Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Чалов Владимир Александрович
ПРОТИВОТОЧНЫЙ ЦИКЛОН С НАПРАВЛЯЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ВЫХОДНОГО ПАТРУБКА
05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Белгород 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Кущев Леонид Анатольевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Шарапов Рашид Ризаевич кандидат технических наук Хлудеев Виктор Иванович
Ведущая организация: ФГБОУВПО Воронежский государственный архитектурностроительный университет
Защита диссертации состоится л26 декабря 2012 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова.
Автореферат диссертации разослан л24 ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Уваров В. А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Производства строительных материалов представляют собой сложные технологические процессы, связанные с переработкой сырья в разные состояния и с различными физико-механическими свойствами, а также с использованием разнообразной степени сложности технологического оборудования.
Во многих случаях эти процессы сопровождаются выделением больших количеств полидисперсной пыли, вредных газов и других загрязнений.
Производство цемента и других строительных материалов сопровождается на отдельных участках особо обильным пылевыделением, превышающим ПДК в 5-раз. Предприятиями отрасли ежегодно выбрасывается в атмосферный воздух более 4 млн т вредных веществ, в том числе около 2,4 млн т, или 58% твердой неорганической пыли. Сверхнормативный ее выброс составляет 1,41 млн. т, а превышение норматива по газообразным вредным веществам - 722 тыс. т. Пыль производственной техносферы - причина разнообразных заболеваний персонала, износа технологического оборудования и вспомогательных механизмов, снижения качества продукции и рентабельности производства, загрязнения окружающей среды и снижения качества жизни населения.
Перспективы роста потребления продукции предприятий ПСМ, обозначенные в Стратегии развития ПСМ до 2020 года, утвержденной Министерством регионального развития РФ, предполагают существенное увеличение количества вводимых новых мощностей, соответственно и производимой продукции. Так рост потребления цемента прогнозируется более чем в 2 раза от уровня 2010 г. Согласно намеченной стратегии, потребление цемента в РФ должно составить 97,8 млн. т., что означает необходимость ввода дополнительных производственных мощностей на 36,1 млн т. Однако при этом указывается, что одним из условий развития ПСМ является повышение технологического и технического уровня производства. В частности одним из пунктов отмечается доведение уровня энергозатрат до европейского: топливо - до 120 кг у.т/т клинкера; электроэнергии - до 103 кВтч/т цемента. Это предполагает модернизацию существующих, а также ввод новых мощностей для создания конкурентоспособных экологически безопасных производств.
Мировой уровень пылевых выбросов цементной промышленности можно принять равным в среднем 0,1% массы выпуска цемента.
Динамика снижения пылеуноса значительна - следуя за ужесточением экологических норм, предприятия ПСМ вводят в эксплуатацию более совершенное пылеочистное оборудование. На многих предприятиях безвозвратный пылеунос из печей и мельниц составляет соответственно около 1 и 0,5% продукции. Технически осуществимы и за рубежом достигнуты прозрачные выбросы, соответствующие пылеуносу примерно 0,1%, а в природоохранных зонах - ещё на порядок ниже.
Проблемы создания безотходной технологии и внедрения новейших пылеулавливающих комплексов на действующих предприятиях производства строительных материалов пока не решены. Поэтому особое значение приобретают разработка и анализ научных основ энергосберегающего сухого пылеулавливания.
Цель работы. Разработка противоточного циклона с направляющим устройством выходного патрубка, обеспечивающего повышение эффективности его работы, и методики расчета его основных конструктивно-технологических параметров.
Задачи исследований.
1. Разработать конструкцию циклона с направляющим устройством выходного патрубка, защищенную патентом РФ, обеспечивающую повышение его энерготехнологической эффективности.
2. Разработать математическое описание процесса центробежного осаждения частиц пыли в противоточном циклоне с дополнительной закруткой пылегазового потока.
3. Установить теоретические зависимости для определения степени очистки и коэффициента гидравлического сопротивления противоточного циклона с дополнительной закруткой пылегазового потока.
4. Исследовать влияние основных факторов на эффективность пылеулавливания и гидравлическое сопротивление циклона с дополнительной закруткой пылегазового потока. Подтвердить адекватность математического описания процесса пылеочистки в циклоне с направляющим устройством выходного патрубка и эффективность его применения.
5. Разработать инженерную методику расчета конструктивно-технологических параметров противоточного циклона с направляющим устройством выходного патрубка.
6. Разработать рекомендации и осуществить промышленное применение результатов работы.
Научная новизна.
1. Установлено, что дополнительная закрутка пылегазового потока на входе в выходной патрубок приводит к интенсификации вращения газа во всех частях аппарата и изменению характера его осевого движения.
2. Разработано математическое описание центробежного осаждения частиц в противоточном циклоне. Получена новая зависимость для размера частиц, улавливаемых с эффективностью 50%, и уточнены соотношения для фракционной и общей эффективности циклона, учитывающие его основные конструктивно-технологические параметры.
3. Получено выражение для определения коэффициента гидравлического сопротивления циклона, с помощью которого показана его более высокая по сравнению с некоторыми циклонами НИИОГаз энерготехнологическая эффективность.
