Выбор оптимальных параметров прямоточно-центробежного сепаратора для очистки газа от механических примесей

Хазбулатов, Артур Ильдарович

Выбор оптимальных параметров прямоточно-центробежного сепаратора для очистки газа от механических примесей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Хазбулатов, Артур Ильдарович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Выбор оптимальных параметров прямоточно-центробежного сепаратора для очистки газа от механических примесей»

Автореферат диссертации на тему "Выбор оптимальных параметров прямоточно-центробежного сепаратора для очистки газа от механических примесей"

На правах рукописи

ХАЗБУЛАТОВ АРТУР ИЛЬДАРОВИЧ

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРЯМОТОЧНО-ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Казань-2013

005542915

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» на кафедре «Реактивные двигатели и энергетические установки».

доктор технических наук, Глебов Геннадий Александрович.

Цегельский Валерий Григорьевич,

доктор технических наук, НИИ Энергетического Машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, главный научный сотрудник.

Кесель Борис Александрович,

кандидат технических наук, доцент, ООО "НПП "Авиатехника", главный конструктор.

Ведущая организация: ФГБУН Казанский научный центр

российской академии наук (КазНЦ РАН), Исследовательский центр проблем энергетики (Академэнерго).

Защита состоится « 2*>~ » с^-^-сх 2013 г. в У-2 • часов на

заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10 (зал заседаний ученого совета).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ».

Автореферат разослан « » И-О-З-^у?^ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент и^РК-^ А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В промышленности и на практике во многих случаях требуется очистка газа (воздуха) от механических примесей (твердых или жидких частиц). В газовой промышленности такая задача ставится на автоматических газораспределительных станциях, компрессорных станциях, магистральных газопроводах и др. Также требуется очистка воздуха в тепловых электростанциях от золы и дымовых газов, на заводах по прирабатыванию угля от угольной пыли и т.д.

Механические примеси (пыль и др.), находящиеся в воздухе, проходя через газовоздушный тракт газотурбинных и компрессорных установок, приводят к загрязнению и абразивному износу рабочих лопаток. Поэтому на входе данных установок ГПА устанавливают пылеулавливатели. Основными требованиями к ним являются простота конструкции, высокая эффективность (степень) очистки и малое гидравлическое сопротивление.

В настоящее время в качестве пылеуловителей широкое применение нашли циклоны, которые способны улавливать частицы диаметром от 2-х

- 10-и мкм. Анализ известных противоточных и вихревых циклонов показал их довольно высокую эффективность очистки 86...92 % и 96,5...98 % соответственно, однако, они имеют существенный недостаток

- высокое гидравлическое сопротивление. В противоточных циклонах гидравлическое сопротивление составляет 125... 150 мм вод. ст., а в вихревых циклонах порядка 280...370 мм вод. ст., что существенно выше регламентируемых техническими условиями на входе в ГПА ~ 40...60 мм вод. ст.

Обзор научно-технической литературы показал также, что наиболее перспективным устройством, которое может использоваться в качестве первой ступени грубой очистки воздуха на входе в ГПА, представляется прямоточный циклон или прямоточно-центробежный сепаратор (ПЦС). Принцип действия ПЦС основан на отделении твёрдых или жидких частиц от несущего воздушного (газового) потока в поле центробежных сил, возникающих в закрученном потоке. Закрученный поток создаётся в трубе или вихревой камере специальным завихрителем. За счёт разности плотностей частиц и воздуха, частицы отбрасываются к стенке и выходят по периферии через кольцевую (сепарационную) щель в бункер сбора частиц, а очищенный воздух (газ) истекает через центральный патрубок, расположенный в конце вихревой камеры.

Проведенный анализ работ таких авторов как: Ю.А. Кныш, C.B. Лукачев (Самара); А.А Овчинников, B.JI Добрянский, Я.В. Зарецкий (Казань); И.Е. Идельчик, Г.К. Зиберт, Ф.Г. Банит, А.Д. Мальгин, Г.М.-А. Алиев (Москва); М.В. Василевский (Томск), В. Страус (Мельбурн), показал, что, несмотря на относительно широкое применение ПЦС, в настоящее время отсутствуют надежные расчётные методы данных устройств. Анализ также показал, что влияние основных параметров и факторов на эффективность очистки газового потока от механических примесей в ПЦС мало изучено, и отсутствуют данные по выбору его оптимальных параметров, таких как: длина вихревой камеры, ширина сепарационной щели, тип завихрителя, наличие или отсутствие отсоса газа из бункера сбора частиц, влияние размера бункера и др.

Цель диссертационной работы - На основе экспериментального исследования двухфазного турбулентного закрученного течения в прямоточно-центробежном сепараторе получить необходимые данные для выбора его оптимальных параметров.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Определить влияние основных параметров и факторов на эффективность очистки газового потока от механических примесей:

а) длина вихревой камеры

б) ширина сепарационной щели

в) отскок частиц от стенок вихревой камеры

г) перепад давления на ПЦС

д) концентрация частиц на входе в ПЦС

е) отсос газа из бункера сбора частиц

ж) размер бункера

з) размер частиц

2. Разработать и предложить некоторые способы и устройства повышения эффективности очистки ПЦС.

