Во втором варианте предварительно рассчитываются параметры воздушной сети по величине требуемого напора Н и заданному расходу Q, подбирают ВВК и затем ведут расчет по ранее описанной схеме.
В некоторых производствах приходится эксплуатировать оборудование в условиях запыленности, что значительно ухудшает условия труда и приводит к увеличению риска профессиональных заболеваний обслуживающего персонала. Это, прежде всего, складские помещения хранения сыпучих, по-рошковых материалов, их транспортировка, расфасовка, производства керами-ческих изделий, некоторых видов катализаторов, адсорбентов и многих дру-гих. Вопрос снижения запыленности в рассматриваемых случаях стоит крайне остро. Широко применяемые в промышленности циклоны в отдельных случаях не удовлетворяют повышенным требованиям к чистоте окружающей среды.
Разработана система очистки воздуха в запыленных помещениях на базе ВВК и ВТНН, базирующаяся на комплексе проведенных исследований (рис.16).
ВТНН ВВК ЦИКЛОН БУНКЕР РЕГЕНЕРАЦИЯ Рис.16. Система очистки воздуха в запыленных про- изводственных помещениях на базе ВВК и ВТНН | Применение ВТНН в рассматриваемой схеме позволяет существенно снизить габариты уста-новки, обеспечить осуш-ку выходных потоков, осуществить сепарацию капель жидкости и вер-нуть конденсат в линию ВВК. Обобщая комп-лекс проведенных ис-следований разработан алгоритм расчета дан-ной системы. |
1). По санитарным нормам устанавливается степень рециркуляции помещения данного производства и определяется объемный расход воздуха Q. 2). По каталогам выбирается ВВК, обеспечивающий требуемый расход Q и фиксируется давление на выходе из машины. Например, компрессор ВК-1,5 М1 имеет степень сжатия e=1,5. За вычетом потерь на линии определяется давление на входе в вихревую трубу Рс. 3).В зависимости от исходной запыленности Z выбирают степень рециркуляции 
запирающей жидкости ВВК. Очевидно, что с увеличением величины потери в лини рециркуляции возрастают. 4). Осуществляют технологический расчет системы ВВК - циклон по описанной выше схеме. 5). По выходным параметрам ВВК находят давление на входе в вихревую трубу Рс. 6). Примерный расчет вихревой трубы осуществляется по методике, предложенной . Поскольку механизмы обмена теплотой и массой между свободным и стесненным вихрями неизвестен, расчет базируется на эмпирических соотношениях.
7). Определяется температура и влагосодержание выходных потоков по алгоритму, описанному ранее.
Таким образом, проведен подбор оборудования и разработаны методики расчета показателей выходных потоков. Проведено сравнение предложенной системы пылеулавливания с наиболее дешевыми устройствами аналогичного назначения - фильтрами по критерию относительной экологической эффек-тивности. За базовый вариант примем систему газоочистки на основе четырехпольных фильтров со степенью улавливания hо= 0,98. Худший вариант схемы ВВК - ВТНН дает значение h1 = 0,99. Относительный критерий технико-экологической эффективности дает q = 2,02, т. е. q > 1 и система ВВК-ВТНН оказывается предпочтительнее. Если учесть стоимость обору-дования и затраты на регенерацию фильтров экономический эффект от предложенных мероприятий становится более очевидным.
Пятая глава посвящена технико-экологическому обоснованию выбора системы газоочистки. В основах экологии и рационального природо-пользования приводятся оценки экономической эффективности природо-охранных мероприятий. Ставится задача ввести в расчет ущерба окружающей среде У (руб./с) эксплуатационные параметры данной очистной установки, перейти к относительным величинам, что позволит сократить число коэф-фициентов, не влияющих на функционирование системы, свести критерии экологической эффективности к технологическим, разработать методы рас-чета относительной эффективности газоочистных сооружений, дающих воз-можность выбрать наиболее рациональные подходы и оборудование систем улавливания вредных составляющих атмосферных выбросов. В самом общем случае, ущерб У, причиняемый атмосферными выбросами может быть вычис-лен как
.Приведенная масса выброса, включающая N составляющих, вычислится в виде 
, а масса выброса mi пропорциональна проскоку через систему 
.
