аціональний університет “Львівська політехніка”

Гаврилів Роман іванович

УДК 628. 511

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРЯМОТЕЧІЙНИХ ЦИКЛОНІВ

05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор

Дубинін Анатолій Іванович,

Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України, м. Львів

кафедра хімічної інженерії, професор

Офіційні опоненти – | доктор технічних наук, професор

Михайлик Віктор Дмитрович,

Херсонський національний технічний університет

Міністерства освіти і науки України; м. Херсон

кафедра екології та охорони життєдіяльності,

завідувач кафедри

кандидат технічних наук, доцент

Куц Віктор Петрович,

Тернопільський державний технічний університет

ім. Ів. Пулюя

іністерства освіти і науки України; м. Тернопіль,

кфедра обладнання харчових технологій, професор

Провідна установа – | Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “20” грудня 2005р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 в Нацiональному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, пл. Святого Юра 9, навчальний корпус 9, кім. 214.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м. Львів-13, вул. Професорська 1).

Автореферат розісланий “19” листопада 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент В.М. Атаманюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В різних галузях промисловості внаслідок недосконалості технологічних процесів утворюються значні кількості запилених газів. Небажане утворення пилу відбувається під час сухого подрібнення твердих порід, добуванні корисних копалин, переробці і транспортуванні сипких матеріалів, спалюванні органічного палива та ін. Промисловий пил призводить до втрати цінних матеріалів, передчасного виходу з ладу обладнання, знижує якість продукції, погіршує екологічну ситуацію, є причиною багатьох хвороб людини тощо.

Для очистки газів від пилу використовують різні методи і апарати, в тому числі апарати сухої очистки – циклони. Вони застосовуються для виділення з газів пилу з різними фізико-хімічними властивостями, працюють в широкому діапазоні температур і концентрацій забруднюючих речовин. У порівнянні з іншими ефективними пиловловлювачами циклони мають більш просту конструкцію, невеликі геометричні розміри, незначні затрати на обслуговування і ремонт. Їх використання забезпечує відносно високу загальну ефективність очистки газів. В той же час, внаслідок недосконалості відомих конструкцій, циклони непридатні для вловлювання з газових потоків частинок дрібних фракцій. Крім того, у перерахунку на величезні об’єми газових потоків, що пропускаються через циклони, енергетичні витрати на процес очистки досить суттєві.

Для зменшення енерговитрат на процес очищення застосовують прямотечійні циклони. Проте їх використання є обмеженим із-за меншої ефективності вловлювання у порівнянні з протитечійними циклонами.

Тому, дисертація присвячена створенню та дослідженню ефективності роботи нових більш енергоощадних та високоефективних пиловловлюючих апаратів сухого очищення газів (циклонів) з прямотечійною зоною розділення. Цим визначається актуальність роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з планами науково-дослідницької роботи кафедри ”Хімічна інженерія” Національного університету “Львівська політехніка” з проблеми “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” згідно з науково-технічною програмою Міністерства освіти України (№ 0194U029586).

Мета і завдання роботи. Метою роботи було обґрунтування, розробка конструкцій і дослідження нових високоефективних енергоощадних прямотечійних циклонів. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі основні завдання:

-проаналізувати конструкції існуючих циклонів, а також недоліки їх роботи;

-розробити нові конструкції прямотечійних циклонів і експериментально встановити їх оптимальні геометричні параметри;

-провести дослідження ефективності та енергетичних витрат створених пиловловлювачів і на підставі отриманих експериментальних даних оцінити їх ефективність;

-провести порівняльний аналіз фракційної ефективності очищення розроблених циклонів у порівнянні з існуючими аналогами;

-узагальнити отримані результати досліджень ефективності і енергоспоживання у вигляді критеріальних рівнянь;

- розробити методику розрахунку досліджених циклонів;

- провести пошук методів збільшення ефективності циклонів.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна одержаних експериментальних і теоретичних досліджень полягає у наступному:

1) виявлено вплив технологічних (фіктивна швидкість, запиленість, дисперсний склад пилу) і конструктивних параметрів (довжина зони розділення, висота центральної труби, величина зазору для відведення осадженого пилу) на ступінь очищення і гідравлічний опір циклона з коаксіальною вставкою;

2) вперше отримано рівняння для розрахунку розмірів частинок, що вловлюються на 50% з врахуванням впливу радіального стоку;

3) встановлено оптимальні геометричні співвідношення конструктивних елементів циклона з коаксіальною вставкою, що забезпечують найбільшу ефективність при невеликих енерговитратах;

4) встановлено вплив на ефективність циклона зменшення статичного тиску в зоні відведення осадженого пилу;

5) вперше обґрунтовано зменшення гідравлічного опору циклона при відведенні очищеного повітря через два канали.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблена конструкція прямотечійного циклона з коаксіальною вставкою забезпечує високий ступінь очищення запилених газів і значно менші енерговитрати у порівнянні з протитечійними циклонами, що свідчить про доцільність використання таких апаратів у промисловості;

- отримані критеріальні рівняння, що дають можливість розрахувати ступінь очищення газів і енергетичні витрати на процес очищення;

- розроблена методика розрахунку прямотечійного циклона, яка дає можливість проектування подібних промислових апаратів;

- використання в промислових схемах очистки газів методу зменшення статичного тиску в камері розвантаження твердої фази дозволяє значно збільшити коефіцієнт корисної дії циклона при невеликих додаткових капітальних затратах.

