Разработка универсального метода расчета и энергетического принципа сравнения инерционных пылеуловителей

В настоящее время проблема загрязнения окружающей среды различными производствами чрезвычайно актуальна [7−9,1216,24,28,44,45,48,49,59,61,64,70,89]. Для очистки промышленных выбросов в атмосферу на предприятиях используется различное газоочистное оборудование. Существует много типов газоочистных аппаратов и все они имеют свои индивидуальные характеристики. Самыми важными характеристиками, по которым происходит выбор газоочистного оборудования, являются эффективность пылеулавливания и гидравлическое сопротивление, определяющие энергозатраты на очистку газа от вредных примесей. Как правило, аппарат с большей эффективностью имеет и большие энергозатраты, однако в условиях ограниченности на планете ресурсов (материальных и энергетических) их сбережение приобретает особую остроту. По стране, например, 20% всей расходуемой электроэнергии приходится на вентиляционные системы, то есть каждый пятый электродвигатель установлен в системе вентиляции или кондиционирования воздуха. Снижение энергозатрат на вентиляцию может обеспечить значительную экономию энергетических и материальных ресурсов при реализации общей программы энергосбережения. При этом возникает целый ряд вопросов: как выбрать наиболее выгодный пылеуловитель, как сравнивать между собой пылеуловители разных типов, каковы характеристики каскадов из газоочистных аппаратов. Решение этих вопросов представлено в настоящей диссертационной работе.

При сопоставлении различных типов пылеуловителей обычно рассматривают комплекс некоторых осредненных эксплуатационных характеристик во взаимосвязи между собой [65]. Для получения же более точных результатов необходимо проводить сопоставление с учетом всех фракций подлежащей осаждению пыли. Такое сравнение может быть осуществлено только с использованием фракционного коэффициента проскока, являющегося индивидуальной характеристикой каждого отдельного аппарата. В этой связи зависимости для коэффициентов проскока аппаратов различного типа целесообразно привести к одному обобщенному виду. Только таким образом можно получить наглядный и достоверный результат.

Заключительнымэтапом таких исследований должно быть создание удобного в использовании алгоритма сравнения пылеулавливающих аппаратов, полезного для инженерной практики. В настоящий момент при проектировании различных производственных технологических установок все большее внимание уделяется экологическим вопросам. Эта тенденция выводит на, первый план задачиочистки промышленных выбросов, и, как следствие этого, необходимость разработки соответствующей аппаратуры.

При решении конкретных задач очистки воздуха перед инженером постоянно встает, проблема выбора определенного аппарата с целью обеспечениявысокого качества очистки при минимальных энергозатратах. Решить эту проблему нелегко вследствие большого числа имеющихся аппаратов и значительного различия в диапазонах их характеристик. Поэтому решать ее. инженеру приходится «методом проб», проигрывая либо в качестве, либо в стоимости. В этой связи целесообразнее вне зависимости от коньюктуры рынка и ценообразования выделить такие основные характеристики аппаратов, которые позволили бы сравнивать их между собой на объективной основе. От коньюктуры рынка зависит стоимость энергии, оплаты труда, эксплуатационные затраты, капитальные затраты и т. д. Вто же время независимыми являются энергозатраты на единицу объема очищаемых газов в аппаратах (кВт), а также эффективность, которая до недавнего времени функционально не была связана с энергозатратами.

Названная проблема ставит перед учеными-исследователями в области охраны воздушного? бассейна чрезвычайно важную задачу о создании единой теории сравнения пылегазоочистного оборудования. Эта теория — должна, во-первых, обобщить весь имеющийся экспериментальный и теоретический материал, во-вторых, позволить найти способ описания характеристик имеющихся: аппаратов с единойпозиции, и, в-третьих, сформулировать принципы, позволяющие из всего многообразия пылеулавливающей техники выбрать именно ту конструкцию, котораяпозволит наиболее оптимально решить задачу газоочистки в конкретных случаях. До сих пор в научной техническойлитературе отсутствовали примеры подобного подхода. Такая теория впервые была предложена накафедре ОиВ ТГАСУ профессором М. И. Шиляевым и разрабатывается при, участии его учеников и последователей, в том числе, и автора настоящей диссертационной работы.

