Міністерство освіти і науки України

Донбаська національна академія будівництва і архітектури

В Е Р Е М Е Є Н К О М и х а й л о В о л о д и м и р о в и ч

УДК 628.511

ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕКОЛОГІЧНОЇ

ЕФЕКТИВНОСТІ ОЧИЩЕННЯ ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ ВИКИДІВ ВІД ПИЛУ В ЦИКЛОНАХ

05.23.03 – Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Донбаській національній академії будівництва і архітектури
Міністерства освіти і науки України на кафедрі теплотехніки, теплогазопостачання та вентиляції

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Губар Валентин Федорович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри теплотехніки, теплогазопостачання та вентиляції.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Шушляков Олександр Васильович, кафедра теплогазопостачання, вентиляції та використання теплових вторинних ресурсів Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури;

доктор технічних наук, професор Соколов Володимир Ілліч, кафедра гідрогазодинаміки Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля (м. Луганськ).

Провідна установа: | Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, кафедра експлуатації газових та теплових мереж.

Захист відбудеться 18 травня 2006 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший учбовий корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка,
вул. Державіна, 2).

Автореферат розіслано 18 квітня 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент | М.М. Зайченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Промислові підприємства України щорічно викидають в атмосферу більш 4 млн. тонн шкідливих речовин (на 1 громадянина в середньому приходиться 85 кг пилу). Одним з напрямків по зменшенню забруднення атмосфери є підвищення ефективності пиловловлення за рахунок розробки нових більш вдосконалених конструкцій пиловловлювачів і оптимізації роботи існуючих. Як правило, для очищення вентиляційних викидів від пилу використовуються багатоступінчасті пиловловлювальні установки, у яких першим ступенем очищення застосовуються циклони, що відрізняються надійністю конструкції, простотою обслуговування і мають низьку вартість очищення газів.

Основними недоліками циклонів будь-якої конструкції є їх високий гідравлічний опір і порівняно низький ступінь очищення газів від пилу середньої дисперсності, обумовлений знесенням частинок з поверхні стінки циклона у висхідний потік.

У зв'язку з цим, актуальною є розробка циклонів з меншим гідравлічним опором і конструкцією, яка дозволяє уникнути знесення частинок у конічній частині апарата, що підвищить ефективність очищення циклона.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Комплексної державної програми енергозбереження України, п.4 “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” “Концепції пріоритетних напрямків науки і техніки”, прийнятої постановою Кабінету Міністрів України від 22.06.1994 р. № 429; програмою “Донбас – 2020” у межах держбюджетної НДР за завданням Міністерства освіти і науки України: “Створення теоретичних і технологічних способів розробки систем автономного теплопостачання” (№ 0103U000585), 2003-2005 р. і “Розробка та удосконалювання екологічних процесів утилізації теплоти і використання нетрадиційних джерел енергії (№ 0102U002850), 2001-2004 р.

Метою дисертаційної роботи є розробка способів підвищення ефективності очищення вентиляційних викидів від пилу в сухих циклонах і зниження енергетичних витрат на підставі розподілу радіального стоку запиленого потоку й оптимізації конструкційних характеристик апаратів і технологічних параметрів їхньої роботи.

Задачі досліджень:

? виконати теоретичний аналіз руху газопилового потоку в закручених течіях;

? розробити математичну модель сепарації твердих часток у циклонах;

? розробити комп'ютерну програму для розрахунку ефективності циклона на основі запропонованої математичної моделі;

? здійснити експериментальне дослідження циклонів з перфорованою вихлопною трубою і перевірку адекватності математичної моделі;

? оптимізувати конструктивні характеристики і технологічні параметри роботи пиловловлювачів для конкретних умов;

? розробити конструкцію циклона з перфорованою вихлопною трубою і здійснити його промислове впровадження.

Об'єкт досліджень – аеродинамічні процеси в циклонах і їх вплив на енергоекологічні показники роботи апаратів.

Предмет досліджень – закономірності процесів очищення вентиляційних викидів від пилу у сухих циклонах.

Наукова новизна отриманих результатів:

– теоретично й експериментально обґрунтовано доцільність застосування циклонів з перфорованою вихлопною трубою, що дозволяє збільшити ефективність апарата і знизити його аеродинамічний опір;

– запропоновано метод організації потоків у циклоні, що дозволяє зменшити вплив радіального стоку на ефективність очищення газопилового потоку;

– розроблено математичну модель пиловловлення у різних зонах циклонів, яка уперше враховує вплив радіального стоку на сепарацію пилових частинок.