В производственной практике обычно задается или известна доля конкретного загрязнения в отходящем газа, Соi. Будем считать газ достаточно разбавленным, так что его плотность r не зависит от наличия примесей 
.
Вычислим ущерб, причиненный атмосфере, на единицу массы уловле-ного загрязнения Уm
. (27)
Если оценивать систему газоочистки по усредненным показателям, hi = h
то 
Сформулируем принцип экологической эффективности природоохранных мероприятий как минимум ущерба, наносимого окружающей среде. Функция цели в этом случае предстанет в виде Уm ® min. Величина Уm убывает с ростом значения
. (28)
Величину Е будем считать критерием экологической эффективности приро-доохранных мероприятий. Критерий относительной экологической эффектив-ности q представим в виде отношения значений Е, вычисленных для сравни-ваемого варианта Е1 и принятого в качестве базового Ео, q = Е1 / Ео.
В случае однокомпонентного загрязнения значение критерия отно-сительной экологической эффективности найдем как
. (29)
Таким образом, для двух систем газоочистки конкретного производства, отличающихся степенью сепарирования, h1 ¹ hо, относительная экологичес-кая эффективность системы оценивается технологическим параметром q® max. Предотвращенный ущерб Уп вычисляют как разность между экономи-ческими потерями двух конкурирующих вариантов 
Ограничимся случаем сопоставления двух вариантов газоочистки, пред-назначенных для одного и того же производства с фиксированным уровнем технологического совершенства. В качестве базового варианта Уо примем максимально возможный ущерб атмосферными выбросами производства, технологическая схема которого не предусматривает стадии очистки, hiо = 0. Для фиксированной технологической схемы производства эффективность стадии очистки оценим в долях от максимального ущерба Еп= Уп / Уо
. (30)
Если считать, что все составляющие вредного выброса со средними пока-зателями агрессивности улавливаются в одинаковом степени ( Аi = А, hi = h) приходим к Еп = h. Таким образом, широко распространенная степень улав-ливания h является частным случаем критерия экологической эффективности Еп, вычисленного для однопараметрического загрязнения или для выброса с усредненными характеристиками. При выборе системы газоочистки предпочтение следует отдать установке, обеспечивающей более высокие значения критерия Еп.
Газоочистная установка требует затрат З (руб./с) на свое создание и функ-ционирование. Эти расходы могут существенно отличаться в зависимости от принятого метода газоочистки и должны приниматься во внимание при оценке общего ущерба. Например, очистка воздуха от пыли «сухим» способом циклонами будет дешевле «мокрой», при которой следует предусмотреть дополнительные расходы на воду, перекачивающие устройства, обезврежи-вание стоков и т. д. В то же время центробежные сепараторы не пригодны для очистки газообразных примесей. Будем использовать относительные показа - тели, т. е. считать прирост предотвращенного ущерба DУп = У1 – У2 на рубль затрат DЗ. Функция цели Уп ® max предстанет в виде Еп=(DУп /DЗ) ® max.
Ограничимся рассмотрением метода расчета величины Уп для широко используемых на практике инерционных пылеуловителей. Выделим в эксплуа-
тационных расходах переменную составляющую энергозатрат, связанную с гидравлическим сопротивлением аппарата DR (Па). Потерю напора DH = DR/r (Дж./кг) определим из уравнения Бернулли, записанного для входного и выходного сечений газовода. Расход энергии вычислится как I = DR × Q (Дж/с). Энергозатраты Зэ с учетом стоимости энергии Цэ (руб./Дж) определим из соотношения 
.
