НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Марціяш Орест Михайлович

УДК 628.511

ОЧИСТКА ПИЛОГАЗОВИХ ПОТОКІВ В ЦИКЛОНІ З СТУПЕНЕВИМ ВІДВЕДЕННЯМ ПИЛУ

05.17.08 – процеси й обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | Кандидат технічних наук, доцент

Куц Віктор Петрович

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри “Обладнання харчових технологій”

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор

Півень Олександр Наумович

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри “Машини та апарати хімічних і нафтопереробних виробництв”

Доктор технічних наук, професор

Ханик Ярослав Миколайович

Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри “Хімічна інженерія”

Провідна установа: | Сумський державний університет

Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “20” лютого 2006 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.09 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, пл. Св. Юра, корпус 9, ауд. 214).

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

Автореферат розісланий “12” січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент | Атаманюк В.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Захист повітряного басейну від забруднення промисловими і вентиляційними викидами є однією із найважливіших проблем сучасності, що охоплює в тій чи іншій мірі практично всі країни світу, незалежно від рівня їх промислового розвитку, вона не визнає територіальних границь. На вирішення цієї проблеми в промисловорозвинених країнах виділяються значні кошти, адже об’єми викидів в атмосферу обмежуються міжнародними конвенціями, і впровадження нових безвідходних технологій виробництв, створення нових ефективних методів і апаратів очистки, вдосконалення діючої газоочисної апаратури є єдиним шляхом для зростання обсягів господарської діяльності і розширення виробництва.

Серед можливих шляхів вдосконалення обладнання для очистки газів від пилу як один із перспективних варто відмітити створення пиловловлювачів, в яких поєднані принципи дії декількох апаратів. При цьому вдається не тільки підвищити ступінь очистки, але і зменшити виробничі площі, що займає пилоочисне обладнання, скоротити енергетичні затрати на процес очистки і таким чином знизити вартість очистки в порівнянні з використанням декількох окремих апаратів, принципи дії яких поєднані в цьому обладнанні.

Для апаратів „сухої” пилоочистки вдалим технічним рішенням є створення пиловловлювачів, в яких поєднані принципи дії найпоширеніших апаратів відцентрової очистки – циклонів і жалюзійних пиловловлювачів.

В таких апаратах за рахунок встановлення циліндричної жалюзійної решітки, закритої знизу глухим конічним днищем, створюються умови для додаткового розділення пилогазового потоку при проходженні через решітку і усуваються характерна для циклонів турбулізація повітряного потоку при зміні його напряму і захоплення ним частинок уже виділеного з потоку пилу. Крім того, не утворюється зона розрідження біля горловини вихідної труби і не засмоктуються частинки пилу потоком очищеного газу, що входить у цю трубу знизу. Гідравлічний опір таких пиловловлювачів також нижчий, ніж у циклонах, за рахунок застосування жалюзійного відводу газу, адже швидкість проходження газу через бокову поверхню жалюзійної решітки менша, ніж у горловині вихідної труби циклона, так як площа живого перерізу бокової поверхні решітки більша, ніж площа поперечного перерізу горловини вихідної труби.

Однак в цих апаратах, як і в циклонах, транспортування виділених за рахунок відцентрової сили частинок пилу здійснюється через конічну частину апарата, яка входить в пилозбірний бункер. Збільшення відцентрової сили в конічній частині при зменшенні діаметра збільшує силу тертя між частинками пилу і стінкою апарата, що в певній мірі загальмовує рух частинок пилу у пилозбірний бункер.

Крім того, відкинуті до периферії в циліндричній частині апарата частинки пилу в конічній частині рухаються в зворотному напрямі і за рахунок зменшення віддалі між пристінним шаром пилу та потоком очищеного газу, що піднімається з бункера, частково виносяться цим потоком, що зменшує ефективність пиловловлювання.

Пошук шляхів усунення цього недоліка зумовив рішення створити апарат, в якому відвід виділених з пилогазового потоку частинок пилу здійснюється ступенево по його висоті.

Таке рішення повинно сприяти не тільки підвищенню ефективності, але і зниженню гідравлічного опору за рахунок покращення гідродинаміки процесу, зокрема в конічній частині пиловловлювача.

Такий шлях вдосконалення апаратів цього типу виглядає перспективним, що і визначає актуальність дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно тематики науково-дослідних робіт Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя у відповідності до пріоритетного напрямку науково-дослідних робіт в Україні „Охорона навколишнього природного середовища”, затвердженого Постановою Верховної ради України 16 жовтня 1992 року, №2705-XI

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення нового пиловловлюючого апарата, в якому поєднані принципи дії відцентрових і жалюзійних пиловловлювачів, проведення теоретичних і експериментальних досліджень процесу розділення в ньому пилогазових потоків. Для досягнення поставленої мети передбачається вирішення таких задач:

-провести аналіз роботи і конструкцій пиловловлювачів, в яких поєднані принципи дії відцентрових і жалюзійних апаратів, і обґрунтувати доцільність створення циклона з ступеневим відведенням пилу;

-розробити конструкцію циклона з ступеневим відведенням пилу;

-провести експериментальні дослідження для визначення технічних характеристик створеного пиловловлювача;

-провести теоретичний розрахунок гідравлічного опору пиловловлювача за методиками, що враховують його технологічні та конструктивні параметри і особливості;

-створити математичну модель розрахунку ефективності пиловловлювання і розрахувати ефективність створеного апарата;

-узагальнити результати досліджень;

-провести порівняння результатів теоретичних розрахунків з результатами експериментальних досліджень;

-розробити методику розрахунку створеного і дослідженого пиловловлювача;

-провести заходи для практичного використання пиловловлювача у виробничих умовах, оцінити економічну доцільність, розробити рекомендації щодо його застосування і техніко-економічної оптимізації.

