Исследование гидравлического сопротивления роторно-фильтрующего аппарата

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты экспериментов по определению гидравлического сопротивления пылеулавливающего роторно-фильтрующего аппарата с мокрым способом.

Предложена формула для определения коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от соотношения активной и пассивной поверхностей фильтрующего материала сетки на роторно-фильтрующем аппарате. На основе опытных данных общее потерянное давление на аппарате определено в зависимости от диаметра фильтрующей сетки.

ABSTRACT

In the article, the results of experiments to determine the hydraulic resistance of a dust-collecting rotor-filter apparatus with a wet method were presented.

A formula is proposed for determining the hydraulic resistance coefficient depending on the ratio of the active and passive surfaces of the filter material of the mesh on the rotor-filter apparatus. Based on the experimental data, the total lost pressure on the apparatus is determined depending on the diameter of the filter section.

Ключевые слова: активная и пассивная поверхность, ротор-фильтр, гидравлическое сопротивление, скорость потока, запыленный воздух, вторичный газ, коэффициент сопротивления, диффузор, конфузор, фильтрующая сетка.

Keywords: active and passive surface, rotor filter, hydraulic resistance, flow rate, dusty air, secondary gas, drag coefficient, diffuser, confuser, filter mesh.

Введение.

Выбор оптимальной нагрузки, созданной на рабочих органах аппарата, влияет на скорость запыленного воздуха, движущегося на пылеулавливающих аппаратах с мокрым способом, считается одной из основных характеристик.

Эта характеристика определяет гидравлическое сопротивление аппарата и допустимое количество рабочей жидкости, выходящей из него [1, 2, 3]. Кроме этого, повышение гидравлического сопротивления на рабочем органе аппарата влияет на улучшение эффективности улавливания, уменьшение производительности аппарата и затекаемости частиц пылей в трубах. В свою очередь, это приводит к увеличению расхода энергии.

Исследования были проведены с целью определения оптимальных значений этих факторов [6, 8, 9 и др.]. Однако полное решение для достижения максимальной эффективности очистки и производительности при минимальных значениях гидравлического сопротивления не было разработано.

Общее исследование проблем устройства с роторным фильтром для очистки газов от пыли и запыленного воздуха мокрым способом [10] проведено для определения влияния на гидравлическое сопротивление устройства, на эффективность и результативность очистки. На рисунке 1 дан обзор экспериментального устройства.

Рисунок 1. Общий вид экспериментального аппарата:

1 – корпус аппарата; 2 – диффузор; 3 – ротор-фильтр; 4 – конфузор; 5 – ванна для рабочей жидкости; 6 – отвод для шлама; 7 – штуцер для выхода жидкости; 8 – зонт; 9 – патрубок Прандтля; 10 – электромотор; 11 – насос; 12 – вентилятор; 13 – управляющий аппарат скорости электромотора; 14 – регулятор рабочей жидкости

Эксперименты проводились на приведенных ниже параметрах в пределах: диаметры отверстия фильтрующего материала покрытия на ротор d_ф= 2; 3; 4 мм; частота вращения ротора – 15; 25; 35 об/мин; скорость газа ʋ_г= 7,67÷34,4 м/с (указанный диапазон скоростей выбран вблизи с диапазоном скоростей, применяемых в промышленности). Эксперименты проводились на жидкой и газовой системах при температуре 20±2⁰С .

Объект и метод исследования.

Потеря давления наблюдается при перемещении запыленного воздуха на всех типах воздухоочистительных аппаратов. Это объясняется конструктивной структурой аппарата и количеством рабочих органов.

Разработанный аппарат состоит из диффузора (2), рабочих поверхностей (А и Б), фильтра (3), конфузора (4). Движущийся запыленный поток воздуха проходит через диффузор (2), поток, расширяясь на рабочих поверхностях (А и Б) фильтра, переходит на линейное движение. Прямолинейное движение потока осуществляется распределительным зонтом (8) и жидкостью, очищающейся в ванне (5). Очищенный воздух на поверхности фильтра (3) выходит через конфузор (4). Потеря давления происходит на трех рабочих органах аппарата.

Тогда общее гидравлическое сопротивление аппарата можно записать следующим образом [4]:

, Па                                                                 (1)

где ∆P_об – общее гидравлическое сопротивление аппарата, Па; P_диф –гидравлическое сопротивление в диффузоре аппарата, Па; P_конф –гидравлическое сопротивление в конфузоре аппарата, Па; P_рп – гидравлическое сопротивление в рабочих поверхностях аппарата, Па.