Особистий внесок дисертанта:

1. Розроблено математичну модель відцентрової сепарації у прямотечій них циклонах.

2. Розроблено конструкцію та експериментально досліджено роботу прямотечійних циклонів.

3. Проведено узагальнення отриманих результатів досліджень у вигляді критеріальних залежностей.

4. Розроблено методику розрахунку циклонів з коаксіальною вставкою, яка дозволяє проектувати подібні промислові апарати.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і були схвалені на конференціях: Міжнародній конференції “Проблеми підготовки фахівців-екологів у світлі інтеграції освіти у європейський простір та перспективні природоохоронні технології” (Львів, 2003р.), ІІІ Науково–технічній конференції „Поступ в нафтопереробній та нафтохімічній промисловості.”

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 5 статей в наукових фахових журналах ВАКу, 3 тези доповіді на міжнародних конференціях та 1 патент України.

Структура та об`єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури та додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладені на 142 сторінках машинописного тексту, ілюстрації включають 50 рисунків та 8 таблиць. В бібліографії приведено 112 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовано мету та завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі – „Огляд літератури”, проведений критичний аналіз конструкцій існуючих пиловловлювачів, зокрема циклонів, та представлено стислу характеристику ефективності їх роботи.

Визначено, що основною невирішеною проблемою при роботі циклонів є вплив радіального стоку на ефективність очистки і досить значні енерговитрати, що обумовлено їх конструкцією. Вище означені недоліки можуть бути в певній мірі усунені при використанні прямотечійних циклонів з новою геометрією робочих елементів.

На основі проведеного огляду літератури сформульовані цілі та завдання роботи, які полягають у розробці математичної моделі відцентрової сепарації у прямотечійних циклонах, розробці нових конструкцій циклонів з поперечно-поточною зоною розділення і коаксіальною вставкою, теоретичному обґрунтуванні схем руху потоків газової і твердої фаз, оптимізацій їх геометрії та технологічних режимів роботи, встановленні необхідних розрахункових залежностей.

У другому розділі приведено розроблену математичну модель відцентрової сепарації, методики досліджень: гідравлічного опору, ефективності очищення та визначення дисперсного складу пилу. Для штучного запилення повітря використовувався кварцовий пил №3 з медіанним діаметром dм=8 мкм. При визначенні ефективності пиловловлювача з поперечно-поточною зоною розділення використовували також кварцовий пил з медіанним діаметром dм=6 мкм.

В цьому ж розділі наведено будову, пояснено принцип роботи досліджених прямотечійних циклонів та представлено схеми експериментальних стендів.

Основою математичної моделі є система диференційних рівнянь руху частинок у симетричному відносно осі потоці газу. Її особливістю є відсутність радіальної складової руху газу, що обґрунтовується в роботі.

dхr/dt = хц2/r – вхr

dхц/dt = - хцхr/r – в [хц - Wц (r)]

dr/dt = хr; dц/dt = хц/r

Розглянуто випадок для квазістаціонарного руху частинок і отримано рівняння: хц3 + в2r2хц - в2r2Wц = 0, яке розв’язане за методом Кардано. З використанням програми “Mathcad 2000 Pro” проведені чисельні розрахунки, які дозволяють проаналізувати вплив на швидкість осадження розмірів частинок, вхідної швидкості газу, діаметра зони розділення, закону розподілу тангенціальних швидкостей газу по радіусу. Для заданих умов осадження розраховано час осадження і необхідну довжину робочої зони.

Відповідність математичної моделі результатам експериментальних досліджень фізичних моделей розроблених циклонів обговорено в третьому розділі роботи.

У третьому розділі досліджено основні параметри роботи прямотечійних циклонів.

На першому етапі досліджений циклон з поперечно-поточною зоною розділення. Апарат працює так (рис.1): запилений газовий потік через вхідний патрубок 3 попадає в кільцеву камеру (між центральною трубою 5 і корпусом апарата 1), закручується на лопатях 8, внаслідок чого тверді частинки відкидаються до стінки корпуса 1, рухаються вздовж неї по спіралі, відсікаються пилозабірною пластиною 7 і через щілину 6 виходять із зони розділення в бункер 2. Очищений газ виходить через патрубок 4.

Рис.1. Прямотечійний циклон з поперечно-поточною зоною розділення

Ефективність роботи та гідравлічний опір пиловловлювача досліджували на трьох апаратах, в яких довжина робочої зони, у частках від внутрішнього діаметру циліндричного корпуса складала 2.7, 4.8, 5.85 відповідно. Для порівняння параметрів роботи циклона був обраний стандартний циклон типу ЦН-15, який широко використовується в різних галузях промисловості.

