Моделирование тепломассообмена и совершенствование конструкции аппарата для очистки промышленных газов от аэрозольных включений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

СОЛЖЕНИКИН Павел Анатольевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АППАРАТА* ДЛЯ ОЧИСТКЩТРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ

Специальности 01 04 14 - Теплофизика и теоретическая

теплотехника 05 14 04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2008

OQ3449483

003449483

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель Заслуженный работник высшей

школы РФ, профессор Стогней Владимир Григорьевич

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

ряжских Виктор Иванович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор

Жучков Анатолий Витальевич,

кандидат технических наук Фиртыч Дмитрий Александрович

Ведущая организация ГОУВПО «Воронежская

государственная лесотехническая академия»

Защита состоится « 13 » ноября 2008 г в 14{Ю часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212 037 05 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу 394026, г Воронеж, Московский проси , 14

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан « 3 » октября 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Бараков А В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многие промышленные предприятия еще не оснащены эффективными установками газоочистки, а существующие способы (электростатические, инерционные, гравитационные и др) и устройства, их реализующие, не обладают универсальностью по температурным и расходным характеристикам рабочих сред В связи с этим перспективным методом удаления примесей из газообразных сред является процесс конденсационной очистки в разнотемпературных фильтрах

Однако, до настоящего времени, несмотря на имеющиеся теоретические и экспериментальные исследования этого процесса очистки (А Г Амелин, Н А Фукс, Е П Медников, X Грин и др), не удалось синтезировать сопряженную математическую модель тепломассопереноса в очищаемом потоке среды, учитывающую физико-химические явления переноса при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в проточных камерах конденсаторов, что не позволяет в полной мере использовать преимущества разнотемпературных конденсационных фильтров В связи с этим тема диссертации представляется актуальной

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Физико-технические проблемы энергетики» в рамках ГБ 2007 12 (Гос регистр 01 2 00 409970)

Целью работы является моделирование тепломассообменного процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц, разработка методики расчета и аппаратурное оформление разнотемпературного конденсационного фильтра

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи

1 Синтез математической модели тепломассообменных процессов очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц и идентификация температурных полей в зоне конденсации

2 Создание пилотной установки и проведение экспериментов для исследования процесса очистки и проверки адекватности разработанной математической модели

3 Построение методики инженерного расчета рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра и разработка технических рекомендаций по способу и аппаратурному оформлению процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных примесей

Научная новизна:

- сопряженная математическая модель тепломассообмена с распределенными параметрами, отличающаяся учетом специфики физико-

химических явлений переноса при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в разнотемпературном канале конденсатора,

- оригинальная запатентованная конструкция пилотной конденсационной установки для очистки газовых потоков в разнотемпературном канале, отличающаяся организацией массового потока аэрозоля в поперечном направлении и продлением ресурса дооч истки,

- способ очистки газовых потоков в разнотемпературном канале, отличающийся созданием пересыщения гетерогенной смеси и последующим образованием, ростом и осаждением жидкостных аэрозольных частиц в конденсационной камере,

- методика инженерного расчета разнотемпературного конденсационного фильтра, позволяющая повысить эффективность очистки воздуха и других газообразных промышленных выбросов путем выбора рациональных режимов функционирования

Практическая значимость работы.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для новых технических и технологических решений в области очистки промышленных газов от аэрозольных включений

Разработана и испытана конденсационная установка, позволяющая более эффективно производить очистку газовых потоков, новизна и принцип действия которой защищены патентами на изобретения

Полученные результаты использованы при разработке инженерной методики расчета разнотемпературного конденсационного фильтра

Результаты диссертационной работы используются в производственном процессе Воронежской ТЭЦ-1 и ДО АО «Газпроектинжиниринг» г Воронежа

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VII Международной научно -технической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии АКТ - 2006» (Воронеж, 2006), Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий (Инноватика)» (Москва-Сочи, 2006), III Российской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2006), научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2005-2007)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ на изобретение

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [4] - теоретический анализ влияния геометрических размеров разнотемпературного канала на процесс конденсации аэрозольных частиц, [5,6,9] - разработка математической модели сопряженного тепломассопереноса, учитывающей физико-химические явления переноса при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля, [7,8,10,16] - проведение эксперимента и обработка опытных данных, [2,11] - анализ современного состояния аппаратурного оформления процесса очистки газовых потоков, [3,12,13] - анализ основных факторов, определяющих процесс образования тумана, [14,15] -разработка конструкции разнотемпературного фильтра и обоснование принципа его действия

