Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующего оборудования для очистки промышленных газов от твердых дисперсных частиц 14
1.1 Классификация оборудования, механизмы и способы очистки промышленных газов 14
1.2 Оборудование для сухой очистки газов
1.2.1 Осаждение в гравитационном поле 17
1.2.2 Осаждение в инерционном поле 18
1.2.3 Осаждение в центробежном поле
1.3 Фильтрационная очистка газов 22
1.4 Электрическая очистка газов 24
1.5 Оборудование для мокрой очистки газов
1.5.1 Полые газопромыватели 27
1.5.2 Насадочные скрубберы 29
1.5.3 Тарельчатые аппараты 30
1.5.4 Аппараты ударно-инерционного действия 32
1.5.5 Скрубберы с подвижной насадкой 34
1.5.6 Центробежные скрубберы 36
1.5.7 Механические газопромыватели 39
1.5.8 Скоростные пылеуловители
1.6 Проблема повышения эффективности газоочистного оборудования при улавливании высокодисперсных частиц 44
1.7 Описание механизма обтекания капли газовой средой, содержащей твердые частицы 47
1.8 Описание механизмов взаимодействия твердых частиц с каплями в акустическом поле 48
1.9 Источники ультразвукового воздействия на газодисперсные среды 50 1.10 Варианты практического применения УЗ-коагуляции в промышленной газоочистке 53
1.11 Выводы по разделу 1 56
2 Выявление режимов и условий ультразвукового воздействия, обеспечивающих максимальную эффективность улавливания дисперсных частиц в трубе Вентури 58
2.1 Разработка теоретической модели инерционной газоочистки в трубе
Вентури с одновременным ультразвуковым воздействием 58
2.1.1 Принятые допущения в математической модели движения дисперсных частиц в скруббере Вентури при ультразвуковом воздействии 60
2.1.2 Математическое описание движения газа в скруббере Вентури 64
2.1.3 Математическое описание движения дисперсных частиц в скруббере Вентури 65
2.1.4 Математическое описание процесса ультразвуковой коагуляции дисперсных частиц в трубе Вентури 66
2.1.5 Программные средства, используемые для численной реализации математической модели процесса мокрой газоочистки в скруббере Вентури при наложении ультразвуковых полей 73
2.1.6 Реализация численной модели мокрой очистки газов в скруббере Вентури в программном комплексе ANSYS Fluent 74
2.1.7 Учет ультразвуковой коагуляции дисперсных частиц при реализации численной модели в ANSYS Fluent 80
2.2 Численный расчет эффективности очистки газов в скруббере Вентури без
ультразвукового воздействия 81
2.2.1 Исходные данные для проведения численных расчетов скруббера Вентури 81
2.2.2 Моделирование движения газового потока в ANSYS Fluent 84
2.2.3 Определение времени пребывания и скорости движения дисперсных частиц в скруббере Вентури 85
2.2.4 Расчет изменения объемного содержания твердых частиц в скруббере Вентури в результате их коагуляции с каплями жидкости 91
2.2.5 Определение дисперсного состава частиц на выходе трубы Вентури 94
2.2.6 Определение эффективности газоочистки в скруббере Вентури 97
2.3 Определение эффективности очистки газов в скруббере Вентури при
ультразвуковом воздействии 100
2.3.1 Определение эффективности улавливания частиц от режимов ультразвукового воздействия в трубе Вентури 100
2.3.2 Определение эффективности улавливания частиц от угла направления и зоны распространения УЗ-колебаний в трубе Вентури 105
2.3.3 Определение эффективности работы скруббера Вентури при воздействии УЗ-колебаниями 113
2.3.4 Определение эффективности скруббера при известном дисперсном составе золы, получаемой при сжигании различных углей 118
2.4 Выводы по разделу 2 121
3 Исследование процесса газоочистки в неоднородном акустическом поле 123
3.1 Определение эффективности скруббера Вентури при неоднородном УЗ-поле 123
3.2 Определение мест установки УЗ-излучателей в трубе Вентури 126
3.3 Методика проведения численных расчетов эффективности золоулавливания в зависимости от количества, размера и угла установки УЗ-излучателей 128
3.4 Выявление зависимости эффективности золоулавливания от направления ввода УЗ-колебаний в трубе Вентури
3.4.1 Расчет распределения уровня звукового давления при различных углах установки УЗ-излучателей в трубе Вентури 130