Вивчався вплив фіктивної швидкості, початкової концентрації пилу в газі, який подається на очистку, та відносної довжини робочої зони lp на ефективність роботи циклона. За результатами досліджень визначено, що оптимальною є фіктивна швидкість 3.5 м/с (рис.2). В межах запиленості газу від 2 до 20 г/мі із збільшенням концентрації твердої фази на вході ступінь очищення збільшується. Максимальна ступінь очищення запиленого газу досягається в апараті з lp = 5,85 і становить 75% при запиленості газового потоку 3 г/мі і фіктивній швидкості газу 3.5 м/с (рис.3). Для порівняння ефективність протитечійного циклона ЦН-15 дорівнює 72%, що на 3% менше.

Гідравлічний опір дослідженого циклона з різними відносними довжинами робочої зони lp є меншим від гідравлічного опору циклона ЦН-15. Наприклад, коли фіктивна швидкість дорівнює 4 м/с, в залежності від lp гідравлічний опір менший в 1.4, 3, 18.5 разів (рис. 4).

Результати досліджень залежності гідравлічного опору від витрат були оброблені у вигляді критеріальної залежності - критерія Ейлера (Eu) від довжини робочої зони lp і критерія Рейнольдса (Re).

Рис. 2. Залежності ефективності від фіктивної швидкості W0 при запиленості газу 3 г/м3 і відносній довжині робочої зони lp=5.85

Рис. 3. Залежність ефективності очищення від концентрації пилу в газовому потоці за оптимальної відносної довжини робочої зони lp= 5,85

В межах витрат від 0,014 до 0,066 м3/с, що відповідають фіктивним швидкостям W0 від 1.5 до 7 м/с, рівняння має вигляд:

(1)

Для оптимальних умов роботи - lp=5.85 рівняння має вигляд:

(2)

Спираючись на результати досліджень, зроблено висновок, що розроблений пиловловлювач з поперечно-поточною зоною розділення має такі переваги:

- малий гідравлічний опір – до 700 Па при фіктивній швидкості W0 = 3.5 м/с;

- достатньо високий ступінь очищення - від 75 до 86% (в залежності від вхідної концентрації пилу);

- простоту конструкції і обслуговування;

- компактність установки;

Рис.4. Залежність гідравлічного опору прямотечійного циклона з поперечно-поточною зоною розділення за різних відносних довжин робочої зони lp

Проте, не дивлячись на ряд переваг, виявлено деякі недоліки в його конструкції і роботі.

В першу чергу – це вплив пилозабірної пластини. З одного боку, її наявність сприяє відокремленню пристінного пилового шару з подальшим рухом твердої фази в бункер. З другого боку, пластину можна розглядати як місцевий опір на шляху руху газової фази. При обтіканні газом пластини виникають локальні збурення, внаслідок чого частина твердої фази виноситься з зони осадження в основне січення потоку.

Відмітимо також недосконалість вузла відведення очищеного газу. Згідно конструкції очищений газ відводиться через тангенціальний патрубок, розміщений в протилежному по відношенню до вхідного патрубка кінці апарата. Але в цій зоні (біля торцевої кришки) поступово накопичується шар твердих частинок, які внаслідок випадкових збурень потоку захоплюються газовою фазою і виносяться з апарату з очищеним повітрям. Іншими словами, досліджений циклон має „глухі” застійні зони, які сприяють зменшенню загальної ефективності роботи апарата.

Основних відмічених недоліків позбавлений прямотечійний циклон з коаксіальною вставкою. Схема апарата показана на рис.5.

Циклон працює таким чином:

Запилений газ поступає через тангенціальний патрубок 7 в кільцевий простір між корпусом 1 апарата і трубою 4, і закручується. Під дією відцентрових сил, які виникають при обертанні потоку, частини пилу відкидаються до периферії, рухаються вниз вздовж стінки по спіралі, далі через кільцевий зазор між корпусом 1 і коаксіальною вставкою 6, і відводяться по патрубку 8. Очищений газ проходить кільцевий простір між коаксіальною вставкою 6 і трубою 4 з конусом 5 і відводиться через патрубок 9 в бункер.

Досліджено ефективність циклона в залежності від технологічних –(фіктивна швидкість W0, запиленість газу С0) та конструктивних (відносна довжина робочої зони lp, величина зазору між стінкою корпуса і коаксіальною вставкою s, довжина центральної труби Lт) параметрів роботи і встановлено гідравлічний опір апарата в діапазоні фіктивних швидкостей від 2 до 6 м/с.

Рис.5. Прямотечійний циклон з коаксіальною вставкою, D=150 мм

Виявлено, що ефективність циклона неоднозначно залежить від фіктивної швидкості W0, довжини робочої зони lp і величини зазору s. Тільки із збільшенням концентрації пилу у вхідному потоці ефективність зростає, в межах використаних концентрацій від 3 до 12 г/м3 (рис.7).