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов работы, списка литературы из 109 наименований, 3 приложений Основная часть работы изложена на 179 страницах, содержит 44 рисунка и 9 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая значимость результатов работы

В первой главе представлена классификация отраслей промышленности и предметные задачи, в которых используется очистка газов и приведены результаты исследований подходов к моделированию и расчету явлений переноса при осаждении аэрозолей из газовой смеси

Проанализированы существующие методы очистки газовых потоков и конструкции очистных аппаратов, в которых осуществляются эти способы, приведены их характеристики, отмечены достоинства и недостатки

Сделан вывод о необходимости разработки модели тепломассообмена, учитывающей специфику физико-химических явлений при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в проточных камерах конденсатора, позволяющей в полной мере использовать преимущества конденсационных фильтров

Вторая глава посвящена моделированию процессов тепломассообменного переноса в гетерогенной системе «газ - капельная жидкость» между поверхностями неодинаковой температуры на основе сопряженного рассмотрения потоков теплоты и массы Осуществлена идентификация температурных полей в зоне конденсации при движении потока газа

При проведении термического анализа рассматривалась бинарная газовая смесь, которая поступает в плоский канал длиной Н и шириной к со скоростью 19 и температурой г„х , причем температуры стенок гЛ и г0 поддерживаются постоянными (рис 1)

Уравнение переноса теплоты

¿г „ 61 си

— + 9— + и — = а дт дх с)у

{7 1 \ +

дУ , <х>.

к«Н , И = 0 , т -

в упрощенной постановке имеет вид (перенос теплоты теплопроводностью вдоль потока считается пренебрежимо малым)

д1 д21 3— = а—-дх ду2

(1)

Рис 1 Расчетная схема

Безразмерная форма записи (1) такова

дТ{х,У)_ 1 д2т(х,У)

(2)

дХ Ре ¿у2 _Т(0,У)-0, Т(Х,Т(Х,0)-£0, где X = х/Н , У = у /И , = -'„)/'«* > = ('о "'«)/'« > т{Х,У)=[1(х,у)-1м]/^,Ре = ЭИ/а

Решение системы (2), полученное интегральным преобразованием Лапласа

т(Х,У)-41 У + (и (1 ЯП (к Я- в)+ ...

п „.( п (3)

+ #„ ап[(]-У);г «}хехр {- л2п2Х/Ре)

Средняя по сечению температура вдоль канала

Г (Л-) - )т{х, ууг - (<?, + £„) ¡1 + 41ЬШ [1 + (- 1)" ]*

о 2 К „=1 п

х ехр (- ж2п2 Х/Ре\

Для инженерных расчетов вместо (4) предложено приближенное соотношение

ехр(-*2*/л)] ' (5)

погрешность которого при X = 0 составляет

0,095 (9>5%)- ■ (6)

Идентифицированы основные характеристики температурного поля (рис. 2):

а б

1,5

0,5

Рис. 2. Основные характеристики температурного поля: а - профили температур при Ре = 10, = 1, ^ = 2 и различных Л': 1 - 0,5; 2-1; 3 - 1,5; 4 - 2,0; 5-6; б - профили температур при Ре = 10, = 0, £ 1 = 1 и различных А": 1 - 0,5; 2 - 1; 3 - 1,5; 4 - 4; е - профили температур при Ре = 10, = -1, = 1 и различныхХ" 1 - 0,1; 2 - 0,5; 3-2; г - изменение средней по

сечению канала температуры по его длине для Ре = 10: 1 - ^ () = 1, £ = 2;

2-^ = 0,^ = 1

В этой же главе синтезирована кинетическая модель зародышеобразования, роста и осаждения капель жидкости в рабочей камере при движении потока в пространстве их размеров

о)-<>• /(о,г,г)-о. /{х,е„т )=//я (8)

Решение (7) с условиями (8) в относительных переменных

Ф(Х ,Ь,0)= 1[<9 - А11{Ь - )]х 1 [д- - - Ь, )]х ^

X ехр |- л;1 '¡Ь2К'(ЬУ1Ь |

Полученная математическая модель (7) - (9) в совокупности с решением (5) образует сопряженную систему уравнений, учитывающую одновременно возникновение центров конденсации, роста капель и их осаждение в потоке бинарной смеси в конденсаторе Она позволяет определить количественно потоки конденсата на стенки конденсатора и на выходе из него

Массы осевших аэрозольных частиц

м ^^¿к'к^х^птП-'н'и^х ,вфу,1К )аг > (10)

и вынесенных частиц за относительное время функционирования конденсатора &фу11К

М „ = 1Я'[Шк -'(Г)0/" с1{Н,0)йв> (П)