4. Получены математические выражения в виде уравнений регрессии для расчета эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления в циклоне с дополнительной закруткой пылегазового потока.
Практическая ценность работы.
Разработана конструкция противоточного циклона с направляющим устройством выходного патрубка, обеспечивающая повышение эффективности пылеулавливания до 10%. Разработана инженерная методика расчета основных конструктивно-технологических параметров противоточного циклона с направляющим устройством выходного патрубка и рекомендации для его промышленного применения.
Автор защищает.
1. Математическое описание процесса пылеулавливания в противоточном циклоне с дополнительной закруткой пылегазового потока.
2. Уравнения для определения эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления противоточного циклона, с учетом влияния дополнительной закрутки пылегазового потока.
3. Математические выражения в виде уравнений регрессии для определения рациональных конструктивно-технологических параметров направляющего устройства.
4. Конструкцию направляющего устройства, защищенную патентом РФ, обеспечивающую повышение эффективности работы циклона.
5. Результаты экспериментальных исследований по определению эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления в противоточном циклоне с дополнительной закруткой пылегазового потока.
6. Инженерную методику расчета противоточного циклона с направляющим устройством выходного патрубка.
Реализация работы.
Конструкция направляющего устройства выходного патрубка успешно внедрена и испытана в сырьевом цехе ЗАО Невьянский цементник на группе циклонов ЦН-15-2350 системы очистки отходящих аспирационных потоков сырьевой мельницы 4,2 10 м с воздушно-проходным сепаратором 5,5 м. Проведенные сравнительные испытания показали рост эффективности пылеулавливания на 9,5%.
Апробация работы.
Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение: на VI Международной научно-практической конференции Перспективы развития строительного комплекса (Астрахань, 2012); Х Всероссийской научно-технической конференции с международным участием Механики ХХI веку, г. Братск, 2011 г; Международной научно-практической конференции Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (XIХ научные чтения) (Белгород, 2010); Международной научно-практической конференции РАН Актуальные проблемы развития экотехники и пути их решения в промышленности (Чебоксары, 2010); Всероссийской молодёжной Выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций под эгидой федерального агентства по науке и инновациям (Саратов, 2009); Международной научно-практической конференции Научные исследования, автоматика и динамика машин, инновационные и средозащитные технологии в техносфере (Курск 2007).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в печатных изданиях, в том числе 2 работы опубликованы в ведущих рецензированных журналах рекомендованных ВАК РФ. Получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные результаты работы и выводы. Работа включает 151 страницу основного машинописного текста, 34 рисунка, 9 таблиц, список литературы из 149 наименований и приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, обозначены научная новизна, практическая ценность, реализация и апробация работы, изложены основные положения работы, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрено современное состояние и направления развития процессов и аппаратов промышленного пылеулавливания в производстве строительных материалов (ПСМ). Установлено, что центробежная сепарация частиц находит широкое применение в ПСМ, при этом одним из наиболее распространенных пылеулавливающих аппаратов является циклон конструкции НИИОГАЗа, вследствие простоты конструкции и эксплуатационной надежности. Наряду с ростом требований к остаточной запыленности газов, все большее внимание уделяется стоимости пылегазоочистки и ее энергоэффективности в конкретном типе аппаратов. Стоимость пылегазоочистки зависит от многих факторов: капитальных затрат на оборудование, эксплуатационных расходов, требуемой эффективности очистки и др.. Установлено, что стоимость очистки отходящих газов от пыли в циклоне значительно меньше чем в электрофильтре, в тканевых фильтрах, в системе батарейный циклон-электрофильтр.
Приведен анализ использования противоточных циклонов в аспирационных системах предприятий ПСМ и пути их совершенствования для повышения их энергоэффективности на основе изменений их конструктивно-технологических параметров. Основные работы в этой области принадлежат: А.И. Пирумову, П.А. Коузову, А.Ю. Вальдбергу, М.В. Василевскому, И.Е. Идельчику и др.
Установлено, что применение различных внутренних устройств, позволяют более эффективно использовать энергию закрученных газопылевых потоков в противоточном циклоне. Рассмотрено применение закручивающих и раскручивающих устройств выходного патрубка противоточного циклона.
Установлено, что установка закручивающего устройства позволяет повысить эффективность пылеулавливания за счет интенсификации вращательного движения пылегазового потока в циклоне.
Рассмотрены существующие теории, описывающие процесс пылеулавливания в циклоне. Установлено, что множество подходов имеют экспериментальные подтверждения, однако в большинстве своем нуждаются в использовании эмпирических данных и наличии большого числа допущений. Наиболее перспективным в данный момент является вероятностно-стохастический подход к описанию центробежного осаждения пыли.
Выполнен анализ существующих методик определения эффективности пылеулавливания. Установлено, что применение их носит весьма локальный характер из-за существенных различий в конструкциях циклонных аппаратов и как следствие невозможность применения одной и той же формулы из-за различия эмпирических данных, свойственных конкретному аппарату.