3.4.2 Экспериментальное подтверждение теоретически рассчитанного распределения акустического поля в трубе Вентури 133
3.4.3 Расчет эффективности газоочистки при различных углах установки УЗ-излучателей в трубу Вентури 136
3.5 Выявление зависимости эффективности золоулавливания от количества и площади поверхности УЗ-излучателей в трубе Вентури 139
3.5.1 Расчет эффективности газоочистки при установке 2-х излучателей в трубу Вентури 140
3.5.2 Расчет эффективности газоочистки при установке 4-х УЗ-излучателей в трубу Вентури 144
3.5.3 Расчет эффективности газоочистки при установке 6-ти УЗ-излучателей в трубу Вентури 148
3.6 Выводы по разделу 3 154
4 Экспериментальное подтверждение эффективности применения
ультразвукового воздействия для повышения степени газоочистки 156
Заключение 165
Список литературы
- Фильтрационная очистка газов
- Принятые допущения в математической модели движения дисперсных частиц в скруббере Вентури при ультразвуковом воздействии
- Определение времени пребывания и скорости движения дисперсных частиц в скруббере Вентури
- Расчет эффективности газоочистки при различных углах установки УЗ-излучателей в трубу Вентури
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из наиболее актуальных вопросов охраны окружающей среды является проблема защиты воздушного бассейна от загрязнения высокодисперсными частицами с размерами менее 5 мкм, которые оказывают отрицательное воздействие на здоровье людей и животных, состояние растений и экосистем.
Особенно остро стоит проблема очистки дымовых газов от летучей золы на предприятиях ТЭЦ и ТЭС, работающих на твердом топливе. Доля выбросов тепловых электростанций составляет до 30 % суммарных выбросов твердых веществ от стационарных источников загрязнения воздуха. По оценкам специалистов суммарные выбросы предприятий тепловой энергетики РФ ежегодно составляют 25 – 35 миллионов тонн золовых частиц. Это является причиной постоянного повышения экологических требований к очистке дымовых газов на тепловых электростанциях, приводящих к необходимости увеличения эффективности существующего газоочистного оборудования.
Возможным решением проблемы является интенсификация процесса улавливания дисперсных частиц за счет их предварительного укрупнения ультразвуковыми (УЗ) колебаниями высокой интенсивности. Как известно, более крупные агломераты улавливаются традиционным оборудованием на порядок эффективнее. Однако, как показывают многочисленные исследования, попытки укрупнения дисперсных частиц под действием УЗ-колебаний в процессах сухой газоочистки не обеспечивают требуемого результата по следующим причинам:
– неустойчивость полученных агрегатов частиц в воздушных потоках;
– с увеличением интенсивности УЗ-излучения происходит разрушение образовавшихся агрегатов из-за их низкой плотности и высокой амплитуды колебательной скорости этих частиц при воздействии УЗ-колебаниями.
Вариантом решения проблемы является УЗ-коагуляция твердых частиц с каплями жидкости, которая может быть реализована в устройствах мокрой очистки газов, например, в скрубберах Вентури. Применение УЗ-воздействия обеспечит увеличение степени поглощения твердых частиц каплями жидкости и их последующее осаждение.
К сожалению, оборудование для УЗ-коагуляции в скрубберах Вентури до настоящего времени не создано из-за отсутствия данных об оптимальных режимах (частота и интенсивность) и условиях (зона, направление и время) УЗ-воздействия на газодисперсный поток. Таким образом, задача повышения эффективности мокрых скрубберов Вентури за счет применения УЗ-колебаний высокой интенсивности является актуальной, практически значимой и требующей решения.
Цель работы: повышение эффективности работы аппаратов мокрой очистки газов на основе скрубберов Вентури за счет увеличения степени поглощения твердых высокодисперсных частиц каплями жидкости в ультразвуковых полях высокой интенсивности.
Задачи исследования:
1 Выявить факторы, ограничивающие эффективность улавливания высокодисперсных частиц в скрубберах Вентури, и обосновать возможность ис-3
пользования УЗ-воздействия высокой интенсивности для повышения степени очистки газодисперсных сред.