Практичне значення отриманих результатів:

– розроблено комп'ютерну програму розрахунків оптимальних параметрів роботи циклонів;

– запропоновано нову конструкцію циклона для очищення газових викидів, що захищена патентом; застосування цієї конструкції дозволяє у циклонах з перфорованою вихлопною трубою підвищити ефективність очищення від пилу на 4%, а при однакової з циклоном ЦН-11 ефективності знизити аеродинамічний опір пиловловлювача на 7%;

– конструкція циклона з перфорованою вихлопною трубою впроваджена у регіональному управлінні “Донбасмонтажспецбуд” і ПП “Промвентиляція” із сумарним економічним ефектом 33,5 тис.грн/рік.

Особистий внесок автора. Всі основні результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок здобувача полягає у:

– виконанні теоретичного аналізу процесу пиловловлення в циклонах, на підставі якого визначені фактори, що впливають на сепарацію частинок;

– розробці математичної моделі сепарації частинок у циклонах;

– розробці програми для визначення оптимальної конструкції і параметрів роботи циклона за певних умов експлуатації;

– проведенні експериментальних досліджень запропонованого циклона з перфорованою вихлопною трубою і досліджень спрямованих на оптимізацію параметрів конструкції циклонів.

Апробація результатів досліджень. Основні результати та головні положення дисертаційної роботи доповідалися автором на VI Міжнародній науково-практичній конференції “Екологія. Людина. Суспільство” (НТУУ “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, 2003 р.); на II обласній науковій конференції Всеукраїнської екологічної Ліги “Екологія та соціальний прогрес” (Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2003 р.); на II Всеукраїнській науковій конференції Всеукраїнської екологічної Ліги “Екологія та соціальний прогрес” (м. Харків, 2003 р.); на I Міжнародній науковій конференції “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” (Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2002 р.); на I, II і III Міжнародних наукових конференціях студентів, аспірантів і молодих учених “Будівлі і споруди з застосуванням нових конструкцій і матеріалів” (Донбаська національна академія будівництва і архітектури, м. Макіївка, 2002-2004 р.).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 13 робіт, у тому числі три без співавторів; отримано патент України на розроблену конструкцію циклона з перфорованою вихлопною трубою.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 179 найменувань на 12 сторінках, 8 додатків на 33 сторінках. Загальний обсяг роботи – 202 сторінки, з яких 153 сторінок основного тексту, 34 рисунки і 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, задачі, об'єкт, предмет і методи дослідження, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, виділений особистий внесок автора роботи, наведені відомості щодо апробації досліджень і публікації.

У першому розділі виконано аналіз існуючих конструкцій циклонів і розглянуто основні напрямки підвищення ефективності очищення в цих пиловловлювачах.

Циклон є найбільш розповсюдженим пиловловлювачем, принцип дії якого оснований на інерційній сепарації при тривалому викривленні потоку. Розподіл швидкості руху по радіусі для обертання потоку вивчався в роботах Даніельса, Тер-Ліндена, Фукса М.А., Barth W., Davis C.N., Stairmand C., Strauss W. та інших дослідників. Питання опору середовища рухові частки в криволінійному потоці висвітлено у роботах Волкуса С.П., Кисельова Н.В., Кнауб Л.В., Нагорського І.С., Соколова В.І., Шушлякова О.В., Proudman T. і Taylor G.T. Розв’язання рівняння руху частки при її уловлюванні в циклоні наведено в роботах Алієва Г.М.,
Губаря В.Ф., Зінича П.Л., Кадімова М.М., Качана В.М., Пирумова А.І.,
Ужова В.М., Шиляєва М.І., Davis C.N., Rammer E., Rozin P., Strauss W. і багатьох інших дослідників.

Однак, на практиці для визначення ефективності циклонів використовуються спрощені формули розрахунку мінімально вловленого діаметра часток або номограми, які складені на основі експериментальних даних.

Сучасними напрямками удосконалювання роботи циклонів є установлення різного роду пристроїв для зниження вторинних струмів (Семибратівського філіалу НДІОГАЗ), застосування розкручувачів потоку для зменшення аеродинамічного опору апарата (“American Air Filter Company, Inc.” (США), “Poly Con Corp.” (США), “Van Tongeren (UK) Ltd.” (Англія) та інші), герметизація бункера, удосконалювання роботи пиловипускного отвору (ВНДІОТом
м. Свердловськ) і підвищення зносостійкості циклонів (“Chavan” (Франція), “White Rock Quars” (США), “Осака” (Японія) та інші).