Рассмотрено применение вероятностно-энергетического метода для расчета эффективности центробежного пылеулавливания. Установлено, что данный метод является наиболее обоснованным, но требует уточнения влияния дополнительной закрутки пылегазового потока, возникающей в результате установки направляющего устройства выходного патрубка.
Рассмотрена разработанная патентно-защищенная конструкция выходного патрубка противоточного циклона с направляющим устройством (рис. 1).
Конструктивным аналогом является хорошо зарекомендовавший себя центробежный пылеулавливающий аппарат - противоточный циклон ЦН-15, созданный НИИОГазом. Циклон имеет цилиндроконический корпус 1, выходной патрубок 2, в котором предусмотрено направляющее приспособление 3, состоящее из по меньшей мере одного направляющего щитка 4, причем ось кривизны этого щитка 4 может проходить под углом к оси 5 выходного патрубка 2, будучи смещенной относительно последней.
Поток запыленного газа закручивается, попадая в циклон через тангенциально расположенный входной патрубок 6. Пройдя вниз по длине корпуса 1, газ очищается и поток меняет свое направление на 180 в нижней точке циклона. Благодаря направляющему приспособлению 3 восходящий поток направляется в выходной патрубок 2. При этом поток приобретает ускорение, направленное как в осевом направлении истекающей среды, так и в направлении оси 5 выходного патрубка 2 за счет установленного направляющего устройства 3, состоящего из направляющих щитков 4 и обтекателя 7.
Рис. 1. Схема циклона с направляющим устройством выходного патрубка Предлагаемая конструкция направляющего устройства выходного патрубка циклона позволяет максимально использовать энергию вращающегося потока для оптимизации процесса центробежного пылеулавливания, увеличивая КПД установки.
Это также позволяет существенно улучшить режим работы аппаратов следующих ступеней очистки и продлить срок службы.
Во второй главе представлено математическое описание процесса пылеулавливания в поле действия центробежных сил, с учетом влияния дополнительной закрутки пылегазового потока. Данное описание основывается на законах сохранения массы (расхода воздуха) и момента импульса вращающегося потока запыленного газа.
Одним из направлений повышения эффективности сухих центробежных пылеуловителей является повышение доли энергии полезного вращательного движения, приводящего к осаждению частиц пыли, в полной энергии пылегазового потока. В разработанном пылеуловителе (циклоне) совмещаются два способа закрутки потока запыленного газа: сначала вращение газа возникает как обычно в результате тангенциального подвода, а затем дополнительная закрутка потока создается при входе в выхлопную трубу с помощью специального направляющего устройства.
Установлено, что интенсивность дополнительной закрутки пылегазового потока по доли количества полезной вращательной энергии может превосходить основную, полученную в результате тангенциального подвода очищаемого газа; что существенно повышает эффективность улавливания частиц пыли в центробежном поле сил.
Схема к расчету направляющего устройства выходного патрубка (НУВП) для дополнительной закрутки пылегазового потока показана на рис. 2.. В стенке удлиненного выходного патрубка, закрытого снизу обтекателем, симметрично прорезаны n прямоугольных отверстий (щелей) высотой hз, угловым размером 2 и шириной АВ = 2r1 sin, где r1 - радиус выходного патрубка. Каждая щель снабжена лопаткой, повернутой по ходу вращения пылегазового потока внутри выходного патрубка на угол > относительно касательной соответствующей началу полки.
Как следует из рис. 2, угол может меняться в интервале 90- < /2, причем с его увеличением степень раскрытия щели возрастает. Ширина входного канала d, образованного полкой и стенкой направляющего устройства, равна:
d = BC = AB sin (-) = 2r1 sin sin(-). (1) Обтекатель преобразует центральный вихревой поток очищенного газа в кольцевую струю, которая засасывается через щели направляющего устройства.
Скорость входа газа в каналы направляющего устройства определяется его объемным расходом Q и суммарной площадью каналов:
з =. (2) з Коэффициент местного сопротивления направляющего устройства зависит от отношения суммарной площади поперечного сечения входных каналов к площади поперечного сечения выходного патрубка:
з з ( ) = =. (3) Величину коэффициента сопротивления направляющего устройства, приведенную к скорости воздуха в плане циклона (фиктивной скорости), можно оценить с помощью зависимости, полученной в результате обработки методом наименьших квадратов Рис. 2. Схема к расчету эмпирических данных по сопротивлению входа направляющего устройства в прямую трубу через прямоугольные боковые отверстия:
, з =. (4), В результате сравнения секундных моментов импульса, получаемых потоком газа в результате дополнительной закрутки и тангенциального подвода очищаемого газа получим:
дз (, ) = =. (5) вх з где ( ), = ( ) ( ) ( ( ) ) ( ) Рис. 3. Влияние дополнительной закрутки пылегазового потока на общую эффективность циклона ( - расчетные данные; - экспериментальные данные) Параметр является количественной характеристикой влияния дополнительной закрутки пылегазового потока на циклонный процесс (рис. 3).