Розглянемо окремо вплив факторів:

а) вплив фіктивної швидкості і величини зазору між стінкою корпуса і коаксіальною вставкою.

На рис.6 наведені графіки залежності ефективності циклона від фіктивної швидкості і величини зазору s за постійних концентрації пилу (3 г/м3) і оптимальної довжини робочої зони (визначення оптимальної lp показано далі).

Аналіз показує, що, як і в інших відцентрових пиловловлювачах, із збільшенням швидкості до певної величини, ефективність циклона зростає. Але оптимальна її величина, тобто швидкість, при якій досягається максимальне значення ефективності, залежить від величини зазору s. Як бачимо, чим більше зазор, тим менша оптимальна швидкість і більше ефективність. З наведених графіків видно, що найкращі результати (з=79.6%) в тому випадку, коли s=12 мм і фіктивна швидкість W0 = 3 м/с. Збільшення ефективності циклона із збільшенням величини зазору підтверджується і результатами досліджень, наведеними на рис. 7.

Конструкцією циклона передбачається, що відкинутий до стінки циліндричної частини пил, відокремлюється вставкою і інерційними силами переноситься в бункер через кільцевий простір між вставкою і корпусом циклону.

Рис. 6. Залежність ефективності очищення від фіктивної швидкості за різних значень величини зазору s(відносна довжина робочої зони lp = 3.5)

Рис.7. Вплив початкової концентрації і величини зазору s між стінкою корпуса та коаксіальною вставкою на ефективність очищення(відносна довжина робочої зони lp=3,5, фіктивна швидкість газу W0 =3 м/с)

Внаслідок вихрового характеру руху газопилового потоку в циліндричній частині, концентрований пиловий шар займає не елементарний (співрозмірний з діаметром частинок) кільцевий об`єм біля поверхні осадження, а має певну товщину, яка залежить від додаткових чинників: локальних вторинних збурень, взаємодії частинок одна з одною, пружного відскоку частинок від поверхні, зміни траєкторії руху частинок за рахунок стикання з мікро нерівностями поверхні та ін. Чим більше величина s, тим повніше цей зазор перекриває пиловий шар.

Крім того, локальні турбулентні вихори, які виникають в зоні звуження газового потоку (вхід очищеного газу в коаксіальну вставку), на наш погляд, з меншою інтенсивністю проникають до поверхні осадження із збільшенням зазору. Все це і обумовлює зростання ефективності циклона із збільшенням зазору. Подальше збільшення величини s >12 мм, на нашу думку, недоцільне, тому, що із збільшенням s, як буде показано дальше, зростає гідравлічний опір циклона.

б) вплив довжини робочої зони

Метою даного аналізу було визначити оптимальну довжину робочої зони, що забезпечує максимальну ступінь очищення запиленого газу. Дослідним шляхом встановлено, що при збільшенні довжини робочої зони ефективність очищення збільшується і досягає максимального значення приблизно при lp = 3.5, незалежно від величини зазору s. На рис.8 представлені графіки залежності ефективності очищення від відносної довжини робочої lp зони за різних значень величини зазору s, при запиленості газового потоку С = 3 г/мі і фіктивній швидкості w0 = 3м/с.

Можна припустити, що при довжині робочої зони lp < 3.5 час осадження частинок перевищує час перебування газу в робочій зоні, що і обумовлює низьку ефективність. При подальшому збільшенні довжини робочої зони (lp >3,5) ефективність очищення зменшується. Це можна пояснити зміною характеру руху газового потоку. Коли довжина робочої зони більше оптимальної, за рахунок перерозподілу складових абсолютної швидкості, збільшується осьова складова, ефективність дії відцентрових сил спадає. Відповідно зменшується ефективність.

Рис. 8. Залежність ефективності очищення від відносної довжини робочої lp зони за різних значень величини зазору s

За результатами досліджень приймаємо оптимальну відносну довжину робочої зони lp = 3,5. Згідно чисельних розрахунків математичної моделі при вловленні частинок, наприклад, 4 мкм і законі розподілу тангенціальної швидкості Wц = (R/r)0.7 Wвх, lp = 3,2. Таким чином, модель є достатньо адекватною.

в ) вплив довжини центральної труби.

Передбачалося, що в прямотечійному циклоні з коаксіальною вставкою навколо центральної труби повинен краще формуватися закручений потік, стабільність руху якого має значний вплив на ефективність очищення газу в апараті. Для дослідження впливу довжини центральної труби на ефективність роботи апарата було визначено ефективність очищення запиленого газового потоку за різної відносної довжини цієї труби Lт при запиленості газового потоку 3 - 10 г/мі і фіктивній швидкості 3 м/с для оптимальних геометричних розмірів: відносної довжини робочої зони lp = 3,5 і s = 12 мм.

Межі відношення довжини центральної труби до діаметра апарата (Lт =Н1/D) змінювали від 0 до 7,4. Діаметр труби дорівнює 0,6D (як у звичайних циклонах).