о

где 5*, с* - относительная толщина частиц на стенках и их масса при X - Н соответственно

Сравнение экспериментальных результатов при проведении опытов на разнотемпературной конденсационной камере и теоретических данных, полученных использованием предложенной математической модели, показало удовлетворительную сходимость, что оправдывает принятые допущения

Осуществлено решение и анализ уравнений модели Безразмерные переменные

1-1!С, 0-тк(е')/и, Х-х/к,

ф(Х Л,в)- /(х,1,т)Л/1, К

вк = з/к(е')

Реперная переменная

Г =

( кт У7 108 ру

и ярк 1 _я{Рк ~ Р)

Концентрация насыщения для воды

(13)

-(14)

Результаты расчетов по (9) графически представлены на рис 3, характеризующем динамику функции распределения капель аэрозоля на выходе, которые показывают, что с увеличением Ал, т е чем больше скорость роста капель, тем они крупнее, то же самое имеет место, если меньше Вк, т е чем меньше линейная скорость взвеси

\

\ \

1 \ \

2 \ 3

®(Х 1. в) 1

N.

X

1

2, 3

Ф(Х 1. О)

1

Рис 3 Безразмерные функции распределения аэрозольных частиц в конденсаторе при 20(1, = 0,01) а -А =0,5, 6-.Д =1,5 (верхний и нижний рисунки

при Вк = 0,5 и Вк = 10), 1 - в = 1,0, 2 - 2,0, 3 - 4,0

Результаты теоретических расчетов на основе баланса приведены в табл 1

Таблица 1

Результаты расчетов

№ и, м'/с ^зи °С °с кг/м Ссо^вг), кг/м т, сек П^эко кг Щрас) кг

1 2,04 10" 54 25 0,0968 0,0232 2400 0,010 0,035

2 2,98 10"4 57,5 27,7 0,1106 0,0272 2100 0,020 0,052

3 3,94 10"4 58,5 30 0,1155 0,0302 2100 0,063 0,071

4 5,00 10"4 59,6 31,9 0,1260 0,0335 2100 0,129 0,097

5 6,11 10"4 61 34,2 0,1316 0,0372 1800 0,142 0Д02

6 4,32 Ю-4 59,8 31 0,126 0,0319 2100 0,0815 0,085

7 2,05 10"4 28,5 20,2 0,0272 0,0176 1800 0,003 0,003

На рис 4 представлен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных по количеству выделившегося конденсата в разнотемпературной камере

т 102, кг

и КГ4, м'/с

Рис 4 Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных эксперимент Д теория на основе баланса ®

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса очистки газового потока от аэрозольных включений в разнотемпературном канале

Описана установка для исследования работы разнотемпературной конденсационной камеры и представлено метрологическое обеспечение приборного оснащения установки (рис 5) Представлены методика

проведения экспериментальных работ и методика обработки полученных экспериментальных данных.

Эксперименты проводили следующим образом. Через установку компрессором прокачивался сжатый воздух, предварительно увлажненный с помощью увлажнителей перед конденсационной камерой. Манометром фиксировалось давление газа в разнотемпературном конденсаторе в диапазоне 58,9 - 88,3 кПа, и устанавливался расход воздуха через установку с помощью регулирующего вентиля после ротаметра в интервале (2,04 - 6,11)-10"4 м3/с. Измерительными блоками определялись температура и влажностные параметры сжатого воздуха перед и после разнотемпературного конденсатора. Измерялся объем конденсата, выделившегося из воздушного потока, в рабочей камере за время опыта.

Рис. 5. Принципиальная схема: 1 - компрессор; 2 - ресивер; 3-увлажнитель №1; 4 - увлажнитель №2; 5 - подогреватель; 6 - разнотемпературная конденсационная камера; 7 - влагоотделитель; 8 - регулирующий вентиль; 9 - манометр редуктора; 10 - измерительный блок; 11 - холодная стенка; 12 - горячая стенка; 13 - водопроводные шланги; 14 - вентиль; 15 - уровнемер воды; 16 - измеритель-регулятор температуры; ¡7 - водяной тэн; 18 - автотрансформатор; 1 9 - вентиль редуктора; 20 - хромель-копелевая термопара; 21 - ротаметр; 22 - термопары; 23 - потенциометр; 24- образцовый манометр; 25 - водопроводный вентиль; 26,27,28- сливной вентиль