Установлено, что закручивающий эффект предлагаемого направляющего устройства, устанавливаемого в начале выходного патрубка и тангенциального подвода газа могут быть одинакового порядка, а поскольку течения запыленного газа в различных частях циклона аэродинамически связаны между собой, то дополнительная закрутка газового потока на входе в выхлопную трубу, взаимодействуя с закруткой, вызванной тангенциальным подводом запыленного газа, приводит к интенсификации вращения газа во всем рабочем объеме аппарата и повышению эффективности осаждения частиц.
Поле скоростей закрученного потока в циклоне с направляющим устройством выходного патрубка рассчитывалось численными методами с помощью открытого пакета программ вычислительной аэродинамики Open FVM на основе уравнений неразрывности Навье-Стокса, а также уравнений для турбулентной вязкости.
Для получения аналитических зависимостей, аппроксимирующих результаты численных расчетов и описывающих профили составляющих скорости газа, использовались линейные и квадратичные функции от радиуса и осевой координаты.
Поле скоростей пылегазового потока в различных частях рабочего объема циклона представлено в безразмерном виде:
( ) ( ) ( ) = , , , , , , (6) где r,z, = wr,z, /wц - безразмерные составляющие скорости газа, = /, = / - безразмерные координаты, r2 - радиус цилиндрической части циклона; wц = Q/(r22) - скорость газа в плане аппарата (фиктивная скорость), Q - объемный расход очищаемого газа.
Определен характер распределения скоростей закрученного пылегазового потока в различных частях циклона с дополнительной закруткой пылегазового потока.
Коэффициенты формул, аппроксимирующих распределение компонент скорости газа, определяются через конструктивноЦрасчетные параметры циклона с помощью законов сохранения массы и секундного количества момента импульса газового потока.
Далее в работе приводится анализ полученных выражений по определению составляющих скорости пылегазового потока в различных частях циклона.
Рассмотрен процесс центробежного осаждения частиц с позиций его стохастико-детермированной природы. Установлено, что взаимодействие двух процессов - упорядоченного переноса частиц и их турбулентной диффузии в основном и определяет эффективность пылеулавливания. Заметное влияние на осаждение частиц могут оказывать также во многом случайные процессы взаимодействия частиц с твердыми стенками аппаратов и между собой, процессы коагуляции частиц, их вторичного уноса и другие.
Одним из определяющих параметров стохастико-детерминированного процесса осаждения частиц является d50 - размер частиц улавливаемых на 50%. Для определения данного параметра применительно к обычным циклонам используется формула, предложенная проф. А. Ю. Вальдбергом и Н. С. Кирсановой:
= 14,5 10,, мкм, (7) ц где - коэффициент гидравлического сопротивления циклона 8,5 4420, - динамическая вязкость газа, r - плотность частиц, D - диаметр циклона, м.
На основе исследования поля скоростей вихревых течений получены новые соотношения для расчета d50, учитывающие специфику процессов протекающих в разработанном циклоне с дополнительной закруткой пылегазового потока.
, / ц, , =, (8) ц = к кк ц ( п) ( п) ( ) кк км к где - эмпирическая постоянная, учитывающая влияние дополнительной закрутки потока; B - безразмерная величина, которая выражается через относительные размеры циклона.
=-0,1622+1,429-0,503, (9) где определяется формулой (5).
В отличие от существующих формул, соотношение для вычисления d50 (8) включает в себя все конструктивно-технологические параметры циклона, что существенно расширяет возможности его оптимизации.
Для лабораторного циклона ЦН-15 формула принимает следующий вид:
, = ц, мкм. (10) Формулы для вычисления фракционной и общей эффективности циклона с учетом соотношения (9) принимают вид:
ц ( ) ( ) ф = Ф 2,857 8,13 10 1 +, (11) ц ( ) = Ф, 8,13 10 1 +,, (12) ч где ч - среднее квадратичное отклонение распределения частиц по размерам, 0,5 - медианный размер частиц, мкм.
р, Па , 2900,0 0,2800,0,2700,2600,0,2500,2400,0,2300,2200,0,2100,0,2000,1900,0,1800,1700,0,1600,1500,0,1400,1300,0 0,2225272931333537394143454749515355, Сопротивление, Па Эффективность, % Рис. 4. Зависимости показателей работы циклона ЦН-15 c НУВП и р от угла наклона направляющих лопаток при h = 0,1 м и v = 3м/с Гидравлическое сопротивление циклона с НУВП определяется по формуле, ц = 90,4 + 155 + 0,47 ( ), (13) р, Па , 2100,0 0,2000,0,1900,0,1800,0,1700,0,1600,0,1500,0,1400,0,1300,0,1200,0,1100,1000,0 0,h, м Гидравлическое сопротивление Эффективность пылеулавливания Рис. 5. Зависимости показателей работы циклона ЦН-15 с НУВП и р от высоты выходного щели h при = 40 и v = 3м/с р, Па , 2800,0 0,2700,2600,2500,0,2400,2300,2200,2100,0,2000,1900,1800,1700,0,1600,1500,1400,1300,0,1200,1100,1000,900,0,800,700,600,500,0 0,2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 v, Сопротивление, Па Эффективность, % м/с Рис. 6. Зависимости показателей работы циклона ЦН-15 с НУВП и р от скорости пылегазового потока в плане v при h = 0,1 м и = 40 В третьей главе приведены описания лабораторных установок, применяемых для исследования процесса пылеулавливания в противоточном циклоне; описания и характеристики используемых контрольно-измерительных приборов, а также характеристики материалов, используемых для исследований.
