдых частиц по сухой стенке. Условия движения материала в жгуте отличны от условий движения отдельной частицы, так как происходит взаимодействие частиц, которое способствует образованию жгута. В результате обработки экспериментальных исследований получено уравнение для расчта критической концентрации, соответствующей моменту образования жгута в зависимости от чисел Рейнольдса и Фруда, относящимся к размерам и характерным скоростям потока в камере [170].

Для малых концентраций, при которых жгуты транспортируются потоком при любом пространственном расположении циклона, можно сделать оценки скорости, радиуса жгута, исходя из распределений скоростей газа в области жгутов и имеющихся сведений о сопротивлении нитевидных, волокнистых тел [181, 47, 158]. Трение жгута о поверхность определяется аналогично оценке трения взвесей в трубах [178]. Вводится понятие минимальной скорости переноса, при которой на поверхности нет накапливания проскальзывающих частиц.

При этом динамическая скорость (скорость трения) выражается через напряжение сдвига и плотность смеси.

1.2. Отложения и насыпной слой.

В двухфазных потоках происходят процессы образования и распада структур дисперсной среды. В закрученных потоках, которые формируются в вихревых камерах различного назначения, структурирование, диспергация дисперсной фазы определяют устойчивость и эффективность технологических процессов. Следует различать первичные и вторичные структуры дисперсной фазы.

Первичные это структуры из частиц, вводимые вместе с потоком в камеру для формирования вихря. Вторичные это структуры образующиеся в самой камере, в основном в результате приграничных эффектов вблизи криволинейных поверхностей, формирующих вихревое течение газа. В пылевой технике стабильная работа газоочистной аппаратуры осуществляется, если отложение на поверхностях не образуются, а напряжения в дисперсном материале в насыпном состоянии оказываются предельными.

1.2.1. Механизм агрегируемости частиц В сгустках объемная концентрация увеличивается в десятки и сотни тысяч раз по сравнению с исходной. В жгутах присутствуют частицы различных размеров. В [190] показано, что в присутствии частиц менее 10 мкм возможна активная агломерация частиц за счет молекулярных сил. Вводится понятие критического размера частиц из условия соизмеримости сил сцепления между ними в структурной сетке и их весом, если рассматривается агломерация в поле сил тяжести.

Граница между грубодисперсными и микрогетерогенными системами определяется характерным размером частиц с, при котором вес частицы уравновешивается силами сцепления между ними. Если полагать, что сцепление определятся атомными контактами, то mg=Fc, где суммирование ведется по всем контактам, Fc сила сцепления в контакте, mмасса частицы. Если полагать, что площадь единичного точечного контакта соизмерима с площадью кристаллической решетки (Sc1019м2), можно считать, что прочность контакта соизмерима с прочностью межатомных связей Рс10101011Па. Контакты между частицами реализуются, как правило, по микровыступам, площадь которых соизмерима с площадью кристаллической решетки. В качестве характеристики склонности дисперсных систем к самопроизвольному Fc агрегированию вводится величина, при этом объемная mg концентрация частиц должна быть достаточной для возникновения структуры. Величину определяют в зависимости от расстояния Н между частицами: контакт атомный, если расстояние Н 51010 м;

контакт коагуляционный, если расстояние соответствует их фиксации в положении «ближнего» минимума потенциальной энергии взаимодействия Н10 м;

контакт коагуляционный при фиксации частиц в положении дальней потенциальной ямы Н107. В каждом конкретном случае прочность элементарных контактов между частицами и соответственно прочность возникающих из них структур зависит от физических свойств и химической природы поверхности твердой фазы, состава и свойств дисперсионной среды и соответственно зависит критический размер частиц. В [190] приводятся расчетные значения критических размеров частиц. В [3] приведены оценки прочности дисперсных пористых структур и определено влияние некоторых физико химических условий на прочность возникающих контактов. В [71] приведены результаты исследования по влиянию адсорбированных газовых пленок на поверхности частиц на механическ4ие характеристики порошковых материалов. Определялись углы обрушения, углы откоса для пылевидного песка и стеклянных шаровых частиц размером 1030 мкм. Вычислялись углы внутреннего трения, сцепление между частицами. Выяснено, что при температурах 400С и глубоком вакууме 108 мм. рт. ст. внутреннее трение и сцепление резко возрастают, что позволило сделать вывод от том, что механические свойства дисперсных материалов определяются не только размерами и поверхностными свойствами отдельных частиц, но и в значительной степени толщиной адсорбированных пленок.