На основе этой теории сформулирован энергетический принцип сопоставления инерционных пылеуловителейсущность которого заключается в математическом выражении связи между удельными энергозатратами на очистку газов в аппаратах, либо в их комплексах, при равных эффективностях пылеулавливания. Математическая формулировка принципа позволяет находить оптимальные условия эксплуатации и компоновки аппаратов, при минимальных энергозатратах, обеспечивая наиболее высокую степень очистки газов.

В научно-технической, справочной и ¦ учебной литературе по проблемам газоочистки до сих пор не сложилось единого подхода к расчету пылеулавливающих аппаратов. Казалось бы очистка газов от механических примесей в инерционных пылеуловителях, определяющаяся действием на частицу пыли в потоке сил инерции, должна' была бы, иметь общую закономерность, зависящую от инерционного критерия, которая позволила бы построить единый метод их расчета. Тенденции к этому обобщению в литературе уже давно имеют место в виде представления фракционного коэффициента проскока экспоненциальной? зависимостью от числа Стокса, как известно, являющегося критерием инерционности движущихся в вязком потоке частиц. Такое соотношение экспериментально получено для скруббера Вентури, для пенного аппарата, насадочных колонн, в такое же соотношение можно преобразовать формулу Дейча для электрофильтров. В большинстве случаев фракционные коэффициенты проскока в литературе представляются в виде экспериментальных зависимостей либо табличных данных от размеров частиц, длякоторых чаще всего даже не приводятся другие необходимые физические параметры, такие как плотность частиц, температура очищаемых газов, по которой можно было бы вычислить их динамическую вязкость и плотность, характерные размеры аппаратов, скорости газов в них.

Это обстоятельство определило и многообразие рекомендаций к расчету различных пылеуловителей и в большинстве случаев неполных, за исключением циклонов НИИОГАЗ, скрубберов Вентури и насадочных колонн.

Расчет циклонов НИИОГАЗ основан на использовании эмпирических вероятностных функций, описывающих фракционные эффективности пылеулавливания для каждого аппарата, и представляется двумя методами * -аналитическим и графоаналитическим. Оба эти метода рассмотрены в работе. Их можно считать полными, достаточно строгими, надежными и с логической точки зрения безупречными.

Расчет скрубберов Вентури рекомендуется проводить на основе хорошоизвестного в отечественной и зарубежной литературе энергетического метода. Он также полный с точки зрения возможности определения всех необходимых параметров, аппарата, однако ограничен необходимостью задания в расчете эмпирических постоянных В и % [4,5,14,44], характеризующих свойства улавливаемой пыли, приведенных в специальной таблице только для 23-х случаев, за границами которых этот метод применять не представляется возможным.

Совершенных теоретических моделей процессов пылеулавливанияв инерционных газоочистителях до работ проф. М. И. Шиляева с сотрудниками в литературе не было. Теория ротационных пылеуловителей построена в книге М-И. Шиляева [22]. Эта теория занимает особое место. Однако она стимулировала. ряд последующих работ, определивших обсуждаемое выше обобщение. В них впервые теоретическибыла получена экспоненциальная зависимость для фракционного коэффициента проскока пенных и центробежно-барботажных аппаратов от инерционного числа Стокса и дана ясная физическая интерпретация характерных скоростей и линейных размеров инерционного улавливания частиц пыли в аппаратах. Позднее вероятностные функции для фракционных эффективностей пылеулавливания циклонов НИИОГАЗ [10] были перестроены автором настоящей работы [3 0] в такие же экспоненциальные зависимости, построена теория процесса пылеулавливания в прямоточном циклоне и для его фракционного коэффициента проскока получена такого же типа обобщенная формула. Таким образом был создан банк данных для параметров фракционного коэффициента проскока ряда различных пылеуловителей.