Для проведения экспериментальных исследований с целью подтверждения теоретических положений работы, был использован экспериментальный комплекс двухступенчатой очистки пылегазового потока, позволяющий задавать и контролировать основные технологические параметры (рис. 7). При выборе схемы компоновки оборудования был принят к исполнению разомкнутый по воздуху и пыли вариант сборки. При этом засасываемый в систему воздух после однократного использования выбрасывается в вытяжную вентиляционную систему. Такая схема позволила провести эксперимент в режиме близком к изотермическому, соответственно упрощая обработку результатов. Экспериментальный комплекс включает в себя: регулируемый дозатор непрерывного действия объемного типа, циклон ЦН-15-400, рукавный фильтр ЗИЛ 900, вентилятор ВВД-5, систему трубопроводов, контрольно-измерительную аппаратуру.
Рис. 7. - Схема экспериментального комплекса двухступенчатой очистки пылевоздушного потока: 1 - лемниската; 2 - объемный дозатор пыли непрерывного действия; 3 - всасывающий трубопровод; 4 - батарейный U-образный дифманометр; 5 - приемный бункер пыли; - циклон; 7 - рукавный фильтр; 8 - бункер рукавного фильтра; 9 - нагнетательный трубопровод;
10 - вентилятор.
В качестве основы для создания противоточного циклона с направляющим устройством выходного патрубка использовался стандартизованный противоточный циклон конструкции НИИОГАЗа с тангенциальным подводом воздуха типа ЦН-имеет внутренний диаметр цилиндрической части 0,4 м, размеры входного патрубка 0,21 0,13 м; бункер для сбора уловленной пыли прямоугольной формы с размерами 0,50,50,3 м с разгрузочным отверстием. Для снижения гидравлического сопротивления аппарата на выхлопном патрубке установлена улитка, спрямляющая пылевоздушный поток на выходе. Для установки направляющего устройства в выхлопную трубу она выполнена с фланцевым разъемом. Основные конструктивные размеры циклона соответствуют рекомендованным НИИОГАЗом [ГОСТ Р 517082001] для данного диаметра. Конструкцией предусмотрена герметизация системы, исключающая подсосы воздуха в циклон извне.
Разработанное направляющее устройство выходного патрубка циклона для дополнительной закрутки пылевоздушного потока выполнено в виде стального цилиндрического патрубка с внутренним диаметром D = 0,236 м, длиной l = 0,5 м.
Нижняя часть патрубка имеет по периферии шесть симметрично расположенных отверстий прямоугольной формы шириной a = 0,057 м и высотой h = 0,15 м. У каждого отверстия, по его высоте, с внутренней части патрубка расположены лопатки. Лопатки повернуты по ходу вращения пылевоздушного потока на угол , с возможностью его изменения в ходе эксперимента. Изменение угла поворота лопаток осуществлялось их отгибанием по шаблону, изменение высоты лопаток и расположенных возле них отверстий осуществлялось опусканием и подъемом направляющего устройства циклона относительно нижнего среза выходного патрубка. Опускание и подъем выполнялись через тяги винтовым устройством, закрепленным соосно корпусу циклона в его верхней части.
Аспирационнный трубопровод состоит из горизонтальных и наклонных участков патрубка диаметром Dу = 0,15 м. Элементы трубопровода имеют фланцевые соединения. Трубопровод снабжен вставками с резьбовыми отверстиями для подсоединения измерительных приборов. Расположение участков замеров и ввода пыли выполнены в соответствии с рекомендациями НИИОГаза.
Объемный дозатор пыли непрерывного действия был разработан и изготовлен для обеспечения необходимой концентрации пыли в воздушном потоке. Он позволяет с необходимой точностью задавать концентрации пыли во всасывающем трубопроводе в пределах от 3 до 120 г/м3.
С помощью лазерного гранулометра MicroSizer 201 выполнен дисперсный анализ порошкообразных материалов, используемых при проведении испытаний, приведены основные их характеристики, обосновано их применение. Для экспериментов в качестве материалов использовалась пыль песка кварцевого ВС-0501 ГОСТ 2251-77 Раменского ГОКа и сырьевая пыль ЗАО Невьянский цементник.
Программой экспериментальных исследований предусматривалось определение влияния различных конструктивных и технологических факторов на эффективность работы циклона. Реализация этой программы дала возможность определить рациональные значения конструктивных параметров исследуемого аппарата. Для определения области значений исследуемых факторов был проведен ряд поисковых экспериментов. По результатам выявлено, что основными значимыми факторами являются: скорость воздуха в циклоне v, запыленность пылегазового потока n, высота h и угол наклона направляющих лопаток.