Об’єкт дослідження – процес очистки пилогазових потоків в створеному циклоні з ступеневим відведенням пилу.

Предмет дослідження – вплив режимних і конструктивних параметрів апарата на гідравлічний опір і ефективність очистки пилогазових потоків.

Методи дослідження – гідродинамічний (для визначення швидкостей і витрат потоків, втрат тиску); ваговий (для визначення ступеня очистки як відношення кількості вловленого в пиловловлювачі пилу до кількості пилу, що в нього поступає); дисперсний аналіз (для визначення складу початкового пилу і пилу, вловленого в апараті). В теоретичних розрахунках використані основні рівняння інерційної сепарації в криволінійних каналах; для обробки результатів експериментальних досліджень застосовані основні методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі:

- обґрунтована можливість підвищення ефективності пиловловлювання в створеному циклоні з ступеневим відведенням пилу;

- досліджений вплив технологічних (вхідна і фіктивна швидкості пилогазового потоку, продуктивність) і конструктивних (досліджено два різних за продуктивністю і розмірами апарати) параметрів на ступінь очистки і гідравлічний опір створеного пиловловлювача;

- отримані аналітичні залежності для розрахунку гідравлічного опору створеного пиловловлювача від його продуктивності, визначено коефіцієнт втрат тиску в апараті;

- отримані аналітичні залежності для розрахунку ефективності пиловловлювання в створеному апараті за математичною моделлю процесу сепарації в ньому;

- отримані аналітичні залежності для визначення ефективності пиловловлювання від визначальних критеріїв.

Практичне значення одержаних результатів. Створено новий пиловловлюючий апарат - циклон з ступеневим відведенням пилу, - який дозволяє збільшити ефективність пиловловлювання в порівнянні з відцентрово-інерційними пиловловлювачами з жалюзійним відводом повітря однакової продуктивності на
5 %.

Розроблена методика розрахунку технічних характеристик і конструктивних розмірів створеного пиловловлювача.

Розроблена технічна документація на пиловловлювач продуктивністю 1700 м3/год. Два пиловловлювачі, виготовлені за цією документацією, знайшли практичне застосування на двох підприємствах: Дружбівському цеху переробки деревини Тернопільського держлісгоспу і ТОВ „Дружбабудіндустрія”. Річний економічний ефект від застосування цих пиловловлювачів складає 43 тис. грн. і 38 тис. грн., відповідно, що підтверджено актами впровадження.

На основі результатів експериментальних досліджень і даних експлуатації на цих підприємствах розроблені рекомендації щодо ширшого практичного застосування створеного пиловловлювача.

Розроблена методика техніко-економічної оптимізації систем пиловловлювання із застосуванням створеного циклона з ступеневим відведенням пилу.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які складають зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, які написані у співавторстві, дисертанту належить: у роботі [1] – аналіз роботи і конструкцій відцентрових пиловловлювачів і шляхів усунення їх недоліків; у роботі [2] – виготовлення пиловловлювача, монтаж експериментального стенда і проведення експериментів; у роботі [3] – розрахунок гідравлічного опору створеного пиловловлювача; у роботі [4] – проведення експериментальних досліджень; у роботі [5] – розрахунок конструктивних розмірів пиловловлювача; у роботі [6] – порівняльний аналіз методик визначення техніко-економічних показників пиловловлюючого обладнання; у роботі [9] – участь в розробці технічної документації і виготовленні приладу для визначення дисперсного складу пилу.

Авторські права на циклон з ступеневим відведенням пилу захищені деклараційним патентом України №62320А [7], а на спосіб визначення дисперсного складу порошків і пилу – деклараційним патентом України №59094А [8].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і були схвалені на VIII і ІX Міжнародних конференціях „Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ – Черкаси – 2003), (м. Київ – 2004), міжнародній нараді (сесії МАНЕБ) „Удосконалення і розвиток співробітництва вчених і виробників Росії і України під час вирішення міжрегіональних проблем екологічної безпеки” (м. Суми – 2002), IV науково-технічній конференції „Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні” (м. Тернопіль – 2000) [10], VII, VIII, ІХ наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль – 2003, 2004, 2005) [11-13].