Існує більше ста типів конструкцій циклонів, що використовуються залежно від типу пилу, параметрів роботи устаткування і необхідної ефективності очищення. Так само на практиці застосовується рівнобіжне і послідовне підключення циклонів. Однак питання про те, який тип циклона і з якими параметрами роботи найбільш вигідно використовувати для конкретного технологічного процесу залишається відкритим.

У другому розділі наведена загальна характеристика об'єкта і предмета дослідження, обґрунтовано підхід до лабораторних досліджень з використанням багатофакторного експерименту, запропоноване принципове рішення підвищення ефективності роботи циклона шляхом перфорування нижньої частини вихлопною трубою апарата.

На рис.1а приведена схема основного напрямку потоку в циклоні типу ЦН-11 – 1 і напрямок вторинних струмів – 2, на рис.1б зображені схеми плину потоку для циклона з перфорованою вихлопною трубою.

Вихлопна труба запропонованого апарата має ряд отворів, призначених для відводу частки витрати газу у висхідний потік у циліндричній частині циклона, унаслідок чого зменшується інтенсивність радіального стоку у конічній зоні пиловловлювача.

Третій розділ дисертації присвячений аналізові факторів, що впливають на траєкторію частинки в циклоні, і розв’язанню рівняння руху частинки.

Аналіз факторів, що діють на частинку у циклоні, дозволив скласти рівняння руху частинки в апараті:

, Н | (1)

У даному рівнянні m і д – маса і діаметр частинки, кг і м; і – вектор швидкості частинки і потоку відповідно, м/с; t – час руху частинки, с; з – динамічна в'язкість потоку, Па•с; , – поправочні коефіцієнти, що враховують інерційні ефекти відносного руху частинок і вплив концентрації частинок на їхній опір у потоці відповідно; – вектор прискорення вільного падіння, м/с2; Fф – аеродинамічна сила, прикладена до частинки, що знаходиться на відстані R від осі апарата, Н.

Переходячи від декартових координат до полярних: R – радіус траєкторії руху частки і ц – кут повороту траєкторії частки в циклоні, одержимо систему рівнянь наступного вигляду (2 і 3): |

(2)

(3)

Тут Ф – радіальний стік потоку до осі на одиницю висоти циклона, м3/(м•с); – час релаксації з урахуванням виправлення на скрутність руху сусідніми частинками і поправкою, що враховує інерційні ефекти відносного руху часток, с; k – постійна добутку тангенціальної швидкості потоку на радіус його обертання, м2/с.

Відповідно до робіт Barth W., Пірумова А.І., Катіна Л.Д. тангенціальна складова швидкості руху частинки дорівнює тангенціальній швидкості руху потоку. З огляду на даний факт і визначаючи розподіл швидкості потоку по радіусі за “законом площ” (Barth W., Даніельса, Davis C.N.), отримане рівняння руху частинки в радіальному напрямку (4):

, R(0)=R0, R/(0)=0 | (4)

У даному рівнянні R0 – початковий радіус траєкторії руху частки в циклоні на вході до апарата, м.

Рівняння (4) відноситься до класу рівнянь Емдена-Фаулера, це рівняння не було розв’язане в роботах попередніх дослідників. Для розв’язання рівняння руху частки процес пиловловлення в циклонах розглядався на трьох ділянках, границі яких обумовлені конструкцією циклона: перша ділянка – від входу в циклон до нижнього зрізу вихлопної труби; друга ділянка – від нижнього зрізу вихлопної труби до входу в конічну частину циклона, його виділення визначене появою нової сторонньої сили для спадного потоку, обумовленої радіальним стоком течії до осі апарата; конічна частина циклона (третя ділянка), характеризується стиском потоку, унаслідок зменшення перетину циклона.

Розв’язання рівняння (4) для виділених ділянок, з урахуванням зазначених особливостей руху частинки, має такий вигляд:

перша ділянка | , м | (5)

друга ділянка | , с | (6)

третя ділянка | , с | (7)

Тут R02 і R03 – початкові радіуси траєкторії руху частинки в циклоні на початку другої і третьої ділянок відповідно.

На основі даних рівнянь складена модель руху частинки, що реалізована в MathCAD. На рис.2 наведені траєкторії руху частинок різного діаметра в циклоні, розрахунок виконаний для циклона ЦН-11 діаметром 1 м при витраті газу через апарат у 4500 м3/год для стандартного кварцового пилу.

Рівняння (5), (6) і (7) визначають залежність між радіусом траєкторії руху частинки і часом її перебування в циклоні. Погрішність даних рівнянь щодо чисельного рішення не перевищує 1,5 % для частинок діаметром до 100 мкм.