Результаты экспериментальных исследований приведены в табл 2

Таблица 2

Результаты экспериментального исследования

№ Наименование Номер опыта

величины 1 2 3 4 5 6 7

1 Температура поверхности холодной стенки "С 22,8 22,7 21,8 24,8 24,9 23,7 26,4

2 Температура поверхности горячей стенки ь, "С 79,8 77,4 78,3 77,0 78,4 77,5 89,5

3 Расход воздуха, и 104,м'/с 2,04 2,98 3,94 5,00 6,11 4,32 2,05

4 Давление сжатого воздуха в конденсаторе Р., кПа 88,3 88,3 88,3 88,3 88,3 58,9 88,3

5 Параметры воздуха Ф,%, (3, г/кг, Р„, кПа Измерительный блок №1 ф й Р„ 89,3 47,9 13,2 89,7 57,6 15,6 89,9 60,6 16,4 88,5 63,1 17,0 90,6 69,8 18,6 91,0 65,7 17,6 72,4 9,5 2,8

блок №2 ф а р„ 92,4 9,9 2,9 93,8 11,8 3,4 93.3 13.4 3,9 92.8 14.9 4,3 93,9 17,3 5,0 93,5 14,2 4,1 92,3 7,3 2,2

6 блок №3 ф а р„ Температура воздушного потока перед и после разнотемпературной камеры "С 1, | и 2 98,7 5,8 1,7 54,0 25,0 97,5 6,2 1,8 57,5 27,7 100 5,8 1,7 58,5 30,0 97.5 6,1 1,8 59.6 31,9 97,5 6,2 1,8 61,0 34,2 100 6,7 1,9 59,8 31,0 100 7,9 2,3 28,5 20,2

7 8 Время опыта, мин 40 35 35 35 30 35 30

Кол-во конденсата в разнотемпературной камере ГСЪкс, мл 10,0 20,0 63,0 129, 0 142, 0 81,5 30

Указаны мероприятия по рационализации конструкции установки и способа проведения процесса Было произведено сравнение двух режимов работы конденсационной камеры по коэффициенту эффективности осаждения жидкостных аэрозольных частиц из газового потока в разнотемпературном канале Первый режим характеризуется малыми

1 скоростями, когда участок гидродинамической и тепловой стабилизации очищаемого газового потока совпадает с длиной конденсационного канала Второй режим наблюдается при более высоких скоростях, когда участок гидродинамической и тепловой стабилизации потока меньше длины конденсационного канала

Результаты расчетов для каждого опыта приведены в

табл 3

Таблица 3

Результаты расчета_

№ опыта V, м'/с т, кг тмс п

1 2,04 10ч 4,74 10 2 0,010 0,21

2 2,98 10"4 6,92 102 0,020 0,29

3 3,94 10"4 9,56 10 2 0,063 0,66

4 5,00 10"4 13,23 тг 0,129 0,98

5 6,11 10"4 14,47 10"2 0,142 0,98

6 4,32 10"4 11,43 10"2 0,0815 0,71

7 2,05 104 1 102 0,003 0,3

По полученным значениям построен график зависимости эффективности улавливания жидкостных аэрозольных частиц из потока газа в разнотемпературном канале от величины расхода воздуха через установку (рис 6)

Л

0 2 4 6 8

и 1С)'4, м /с

Рис 6 Эффективности усваивания аэрозольных частиц

Четвертая глава посвящена практическому использованию результатов исследований в различных предметных областях Представлено описание эффективной конструкции влагоотделителя и газоочистительной установки с использованием разнотемпературного фильтра Приведены примеры реализации результатов работы

Разработана инженерная методика расчета определения рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра

В приложениях приведены результаты экспериментов, описание патентов на изобретения и акты внедрения

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Синтезирована сопряженная математическая модель тепломассообменных процессов при очистке газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц между поверхностями неодинаковой температуры, позволяющая определить потоки конденсата, как на стенке конденсатора, так и на выходе из него

2 Идентифицированы стационарные температурные поля в рабочей камере, позволяющие определить границы зоны зародышеобразования, роста и осаждения капель жидкости в ядре потока очищаемого газа, составляющей до 80 % от ширины разнотемпературного канала

3 Создана пилотная конденсационная установка для исследования процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц в разнотемпературном канале, функционирующая в диапазоне чисел Рейнольдса от 50 до 200

4 В результате экспериментального исследования тепломассообменного процесса очистки показана сходимость теоретических и экспериментальных даьных с точностью до 10 %, что подтверждает адекватность разработанной математической модели

5 Показано, что наиболее эффективно ведение процесса очистки в конденсационном фильтре осуществляется в режиме, когда участок гидродинамической и тепловой стабилизации меньше длины разнотемпературного канала

