--PAGE_BREAK--У четвертому розділі представлено теоретичні та експериментальні дослідження відцентрово-інерційних апаратів. Розроблено математичну модель сепарації твердих частинок у відцентрово-інерційному пиловловлювачі без врахування наступних факторів: не враховано взаємодію між частинками пилу та їх вплив на загальний потік; вплив турбулентних пульсацій потоку на усереднений рух частинки; вплив сили протитиску та додаткової сили Магнуса-Жуковського на усереднений рух пилу; вплив нестаціонарності відносного руху частинки на її траєкторію.
Для математичного моделювання процесу руху частинки в корпусі пиловловлювача вибрано конструкцію відцентрово-інерційного апарата (рис. 1), який розроблений автором і захищений патентом України.
Враховуючи математичні вирази основного закону динаміки (1), сили опору повітря (2), прискорення матеріальної точки в циліндричній системі координат з одиничними векторами (3), швидкості повітря (4), швидкості матеріальної точки в циліндричній системі координат (5), одержана система рівнянь (6) при початкових умовах (7), яка зведена до системи нормального вигляду (8) для розв’язання задачі Коші.
, (1)
де - маса частинки, кг; - прискорення частинки, м/с2; - сила тяжіння, Н; - сила опору повітря, Н.
(2)
де — абсолютна швидкість матеріальної точки, м/с;
- коефіцієнт пропорційності, який визначається за формулою: ;
- коефіцієнт форми, 0,3-0,7; - густина повітря, кг/м3; - максимальна площа поперечного перерізу матеріального тіла, коли площа перерізу перпендикулярна до швидкості повітря, м2.
, (3)
де - радіальне прискорення:; - тангенціальне прискорення: ; - прискорення відносно осі 0Z: ;, , – відповідно величини радіусу (м), кута (радіан) та висоти місцезнаходження матеріальної точки в апараті (м) (в циліндричній системі координат); , , - відповідно величини зміни в часі радіусу (м/с), кута (радіан/с) та висоти місцезнаходження матеріальної точки (в циліндричній системі координат) (м/с); , , - відповідно величини прискорення матеріальної точки по радіусу (м/с2), куту (радіан/с2) та висоті місцезнаходження матеріальної точки в циліндричній системі координат (м/с2).
, (4)
де - кут нахилу руху частинки в апараті (градус).
. (5)
Для (1) враховуємо формули (2)-(5) і отримуємо:
(6)
де - прискорення вільного падіння, м/с2.
(7)
де - кут нахилу вхідного патрубка апарата (градус); - відстань від осі пиловловлювача до внутрішньої стінки пиловловлювача (м); - відстань від осі пиловловлювача до зовнішньої стінки пиловловлювача (м).
(8)
Аналізуючи одержану систему (8) зауважуємо, що третє рівняння є незалежне від двох перших і розв’язок якого при вказаних початкових умовах визначається співвідношенням:
, (9)
де - час, за який частинка досягне зовнішньої стінки пиловловлювача (с).
Диференційне рівняння руху матеріальної точки при початкових умовах чисельно розв’язано використовуючи математичний пакет “MathCad 2001”, для чого була складена програма MC.mcd. Це дало можливість визначити оптимальну висоту циліндричної частини корпуса пиловловлювача при різних значеннях вхідних параметрів.
В результатах експериментальних досліджень було досліджено 3 типи відцентрово-інерційних пиловловлювачів (рис. 2), конструкції яких розроблені автором і захищені патентами України: конічні, циліндричні та циліндрично-конічні з жалюзійним відокремлювачем, який виконаний циліндричним (з дном і без нього) і конічним з дном, де другим ступенем очистки служить встановлений в корпусі апарата жалюзійний відокремлювач. Вони об’єднані назвою відцентрово-інерційні пиловловлювачі і досліджені на стандартному експериментальному стенді з використанням стандартного експериментального пилу — кварцового піску з медіанним діаметром (8, 32 та 50)·10-6 м при витратах повітря 1000-3000 м3/год.
