Актуальность темы
Сжатый воздух является производственным источником энергии и основным двигателем многих промышленных процессов, в больших объемах используется для питания пневматических и пневмогидравлических систем. Также сжатый воздух широко применяется в лабораторных исследованиях и медицинских технологиях, при производстве электронной техники, в печатных технологиях, мобильных системах, точных инструментах и приборах [ 1 ].
Необходимо отметить, что атмосферный воздух неизбежно содержит водяные пары и взвешенные частицы. Во время сжатия воздуха компрессор концентрирует эти частицы, кроме этого, могут добавиться еще и частицы масла. Остающиеся на выходе компрессора влага и частицы загрязнения в большинстве случаев приводят к снижению эффективности работы и даже выходу из строя оборудования, поэтому для эффективного применения воздуха в производственных процессах он должен быть сухим и чистым [2].
Многие промышленные предприятия еще не оснащены в достаточной степени необходимыми установками газоочистки, обеспечивающими требуемую степень очистки, а имеющееся оборудование устарело и требует замены [ 3 ].
Удовлетворительная работа любой системы газоочистки зависит от правильного выбора принципа работы оборудования, качества его изготовления, монтажа и правильной эксплуатации.
Анализ причин неудовлетворительной работы целого ряда газоочистных сооружений позволяет сделать вывод, что они в основном объясняются следующими моментами: несовершенством конструкции пыле-и золоулавливающего оборудованиявысокими гидравлическими сопротивлениями, определяющими повышенные энергозатраты в тягодутьевом тракте, невозможностью автоматической перестройки газоочистительных устройств, работающих по отличным от существующих принципам [ 4 ].
В настоящее время практически нет надёжных, простых и сравнительно дешёвых эффективных способов и устройств очистки воздуха и газовых выбросов, имеющих высокие температуры и большие объёмы. Как показывают проведенные исследования [ 5 ], наиболее перспективным в этом отношении является использование конденсационных методов очистки и разработка на их основе разнотемпературных конденсационных фильтров. Работы в этом направлении проводятся в течение ряда последних лет [3, 6,7].
Необходимо отметить, что, несмотря на достаточно большой объем теоретических исследований и полученный экспериментальный массив данных, до настоящего времени не удалось синтезировать математическую модель процессов тепломассопереноса с распределенными параметрами в очищаемом потоке газа, учитывающую специфику физико-химических явлений при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в проточных камерах конденсатора, что не позволяет в полной мере использовать преимущества разнотемпературных конденсационных фильтров [ 7 ].
В предлагаемой работе основное внимание уделено исследованию физико-химических явлений при образовании, росте и осаждении капель при очистке воздуха или промышленных газообразных выбросов с использованием конденсационных методов.
Работа выполнена в соответствии с научным направлением Воронежского государственного технического университета «Физико-технические проблемы энергетики» в рамках ГБ 2007.12 (Гос. регистр. 01.2.00.409 970).
Целью работы является моделирование тепломассообменного процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц, разработка методики расчета и аппаратурного оформления разнотемпературного конденсационного фильтра.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Синтез математической модели тепломассообменных процессов очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц и идентификация температурных полей в зоне конденсации.
2. Создание пилотной установки и проведение экспериментов для исследования процесса очистки и проверки адекватности разработанной математической модели.
3. Построение методики инженерного расчета рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра и разработка технических рекомендаций по способу и аппаратурному оформлению процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных примесей.
Для решения поставленных задач автором использовался комплексный метод их решения, включающий анализ научно-технического состояния вопроса по отечественным и зарубежным публикациям, изучение опыта смежных предприятий и институтов, анализ результатов научно-исследовательских работ и автономных испытаний модельных камер, их сопоставление с расчетными данными и результатами испытаний в составе установок для очистки воздуха, обобщение полученных данных, что позволило, в конечном итоге, осуществить разработку научно обоснованных методов и средств, позволяющих повысить эффективность очистки воздуха и газообразных промышленных выбросов.