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані у 13 наукових роботах, серед яких 6 статей у наукових фахових виданнях України, 2 деклараційні патенти та 5 доповідей і тез конференцій. Всього ж за результатами досліджень в галузі пилоочистки, які враховані при виконанні дисертаційної роботи, автором опубліковано 25 робіт.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 134 сторінках, містить 55 рисунків, 12 таблиць, список із 119 використаних джерел із найменуваннями і додатки на 25 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована основна мета та завдання досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, приведена інформація про апробацію роботи, публікації, основні положення і закономірності, отримані автором, що виносяться на захист.

В першому розділі “Проблема очистки промислових і вентиляційних викидів в атмосферу і шляхи її вирішення” приведені характеристики основних викидів в атмосферу і обґрунтована необхідність їх вловлювання. Проаналізовані сучасні методи і засоби боротьби з пилом, детально розглянуті етапи розвитку і вдосконалення найпоширеніших апаратів “сухої” відцентрової очистки – циклонів, а також відцентрових пиловловлювачів комбінованої дії, приведені їх основні характеристики і проаналізовані шляхи вдосконалення. На основі цього аналізу обґрунтована доцільність і висвітленні передумови створення циклона з ступеневим відведенням пилу. Визначено місце і області раціонального застосування створеного пиловловлювача в класифікаційній схемі пиловловлювачів. Сформульовано мету та задачі досліджень.

В другому розділі “Гідродинамічні характеристики циклона з ступеневим відведенням пилу” приводяться результати експериментальних та теоретичних досліджень по визначенню гідравлічного опору створеного пиловловлювача і впливу на його величину режимних та конструктивних параметрів. Розглянуті будова, принцип дії та конструктивні особливості пиловловлювача, визначені технологічні та конструктивні параметри, що обумовлюють його роботу, викладена методика досліджень, описані експериментальний стенд і його обладнання. Проведені порівняння результатів експериментальних досліджень і теоретичних розрахунків гідравлічного опору за декількома методиками і визначена придатність деяких з них для розрахунку опору даного апарата.

Пиловловлювач, що досліджується, показаний на рис. 1.

Складовими елементами його конструкції є циліндро-конічний корпус 1, жалюзійна решітка 2, тангенціальний патрубок вводу пилогазового потоку 3, патрубок виводу очищеного газу 4, випускний клапан 5, бункер 6. Між циліндричною і конічною частинами корпуса апарата передбачений кільцевий зазор шириною 10 мм. На половині висоти конічної частини корпуса також передбачений зазор, ширина якого регулюється від 5 до 15 мм. Випускний клапан 5 із сферичною верхньою частиною може переміщатись вздовж осі апарата, перекриваючи пиловипускний отвір із апарата в бункер із зазором від 5 до 40 мм.

Принцип роботи цього пиловловлювача такий. Пилогазовий потік через тангенціальний патрубок 3 попадає в кільцевий канал між корпусом апарата 1 і жалюзійною решіткою 2, де обертаючись, опускається вниз. Під дією відцентрової сили частинки пилу відкидаються до стінки корпуса. При переході циліндричної частини корпуса в конічну через кільцевий зазор вони попадають в бункер 6. Це частинки найбільших розмірів, які виділились із потоку у верхній частині апарата. При цьому при обертанні потоку навколо жалюзійної решітки найчистішими стають шари потоку, що рухаються безпосередньо біля решітки. Саме вони і проходять між пластинами решітки, попадають всередину решітки і виводяться із апарата через вихлопну трубу, яка є продовженням решітки у верхній частині. Так виводиться із апарата у вигляді очищеного газу основна частина потоку.

Частинки пилу, що є в цих шарах, за рахунок значно більшої, ніж газу, густини, майже зберігаючи попередній напрям руху, не проходять в зазори між пластинами решітки, а вдаряються об пластини, відбиваються від них в бік потоку, підхоплюються ним, вдаряються в наступну пластину, знову відбиваються в потік і в кінцевому рахунку опускаються нижче жалюзійної решітки в конічну частину апарата. Сюди ж попадає і незначна частина газу, що не пройшла через бокову поверхню решітки. Разом з цією частиною газу в конічну частину пиловловлювача попадають частинки пилу, що не встигли досягти стінки корпуса апарата в циліндричній частині. Оскільки цей потік зберігає попередній обертовий рух, частинки пилу під дією відцентрової сили відкидаються до периферії і потрапляють на внутрішню поверхню конічної частини апарата. На половині її висоти передбачений другий кільцевий зазор. Діаметр конуса в цьому місці практично співпадає з діаметром жалюзійної решітки. Через цей зазор і попадають в бункер частинки пилу, що виділились із потоку в конічній частині. Частинки пилу, що не попали і в цей зазор, можуть попасти в бункер через пиловипускний отвір в найнижчій частині апарата.

Клапан у пиловипускному отворі апарата сприяє покращенню умов відводу частини газу, яка потрапляє в бункер, назад у верхню частину апарата, де він через жалюзійну решітку потрапляє у патрубок відводу очищеного газу. Очищений газ рухається через отвір в центральній частині клапана вверх, а частинки пилу біля його периферії – вниз.