-
Разработать физико-математическую модель движения газодисперсного потока в скруббере Вентури, основанную на комплексном рассмотрении движения сплошной и дисперсных фаз с учетом коагуляции дисперсных частиц под действием УЗ-колебаний высокой интенсивности.
-
Выявить на основе разработанной модели оптимальные режимы и условия воздействия на газодисперсный поток однородного УЗ-поля, при которых обеспечивается максимальная эффективность коагуляции дисперсных частиц в скруббере Вентури.
-
Исследовать эффективность улавливания дисперсных частиц в скруббере Вентури при воздействии неоднородного акустического поля на газодисперсный поток, создаваемого УЗ-излучателями, в зависимости от условий ввода, количества и размера УЗ-излучателей.
-
Экспериментально подтвердить эффективность применения УЗ-воздействия для повышения степени газоочистки скрубберов Вентури.
Научная новизна:
-
Установлена возможность повышения эффективности улавливания высокодисперсных частиц (менее 5 мкм) в скруббере Вентури при воздействии УЗ-колебаниями, которые практически не улавливаются без применения УЗ-воздействия.
-
Предложена теоретическая модель, и разработано математическое описание движения газодисперсной среды в скруббере Вентури, учитывающее взаимодействие дисперсных частиц в УЗ-поле.
-
Путем численного исследования математической модели выявлены оптимальные режимы (частота, уровень звукового давления) и условия воздействия (направление, зона и время) однородного УЗ-поля высокой интенсивности на дисперсные частицы в потоке газа, обеспечивающие максимальную эффективность коагуляции высокодисперсных частиц в трубе Вентури.
-
Определены оптимальные условия ввода (место установки, расположение, количество и размер УЗ-излучателей), обеспечивающие создание неоднородного УЗ-поля с максимальным уровнем звукового давления, необходимые для максимальной эффективности коагуляции высокодисперсных частиц в трубе Вентури и создания конструкций УЗ-излучателей.
Практическая значимость:
-
Впервые на основе результатов проведенных исследований подтверждена целесообразность и эффективность УЗ-воздействия для повышения степени мокрой газоочистки от высокодисперсных частиц в скрубберах Вентури.
-
Установлены требования к оптимальным режимам УЗ-воздействия (частота, уровень звукового давления) и условиям установки УЗ-излучателей (угол, место установки, количество и размер поверхности излучения) для обеспечения минимальной запыленности газового потока на выходе скруббера.
-
Разработано и внедрено оборудование для ультразвуковой коагуляции золовых частиц в трубах Вентури на золоулавливающей установке промышленной ТЭЦ без изменения режимных параметров золоуловителя. Проведенные
испытания показали, что применение УЗ-воздействия обеспечивает эффективность улавливания дисперсных частиц в скруббере не менее 98 %.
Объект и методы исследования. Объектом исследования является процесс УЗ-коагуляции твердых частиц с каплями орошаемой жидкости в трубе Вентури. В диссертационной работе при решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы базировались на реализации физико-математических моделей движения газодисперсного потока в скруббере Вентури и коагуляции дисперсных частиц в УЗ-поле, их численном решении. Экспериментальные исследования основаны на проведении испытаний на реально действующем газоочистном оборудовании по утвержденной стандартом методике РД 153-34.1-27.301-2001.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретических исследований эффективности газоочистки скруббера Вентури, обеспечившие выбор оптимальных режимов и условий воздействия однородного УЗ-поля для повышения интенсивности коагуляции высокодисперсных частиц.
-
Выявленные на основании теоретических расчетов оптимальные условия ввода УЗ-колебаний, количество и размер УЗ-излучателей, обеспечивающие создание неоднородного УЗ-поля с максимальным уровнем звукового давления, необходимые для реализации максимального эффективного УЗ-воздействия и создания конструкций УЗ-излучателей.
-
Результаты экспериментального подтверждения эффективности применения УЗ-оборудования, обеспечивающего теоретически выявленные оптимальные режимы и условия УЗ-воздействия, с целью повышения степени газоочистки в скруббере Вентури.
Личный вклад автора: постановка задач исследования; разработка физико-математической модели движения дисперсных частиц в потоке газа с одновременной их коагуляцией в УЗ-поле и ее численная реализация; разработка методики расчета оптимальных условий ввода, количества и размера УЗ-излучателей; разработка и создание экспериментального стенда для исследования распределения звукового давления в трубе Вентури; обработка результатов промышленных испытаний работы УЗ-оборудования на золоулавливающей установке ТЭЦ; подготовка публикаций по выполненной работе.
