Введение к работе
Актуальность проблемы. Аппараты вихревого типа широко исполь-зуются в химических технологиях. Достаточно указать на такие распрост-раненные устройства как центрифуги, аппараты с мешалкой, циклоны, скрубберы центробежного действия, вихревые трубы, вихревые компрессоры и многие другие. Все эти аппараты объединяет общий принцип - их функцио-нирование базируется на использовании центробежной силы. В научно-тех-нической литературе, как правило, не рассматривается движение в прис-тенных зонах, которые обычно исключаются из анализа, и не выполняется условие прилипания, поскольку значение окружной скорости на стенке принимается отличных от нуля, не проанализированы условия потери устой-чивости вихревого течения при наличии вязкого радиального потока. В настоящее время интенсивно развивается теория закрученных течений в связи со стремлением объяснить природу вихревого эффекта, которая остается до сих пор не выявленной. Поэтому работы в этом направлении представляют научный интерес.
Особенно перспективно применение аппаратов с закрученным движением фаз в системах газоочистки. В этой связи следует заметить, что инженерная защита окружающей среды базируется на хорошо развитых химических технологиях.
Необходимость и важность решения проблемы повышения эффектив-ности систем газоочистки, базирующихся на функциональных особенностях аппаратов с закрученным движением фаз определяют актуальность данного исследования.
Работа выполнена по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ Пр-577 «Энергосберегающие технологии», «Системы жизнеобеспечения и защиты человека», Программе Красноярского краевого экологического фонда (1999-2001).
Объект исследования - аппараты с закрученным движением фаз в системах газоочистки, в частности вихревые трубы низкого напора и водокольцевые компрессоры.
Предмет исследования - гидродинамические и технологические процессы энергоразделения, очистки воздуха от пыли, его осушка в аппаратах вихревого типа.
Цель диссертационной работы - изучение гидродинамики и повыше-ние технологической эффективности аппаратов с закрученным движением фаз, связанное с приданием им дополнительных функций и технико-экономически оправданных методов выбора вихревых устройств в уста-новках газоочистки.
Задачи исследований:
1. Проанализировать динамику закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата и оценить вклад отдельных составляющих в общее гидравлическое сопротивление аппарата с закрученным движением фаз с учетом его конструктивных особенностей.
2. Провести анализ газодинамической устойчивости закрученного по-тока в различных зонах вихревого аппарата.
3. Определить термодинамические характеристики вихревой трубы низкого напора и установить влияние пылевлагосодержания входящего потока сжатого воздуха на эксплуатационные параметры аппарата;
4. Разработать методики расчета параметров выходных потоков вихре-вой трубы низкого напора.
5. Установить пылеудерживающую способность водокольцевых нагне-тателей.
6. Разработать комбинированные системы защиты атмосферы от загрязнений на базе вихревой трубы низкого напора и вихревого водокольцевого компрессора (ВВК).
7. Выработать критерии технико-экономической оценки эффективности системы защиты окружающей среды от загрязнений.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы аналитические и численные методы решения математических моделей, разработаны и изготовлены экспериментальные стенды, проведены натурные и модельные физические исследования.
Научная новизна.
-
Проведено аналитическое решение уравнений вихревого движения, осложненного радиальным течением вязкого потока. Рассматривался общий случай движения между двумя произвольными слоями вязкого несжимаемого газа при перемещении среды к оси вращения против действия центробежной силы. Полученные теоретические соотношения показали, что потенциальный вихрь формируется не сразу, как это обычно полагается, а при определенных значениях показателя интенсивности радиального потока, приближаясь к закону потенциального течения асимптотически. Теоретически установлено, что центральный вихрь квазитвердого вращения (вихрь Ренкина) возникает при условии уравновешивания центробежной силы созданным на периферии давлением и предложено соотношение для его вычисления в зависимости от режимных параметров.
-
Проведенный анализ течения в пристенной зоне вихревого аппарата позволил замкнуть решения и выполнить условия прилипания на неподвиж-ной поверхности, которые не выполнялись в других исследованиях. При этом вводится прием уравновешивания касательного напряжения на границе пограничного слоя скоростным напором внешнего течения, что позволило вычислить толщину пристенной зоны.