Експериментальним шляхом було визначено: співвідношення діаметрів корпуса апарата і жалюзійного відокремлювача, оптимальних кутів при вершині корпуса та конічного жалюзійного відокремлювача (для конічного відцентрово-інерційного пиловловлювача), оптимальної довжини циліндричної частини корпуса апарата (для циліндричного та циліндрично-конічного відцентрово-інерційного пиловловлювача) та найефективнішої конструкції жалюзійного відокремлювача (для всіх типів відцентрово-інерційних пиловловлювачів). Крім цього було виявлено: залежність ефективності вловлення пилу для всіх типів апаратів від дисперсного складу пилу, витрат повітря в стенді, конструкції жалюзійного відокремлювача та конструктивних розмірів корпуса апарата; залежність гідравлічного опору всіх типів пиловловлювачів від витрат повітря в стенді. Шляхом порівняльних досліджень визначено найбільш ефективну із запропонованих конструкцію апаратів та переваги запропонованих пиловловлювачів перед еталоном — циклоном ЦН-11.
Конічні відцентрово-інерційні апарати були досліджені з жалюзійними відокремлювачами: циліндричний (з дном і без дна) і конічний з дном (рис. 2а, 2б). У першій конструкції жалюзійний відокремлювач 5 знизу не закритий суцільним дном, а у другому – має суцільне дно 6. З метою визначення оптимального кута конусності пиловловлювача були проведені дослідження корпусів конічного апарата з трьома різними зазначеними вище формами жалюзійного відокремлювача та з різним кутом a при вершині його корпуса (10-45 град).
В результаті експериментів встановлено, що оптимальним кутом при вершині корпуса є кут у 15 град; для конічного жалюзійного відокремлювача з дном оптимальний кут становить 9-11град; ефективність збільшується при збільшенні витрат повітря; найбільш ефективним є пиловловлювач з конічним жалюзійним відокремлювачем і дном, що пояснюється можливістю підтримання постійною швидкості руху пилоповітряного потоку як в корпусі, так і при проходженні його через відокремлювач. Наявність закритого дна у циліндричному жалюзійному відокремлювачі підвищує ефективність пиловловлення.
При витратах повітря 3000 м3/год максимальна ефективність роботи для пилу з медіанним діаметром (8, 32 та 50)·10-6 м для конічного пиловловлювача становить відповідно: з циліндричним жалюзійним відокремлювачем без дна — 87,5 %, 96,0 % та 97,0 %; з циліндричним жалюзійним відокремлювачем з дном — 88 %, 96,7 % та 97,5 %; з конічним жалюзійним відокремлювачем з дном — 88,6 %, 97 % та 97,8 %.
Циліндричні апарати були досліджені з трьома типами жалюзійних відокремлювачів: циліндричний без дна (рис. 2 в), циліндричний з дном (рис. 2 г) та конічний з дном (рис. 2 д). Експериментальні дослідження циліндричних пиловловлювачів показують, що зі збільшенням витрат повітря збільшується ефективність пиловловлення; оптимальна довжина циліндричного корпуса апарата для частинок пилу з медіанним діаметром (8, 32 та 50)·10-6 м становить відповідно: для циліндричного жалюзійного відокремлювача без дна — (850-900)∙10-3м, (800-850)∙10-3м, (750-800)∙10-3м; для циліндричного жалюзійного відокремлювача з дном — (800-850)∙10-3м, (750-800)∙10-3м, (700-750)∙10-3м; для конічного жалюзійного відокремлювача з дном — (750-800)∙10-3м, (700-750)∙10-3м, (650-700)∙10-3м. Максимальну ефективність роботи пиловловлювача при витратах повітря 3000 м3/год можна отримати при певній конструкції жалюзійного відокремлювача і для пилу з медіанним діаметром (8, 32 та 50)·10-6 м вона становить відповідно: для циліндричного жалюзійного відокремлювача без дна — 89,4 %, 97,5 %, 98,5 %; для циліндричного жалюзійного відокремлювача з дном — 89,7 %, 97,8 %, 98,9 %; для конічного жалюзійного відокремлювача з дном — 88,8 %, 97,3 %, 98 %.