Анализируя полученный банк данных, из общих представлений о расчете полной эффективности улавливания пыли известного фракционного состава прорисовывается возможность построения метода расчета для любых инерционных пылеуловителей, для которых в банке данных для фракционного коэффициента проскока все параметры определены, что осуществлено в настоящей диссертационной работе. Первый опыт построения номограмм для ПА и ЦБА на такой основе был выполнен в работах М. И. Шиляева, Д. Н. Шашко и др. [46,47].

Целью настоящей диссертационной работы являлось:

1) разработка энергетического принципа сравнения пылеулавливающих аппаратов и систем из них для: логарифмически нормального распределения частиц пыли;

2) создание банка данных для параметров, определяющих фракционный коэффициент проскока в виде обобщенной функциональной зависимости от инерционного числа Стокса, и коэффициентов сопротивления различных инерционных пылеуловителей;

3) исследование прямоточных циклонов и каскадов из них и получение их характеристик;

4)проверка энергетического принципа сравнения инерционных пылеуловителей в частном и обобщенном виде на отдельных аппаратах и каскадах;

5) проведение сравнения различных пылеулавливающих аппаратов и систем на основе энергетического принципа;

6) разработка универсального метода расчета инерционных пылеуловителей и его программного обеспечения.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.т.н., профессору М. И. Шиляеву за постоянное внимание и неоценимую помощь при постановках задач, их решении и обсуждении результатов, а также особую благодарность к.ф.-м.н., доц. А. М. Шиляеву и другим соавторам, с которыми выполнены отдельные части диссертации.

Основные положения диссертации опубликованы в работах [1,29,30,7982,84,97,100,101].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Сформулирован энергетический принцип сравнения инерционных пылеуловителей и получено его математическое выражение для пыли с логарифмически нормальным распределением частиц по размерам.

2. Для использования энергетического принципа в практических целях сформирован банк данных по параметрам, входящим в обобщенную экспоненциальную зависимость для фракционных коэффициентов проскока, и по коэффициентам гидравлических сопротивлений ряда известных инерционных пылеуловителей.

3. Проведена проверка работоспособности энергетического принципа на известном экспериментальном материале и данных, полученных лично автором. При этом же сравнении установлено важное следствие, вытекающее из энергетического принципа, заключающееся в том, что использование каскадных систем последовательно установленных аппаратов экономичнее одиночных для достижения той же эффективности газоочистки.

4. На основе энергетического принципа проведено сравнение удельных энергозатрат на очистку газов в циклонах НИИОГАЗ между собой и в их каскадных системах, в пенных и центробежно-барботажных аппаратах, в пенных многополочных аппаратах и скрубберах Вентури, в скруббере Вентури и электрофильтрах. Показано: вопреки сложившемуся мнению о преимуществах электрофильтров: по расходам энергии перед другими аппаратами, удельные энергозатраты в электрофильтрах того же порядка, что и в скрубберах Вентури, однако при этом габариты и металлоемкость электрофильтров существенно превосходят аналогичные параметры скрубберов.

Вентурициклоны, многополочные пенные аппараты практически неконкурентноспособны по сравнению со скрубберами Вентурипенные и центробежно-барботажные аппараты по отношению друг к другу при различных режимах работы ведут себя по-разному — для них построен метод оптимального выбора и расчетаустановка в каскаде более 3−4 аппаратов (полок) нецелесообразна.

5. С использованием банка данных для инерционных пылеуловителей построен универсальный метод расчета отдельных аппаратов и каскадов из них с номограмным и программным обеспечением. Проведено сопоставление универсальной номограммы с известными номограммами для циклонов НИИОГАЗ и получено их удовлетворительное согласование.

6. В результате выполненной работы в целом создана универсальная система расчета, оптимального выбора и компоновки инерционных пылеулавливающих аппаратов, включающая в себя банк данных по фракционным коэффициентам проскока и коэффициентам гидравлического сопротивления, математическое выражение энергетического принципа сравнения пылеуловителей и универсальную номограмму с ее программным обеспечением.