Предотвращенный ущерб Уп вычисленный на рубль затрат найдем как
. (31)
Критерий относительной экологической эффективности вихревого аппарата qп =Еп1 / Еп0, вычислен по значениям Еп для двух установок Еп1 и Еп0, из которых одна принята за базовую Еп0. При переходе к усредненным величинам
. (32)
Применим полученные ранее результаты по оценке эффективности га-зоочистки к сравнительному анализу пылеуловителей центробежного дей-ствия по критерию q. В качестве базового принят пылеуловитель ЦН – 24. Результаты сравнительного анализа группы серийных циклонов, ВТНН, ВВК представлены в таблице 2. Как показывают представленные данные, критерий относительной технико-экологической эффективности q отражает логику процесса пыле-улавливания – чем выше степень сепарирования аппарата h, тем величина q больше. В данном случае вместо качественной констатации факта предлагается количественная оценка эффективности газоочистки, позволяющая определить в какой степени конкурирующие системы отличаются друг от друга. На рис.17 представлены результаты исследований сепарирующей способности циклонов ВЗП и ПЦПО в зависимости от условной скорости газа vу, вычисленной на полное сечение аппарата. Испытывались лабораторные модели пылеуловителей диаметром D= 115-120 мм с близкими конструктивными и входными параметрами, что создавало идентичность условий и исключало необходимость пересчета. Одновременно проводились измерения гидравлического сопро-тивления DР аппаратов.
Таблица 2
|
99 98 2 1 97 vу, м/с Рис.17 Влияние скорости газа vу на сепарирующую способность циклона: 1 – аппарат ПЦПО; 2 – ВЗП. |
h, %
DР КПа,
1,6 qТ
1,,5
0,8
0,4 1,4
0
0v2у, м2/сvу, м/с
Рис.18 Зависимость гидравличес - Рис.19 Относительная технико-
кого сопротивления от условной экологическая эффективность
скорости газа: 1 – аппарат ПЦПО циклонов ПЦПО и ВЗП
2 – ВЗП.
Результаты опытов представлены на рис.18. Оказалось, что рост зна - чения h сопровождается увеличением гидравлического сопротивления цик-лона DР, тенденция характерная для инерционных пылеуловителей. Проведено сравнение рассматриваемых циклонов с помощью критерия относительной технико-экологической эффективности qп. В качестве базового примем аппарат ВЗП. Результаты графически представлены на рис. 19.
Приведенные данные носят иллюстрационный характер и демонст-рируют возможности применения критериев технико-экологической эффек-тивности Е для сравнительной оценки аппаратов системы газоочистки. Возможности их применения шире.
ВЫВОДЫ
1. В результате теоретического анализа гидродинамики аппаратов с закрученным движением фаз получены расчетные соотношения, позво-ляющие оценить вклад отдельных составляющих в общие потери напора в вихревом аппарате, что позволяет учесть его конструктивные особенности на стадии проектирования. Аналитически показано, что движение вязкого, несжимаемого газа к оси закрутки против действия центробежной силы, характерное, в том числе, для циклонов, вихревых труб низкого напора возможно при определенном давлении потока на периферии устройства. Принятая в работе система уравновешивания касательного напряжения на пограничном слое скоростным напором внешнего течения позволяет не только определить размер пристенной зоны, но и выполнить условия при-липания, которые обычно игнорируются. Хорошая сходимость результатов вычислений по полученным соотношениям для различных участков вихревого аппарата с данными, имеющимися в технической литературе и собственных экспериментов, подтверждает приемлемость принятых допущений.
2. Теоретически установлена потеря устойчивости закрученного течения в узкой зоне на границе центрального и периферийного вихрей при значениях введенного критерия потери устойчивости Ку= 2, что позволяет объяснить природу эффекта Ранка, в том числе, возникновением вихревых структур в приосевой зоне с последующей их диссипацией на периферии, теоретически обосновать и объединить ряд гипотез о сущности энерге-тического разделения потока газа в вихревой трубе.