-
Полученные теоретические соотношения позволяют провести анализ устойчивости закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата. Избран метод Релея и трансформированы известные соотношения к условиям конкретной задачи, которая была решена. Оказалось, что вихревой поток теряет устойчивость в узкой области на границе центрального и периферийного вихрей при малой интенсивности радиального течения. Вводится критерий потери устойчивости Ку= 2 и аналитически показано, что область потери устойчивости находится в зоне потенциального вихря.
4. Экспериментально показано, что исходное пылевлагосодержание сжа-того газа не оказывает влияния на термодинамическую эффективность вихре-вой трубы низкого напора (ВТНН), что подтверждено эксергетическим анализом.
5. Теоретически получены и подтверждены данными непосредственных измерений значения эксплуатационных характеристик вихревого водоколь-цевого компрессора, обеспечивающие предельные режимы работы машины при которых запирающая жидкость не попадает в воздушные окна.
6. Выработаны критерии оценки эффективности систем газоочистки, включающие как экономические, так и технологические факторы.
Практическая значимость заключается в том, что
получены расчетные соотношения, позволяющие определять гидрав-лическое сопротивлений вихревых аппаратов с учетом их конструктивных особенностей;
пылевлагосодержание исходного потока газа может не учитываться при термодинамическом анализе вихревой трубы низкого напора;
разработана комбинированная система охлаждения, нагрева, очистки воздуха от пыли и осушки (КСОНО) на базе вихревой трубы низкого напора;
гидравлический расчет вихревого водокольцевого компрессора можно проводить без учета содержания пыли в поступающем потоке газа;
даже при высокой степени запыленности (до 250 г/м3) пылеудержи-вающая способность ВВК остается высокой (до 100%);
разработана комбинированная система очистки воздуха от пыли (циклон-ВВК), в которой вихревой водокольцевой компрессор выполняет дополнительную функцию второй «мокрой» ступени, а также техноло-гическая схема циклон-ВВК-ВТНН, позволяющая дополнительно осушить и менять температурный режим выходных потоков, разработаны методики расчета предлагаемых систем;
разработаны методы оценки газоочистных сооружений, позволяющие на стадии проектирования произвести сравнительный анализ конкурирующих систем с учетом затрат на реализацию природоохранных мероприятий;
результаты исследований автора использованы в ЗАО «БЕСКОМ» (Бессоновский компрессорный завод) и в ЗАО «ПРОМЭНЕРГОНАЛАДКА».
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена применением основных уравнений механики жидкости и газа при разработке газодинамических моделей закрученного потока, а сами решения соот-ветствующих задач осуществлены классическими методами математического анализа.
Экспериментальная часть исследования базируется на общепринятых мето-диках с применением стандартных средств измерительной техники. Резуль-таты наблюдений автора хорошо согласуются с данными, имеющимися в технической литературе и результатами собственных экспериментов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докла-дывались и обсуждались на Международной конференции и 5-ом между-народном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов (Москва, 2001г., МГУИЭ); научной конференции «Техника низких температур и экология» (Москва, 2002 г.); Международной конференции «Математические методы и технологии» (Ростов-на-Дону, 2003 г.); Международной конферен-ции «Машиностроение и техносфера ХХI века» (Севастополь,2003 г.); Между-народном симпозиуме «Межрегиональные проблемы экологической безопас-ности» (Сумы, 2003 г.); Международной научно-технической конференции «Насосы, проблемы и решения» (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции «Насосы, эффективность и экология» (Москва, КВЦ «Сокольника» 2005, 2006,2007, 2008 г.г.).
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка, обоснование и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений. В совместных публикациях автору принадлежит до 80 % результатов исследований.
По теме диссертации опубликовано 53 печатных работы, из которых 4 учебных пособия, 28 статей в периодических изданиях из перечня ВАК
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложения. Содержание диссертационной работы изложено на 240 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 39 графиков, 5 таблиц и список использованных источников литературы, включающий 164 наименования.