Складова радіального стоку найбільш істотна для малих частинок (частинка розміром 5 мкм знесена у висхідний осьовий потік), траєкторії великих частинок менш викривлюються під його впливом. Дія радіального стоку знижує ефективність циклона, що пояснює одержання завищеного ступеня очищення без урахування впливу вторинних струмів.

У четвертому розділі наведена математична модель сепарації частинок у циклоні, методика і програма розрахунку ефективності очищення газів від пилу в циклонах, перевірка адекватності математичної моделі й експериментальних досліджень циклона з перфорованою вихлопною трубою.

Механізм очищення газів від пилу в циклонах можна розглядати як сукупність ймовірносних подій (рис. 3): уловлювання пилу в спадному потоці газу під дією сил інерції – Rін і віднесення частинок з поверхні стінки циклона під дією радіального стоку – Rз.

Тут Rін – масова частка частинок, уловлених під дією сил інерції; Rз – масова частка частинок, віднесених з поверхні стінки циклона під дією радіального стоку до осі апарата; Еоч – ефективність очищення потоку від пилу в циклоні.

Блок-схема відображає необхідність виконання двох необхідних умов уловлювання частинки: досягнення частинки корпуса апарата й утримання її на поверхні стінки. Умовою досягнення частинкою корпуса циклона є термін, за який радіус обертання частинки стає більшим за радіус циклона, визначений за формулами (5), (6) і (7). Він повинен бути меншим від часу перебування частинки в спадному потоці апарата. Критерієм віднесення частинки з поверхні стінки є наступна умова: діаметр фракції пилу повинен бути меншим від діаметра частинок, що зриваються.

На основі наведеної математичної моделі отримана формула для розрахунку ефективності очищення апарата, яка враховує дві вищевказані необхідних умови уловлювання частинки (8): |

(8)

Розроблено програму для розрахунку ефективності циклона на ПЕОМ . Для зручності розрахунку ступеня очищення потоку в циклоні програма виконана в Excel з використанням макросів, що написані мовою програмування Visual Basic for Application (VBA). Інтерфейс програми являє собою аркуші Excel. Програма дозволяє розраховувати ефективність циклона не тільки за запропонованою методикою, але і за існуючими методиками з використанням мінімального діаметра частинок, що уловлюється. Крім розрахунку ефективності очищення потоку в циклоні, програма також формує паспорт роботи пиловловлювача з указівкою його основних характеристик (концентрації пилу після очищення, опору циклона, приведених витрат на очищення 1м3 повітря тощо) і будує графіки інтегральних і диференціальних кривих розподілу пилу по фракціях для запиленого й очищеного потоку. Аналіз отриманих залежностей дозволяє визначити ступінь очищення потоку для кожної фракції пилу.

Завдяки запропонованій програмі для розрахунку ефективності циклона отримана залежність ступеня очищення пиловловлювача від вхідної швидкості потоку, медіанного діаметра пилу, щільності частинок, діаметра циклона, відносного розміру діаметра вихлопної труби і висоти циліндричної частини апарата. Аналіз цих залежностей узгоджується з результатами випробування циклонів НДІОГАЗ, що свідчить про принципово вірне відображення програмою процесу сепарації частинок у циклоні.

Для перевірки адекватності математичної моделі виконано експериментальне визначення ефективності очищення для циклона з перфорованою вихлопною трубою; середня погрішність результатів запропонованої методики розрахунку ефективності відносно експериментальних досліджень складає 3,9 %. Виконано порівняння запропонованого й існуючого методів розрахунку ефективності циклонів з експериментальними даними НДІОГАЗ. При використанні формул Розіна і Рамблера середня похибка складає 11,0 %, за формулою Дэвіса – 23,4 %, а за запропонованою у даній роботі методикою – 2,9%.

У табл.1 наведено порівняння випробувань циклонів ЦН-11 і циклона з перфорованою вихлопною трубою за однакових умов експлуатації.

Таблиця 1

Гідравлічний опір і ефективність циклона з перфорованою вихлопною трубою і циклона типу ЦН-11.

Швидкість потоку у вхідному патрубку циклона, м/с | ЦН-11 | Циклон з перфорованою вихлопною трубою

ДР, Па | Еоч,% | ДР, Па | Еоч, %

1 | 2 | 3 | 4 | 5

7 | 179 | 82 | 155 | 84

9 | 296 | 89 | 270 | 93

11 | 443 | 93 | 410 | 97

13 | 619 | 94 | 600 | 97

15 | 824 | 96 | 770 | 98

17 | 1 058 | 95 | 1000 | 96

У циклонах з перфорованою вихлопною трубою ефективність очищення газів від пилу на 4 % вище за інших рівних умов, ніж у циклоні ЦН-11; при однаковому ступені очищення опір запропонованого циклона на 7 % нижче від циклона НДІОГАЗ.