P_рп определяется по следующей формуле:

, Па                                                                             (2)

где P₁ – гидравлическое сопротивление в рабочем органе А, Па; P₂ – гидравлическое сопротивление в рабочем органе Б, Па. Эксперименты для определения общего гидравлического сопротивления роторно-фильтрующего аппарата проводились в неоросительном состоянии очистки.

Общее гидравлическое сопротивление не в оросительном состоянии ротор-фильтрующего аппарата определяется по формуле Дарси – Вейсбаха:

, Па                                                                     (3) 

где:  – плотность газа, кг/м³; – потерянная скорость газа в рабочих органах аппарата, – коэффициент общего сопротивления аппарата.

Определение и расчет коэффициентов сопротивления имеет сложную природу и требует различных отклонений, которые могут быть определены только путем экспериментов.

Коэффициент гидравлического сопротивления роторно-фильтрующего аппарата определяется вышеуказанными факторами и вычисляется по следующей формуле [4]:

                                                                (3)

где  – коэффициент сопротивления определяется приблизително по формуле И.Е. Идельчика и Флингера [7].

                                                   (4)

где  – коэффициент трения в диффузоре;  – степень расширения диффузора;  – угол расширения диффузора;  – коэффициент сопротивления конфузора, и это определяется по следующей формуле:

                                                                      (5)

где – коэффициент трения конфузора;  – угол сжатия конфузора;  – степень сжатия конфузора.

Коэффициенты сопротивления в диффузоре и конфузоре роторно-фильтрующего устройства были определены экспериментально в соответствии с приведенными выше формулами (4) и (5).

Значения коэффициентов гидравлического сопротивления приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения коэффициентов гидравлического сопротивления

Из значений, приведенных в таблице 1, видно, что коэффициенты местного сопротивления в диффузорах и конфузорах в незначительной степени влияют на движущийся воздушный поток. Одной из основных причин этого, можно сказать, является снижение силы трения за счет резкого расширения диффузора и резкого сужения конфузора. Тогда можно считать средним коэффициент локального сопротивления в диффузоре и конфузоре равным 0,5 с достаточной точностью.

 – коэффициент сопротивления рабочей поверхности, определение зависит от отношения между активными и пассивными поверхностями фильтрующего материала [5].

,                                                                           (5)

где  – поверхность фильтрующего материала аппарата без отверстий, – поверхность фильтрующего материала аппарата с отверстиями, – поправочный коэффицент, определяется экспериментально.

 значения были определены экспериментально в зависимости от отношения активной поверхности к пассивной поверхности (рис. 2).

Как показано на рисунке 2, увеличение активной поверхности приводит к уменьшению поправочного коэффициента (при значениях  показатель равен , при значениях  показатель равен , при значениях  показатель равен ).

Это связано с соотношением общего коэффициента сопротивления к активной поверхности (рис. 2).

Рисунок 2. График зависимости  от  

В этом случае формула (3) записывается в следующем виде

                                                                             (6)

Общий коэффициент гидравлического сопротивления для неорошаемого аппарата определяется по формуле (6).

Общий коэффициент сопротивления определялся как соотношение активной поверхности сетки к пассивной поверхности сетки фильтра (рис. 3).

Рисунок 3. График зависимости  от  

Как видно из рисунка 3, увеличение активной поверхности приводит к увеличению сопротивления устройства (при ; при  ; при  ).

Используя полученные экспериментальные данные, гидравлическое сопротивление неорошаемого аппарата можно определить по формуле (3). Небольшая частота вращения ротора не создает эффект вентиляции, однако вследствие этого создается небольшое гидравлическое сопротивление потока воздуха. Следовательно, влияние частоты вращения ротора не учитывается при расчете гидравлического сопротивления. Вместе с тем частота вращения ротора обеспечивает быстрое обновление рабочей поверхности и увеличение поверхности контакта.

Рисунок 4. График зависимости от  на сухом аппарате

1-  ; 2- ; 3- .

Данные, представленные на рисунке 4, показывают, что при небольших значениях скорости воздуха, передаваемой в устройство, расход невелик, а потеря давления в устройстве близка друг к другу. При увеличении скорости воздуха поток уплотняется, и вследствие этого увеличивается гидравлическое сопротивление.

Гидравлическое сопротивление при орошении определялось в диапазоне скоростей газа 7,67-34,4 м/с.

