УДК 66.02.071.7
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЫЛЕГАЗООЧИСТНОГО АППАРАТА С УДАРНО ВИХРЕВЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ПОТОКОВ
, ,
ЮКГУ им. М.Ауезова, Шымкент, Казахстан
Түйін
Конусты пластиналы құйындатқышы бар соққылы-құйынды әсерлестіруші аппараттың гидродинамикалық заңдылықтарын зерттеу нәтижесінде аппаратың үш гидродинамикалық жұмыс режимі анықталды: қабықшалы-ташылы, тамшылы және тамшылардың үлесіп әкету. Бұл мәліметтер эжекция аймағының гидравликалық кедергісі, шартты меншікті себелеу және үдемелі сұйық деңгейіның экспериментальды нәтижелерімен расталады.
Summary
Studies of the hydrodynamic patterns of shock-vortex apparatus of the conical plate turbulizers revealed three hydrodynamic modes: film-drop, drop and spray droplet entrainment. These results are confirmed by experimental data of pressure drop ejection zone, a conditional share of irrigation and the dynamic fluid level.
В последние годы на промышленных предприятиях для целей пылеулавливания успешное применение нашли аппараты ударно-инерционного действия с регулярной подвижной насадкой. Совершенствование конструкции данного пылеуловителя привело к созданию аппарата с ударно-вихревым взаимодействием потоков, в котором насадочные элементы выполнены в виде пластинчатых усеченных конусов с лопастями. При этом создается возможность организации дополнительной крутки вихрей, образующихся за обтекаемыми телами, что позволит получить развитую межфазную поверхность, а, следовательно, более высокую степень очистки. Однако, для разработки промышленных образцов и создания инженерной методики расчета необходимо проведение комплекса исследований.
Визуальные наблюдения за структурой потоков и фотосъемка, анализ полученных экспериментальных данных гидравлического сопротивления ΔРап аппарата с ударно-вихревым взаимодействием потоков в зависимости от скорости газа Wг и различных исходных уровнях жидкости h1 свидетельствуют о том, что гидродинамические режимы определяются насадочной зоной аппарата для которой, как и в случае аппарата УИД с РПН [1,2], характерны три гидродинамических режима: пленочно-капельный, капельный и брызгоуноса (рисунок 1).
Вместе с тем исходный уровень жидкости h1 в значительной мере определяет границы существования режимов и величину гидравлического сопротивления. На рисунке 2 показано взаимодействие газовой и жидкой фаз в эжекционной зоне аппарата при различных исходных уровнях жидкости. С различным размером глубины кольцевого углубления в диапазоне скоростей газового потока Wг от 1 до 5м/с общий характер работы эжекционной зоны аппарата остается неизменным. В результате удара газового потока о поверхность жидкости возникает кольцевое углубление и на периферии с кольцевого «холма» происходит эжекция пленок, капель и струй в насадочную зону аппарата. При скорости газа Wг от 1 до 2,5м/с капли и струйки жидкости, подхватываемые потоком ударяются о внутреннюю поверхность пластинчатых конусов, оседают на внешней их поверхности и стекают в виде пленки вниз практически не подвергаясь воздействию газового потока. Взаимодействие потоков происходит на поверхности капель и пленок вследствии чего этот режим назван пленочно-капельным. На графике зависимости ΔРап =f(Wг) конец пленочно-капельного режима характеризуется переломами в точках А1 … А3.
Следующий режим наступает с увеличением скорости газа Wг>2,5м/с и существует до Wг=4÷4,5м/с в зависимости от исходного уровня жидкости. В этом режиме, названном капельным, кинетическая энергия газового потока уже достаточна для нарушения пленочного течения жидкости по внешней и внутренней стороне пластинчатой конической насадки. Движение стекающей жидкости происходит с образованием волн на ее поверхности. Торможение стекающей пленки приводит к увеличению количества удерживаемой жидкости. Последнему также способствует витание все большего количества капель в межнасадочном пространстве. Изменение исходного уровня жидкости h1 сдвигает начало капельного режима в сторону меньших скоростей. На графике зависимости ΔРап =f(Wг) этот режим представлен участками А1, В1, … А3В3.
tв/dр=3,6; tр/dр =2; dр=0,1м
1,2,3 – ΔРап при h1=-0,02; 0; +0,02м, соответственно;
Рисунок 1 – Зависимость гидравлического сопротивления ΔРап аппарата
с ударно-вихревым взаимодействием потоков от скорости газа Wг
а) h1>0 б) h1<0
Рисунок 2 – Схемы взаимодействия газовой и жидкой фаз в эжекционной
зоне аппарата с ударно-вихревым взаимодействием потоков
при различных исходных уровнях жидкости.
Капельный режим характеризуется высокой турбулизацией газожидкостного потока, однородностью его распределения в объеме насадочной зоны при полном отсутствии каплеуноса в начале режима и допустимом каплеуносе при достижении верхней границы. Значительное влияние на границы существования режима оказывает величина исходного уровня жидкости. При h1>0 размер эжектируемых капель составляет ~2,5мм и гидравлическое сопротивление выше, чем при h1≤0, где размер капель 0,8÷1,2мм.