В ряде случаев частицы получают электрический заряд в результате дробления или распыления материала при движении в потоке газа из-за трения частиц между собой и о стенки аппарата, а также при обработке материалов в раскаленном состоянии вследствие термоионной и фотоэлектрической эмиссии электронов. Частицы также могут заряжаться в результате химических реакций, под действием ультразвука, рентгеновского и радиоактивного излучений и электромагнитной индукции. Число положительных и отрицательных частиц может быть одинаково и в этом случае агломерация частиц резко интенсифицируется.

Агрегаты, поступающие в пылеуловитель с потоком газа, имеют различную природу образования и соответственно прочностные При срыве отложений с поверхностей характеристики.

технологического оборудования в поток поступают более уплотненные агломераты пыли. Отложения на технологическом оборудовании [76] разделяют по следующим признакам: месту возникновения, химическому составу и структуре. По месту возникновения отложения разделяют на натрубные, настенные (стенки топки), дымоходные, подовые. По химическому составу разделяют отложения алюмосиликатные, щелочносвязные, сульфитные, фосфатные, которые обладают клеящими свойствами. По структуре сформированный слой можно классифицировать как сыпучий (золовой) и плотный (спекшийся и сцементировавшийся). Например, отложения на поверхностях котельного агрегата при сжигании воркутинского угля состоят из 3-х слоев: из липкого слоя толщиной менее 0,5 мм, содержащих частицы менее 1 мкм, второй промежуточный- рыхлый состоит из частиц со средним размером 1,5 мкм толщиной 0,20,3 мм, третийслой из спекшихся частиц толщиной 13мм. Плотным отложениям сопутствуют сыпучие и наоборот. При обтекании труб со скоростью 8-11 м/с на фронтальной и кормовой частях образуются рыхлые отложении;

при скорости обтекания более 11 м/с на фронтальной части образуются плотные отложения, в кормовой рыхлые. Количество осевшей золы зависит от скорости потока и концентрации частиц. Скорости потока, при которых происходит отрыв частиц, определяются распределением сил адгезии и размеров частиц. Количественно отрыв прилипших частиц определяется медианной скоростью отрыва [76]. В реальных процессах, в производственных условиях все элементы энергетических агрегатов подвержены вибрационным нагрузкам. Отложения подвергаются воздействию крупных частиц. Происходит периодический срыв отложений с поверхностей и их пополнение. Таким образом, в потоке на входе в золоуловитель присутствуют не только исходные золовые частицы, но и агрегаты из частиц, причем с переменной их концентрацией.

В аспирационных системах при транспортировке пыли частицы размером 25 мкм увлекаются мелкомасштабными высокочастотными пульсациями и подвержены турбулентной миграции к ограждающей поверхности. По мере их накопления частиц на поверхности происходит их срыв за счет различных возмущений помимо потока: вибрации стенок оборудования при внешних воздействиях на них сил акустической или другой природы, воздействия крупных частиц, разрушающих связи между частицами. Оторвавшиеся от поверхности под воздействием потока агломераты частиц имеют отличные от исходных частиц адгезионные и аутогезионные свойства.


В системах аспирации термодинамические параметры потоков не постоянны. Особенно это проявляется в средах с изменяющейся влажностью.

Тела обладают поверхностной свободной энергией. При взаимодействии с водяными парами, содержащимися в воздухе, свободная поверхностная энергия уменьшается за счет работы смачивания. Поверхностная удельная свободная энергия жидкости есть поверхностное натяжение.

Поверхность раздела представляет слой, соизмеримый по величине с межмолекулярным расстоянием в объеме жидкости. В этом слое молекулы непрерывно переходят в паровую фазу и обратно в жидкость (конденсация и парообразование). Таким образом, поверхность раздела представляет турбулизировенный слой, в котором в полной мере проявляются межмолекулярные взаимодействия.

Поэтому поверхностное натяжение зависит от температуры насыщенного пара или от его давления. Термодинамическое состояние определяется поверхностными свойствами частиц, содержанием влаги в газовой фазе, температурных градиентов. Расчет состояния ведется из условия термодинамического равновесия слоя.

В насыпном состоянии частицы связаны между собой контактными взаимодействиями (аутогезионными силами), которые определяют подвижность частиц. Во взвешенном состоянии эти силы меньше гидродинамических сил, разъединяющих частицы.

Аутогезионные силы смоченных частиц оказываются больше гидродинамических за счет большой поверхности взаимодействия.

В процессе агломерирования материалов [5] в наибольшей мере проявляется присутствие адсорбционно и капиллярно-связанной воды.