6 Предложен и запатентован способ очистки газовых потоков в разнотемпературном канале конденсационной камеры, основанный на создании пересыщения гетерогенной смеси и осаждении капель аэрозоля, позволяющий повысить эффективность очистки

7 Разработана методика инженерного расчета рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Солженикин П А Исследование процесса осушки воздуха в разнотемпературной конденсационной камере / ПА Солженикин // Вестник Воронежского государственного технического университета 2007 ТЗ №6 С 39-42

2 Уловитель аэрозольных частиц /ПА Солженикин, В Г Стогней, В В Черниченко, В И Лукьяненко // Вестник Воронежского государственного технического университета 2008 Т 4 №3 С 95-98

3 Солженикин П А Оптимизация процесса очистки газового потока от аэрозольных частиц / П А Солженикин, В Г Стогней, В И Ряжских // Вестник Воронежского государственного технического университета 2008 Т4 №2 С 162-165

Статьи и материалы конференций

4 Обоснование конструктивных параметров установки для исследования процесса пересыщения в газовом потоке / В Г Стогней, В С Железный, П А Солженикин, О С Шерстяных // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2006) материалы Междунар конф и Рос науч шк М Радио и связь, 2006 Ч 5 Т 2 С 78-80

5 Математическая модель тепломассообменного процесса в конденсационной камере / В И Ряжских, В Г Стогней, П А Солженикин, А А Щетинин, В В Черниченко // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологии в инновационных проектах (Инноватика - 2006) материалы Междунар конф и Рос науч шк М Радио и связь, 2006 Ч 5 Т 2 С 74 - 78

6 Математический анализ процессов тепломассообмена в разнотемпературном канале / В И Ряжских, П А Солженикин, В Г Стогней, В В Черниченко // Авиакосмические технологии «АКТ -2006» труды VII Междунар науч - техн конф и шк молодых ученых, аспирантов и студентов Воронеж, 2006 С 434 - 440

7 Солженикин П А Удаление влаги из газового потока путем создания пересыщения в разнотемпературной камере /ПА Солженикин, В Г Стогней, В В Черниченко // Авиакосмические технологии «АКТ -2006» труды VII Междунар науч - техн конф и шк молодых ученых, аспирантов и студентов Воронеж, 2006 С 452 - 455

8 Характеристика измерительных узлов и методики измерения параметров газового потока при пересыщении /ПА Солженикин, В Г Стогней, В И Ряжских, В В Черниченко, С Л Нестеров // Энергосбережение - теория и практика труды III Всерос школы -семинара молодых ученых и специалистов М МЭИ, 2006 С 279 - 284

9 Инженерная методика расчета рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра / П А Солженикин, В Г Стогней, В И Ряжских, В В Черниченко // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения труды науч -техн конф молодых ученых, аспирантов и студентов Воронеж, 2008 Вып 9 С 44 -47

10 Разработка мероприятий по рационализации конструкции и способа проведения процесса очистки газового потока от аэрозольных частиц /ПА Солженикин, В Г Стогней, В В Черниченко, П С Блинов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения труды науч -техн конф молодых ученых, аспирантов и студентов Воронеж, 2008. Вып 9. С 48-51

11 Солженикин П А Методы осушки сжатого воздуха / П А Солженикин, В Г Стогней, С JI Нестеров // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения труды науч -техн конф молодых ученых, аспирантов и студентов Воронеж, 2007 Вып 7 С 3-7

12 Солженикин П А Влияние основных факторов на процесс образования тумана в газовой смеси / П А Солженикин, В Г Стогней, С Л Нестеров // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения труды науч -техн конф молодых ученых, аспирантов и студентов Воронеж, 2006 Вып 6 С 7-12

13 Образование капель жидкости в объеме газа /ПА Солженикин, С Л Нестеров, В Г Стогней, А А Галеев // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения труды науч -техн конф молодых ученых, аспирантов и студентов Воронеж, 2006 Вып 5 С 72-75

14 Солженикин П А Перспективы использования конденсационных фильтров в промышленности / П А Солженикин, В Г Стогней, А А Галеев // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения труды науч -техн конф молодых ученых, аспирантов и студентов Воронеж, 2005 Вып 4 С 39-42

15 Патент РФ № 2323033 С1 Способ очистки воздуха и установка для его реализации /ПА Солженикин, В Г Стогней, В В Черниченко (РФ), заявл 15 06 2006, Опубл 27 04 2008, Бюл №12 С 5