Объект исследования - двухфазное турбулентное закрученное течение в вихревой камере ПЦС. В качестве несущей среды использовался - воздух, а в качестве дисперсной фазы - механических примесей (твердые частицы).

Предмет исследования - прямоточно-центробежный сепаратор.

Методы исследования. Визуальным методом шелковинок исследовалась структура закрученного течения; термоанемометрическим методом измерялась скорость, степень турбулентности и спектры турбулентных пульсаций газового потока; пневмометрическим методом с помощью специальной трубки, измерялось распределение статического давления вдоль оси сепаратора. Эффективность очистки определялась массовым методом с помощью электронных лабораторных весов.

Достоверность полученных результатов подтверждается и обеспечивается использованием измерительной аппаратуры, прошедшей метрологическую поверку, удовлетворительным согласованием полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными других авторов в сопоставимых условиях.

Научная новизна:

- Создан экспериментальный стенд для исследования двухфазных закрученных течений.

Разработаны оригинальные пылепитатели для подачи механических частиц различной дисперсности и концентрации.

- Получены новые данные по структуре двухфазных турбулентных закрученных течений в исследуемом ПЦС. Определены границы зоны обратных токов в зависимости от длины вихревой камеры. Показано, что режим течения в вихревой камере - турбулентный. На основе измерения спектров турбулентных пульсаций подтверждена прецессия оси вихревого течения в ПЦС. Показано влияние отскока частиц от стенки вихревой камеры на эффективность очистки.

- Экспериментально определены оптимальные значения длины вихревой камеры и ширины сепарационной щели ПЦС.

- Доказано, что перепад давления на сепараторе в пределах 40... 120 мм вод. ст. и концентрация частиц на входе в сепаратор в исследуемом диапазоне 0,15...7,8 хЮ3 мг/м3 практически не влияют на эффективность очистки.

- Экспериментально доказано, что отсос газа из бункера сбора частиц, исследуемого ПЦС, с последующей подачей его на выход очищенного газа - нецелесообразен.

- Получены новые данные по влиянию размера механических частиц на эффективность очистки газового потока в ПЦС.

- Разработаны и исследованы два оригинальных прямоточно-центробежных сепаратора, позволившие повысить эффективность очистки по сравнению с базовым ПЦС на 4,2 %.

Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании ПЦС для очистки газовых потоков от механических примесей. Научная и практическая значимость работы подтверждена актом об использовании результатов диссертационной работы в научно-производственном предприятии «Экоэнергомаш».

Положения, выносимые на защиту.

Результаты исследования газодинамической структуры турбулентного закрученного потока в ПЦС: результаты измерения распределения статического давления и турбулентных характеристик вдоль оси вихревой камеры; размеры зоны обратных токов и др.

- Результаты экспериментального исследования влияния отскока частиц от стенки вихревой камеры; концентрации частиц на входе в ПЦС и перепада давления в ПЦС на эффективность очистки.

- Результаты исследования влияния отсоса газа из бункера сбора частиц на эффективность очистки исследуемого ПЦС.

Результаты исследования влияния размеров частиц на эффективность очистки ПЦС.

Личный вклад автора. Создан экспериментальный стенд для исследования двухфазных закрученных течений в устройствах очистки газа от механических примесей. Спроектированы и изготовлены два оригинальных пылепитателя - дозатора для подачи в газовый поток частиц разных размеров и концентраций. Проведены экспериментальные исследования двухфазного турбулентного закрученного потока в ПЦС. Результаты обобщены в виде графиков и таблиц. Разработаны и исследованы две новые конструкции ПЦС. Создано устройство для очистки газа (патент на полезную модель № 118876 от 29.09.2011).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:

- на XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции в Казанском высшем военном командном училище по тематике "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий ", 1214 мая в 2007г.;

- на III Международной научно-практической конференции в Казанском научно-исследовательском институте авиационной технологии по тематике "Инновационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения" (ИТМ-2008), 17-19 сентября в 2008г.;

- на VII Всероссийской научно-технической конференции в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С. П. Королева по тематике "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей", 21-22 октября в 2010г.;

- на Международной молодежной научной конференции (XIX Туполевские чтения) в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А. Н. Туполева - КАИ по научному направлению «Физико-технические проблемы создания двигателей и энергоэффективных установок» по тематике "Конструкция и рабочие процессы в тепловых двигателях, энергетических установках и энергосистемах", 24-26 мая в 2011г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ. Из них: три тезиса доклада научно-технических и научно-практических конференций; две статьи опубликованы в рекомендуемых ВАК журналах; получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на

_ страницах машинописного текста и состоит из введения, _ глав,

заключения и библиографического списка включающего _

наименований. Работа иллюстрирована _ рисунками и содержит _

таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлена структура диссертации.

В первой главе на основе научно-технической литературы и патентов дан детальный обзор способов и устройств очистки газа от взвешенных в нём механических примесей. Особое внимание уделено анализу противоточных и прямоточных циклонов - ПЦС.

Анализ известных работ и патентов показал, что ПЦС находит все большее применение в промышленности и на практике. Следует отметить, однако, что надежного метода расчета ПЦС и каких-либо рекомендаций по выбору его параметров в настоящее время нет. В конце первой главы диссертации сформулированы задачи исследования.