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью использованных теоретических моделей, учитывающих основные влияющие факторы, реальностью исходных данных при выполнении численных расчетов, согласованием полученных теоретических данных с результатами известных исследований, проведением натурных испытаний газоочистной установки по действующей методике РД 153-34.1-27.301-2001.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM (г. Новосибирск, 2014 – 2016 гг.); Международной научной конференции «Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы» (г. Витебск, Республика Беларусь, 2016 г.); Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых с меж-5
дународным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2015 – 2016 гг.); Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2016 г.).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 19 печатных работах, в том числе 8 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, из них 1 статья в издании, входящем систему цитирования Web of Science, и 6 трудов конференций, входящих в реферативную базу данных Scopus.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 108 наименований и 1 приложения. Диссертация изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 102 рисунка и 8 таблиц.
Фильтрационная очистка газов
Циклоны, как правило, применяются в качестве первой ступени очистки перед аппаратами более интенсивного действия (фильтрами и электрофильтрами).
Эффективность очистки в циклоне определяется дисперсным составом и плотностью частиц, а также вязкостью очищаемого газа. Кроме того, она зависит от диаметра циклона и скорости газа (с уменьшением скорости подачи газа эффективность очистки резко снижается).
В зависимости от расхода очищаемого газа циклоны устанавливают либо по одному (одиночные циклоны), либо объединяют в группы элементов (групповые циклоны).
Преимущества циклонных пылеуловителей: отсутствие движущихся частей, возможность использования при высокой температуре и давлении; простота устройства и эксплуатации; повышение запыленности газа не приводит к уменьшению фракционной эффективности; возможность улавливания абразивных материалов.
К основным недостаткам относятся: высокое гидравлическое сопротивление (1250 – 1500 Па) и низкая эффективность улавливания высокодисперсных частиц (менее 5 мкм), а также неприменимость для улавливания слипающейся пыли [16].
Таким образом, проведенный анализ существующих конструкций сухих механических газоочистных аппаратов показывает, что они являются наиболее простыми и распространенными и применяются, как правило, в качестве предварительной ступени очистки для удаления крупнодисперсных частиц пыли, однако они неэффективны для удаления высокодисперсной (менее 5 мкм) и налипающей пыли.
В аппаратах фильтрационной очистки отделение дисперсных примесей происходит при пропускании запыленного потока газа через пористые перегородки, в результате чего взвешенные частицы задерживаются в порах на поверхности фильтрующего материала (рисунок 1.7) [17, 18].
Работа фильтров основана на следующих механизмах осаждения: инерционный захват, гравитационное или диффузионное осаждение, зацепление (касание), отсеивание (ситовой эффект), электростатическое взаимодействие.
В пористых фильтрах используются следующие типы перегородок: с зернистым слоем (гравий, кварцевый песок, кокс), гибкие пористые (ткани, войлоки, картон, полиуретан, губчатая резина), полужесткие пористые (вязаные и тканые сетки, спирали и стружка) и жесткие пористые (керамика, пластмасса, металлы, стекло). Выбор фильтрующего материала зависит от эффективности очистки, температуры, влажности и агрессивности газа, концентрации и дисперсного состава пыли. – запыленный поток газа; 2 – рукава; 3 – очищенный газ Рисунок 1.8 – Схема работы тканевого рукавного фильтра
По типу структурных элементов пористого слоя выделяют зернистые, волокнистые и тканевые фильтры. Наибольшее распространение в промышленности получили тканевые рукавные фильтры с цилиндрическими рукавами и импульсной продувкой сжатым воздухом для регенерации (очистки) фильтрующего элемента (рисунок 1.8) [3-5]. Промышленные фильтры тонкой очистки при соответствующем выборе фильтрующих материалов и режимах очистки способны обеспечить улавливание частиц субмикронного размера с эффективностью до 99 %.
Однако фильтры обладают следующими недостатками: высокая стоимость и сложность конструкции, необходимость регенерации, большой расход электроэнергии, сложность в эксплуатации и необходимость в квалифицированном обслуживании.