Циліндрично-конічні апарати були досліджені з жалюзійними відокремлювачами: циліндричний (з дном і без дна) і конічний з дном (рис. 2е, 2ж). Встановлено, що ефективність пиловловлення збільшується зі збільшенням витрат повітря та медіанного діаметра частинок пилу. Максимальна ефективність пиловловлення в циліндрично-конічному апараті для частинок пилу з медіанним діаметром (8, 32 та 50)·10-6 м досягається відповідно: для циліндричного жалюзійного відокремлювача з дном при довжині циліндричної частини (650-700)∙10-3 м, (600-650)∙10-3 м, (550-600)∙10-3 м; для циліндричного жалюзійного відокремлювача без дна при довжині циліндричної частини (700-750)∙10-3 м, (650-700)∙10-3 м, (600-650)∙10-3 м; для конічного жалюзійного відокремлювача з дном при довжині циліндричної частини (750-800)∙10-3 м, (700-750)∙10-3 м, (650-700)∙10-3 м. Максимальну ефективність роботи пиловловлювача при витратах повітря 3000 м3/год можна отримати при певній конструкції жалюзійного відокремлювача і для пилу з медіанним діаметром (8, 32 та 50)·10-6 м вона становить відповідно: для циліндричного жалюзійного відокремлювача з дном — 90,5 %, 98,5%, 99,5 %; для циліндричного жалюзійного відокремлювача без дна — 90,1 %, 98,2 %, 99,3 %; для конічного жалюзійного відокремлювача з дном — 89,8 %, 97,9 %, 99,1 %.
Гідравлічний опір апаратів збільшується зі зростанням витрат повітря (рис. 3), причому для витрат більших 2000 м3/год це зростання відбувається інтенсивніше. Апарати, які мають вищу ефективність вловлення пилу, мають при цьому менший гідравлічний опір, що визначається в першу чергу їх конструктивними особливостями.
У п’ятому розділі наведено результати порівняльних досліджень новостворених пиловловлювачів, підкреслено їх переваги та кращі показники за ефективністю пиловловлення та гідравлічним опором у порівнянні з еталоном (циклон ЦН-11). Статистичне моделювання аналітичної залежності ефективності пиловловлення від конструктивних розмірів і режимів роботи пиловловлювача та оцінка значущості впливу вхідних факторів (довжина секції циліндричної частини для циліндричних та циліндрично-конічних апаратів, кут нахилу стінки апарата для конічних апаратів, медіанний діаметр частинки, витрати повітря тощо) на ефективність пиловловлювання апарата виконано з використанням обчислювальної техніки.
Переваги запропонованих пиловловлювачів за ефективністю пиловловлення та гідравлічним опором у порівнянні з еталоном (циклон ЦН-11) пояснюється конструктивними особливостями як корпуса апарата, так і жалюзійного відокремлювача, які визначаються з умови мінімальної турбулізації потоку, збереження постійними швидкості руху пилоповітряної суміші в корпусі апарата і при проходженні через жалюзі відокремлювача, та зменшення впливу вторинного вихору з бункера пиловловлювача. Найменша ефективність роботи із запропонованих апаратів спостерігається у конічного відцентрово-інерційного пиловловлювача з циліндричним жалюзійним відокремлювачем без дна, але при цьому вона перевищує ефективність кращого з існуючих апаратів сухого очищення повітря — циклону ЦН-11.
При порівнянні одержаних експериментальних даних з результатами чисельних експериментів спостерігається деяка відмінність у процесі визначення довжини циліндричної частини для циліндричного та циліндрично-конічного пиловловлювачів, що пояснюється тим, що будь-яка модель (модель “ідеального“ середовища, модель взаємодії сил в такому середовищі, рух “ідеальної“ матеріальної точки в уявленому потоці) є дещо ідеалізованою. Для одержання числових значень вводяться початкові (граничні) умови, тобто умови однозначності, та ряд припущень. Можливості фізичного моделювання обмежені дуже вузькими діапазонами змін величин, які визначаються в дослідах. При виведенні математичної моделі знехтували рядом факторів, вплив яких не може бути врахований в диференційних рівняннях руху, а саме вплив нестаціонарності відносного руху частинки на її траєкторію, взаємодію між частинками, вплив маси частинок на потік, вплив турбулентності потоку на рух частинок тощо. Крім того, було зроблено припущення, що при дотику до зовнішньої стінки апарату частинка вважається вже вловленою, більше не відбивається і рухається вздовж зовнішньої стінки апарата у напрямку до пиловипускного патрубку. В реальних умовах відбувається відбиття частинки від зовнішньої стінки апарату, ії подальший рух в закручених потоках та неодноразове відбиття від стінок апарата. В подальшому планується визначити залежність конструктивних параметрів пиловловлювача із врахуванням деяких факторів, вплив яких не можливо було прослідкувати в даній роботі.