При соприкосновении паров воды с гидрофильной поверхностью частицы происходит ее гидратация, т. е. адсорбция молекул воды.

Наиболее прочно связанная вода имеет толщину ~510-6 мм.

Адсорбированная вода отличается по свойствам от обычной: ее плот ность в 1,52 раза выше обычной, вязкость также выше, теплоемкость и способность растворять твердые вещества ниже обычной.

Влажность, при которой все частички сыпучего материала по крыты слоем адсорбированной воды максимальной толщины, называют максимальной молекулярной влагоемкостью (ММВ).

Если поверхности соседних частичек разделены пленкой воды толщиной менее 10-5 мм, то такая вода находится в адсорбированном состоянии и взаимодействие называют молекулярным. Величина ММВ связана с удельной поверхностью и отражает энергетическое состояние агломерируемого материала.

Капиллярная вода по физическим свойствам относится к обычной свободной воде. Вода в капиллярном состоянии обладает отрицательным давлением, в результате которого и возникают стягивающие капиллярные силы.

В зависимости от количества влаги в сыпучем материале воз можны разновидности капиллярного состояния воды. Влажность, при которой все капилляры пористого (сыпучего) тела заполнены водой, называется максимальной капиллярной влагоемкостью (МКВ). МКВ связана с распределение частиц по размерам и является структурным параметром [5, 77]. Методы определения ММВ, МКВ приведены в [77, 5].

Таким образом, агломераты из мелких частиц, в зависимости от условий их образования, могут иметь различную прочность и размеры при транспортировке их несущей средой в пылеуловитель.

1.2.2. Адгезия частиц.

При адгезии важное значение приобретает скорость в процессе контакта частиц с поверхностью, при которой происходит их адгезия [76]. Основными факторами, влияющими на удержание частиц, являются размеры и скорость частиц, а также упругие свойства материалов контактирующих тел. Для оценки адгезии исследуют зависимости числа частиц, осевших на поверхности образцов, от их скорости при обтекании поверхности аэрозолем, содержащим частицы определенных размеров. Различают первую и вторую критические скорости минимального осаждения частиц. При скорости потока, меньшей первой критической, происходит упругая деформация зоны контакта, которая восстанавливается после отрыва частиц. Для мелких частиц силы веса, лобовые силы в пограничном слое ничтожно малы по сравнению с силами адгезии и условие отрыва можно записать в виде FупрFадг. Fупр=Kупрr26/5. Kупр- константа, зависящая от упругих свойств материала;

r, -радиус и скорость частиц соответственно. Сила адгезии определяется природой сил ее обуславливающую [76]. Каждая составляющая силы адгезии зависит от размеров частиц табл. 1.4.

Табл.1.4. Зависимость составляющих сил адгезии от размеров частиц Наименование Кулоновская электрическая молекулярная капиллярная сил r (1-rx-1) 1/r2 r2/3 r Зависимость от радиуса Различают медианную и среднюю силу адгезии частиц разного размера, причем различают силу адгезии слоя порошка Fc, приходящегося на см2, и силу адгезии собственно частицы. lgFc=Blg(1/d)+lgC, где В и С эмпирические постоянные в конкретных условиях. Например для адгезии окиси алюминия к кварцу, Fc = 2,6d0.7, где d выражена в см., сила –в динах (0.001 г.).

Первая критическая скорость возникает при условии, когда силы упругого отталкивания определяют максимальный отскок частиц.

Отношение Fадг/Fупр1/r3 зависит как от условий обтекания препятствий, так и от упругих свойств поверхности. Минимальное прилипание частиц к поверхности наблюдается в некотором интервале скоростей.

Вторая критическая скорость возникает, когда частицы преодолевают упругие свойства поверхности. В диапазоне между этими скоростями адгезия минимальна. Энергию адгезии рассчитывают по уравнению Eад=6адHr+rк2, где ад энергия адгезии на единицу площади контакта;

H- расстояние между контактирующими телами;

r радиус частицы пыли;

rк радиус площади контакта. Если прочность материала частиц значительно превышает прочность подложки и деформацией частицы при контакте можно пренебречь, площадь контакта будет пропорционально Hd, где H глубина внедрения. Это приводит к увеличению силы адгезии.

Другой причиной увеличения адгезии является движение частиц в неравномерно нагретой среде в направлении противоположном температурному градиенту из зоны с высокой температурой в зону с низкой температурой (термофорез). В большинстве случаев образования отложений силы аутогезии меньше сил адгезии. Поэтому определяющим фактором является взаимодействие между частицами в отложениях и в насыпном состоянии.

