AERODYNAMIC DRAG OF THE SCREW CHANNEL IN THE CYCLONE-SEPARATOR
Authors:
1.
Polzunov Altai State Technical University
2.
Polzunov Altai State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 102
to 107
Status:
Published
Received:
23.10.2017
Accepted:
23.10.2017
Published:
23.10.2017
Subject area:
UDK 621.928.93
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Aero-screw cyclone, centrifugal cleaning, aerodynamic drag, aero-dispersed flow, screw channel
Abstract (English):
A large number of dust collectors differing in their design (geometric) parameters are currently used for purifying process air from dust. Centrifugal dust collectors - cyclones, such as U-38, UCM-38, 4BTSH, OTI, CN, etc., have been widely used for air dedusting in pneumatic transport systems and aspiration systems at grain processing enterprises and at the enterprises of food industry and agriculture. The efficiency of gas purification achievable in these apparatuses is often insignificant in practice. Therefore, a lot of centrifugal gas purification apparatuses are mainly used as the first stage before using more efficient dust and ash collectors. The aero- screw cyclone - separator, whose construction is protected by the patents (1, 2) and based on the screw insert placed between a conic shell and a cylindrical exhaust pipe, enables to achieve the purification degree of process air up to 99.9% on the grain processing products. High efficiency of the aero-screw cyclone is caused by the creation of the swirled helical aero-dispersed flow inside the apparatus with an increasing centrifugal effect due to the variable geometry of the flow-restricting walls. To introduce the aero-screw cyclone at grain processing enterprises, coal industry, power engineering, etc., it is necessary to provide acceptable energy indices during the operation of the given apparatus. The main element which determines the aerodynamic drag of the entire cyclone design is a screw channel. A model is proposed for calculating the aerodynamic drag of the screw channel in the aero-screw cyclone; the influence of the geometric cyclone parameters and of the kinematic and dynamic characteristics of the air flow is analyzed.
A large number of dust collectors differing in their design (geometric) parameters are currently used for purifying process air from dust. Centrifugal dust collectors - cyclones, such as U-38, UCM-38, 4BTSH, OTI, CN, etc., have been widely used for air dedusting in pneumatic transport systems and aspiration systems at grain processing enterprises and at the enterprises of food industry and agriculture. The efficiency of gas purification achievable in these apparatuses is often insignificant in practice. Therefore, a lot of centrifugal gas purification apparatuses are mainly used as the first stage before using more efficient dust and ash collectors. The aero- screw cyclone - separator, whose construction is protected by the patents (1, 2) and based on the screw insert placed between a conic shell and a cylindrical exhaust pipe, enables to achieve the purification degree of process air up to 99.9% on the grain processing products. High efficiency of the aero-screw cyclone is caused by the creation of the swirled helical aero-dispersed flow inside the apparatus with an increasing centrifugal effect due to the variable geometry of the flow-restricting walls. To introduce the aero-screw cyclone at grain processing enterprises, coal industry, power engineering, etc., it is necessary to provide acceptable energy indices during the operation of the given apparatus. The main element which determines the aerodynamic drag of the entire cyclone design is a screw channel. A model is proposed for calculating the aerodynamic drag of the screw channel in the aero-screw cyclone; the influence of the geometric cyclone parameters and of the kinematic and dynamic characteristics of the air flow is analyzed.