3. Проведенные исследования показали, что термодинамические характе-ристики вихревой трубы низкого напора не зависят от степени запылен-ности входного потока и мало зависят от его влагосодержания. Разработана методика расчета влагосодержания выходных потоков. На основе полу-ченных результатов разработана комбинированная система охлаждения, нагрева, очистки воздуха от пыли и его осушки на базе вихревой трубы низкого напора.
4. Установлено, что вихревой водокольцевой компрессор может выполнять дополнительную функцию пылеуловителя без изменения эксплуатацион-ных характеристик и применяться в качестве «мокрой» ступени газо-очистки. Теоретически рассчитаны и подтверждены экспериментально предельные режимы эксплуатации ВВК, при которых газ не попадает в воздушные окна. На базе проведенных исследований разработана комбини-рованная система очистки воздуха от пыли циклон-вихревой компрессор и предложена методика ее гидравлического расчета.
5. Комплекс проведенных исследований послужил основой конструирования системы очистки воздуха в запыленных производственных помещениях на базе вихревого водокольцевого компрессора и вихревой трубы низкого напора и методики подбора комплектующего оборудования, их сочетания и расчета выходных параметров.
6. На основе метода оценки экономической эффективности осуществленных природоохранных мероприятий получены соотношения для расчета ущерба, наносимого окружающей среде атмосферными выбросами производства. Переход к относительным показателям позволил сократить число коэффициентов, не влияющих на процесс газоочистки и выработать критерии технико-экологической эффективности систем газоочистки, позволяющие на стадии проектирования произвести их рациональный выбор.
Условные обозначения В – коэффициент экологического ущерба, руб./усл. кг; М – приведенная масса выброса загрязнения в атмосферу, усл. кг/с; Аi - показатель относительной агрессивности загрязнения, усл. кг/кг; C- постоянная интегрирования; b, h - ширина, высота входного штуцера циклона, м; mi, moi - масса выброса отдельного компонента в поступающем на очистку потоке, кг/с; Q - объемная подача, расход, м3/с; Р, Ро, Рс - давление: текущее, на границе центрального вихря, на входе в ВТ, Па; R, Rо, Rп - радиусы: аппарата, центрального вихря, выхлопного патрубка циклона, м; Н- высота, м; Т, Тх, Тг – температура: текущая, холодного и нагретого потоков, К; r, j, z - координаты цилиндрической системы отсчета; vr, vj, vz - составляющие скорости, м/с; n, m - кинематическая, м2/с и динамическая, Па×с, вязкости; r - плотность среды, кг/м3; h, hо, hi - степень улавливания загрязнения: средняя, базового варианта газоочистки, отдельного компонента; w, wо - угловая скорость: текущая, на границе центрального вихря, 1/с; d50,dh=50-медианный размер частиц пыли, размер частиц пыли, улавливаемой в пылеуловителе на 50%; Re=v×d/n – число Рейнольдса; Pr=m×cp/l - число Прандтля; Ec=v2/(cp×DT) - число Эккерта; Eu=DP/(r×v2)–число Эйлера; ET=DP/(r×cp×DT) - отношение ис-пользованной потенциальной энергии давления к реализованной тепловой.
Публикации автора по теме диссертации:
Монографии и учебные пособия
1. Трошкин гидромеханика: учебное пособие / , -М.: МГУИЭ,200с.
2. Трошкин задач по газодинамике: учебное пособие / , - М.: МГУИЭ, 200с.
3. Трошкин : учебное пособие / , - М.: МГУИЭ, 200с.
4. Гидравлика и гидравлические машины. Учебное пособие/ , , - М.: МГУИЭ.- 200с.
Статьи, опубликованные в изданиях из перечня,
рекомендованного ВАК
5. К расчету закрученных струй / , // Изв. Вузов, с. Энергетика.- 1982. - №9.
6. Шерстюк слабозакрученной струи/ , А. // Теплоэнергетика.-1986.- №2.
7. Шерстюк параметров двухмерного потока с помощью двухточечного аэродинамического зонда / , // Изв. вузов, с. Энергетика.-1989.-№1.