Для визначення ефективності циклона з перфорованою вихлопною трубою від основних факторів, що впливають, використовувався багатофакторний експеримент за трьома факторами варіювання. Аналіз літературних джерел, теоретично отриманих залежностей і результатів попередніх досліджень дозволив вибрати основні фактори, що впливають на ступінь очищення, їхні нульові значення й інтервали варіювання:

– час релаксації частинки ф від 2,0• 10-3 до 24,6• 10-3 с (для істинної густини частинки с0, у межах від 800 до 2650 кг/м3 і діаметра d0, у межах від 20 до 2000 мкм);

– витрата повітря L0, у межах від 200 до 500 м3/год;

– діаметр циклона D, у межах від 0,2 до 0,3 м.

Від фізичних величин ф, L, D був здійснений перехід до безрозмірних кодованих перемінних Х1, Х2, Х3 нормованих таким чином, щоб вони набували значення +1 для верхнього рівня і –1 для нижнього рівня (табл.2).

Таблиця 2

Основні характеристики плану експерименту.

Характеристика | Кодове значення | ф, с | L, м3/год | D, м

1 | 2 | 3 | 4 | 5

Основний рівень | x0J | 13,3•10-3 | 350 | 0,25

Інтервал варіювання | ДxJ | 11,3•10-3 | 150 | 0,05

Верхній рівень | +1 | 24,6•10-3 | 500 | 0,3

Нижній рівень– | 1 | 2,0•10-3 | 200 | 0,2

Таким чином, маємо: |

(9)

(10)

(11)

У результаті математичної обробки експериментальних даних отримане рівняння регресії: |

(12)

Значимість коефіцієнтів регресії перевірялася за критерієм Стьюдента (значення мінімально врахованого коефіцієнта регресії складає 0,675), адекватність – за критерієм Фішера (табличне значення критерію Фішера дорівнює 3,01, а фактичне склало 2,18). Коефіцієнт кореляції дорівнює R=0,89.

Експериментальні дослідження довели, що ефективність циклона з перфорованою вихлопною трубою зростає з ростом часу релаксації частинки і тангенціальної швидкості потоку в циклоні і зменшується при збільшенні його діаметра, що відображає запропонована математична модель сепарації частинок і рівняння (12).

П'ятий розділ дисертації присвячений розрахунку оптимальних параметрів роботи циклона й аналізу результатів промислового впровадження результатів досліджень.

Проблема оптимізації роботи циклонів тісно пов'язана з багатоваріантністю технічних рішень, що характерно для проектування газоочисних установок. Тому метою оптимізації є визначення економічно обґрунтованих параметрів роботи циклонів при забезпеченні заданої ефективності і надійності роботи устаткування. У якості параметрів оптимізації обрані:

– відношення діаметра вихлопної труби до діаметра циклона – D1/D2;

– відношення глибини занурення вихлопної труби до діаметра циклона – hз/D2;

– тангенціальна швидкість потоку в циклоні – uц.

Для визначення втрат тиску в циклоні використаний метод розрахунку опору пиловловлювача у вигляді суми опорів окремих частин апарата. На кожній окремо узятій частині циклона обчислювали коефіцієнт місцевого опору, що залежить від конструкції апарата і швидкості руху потоку в ньому. Даний підхід до розрахунку коефіцієнта місцевого опору дозволив визначити опір циклона нової моделі, яка має інші порівняно з циклонами НДІОГАЗ відносні розміри діаметра вихлопної труби і глибини її занурення в пиловловлювач (рис. 4-6).

З аналізу результатів оптимізації випливає, що мінімальне значення приведених витрат відповідає (0,4-0,5)•D1/D2, але при цьому значення ефективності апарата є більшим 85 % лише для швидкості потоку більш 16 м/с, що призводить до додаткового зносу устаткування. Стрімке зростання приведених витрат спостерігається при збільшенні відношення D1/D2 більш 0,6, при цьому для ефективності циклона більше 85 % необхідна швидкість потоку
10-12 м/с. Очевидно, що для різної істинної густини пилу, дисперсного складу, в'язкості потоку й інших некерованих факторів дане відношення буде різне. Однак, оптимальний відносний розмір вихлопної труби знаходиться в межах (0,55-0,6)•D1/D2.

При оптимізації відносного розміру глибини занурення вихлопної труби в циклон оптимальним є значення 1,5•D2, при швидкості потоку 12 м/с і D1/D2 = 0,6. Така глибина занурення дозволяє уникнути впливу радіального стоку для початкової стадії процесу сепарації частинок у циклоні, коли частинки розташовуються в безпосередній близькості до вихлопної труби, і запобігає великій інтенсивності радіального стоку в конічній частині циклона.

За рахунок розподілу радіального стоку по висоті циклона інтенсивність радіального стоку для циклона з перфорованою трубою в півтора раза нижче від інтенсивності стоку для звичайного циклона. Тому при розрахунку керуючих параметрів для даного циклона були отримані менші значення тангенціальної швидкості спадного потоку. Зменшення необхідної тангенціальної швидкості потоку приводить до зниження приведених витрат на 4-5 % у порівнянні з циклоном з оптимізованими для конкретних умов керуючими параметрами і до 12 % у порівнянні з циклонами НДІОГАЗ типу ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15в і ЦН-24.

У містах Донецької області (Донецьк, Маріуполь, Краматорськ, Єнакієве) регіональним управлінням “Донбасмонтажспецбуд” і ПП “Промвентиляція” було змонтовано 33 циклони з перфорованою вихлопною трубою. Сумарний економічний ефект склав 33,5 тис.грн/рік. Він був отриманий за рахунок зниження приведених витрат на очищення газу від пилу і зменшення екологічного збитку.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично й експериментально обґрунтовано схему організації потоку в циклоні, яка дозволяє розподілити радіальний стік по висоті і зменшити його інтенсивність у конічній частині апарата, і оптимізовано конструкційні і технологічні параметри робочого процесу, що забезпечило підвищення ступеня очищення вентиляційних викидів від пилу в сухих циклонах і зниження енергетичних витрат.

2. Отримані з урахуванням обґрунтованих факторів, що впливають, і аналітично розв’язання рівняння, що описують траєкторію пилової частки в циклоні, забезпечили розробку математичної моделі сухої сепарації пилу в циклонах.

3. Розроблено методику визначення ефективності циклона, а також комп'ютерні програми розрахунку ступеня очищення газів від пилу і визначення оптимальних значень керуючих параметрів за різних умов роботи апарата; для очищення від кварцового пилу оптимальні діаметр вихлопної труби складає 0,6 діаметрів циклону, її глибина занурення – 1,5 діаметра циклону і тангенціальна швидкість руху спадного потоку - 12 м/с.

4. Запропоновано і захищено патентом циклон з перфорованою вихлопною трубою, перевагою конструкції якого є зниження інтенсивності радіального стоку в конічній частині апарата, що дозволяє підвищити ступінь очищення газів.

5. У циклонах з перфорованою вихлопною трубою ефективність очищення газів від пилу на 4% вище за інших рівних умов, ніж у циклоні ЦН-11; при однаковому ступені очищення опір запропонованого циклона на 7% нижче від циклона НДІОГАЗ.

6. Значення оптимальних керуючих параметрів для циклона з перфорованою вихлопною трубою забезпечують зниження приведених витрат на 12% у порівнянні з циклонами НДІОГАЗ типів ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15в і ЦН-24.

7. Здійснено впровадження розробленого циклона з перфорованою вихлопною трубою регіональним управлінням “Донбасмонтажспецбуд” і ПП “Промвентиляція” із сумарним річним економічним ефектом 33,5 тис.грн.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Качан В.М., Веремеєнко М.В. Вплив вихрового знесення пилу на ефективність очищення газів у циклонах // Вісник ДонДАБА. “Інженерні системи та техногенна безпека в будівництві”. – вип.-6(31). – Макіївка, 2001. – С. 116-118.

2. Качан В.М., Веремеєнко М.В. Визначення оптимальної конструкції циклона // Вісник ДонДАБА. “Інженерні системи та техногенна безпека в будівництві”. – вип.-4(41). –Макіївка, 2003. – С. 29-31.

3. Качан В.М., Тарасенко С.В., Веремеєнко М.В. Розв’язання задачі Коші для рівняння Емдена-Фаулера // Вісник ДонДАБА. “Інженерні системи та техногенна безпека в будівництві”. – вип.-3(45). – Макіївка, 2004. – С. 59-63.

4. Качан В.М., Веремеєнко М.В. Аналіз ефективності циклона на основі рішення рівняння сепарації часток // Вісник ДонДАБА. “Матеріали 3 міжнародної конференції студентів, аспірантів і молодих учених”. – вип.-3(45). – Макіївка, 2004. – С.165-168.