Во второй главе дано описание экспериментального стенда, измерительного оборудования, изложен план и методика эксперимента, произведена оценка точности результатов экспериментальных исследований.

Стенд представлял собой газодинамическую трубу разомкнутого типа, работающую на отсасывание воздуха. Стенд включал в себя вентилятор, регуляторы расхода воздуха, расходомер воздуха через сепаратор, расходомер воздуха отсасываемого из бункера сбора частиц, исследуемый ПЦС (рабочий участок) и пылепитатель-дозатор частиц (рис.1).

Пылепитатель- :

'дозатор частиц Расходомеры Регуляторы

\> \ /> расхода

• ~ у / /г воздуха

аоочи 'часто]

Рис. 1. Экспериментальный стенд

Схема рабочего участка представлена на рис.2, где 1 - завихритель потока; 2 - вихревая камера; 3 - патрубок отвода очищенного воздуха (насадок); 4 - бункер сбора отсепарированных частиц; 5 - трубопровод отсоса воздуха из бункера; 6, 7 - расходомеры переменного перепада давления; 8 - ¿/-образные манометры; 9 - кран шаровый.

Рис.2. Схема рабочего участка 6

V / К

- —тг-о---)—^-венти-

/—| \ лятору

Очищен-8 ный газ

Газ+мех. примеси

Мех. примеси

Описываются конструкции завихрителей для создания закрученных течений, свойства закрученных течений и их использование для очистки газа от твердых и жидких частиц.

В качестве завихрителя потока был выбран тангенциальный лопаточный завихритель (рис.3). Согласно имеющейся литературе, данный завихритель формирует естественный вихрь, при котором образуется устойчивая структура закрученного потока. Параметр закрутки потока, представляющий собой отношение тангенциальной скорости потока к средне-расходной аксиальной скорости потока, для данного завихрителя был равен двум. Интегральный параметр интенсивности закрутки, который определялся через отношение момента количества движения к осевой составляющей полного потока количества движения, составлял единицу.

В качестве несущей среды служил атмосферный воздух с температурой от 18 до 24°С и относительной влажности 40...60 %.

Перепад давления на сепараторе ДР,ЩС, в экспериментах, варьировался от 40 до 120 мм вод. ст., что соответствовало расходу воздуха через сепаратор от 11 до 19 хЮ"3 м3/с и числу Рейнольдса определенному по диаметру вихревой камеры и среднерасходной скорости потока в пределах Ке=1,8. ..2,8 хЮ4.

Рис.4. Сменные элементы рабочего участка

Длина вихревой камеры / изменялась в пределах 1.. .44, с шагом 0,5, а ее диаметр составлял (1 = 46 мм (рис.4). В экспериментах использовалось также три сменных патрубка отвода очищенного газа с наружными диаметрами 38, 34 и 30мм. Патрубки входили в вихревую камеру на 10 мм для обеспечения кольцевого зазора (сепарационной щели) между ними. Таким образом, ширина сепарационной щели 2Ш составляла 0,17, 0,26 и 0,35 соответственно.

С целью исключения отложения мелких частиц в области сепарационной щели осуществлялся отсос воздуха по трубопроводу 5 (см. рис.2). Расход отсасываемого воздуха регулировался краном 9 и изменялся в пределах 0.. .30 %. Данный расход измерялся расходомером 6.

В качестве дисперсной фазы использовались частицы твердых механических примесей: тальк (порошок), речной песок, галька (порошок) оксид алюминия. Эти частицы не вступали в реакцию с водой и не разрушались в процессе экспериментов.

Концентрация частиц в воздухе, подаваемая на вход сепаратора, составляла в пределах 0,15...7,8 х103 мг/м3, что соответствовало условиям пылевой бури в регионах установки ГПА и т.д. Получение смесей разной дисперсности производилось путем просеивания частиц через сита с разными размерами ячеек. Все частицы были разделены на восемь фракций (рис.5).

д е ж з

Рис.5. Частицы под микроскопом с размерами: а - 1...26 мкм, б - 26...40 мкм, в - 40...64 мкм, г - 64...94 мкм, д - 94.. .125 мкм, е - 125... 160 мкм, ж - 160.. .200 мкм, з- 200.. .250 мкм

Смешение данных фракций в той или иной пропорции позволяло получать необходимые смеси. В экспериментах использовались две смеси (см. рис.6). Первая - смесь частиц речного песка, порошка гальки и оксида алюминия. Вторая - смесь микроталька марки МТ-ГШМ по ГОСТ 1928479. Среднемассовый диаметр частиц данных смесей определялся по формуле ¿43 = где д, - массовая доля г - й фракции.

Подача частиц осуществлялась с помощью двух пылепитателей (рис.7а, б). Первый (рис.7а), основным элементом которого являлись песочные часы, использовался для подачи грубодисперсных частиц (¿43=128 мкм). Второй (рис.7б) использовался для подачи тонкодисперсных частиц талька (7/43=9 мкм) в виде "тумана".