Методы исследований. Полученные в работе результаты базируются на принципах и законах физико-химической гидродинамики, теории теплои массообмена для газообразных веществ, методах математического моделирования с использованием средств вычислительной техники. В экспериментальных исследованиях применялись современные методики обработки результатов испытаний, системы регистрации и обработки параметров.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректным применением в теоретических исследованиях законов физико-химической гидродинамики, теории тепло — и массообмена, теории абсорбции и десорбции газов, апробированных методик инженерных расчетов основных процессов и аппаратов химической технологии, а также экспериментальными данными, полученными на аттестованных лабораторных установках, стендах и объектах эксплуатации.
Основные выводы и положения диссертации учитывают физические особенности исследуемых процессов. Разработанные методики подтверждаются удовлетворительным согласованием расчетных данных и экспериментальных результатов.
Научная новизна:
— сопряженная математическая модель тепломассообмена с распределенными параметрами, отличающаяся учитыванием специфики физико-химических явлений переноса при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в разнотемпературном канале конденсатора, позволяющая определять величины потоков конденсата на стенки конденсатора и на выходе из него;
— оригинальная запатентованная конструкция пилотной конденсационной установки для очистки газовых потоков в разнотемпературном канале, отличающаяся организацией массового потока аэрозоля в поперечном направлении и продлением ресурса доочистки;
— способ очистки газовых потоков в разнотемпературном канале, отличающийся созданием пересыщения гетерогенной смеси, последующим образованием, ростом и осаждением жидкостных аэрозольных частиц в конденсационной камере;
— методика инженерного расчета разнотемпературного конденсационного фильтра, позволяющая повысить эффективность очистки воздуха и других газообразных промышленных выбросов путем выбора рациональных режимов функционирования.
Практическая значимость работы.
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для новых технических и технологических решений в области очистки промышленных газов от аэрозольных включений.
Разработана и испытана конденсационная установка, позволяющая более эффективно производить очистку газовых потоков, новизна конструкции и принцип работы которой защищены патентом на изобретение.
Полученные аналитические соотношения использованы при разработке инженерной методики расчета разнотемпературного конденсационного фильтра.
Результаты диссертационной работы используются в производственном процессе Воронежской ТЭЦ-1 и|ДОАО «Газпроектинжиниринг» г. Воронежа.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Седьмой Международной научнотехнической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии АКТ — 2006» (Воронеж, 2006) — Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий (Инноватика)» (Москва-Сочи, 2006) — Третьей Российской школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Энергосбережение — теория и практика» (Москва, 2006) — научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2005;2007).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, в том числе 3 — в издании, рекомендованном ВАК РФ, получены 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов работы, списка литературы из 109 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 179 страницах, содержит 44 рисунка и 9 таблиц.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.
1. Синтезирована сопряженная математическая модель тепломассообменных процессов при очистке газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц между поверхностями неодинаковой температуры, позволяющая определить количественно потоки конденсата, как на стенки конденсатора, так и на выходе из него.
2. Идентифицированы стационарные температурные поля в рабочей камере, позволяющие определить границы зоны зародышеобразования, роста I и осаждения капель жидкости в ядре потока очищаемого газа, составляющей до 80% от ширины разнотемпературного канала.
3. Создана пилотная конденсационная установка для исследования процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц в разнотемпературном канале, функционирующая в диапазоне чисел Рейнольдса Re = (50 ч- 200).
4. В результате экспериментального исследования тепломассообменного процесса очистки получена сходимость теоретических и экспериментальных данных до 10%, что подтверждает адекватность разработанной математической модели.
5. Показано, что наиболее эффективно ведение процесса очистки в конденсационном фильтре осуществляется в режиме, когда участок гидродинамической и тепловой стабилизации меньше длины разнотемпературного канала.
6. Предложен и запатентован способ очистки газовых потоков в разнотемпературном канале конденсационной камеры, основанный на создании пересыщения гетерогенной смеси и осаждении капель аэрозоля, позволяющий повысить эффективность очистки.
7. Разработана методика инженерного расчета определения рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра.
