СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ ЦИКЛОНОВ Российский патент 2009 года по МПК B04C3/00 B04C5/00 

Предлагаемое изобретение относится к области пылеулавливания и может найти применение в расчетах эффективности пылеулавливания проектируемого циклона любого типа (прямоточного, противоточного и со встречными закрученными потоками).

Известны методы расчета циклонов [1, 2], основанные на использовании эмпирических вероятностных функций, описывающих параметры фракционной эффективности циклонных пылеуловителей, и дисперсный состав многих промышленных пылей, такие как метод расчета Шиляева М.И. [2] и типовая методика расчета НИИОГАЗ [1]. Общими недостатками аналогов являются:

- сложность и трудоемкость математических вычислений, зачастую связанная с необходимостью выполнения расчетов в несколько этапов;

- отсутствие учета влияния запыленности газа z на эффективность пылеулавливания;

- необходимость учета сложных для экспериментального определения параметров функции фракционной степени пылеулавливания циклона (δ₅₀ и lgσ_η);

- непригодность для расчета эффективности пылеулавливания циклонов со встречными закрученными потоками;

- погрешность вычислений, связанная с неточностью определения параметров функции фракционной степени пылеулавливания циклона или с тем, что интегральные функции массового распределения частиц по размерам некоторых промышленных пылей не удовлетворяют логарифмически нормальному закону распределения из-за действия нескольких механизмов пылеобразования.

Наиболее близким к предлагаемому является выбранный в качестве прототипа эмпирический метод [3], в основу которого положено допущение о независимом влиянии параметров: диаметра циклона (D), медианного диаметра частиц пыли по массе (δ_m - масс-медианный диаметр [2]), запыленности входного потока (z) на величину относительного проскока пыли для любого типа циклона (прямоточного, противоточного, со встречными закрученными потоками).

К достоинствам метода следует отнести его простоту, универсальность (метод пригоден для всех типов циклонов), учет параметров (D, δ_m, z), оказывающих на процесс пылеулавливания циклонов существенное влияние, возможность расчета эффективности пылеулавливания при отсутствии знаний о фракционной эффективности, более точную по сравнению с методикой НИИОГАЗ оценку эффективности пылеулавливания.

Однако возможности его использования ограничены отсутствием учета влияния плотности пыли ρ на процесс пылеулавливания.

Общим недостатком известных методов является относительно узкая область практического применения каждого из них, обусловленная сложностями расчетов, по этой причине - снижением точности, при масштабных переходах и (или) изменении способа организации потоков в проектируемых циклонах.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности и универсализации расчета эффективности пылеулавливания проектируемого циклона любого типа по известной эффективности пылеулавливания (η₁) эталонного циклона, геометрически подобного данному, при масштабном переходе на заданные режимы работы, с учетом влияния характерных геометрических и физических параметров процесса (диаметра циклона D, масс-медианного диаметра частиц пыли δ_m, запыленности входного потока z), выраженного значениями коэффициентов уноса (K_i). Задача решается тем, что в расчете эффективности пылеулавливания учитывается плотность пыли (ρ), введением дополнительного коэффициента уноса (K_ρ) по этому параметру, а все остальные расчетные коэффициенты уноса (K_i) откорректированы с учетом влияния этого параметра.

Предлагаемый способ реализуется, например, по следующему алгоритму:

1. Исходными расчетными данными являются расход очищаемого газа Q, его плотность ρ_г, входная концентрация Z и плотность ρ пыли, ее дисперсный состав.

2. По дисперсному составу пыли определяется масс-медианный диаметр δ_m построением функции распределения частиц по массе [1, 2].

3. Задается значение условной скорости в аппарате W₀, рассчитанной по площади максимального сечения в циклоне, равной оптимальной скорости, соответствующей максимальной степени очистки в аппарате. Для прямоточных и вихревых аппаратов

W₀=8-12 м/с, для противоточных уровень условных скоростей ниже W₀=2÷4 [м/с].

Скорость газа в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 15%, иначе это может вызвать снижение эффективности очистки.

4. По уравнению неразрывности вычисляется диаметр пылеуловителя:

Полученная величина D округляется до диаметра, ближайшего к стандартному, рекомендуемого в литературе [1].

5. Действительная скорость газа в циклоне вычисляется по формуле:

6. Расчет новых коэффициентов уноса K_ρ, K_ρ1, привлекаемых для расчета эффективности пылеулавливания и учитывающих влияние плотности пыли ρ, осуществляется по формуле:

эмпирические коэффициенты которой получены в результате собственных экспериментов с учетом литературных данных [4-6].

Значения критерия Фишера для формулы (3) F=27.62, пределы применимости формулы (3) соответствуют значениям ρ=1380÷3032 [кг/м³].

7. Рассчитываются коэффициенты уноса K_D, K_D1, которые учитывают влияние диаметра аппарата на эффективность циклона по формуле:

Для формулы (4) значение критерия Фишера F=148.0, пределы применимости формулы (4) соответствуют значениям диаметра циклона D=0.1÷0.6 [м]. Эмпирические коэффициенты, входящие в формулу (4), откорректированы с учетом коэффициентов

K_ρ, K_ρ1.

8. Определение коэффициента K_δm, K_δm1, учитывающих влияние масс-медианного диаметра пыли δ_m на эффективность циклона, по формуле:

Для формулы (5) значения критерия Фишера F=134.3, пределы применимости формулы (5) соответствуют значениям масс-медианного диаметра частиц пыли δ_m=9.5÷50 [мкм]. Эмпирические коэффициенты, входящие в формулу (5), откорректированы с учетом коэффициентов K_ρ, K_ρ1.