20 15 10 5 0

-1-1-1-1-1-Г

-смесь частиц речного песка гальки (порошок) и ..оксида алюминия

1 26 40 64 94 125 160 200 250 Л, мкм

40 30 20 10 0

1 микрота (пороше - 1ьк— К)

—

1 5 10 20 45 4, мкм а 6

Рис.6. Плотность распределения частиц по размерам: (для а - ¿43=128 мкм; для б - ¿43=9 мкм)

а б

Рис.7. Пылепитатели: а - грубодисперсных частиц; б - тонкодисперсных частиц

В работе измерялись: перепад давления на сепараторе ДРПЦС; давление в бункере АРБ; расход воздуха через сепаратор т^ и т1; расход воздуха отсасываемого из бункера т2; масса подаваемых СВУ и уловленных Сул (отсепарированных) частиц.

Эффективность очистки ПЦС определялась отношением массы

уловленных частиц к массе подаваемых частиц, в процентах: г| = ^ ■ 100.

^вх

Та и другая масса частиц измерялась с помощью лабораторных электронных весов Аси1аЬ У1С-410(12. Относительная погрешность измерения массы составляла 0,13 %. Измерение времени в экспериментах производилось с помощью электронного секундомера «ИНТЕГРАЛ С-01».

Длина зоны обратных токов определялась визуально с помощью струны с наклеенными на ней шелковинками, которую можно было перемещать вдоль оси вихревой камеры ПЦС (рис.8а).

Для того чтобы не нарушать вихревую структуру течения измерения параметров потока производились только на стенках вихревой камеры и на ее оси. Измерение осредненной скорости воздушного потока и турбулентных пульсаций вдоль оси вихревой камеры ПЦС производилось с помощью термоанемометра ИРВИС-ТА 5.1 (рис.86). Для точного расположения датчика на оси использовалось специальное координатное устройство.

Для измерения распределения статического давления вдоль оси ПЦС использовалась специальная пневмометрическая трубка (рис.8в)

а бе

Рис.8. Методы исследования: а - визуальный метод шелковинок; б - термоанемометрический метод; в - пневмометрический метод

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований.

На рис.9 представлены результаты определения длины зоны обратных токов (ЗОТ) в вихревой камере сепаратора методом

Рис.9. Структура течения внутри вихревой камеры (АРпцС=60 мм вод. ст.; 2Ш=0,26)

шелковинок. Обозначения min и max соответствуют минимальным и максимальным амплитудам колебаний шелковинок. Видно, что положение точки S, определяющей длину ЗОТ, существенно нестационарно и колеблется в пределах 0,5...0,75d. При изменении длины вихревой камеры в пределах 2,5..Al/d длина ЗОТ - ls практически постоянна и составляет l/d= 1,8 (рис.10). С уменьшением длины вихревой камеры //¿/<2,5 длина ЗОТ начинает существенно уменьшаться.

Рис.10. Длина зоны обратных токов (АРПЦС=60 мм вод. ст.; 2Ш=0,26)

mm max

min

Рис.11. Качественные картины: о-поле векторов скоростей движения газа;

б-поле концентраций частиц

I | -_'011 Результаты исследования влияния

0,10 -т-1-1—--длины вихревой камеры на эффективность

0,05 ... I — очистки ПЦС г| представлены на рис.16.

0 0(1 ИИЯИИИННДД 0,|И показали немонотонный,

х = о.зз периодический характер изменения ц - /

°'10 ДЛ™Т ^,сКак выяснилось> такой характер

0,05 иУУЬав^И^^а—— изменения т| связан с отскоком частиц от

0500 ["" "'тдР^ЩН^ИШ стенки вихревой камеры, что иллюстрируют

0 1() : :___х = 1,96 схемы течения, и фотография

' нШк : расположенные в нижней части рис.16.

0,05 ■ИННВйЙбАй^ Максимальная эффективность очистки

0,00 ДЯ тР^РМИШВи достигалась при Ш= 1,5. 0 500 1000 1500 /Гц

Рис.15. Спектры турбулентной энергии воздушного потока

Отскок

Рис.16. Влияние длины вихревой камеры на эффективность очистки (АРпцс=60 мм вод. ст.; 2Ш=0,26; а?43=128 мкм; на фотографии частицы с ¿43=800 мкм)

Отскок частиц

расход воздуха через сепаратор падает, несмотря на уменьшение её гидравлического сопротивления. Такое уменьшение расхода связано с влиянием ЗОТ, которую, можно отождествить с аэродинамической "пробкой", находящейся вблизи патрубка отвода очищенного воздуха (см. рис.9). С уменьшением длины вихревой камеры ЗОТ как бы частично "запирает" поток перед патрубком отвода очищенного газа. С увеличением сепарационной щели к расход воздуха через ПЦС естественно уменьшается (рис.19, б).

Для определения влияния отсоса газа из бункера сбора частиц и размера бункера на эффективность очистки, были изготовлены два бункера, объемом 2,5 и 13 литров. Площадь проходного сечения бункеров 5б перед трубопроводом отсоса запыленного воздуха была соответственно 0,015 и 0,045 м2. Эксперименты были проведены на грубодисперсных частицах <¿(3=128. Они показали, что при тп2/та = 0 эффективность очистки была одинаковой в обоих случаях (рис.20). При тп2/т1 = ОД эффективность очистки ПЦС при 5Б=0,015 м2 падает, а при 5В=0,045 м2 остается без изменений. При т2/-пгг = 0,2 ...0,3 эффективность очистки ПЦС понижается, как при 5,Б=0,015 м2, так и при 5Б=0,045 м2, что объясняется уносом частиц в трубопровод отсоса воздуха.