1.2.3. Подвижность сформированного слоя.

При оценке подвижности насыпного тела определяющее значение имеют величины сдвиговых напряжений. По закону Кулона предельное сопротивление сыпучего материала сдвигу пропорционально нормальному давлению на плоскость скольжения n.

Нормальное давление определяется внешней нагрузкой или массой частиц. Частицы, между которыми проходит плоскость скольжения при сдвиге, испытывают еще и взаимное притяжение под действием сил аутогезии. Эта сила численно равна прочности на разрыв Т. При нулевом значении нормального давления, в плоскости скольжения продолжает действовать сжимающее напряжение, численно равное прочности на разрыв Т. Это напряжение, в отсутствие нормального давления, создает сопротивление сдвигу, называемом сцеплением C.

Закон Кулона для связных материалов имеет вид =С+ntgт, где tgт= f - коэффициент внутреннего трения, т-угол внутреннего трения для сыпучего, С=Тtgт. Однако для тонкодисперсных материалов применимо другое выражение (/C)n= (n/T)+1, где n-индекс сдвига n=12. Последнее уравнение позволяет упростить процедуру сдвиговых испытаний.

Во многих руководствах, по расчету аккумулирующих и транспортирующих устройств для насыпных грузов безоговорочно принимается, что коэффициент внутреннего трения равен тангенсу угла естественного откоса. Это характерно для идеальной сыпучей среды.

Для связных насыпных грузов угол внутреннего трения меньше угла естественного откоса [5]. Угол естественного откоса определяется несколькими способами: способом насыпания, при котором откос образуется скользящими частицами;

способ обрушения, при котором откос (обрушения) образуется в толще груза при внезапном открытии нижнего отверстия и его высыпании с образованием угла естественного откоса в засыпке;

постепенным подъемом и удалением воронки с материалом от плоскости соприкосновения. В последнем варианте образуется конус из высыпающегося материала [5], причем скорость поступления материала в засыпку регулируют скоростью подъема воронки. Для связных материалов вводят понятия коэффициента сопротивления сдвигу, угла сопротивления сдвигу f = (/)= tg = f +(С/n). (1.13) При возрастании n, f f.

Любой полидисперсный материал можно рассматривать как монодисперсный, включающий более крупные частицы. За исходную монодисперсную структуру принимается достаточно узкая фракция самых мелких частиц. Крупные частицы рассматриваются как включения в исходную структуру. Число контактов в сечении разрыва и прочность реального сыпучего тела можно найти, рассчитав число контактов и прочность для исходной монодисперсной структуры [77].

Задача определения прочности полидисперсной структуры сводится к выбору исходной местной структуры с размером частиц dн, плотности упаковки н и прочности индивидуальных контактов F1. Если содержание мелких частиц а, а общая степень заполнения объема полидисперсного материала, то объем мелких частиц а, крупных частиц (1-а), объем структуры, в котором размещены только мелкие частицы 1- (1-а), а степень заполнения исходной структуры н= а /[1 (1-а)].

Прочность сыпучего материала определяется по формуле d 1 Sч f H 0 1, (1.14) T abK 3 2 Vч ч здесь а- коэффициент с линейной размерностью, отражающий распределение частиц в объеме, b-коэффициент пропорциональности между площадью контакта частицы и ее общей поверхностью, К координационное число, определяющее число контактов, приходящееся на каждую частицу, d, S ч,Vч -средние эффективные диаметр, площадь поверхности, объем частицы, определенные с учетом распределения частиц по размерам, H0, 0- предельное расстояние между частицами и плотность сыпучего материала, при которой прочность стремится к нулю.

Прочность монодисперсного сыпучего зависит от прочности индивидуальных контактов частиц F, координационного числа К, пористости П, а также размера исходных чаcтиц d [77]. Для большинства монодисперсных материалов КП=3,1 и F Т 1 П /П. (1.15) d Таким образом можно провести оценку возможного предельного состояния пылевого слоя.

Зависимость прочности контактов от силы поджима N1 можно p представить в виде F1=B N 1,где В и р опытные коэффициенты [77].

Увеличение аутогезионного взаимодействия в отдельных контактах затрудняет переупаковку частиц при уплотнении слоя и тем самым сдерживает число контактов. В результате прочность всей структуры может не только не увеличиться, но и даже уменьшиться.