В качестве функций отклика, характеризующих работу пылеулавливающего аппарата, были приняты степень очистки - и гидравлическое сопротивление - p.
При определении рациональных значений конструктивных и технологических параметров работы циклона с направляющим устройством выходного патрубка был реализован один из методов математического планирования эксперимента:
центральный композиционный ортогональный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКОП 24. Уровни варьирования факторов определены по результатам поисковых экспериментов на следующих диапазонах значений: скорость воздуха в циклоне v = (2 - 4) м/c; концентрация пыли n = (3 - 47) г/ м3; высота лопаток h = (0,05 - 0,15) м; угол наклона лопаток = (20 - 60) град.
В четвертой главе выполнен анализ результатов физических и вычислительных экспериментов по исследованию работы противоточного циклона ЦН-15-400 с направляющим устройством выходного патрубка.
Проведена проверка гипотезы о воспроизводимости экспериментальных опытов по критерию Кохрена. На основании соблюдения условия опыты являются воспроизводимыми.
Полученные уравнения регрессии позволили оценить влияние рассматриваемых факторов: (Х1) - угла наклона направляющих лопаток, град; h(Х2) - высоты выходного щели, м; n(Х3) - концентрации частиц в воздушном потоке, г/м3;
v(X4) - скорости потока в циклоне, м/с, на эффективность пылеулавливания - (Y1), %, и гидравлическое сопротивление циклона - p(Y2), Па.
Выполнена проверка адекватности полученных уравнений регрессии по критерию Фишера. Условие выполняется для всех полученных зависимостей, что свидетельствует об адекватности полученных уравнений.
Полученные значения критериев Кохрена и Фишера позволяют нам воспользоваться полученными уравнениями для описания процессов, протекающих в циклоне с дополнительной закруткой пылегазового потока.
Уравнение регрессии, описывающее изменение эффективности пылеулавливания в кодированной форме имеет следующий вид:
Y1 = 83,119+3,204X1+0,882X2 - 3,27X2+0,867X2 +1,445X3+1,06X2 + 1 2 4,887X4+1,059X2 +0,926X1X2-1,1X1X3+0,864X2X4. (14) В натуральном виде выражение для определения эффективности пылеулавливания представлено уравнением:
= 139,934-0,142+0,092- 0,443h -0,312n - 20,746v+ 4,212v2 -0,01hn-0,0885v - -0,0691hv-0,0748nv. (15) Уравнения регрессии, описывающие изменения гидравлического сопротивления в зависимости от значений варьируемых параметров имеют вид:
в кодированной форме:
Y2=1469,784-52,94X1+24,09X12-77,5X2+39,088X22+14,09X32+472,302X4+129,61X4215,593X1X4 -18,093X2X4-16,843X3X4.. (16) в натуральном выражении:
р =3582,63-10,93+0,242-10,92h+0,16h2+3,33n+0,12n2-1804,73v+ 515,75v-3,12v -1,45hv-3,06nv. (17) С помощью уравнений регрессии исследовано влияние конструктивнотехнологических параметров на эффективность пылеулавливания и гидравлическое сопротивление аппарата, приведены соответствующие графики.
В работе приведены графические зависимости, построенные на основе уравнений регрессии, характеризующие эффективность пылеулавливания и гидравлического сопротивления.
В ходе расчетов установлено, что минимальное значение функции гидравлического сопротивления составляет p = 843,84 Па, и достигается при следующих значениях варьируемых факторов: угол наклона направляющих лопаток = 54,24, высота входной щели h = 0,135 м, концентрация пыли в воздушном потоке n = 14 г/м3, скорость воздушного потока в циклоне v = 2,29 м/с.
При анализе уравнения регрессии, характеризующего эффективность пылеулавливания, установлено, что ее максимальное значение составляет = 96,76%.
Этот уровень достигается при следующих показателях: угол наклона направляющих лопаток = 25,86, высота входной щели h = 0,064 м, концентрация пыли в пылегазовом потоке n = 40,55 г/м3, фиктивная скорость пылегазового потока в плане циклона v = 3,71 м/с.
Исследована зависимость p и от скорости в плане циклона ЦН-15-400 с НУВП при найденных рациональных параметрах остальных конструктивнотехнологических параметров, позволяющая оптимизировать скорость пылегазового потока в зависимости от требуемых значений гидравлического сопротивления и эффективности пылеулавливания.
Экспериментально подтверждена адекватность полученных математических описаний и теоретических соотношений для определения эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления циклона с дополнительной закруткой пылегазового потока. Максимальные отклонения расчетных значений от экспериментальных данных для составляют 10,5%, для p - 12,5%.
На основе полученных теоретических соотношений и полученных уравнений регрессии выполнена оптимизация процесса пылеулавливания в циклоне ЦН-15-400 с НУВП. В качестве рациональных значений его конструктивно-технологических параметров, исходя из максимальных значений и минимальных p установлены:
= 36, h = 103,4 мм, n = 6г/м3, v = 2,8 м/с, обеспечивающие p = 1134,24 Па и = 89,76%.