На основе полученных данных можно сделать вывод, что отсос воздуха из бункера сбора частиц, исследуемого ПЦС с последующей подачей его на выход очищенного воздуха - нецелесообразен.

Ф-2И/Ф=0,26 О

_и-2ш=0,35 □ -2й/у=0,3

о 0,1 0,2 т2/тх

Рис.20. Влияние отсоса газа из бункера сбора частиц и размера бункера на эффективность очистки (ЛРПЦС=60 мм вод. ст.; //<¿=1,5; ¿/43=128 мкм)

С целью определения влияния размера частиц на эффективность очистки были проведены эксперименты с каждой из восьми узких фракций частиц представленных на рис.5. Эксперименты проводились по

л'е=0,045м2

2-3 раза для каждой из фракций. На рис.21 представлены некоторые результаты для случая т2 /шг = 0.

По графику видно, что максимальная эффективность очистки 99,5 % достигается для частиц со среднемассовым диаметрам от 33 до 52 мкм.

Дальнейшее увеличение размера частиц должно приводить к увеличению эффективности очистки, однако в нашем случае происходит некоторое уменьшение этого параметра, что объясняется влиянием отскока частиц от стенки вихревой камеры и узкой щелью сепаратора

небольших размеров.

Ц,%

99 98 97

70 69

О 50 100 150 200 ¿43,мкм

Рис.21. Влияния размера частиц на эффективность очистки ПЦС

В конце главы, в предположении геометрического подобия сепаратора и автомодельности турбулентного течения в вихревой камере, полученные результаты были обобщены на ПЦС других размеров (табл.1).

В качестве основного критерия был выбран наименьший размер частиц £¿43™,, , при котором 30 % частиц попадают в патрубок отвода очищенного газа. Частицы больших размеров с вероятностью 98-99 % попадают в бункер сбора частиц (см. рис.21). В дополнение был определен среднемассовый диаметр частиц с/4зтт для разных диаметров вихревой камеры с1 ПЦС (табл.).

Таблица

¿43тт при разных диаметрах вихревой камеры ПЦС _

й, мм 25 46 80 100 150 200 250 300

¿431шп, МКМ 7,4 10,0 13,2 14,7 18,1 20,8 23,3 25,5

Четвертая глава посвящена улучшению характеристик исследуемого сепаратора. Были разработаны и исследованы две новые схемы ПЦС (рис.22, 23). Отличительной чертой данных сепараторов является отсутствие торцевой стенки около завихрителя, а также наличие

одного или двух дополнительных бункеров. По количеству бункеров первому дали название двухбункерный, а второму - трехбункерный ПЦС.

Рис.22. Двухбункерный ПЦС Рис.23. Трехбункерный ПЦС

с рециркуляцией воздуха с рециркуляцией воздуха

Отличие физического процесса данного сепаратора от исследованного ранее заключался в том, что появился еще один механизм сепарации частиц. Под действием центробежных сил поток разделился на две части: левую и правую (см. рис.22, 23). Процесс сепарации в правой части аналогичен исследуемому ранее физическому процессу.

В левой части под действием центробежных сил периферийная часть закрученного потока устремляется в бункер №2 и затем резко разворачивается на 180° и возвращается обратно в сепаратор, в зону пониженного давления вблизи оси вихря. При этом происходит резкий поворот газа, при котором частицы не успевают "следить" за газом и по инерции попадают в бункер№2.

Эксперименты показали, что давление в бункере №2 меньше чем в бункере №1. Это позволило организовать рециркуляцию газовой смеси из бункера №1 в бункер№2. При этом эффективность сепаратора как показали эксперименты на пылегазовой смеси: ДРПЦС=60 мм вод. ст.; l/d=2,5; 2Ш=0,35; т2/тг - ОД; d43= 128 мкм повысилась с 94,4 до 97,7%.

Благодаря дополнительному бункеру №3 в трехбункерном ПЦС (рис.23), который играл роль осадительной камеры, удалось повысить эффективность очистки до 98,6 % при тех же параметрах.

На рис.24 представлены результаты измерения распределения статического давления на оси трехбункерного ПЦС, при следующих параметрах: 2М/=0,35. Эксперименты показали, что при ДРШ1С=60 мм вод. ст. разрежение на оси вихря может достигать до 150 мм вод. ст., а длина зоны обратных токов составляет приблизительно 0,75 l/d.

-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 х

На рис.25 приведены результаты измерений эффективности трехбункерного ПЦС для каждой из восьми исследуемых фракций частиц. Там же для сравнения штриховой линией показаны полученные ранее данные для ПЦС с одним бункером (см. рис.21).

Л, % 99 98

83 82 81

0 50 100 150 200 <5?43,мкм

Рис.25. Влияния размера частиц на эффективности очистки трехбункерного ПЦС

Видно, что эффективность трехбункерного ПЦС выше практически для всех исследуемых узких фракций частиц. В заключении диссертации по результатам исследований были сделаны выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан экспериментальный стенд для исследования двухфазных закрученных течений в устройствах очистки газа от механических примесей.