8. Экспериментальное исследование начального участка закрученной струи.-М., 1991.- с.- Деп в ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ , 1.
9. Оценка экологической эффективности пылеулавливаю-щих систем./ , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 1992. - №5.- С. 30-31.
10. Экономическая эффективность осуществляемых при-родоохранных мероприятий./,,Матвеев Т. А. / Хим. и нефтегаз. маш-е.- 1993. - №4. - С.48-50.
11. Обобщенный критерий экологической и экономической эффективности пылеулавливающих систем./ , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 1993. - №8.- С.28.
12. Применение центробежных нагнетателей в качестве газоочистителей. / , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 1993. -№9. - С.28-29.
13. Влияние устойчивости закрученного потока на сепарирующую способность циклона./ , // Хим. и нефтегаз. маш-е. -1996. -№1. - С. 57-58.
14. Локальный критерий относительной эффективности природоохранных мероприятий. / , , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 1997. -№3. - С.57-58.
15. Расчет характеристик компрессоров, сжимающих влажный воздух./ , Трошкин А. Н., Орбис- // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 1997. - №4. - С.58.
16. Анализ параметров эксплуатации газоочистных аппа-ратов./ , Артеменко О. А., // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 1998. - №2. - С 34-35.
17. Влияние интенсивности циркуляции уплотняющей жидкости на рабочие характеристики водокольцевой воздуходувки. /, , // Хим. и нефтегаз. маш-е. -2001. - №9 . - С.34.
18. Трошкин неустойчивость в вихревых аппаратах/ , , , А, // Хим. и нефтегаз. маш-е. -2001. -№8. - С.5.
19. Гидродинамический расчет аппаратов вихревого типа. /, , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2001. - №11. - С. 6-7.
20. Газодинамика вихревой трубы. / , , //ТОХТ, т.3№4. - С.358-362.
21. Шмелев режим эксплуатации комбинированного пылеуловителя./ , , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2002. -№ 4. - С.46-47.
22. Трошкин экологически эффективной системы газоочистки./ , , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2002. - №11. - С.38-39.
23. Расчет предотвращенного ущерба от атмосферных выбросов и выбор систем газоочистки.// Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2003. - №9. - С.36-37.
24. Трошкин система пылеулавливания./ , , // Экология промышленности.- 2003. - Январь. - С.6-7.
25. Комбинированная система очистки, нагрева и охлажде-ния воздуха. / , , // Экология промышленности.- 2003. - С.17-19.
26. Расчет гидравлического сопротивления вихревого аппарата./ ,,// Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2004. -№2. - С.11-12.
27. Гидравлический расчет водокольцевой воздуходувки в комбинированной системе пылеулавливания./ , , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2007. -№2. - С.28-29.
28. Гидродинамика вихревого потока в гладкостенном аппа-рате с мешалкой / , , // Хим. и нефтегаз. маш-е№6. - С.13-14.
29. Процесс массопереноса в низконапорной вихревой трубе./ , , // Хим. и нефтегаз. маш-е. -2007. -№12. - С.10-11.
30. Гидродинамическая устойчивость течения в аппаратах с закрученным движением фаз./, // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2009. - № 3. - С. 3-4.
31. Параметры водокольцевого компрессора, работающего в режиме рециркуляции запирающей жидкости./ , , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2009. - № 6. - С.33-34.
32. Оценка возможности придания вихревой трубе допол-нительной функции пылеуловителя. / , , // Хим. и нефтегаз. маш-е.- 2009. - № 7. - С.44-45.
Статьи, опубликованные в других изданиях
33. Экологическая эффективность пылеулавливающих сис-тем / , //Гидродинамика больших скорос-тей.-Красноярск: КрПИ.- 1991.-С. -
34. Шаровой четырехточечный зонд для измерения пара-метров трехмерного потока./ , //Гидро-динамика больших скоростей. - Красноярск: КрПИ.- 1991.