Для візуального спостереження за тим, як відводяться частинки пилу через зазори по висоті циклона, в циліндричній частині бункера вирізаний отвір розміром 150х400 мм, щільно закритий склом.

Для проведення експериментальних досліджень були спроектовані два пиловловлювачі: продуктивністю 0,44 м3/с (1600 м3/год) діаметром 0,4 м із металу і продуктивністю 0,0275 м3/с (100 м3/год) діаметром 0,1 м із органічного скла. Апарат із скла був повністю розбірним, що значно розширювало можливість досліджень впливу конструкції на показники його роботи.

Найважливішими параметрами, які зумовлюють роботу створеного пиловловлювача і вплив яких на величини ступеня очистки і гідравлічного опору досліджувався, є:

1) витрата пилогазового потоку, яку в більшості випадків виражають через швидкість потоку у вхідному патрубку wвх. або через швидкість потоку у поперечному перерізі (плані) апарата wпл. (фіктивна швидкість);

2) швидкість проходження очищеного газу через жалюзійну решітку wр.;

3) швидкість виходу очищеного газу із апарата wвих..

Серед конструктивних параметрів найважливішими для дослідження є величини зазорів по висоті апарата.

Для апарата Ш 0,1 м, крім впливу величини зазорів, досліджувався вплив різних способів відводу очищеного повітря із апарата (вихлоп в атмосферу, коліно, кільцевий дифузор) і конічного днища під жалюзійною решіткою (кут при вершині 600, 900, і 1200).

Для перевірки достовірності прийнятих при розробці конструкції циклона з ступеневим відведенням пилу теоретичних розрахунків і припущень необхідно було провести його експериментальні дослідження за загальноприйнятою для такого класу обладнання методикою. У відповідності до вимог цієї методики при експериментальних дослідженнях для всіх видів пиловловлювачів визначаються їх основні технічні показники: загальний ступінь очистки і гідравлічний опір.

Оскільки у відповідності до вимог методики визначення гідравлічного опору повинно проводитися на незапиленому повітрі, то експериментальні дослідження проводилися у два етапи: спочатку визначався гідравлічний опір пиловловлювача і досліджувався вплив на нього режимних і конструктивних параметрів, а потім визначалась ефективність очистки і досліджувався вплив на неї тих же параметрів з використанням експериментального пилу, регламентованого методикою. Для проведення експериментальних досліджень створеного пиловловлювача був змонтований стенд, вимоги до якого також регламентовані методикою. Схема стенда показана на рис. 2.

Основним обладнанням стенда є вентилятор середнього тиску 1 продуктивністю 0,55 м3/с, пиловловлювач, що досліджується 2, вимірювальні прилади (пневмометричні трубки 3, 4, дифманометри 5, 6, 7), пристрій для подачі пилу 8. На вході в пиловловлювач і на виході з нього передбачені прямі ділянки трубопроводів однакового діаметра d з довжиною l >10 d для встановлення вимірювальних приладів.

Як видно із графіка залежності гідравлічного опору р від фіктивної швидкості газового потоку wпл., представленому на рис. 3, при швидкості в поперечному перерізі апарата wпл.=3,5 м/с, яка була прийнята як оптимальна при розрахунку апарата при його створенні, гідравлічний опір становить 850 Па. Коефіцієнт гідравлічного опору о при цьому значенні wпл. становить 115. Швидкість у вхідному патрубку wвх. становить при цьому 28 м/с, коефіцієнт опору о1, віднесений до вхідної швидкості, становить 1,84, швидкість проходження газу через жалюзійну решітку wр. становить 4,65 м/с, а швидкість газу у вихлопній трубі wвих. – 9,9 м/с. Вказані залежності приведені для таких умов роботи: 1) пиловловлювач працював під тиском; 2) очищений газ відводиться з вихлопної труби безпосередньо в атмосферу (вихлоп); 3) зазор між циліндричною і конічною частиною корпуса становив 10 мм, в конічній частині - 10 мм, а у пиловпускному патрубку 20 мм; 4) під жалюзійною решіткою встановлене конічне днище з кутом при вершині 90°. Варто зауважити, що істотний вплив на величину гідравлічного опору має лише спосіб відведення очищеного газу в атмосферу. Вплив величини зазорів і конічного днища решітки практично непомітний.

Аналогічна залежність для пиловловлювача діаметром 100 мм приведена на
рис. 4.

При значенні швидкості в поперечному перерізі wпл.=3,5 м/с гідравлічний опір цього апарата становить 790 Па, коефіцієнт опору о=107. Швидкість у вхідному патрубку wвх.=27,5 м/с, коефіцієнт опору о1=1,91. Швидкість проходження газу через жалюзійну решітку wр.=4,7 м/с, а швидкість газу у вихлопній трубі wвих.=10,2 м/с.

Щоб наглядно оцінити вплив способу відводу очищеного газу із апарата, на рис. 5 приведений графік залежності гідравлічного опору від швидкості в плані для апарата, в якому відвід очищеного газу здійснюється через коліно, а на рис. 6 аналогічна залежність для апарата з відводом очищеного газу через дифузор.