2. Разработаны оригинальные пылепитатели для подачи частиц различной дисперсности и концентрации.

3. Получены новые данные по структуре двухфазных турбулентных закрученных течений в исследуемом ПЦС: определены границы зоны обратных токов в зависимости от длины вихревой камеры; показано, что режим течения в вихревой камере - турбулентный, а степень турбулентности составляла порядка 30...35 %; подтверждена прецессия вихревого течения, которая приблизительно соответствовала продольной моде собственных колебаний трубы, открытой с двух сторон; показано существенное влияние на работу ПЦС отскока частиц от стенки вихревой камеры.

4. С выбранным типом завихрителя получены оптимальные параметры длины вихревой камеры и ширины сепарационной щели ПЦС.

5. Перепад давления и входная концентрация частиц в исследуемом диапазоне параметров незначительно влияет на эффективность очистки ПЦС.

6. Экспериментально доказано, что отсос газа из бункера сбора частиц, исследуемого ПЦС с последующей подачей его на выход очищенного газа - нецелесообразен, а влияние размера бункера на эффективность очистки ПЦС наблюдается только при отсосе газа.

7. Доказано влияние размера механических частиц на эффективность очистки газа в ПЦС.

8. В предположении геометрического подобия сепаратора и автомодельности турбулентного течения в вихревой камере, полученные результаты были обобщены на ПЦС других размеров.

9. Разработаны и исследованы два оригинальных прямоточно-центробежных сепаратора с эффективностью очистки 98...99 %.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

Хазбулатов, А.И. Исследование процесса очистки газа от механических примесей в прямоточно-центробежном сепараторе [Текст]/ Г.А. Глебов, А.И. Хазбулатов// Вестн. Самарского государственного аэрокосмического университета имени С.П. Королева (национального исследовательского университета). Самара, 2011. - №5. - С. 72-77.

Хазбулатов, А.И. Разработка и исследование прямоточно-центробежного сепаратора для очистки газа от механических примесей [Текст]/ А.И. Хазбулатов// Сб. научных статей/ Научно-технический вестник Поволжья. Казань, 2012. - №2. - С. 35-38.

Патенты:

Пат. 118876 Российская федерация, МПК В 01 D 45/00 (2006.01)

Устройство для очистки газа [Текст]/ А.И. Хазбулатов; заявитель и патентообладатель: А.И. Хазбулатов. - № 2011139772/05; заявл.29.09.2011; опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22. - 12 е.: ил.

Работы, опубликованные в других изданиях:

Хазбулатов, А.И. Исследование и выбор оптимальных параметров работы прямоточно-центробежного сепаратора для очистки воздуха от пыли на входе в газоперекачивающий агрегат [Текст]/ А.И. Хазбулатов// Сб. материалов XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции/ 12-14 мая 2007 г./ Казанское высшее военное командное училище (военный институт). Казань, 2007. - Ч. 2. - С. 201-203.

Хазбулатов, А.И. Исследование центробежного прямоточного сепаратора для отделения жидкой и твердой фазы от газа [Текст]/ A.C. Буров, А.И. Хазбулатов// Материалы III международной научно-практической конференции/17-19 сентября 2008 г./ Инновационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения (ИТМ-2008). Казань,- 2008. - С. 49-53.

Хазбулатов, А.И. Исследование процесса очистки топливного газа, от жидкой и твердой фазы в прямоточно центробежном сепараторе [Текст]/ А.И. Хазбулатов// Материалы международной молодежной научной конференции/ 24-26 мая. 2011 г./ XIX Туполевские чтения. Казань, 2011. — Т. 1. - С. 225-228.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ Б131. Типография КНИТУ-КАИ 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Хазбулатов, Артур Ильдарович, Казань

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»

На правах рукописи

ХАЗБУЛАТОВ АРТУР ИЛЬДАРОВИЧ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Г.А. Глебов

Казань-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.......................................................... 5

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 7

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ТЕМЕ РАБОТЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................. 14

1.1. К выбору темы диссертации (предыстория вопроса)............ 14

1.2. Обзор и анализ различных способов очистки газа

от взвешенных в нем механических примесей.................... 21

1.3. Сравнительный анализ противоточных и прямоточных циклонов................................................................... 43

1.4. Постановка задач исследований..................................... 60

Глава 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА

И ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ................... 61

2.1. Экспериментальный стенд............................................ 61

2.2. Описание работы стенда................................................ 65

2.3. Выбор завихрителя........................................................ 66

2.4. Подготовка смесей разной дисперсности.......................... 76

2.4.1. Классификация аэродисперсных систем.

