ЧИСЛЕННОЕ  И  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ  ЭФФЕКТИВНОСТИ  ЛАБИРИНТНОГО  ЗОЛОУЛОВИТЕЛЯ

Алтухов  Юрий  Александрович

д.  ф.-м.  н.,  проф.  АлтГПА,  г.  Барнаул

Кисляк  Сергей  Марксинович

к.  т.  н.,  доцент  АлтГТУ,  г.  Барнаул

Аль  Замили  Али  Мирали  Джасим

аспирант  АлтГТУ,  г.  Барнаул

E-mail:  alimeer2004@yahoo.com

В  статье  объединился  экспериментальный  анализ  с  вычислительной  гидрогазодинамикой  (CFD),  чтобы  продемонстрировать  и  вычислить  турбулентный  запыленный  поток  в  модели  лабиринтного  золоуловителя  (ЛЗУ)  с  рециркуляцией  части  запыленного  потока  через  улавливающие  карманы.

Метод  контрольного  объема  и  SIMPLE  алгоритм  использовались,  чтобы  решить  трехмерные  уравнения  Навье–Стокса,  осредненных  по  Рейнольдсу  и  замкнутых  RNG  k  -  e  моделью  турбулентности.  Модель  Лагранжа  использовалась,  чтобы  описать  движения  частиц  в  ЛЗУ.  Численное  исследование  основано  на  схеме  Рунге  –  Кутта  использовалось,  чтобы  решиться  уравнения  движения  частиц  в  ЛЗУ.  Установлено,  что  рециркуляция  части  запыленного  потока  через  улавливающие  карманы  значительно  повышает  эффективность  ЗЛУ.

По  прогнозам  министерства  природных  ресурсов  РФ  с  2030  г.  первенство  в  топливно-энергетическом  балансе  в  России  займут  уголь  и  атомная  энергетика,  что  потребует  конструктивного  и  технологического  совершенствования  золоочистного  оборудования.  Технические,  экономические  или  технологические  разработки,  направленные  на  повышение  эффективности  таких  золоуловителей  невозможны  без  изучения  гидродинамических  особенностей  процесса  осаждения  частиц  и  их  движения  в  несущем  газовом  потоке.  В  последнее  время  выполнено  много  экспериментальных  и  теоретических  исследований,  для  разработки  индустриальных  установок,  применяемых  для  очистки  запыленных  потоков  [3;  4].  Одной  из  возможных  конструкций  золоуловителей  является  лабиринтный  золоуловитель  (ЛЗУ)  с  улавливающими  карманами  [2],  обеспечивающими  повышение  улавливания  в  1.1-1.4  раза.  Цель  настоящего  исследования,  изучить  аэродинамику  запыленного  потока  через  улавливающие  карманы  и  определить  эффективность  в  зависимости  от  геометрии  каналов  ЛЗУ  для  разных  скоростей  потока. 

Модель  лабиринтного  золоуловителя  (рис.  1,  2)  высотой  40  мм  состояла  из  двух  извилистых  каналов  1,  образованных  пластинами  2  в  форме  полуокружностей.  Входные  3  и  выходные  4  щели  образовывались  с  помощью  перегородок  5.  Перегородки  5  представляли  собой  пластины,  один  конец  которых  загнут  с  радиусом  кривизны  r=10  мм.  Пластины  2  и  перегородки  5  закреплялись  между  двумя  пластинами  из  оргстекла.  Вдоль  канала  улавливающие  карманы  6  изолировались  перегородками  7  [2]. 

Для  рассматриваемых  несжимаемых  потоков  жидкости  в  декартовой  системе  координат  уравнения  Навье-Стокса  (неразрывности  и  движения)  газового  потока,  осредненные  по  Рейнольдсу  имеют  вид,  [5]:

,                       (1)

где  t-  время;  x_i-  декартова  координата  (i=1,  2,  3);  -  компонента  скорости  жидкости  в  направлении  x_i;  =-ρ_o  g_m  x_m,  где  -  статическое  давление;  ρ_o-  начальная  плотность;  g_m-  проекция  вектора  ускорения  свободного;  x_m-  координаты  точки,  в  которой  определена  плотность;    где  R  -универсальная  газовая  постоянная,  Т  -  температура.  Турбулентность  модели  RNG  k-e,  использованная  для  описания  турбулентного  течения  несущей  фазы  имеет  вид  [6]

                        (2)

          (3)

где  ,  σ  -  турбулентное  число  Прандтля;  C_e1,  C_e2,  C_e3  и  C_e4  -  коэффициенты,  значения  которых  приведены  в  ссылке  [6].

Движение  частиц,  взвешенных  в  турбулентном  потоке  газа,  описывается  в  одночастичном  приближении  в  рамках  стохастического  Лагранжевого  подхода  [1].

  ,                                                                                 (4)

где  значения  сил  ,  ,  и    которых  приведены  в  [1].

Три  разных  конструкции  ЛЗУ  изучены;  без  перегородок  (Рис.3)  и  с  перегородками  (закрытыми  щелями  (Рис.4)  и  открытыми  щелями  (Рис.5))  при  разных  входных  скоростях  (4  м/с,  6  м/с,  8  м/с,  и  10  м/с)  и  разных  высотах  ЛЗУ(40  мм,  60  мм,  80  мм,  100  мм).