16 Патент РФ № 2330709 С2 Влагоотделитель / П А Солженикин, В Г Стогней, В В Черниченко, В В Черниченко (РФ), заявл 15 06 2006, Опубл 10 08 2008, Бюл №22 С 7

Основные условные обозначения

А - расстояние между разнотемпературными поверхностями, м, р и Г -давление и абсолютная температура, Па и К, Ре - число Пекле, <р и <1 -относительная влажность и влагосодержание воздуха соответственно, % и г/кг, т - общее количество примеси, вносимой в конденсационную камеру, мл или кг, /яэкс — количество выделившегося конденсата в эксперименте, мл или кг, трас - количество выделившегося конденсата, рассчитанное теоретически, мл или кг, X и У - относительные переменные,

^о и 5 ~ относительные параметры в тепловой модели, Н - длина

разнотемпературного канала, м, г - температура, °С, 5 — компонента скорости бинарной газовой смеси в направлении оси потока, м/с, и - компонента скорости бинарной газовой смеси в направлении, перпендикулярном оси потока, м/с, а — коэффициент температуропроводности, м2/с, Т (А-,У) - безразмерная температура, х, у - координата по длине и ширине разнотемпературного канала соответственно, м, £ и т- размер капли и время соответственно, м и с или мин , / (х,I, г) - функция плотности распределения частиц аэрозоля по размерам, м"4, I и Л - скорость возникновения центров конденсации (зародышей) и скорость роста капель соответственно, 1/(мя с) и м/с, к (■£) - кинетический коэффициент скорости осаждения капель размера {, м/с, ф(Х,Ь,&)~ безразмерная функция плотности распределения частиц по размерам, Ь, 0, ¿ч, Вк, К'(¿)-безразмерные переменные,

С^ —концентрация насыщения газообразной примеси, кг/м\ р — плотность, кг/м\ к и g - постоянная Больцмана и ускорение свободного падения соответственно, Дж/К и м/с2, V — кинематический коэффициент вязкости, м2/с, ¿7- объемный расход воздуха через установку, м^/с, Г] - эффективность улавливания жидкостных аэрозольных частиц,

ку- коэффициент формы частиц, &фуик - безразмерное время

функционирования конденсатора, п1 - счетная концентрация аэрозольных частиц, м1

Индексы

О и к - холодная и горячая поверхность соответственно, п - парциальный, вх - входной, 5 - зародыш капли, * - характерный, со - насыщение, к - конденсат или камера, в - воздух

Подписано в печать 3 10 2008 Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов Уел печ л 1,0 Тираж 85 экз Заказ №

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп , 14

Основные обозначения.

Индексы.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОЧИСТКИ

ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ.

1.1. Классификация отраслей промышленности и предметные задачи, в которых используется очистка газов от аэрозольных примесей.

1.2. Существующие способы очистки газовых потоков и устройства для их осуществления.

1.3. Подходы к моделированию и расчету явлений переноса при очистке газовых потоков от аэрозольных частиц.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛОМАССООБМЕННОГО ПЕРЕНОСА В ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЕ «ГАЗ - КАПЕЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ».

2.1. Идентификация температурных полей в рабочей камере.

2.2. Кинетическая модель зародышеобразования, роста и осаждения капель жидкости в рабочей камере при движении потока.

2.3. Решение и анализ уравнений модели.

2.4. Вычислительный эксперимент по математической модели.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ.

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Метрологическое обеспечение приборного оснащения и методика проведения эксперимента.

3.3. Методика обработки экспериментальных данных.

3.4. Разработка мероприятий по оптимизации конструкции установки и способа проведения процесса очистки газового потока от аэрозольных частиц.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

В РАЗЛИЧНЫХ ПРЕДМЕТНЫХ ОБЛАСТЯХ.

4.1. Способ очистки воздуха и установка для его реализации.

4.2. Влагоотделитель.

4.3. Инженерная методика расчета определения рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра.

4.4. Примеры реализации результатов исследований.

Актуальность темы. Сжатый воздух является производственным источником энергии и основным двигателем многих промышленных процессов, в больших объемах используется для питания пневматических и пневмогидравлических систем. Также сжатый воздух широко применяется в лабораторных исследованиях и медицинских технологиях, при производстве электронной техники, в печатных технологиях, мобильных системах, точных инструментах и приборах [ 1 ].

Необходимо отметить, что атмосферный воздух неизбежно содержит водяные пары и взвешенные частицы. Во время сжатия воздуха компрессор концентрирует эти частицы, кроме этого, могут добавиться еще и частицы масла. Остающиеся на выходе компрессора влага и частицы загрязнения в большинстве случаев приводят к снижению эффективности работы и даже выходу из строя оборудования, поэтому для эффективного применения воздуха в производственных процессах он должен быть сухим и чистым [2].