В роторном фильтрующем устройстве распыливаемая жидкость из отверстия щтуцера (7) через зонт (8) на активные и пассивные поверхности фильтра образует пленку на поверхности фильтра (3). Расстояние близости ротора-фильтра (3) и зонта (8) позволяет проходящему запыленному воздуху быть перпендикулярно направленым через пленки жидкости на активной и пассивной поверхностях. Пленка жидкости контактирует с запыленным воздухом, вследствие этого улавливаются частицы пыли. Рабочая жидкость, собранная в жидкостной ванне (5) под устройством, будет вымывать частицы пыли, удерживаемые в поверхностном слое роторного фильтра, и очищать фильтр до рабочего состояния.

Толщина слоя пленки зависит от количества подаваемой жидкости. Чем толще слой, тем выше эффективность очистки. Но при этом увеличивается гидравлическое сопротивление. Исследование слоя пленки представляет собой сложный процесс, который зависит от многих факторов. Поскольку исследование толщины пленки не было главной целью работы, то гидравлическое сопротивление устройства определялось количеством потребляемой жидкости (рис. 5, 6, 7). Эксперименты выявили высокие гидравлические нагрузки в аппарате в зависимости от максимальной работоспособности жидкости, подаваемой в аппарат.

Для экспериментов были выбраны щтуцеры с диаметром отверстия d_ш=1; 2; 3 мм, которые установлены для распыления жидкости фильтрующега ротора.

Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены в следующих графиках:

Рисунок 5. График зависимости  от  c орошением аппарата при диаметре штуцера d_ш=1мм-const

Рисунок 6. График зависимости  от  c орошением аппарата при диаметре штуцера d_ш=2 мм-const

Рисунок 7. График зависимости  от  c орошением аппарата при диаметре штуцера d_ш=3 мм-const

Среднеквадратическое отклонение полученных экспериментальных данных составляет 1. Отклонение по газу – 12,7%; 2. Отклонение по изменению давления – 10%.

Экспериментальные исследования (рис. 5, 6, 7) показывают, что гидравлическое сопротивление увеличивается с увеличением потока жидкости к роторно-фильтрующему аппарату. Это позволяет повысить эффективность очистки аппарата. По результатам экспериментальных исследований удалось определить основные рабочие параметры роторно-фильтрующего аппарата.

Список литературы:
1. Алиев Г.М. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
2. Andersen B.O., Nielsen N.F., Walthe J.H. Численное и экспериментальное исследование импульсно-струйной очистки в тканевых фильтрах: Дисс. канд. филос. наук. – Где издано, 2017. – 203 с.
3. Валдберг А.Ю., Николайкина Н.Е. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. – М.: Дрофа, 2008. – 239 с.
4. Исомидинов А.С., Мадалиев А.Н. Гидродинамика и аэродинамика ротор- фильтрного аппарата очищающего запыленных газов // Междунар. науч.-практ. конф. «Международный научный обзор проблем и перспектив современной науки и образования» (22-23 ноября 2018 г., Бостон, США). – Бостон, 2018. – 32 с.
5. Исомиддинов А.С., Каримов И.Т., Тожиев Р.Ж. Определение активной и пассивной поверхностей ротор-фильтрного аппарата для фильтрации запыленного воздуха // I Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы внедрения инновационной техники и технологий на предприятиях по производству строительных материалов, в химической промышленности и в смежных отраслях» (24-25 мая 2019 г., Фергана). – Фергана, 2019. – Т. 3. – С. 429-431.
6. Кабалдин Г.С. Модернизация распылительных и барабанных сушильных установок / Г.С. Кабалдин. – М.: Металлургия, 1991. – 205 с.
7. Латипов К.Ш. Гидравлики, гидромашины и гидроприводы. – Ташкент: Учитель, 1992. – С. 75-80.
8. Нечаева Е.С. Исследование основных характеристик роторного распылительного пылеуловителя: Дисс канд. техн. наук. – Кемерово, 2014. – 149 с.
9. Сорокопуд А.Ф. Совершенствование мокрого пылеулавливания в технологии сыпучих пищевых продуктов / А.Ф. Сорокопуд, М.И. Даниленко // Хранение и переработка сельхозсырья. – 1997. – № 4. – С. 3-8.
10. Тожиев Р.Ж., Каримов И.Т., Исомидинов А.С. Роторный мокрый пылеуловитель // ФерПИ: научно-технический журнал. – 2018. – Вып. 1. – С. 195-198.