Для кращого візуального уявлення і аналізу впливу довжини центральної труби на процес очищення на рис.9 схематично показано її розміщення за різних значень Lт.Результати досліджень представлені на рис. 10. Аналіз результатів досліджень показує, що із збільшенням відносної довжини центральної труби від 0 до 7.4 ефективність очищення зростає, за винятком, коли Lт = 4.7 - ступінь очищення найменша, а при Lт = 7.4 сягає максимуму.

Очевидно, із збільшенням довжини труби в робочій зоні апарата і в коаксіальній вставці стабільність закрученого потоку максимальна, а вплив радіального стоку на ефективність – мінімальний.

Рис.9. Схеми розміщення центральної труби

Що стосується випадку зменшення ефективності при Lт = 4,7. В цьому варіанті труба розміщена приблизно на глибині 40 мм у вставці. За її межами, тобто в запоні її кінця, утворюється зона розрідження, що і обумовлює захоплення частинок очищеним потоком. Для порівняння на графіку подано результати досліджень ефективності очищення в апараті без центральної труби Lт =0.

Рис.10. Залежність ефективності очищення від запиленості газового потоку за різної відносної довжини центральної труби Lт

Отже, оптимальна відносна довжина центральної труби, що забезпечує максимальний ступінь очищення – приблизно 80%, складає Lт =7,4 (запиленість газового потоку 3 г/мі, фіктивна швидкість 3 м/с).

Обробка результатів досліджень методами регресійного аналізу дозволила отримати узагальнене рівняння для розрахунку ефективності очищення за оптимальних умов роботи апарата, коли lp = 3.5:

(3)

В наведеному рівнянні в критерії Стокса як характерний лінійний розмір прийнятий діаметр d50 – діаметр частинок, які вловлюються в даному конкретному режимі роботи апарата з ефективністю 50%. Як правило, d50 – визначають з графіків фракційної ефективності. Для аналітичного визначення d50 проведено теоретичний аналіз сил, діючих на частинку в криволінійному потоці газу з урахуванням величину радіального стоку. Отримане рівняння для визначення d50 має вигляд:

(4)

Дослідним шляхом виявлено, що гідравлічний опір даного пиловловлювача при оптимальній відносній довжині робочої зони lp = 3.5 і фіктивній швидкості 3 м/с менше у порівнянні з протитечійним циклоном ЦН-15 приблизно в 3 рази. На рис.11 наведені результати досліджень гідравлічного опору апарата за різних відносних довжин робочої зони при оптимальній величині зазору s між коаксіальною вставкою і корпусом циклона - 12 мм. Залежність гідравлічного опору від витрат газового потоку та відносної довжини робочої зони у вигляді функції критерія Ейлера (Eu) від критерія Рейнольдса (Re) та lp має вигляд:

(5)

Крім того, в роботі було визначено вплив величини зазору s на гідравлічний опір - рис. 12.

Аналізуючи отримані дані, бачимо, що із збільшенням величини зазору енергетичні витрати на процес очищення збільшуються. Це можна пояснити наступним чином:

Із збільшенням зазору між корпусом і коаксіальною вставкою, зменшується поперечне січення потоку газу. Відповідно зростає швидкість і втрати напору (які, як відомо, пропорційні квадрату швидкості). Крім того, в місці входу газового потоку в трубопровід вузького січення, біля верхнього краю коаксіальної вставки, виникають додаткові локальні збурення, що також веде до збільшення гідравлічного опору.

Для практичного застосування прямотечійного циклона з коаксіальною вставкою розроблено методику розрахунку його конструктивних розмірів в залежності від необхідних технологічних параметрів.

Підсумовуючи вище наведені результати досліджень, можна зробити наступні висновки:

1. Із збільшенням вхідної концентрації коефіцієнт корисної дії циклону зростає, тобто на процес впливає кінематична коагуляція частинок.

2. Оптимальна фіктивна швидкість, при якій ефективність очищення сягає максимального значення – приблизно 80 %, при С=3 г/м3, дорівнює 3 м/с. Із подальшим збільшенням фіктивної швидкості (до 5 м/с) ступінь очищення зменшується.

3. На процес сепарації твердої фази суттєвий вплив має відносна довжина робочої зони lp і величина зазору s між коаксіальною вставкою і корпусом апарата. Експериментально встановлені оптимальні відносні розміри: lp = 3,5 і s = 12 мм.

4. З метою стабілізації руху закрученої газової системи в робочій зоні апарата та зменшення впливу вихрових потоків в робочій зоні передбачена центральна труба. Як показали результати досліджень, найбільш ефективно апарат працює з центральною трубою максимальної довжини, тобто при Lт = 7.4.

5. З збільшенням величини зазору s та із зменшенням відносної довжини робочої зони енергетичні витрати на процес очищення збільшуються.

Рис.11. Порівняння гідравлічного опору ЦН-15 і прямотечійного циклона з коаксіальною вставкою за різних відносних довжин робочої зони lp при s=12мм

Рис.12. Вплив величини зазору s між стінкою корпуса і коаксіальною вставкою на гідравлічний опір апарата.