При відводі газу через коліно при швидкості wпл.=3,5 м/с гідравлічний опір становить 770 Па, коефіцієнт опору о, віднесений до цієї швидкості, становить 104. Швидкість потоку у вхідному патрубку wвх.=27,5 м/с, коефіцієнт опору о1, віднесений до вхідної швидкості - 1,7.

При відводі газу через дифузор значення гідравлічного опору при швидкості wпл.=3,5 м/с становить 750 Па, коефіцієнт опору о =102. Швидкість потоку у вхідному патрубку wвх.=27,5 м/с, а коефіцієнт опору о 1, віднесений до цієї швидкості, становить 1,65.

Хоч графіки залежностей між гідравлічним опором і продуктивністю (рис. 7 і 8) є похідними від графіків залежностей опору від вхідної швидкості або швидкості в поперечному перерізі апарата, однак вони важливі для оцінки енергетичних затрат на очистку і дуже зручні в цьому плані для порівняння з пиловловлювачами інших конструкцій. Крім того, за цими графіками можна встановити аналітичну залежність між гідравлічним опором і продуктивністю Дp=aQm методом графічного розв’язку рівняння lg(Дp) = lg a + mlg Q. Наявність такої залежності значно спрощує методику розрахунку пиловловлювача.

Крім експериментальних досліджень по визначенню гідравлічного опору були проведені теоретичні розрахунки його величини за трьома відомими методиками: за двома для циклонів і однією - для відцентрово-інерційних пиловловлювачів з жалюзійним відводом повітря.

Дві з них виявились придатними для апарата, що досліджується: розходження між експериментальними і теоретичними даними складають 2,1% і 14,0% відповідно. Розходження при застосуванні третьої методики виявилось дуже значним.

В третьому розділі “Дослідження процесу пиловловлювання в циклоні з ступеневим відведенням пилу” приведені результати експериментальних і теоретичних досліджень по визначенню ефективності пиловловлювання в залежності від режимних і конструктивних параметрів створеного пиловловлювача.

Описана методика проведення досліджень, приведені характеристики експериментального пилу, результати експериментальних досліджень і теоретичних розрахунків, проведено їх порівняння і узагальнення.

Експериментальні дослідження проводились на тому ж експериментальному стенді і в тих же режимах, в яких визначався гідравлічний опір апарата. Як експериментальний застосовувався кварцовий пил густиною 2650 кг/м3 з медіанним діаметром 8 мкм. Вимоги до нього регламентовані методикою.

За результатами досліджень побудовані графіки залежностей ефективності пиловловлювання обох апаратів від швидкості пилоповітряного потоку на вході в апарат = ѓ (wвх.), від швидкості цього потоку в поперечному перерізі (плані) апарата = ѓ(wпл.), від продуктивності = ѓ(Q), залежності між ефективністю і гідравлічним опором р для двох режимів роботи: під тиском і під розрідженням. Такі графіки побудовані при різних значеннях зазорів в корпусі, різних конічних днищах жалюзійної решітки, різних відводах очищеного повітря.

На рис. 9 приведена залежність ефективності пиловловлювання від фіктивної швидкості пилоповітряного потоку в пиловловлювачі діаметром 0,4 м, який працює під тиском, а відвід очищеного повітря з апарата здійснюється безпосередньо в атмосферу. Значення величин зазорів для цих умов дослідження становлять: у верхній частині - 10 мм, середній - 10 мм, нижній - 20 мм. Конічне днище решітки має кут при вершині 90°.

На рис. 10 приведена залежність між ефективністю пиловловлювання і гідравлічним опором апарата при тих же умовах. Вона важлива з точки зору оцінки затрат на процес очистки. Дуже часто саме на основі таких залежностей на практиці роблять вибір на користь того чи іншого пиловловлюючого обладнання.

Аналогічні залежності отримані і для пиловловлювача діаметром 0,1 м.

Як свідчать отримані результати, в апараті діаметром 0,4 м ефективність пиловловлювання при вказаних умовах роботи сягає 95 %, а в апараті діаметром 0,1 м- 96 %. Ці показники вищі за показники дослідженого за такою методикою відцентрово-інерційного пиловловлювача з жалюзійним відводом повітря, конструкція якого послужила прообразом конструкції створеного циклона з ступеневим відведенням пилу. Ефективність пиловловлювання у вказаному апараті діаметром 0,6 м становила 87 %. Це означає, що створення циклона з ступеневим відведенням пилу є доцільним, а обраний шлях вдосконалення пиловловлюючого обладнання є перспективним і потребує подальшого розвитку.

Теоретичний розрахунок ефективності пиловловлювання проводився як за загальноприйнятою методикою за парціальними коефіцієнтами очистки і фракційним складом пилу, так і за математичною моделлю процесу.

Незначне (1,6%) розходження експериментальних даних з даними розрахунків за парціальними коефіцієнтами очистки свідчить про високу точність визначення дисперсного складу початкового і вловленого пилу в розробленому за участю автора седиментометрі.