Принцип улавливания частиц в электрофильтрах основан на прохождении запыленного газа через систему коронирующих, к которым подводится ток высокого напряжения (до 100 кВ), и осадительных электродов, в результате чего частицы пыли ионизируются, приобретают электрический заряд и осаждаются на электродах. Процесс электрической очистки можно разделить на четыре этапа: зарядка дисперсных частиц, движение заряженных частиц к электродам, осаждение частиц и их механическое удаление с электродов [19].
На рисунке 1.9 показаны конструкции электрофильтров с различной формой осадительных электродов. 1, 2 – коронирующие и осадительные электроды Рисунок 1.9 – Схемы электрофильтров с трубчатыми (а) и пластинчатыми (б) осадительными электродами По способу удаления осевших на электроды частиц электрофильтры подразделяются на сухие (удаление частиц путем встряхивания электродов) и мокрые (осевшие частицы смываются водой). Также различают горизонтальные и вертикальные, одно- и многосекционные электрофильтры.
Электрофильтры относятся к наиболее эффективным аппаратам, поэтому широко применяются в промышленности для очистки больших объемов газа (от нескольких м3/ч до нескольких млн. м3/ч) при невысоких затратах электроэнергии (0,1 – 0,5 кВтч на 1000 м3 газа) [1-3].
Преимущество электрофильтров состоит в том, что они способны обеспечить эффективность работы до 99,9 %, при этом могут осаждать частицы любых размеров (от 0,01 до 100 мкм) в широком диапазоне концентраций (до 50 г/м3). Температура очищаемых газов может достигать 500 С. Электрофильтры обладают самым низким (100 – 150 Па) гидравлическим сопротивлением из всех существующих устройств очистки газов.
Однако такие устройства не лишены недостатков: большие габаритные размеры, сложность монтажа и обслуживания, высокая чувствительность при поддержании оптимального режима работы, невозможность использования для очистки взрывоопасных газов, неприменимость для улавливания частиц с очень высоким электрическим сопротивлением.
Принятые допущения в математической модели движения дисперсных частиц в скруббере Вентури при ультразвуковом воздействии
В связи с тем, что УЗ-колебания оказывают влияние на движение частиц, находящихся в акустическом поле, представляет интерес анализ взаимодействия двух близкорасположенных частиц при наложении УЗ-колебаний и оценка их взаимного влияния на поля обтекания. При этом следует понять механизмы, приводящие к сближению частиц и их коагуляции под действием ультразвука.
Существует два основополагающих механизма взаимодействия частиц под действием УЗ-колебаний [35-41]:
1 Ортокинетический – различная степень вовлечения дисперсных частиц в колебательное движение среды, обратно пропорциональная их диаметру и массе. При таком механизме мелкие твердые частицы, практически полностью вовлекаемые в колебательное движение, сталкиваются с менее подвижными крупными каплями (рисунок 1.27, а).
2 Гидродинамический – возникновение между частицами гидродинамических сил притяжения (силы Осеена), обусловленные ассиметричностью поля обтекания частиц, создаваемого УЗ-воздействием (рисунок 1.27, б), что приводит к сближению твердых частиц с каплями и их коагуляции.
Поскольку вероятность столкновения твердых частиц с каплями в трубе Вентури пропорциональна разности их скоростей, то для обеспечения максимальной эффективности улавливания необходимо придать твердым частицам дополнительное колебательное движение для взаимодействия с каплями. Эффективность объединения частиц в УЗ-поле определяется частотой акустического воздействия и уровнем звукового давления [6, 32]. а) ортокинетический б) гидродинамический d1, d2 – диаметры твердых частиц; v1, v2 – скорости твердых частиц; dк – диаметр капли; F1, F2 – силы притяжения частиц диаметром d1 и d2 Рисунок 1.27 – Схема механизмов взаимодействия двух частиц, находящихся в акустическом поле При отсутствии УЗ-воздействия в трубе Вентури под влиянием сил инерции крупные частицы движутся медленнее мелких, и тем самым увеличивается вероятность столкновения тех и других. А при наличии УЗ-колебаний в трубе Вентури капли распыленной жидкости практически не вовлекаются в колебательное движение, сохраняя первоначальную траекторию, а мелкие твердые частицы колеблются с размахом (с удвоенной амплитудой), увеличивая пространство эффективного взаимодействия и вероятность столкновения с каплями.