Реально прочность слоя в отложении определяется аутогезионными свойствами и условиями его формирования. Существующие приборы для измерения прочности уплотненных образцов применимы только в лабораторных условиях. Для оценки слипаемости пыли проводят уплотнение пыли под нагрузкой 50 КПа. При меньших нагрузках на прочность слоя влияет степень агрегированности, а более высокие не характерны для пылеулавливания [5]. Однако в центробежных аппаратах, при больших скоростях падения агломератов частиц на стенки, нагрузки могут достигать и больших значений.

В условиях длительного хранения на воздухе порошкообразные и особенно гигроскопические материалы проявляют склонность к слеживаемости, вызывающей изменение сыпучести и прочности таких материалов. В [189] проведено исследование структурно механических свойств порошка нитрата аммония при относительной влажности воздуха 3090%. При переходе от 30% к 40% прочность образцов увеличилась в несколько раз. При переходе от 30% к 50% прочность увеличилась на порядок при хранении порошка в течении часов. Поэтому в пылеулавливающих системах при скоплении пыли в бункерах накопителях часто возникают затруднения с выгрузкой пыли в транспортные средства.

Глава 2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИНЕРЦИОННОГО ОБЕСПЫЛИВАНИЯ ГАЗОВ Выделение частиц из запыленного газа при его криволинейном движении широко распространено в практике газоочистки. Имеется большое количество публикаций по вопросу сепарации частиц из газовзеси, известно большое количество устройств с приемлемыми технико-экономическими показателями [179, 181]. Процесс пылеотделения состоит из нескольких этапов: закрутка потока, концентрирование и вывод частиц из сепарационной зоны, формирование слоя в приемнике, удаление уловленной пыли из приемника. Нарушение любого из этапов приводит к неудовлетворительной работе пылеуловителя. Большое распространение получили аппараты с дополнительными (выносными) устройствами для осаждения образующегося в них пылевого концентрата. Они компактны, позволяют размещать выносное устройство в удобном для выгрузки уловленной пыли месте. В качестве выносного устройства чаще всего применяют противоточные циклоны с собственными примниками пыли.

Центробежные пылеуловители условно можно разделить на аппараты с повышенной транспортирующей способностью потока концентрата пыли, в которых транспортирующая скорость вблизи стенки равна окружной скорости потока (спирально-вихревые аппараты), аппараты, в которых скорость транспортирования концентрата частиц к пылевыводному каналу соизмерима с окружной скоростью потока (ротоклоны, прямоточные циклонные пылеотделители), и аппараты, в которых скорость транспортирования концентрата частиц к пылевыодному каналу намного ниже тангенциальной скорости (высокоэффективные противоточные циклоны).

В условиях производства пылеуловители работают в иных, нежели в испытательных лабораториях условиях. В практике аппараты работают в условиях абразивного износа, залипания пыли, зависания пыли, сводообразования в выгрузных устройствах, изменений условий сепарации при нестационарности концентраций пыли в потоках.

Существует большое разнообразие центробежных пылеуловителей.

Выбор осуществляется на основе экспериментальных, эксплутационных данных применения аппаратов.

2.1 Аппараты с криволинейным потоком и с преимущественно радиальным переносом закрученного потока к выводному каналу.

2.1.1. Типы аппаратов Пылеуловитель Skimmer представляет собой камеру, в которой запыленный поток совершает поворот на 180 градусов, пыль концентрируется у обтекаемой поверхности и с частью потока поступает в приемник;

газ из приемника выходит в газопровод чистого газа (рис. 2.1.А).

Внутри камеры расположен радиальный спрямляющий аппарат, через который поток выходит в газопровод чистого газа. Гидравлическое сопротивление не превышает 500 Па. Аппарат разгружает поток от крупных частиц (пыль с медианным размером частицы 98 мкм улавливаются с эффективностью 0,85) [106, 179, 181]. Сепарационные характеристики порошка СМС (синтетические моющие средства) приведнеы на рис 2.1.Б.

Аппарат Карпуховича улиточный пылеуловитель с периферийным выводом концентрата пыли в выносной циклонный осадитель частиц (рис. 2.2) Рис. 2.2 Улиточный пылеуловитель Карпуховича.

В аппарате Карпуховича поток совершает поворот на градусов, пыль выводится в выносной циклон. Поток выводится также через радиальный спрямляющий аппарат. Сопротивление не превышает 600 Па. Пыль с медианным размером частицы 28 мкм улавливаются с эффективностью 0,85. Иногда используется в качестве самостоятельного пылеуловителя. Известны аппараты [97] с раскручиванием потока в выводной улитке дымососа пылеуловителя, в котором запыленный газ движется в полуоткрытом канале, где реализуются вихри первого рода [210], препятствующие повышению эффективности сепарации частиц [96]. Дальнейшим совершенствованием пылеуловителей подобного типа явилась разработка дымососов пылеуловителей с разгрузкой потока от частиц перед рабочим колесом [179].