Розрахунок ефективності за математичною моделлю, розрахункова схема якої представлена на рис. 11, полягає у перевірці другої необхідної умови сепарації частинок, а саме умови рівності відцентрової сили частинки, яка знаходиться на границі осьової течії, затягуючій силі радіального стоку. За цією концепцією зрівноважені таким чином частинки обертаються на стаціонарній кільцевій орбіті і мають однакову ймовірність бути знесеними у вихлопну трубу, або залишитись в циклоні і бути вловленими .

В диференціальних рівняннях руху частинок на початковій ділянці руху в криволінійному каналі

, (1)

і за межами початкової ділянки

, (2)

де R – радіус канала, м;

t – час, с;

– час релаксації пилової частинки, с;

k – постійна закону площ (k=wR), м2/с;

w0 – початкова швидкість повітряного потоку, м/с;

R0 – початковий радіус входу частинки в канал, м,

радіальний сток Ф (м2/с) може бути врахований як:

, (3)

. (4)

Під впливом стоку радіальна складова швидкості частинки зменшується і стає рівною нулю на відстані максимального віддалення від осі обертання, рівному R*. Якщо R* > R1, то частинка буде обертатись по стаціонарній орбіті, періодично відхиляючись від неї під впливом сил інерції; при R* < R1 частинка виноситься в осьовий потік.

На вході в циклон (t = 0, R=R0) радіальна складова швидкості і з рівняння (3) витікає, що в залежності від розміру частинки можуть рухатись до зовнішньої стінки або, навпаки, зноситись до осі обертання . Для дотику частинки із стінкою в обох випадках необхідне дотримання умови R* ? R1.

Величину радіуса стаціонарної орбіти можна визначити із рівняння (3). Так як R* = const, то після досягнення стаціонарної орбіти, тобто при R = R*, і рівні нулю і з рівняння (3) визначається

, (5)

де с – постійна інтегрування, м2/с.

За межами початкової ділянки, тобто при ? 0, відповідно

. (6)

Рівняння (5) і (6) встановлюють зв’язок між радіусом стаціонарної орбіти частинки і її розміром. Підставляючи в рівняння (6) значення , можна визначити

. (7)

За розрахованими значеннями d і їх вмістом в початковому пилові визначається величина ефективності пиловловлювання. Розходження між експериментальними даними і даними теоретичних розрахунків незначне – не більше 4,2%.

Обробка експериментальних даних за методами теорії подібності дозволила одержати рівняння для визначення парціальних коефіцієнтів очистки у вигляді:

n = 0.291(Stk)0.124 (8)

для апарата діаметром 0,4 м в межах значень 0<Stk<2,35.104 і

n = 0.222(Stk)0.139 (9)

для апарата діаметром 0,1 м в межах значень 0<Stk<6,75.104. Графіки парціальних коефіцієнтів очистки, побудовані за рівняннями (8) і (9), представлені на рис.12.

Розраховане за формулою

=пФвх./100 (10)

значення повного коефіцієнта пиловловлювання в апараті діаметром 0,4 м складає 87,6 %. Різниця між експериментальним значенням і теоретично розрахованим складає 7,4 %, що по відношенню до експериментально визначеного коефіцієнта пиловловлювання складає 7,8 %.

Для пиловловлювача діаметром 0,1 м теоретично розраховане значення повного коефіцієнта пиловловлювання складає 89,55 %. Різниця між експериментальним значенням і теоретично розрахованим складає 6,45 %, що по відношенню до експериментально визначеного коефіцієнта пиловловлювання складає 7,0 %.

В четвертому розділі “Практичне використання результатів проведених досліджень” приведені методики розрахунку технічних показників і конструктивних розмірів створеного пиловловлювача, визначення техніко-економічних показників. Приведені результати практичного використання створеного апарата на двох підприємствах, намічені області раціонального використання. Розкрита суть техніко - економічної оптимізації очисних систем з використанням цього апарата.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу конструкцій і показників роботи відцентрових пиловловлювачів з жалюзійним відводом очищеного газу обґрунтована доцільність створення в таких апаратах ступеневого відведення відсепарованого пилу.

2. Розроблена конструкція циклона з ступеневим відведенням пилу, на яку отримано деклараційний патент України № 62320А.

3. Проведені експериментальні дослідження двох різних за продуктивністю пиловловлювачів і визначені їх технічні характеристики:

а) гідравлічний опір і його залежності від швидкості в поперечному перерізі (плані) апарата і від швидкості у вхідному патрубку . Для пиловловлювача діаметром 0,4 м продуктивністю 0,44 м3/с (1600 м3/год) коефіцієнт гідравлічного опору, віднесений до швидкості газів в плані, становить 115, а коефіцієнт опору віднесений до швидкості у вхідному патрубку, становить 1,84. Для пиловловлювача діаметром 0,1 м продуктивністю 0,0275 м3/с (100 м3/год) коефіцієнт опору, віднесений до швидкості в плані, становить 107, а віднесений до вхідної швидкості, становить 1,91;

б) ефективність пиловловлювання і її залежності від швидкості в плані і від швидкості у вхідному патрубку . Найвищий показник ефективності вловлювання стандартного кварцового пилу з медіанним діаметром частинок 50 = 8 мкм густиною 2650 кг/м3 при оптимальній швидкості wпл. = 3,5 м/с в апараті діаметром 0,4 м досягає 95%, а в апараті діаметром 0,1 м – 96%;

в) залежності між ефективністю пиловловлювання і гідравлічним опором для обох апаратів, важливі для оцінки вартості процесу очистки.