Многие промышленные предприятия еще не оснащены в достаточной степени необходимыми установками газоочистки, обеспечивающими требуемую степень очистки, а имеющееся оборудование устарело и требует замены [ 3 ].

Удовлетворительная работа любой системы газоочистки зависит от правильного выбора принципа работы оборудования, качества его изготовления, монтажа и правильной эксплуатации.

Анализ причин неудовлетворительной работы целого ряда газоочистных сооружений позволяет сделать вывод, что они в основном объясняются следующими моментами: несовершенством конструкции пыле-и золоулавливающего оборудования; высокими гидравлическими сопротивлениями, определяющими повышенные энергозатраты в тягодутьевом тракте, невозможностью автоматической перестройки газоочистительных устройств, работающих по отличным от существующих принципам [ 4 ].

В настоящее время практически нет надёжных, простых и сравнительно дешёвых эффективных способов и устройств очистки воздуха и газовых выбросов, имеющих высокие температуры и большие объёмы. Как показывают проведенные исследования [ 5 ], наиболее перспективным в этом отношении является использование конденсационных методов очистки и разработка на их основе разнотемпературных конденсационных фильтров. Работы в этом направлении проводятся в течение ряда последних лет [3, 6,7].

Необходимо отметить, что, несмотря на достаточно большой объем теоретических исследований и полученный экспериментальный массив данных, до настоящего времени не удалось синтезировать математическую модель процессов тепломассопереноса с распределенными параметрами в очищаемом потоке газа, учитывающую специфику физико-химических явлений при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в проточных камерах конденсатора, что не позволяет в полной мере использовать преимущества разнотемпературных конденсационных фильтров [ 7 ].

В предлагаемой работе основное внимание уделено исследованию физико-химических явлений при образовании, росте и осаждении капель при очистке воздуха или промышленных газообразных выбросов с использованием конденсационных методов.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением Воронежского государственного технического университета «Физико-технические проблемы энергетики» в рамках ГБ 2007.12 (Гос. регистр. 01.2.00.409970).

Целью работы является моделирование тепломассообменного процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц, разработка методики расчета и аппаратурного оформления разнотемпературного конденсационного фильтра.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Синтез математической модели тепломассообменных процессов очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц и идентификация температурных полей в зоне конденсации.

2. Создание пилотной установки и проведение экспериментов для исследования процесса очистки и проверки адекватности разработанной математической модели.

3. Построение методики инженерного расчета рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра и разработка технических рекомендаций по способу и аппаратурному оформлению процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных примесей.

Для решения поставленных задач автором использовался комплексный метод их решения, включающий анализ научно-технического состояния вопроса по отечественным и зарубежным публикациям, изучение опыта смежных предприятий и институтов, анализ результатов научно-исследовательских работ и автономных испытаний модельных камер, их сопоставление с расчетными данными и результатами испытаний в составе установок для очистки воздуха, обобщение полученных данных, что позволило, в конечном итоге, осуществить разработку научно обоснованных методов и средств, позволяющих повысить эффективность очистки воздуха и газообразных промышленных выбросов.

Методы исследований. Полученные в работе результаты базируются на принципах и законах физико-химической гидродинамики, теории тепло- и массообмена для газообразных веществ, методах математического моделирования с использованием средств вычислительной техники. В экспериментальных исследованиях применялись современные методики обработки результатов испытаний, системы регистрации и обработки параметров.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректным применением в теоретических исследованиях законов физико-химической гидродинамики, теории тепло - и массообмена, теории абсорбции и десорбции газов, апробированных методик инженерных расчетов основных процессов и аппаратов химической технологии, а также экспериментальными данными, полученными на аттестованных лабораторных установках, стендах и объектах эксплуатации.

Основные выводы и положения диссертации учитывают физические особенности исследуемых процессов. Разработанные методики подтверждаются удовлетворительным согласованием расчетных данных и экспериментальных результатов.

Научная новизна:

- сопряженная математическая модель тепломассообмена с распределенными параметрами, отличающаяся учитыванием специфики физико-химических явлений переноса при образовании, росте и осаждении капель аэрозоля в разнотемпературном канале конденсатора, позволяющая определять величины потоков конденсата на стенки конденсатора и на выходе из него;

- оригинальная запатентованная конструкция пилотной конденсационной установки для очистки газовых потоков в разнотемпературном канале, отличающаяся организацией массового потока аэрозоля в поперечном направлении и продлением ресурса доочистки;

- способ очистки газовых потоков в разнотемпературном канале, отличающийся созданием пересыщения гетерогенной смеси, последующим образованием, ростом и осаждением жидкостных аэрозольных частиц в конденсационной камере;

- методика инженерного расчета разнотемпературного конденсационного фильтра, позволяющая повысить эффективность очистки воздуха и других газообразных промышленных выбросов путем выбора рациональных режимов функционирования.