Таким образом, УЗ-воздействие должно обеспечить повышение эффективности коагуляции твердых высокодисперсных частиц (размером менее 5 мкм), двигающихся практически по одной траектории с потоком газа и огибающих капли, с каплями жидкости и, как следствие, наиболее эффективное дальнейшее осаждение этих частиц в традиционных аппаратах.
Для практического применения высокоинтенсивных УЗ-колебаний с целью повышения эффективности существующих систем мокрой газоочистки с трубами Вентури без нарушения их функциональных возможностей необходимо проведение теоретических исследований для определения оптимальных режимов и условий УЗ-воздействия на газодисперсный поток.
Однако для реализации УЗ-воздействия необходимы источники акустических колебаний. При этом основным требованием, предъявляемым к УЗ-излучателям, является способность создавать акустические колебания в различных газодисперсных средах с заданными параметрами по интенсивности и частоте УЗ-воздействия, необходимыми для интенсификации процесса мокрой газоочистки.
В настоящее время разработано и применяется на практике большое количество различных типов источников УЗ-колебаний, предназначенных для воздействия на газовые и газодисперсные среды и отличающихся принципом преобразования подводимой энергии в энергию УЗ-колебаний [7-9, 34, 42-45].
На рисунке 1.28 представлена схема классификации наиболее распространенных источников акустической энергии (акустических преобразователей), применяющихся в промышленности для интенсификации различных технологических процессов в газовых средах.
Согласно современным работам отечественных и зарубежных исследователей [44-47], наиболее распространенным и перспективным типом УЗ-излучателей для формирования УЗ-колебаний в газовых средах являются излучатели с пьезоэлектрическими преобразователями. Пьезоэлектрические излучатели обладают следующими принципиальными преимуществами: – высокий КПД (более 50 %); – малые геометрические размеры; – возможность создавать в воздушной среде колебания с высоким уровнем звукового давления (более 150 дБ); – возможность работы при высоких температурах газовой среды (более 200С). Благодаря этому ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи практически вытеснили из практики промышленного применения другие типы источников УЗ-воздействия.
Для создания в газовых средах УЗ-колебаний высокой интенсивности (более 140 дБ) при использовании пьезоэлектрических преобразователей применяются излучатели специальной формы, например, в виде дисков ступенчато-переменного сечения, которые преобразуют продольные колебания от электроакустического преобразователя в изгибные колебания излучающей поверхности диска [34, 44-47].
Эскиз пьезоэлектрической ультразвуковой колебательной системы (УЗКС) с излучателем в виде изгибно-колеблющегося диска, разработанной в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института, представлен на рисунке 1.29, а. На рисунке 1.29, б показана картина распределения амплитуд изгибных колебаний на поверхности дискового излучающего элемента. а) Выступы на тыльной стороне дискового излучателя выполнены с целью устранения такого основного недостатка, присущего плоским УЗ-излучателям, как потери акустической энергии из-за того, что различные участки диска колеблются в противоположных фазах [48].
Определение времени пребывания и скорости движения дисперсных частиц в скруббере Вентури
Расчет процесса УЗ-коагуляции твердых частиц в трубе Вентури основан на учете дополнительной силы, действующей на индивидуальную дисперсную частицу, находящуюся в УЗ-поле. Эта сила обусловлена как периодическими возмущениями скорости газовой среды, так и вторичным отражением УЗ-волн от соседних частиц.
Для учета данной силы правая часть дифференциального уравнения движения частицы (2.5) дополняется слагаемым Fe , характеризующим влияние УЗ-колебаний на траекторию движения частицы: at 6 at 12 nd3 nd3 (PP Pf )wx(wxr) pp(wxvp )+ Fe dt dt dvp л ( \xd3pfdvfnd3pf(dvf dvp mp = 3nfxaCcor\yf-v)-\ + J (2.6) где Fe – сила, обусловленная наличием ультразвуковых колебаний в трубе Вентури (без УЗ-воздействия в трубе Вентури Fe =0). Согласно принятому допущению об отсутствии УЗ-колебаний в каплеуловителе, дополнительная сила Fe учитывается только при нахождении частицы в области трубы Вентури. Исследованию поведения частиц в ультразвуковом поле и расчету дополнительной силы, обусловленной УЗ-воздействием, посвящено множество работ [35-41, 55, 56], в которых рассматривается взаимодействие различных размеру и форме частиц.