Установлено, что оснащение циклона ЦН-15-400 направляющим устройством выходного патрубка, по сравненению со стандартным конструктивным исполнением выходного патрубка, обеспечивает увеличение эффективности пылеулавливания на 7,2% при одинаковых значениях p или снижение p на 10,3% при одинаковых значениях =84,4%, что позволяет снизить мощность, потребляемую электродвигателем аспирационного вентилятора на 6,2%.
В пятой главе приведена инженерная методика расчета основных конструктивно-технологических параметров циклона с направляющим устройством выходного патрубка на примере циклона ЦН-15-2350 системы очистки аспирационного потока сырьевой мельницы типоразмером D L = 4,2 10 м ЗАО Невьянский цементник.
Приведены результаты промышленных испытаний группы циклонов ЦН-152350. При эксплуатации аспирационной системы с группой циклонов ЦН-15-2350 без направляющих устройств выходных патрубков при скорости аспирационного потока 27 м/с гидравлическое сопротивление составило 1112 Па, эффективность пылеулавливания - 69,1%, часовая потребляемая мощность электродвигателя аспирационного дымососа ДЦ25х2 составила 1185 кВт.
Описаны результаты промышленного внедрения и испытаний разработанного направляющего устройства на группе циклонов ЦН-15-2350 ЗАО Невьянский цементник при следующих параметрах: количество направляющих лопаток N = 6;
угол наклона направляющих лопаток = 34; высота входной щели выходного патрубка h = 0,56 м; высота направляющего устройства H = 0,8 м; диаметр направляющего устройства d = 1,3 м.
В результате, при V = 27 м/с, гидравлическое сопротивление составило р = 1138Па, при росте эффективности пылеулавливания модернизированного циклона - на 9%, зафиксированной на уровне = 75,3%.
По результатам промышленных испытаний циклона с направляющим устройством выходного патрубка при различных аспирационных режимах принято решение о снижении скорости аспирационного потока с 27 до 25 м/с, что соответствует технологическому регламенту предприятия. Это позволило снизить уровень гидравлического сопротивления на 10,3% с 1112 до 998 Па, а эффективность пылеулавливания составила 73,7%.
Проведенные мероприятия по установке направляющих устройств выхлопных патрубков группы циклонов аспирационной системы сырьевой мельницы №позволили снизить часовую потребляемую мощность электродвигателя аспирационного дымососа на 7,4% с 1185 до 1097 кВт.
Выполнена оценка предполагаемой экономической эффективности от применения направляющего устройства выходного патрубка группы циклонов ЦН15-2350 цеха подготовки сырья ЗАО Невьянский цементник. Предполагаемый годовой экономический эффект от реализации разработки составил 472,81 тыс.руб.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 1. В ходе анализа направлений развития современной техники и технологии пылеулавливания в промышленности строительных материалов показана актуальность исследования сухого центробежного пылеулавливания в целях совершенствования протекающих процессов и повышения эффективности работы аппаратов.
2. Разработана патентно-защищенная конструкция циклона с направляющим устройством выходного патрубка циклона, обеспечивающего дополнительную закрутку пылегазового потока, что позволяет повысить эффективность пылеулавливания до 10% при том же уровне гидравлического сопротивления.
3. Разработано математическое описание поля скоростей газа в рабочем объеме циклона с дополнительной закруткой пылегазового потока. Показано, что дополнительная закрутка пылегазового потока на входе в выхлопную трубу приводит к интенсификации вращения газа во всех частях аппарата и изменению характера его осевого движения.
4. Разработано математическое описание процесса центробежного осаждения частиц в противоточном циклоне с дополнительной закруткой пылегазового потока.
Получена новая зависимость для размера частиц, улавливаемых с эффективностью 50% и новые соотношения для фракционной и общей эффективности циклона с дополнительной закруткой пылегазового потока, учитывающие его основные конструктивно-технологические параметры.
5. Получено математическое выражение для определения коэффициента гидравлического сопротивления циклона с дополнительной закруткой пылегазового потока, с помощью которого показана его более высокая, по сравнению с некоторыми коническими циклонами НИИОГаз, энерготехнологическая эффективность.
6. Исследован процесс пылеулавливания в циклоне ЦН-15-400 с направляющим устройством выходного патрубка с применением методов математического планирования эксперимента. Получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс пылеулавливания в разработанном циклоне, выполнена их оптимизация. Установлено, что рациональные значения эффективности пылеулавливания = 89,76%.и гидравлического сопротивления p = 1134,24 Па достигаются при следующих параметрах: = 36, h = 103,4 мм, n = 6 г/м3, v = 2,8 м/с.
7. Экспериментально установлено, что оснащение циклона ЦН-15-4направляющим устройством разработанной конструкции позволяет увеличить эффективность пылеулавливания на 7,2%, при равных значениях гидравлического сопротивления по сравнению со стандартным исполнением циклона ЦН-15-400 и следующих технологических параметрах: v = 3 м/с, n = 25 г/м3.
8. Разработана инженерная методика расчета циклона с направляющим устройством выходного патрубка.