Для оцінки значущості впливу вхідних факторів (довжина секції циліндричної частини для циліндричних та циліндрично-конічних апаратів, кут нахилу стінки апарата для конічних апаратів, медіанний діаметр частинки, витрати повітря тощо) на ефективність пиловловлювання апарата було застосовано метод статистичного моделювання аналітичної залежності ефективності пиловловлення від конструктивних розмірів і режимів роботи пиловловлювача, заснований на регресійному аналізі вхідних та вихідних даних.
Проведення регресійного аналізу передбачає значного обсягу обчислень з використанням обчислювальної техніки та відповідного програмного забезпечення. На основі наведеного методу статистичного моделювання використовуючи інтегроване середовище Borland C++ 4.5 була створена програма MNK, яка визначає коефіцієнти рівняння регресії, залишкову дисперсію, дисперсію відтворення, величину критерію Фішера та значення критерію Стьюдента для всіх коефіцієнтів рівняння регресії. За розрахунками одержуємо рівняння регресії досліджуваних процесів, що наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 —
Рівняння регресії досліджуваних процесів
Назва пило-вловлювача
Жалюзійний відокремлювач
Рівняння регресії досліджуваних процесів
1
2
3
Циліндричний з дном
Y = 90,625 + 9,97145∙10-5∙X1 + 0,178219∙X2 – 0,000715421∙X3
Циліндрично-конічний
Конічний з дном
Y = 87,5132 + 0,00223838∙X1 + 0,198721∙X2 – 0,000569829∙X3
Циліндричний без дна
Y = 89,8448 + 0,000960825∙X1 + 0,185764∙X2 – 0,000812001∙X3
Циліндричний з дном
Y = 90,1276 – 0,000489599∙X1 + 0,189983∙X2 – 0,000718423∙X3
Циліндричний
Конічний з дном
Y = 88,0433 + 0,00314209∙X1 + 0,176066∙X2 – 0,00139099∙X3
Циліндричний
Циліндричний без дна
Y = 87,4178 + 0,00280143∙X1 + 0,186059∙X2 – 0,00100576∙X3
Циліндричний з дном
Y = 87,9933 — 0,114988∙X1 + 0,227385∙X2 – 0,216686∙10-3∙X3
Конічний
Конічний з дном
Y = 88,3087 – 0,103801∙X1 + 0,216949∙X2 – 0,78297∙10-5∙X3
Циліндричний без дна
Y = 86.9399 – 0,104198∙X1 + 0,213002∙X2 + 4.97187∙10-5∙X3
ЦН-11
—
Y = 83,1709 + 0,0848919∙X2 + 0,0017504∙X3
У рівняннях: X1 — довжина секції циліндричної частини для циліндричних та циліндрично-конічних апаратів (10-3 м) або кут нахилу стінки апарата для конічних апаратів (градус, 0), X2 — медіанний діаметр частинки (10-6 м), X3 — витрати повітря (м3/год); Y — ефективність пиловловлювання апарата (%).
За допомогою одержаних рівнянь регресії визначені значення ефективності пиловловлювання для кожного досліджуваного пиловловлювача при відповідній зміні конструктивних розмірів і режимів роботи пиловловлювача. Відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищує 6 %.
У шостому розділі наведено результати впровадження розроблених установок для котельних. За даними результатів розсіювання забруднюючої речовини (зола вугільна) в атмосферному повітрі проведена оцінка впливу викидів забруднюючої речовини на стан забруднення атмосферного повітря для кожного населеного пункту, в якому розташовані досліджувані джерела викидів. Результати розрахунку i аналіз карт розсіювання шкідливих речовин в приземному шарі атмосферного повітря показали, що для всіх джерел викиду, які обладнані золовловлювачами ЦН-11, виявлено перевищення ГДК для золи вугільної ТЕС. У випадку джерел викиду, що обладнані розробленими золовловлювачами, перевищень ГДК не спостерігається в жодному населеному пункті.
продолжение
--PAGE_BREAK--