У четвертому розділі запропоновані методи збільшення ефективності очищення запилених газів і зменшення гідравлічного опору в прямотечійному циклоні з коаксіальною вставкою шляхом зменшення статичного тиску в камері відведення твердої фази (у кільцевому зазорі між корпусом циклона і коаксіальною вставкою), що досягається відведенням з цієї зони частини газового потоку.

В роботі теоретично обґрунтовано та експериментально доведено енергетичну доцільність відведення частини потоку по додатковій лінії.

Приведені результати досліджень ефективності від величини відведеного потоку q (q = Q2/Q1) для варіантів, коли камера під’єднана до трубопроводу очищеного повітря безпосередньо і коли відведений потік рухається через бункер. В останньому випадку в бункері передбачений лабіринтний затвір для зменшення виносу з нього осадженого пилу.Величина відведеного потоку q змінювалась від 5 до 15% від основного.

В обох випадках спостерігається збільшення ефективності і зменшення гідравлічного опору циклона. Перший варіант відомий і використовується в

промисловості для отримання концентрованого пилового потоку, що далі подається на другу ступінь очищення, наприклад, в мультициклон.

Розглянемо другий варіант, схема якого представлена на рис. 13. На рис.14 представлені результати досліджень ефективності за оптимальної фіктивної швидкості W0, які свідчать про те, що із збільшенням q до 10% ефективність, у порівнянні з режимом роботи апарата без відведення потоку зростає на 6-7%.

Рис. 13. Схема під’єднання газоходів при роботі циклона з відсмоктуванням

З подальшим збільшенням q ефективність зменшується, тому що частина осадженого пилу з бункера виноситься газовим потоком внаслідок недосконалої конструкції гідравлічного затвору.

Відмітимо, що в роботі приведені результати досліджень, спрямовані на пошук принципової можливості простим методом підвищити ефективність роботи циклона.

Рис.14. Залежність ефективності очищення від запиленості газу за різних витрат відсмоктуваного повітря

Дослідним шляхом встановлено, що при додатковому відведенні газового потоку через бункер зменшується статичний тиск в пристінному шарі не тільки в кільцевому зазорі (відведення осадженої твердої фази), а по всій висоті робочої зони (зони осадження), що і сприяє значному збільшенню ефективності очищення.

Приведено також аналіз впливу додаткового відведення газового потоку на розміри вловлених частинок.

На рис.15 представлені результати досліджень фракційної ефективності при питомих витрах q=10%. Визначення діаметра частинок пилу, які вловлюються в циклоні, проводили фотоседиментаційним методом аналізу. Наведені результати свідчать про те, що фракційна ефективність збільшується майже у всьому діапазоні розмірів частинок твердої фази.

Рис. 15. Залежність коефіцієнта очищення від діаметра частинок при

роботі апарата з відсмоктуванням газового потоку q=10% і в звичайному режимі

Фракційну ефективність очищення в апараті, який працює за звичайною схемою і по схемі відведення частини потоку (за оптимальних умов), можна представити у вигляді критеріальних залежностей, які отримані на основі експериментальних даних:

Рівняння для визначення фракційного коефіцієнта очищення газу від пилу з розмірами фракцій від від 6.3 до 50 мкм має вигляд:

а) робота апарата без відсмоктування - (6)

б) робота апарата з відсмоктуванням (q=10%) - (7)

В роботі також приведені залежності для визначення фракційної ефективності очистки від пилу з розмірами фракцій від 2,5 до 6,3 мкм.

ВИСНОВКИ

1. Основним недоліком роботи існуючих циклонів є наявність радіального стоку і завихрення газового потоку при вході очищеного газу у вихлопну трубу, що підвищує гідравлічний опір апарата та зменшує ефективність очищення газу.

2. Розроблена математична модель відцентрової сепарації у прямотечійних циклонах, що дає можливість оцінити вплив на швидкість і час осадження вхідної швидкості газу, розміру частинок, діаметру циклона.

3. Розроблена конструкція прямотечійного циклона з коаксіально розміщеною вставкою дозволяє значно зменшити негативний вплив радіального стоку.

4. Коефіцієнт гідравлічного опору циклона з коаксіальною вставкою менше в 2.6 – 54.5 рази від коефіцієнта опору існуючих протитечійних циклонів.

5. Ефективність очищення запиленого газу, за оптимальних умов роботи циклона, дорівнює приблизно 80%.

6. Отримана залежність для визначення розміру частинок, що вловлюються циклоном на 50% з урахуванням впливу радіального стоку.

7. Отримані критеріальні залежності дозволяють розрахувати ефективність очистки запилених газів і гідравлічний опір циклона.

8. Відведення газового потоку через два канали в робочій зоні циклона є енергетично доцільно.

9. Зменшення тиску в кільцевому зазорі між корпусом циклона і коаксіальною вставкою ефективності роботи пиловловлювача збільшується на 6 – 7 % при величині відсмоктуваного повітря q=10%.