На ЗАО Невьянский цементник в соответствии с разработанными рекомендациями осуществлено промышленное применение направляющего устройства на циклонах ЦН-15-2350 системы аспирации сырьевой мельницы №1. В результате промышленных испытаний при V = 27 м/с, гидравлическое сопротивление составило р = 1138Па, при росте эффективности пылеулавливания модернизированного циклона на 9%. При V = 25 м/с, соответствующей регламенту предприятия, модернизация группы циклонов обеспечила снижение мощности, потребляемой электродвигателем аспирационного вентилятора, на 7,4%.
Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:
а) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Чалов В.А. Теоретическое обоснование конструктивного совершенствования центробежного пылеуловителя / В.А. Чалов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011.
- № 4. - С. 68-70.
2. Чалов В.А. Моделирование процесса центробежного осаждения частиц и прогнозирование эффективности пылеуловителя / В.А. Чалов, Л.А. Кущев, В.Г. Шаптала // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 2. - С. 34-38.
б) в других изданиях:
3. Чалов В. А. Разработка принципиально нового инерционно-центробежного пылеуловителя / В.А. Чалов, Н.Н. Спасов // Материалы Всероссийской молодёжной выставки-конкурса прикладных исследований, изобретений и инноваций под эгидой Федерального агентства по науке и инновациям, СГУ им. Н.Г. Чернышевского.
Саратов, 2009 - С. 173.
4. Чалов В.А. Актуальные проблемы развития центробежных обеспыливающих аппаратов и пути их решения в промышленности строительных материалов.
/В.А. Чалов // сборник докладов Международной научно-практической конференции Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (XIХ научные чтения), Белгород, 2010.
Ц Ч.3. - С. 279-283.
5. Чалов В. А. Актуальные проблемы развития экотехники и пути их решения в промышленности / В.А. Чалов // 1-ая заочная Международная научно-практическая конференция РАН. Чебоксары, 2010. - С. 112.
6. Чалов В. А. Совершенствование циклонных аппаратов в промышленности строительных материалов / В.А. Чалов // Межвузовский сборник статей Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород, 2011. - вып. X- С. 342-348.
7. Чалов В.А. Повышение эффективности использования аппаратов сухого центробежного пылеулавливания. / В.А. Чалов, Л.А. Кущев // Сборник докладов Х Всероссийской научно-технической конференции с международным участием Механики ХХI веку. Братск, 2011. - С. 27-30.
8. Чалов В. А. Экспериментальные исследования циклона с направляющим устройством выходного патрубка /В.А. Чалов// межвузовский сборник статей Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород, 2012.- вып. XI - С. 502-504.
9. Чалов В.А. Противоточный циклон с направляющим устройством выхлопного патрубка. /В.А. Чалов// Материалы VI Международной научнопрактической конференции Перспективы развития строительного комплекса.
Астрахань, 2012. - Т.1. - С. 66 - 68.
10. Чалов В. А. Изменение степени очистки и гидравлического сопротивления противоточного циклона с направляющим устройством выходного патрубка /В.А. Чалов// межвузовский сборник статей Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород, 2012. - вып. XI - С. 497-501.
11. Чалов В.А. Циклон / В.А. Чалов, Л.А. Кущев, В.Г. Шаптала // Патент РФ на полезную модель №106147. РФ, МПК В04С 5/12. Опубл. 10.07.2011. - 5с.
Условные обозначения , фi - общая и фракционная - коэффициент динамической эффективность пылеулавливания, %; вязкости, Нс/м2;
p - гидравлическое сопротивление, Па; m - масса частицы пыли, кг;
d, dср, dm, - диаметр частицы, средний, g - ускорение свободного падения, м/с2;
медианный, мкм; - коэффициент диффузии, м2/с;
d50 - размер частиц улавливаемых на T, t - абсолютная температура; К, 50%, мкм; температура, 0С;
Ск - поправка Кэнингема-Милликена; Q - объёмный расход воздуха, м3/с;
p, p0, pсм - давление, парциальное, Па;
Nк - скорость коагуляции, 1/(м3с);
- время релаксации, с;
n - концентрация частиц, 1/м3;
h - высота выходной щели, м;
v, u - скорость воздушного потока, - угол наклона направляющих пыли, м/с;
опаток, град;
V - скорость потока в аспирационном r - радиус циклона, м;
трубопроводе, м/с;
D - диаметр циклона, м;
wr,z, - составляющие скорости газа;
Мдз - дополнительный секундный - угловая скорость воздушного момент импульса;
потока, с-1;
- коэффициент гидравлического F - сила инерции, вязкости, сопротивления циклона;
сопротивления среды, тяжести, Н;
ч - среднее квадратичное отклонение nвх, nвых - массовая концентрация частиц распределения частиц по размерам;
пыли, г/м3;
0,5 - медианный размер частиц, мкм;
- коэффициент сопротивления трения;
Re - число Рейнольдса.
v - толщина вязкого слоя, м;
в - плотность воздуха, газа, кг/м3;
Подписано в печать 21.11.12 Формат 60х84/Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 Заказ №3Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям