Введение к работе
Актуальность рассматриваемой проблемы. С ухудшением экологической ситуации в мире - по данным ООН ежегодно в атмосферу выбрасывается около 2.5 млн. т пыли - проблема загрязнения атмосферного воздуха от техногенных промышленных выбросов стала важным критерием при выборе различных вариантов технологических процессов и оборудования.
В связи с возрастающими энергетическими потребностями и высокой степенью зависимости производства энергии от ископаемого топлива - по прогнозам министерства природных ресурсов РФ с 2030 г. первое место в топливно-энергетическом балансе России займут уголь и атомная энергетика - несомненна актуальность конструктивного и технологического совершенствования пы-леочистного и золоочистного оборудования.
Одной из важных проблем борьбы с загрязнением окружающей среды являются контроль над выбросами твердых примесей (зола, дым и несгоревшие мельчайшие частицы топлива (унос)) в атмосферу. Поэтому дымовые газы перед выбросом их в атмосферу необходимо очищать от золы и уноса в специальных устройствах - золоуловителях, которыми оборудуются почти все современные котельные, работающие на твердом топливе.
Золоуловитель - это газоочистнтелыюе устройство для улавливания летучей золы из дымовых газов. Технические, экономические и технологические разработки, направленные на повышение эффективности золоуловителей, невозможны без изучения гидродинамических особенностей движения частиц во вращающемся потоке газа и последующего улавливания частиц.
Поток в золоуловителе имеет достаточно сложную структуру, что связано с турбулентностью, наличием твердых включений, трехмерностью и, в общем случае, нестационарностью. Как известно, вычислительная гидрогазодинамика (CFD), наряду с экспериментальными методами изучения возникающих проблем, может достаточно точно смоделировать турбулентные потоки, реализующиеся в газоочистных устройствах. Требуемая точность моделирования в известных работах достигается использованием достаточно полных математических моделей, описывающих течения запыленного потока в различных устройствах, и надежных алгоритмов численного исследования сформулированных задач.
Практическое использование математических моделей, численных методов, комплекса программного обеспечения и экспериментальных модельных установок позволило бы существенно повысить точность и эффективность проектирования промышленных золоулавливающих установок.
В данной работе разработан расчетно-моделирующий комплекс, состоящий из нескольких взаимосвязанных частей, каждая из которых включает специализированное программное обеспечение.
Цель работы заключается в разработке численно-экспериментальной методики изучения турбулентного течения запыленного газового потока и расчете эффективности 2-х разных типов золоуловителей - центробежный золоуловитель (ЦЗУ) и лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ) - с различными конструктив-
ными особенностями при различных режимах работы, а также в выработке рекомендаций, определяющих оптимальные параметры золоуловителя, обеспечивающие более высокую степень очистки потока от дисперсной фазы.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
В теоретической части работы:
-
Изучены и сформулированы уравнения для потока и движения частиц в золоуловителях, выбрана математическая модель турбулентности газа в золоуловителях и сформулированы краевые условия для газа, твердых частиц и параметров турбулентности.
-
Построены конфигурации расчетных моделей с помощью система автоматизированного проектирования - программа SolidWorks - и адаптирован метод конечного объема и SIMPLE алгоритм (комплекс программ - STAR-CD) для решения трехмерных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу.
-
Разработан алгоритм многовариантного анализа и выбора оптимальных геометрических и режимных параметров золоуловителей, проведено численное исследование и сравнение полученных результатов с экспериментальными результатами.
-
Исследованы разные типы золоуловителей при различных режимах работы, определена эффективность и предложены рекомендации по выбору оптимальных конструкций золоуловителей.
В экспериментальной части работы исследованы различные режимы течения запыленного газового потока в 2-х модельных экспериментальных установках - получены поля скорости, давления и эффективность улавливания дисперсной фазы ц. Эффективность улавливания частиц определялась весовым
М -М методом с помощью ситового анализа, причем Л = —^h~:—^--100% и
Мвх Мзх, МВых - масса частиц в газах на входе в аппарат и после выхода из аппарата.
Объектом исследования является течение запыленного газового потока в золоуловителях.
Предметом исследования являются математическое моделирование течения запыленных газовых потоков и исследование аэродинамики турбулентного течения в разных типах золоуловителей.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы численного решения дифференциальных уравнений в частных производных и систем нелинейных дифференциальных уравнений. Для проведения вычислительных экспериментов использовались программные пакеты с открытым программным кодом. Аэродинамические параметры потока определялись экспериментально на модельных устройствах.
Научная новизна. Разработана математическая модель процессов, протекающих в запыленных турбулизованных потоках в золоулавливающих устройствах сложной геометрической формы. Предложена вычислительная технология исследования процессов массопереноса в турбулентном запыленном газовом потоке в золоуловителях различной геометрии, позволяющая выбрать
оптимальные значения конструктивных и режимных параметров при проектировании и реконструкции золоуловителей.
Разработанной программно-экспериментальный комплекс позволяет определять как эффективность золоулавливания конкретных золоуловителей, так и выбирать на основе многовариантного численного моделирования конструкции, удовлетворяющие заданным требованиям по энергозатратам.
Предложены рекомендации по конструированию расчетной сетки, обеспечивающие достижение приемлемой для инженерной практики точности расчетов.
Экспериментально исследованы процессы золоулавливания на модельных установках и определены параметры протекающих процессов, которые подтвердили адекватность разработанной математической модели.
Степень достоверности полученных результатов. Все основные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обеспечиваются корректностью постановок задач, использованием апробированных вычислительных алгоритмов и расчетных схем, а также сравнением результатов численного анализа с данными, полученными на экспериментальных установках.
На защиту выносятся:
-
Обоснование математических моделей, описывающих турбулентное течение газа и поведение частиц в золоуловителях.
-
Рекомендации по конструированию расчетной сетки и выбору моделей турбулентности, позволяющие рассчитывать течения запыленных газовых потоков в золоуловителях разных конструкций при различных режимах работы.
-
Разработанный комплекс программ, обеспечивающий технологию многовариантного анализа и выбора оптимальных геометрических и режимных параметров в золоулавливающих установках - программный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между программами SolidWorks, STAR-CD и экспериментальными данными.
-
Результаты численного и экспериментального исследования турбулентного течения запыленного газа в разных типах золоуловителей, расчета эффективности улавливания.
Теоретическая и практическая ценность работы. Адекватная вычислительная модель, позволяющая получать поля скоростей, давления и распределение дисперсной фазы в рассматриваемых устройствах, дает возможность выбора оптимальных параметров конструкции и режимов работы. Корректное численное моделирование, подтвержденное сравнением с экспериментальными данными, не уступающее эксперименту по точности, дает возможность сокращения затрат на проектирование новых и реконструкции существующих устройств.
Полученные результаты могут использоваться в учебном процессе при организации специальных курсов для аспирантов и студентов.
Личный вклад автора. Участие в постановке всех сформулированных задач, проведении вычислительного эксперимента, обработка результатов экспериментального исследования. Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными. Обсуждение результатов и формулировка выводов. В постановке отдельных задач и обсуждении результатов участие принимали
СМ. Кисляк и Ю.А. Алтухов, как соавторы научных работ. Все результаты, имеющие научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично.
Апробация основных выводов и предложений. Основные результаты докладывались на российских и международных конференциях и семинарах:
II международная научно-практическая конференция иностранных студентов и аспирантов (Барнаул, 2011 г.); Всероссийский инновационный форум «Современные тенденции химической технологии и теплоэнергетического комплекса (Технологии XXI века)» (Бийск, 2011 г.); 8-я Всероссийская научно-техническая конференция «Наука и молодежь - 2011» (Барнаул, 2011 г.); VII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011 г.); Международная заочная научно-практическая конференция «Наука и Техника в Современном Мире» (Новосибирск, 2011 г.); XIII Международная научно-практическая конференция «Наука и современность - 2011» (Новосибирск, 2011 г.); Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2011» (Одесса, 2011 г.); Международная школа-семинар «Ломоносовские Чтения на Алтае» (Барнаул, 2011 г.) (диплом победителя); V Международная научно-практическая конференция «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2012 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 печатЕшх работах, в том числе в: журналах из списка ВАК - 3, научных журналах - 7, материалах трудов конференций и семинаров - 3. Общий объем публикаций - 0,36 п.л. (лично автора - 0,15 п.л.).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 5 таблиц и списка литературы, включающего 137 названий.
Похожие диссертации на Математическое моделирование и аэродинамическое исследование турбулентного течения запыленного потока в золоуловителях