Практическая значимость работы.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для новых технических и технологических решений в области очистки промышленных газов от аэрозольных включений.

Разработана и испытана конденсационная установка, позволяющая более эффективно производить очистку газовых потоков, новизна конструкции и принцип работы которой защищены патентом на изобретение.

Полученные аналитические соотношения использованы при разработке инженерной методики расчета разнотемпературного конденсационного фильтра.

Результаты диссертационной работы используются в производственном процессе Воронежской ТЭЦ-1 и|ДОАО «Газпроектинжиниринг» г. Воронежа

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Седьмой Международной научно -технической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии АКТ - 2006» (Воронеж, 2006); Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий (Инноватика)» (Москва-Сочи, 2006); Третьей Российской школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2006); научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2005-2007).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, в том числе 3 - в издании, рекомендованном ВАК РФ, получены 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов работы, списка литературы из 109 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 179 страницах, содержит 44 рисунка и 9 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Синтезирована сопряженная математическая модель тепломассообменных процессов при очистке газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц между поверхностями неодинаковой температуры, позволяющая определить количественно потоки конденсата, как на стенки конденсатора, так и на выходе из него.

2. Идентифицированы стационарные температурные поля в рабочей камере, позволяющие определить границы зоны зародышеобразования, роста I и осаждения капель жидкости в ядре потока очищаемого газа, составляющей до 80 % от ширины разнотемпературного канала.

3. Создана пилотная конденсационная установка для исследования процесса очистки газовых потоков от жидкостных аэрозольных частиц в разнотемпературном канале, функционирующая в диапазоне чисел Рейнольдса Re = (50 ч- 200).

4. В результате экспериментального исследования тепломассообменного процесса очистки получена сходимость теоретических и экспериментальных данных до 10 %, что подтверждает адекватность разработанной математической модели.

5. Показано, что наиболее эффективно ведение процесса очистки в конденсационном фильтре осуществляется в режиме, когда участок гидродинамической и тепловой стабилизации меньше длины разнотемпературного канала.

6. Предложен и запатентован способ очистки газовых потоков в разнотемпературном канале конденсационной камеры, основанный на создании пересыщения гетерогенной смеси и осаждении капель аэрозоля, позволяющий повысить эффективность очистки.

7. Разработана методика инженерного расчета определения рациональных режимов функционирования разнотемпературного конденсационного фильтра.

1. Карабин А.II. Сжатый воздух. М.: Машиностроение, 1964. - 351с.

2. Очистка сжатого воздуха для пневматических систем и приводов станков, прессов литейных и других машин: Отраслевой руководящий материал. -М.: НИИМАШ, 1969. 132с.

3. Володин Н.И. Очистка газовых выбросов: Учеб. пособие / Н.И. Володин, Э.М. Соколов. Тула, 1999. - 259с.

4. Очистка сжатого воздуха для пневматических систем: Руководящие материалы; Под ред. А.И. Кудрявцева. М.: ВНИИгидропривод, 1978. -119с.

5. Штокман Е.А. Очистка воздуха: Учеб. пособие. М.: АСВ, 1999. — 319с.

6. Михельсон М.Л. Физические основы конденсационного метода пылеулавливания: Дис. канд. физ.- мат. наук / НИГРИ — Кривой Рог, I960. 174с.

7. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара, Изд. 3-е, доп. и перераб. М.: Химия, 1972. - 304с.

8. Грин X. Аэрозоли пали, дымы и туманы, Изд. 2-е, стер. / X. Грин, В. Лейн. - Л.: Химия, 1972. - 428с.

9. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. — М.: Наука, 1980.- 176с.

10. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. Косого Ю.Я. М.: Химия, 1981.-616с.

11. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. Изд. АН СССР, 1955. 351с.

12. Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. — М.: Высшая школа, 1971. — 319с.

13. Андреев П.И. Рассеяние в воздухе газов, выбрасываемых промышленными предприятиями. М.: Стройиздат, 1952. - 253с.

14. Кучерук В.В. Очистка от пыли вентиляционных и промышленных выбросов в атмосферу. — Гос. Изд. Лит. по стр. и архит., 1955. — 387с.15