5. Качан В.М., Катін Л.Д., Веремеєнко М.В. Розв’язання рівняння руху частки в циклоні // Вісник ДонДАБА. “Інженерні системи та техногенна безпека в будівництві”. – вип.-4(46). – Макіївка, 2004. – С. 35-39.

6. Веремеєнко М.В. Аналіз ефективності циклона на основі розв’язання рівняння сепарації часток // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. – № 44 (56). – Луганськ, 2004. – С. 72-76.

7. Губар В.Ф., Веремеєнко М.В. Рух пилу в циклонах з урахуванням впливу інерційних ефектів відносного руху часток // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. – № 46. – Луганськ, 2005. – С. 58-62.

8. Губар В.Ф., Веремеєнко М.В. Визначення траєкторії частки в залежності від її положення у вхідному патрубку циклона // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. – № 48. – Луганськ, 2006. – С. 70-75.

9. Деклараційний патент на винахід № 67048 А, кл. F02M35/02 Циклон з вихлопною трубою, що обладнана перфорованою насадкою / Качан В.М., Веремеєнко М.В.– № 2003065366, заяв. 10.06.2003, опубл. 15.06.2004, бюл. № 6.

Список робіт, що додатково відображають результати досліджень:

10. Качан В.М., Веремеєнко М.В. Вплив бічного знесення пилу на очищення газів у циклонах // Зб. статей I Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів “Охорона навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів”, ДонНТУ. – Донецьк, 2002. – С. 29-30.

11. Веремеєнко М.В. Техніко-економічна оптимізація циклонів // Зб. статей II Обласної студентської наукової конференції Всеукраїнської екологічної ліги “Екологія і соціальний прогрес”, ДонНТУ. – Донецьк, 2002. – С. 36-38.

12. Веремеєнко М.В. Техніко-економічна оптимізація циклонів в аспекті проблем соціального прогресу // Зб. статей II Всеукраїнської студентської наукової конференції Всеукраїнської екологічної ліги “Екологія і соціальний прогрес”. – Харків, 2002. – С. 87-90.

13. Качан В.М., Веремеєнко М.В. Підвищення ефективності роботи циклонів шляхом усунення явища бічного віднесення // Зб. статей VI Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”, НТУУ “КПІ”. – Київ, 2003. – С. 111-112.

14. Качан В.М., Веремеєнко М.В. Розрахунок ефективності очищення газів від пилу в циклонах // Зб. статей III Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів “Охорона навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів”, ДонНТУ. – Донецьк, 2004. – С. 41-44.

Особиста участь здобувача в опублікованих роботах. Основна частина результатів дисертаційної роботи отримана автором самостійно. У публікаціях автором: оцінений вплив факторів на ефективність циклонів [1, 10]; розв’язане рівняння руху частинки в циклонах [3, 5]; розроблена математична модель процесу сепарації частинок в циклонах [7, 8]; отримана методика розрахунку ефективності циклонів [4, 6, 14]; розроблено конструкційне рішення зменшення впливу радіального стоку на ефективність циклона [9, 13]; розроблені комп’ютерна програма оптимізації конструкційних та технологічних параметрів роботи циклона [2, 11, 12].

Анотація

Веремеенко М.В. Підвищення енергоекологічної ефективності очищення вентиляційних викидів від пилу в циклонах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03. – Вентиляція, висвітлення і теплогазопостачання. Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2006 р.

Дисертація присвячена проблемам очищення запиленого потоку в циклонах – розробці пиловловлювачів з меншим гідравлічним опором і більш високою ефективністю. Запропоновано нову схему організації потоку в циклоні, що дозволяє розподілити радіальний стік по висоті і зменшити його інтенсивність у конічній частині апарата.

Виконано теоретичний аналіз сепарації частинок у циклоні. Розв’язано рівняння руху частки з урахуванням сил інерції, сили опору і радіального стоку потоку до осі циклона. Розроблено математичну модель сепарації частинок і методику розрахунку ступеня очищення потоку в циклоні, на підставі яких написана комп'ютерна програма для розрахунку ефективності пиловловлювача.

Виконано порівняння результатів програми з даними проведених лабораторних досліджень для циклона з перфорованою вихлопною трубою (відносне відхилення склало 3,9 %) і експериментальними даними НДІОГАЗ (погрішність – 2,9 %).

Проведено лабораторні дослідження циклона з перфорованою вихлопною трубою, що підтверджують зниження гідравлічного опору апаратів до 7 % і підвищення ступеня очищення на 3-4 % у порівнянні з ЦН-11. Проведено багатофакторний експеримент по визначенню впливу різних факторів на ефективність циклона. На підставі даних цього експерименту складене рівняння регресії для визначення ступеня очищення потоку.