Keywords:
Aero-screw cyclone, centrifugal cleaning, aerodynamic drag, aero-dispersed flow, screw channel
Aero-screw cyclone, centrifugal cleaning, aerodynamic drag, aero-dispersed flow, screw channel
Обеспыливание воздуха в системах пневмо- транспорта и аспирации зерноперерабатывающих предприятий, предприятий пищевой промышлен- ности и сельского хозяйства является важной зада- чей. Для решения этой задачи широкое распростра- нение получили аппараты, использующие центро- бежный способ пылеочистки, - циклоны. Анализ используемых в отечественной и зарубежной про- мышленности циклонов был проведен, например, в работах [3, 4]. Практически в каждой модели цент- робежных циклонов присутствуют два элемента - цилиндрическая часть, где формируется поток, со- держащий удаляемые частицы твердого материала, и происходит его закрутка, и коническая часть, где происходит формирование двух антинаправленных потоков и отделение твердых частиц из потока. Широкое распространение циклонных пылеуло- вителей на производстве обусловлено следующими достоинствами перед другими аппаратами анало- гичного назначения [3, 5]: простота конструкции и сравнительно не- большая стоимость; возможность функционирования в условиях высоких температур и давлений без каких-либо принципиальных изменений в конструкциях; возможность улавливания и классификации абразивных включений при защите внутренних по- верхностей циклонов специальными покрытиями; высокая производительность и сохранение требуемого уровня фракционной эффективности очистки с ростом массовой концентрации твердой фазы; возможность сухого осаждения продукта. Объекты и методы исследования В любом случае объединяющим фактором для всех моделей циклонов является принцип центро- бежного отделения твердых частиц из переносимо- го их потока. Соответственно, чем лучше реализу- ется этот принцип в конструкции циклона, тем вы- ше его эффективность. Во многих работах [5-7] указывается, что эффективность отделения твердых частиц зависит как от физических свойств частиц, например, плотности, формы поверхности, дис- персного состава, так и от геометрических разме- ров и формы циклонов, а также от скорости движе- ния запыленного потока. Эффективность центро- бежных циклонов напрямую связана с критерием Фруда, который определяется как отношение силы инерции к силе тяжести частицы по формуле 2 Fr , (1) g R где - тангенциальная составляющая скорости дисперсной частицы; g - ускорение свободного падения; R - радиус окружности, по которой в дан- ный момент перемещается частица. Если ориентироваться только на величину крите- рия Фруда, то большего эффекта отделения частиц можно добиться, увеличивая скорость твердых частиц, а значит и скорость дисперсного потока, и, уменьшая радиус R, т.е. габариты циклонного аппа- рата. Однако, некоторые данные говорят о том, что уменьшение габаритных размеров циклонов не все- гда приводит к повышению их эффективности, а увеличение входной скорости выше оптимальной наоборот снижает эффективность циклонов. На практике же эффективность очистки газов, дости- жимая в центробежных аппаратах, оказывается не- достаточной. Особенно низкую эффективность цент- робежные циклоны проявляют на твердых частицах диаметром менее 10 мкм. Объясняется это следую- щими причинами. По мере движения воздушного потока вместе с частицами внутри циклонного аппа- рата происходит изменение всех трех составляющих вектора скорости - тангенциальной , радиаль- ной r и осевой z. Например, в работе [7] представ- лены профили составляющих скорости потока в циклоне, так называемые диаграммы Тер-Линдена. Можно отметить, что максимальное значение тангенциальной скорости достигается совсем не на стенках конической части циклона, а практиче- ски в ядре восходящего противотока. Увеличение тангенциальной скорости в 2-2,5 раза происхо- дит ближе к выпускному отверстию внизу конуса, но до этого момента частицы пыли уже должны быть вынесены на периферию. Профили радиаль- ной скорости наглядно показывают, что движение частиц пыли к стенкам циклона происходит очень медленно. Многочисленные исследования подтвер- ждают тот факт, что мелкодисперсная пыль вообще выносится через выхлопную трубу, практически не попадая в коническую часть циклона. Профили осевых скоростей фактически позволяют констати- ровать, что большая часть объема циклона занята восходящим вихревым противотоком, причем его осевая скорость значительно больше той скорости, с которой происходит транспорт частиц по стенкам конической части циклона. Стоит отметить, что в противоточных циклонах даже те частицы, которые были выделены из пото- ка к стенкам конической части, подвержены выно- су в выхлопную трубу. Здесь можно отметить два фактора. Первый фактор - вихревой шнур, форми- рующийся вдоль вертикальной оси циклона, может «гулять» или прецессировать относительно