9. Рассчитываются коэффициенты K_z, K_z1, которые учитывают запыленность входного потока, по формуле:

Для формулы (6) значения критерия Фишера F=67.07, пределы применимости формулы (6) соответствуют значениям запыленности входного потока z=0.035÷0.22 [кг/м³]. Эмпирические коэффициенты, входящие в формулу (6), откорректированы с учетом коэффициентов K_ρ, K_ρ1.

10. Расчет эффективности пылеулавливания η_ρ по формуле:

Индекс 1 в формуле (7) адресует к эталонному циклону. При переходе к расчету эффективности пылеулавливания исследуемого циклона индекс 1 в обозначениях параметров опускается.

Предложенный способ был реализован в обширном эксперименте с учетом масштабного перехода, и рассчитанная эффективность циклонов была сопоставлена с эффективностью, полученной в результате испытания. Технический результат состоит в получении достоверной информации об эффективности пылеулавливания и возможности применения предлагаемого способа для расчета циклонов любого типа.

ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРОЕКТИРУЕМОГО ЦИКЛОНА

В качестве примера рассчитаем прогнозное значение эффективности сепарации предлагаемого пылеуловителя ПЦПО на расход очищаемого колошникового газа Q=3000 м³/ч. Пусть используемая пыль имеет медианный диаметр частиц δ=14 мкм, плотность пыли ρ=1008 кг/м³, запыленность на входе в циклон z=0,015 кг/м³.

В качестве исходных принимаем опытные данные для ПЦПО диаметром D₁=0,12 м, которая имеет эффективность сепарации η₁=92% для пыли с медианным диаметром δ₁=20 мкм, при концентрации пыли z₁=0,11 кг/м³, насыпная плотность ρ₁=1950 кг/м³. Коэффициент сопротивления на незапыленном потоке ς₀₁=18 при скорости W₀₁=12 м/с.

1. По формуле (1) находим новый диаметр аппарата на расход очищаемого воздуха

2. Выбираем диаметр циклона D=0,300 м и вычисляем действительную скорость W_0g по формуле (2):

Убеждаемся, что отклонение действительной скорости от оптимальной не превышает указанных границ (1,75%<15%):

3. Вычисляем по формуле (3) коэффициенты K_ρ и , учитывающие влияние плотности пыли:

4. Определяем по формуле (4) коэффициенты K_D и , учитывающие влияние габаритов аппарата:

5. Определяем величины коэффициентов K_δm и по формуле (5), учитывающие влияние дисперсного состава пыли:

6. Вычисляем по формуле (6) коэффициенты K_z и , учитывающие влияние запыленности потока:

7. Рассчитываем эффективность очистки на заданные условия работы циклона по формуле (7)

Таким образом, расчетная эффективность ПЦПО диаметром D=300 мм составит η_p=93,8% на пыли δ_m=14 мкм при запыленности входного потока z=15 г/м³.

Сопоставление экспериментальной η_э=94% с расчетной по предлагаемой методике

η_p=93,8% показывают хорошую точность предлагаемого метода: абсолютная погрешность составила -0,2%.

Источники информации

1. Справочник по пыле- и золоулавливанию. / Под ред. А.А.Русанова. - 2-е изд., перераб. и доп.// М., Энергоатомиздат, 1983, 312 с.

2. Шиляев М.И., Шиляев A.M., Грищенко Е.П. Методы расчета пылеуловителей. // Томск, Том. гос. архит.-строит. ун-т, 2006, 385 с.

3. Шерстюк А.Н., Асламова B.C. Эмпирический метод оценки эффективности сепарации циклонов. // Теплоэнергетика, 1990, N5. - С.61-62.

4. Платов В.Д. Исследование сухого пылеуловителя с прямоточным пылеконцентратором. /Дисс. … к.т.н., Киев, 1980, 195 с.

5. Калмыков А.В., Игнатьев В.И., Тюканов В.Н. Исследование прямоточных пылеотделителей на потоках запыленного газа. // Аэродинамика, тепло- и массообмен в дисперсных потоках. Сб. статей. //М.: Наука, 1967. - С.90-100.

6. Карпухович Д.Т. Влияние относительной высоты цилиндрического корпуса циклона на его характеристики // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1986, №10. - с.17-18.

Изобретение предназначено для определения эффективности пылеулавливания циклонов любого типа. Способ определения эффективности пылеулавливания циклона осуществляют по известной эффективности пылеулавливания эталонного циклона, геометрически подобного данному, при масштабном переходе на заданные режимы работы и с использованием значений коэффициентов уноса, учитывающих диаметр циклона, медианный диаметр частиц пыли, запыленность входного потока. При расчете эффективности пылеулавливания используют дополнительный коэффициент уноса, учитывающий плотность пыли, при этом все коэффициенты уноса расчитывают с учетом этого параметра. Технический результат: получение достоверной информации об эффективности пылеулавливания и возможности применения предлагаемого способа для расчета циклонов любого типа.

Способ определения эффективности пылеулавливания циклона по известной эффективности пылеулавливания эталонного циклона, геометрически подобного данному, при масштабном переходе на заданные режимы работы и с использованием значений коэффициентов уноса, учитывающих диаметр циклона (К_D), медианный диаметр частиц пыли (К_δm), запыленность входного потока (K_z), отличающийся тем, что при расчете эффективности пылеулавливания используют дополнительный коэффициент уноса (К_ρ), учитывающий плотность пыли, при этом все коэффициенты уноса рассчитывают с учетом этого параметра, а эффективность пылеулавливания вычисляется по зависимости
,
где К_D, К_δm, K_z, К_ρ - коэффициенты уноса циклона;
K_D1, K_δm1, K_z1, K_ρ1 - коэффициенты уноса эталонного циклона;
η₁ - эффективность пылеулавливания эталонного циклона.