4. Проведений теоретичний розрахунок гідравлічного опору створеного апарата за трьома методиками і шляхом порівняння з даними експериментальних досліджень рекомендовано дві з них як придатні для цього пиловловлювача.

5. Теоретично розрахована ефективність пиловловлювання на основі математичної моделі, побудованої з врахуванням режимних і конструктивних параметрів створеного апарата і його особливостей.

6. Шляхом обробки експериментальних даних отримані узагальнені критеріальні рівняння для розрахунку парціальних коефіцієнтів очистки.

7. Проведена порівняльна оцінка результатів теоретичних розрахунків і результатів експериментальних досліджень. При визначенні гідравлічного опору розходження між теоретичними і експериментальними даними не перевищують
14 %, а при визначенні ефективності очистки – 7,8 %.

8. Для визначення технічних показників і конструктивних розмірів створеного пиловловлювача розроблена методика його розрахунку.

9. Проведені заходи щодо практичного застосування створеного пиловловлювача, розрахована економічна ефективність його використання, обґрунтовані рекомендації по раціональному використанню і техніко-економічній оптимізації. Пиловловлювач продуктивністю 1700 м3/год знайшов застосування на двох підприємствах: Дружбівському цеху переробки деревини Тернопільського державного лісогосподарського об’єднання “Тернопільліс” і ТОВ “Дружба Будіндустрія”. Річний економічний ефект від застосування на першому підприємстві становить 43 тис. грн., на другому – 38 тис. грн., що підтверджено актами впровадження.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Куц В. П., Марціяш О. М., Ярош Я. Д. Доцільність і передумови створення циклона з ступеневим відведенням твердої фази / Вісник Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. – Тернопіль, 2003. Т. 8, №4. – С.128-132.

2. Куц В. П., Марціяш О. М., Ярош Я. Д. Визначення гідравлічного опору циклона зі ступеневим відведенням твердої фази / Вісник Сумського державного університету. Серія “Технічні науки”. – Суми, 2003. №12(58). – С.98-102.

3. Куц В. П., Марціяш О. М. Методи розрахунку гідравлічного опору циклона з ступеневим відведенням пилу / Науковий вісник Українського державного лісотехнічного університету. Збірник науково-технічних праць. – Львів, 2004. Вип. 14.7. – С.91-99.

4. Куц В. П., Марціяш О. М. Визначення ефективності очищення в циклоні з ступеневим відведенням пилу / Вісник Національного університету “Львівська політехніка № 516 “Хімія, технологія речовин та їх застосування”. – Львів, 2004. – С.93 – 98.

5. Куц В. П., Марціяш О. М. Розрахунок і області раціонального застосування циклона зі ступеневим відведенням пилу / Науковий вісник Українського державного лісотехнічного університету. Збірник науково–технічних праць. – Львів, 2004. Вип. 14.1. – С. 67-71.

6. Куц В. П., Марціяш О. М. Методика визначення техніко – економічних показників циклона з ступеневим відведенням пилу / Вісник Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. – Тернопіль, 2004. Т. 9, №2. - С. 83-88.

7. Пат. 62320А Україна, 7ВО4С 3/06. Циклон підвищеної ефективності із ступеневим відведенням твердої фази: Пат. 62320А Україна, 7ВО4С 3/06 /Куц В. П., Марціяш О. М., Ярош Я. Д. Заявл. 20.03.03; Опубл. 15.12.03; Бюл. №12. – 2с.

8. Пат. 59094А Україна, 7G01N 15/04. Спосіб визначення дисперсного складу порошкоподібного матеріалу: Пат. 59094А Україна, 7G01N 15/04 /Куц В. П., Каспрук В. Б., Ярош Я. Д., Марціяш О. М. Заявл. 15.01.03; Опубл. 15.08.03; Бюл. №8. – 2с.

9. Куц В. П., Марціяш О. М., Ярош Я. Д. Прилад для визначення дисперсного складу порошків і пилу / Сб. трудов Международной научно-практической конференции “Межрегиональные проблемы экологической безопасности” – Сумы. – Санкт-Петербург, 2002. Т. 3. – С. 88-91.

10. Марціяш О. М., Куц В. П., Ярош Я. Д. Шляхи вдосконалення відцентрових пиловловлювачів / Тези доповідей четвертої науково-технічної конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні” – Тернопіль, 2000. – С. 163.

11. Марціяш О. М., Куц В. П., Ярош Я. Д. Методика визначення гідродинамічних характеристик циклона з ступеневим відведенням твердої фази / Матеріали сьомої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. – Тернопіль, 2003. – С.177.

12. Марціяш О. М., Куц В. П. Характеристики циклона з ступеневим відведенням пилу / Матеріали восьмої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. – Тернопіль, 2004. – С.139.