Розроблено програму оптимізації циклонів по трьох параметрах, що впливають: відносний діаметр і глибина занурення вихлопної труби, тангенціальна швидкість потоку. Як критерій оптимізації використовувалися приведені витрати очищення 1 м3 газу. Здійснено впровадження розробленої конструкції циклона з перфорованою вихлопною трубою регіональним управлінням “Донбассмонтажспецстрой” і ПП “Промвентиляція”, із сумарним економічним ефектом 33,5 тис.грн/рік.

Ключові слова: сепарація частинок, вихровий потік, радіальний стік, оптимізація пиловловлення, циклон з перфорованою вихлопною трубою.

Аннотация

Веремеенко М.В. Повышение энергоэкологической эффективности очистки вентиляционных выбросов от пыли в циклонах. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03. – Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Макеевка, 2006 г.

Диссертация посвящена проблемам очистки запыленного потока в циклонах – разработке пылеуловителей с меньшим гидравлическим сопротивлением и более высокой эффективностью. Предложена новая схема организации потока в циклоне, позволяющая распределить радиальный сток по высоте и уменьшить его интенсивность в конической части аппарата. Данный эффект достигается за счет перфорации выхлопной трубы циклона: часть нисходящего потока через отверстия в выхлопной трубе переходит в восходящий, минуя при этом коническую часть аппарата.

Выполнен теоретический анализ сепарации частиц в циклоне. Решено уравнение движения частицы с учетом сил инерции, силы сопротивления и радиального стока потока к оси циклона. Разработана математическая модель сепарации частиц и методика расчета степени очистки потока в циклоне, на основании которых написана компьютерная программа для расчета эффективности пылеуловителя.

Выполнено сравнение результатов программы с данными лабораторных исследований для циклона с перфорированной выхлопной трубой (относительное отклонение составило 3,9 %) и экспериментальными данными НИИОГАЗ (погрешность – 2,9 %).

Выполненные лабораторные исследования циклона с перфорированной выхлопной трубой, подтверждают снижение гидравлического сопротивления аппаратов до 7 % и повышение степени очистки на 3-4 % в сравнении с ЦН-11. Проведен многофакторный эксперимент по определению влияния различных факторов на эффективность циклона. На основании данных этого эксперимента составлено уравнение регрессии для определения степени очистки потока.

Разработана программа оптимизации циклонов по трем факторам: относительный диаметр и глубина погружения выхлопной трубы, тангенциальная скорость потока. В качестве критерия оптимизации использовались приведенные затраты очистки 1 м3 газа.

Осуществлено внедрение разработанной конструкции циклона с перфорированной выхлопной трубой региональным управлением “Донбассмонтажспецстрой” и ЧП “Промвентиляция” с суммарным экономическим эффектом 33,5 тыс.грн/год.

Ключевые слова: сепарация частиц, вихревой поток, радиальный сток, оптимизация пылеулавливания, циклон с перфорированной выхлопной трубой.

Abstract

Veremeenko V.M. Increasing of the energy and ecological efficiency of the ventilation emission purification from dust in whirlers. – The manuscript.

Thesis for a candidate of engineering sciences degree on the speciality 05.23.03. – Ventilation, lightning and heat and gas supply. Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makeevka, 2006.

The thesis views the problem of the purification of the dust containing flow in the whirlers – working out of the dust catchers with a lower hydraulic resistance and higher efficiency. There is offered a new scheme of the whirler flow organization which allows to distribute the radial flow along the height and to decrease its intensity in the conical part of the unit. The thesis also includes the comparison of the programme results with the data of the laboratory research of performance of the whirler with perforated exhaust pipe (relative divergence amouted 3,9%) and with experimental data of NIIOGAZ (imprecision 2,9%).

There was also executed the laboratory research of the whirler with perforated exhaust pipe which confirms decreasing of the hydraulic resistance of the unit to 7 % and increasing of the purification rate up to 3-4% in comparison with ZN-11. We carried out a complex experiment with the purpose to determine the influence of different factors to the whirler efficiency. On the basis of this experiment there was found the equation of the regression used for determination of the flow purification rate.

We wrote the programme for whirler optimization in accordance with three influencing parameters: relative diameter and the depth of the exhaust pipe immersion, tangential flow speed. As a criterion of optimization we used the cost of purification of 1 m3. The laborated design of the whirler with perforated exhaust pipe was applied by a regional department “Donbassmontazhspezstroy” and PE “Promventilatsiya” with a total economical effect of 33,5 thousand per year.

Key words: particles separation, vortex flow, radial flow, dust catching optimization, whirler with a perforated exhaust pipe.