Поскольку в реальных условиях дисперсные частицы имеют несколько вытянутую форму, отличную от сферической, при расчете силы Fe частицы задаются в виде эллипсоидов вращения. Поведение частиц, имеющих форму эллипса, при их обтекании газовым потоком наиболее полно исследовалось в работах Чернова Н.Н. [55, 67]. Согласно данным работам, сила Осеена, действующая на эллипсоидальную частицу в звуковом поле, определяется по выражению (2.7): Fe = 6mijuC(kBcos2e + kNsin2e)xU(r,t), 4(W2 -І)3 2 kB 3W[(W2 -2)arctg\W2 -1 -yW2 -1] (2.7) kN 8(W2 -1)3 3W[(3W2 - 2)arctgyW2 -1 - VW2 -1] где J - наибольший диаметр эллипсоидальной частицы, м; ju - динамическая вязкость газовой среды, Пас; С - длина большой полуоси эллипсоидальной частицы; кв, kN - коэффициенты обтекания частицы при направлении звукового поля вдоль большей и меньшей полуоси соответственно; в - угол между большей осью частицы и направлением звукового поля, рад; W - отношение длины большей полуоси частицы к меньшей; U - возмущение скорости газового потока, м/с. При расчете величины возмущения скорости газового потока U(r, t) учитывались два определяющих механизма взаимодействия частиц под действием УЗ-колебаний: ортокинетический и гидродинамический (под действием сил Осеена) [35-41]. Возмущение скорости газового потока, согласно данным механизмам, определяется как [55]: U(r,t) = (C/1(r) + U 2(г)) cos(QM + (р(г)), (2.8) где С/Дг) - амплитуда возмущений скорости газового потока со стороны первичного звукового поля, м/с; U2(r)- амплитуда возмущений скорости газового потока, создаваемых при отражении акустических волн от поверхности соседних частиц, м/с; со - угловая частота ультразвуковых волн, рад/с; t - время, с; ср - фазовый сдвиг колебательной скорости в зависимости от точки внутреннего объёма трубы Вентури, рад.
Фазовый сдвиг колебательной скорости газового потока ср определяется с использованием выражения [55]: ср(г) = Arg ЧРСГ)Л мр (2.9) где р - плотность газа, кг/м3; Р - комплексная амплитуда звукового давления в газовой среде, Па. Амплитуда возмущений скорости газового потока, обусловленная воздействием УЗ-колебаниями, определяется как [55]: ґУР(г)Л (2.10) U1(r) = Re іар Амплитуда возмущений скорости газового потока, создаваемых при отражении акустических волн от поверхности соседних частиц, определяется как [56]: \k,rk - r) Г тг v- 3R.V. [г. - r J U2{r) = 2_ — з k=l к к Ж r( О 2 1 jRkVk к r—r 4rk —rWk\ 2 є i\-r 2 ъ-г 2 V -V VJ-V [k,t\—rj к rfc — r \k,r\-rj k f\-r Г 1+ L Єкв J rk—r 2 \v+v 8 к \k,rk - r) rk — r (2.11) где – кинематическая вязкость газовой среды, м2/с; Rk – радиус k-й соседней частицы, м; Vk – проекция скорости газового потока на волновой вектор акустического поля в месте расположения k-й частицы, м/с; r – положение центра рассматриваемой частицы, м; rk – положение центра k-й соседней частицы, м; k – волновой вектор УЗ-поля, м-1; ekq – единичный вектор, перпендикулярный вектору -r; N – количество k-х соседних частиц.
Расчет эффективности газоочистки при различных углах установки УЗ-излучателей в трубу Вентури
Лабораторная установка состоит из трубы Вентури, 2-х УЗ-дисковых излучателей, 2-х электронных генераторов для питания излучателей и измерителя уровня звукового давления (анализатор шума и вибраций «Ассистент»).