Выбор механических примесей.............................. 76

2.4.2. Получение смесей разной дисперсности................... 85

2.4.3. Создание рабочих смесей определенного состава....... 89

2.5. Выбор и разработка способов и устройств подачи механических частиц в газовый поток.............................. 91

2.6. Методика проведения экспериментов и оценка погрешности измерений физических величин.................. 101

2.6.1. Измерение давления......................................... 102

2.6.2. Измерение массы.............................................. 104

2.6.3. Измерение времени............................................ 105

2.6.4. Вычисление расхода......................................... 107

2.6.5. Вычисление эффективности очистки...................... 107

2.6.6. Методы исследования структуры течения.............. 108

2.7. Основные параметры экспериментов............................. 109

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЯМОТОЧНО-ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА........................... 110

3.1. Исследование структуры закрученного течения

в вихревой камере...................................................... 110

3.1.1. Экспериментальные методы................................ 110

3.1.2. Длина зоны обратных токов................................ 114

3.1.3. Исследование турбулентной структуры течения...... 118

3.2. Влияние основных параметров на характеристики прямоточно-центробежного сепаратора.............................. 122

3.2.1. Влияние длины вихревой камеры и ширины сепарационной щели на эффективность очистки....... 122

3.2.2. Влияние перепада давления и концентрации

частиц на эффективность очистки........................ 125

3.2.3. Влияние длины вихревой камеры и ширины сепарационной щели на расход газа протекающего через прямоточно-центробежный сепаратор........... 126

3.2.4. Влияние отсоса газа из бункера и размера

бункера на эффективность очистки.............................128

3.2.5. Влияние размера частиц на эффективность

очистки......................................................... 131

3.3. Обобщение результатов на прямоточно-центробежные

сепараторы других размеров.......................................... 132

глава 4. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ПРЯМОТОЧНО-ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА.................................................................................134

4.1. Изменение базовой конструкции прямоточно-центробежного сепаратора.......................................... 134

4.2. Двухбункерный прямоточно-центробежный сепаратор...... 137

4.3. Трехбункерный прямоточно-центробежный сепаратор....... 143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ..................................................... 150

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................... 151

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 166

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ПЦС - прямоточно-центробежный сепаратор ГПА - газоперекачивающий агрегат ГТД - газотурбинный двигатель ЗОТ - зона обратных токов

АРпцс - перепад давления на прямоточно-центробежном сепараторе ДРС1 - перепад давления на сопле 1 АРс2 - перепад давления на сопле 2 ЛРБ - давление в бункере

АРВ - перепад давления на торцевой стенки завихрителя (давление вихря)

Со - средняя концентрация пыли

г) - эффективность очистки

Сш - масса частиц поступающих в аппарат

Суп - масса уловленных частиц в аппарате

Е - коэффициент проскока частиц

с1 - диаметр вихревой камеры

I - длина вихревой камеры

/с - длина сопла

1$ - длина зоны обратных токов

х - координаты по оси абсцисс

Я - радиус канала

г - текущий радиус

к — ширина сепарационной щели

а - высота узкой части сопла завихрителя

Ь — длина лопаток вдоль оси

а — угол наклона лопаток

п - количество лопаток

е - наименьшее расстояние между лопатками

/вл - высота расположения лопаток относительно оси цилиндрического канала £ - точка с переменным градиентом давления (точка конца ЗОТ) Ж - скорость потока

Ш - среднерасходная скорость потока в вихревой камере

IV 1, \¥г - аксиальная, тангенциальная и радиальная составляющие скорости потока

Щ№а - параметр закрутки (Лонга-Россби)

Ф - интегральный параметр интенсивности закрутки

М- момент количества движения осевой составляющей потока

Кх - осевая составляющая потока количества движения

сх - коэффициент сопротивления среды

.Рвх - площадь проходного сечения завихрителя

/\р - площадь проходного сечения трубы

/7С - площадь критического сечения сопла

_ площадь проходного сечения бункера перед трубопроводом отсоса газа т - массовый расход газа (воздуха) ш2/шг - величина отсоса газа из бункера ¿/43 - среднемассовый диаметр частиц <^43тт — минимальный среднемассовый диаметр частиц

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современных технологий предъявляет все более высокие требования к чистоте циклового воздуха, например, для газотурбинных двигателей и воздуха для компрессорных установок в газоперекачивающих агрегатах (ГПА). В компрессорных установках воздух проходит цикл сжатия и затем направляется на какие-либо технологические нужды. В газотурбинных двигателях воздух используется для осуществления процесса сгорания газа. В обоих случаях воздух, как правило, засасываемый из атмосферы, проходит через рабочие элементы данных установок.

Атмосферный воздух всегда содержит какое-то количество механических частиц (пылевых частиц) естественного происхождения, связанного с эрозией почв, генерацией различной пыли растениями (пух тополей, пух одуванчиков с семенами, пыльца и т.п.). Дополнительное загрязнение воздуха вызывается техногенными факторами, связанными с жизнедеятельностью человека (выхлопы от автотранспорта, выхлопы от заводов, вентиляционные выбросы промышленных предприятий и т.д.).

Наличие в цикловом воздухе пылевых частиц приводит к загрязнению и абразивному износу рабочих элементов (лопаток, направляющего аппарата и т.д.) газотурбинного двигателя и компрессорной установки, а также к дополнительным затратам, связанным с разборкой, заменой или очисткой этих

элементов. Особенно характерен абразивный износ рабочих лопаток, который влечет снижение к.п.д. данных установок с последующим выходом их из строя.

По указанным выше причинам на входе в ГПА устанавливают пылеуловители. Основными требованиями к ним являются простота конструкции, высокая эффективность (степень) очистки и малое гидравлическое сопротивление.