10. Розроблена методика розрахунку циклона.

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

хr, хц, Wr, Wц - радіальна і тангенціальна швидкості частинки і газу відповідно, м/с; r – біжучий радіус в кільцевому просторі циклона, м; в = 18/dч2rч; з,зф – загальна та фракційна ефективність очищення газу в циклоні, відповідно, %; С0 – запиленість газу на вході в циклон, г/мі; W0 - фіктивна швидкість газу в апараті м/с; Н – довжина робочої зони, м; Н1 – довжина центральної труби, м; lp – відносна довжина робочої зони; Lт – відносна довжина центральної труби; s-величина зазору між коаксіальною вставкою і внутрішньою стінкою циклона, мм; q – відношення витрат відсмоктаного повітря до загальних витрат повітря,%; dч – діаметр частинок пилу, мкм; dфр – діаметр фракцій пилу, мкм; d50 – діаметр частинок пилу, які вловлюються на 50%; dм – медіанний діаметр пилу, мкм; D - діаметр циклона, м; - густина повітря, кг/м3; - динамічна в`язкість повітря, Н с/м2; Eu = ДР/W02 – критерій Ейлера; ДР – перепад тиску, Па; Re=W0D/ - критерій Рейнольдса; - критерій Стокса; rч - густина твердої фази, кг/м3; R1, R2, R3 – зовнішній радіус центральної труби, внутрішній радіус циклона та радіус коаксіальної вставки, відповідно, м; Q – загальні витрати повітря м3/с;

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дубинін А.І., Майструк В.В., Гаврилів Р.І. Пилоподавач з вібробункером для запилення повітря. //Вісник НУ Львівська політехніка Хімія, технологія речовин та їх застосування, 2003, №488.- С.192-195.

Сформульовано постановку проблеми рівномірності подачі пилу для штучного запилення повітря при дослідженні циклонних пиловловлювачів. Описано роботу відомого пилоподавача та його основні недоліки. Запропоновано модернізовану конструкцію пилоподавача ежекторного типу з деагломератором та досліджено його продуктивність.

2. Дубинін А.І., Ханик Я.М., Майструк В.В., Гаврилів Р.І. Вплив довжини поперечно-поточної зони на ефективність пиловловлювача з кільцевою робочою камерою. //Вісник НУ Львівська політехніка Хімія, технологія речовин та їх застосування, 2004, №516.- С.87-89.

Досліджено вплив довжини поперечно-поточної зони розділення на ефективність роботи відцентрового апарата. За результатами досліджень отримана математична залежність ефективності від довжини робочої зони та запиленості газового потоку.

3. Дубинін А.І., Майструк В.В., Гаврилів Р.І., Майструк І.В. Зменшення енерговитрат на пилоочищення шляхом використання пиловловлювачів з прямоточною зоною розділення. //Науковий вісник Українського державного лісотехнічного університету. 2004, випуск 14.4 - С.128 - 130.

Розроблено конструкцію циклона з прямотечійною зоною розділення та досліджено його гідравлічний опір залежно від швидкості газу в апараті. Визначено, що гідравлічний опір циклона з прямотечійною зоною розділення залежно від швидкісного режиму газового потоку в 3-5 раз менший, ніж опір інших циклонів.

4. Дубинін А.І., Ханик Я.М., Майструк В.В., Гаврилів Р.І. Прямотечійний циклон з коаксіальною вставкою. Аналіз роботи. // Хімічна промисловість України, 2005, №3. – С.26 – 28.

Представлено нову конструкцію прямотечійного циклона з коаксіальною вставкою. Встановлено оптимальні співвідношення геометричних розмірів, за яких забезпечується ефективність роботи не менше ніж 80%. Отримано аналітичну залежність, що дає змогу спрогнозувати ефективність очищення.

5. Дубинін А.І., Ханик Я.М., Майструк В.В., Гаврилів Р.І. Прямотечійний циклон з коаксіальною вставкою. Способи збільшення ефективності роботи. // Хімічна промисловість України, 2005, №5.–С.26 – 29.

Проаналізовано способи підвищення ефективності роботи прямотечійного циклона з коаксіальною вставкою. Показано, що при відведенні частини газового потоку через отвір у верхній зоні коаксіальної вставки загальна ефективність збільшується на 7%. Доведено енергетичну доцільність даного способу підвищення ефективності.

6. Деклараційний патент №10458 Україна, МПК В04С3/00 /Прямотечійний циклон/ Дубинін А.І., Майструк В.В., Гаврилів Р.І. Національний університет „Львівська політехніка”;-№ u 200504141;Заявлено 29.04.05; Опубліковано 15.11.2005; Бюл. № 11.

7. Дубинін А.І., Майструк В.В., Гаврилів Р.І. Енергоощадні відцентрові апарати з поперечно-поточною зоною розділення. // тези доповідей VIII міжнародної науково-практичної конференції „Проблеми управління якістю підготовки фахівців-екологів у світлі інтеграції освіти України в європейський простір та перспективні природоохоронні технології”, Львів -2003-С. 59.