Так как измерить уровень звукового давления в каждой точке трубы Вентури невозможно, измерения проводились в отдельных реперных точках. Затем на основании полученных экспериментальных данных проводилась корректировка результатов теоретических расчетов уровня звукового давления в трубе Вентури. На рисунке 3.10 показаны места измерения уровня звукового давления в трубе Вентури. Измерения проводились по пяти сечениям (А-А – Д-Д), по каждому сечению в 17-ти точках. Угол установки УЗ-излучателей варьировался в диапазоне 45 – 90 градусов.
Полученные результаты измерений в исследуемых точках подтвердили наличие оптимального угла 45 градусов, при котором обеспечивается максимальный уровень звукового давления в горловине трубы Вентури (сечение В-В), равный 145 дБ.
Полученные результаты показали, что различие между теоретически и экспериментально полученными значениями уровня звукового давления достигает в среднем 5 дБ. Это обусловлено, по-видимому, принятым допущением о полном отражении УЗ-волн от стенок трубы Вентури при теоретических расчетах.
Поскольку невозможно провести экспериментальные измерения уровня звукового давления в каждой точке трубы Вентури, что необходимо для расчётов эффективности скруббера с использованием численной модели в ANSYS Fluent, было произведено масштабирование теоретических результатов путём уменьшения уровней звукового давления в каждой точке на 5 дБ.
С учетом полученного распределения уровня звукового давления в объеме трубы Вентури при различных углах установки УЗ-излучателей были проведены численные расчеты в ANSYS Fluent, направленные на определение эффективности трубы Вентури и скруббера при наличии 2-х источников УЗ-воздействия. Полученные значения уровня звукового давления в каждой точке объёма трубы Вентури передавались в разработанную модель для расчета возмущающей силы, действующей на частицу и обусловленной наличием УЗ-поля в трубе Вентури. Для этого использовался механизм пользовательского программирования функций UDF, встроенный в ANSYS Fluent.
Как следует из полученных результатов (рисунки 3.12, 3.13), угол, при котором достигается максимальная степень очистки в трубе Вентури и скруббере, совпадает с оптимальным углом, при котором достигается максимум среднего уровня звукового давления. При этом за счёт наличия зон с низким уровнем звукового давления (менее 140 дБ) и того фактора, что УЗ-поле направлено не строго перпендикулярно газовому потоку, полученная эффективность оказывается в среднем на 4 % (для трубы Вентури) и 1 % (для скруббера) меньше, чем при 150 дБ в однородном УЗ-поле (рисунки 2.20, 2.31).
Как было показано во втором разделе, максимальная эффективность золоулавливания обеспечивалась при направлении УЗ-поля в трубе Вентури под углом 90 градусов. Это связано с принятым допущением об однородности УЗ-поля во всем объеме трубы Вентури, т.е. в каждой точке объема значение уровня звукового давления постоянно.
Анализ зависимостей на рисунке 3.13 показывает, что для высокодисперсных частиц размером 2 – 5 мкм эффективность скруббера при установке УЗ-излучателей под оптимальным углом достигает 96,5 – 98 %.
Установлено, что при оптимальных режимах воздействия и угле установки 2-х излучателей диаметром 320 мм (площадь излучения 0,08 м2) запыленность газа на выходе скруббера при улавливании высокодисперсных частиц (2 – 5 мкм) составляет 0,604 – 0,315 г/нм3, что не соответствует требованиям экологических нормативов для котельных установок промышленных ТЭЦ (не более 0,25 г/нм3) [98]. При этом требуемая нормативами эффективность достигается при улавливании крупных частиц золы размером 70 – 90 мкм, однако УЗ-воздействие в этом случае не оказывает влияния на степень их осаждения в скруббере.
Для повышения эффективности улавливания высокодисперсных частиц золы в скруббере Вентури за счет увеличения вводимой энергии УЗ-колебаний далее были проведены исследования эффективности скруббера в зависимости от количества источников УЗ-воздействия и размера излучающей поверхности.
Для выявления зависимости эффективности газоочистки при установке в трубу Вентури 2-х, 4-х или 6-ти УЗ-излучателей под оптимальным углом 45 градусов с различной площадью излучающей поверхности 0,08, 0,11 и 0,14 м2 (диаметр УЗ-излучателей 320, 370 и 418 мм соответственно) были проведены численные расчеты распределения уровня звукового давления в трубе Вентури. Установка большего числа УЗ-излучателей невозможна из-за конструктивных ограничений по диаметру оголовка трубы Вентури [104].