В настоящее время в качестве пылеуловителей широкое применение нашли циклоны, которые способны улавливать частицы с минимальным размером до 2-х мкм [8]. Анализ известных противоточных и вихревых циклонов показал их довольно высокую эффективность очистки 86...92% и 96,5...98% соответственно, однако, они имеют существенный недостаток -высокое гидравлическое сопротивление. В противоточных циклонах гидравлическое сопротивление составляет 125... 150 мм вод. ст., а в вихревых циклонах порядка 280...370 мм вод. ст., что существенно выше регламентируемых техническими условиями на входе в ГПА ~ 40.. .60 мм вод. ст.

Обзор научно-технической литературы показал также, что наиболее перспективным устройством, которое может использоваться в качестве первой ступени грубой очистки воздуха на входе в ГПА, представляется прямоточный циклон или прямоточно-центробежный сепаратор (ПЦС). Принцип действия ПЦС основан на отделении твёрдых или жидких частиц от несущего воздушного (газового) потока в поле центробежных сил, возникающих в закрученном потоке. Закрученный поток создаётся в трубе или вихревой камере специальным завихрителем. За счёт разности плотностей частиц и воздуха, частицы отбрасываются к стенке и выходят по периферии через кольцевую (сепарационную) щель в бункер сбора частиц (пылесборник), а очищенный воздух (газ) истекает через центральный патрубок, расположенный в конце вихревой камеры.

Анализ известных работ таких авторов как: Ю.А. Кныш, C.B. Лукачев (Самара); А.А Овчинников, В.Л Добрянский, Я.В. Зарецкий (Казань);

И.Е. Идельчик, Г.К. Зиберт, Ф.Г. Банит, А.Д. Мальгин, Г.М.-А. Алиев (Москва); М.В. Василевский (Томск), В. Страус (Мельбурн), показал, что, несмотря на относительно широкое применение ПЦС, в настоящее время отсутствуют надежные расчётные методы данных устройств. Анализ также показал, что влияние основных параметров и факторов на эффективность очистки газового потока от механических примесей в ПЦС мало изучено, и отсутствуют данные по выбору его оптимальных параметров, таких как: длина вихревой камеры, ширина сепарационной щели, тип завихрителя, наличие или отсутствие отсоса газа из бункера сбора частиц, влияние размера бункера и др. В связи с этим тема данной диссертационной работы - выбор оптимальных параметров прямоточно-центробежного сепаратора для очистки газа от механических примесей на базе исследования двухфазного турбулентного закрученного течения, представляется актуальной.

Цель диссертационной работы. На основе экспериментального исследования двухфазного турбулентного закрученного течения в прямоточно-центробежном сепараторе получить необходимые данные для выбора его оптимальных параметров.

Предмет исследования - прямоточно-центробежный сепаратор.

Научная новизна:

- Создан экспериментальный стенд для исследования двухфазных закрученных течений.

- Разработаны оригинальные пылепитатели для подачи механических частиц различной дисперсности и концентрации.

- Получены новые данные по структуре двухфазных турбулентных закрученных течений в исследуемом ПЦС. Определены границы зоны обратных токов в зависимости от длины вихревой камеры. Показано, что режим течения в вихревой камере — турбулентный. На основе измерения спектров турбулентных пульсаций подтверждена прецессия оси вихревого течения в ПЦС. Показано влияние отскока частиц от стенки вихревой камеры на эффективность очистки.

- Экспериментально определены оптимальные значения длины вихревой камеры и ширины сепарационной щели ПЦС.

- Доказано, что перепад давления на сепараторе в пределах 40... 120 мм вод. ст. и концентрация частиц на входе в сепаратор в исследуемом диапазоне 0,15...7,8 х10 мг/м практически не влияют на эффективность очистки.

Разработаны и исследованы два оригинальных прямоточно-центробежных сепаратора, позволившие повысить эффективность очистки по сравнению с базовым ПЦС на 4,2%.

Положения, выносимые на защиту.

- Результаты исследования газодинамической структуры турбулентного закрученного потока в ПЦС: результаты измерения распределения статического давления и турбулентных характеристик вдоль оси вихревой камеры; размеры зоны обратных токов и др.

- Результаты исследования влияния размеров частиц на эффективность очистки ПЦС.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:

- на VII Всероссийской научно-технической конференции в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королева по тематике "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей", 21-22 октября в 2010г.;

на Международной молодежной научной конференции (XIX Туполевские чтения) в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева - КАИ по научному направлению «Физико-технические проблемы создания двигателей и энергоэффективных установок» по тематике "Конструкция и рабочие процессы в тепловых двигателях, энергетических установках и энергосистемах", 24-26 мая в 2011г.;

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 166-ти страницах машинописного текста и состоит из введения, 4-х глав, заключения и библиографического списка включающего 121-о наименование. Работа иллюстрирована 89-ю рисунками и содержит 6 таблиц.

Автор выражает особую благодарность научному руководителю, д.т.н. Г.А. Глебову за научные консультации, внимание к работе и всестороннюю практическую помощь.

Автор благодарен заведующему кафедрой «Специальные двигатели» д.т.н., профессору А.Ф. Дрегалину за поддержку на всех этапах подготовки диссертации.

Автор признателен нау