Эффективность  улавливания  дисперсного  материала  в  эксперименте  определялась  весовым  методом  с  помощью  ситового  анализа:  ,  где  М_ул  -  масса  уловленных  частиц,  М₀  –  масса  подаваемых  на  входе  частиц.

Проведение  вычислительного  эксперимента  в  данной  работе  базировалось  на  использовании  метода  контрольных  объемов  и  SIMPLE  алгоритма  (CD-adapco\STAR-CD).  Система  автоматизированного  проектирования  (программа  SolidWorks  2011)  использовалась  для  построения  конфигураций  моделей. 

Уравнение  движения  частиц  (4)  в  газовом  потоке  решается  с  использованием  численной  схемы  Рунге  –  Кутта  2  -го  порядка  точности. 

Одним  из  важных  аспектов  численного  моделирования  является  сравнение  результатов  вычислений  с  данными  эксперимента.  На  рис.6.  приведены  численные  и  экспериментальные  значения  перепада  давления  между  выходными  и  входными  щелями  карманов.  Совпадение  полученных  экспериментальных  и  рассчитанных  значений  по  перепаду  давления.

Некоторые  результаты  расчетов  приведены  на  рис.7-12.  Подробные  рассчитанные  поля  скорости  (рис.  7-8)  служат  для  расчета  эффективности  ЛЗУ.  На  рис.9.  показано  траектория  частицы  в  ЛЗУ  с  закрытыми  щелями.  На  рис.10.  показано  циркуляцию  частицы  через  щели  ЛЗУ  с  открытыми  щелями 

В  рис.11  приведено  зависимости  эффективности  ЛЗУ  для  разных  входных  скоростей.  При  этом  получено,  что  эффективность  ЛЗУ  с  открытыми  щелями  больше  чем  эффективность  ЛЗУ  с  закрытыми  щелями  и  без  перегородок.  Отсюда  видно,  что  рециркуляция  части  потока  через  входные  и  выходные  щели,  образованные  перегородками  играют  существенную  роль  в  улавливании  частиц.  Эффективность  ЛЗУ  увеличивается  с  повышением  скорости,  т.к.  траектории  движения  частиц  смещаются  к  стенке  с  повышением  скорости,  что  способствует  их  лучшей  сепарации.  Влияние  высоты  карманов  на  эффективность  ЛЗУ  при  их  постоянной  ширине  приведены  на  рис.12.  Эффективность  улавливания  ЛЗУ  снижается  с  ростом  высоты  каналов. 

Таким  образом,  в  работе  изучено  экспериментально  и  теоретически  изучено  влияние  входной  скорости  и  высоты  ЛЗУ  на  аэродинамику  и  эффективность  улавливания  ЛЗУ.  Результаты,  приведенные  выше,  подтверждают,  что: 

1.  наличие  рециркуляционных  щелей  повышает  эффективность  ЛЗУ; 

2.  эффективность  ЛЗУ  снижается  с  увеличением  высоты  ЛЗУ  при  постоянной  ширине  карманов  ЛЗУ; 

3.  рециркуляция  части  запыленного  потока  через  улавливающие  карманы,  образованные  перегородками  значительно  повышает  эффективность  ЗЛУ.

Примененная  методика  исследования  процессов  улавливаний  частиц  в  ЛЗУ  показала  свою  работоспособность  и  может  быть  использована  для  аналогичных  конструкций  золоуловителей  после  соответствующего  выбора  модели  турбулентности,  связанной  с  особенностями  течения  запыленных  потоков  в  извилистых  каналах.

Список  литературы:

1.Вараксин  А.  Ю.  Турбулентные  течения  газа  с  твердыми  частицами:  М.:  ФИЗМАТЛИТ  -  ISBN  5-9221-0320-2.  -  2003.-  192  с.

2.Кисляк  С.М.  Разработка  уловителей  и  систем  возврата  уноса  в  котлах  с  низкотемпературным  кипящим  слоем:  Диссер.  Канд.  Тех.  Наук–  Барнаул.–  2004.

3.Темникова  Е.Ю.,  Исследование  эффективности  пылеулавливания  в  циклоне  с  рельефными  поверхностями:  Диссер.  Канд.  Тех.  Наук.  –  Кемерово.  –  2010.

4.Bhasker  C.  Flow  simulation  in  industrial  cyclone  separator  //  Advances  in  Engineering  Software.  –  2010.  –  Vol.  41-  220–228  с.

5.Warsi  Z.V.A.  Conservation  form  of  the  Navier-Stokes  equations  in  general  no  steady  coordinates  //AIAA  Journal.  –  1981.  –  Vol.19.  –  240-242  с.

6.Yakhot  V.,  Orszag  S.A.,  Thangam  S.,  Gatski  T.B.,  Speziale  Yakhot  C.G.  Development  of  turbulence  models  for  shear  flows  by  a  double  expansion  technique  //  Phys.  Fluids.  –  1992.  –  Vol.  7  –  1510–1520  с.