35. Относительная эффективность природоохранных меро-приятий./ , А // Вуз. научно-тех. конф. преп. состава.-М.: МГУИЭ.- №Х1V1.-1995.-С
36. Шерстюк основных параметров процесса компремирования с учетом влажности сжимаемого воздуха ./, .//Меж. научно-тех. конф. по компрессорной технике.- Казань - 1995-№10. - С. 4.
37. Трошкин использования водокольцевой воздуходувки в качестве ступени газоочистки./ , , // Межд. конф-я и 5 межд. симпозиум мол. уч, асп-в и студ-в.- М.: МГУИЭ.- 2001.- С. 248-249.
38. Канерва экологическая эффективность циклонов./ , Тарасова Л. А., // Межд. конф-я и 5 межд. симпозиум мол. уч, асп-в и студ-в. .- М.: МГУИЭ.- 2001.- С. 246-247.
39. Потеря напора в аппаратах вихревого типа./ , , // Межд. конф-я и 5 межд. симпозиум мол. уч., асп-в и студ-в.- М-:МГУИЭ. -2001.- С.306.
40. Канерва расчета предотвращенного ущерба атмосферных выбросов с учетом затрат./ , //Техника низких температур и экология: материалы науч. конф-и.-М.: МГУИЭ.- 2002.- С. 20-21.
41. Янышев слой у цилиндрической стенки аппарата./ , , // Техника низких температур и экология: материалы науч. конф-и.-М.:МГУИЭ.-2002.- С.18-19.
42. Трошкин эффективность систем газоочистки./ , , // Сб. трудов меж. научно-техн. конф-я.- Севастополь.- 2002. - С.76-78.
43. Канерва вакуум-насос в системе газоочистки./ , // Труды межд. научно-техн. конф-я.- М.:МГУИЭС.29-30.
44. Математическое моделирование закрученного потока в пристенной зоне вихревого аппарата./ , // Математические методы и технологии: материалы межд. науч. конф-и.- Ростов --на-Дону. -2003- С.63-64.
45. Определение параметров модели вихревого движения газа вдоль цилиндрической стенки./ , , //Математические методы и технологии: материалы межд. науч. конф-и.- Ростов-на-Дону.- 2003- С.62-63.
46. Давление закрученного потока газа при движении к оси вращения./ , , //Труды межд. конф.- СевастопольТ.3.- С.183-185.
47. Гидравлическое сопротивление вытеснителя вихревого аппарата./ , // Труды межд. конф-и.- Севастополь. -2003. - Т.3.- С.181-183.
48. Расширение области применения вихревых труб/ , // Межрегиональные проблемы экологической безо-пасности: материалы межд. симпозиум.- Сумы.-2003.
49. Водокольцевой вакуум-насос в системе газоочистки. // Насосы и оборудование.- Киев.- 2004.- №1(24) февраль. - С.
50. Возможность использования водокольцевой воздухо-дувки в качестве мокрой ступени системы пылеулавливания./ , , // Насосы. Эффективность и экология.-М.- труды межд. научно-техн. конф-я.- 2005.
51. Эффективность теплообменных процессов в комби-нированных системах «компрессор-вихревая труба»./ , , // Насосы и оборудование.- Киев.- 2007. - №1(42), февраль.- С.38-39.
52. Гидравлический расчет системы пылеулавливания «циклон-вихревой компрессор». // Насосы и оборудование.- Киев.- 2008. -№6(53) февраль. - С.40.
53. Шилин безразмерных параметров, характеризующих процессы переноса в вихревой трубе./ , , // Ecopump/ru, 2008. Эффективность и экологичность нососного оборудования.-М.- Материалы межд. научно-техн. конф-и. -2008.- С.51.
Подписано в печать 15.09.2010
Заказ № 000 Усл. печ. л. 2,125. Тираж 100 экз.
Издательский центр МГУИЭ
г. Москва, Старая Басманная ул.,21/4
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