Представлено нову конструкцію прямотечійного циклона з поперечно-поточною зоною розділення, його переваги у порівнянні з існуючими типами промислових циклонів.

8. Дубинін А.І., Ханик Я.М., Майструк В.В., Гаврилів Р.І. Гідродинаміка відцентрового апарату з поперечно-поточною зоною розділення. // тези доповідей ІІІ Науково–технічної конференції „Поступ в нафтопереробній та нафтохімічній промисловості.” , Львів 2004.- С.265.

Проведено дослідження гідродинамічних характеристик роботи циклона та визначено оптимальні параметри його роботи.

9. Дубинін А.І., Ханик Я.М., Майструк В.В., Гаврилів Р.І. Порівняння ефективності пиловловлення у відцентрових апаратах з протитечійною і поперечно-потоковою зонами розділення. // тези доповідей ІІІ Науково–технічної конференції „Поступ в нафтопереробній та нафтохімічній промисловості.” , Львів 2004.- С.266.

Проведений порівняльний аналіз ефективності очищення в прямотечійних циклонах з поперечно-поточною і прямотечійною зоною розділення.

АНОТАЦІЯ

Гаврилів Р. І. Дослідження ефективності прямотечійних циклонів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології. Національний університет „Львівська політехніка”, Львів – 2005.

Дисертація присвячена дослідженню ефективності роботи нових енергоощадних та високоефективних пиловловлюючих апаратів сухого очищення газів з прямотечійною зоною розділення.

На основі результатів досліджень гідродинаміки та ефективності пиловловлювання визначені оптимальні технологічні та конструктивні параметри роботи апарата. Отримані критеріальні залежності для визначення основних гідродинамічних та пилоочисних характеристик апарата.

Запропоновано та досліджено шляхи збільшення ефективності роботи досліджуваного циклону. Розроблено методику розрахунку циклона з коаксіальною вставкою.

Ключові слова: циклон, пиловловлювання, ефективність очищення, прямотечійна робоча зона.

АННОТАЦИЯ

Гаврылив Р.И. Исследование эффективности прямоточных циклонов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 – процессы и оборудование химической технологии. Национальный университет „Львовская политехника”, Львов – 2005.

Диссертация посвящена исследованию эффективности работы новых энергоэкономичных и высокоэффективных пилеулавливающих аппаратов сухой очистки газов с прямоточной зоной разделения.

На основании результатов исследований гидродинамики и эффективности пилеулавливания определены оптимальные технологические и конструкционные параметры роботы аппарата, при которых эффективность циклона приблизительно равна 80%, при стандартной запыленности газа на входе 3 г/м3.

Получены критериальные зависимости для определения основных гидродинамических и пилеочистных характеристик аппарата. Теоретическим путем получена зависимость, которая позволяет вычислить размер частиц пили улавливаемые циклоном с эффективностью 50%, с учетом негативного влияния радиального стока. В работе проведен расчет общей эффективности на основании логарифмически нормального закона розпредиления частиц пыли на входе в аппарат при оптимальных рабочих характеристиках циклона.

Предложены и проведены поисковые исследования по способах увеличения эффективности, путем уменьшения статического давления в кольцевом зазоре между корпусом циклона и коаксиальной вставкой. Теоретическим и опытным путем доказан энергетический смысл работы установки по данному способу.

Опыты показали, что уменьшения давления в кольцевом зазоре увеличивает общую эффективность работы до 87% при оптимальних относительных расходах отделенной части потока q=10%. Нужно отметить, что увеличение общей эффективности происходит в основном за счет увеличения эффективности улавливания частиц пыли мелких и средних фракций – от 2.5 до 30 мкм. Предложены критериальные зависимости для определения фракционной эффективности в пределах проводившихся исследований для частиц размерами от 2.5 до 50 мкм.

Разработана методика расчета циклона с коаксиальной вставкой. Произведено сравнение эффективности работы циклона для очистки пили различных материалов.

Ключевые слова: циклон, пылеулавливание, эффективность очистки, прямоточная рабочая зона.

SUMMARY

Havryliv R.I. Research of efficiency of the cyclone with direct-flow working zone. - Manuscript.

The dissertation on devoting of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.17.08 - processes and equipment of chemical technology. National university „Lviv Polytechniic ”, Lviv - 2005.

The dissertation is devoted to research of an overall performance new energyeconimical and highly effective dustrecovering devices of dry clearing of gases with the direct-flow zone of division. On the basis of results of researches of hydrodynamics and efficiency of the dustrecovering the optimum technological and constructional parameters of work of the device are determined. The criterial dependences for definition of basic hydrodynamical and dustrecovering characteristics of the device are received .

Are offered and the ways of increase of efficiency robots of the investigated cyclone are investigated.

Keywords: a cyclone, dustrecovering, efficiency of clearing, direct-flow, a working zone.