Скорости газового потока Wг свыше 4÷4,5м/с приводят к наступлению режима брызгоуноса. Происходит значительное накопление жидкости в насадочной зоне и над ней. Растет гидравлическое сопротивление. Кинетическая энергия газового потока такова, что происходит интенсивный унос жидкости из аппарата. В исследуемых диапазонах скоростей газового потока и исходных уровнях жидкости при h1>0 незначитеьный брызгоунос поступает уже при Wг=4м/с, тогда как в случае h1<0 брызгоунос происходит при Wг=4,5м/с.
tв/dр=3,6; tр/dр =2; dр=0,1м
1,2,3 - ΔРэ при h1=-0,02; 0; +0,02м, соответственно.
Рисунок 3 – Зависимость гидравлического сопростивления зоны эжекции ΔРэ аппарата с ударно-вихревым взаимодействием потоков газа и жидкости
от скорости газа Wг.
Гидравлическое сопротивление зоны эжекции ΔРэ определяется величиной исходного уровня жидкости и скоростью газового потока (рисунок 3). Во всем диапазоне скоростей газового потока ΔРэ растет. Как видно из графика изменение исходного уровня жидкости h1 при малых скоростях газа в наибольшей степени сказывается в диапазоне h1 от -0,02м до 0. Энергия газового потока в этом диапазоне изменения h1 затрачивается на транспортировку жидкости из эжекционной в насадочную зону и частичное ее дробление. При h1>0 кроме транспортировки жидкости значительная часть энергии газового потока расходуется на дробление пленок жидкости на капли.
Важной характеристикой работы аппаратов, использующих принцип эжекции для создания развитой межфазной поверхности является величина условного удельного орошения mL [1,3,4]. Она может быть получена обработкой экспериментальных данных гидравлического сопротивления аппарата и количества удерживаемой жидкости.
Графическая зависимость mL =f(Wг) представлена на рисунке 4.
tв/dр=3,6; tр/dр =2; dр=0,1м
1,2,3- mL при h1=-0,02; 0; +0,02м, соответственно.
Рисунок 4 – Зависимость условного удельного орошения mL
от скорости газа Wг при различных исходных уровнях жидкости h1.
В диапазоне h1 от – 0,02м и до 0 при скорости газового потока Wг=2-3м/с эжекция жидкости незначительна и значения mL менее 1л/м3. Энергия газового потока затрачивается на его поворот и трение о поверхность жидкости, поэтому значения ΔРэ незначительны и составляют 10-50Па, (рисунок 3). В насадочной зоне аппарата сопротивление газовому потоку оказывает только смоченная насадка. Поэтому значения гидравлического сопротивления аппарата в целом ΔРап=50-100Па также невелики (рисунок 1).
Увеличение скорости газового потока свыше 3м/с приводит к росту количества эжектируемой жидкости mL=1,2-2,5л/м3 и, соответственно, гидравлического сопротивления ΔРэ и ΔРап (рисунки 3 и 1).
При положительных значениях исходного уровня жидкости h1 вплоть до +0,02м эжекция жидкости происходит во всем диапазоне скоростей газового потока и гидравлическое сопротивление растет (рисунки 3 и 1).
Косвенным показателем количества эжектируемой жидкости является динамический уровень жидкости hд (рисунок 5). Известно [1,5,6], что значения hд не зависят от исходного уровня жидкости и определяются скоростным напором газового потока, выходящим из патрубка. Экспериментальные данные динамического уровня жидкости hд (рисунок 5) показывают, что при Wг ≤ 3м/с и величине h1 ≤ -0,02м значения hд близки к 0.
С увеличением скорости газового потока свыше 3м/с и независимо от исходного уровня жидкости происходит рост величины hд (рисунок 5).
tв/dр=3,6; tр/dр =2; dр=0,1м.
1,2,3- hд при h1=-0,02; 0; +0,02м, соответственно.
Рисунок 5 – Зависимость динамического уровня жидкости hд аппарата
с ударно-вихревым взаимодействием потоков газа и жидкости
от скорости газа Wг при различных исходных уровнях жидкости h1.
Таким образом, проведенные исследования гидродинамических закономерностей аппарата ударно-вихревого действия с коническими пластинчатыми завихрителями позволили выявить три гидродинамических режима работы: пленочно-капельный, капельный и брызгоуноса. Эти результаты подтверждены экспериментальными данными гидравлического сопротивления зоны эжекции, условного удельного орошения и динамического уровня жидкости.
Литература
Научные основы разработки и расчета вихревых массообменных и пылеулавливающих аппаратов: Дис. … докт. техн. наук, Шымкент, 1999.-300с. , Расчет процесса осаждения аэрозолей в городской среде //Индустриально-инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана: Тр. межд. науч.-практ. конф. - Шымкент: ЮКГУ им. М. Ауезова, 2006.-С. 365-367. Справочник по пыле – и золоулавливанию /, , и др. Под общ. ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 312с. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов: Справ. изд. /-А. М.: Металлургия, 1986. – 544с. Разработка и расчет устройств для разрушения отложений и пылеулавливания с управляемым вихревым потоком: Дис. ... докт. техн. наук. – М.: 1992. – 480с. Очистка газов фосфорных производств от пыли в комбинированных аппаратах с регулярной подвижной насадкой: Дис. ... канд. техн. наук. – Чимкент, 1991. – 153с.