13. Марціяш О. М., Куц В. П. Циклон з ступеневим відведенням пилу: результати досліджень і перспективи використання / Матеріали дев’ятої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. – Тернопіль, 2005. – С. 148.

АНОТАЦІЯ

Марціяш О.М. Очистка пилогазових потоків в циклоні з ступеневим відведенням пилу. - Рукопис.

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

Дисертаційна робота присвячена створенню нового пиловловлюючого апарата, в якому поєднані принципи дії відцентрових і жалюзійних пиловловлювачів, проведенню досліджень процесу розділення в ньому пилогазових потоків.

В роботі проведені експериментальні дослідження двох різних за продуктивністю пиловловлювачів і визначені їх технічні характеристики. Проведений теоретичний розрахунок гідравлічного опору і шляхом порівняння з даними експериментальних досліджень рекомендовано методики, придатні для цього пиловловлювача. Теоретично розраховано ефективність пиловловлювання на основі математичної моделі. Проведено обробку експериментальних даних і отримано критеріальні рівняння для розрахунку парціальних коефіцієнтів очистки. Розроблена методика розрахунку технічних показників і конструктивних розмірів пиловловлювача. Розроблений і випробуваний пиловловлювач впроваджений на двох підприємствах.

Ключові слова: пиловловлювач, жалюзійна решітка, процес сепарації, гідравлічний опір, ефективність пиловловлювання.

АННОТАЦИЯ

Марцияш О.М. Очистка пылегазовых потоков в циклоне со ступенчатым отводом пыли. - Рукопись.

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

Диссертация посвящена созданию нового пылеулавливающего аппарата, в котором сочетаются принципы действия центробежных и жалюзийных пылеуловителей, проведению исследований процесса разделения в нём пылегазовых потоков.

На основании анализа конструкций и показателей роботы центробежных пылеуловителей с жалюзийным отводом воздуха обоснована целесообразность создания в таких аппаратах ступенчатого отвода отсепарированной пыли.

Отвод осуществляется через кольцевые зазоры между цилиндрической и конической частями аппарата, на половине высоты конической части и через пылевыпускное отверстие конической части пылеуловителя.

Созданный пылеуловитель испытывался в соответствии с требованиями стандартной для такого класса оборудования методики. Исследования выполнялись в два этапа: сначала на незапыленном воздухе определялось гидравлическое сопротивление и влияние на его величину режимных и конструктивных параметров, а потом определялась эффективность пылеулавливания стандартной пыли и влияние на ее величину тех же параметров.

Испытывались два одинаковых по конструкции, но различной производительности пылеуловители: один из металла, другой – из органического стекла, для визуального наблюдения за процессом сепарации. Конструкция аппарата из стекла была максимально разборной – для изучения влияния элементов конструкции на показатели роботы.

Экспериментальными исследованиями установлено, что в пылеуловителе диаметром 0,4 м производительностью 0,44 м3/с (1600м3/час) коэффициент гидравлического сопротивления, отнесенный к скорости в поперечном сечении, составляет 115, а в пылеуловителе диаметром 0,1 м производительностью 0,0275м3/с (100м3/час) – 107.

Максимальный показатель эффективности пылеулавливания стандартной кварцевой пыли с медианным диаметром частиц д50 = 8 мкм плотностью 2650 кг/м3 при оптимальной скорости в поперечном сечении аппарата wпл = 3,5 м/с в пылеуловителе диаметром 0,4 м составляет 95%, а в пылеуловителе диаметром 0,1 м – 96%.

Проведён теоретический расчёт гидравлического сопротивления и путем сравнения с результатами экспериментальных исследований определены методики, пригодные для этого пылеуловителя. Расхождение между экспериментальными и теоретическими данными по одной методике составляет 2,1%, по другой – 14%.

Теоретически рассчитано эффективность пылеулавливания с помощью математической модели. Расхождение между экспериментальными и теоретическими данными составляет 7,8%.

Проведено обработку экспериментальных данных и установлено критериальные уравнения для расчета парциальных коэффициентов очистки.

Разработана методика расчета технических показателей и конструктивных размеров пылеуловителя.

Созданный пылеуловитель нашел применение на двух предприятиях.

Ключевые слова: пылеуловитель, жалюзийная решётка, процесс сепарации, гидравлическое сопротивление, эффективность пылеулавливания.

SUMMARY

Martsijash O.M. Cleaning the streams of dust and gas mixture in a cyclone with the step taking of dust. – Manuscript.

Dissertation on reception of scientific degree of Candidate of Technical Science after speciality 05.17.08 – processes and equipments of chemical technology. National university “Lviv Polytechnika”, Lviv, 2005.

Dissertation work is devoted to creation of new dust removal device in which incorporated principales of action centrifugal and venetian blind dedusters, to realization of researches of process of division in it the streams of dust and gas mixture.

In work are carried out experimental researches of two dedusters different on productivity and certain their technical characteristics. Conducted theoretical calculation of hydraulic resistance and by comparison with information of experimental researches methods