Разгрузитель- пылеуловитель НИИ ПММ, в котором через периферийный приемник пыль проходит многократно, поскольку имеющийся вихревой замок способствует возвращению частиц пыли в приемник [15, 38, 162]. В аппарате НИИ ПММ радиальный спрямляющий аппарат отсутствует. В области выхлопного патрубка окружные скорости, центростремительные ускорения максимальны, в приосевой зоне возникает обратное течение, которое распространяется до противоположного торца камеры. Таким образом, в области выходного патрубка сформирован вихревой "замок", запирающий частицы выше определенного значения в зоне сепарации, аналогично механическому ротору. Сопротивление аппарата выше 1000 Па. Пыль с медианным размером частицы 20 мкм улавливаются с эффективностью 0,83.

Рис 2.3.Разгрузитель пылеуловитель с приемным циклоном [16].

На рис. 2.3. представлен вариант со второй ступенью обеспыливания, в которой энергия закрученного потока на выходе из улиточного аппарата реализуется для сепарации частиц в прямоточной ступени. Аппарат может быть использован для обеспыливания воздуха в пневмотранспортной установке.

2.1.2 Характеристика течений В [175] приведены аэродинамические характеристики вихревых камер с малым выходным отверстием Rв/Rн 0,34. Показано, что в зависимости от относительной длины и параметра Россби основная масса газа перемещается к выходному отверстию либо в ядре потока, либо в погранслоях торцевых поверхностей. Ro=Q/ГнRн=fвхWвх/WнRн2= FвхWвх/WвхRн2cos = Fвх/Rн2cos, где fвх=Fвх, -угол наклона каналов ввода потока к тангенциальному направлению. При малых относительных выходных отверстиях влияние на аэродинамику камеры в области ядра потока приосевых обратных токов незначительно и течение в ядре близко к потенциальному. На рис. 2.4 показаны линии тока в вихревой камере с боковым вдувом [175]. Видно, что в приосевой области возникают возвратные токи.

Рис. 2.4. Схема течения в камере с боковым вдувом Rв/Rн=0,1875 [175] В [21] представлены распределения скоростей потока в улиточной камере и цилиндрическом канале после завихрителя. Относительная длина камеры равна 1,7, относительная длина канала-1. Отмечается постоянство полного давления на значительном расстоянии от стенки, монотонное падение статического давления по направлению к оси цилиндрического канала. Тангенциальная скорость постепенно возрастает по направлению от стенки к оси канала, достигает максимума на расстоянии (0,40,5)R от оси и падает до нуля на оси.

Если в улитке у входа в цилиндрический канал радиус зоны разрежения в центральной части составляет 0,5 R, то на выходе из цилиндрического канала (в устье) он возрастает до 0,8 R (рис.2.5). В устье канала максимумы тангенциальных и аксиальных скоростей смещены к периферии и находятся на расстоянии (0,850,9)R от оси. При этом формируется зона обратных токов в зависимости от конструктивного параметра (n=Rн[Rн+(a/2)]/4Fвх, а – высота входного канала, Fвх – поперечная площадь Рис. 2.5. Распределение аксиальной скорости (вверху) и окружной скорости и напоров в камере с улиточным вводом (внизу) [21] вводного канала) с размерами от 0,2 до 0,6 радиуса канала, а угол раскрытия факела при истечении газа в безграничное пространство находится в пределах 55101. Таким образом, внутри канала происходит качественная перестройка потока, которая сопровождается дополнительным изменением энергии потока.

На рис. 2.6. показаны профили скоростей в камере с боковым вдувом и малой степенью закрутки потока [175, 104]. В центре имеется радиальный противоток, однако максимум окружной скорости находится в области радиального стока, а максимум радиального стока находится дальше от центра, чем максимум окружной скорости.

Рис. 2.6. Значения безразмерных окружных /вх и радиальных скоростей u/вх воздуха в вихревой камере при равномерно распределенном вводе и малой степени закрутки потока [175, 104] Из рис 2.2 и 2.6. следует, что формирование аксиальных токов начинается в области максимальных окружных скоростей, т.е. в области резкого уменьшения радиальной скорости.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.