оси, а, значит, захватывать уже отсепарированные части- цы. Устойчивость этого вихревого шнура обуслов- лена многими факторами, в том числе геометрией циклона и кинематикой процесса, но такого рода прецессирование подтверждается многими иссле- дователями как экспериментально, так и при про- ведении численного гидродинамического модели- рования. Второй фактор, определяющий вынос частиц в выхлопную трубу, заключается в том, что крупные частицы могут зависать в потоке, не дойдя до вы- пускного отверстия. Такое происходит по причине увеличенной парусности крупных частиц и образо- вания агломератов. Например, в работе [8] выполнен обзор ряда исследований CFD-моделирования рабо- ты циклонов и рассмотрено влияние обратных внут- ренних (восходящих) потоков газа, которые снижа- ют степень сепарации пыли внутри циклонов. Для устранения недостатков, присущих класси- ческим центробежным циклонам, предлагается для очистки технологического воздуха использовать аэровинтовой циклон (рис. 1), конструкция которого защищена патентами [1, 2]. Основным элементом данного циклона является коническая винтовая вставка, позволяющая создавать ограниченное пространство в форме винтового канала с уменьша- ющейся площадью поперечного сечения. При этом выхлопная труба ограничивает взаимодействие ос- новного потока, содержащего частицы пыли, и про- тивотока - очищенного воздуха. Конструкция аэро- винтового циклона также позволяет использовать его в качестве классификатора, отделяя дисперсные частицы в соответствии с их аэродинамическими свойствами на различных высотных отметках. а) б) Рис. 1. Аэровинтовой циклон: а) конструкция аэровинтового циклона: 1 - выхлопная труба; 2 - входной патрубок; 3 - внешняя обечайка; 4 - винтовая вставка; 5 - пылесборник; б) принцип работы: 6 - вывод очищенного воздуха; 7 - вход запыленного воздуха; 8 - вывод крупной и тяжелой фракций; 9 - вывод мелкой и легкой фракций Движение дисперсного потока в аэровинтовом циклоне происходит за счет перепада давления Р, которое создает вентилятор. Создаваемый перепад давления Р расходуется на преодоление сил тре- ния со стороны стенок, ограничивающих движение дисперсного потока, на разгон потока в сужающем- ся канале, который формируется конической вин- товой вставкой, на вихреобразование в полости винтового канала, а также на ускорение потока при нестационарном движении. При моделировании движения частиц сыпучего материала в межвитконала могут приводить к «перестройки» структуры аэродисперсного потока, а это, в свою очередь, по- влияет на аэродинамическое сопротивление аппа- рата в целом. Рис. 2. Основные геометрические размеры аэровинтового циклона При определении параметров аэродисперсного потока вдоль винтового канала необходимо пред- варительно вычислить длину винтовой линии, вдоль которой движется аэропоток. Длина винто- вой линии будет определяться геометрическими параметрами аэровинтового циклона, основные геометрические размеры которого приведены на рис. 2. К ним относятся: Н - высота винтовой вставки, h - шаг винтовой вставки, d - диаметр вы- хлопной трубы, D1 - больший диаметр конической обечайки, D2 - меньший диаметр конической обе- чайки. Параметры H, D1 и D2 будут определять ко- нусность винтового канала, а шаг h - наклон вин- товой линии (длину линии). Угол (половина угла раствора конуса) определим по формуле arctg D1 D2 . (2) 2 H Будем считать, что винтовая линия соединяет две характерные точки винтового канала - точку входа в винтовой канал С1 (входное сечение перво- го витка) и точку выхода из канала С2 (выходное сечение последнего витка) (рис. 1, в). Эти две точки представляют собой пересечения средних линий, проведенных для входного и выходного сечений, и расположены на расстояниях R1 и R2 от осевой ли- нии циклона. При этом вом пространстве винтовой вставки необходимо знать информацию о параметрах несущей среды (воздуха) - скорости, плотности, давлении, темпе- R1 h 8 H D2 D D1 d , (3) 1 4 ратуре потока. При этом стоит понимать, что не- значительные изменения геометрии винтового ка- 2 H h R 2 8 H D D D1 d . (4) 2 1 4 Определяя длину винтовой линии, будем счи- тать, что она образована равномерным движением точки вдоль образующей кругового конуса с начальным радиусом R1, а сама образующая вращается равномерно вокруг оси конуса. Не расписывая подробно решение чисто геометрической задачи, представим лишь формулу для определения длины винтовой линии 1 2 2 1 S0 1 sin2 2 4 R S0 sin 2 R1 0 2 S2 d , (5) где 1 и 2 - углы, определяющие начальное и ко- нечное положения образующей конуса при поворо- те; S0 - шаг винтовой линии, Сделаем некоторые преобразования уравнений и (9). Возьмем от уравнений (8) и (9) логариф- мические дифференциалы, тогда получим S h . (6) d d dS 0 , (10) 0 cos S Наряду с уравнением, определяющим длину винтовой линии, необходимо иметь уравнение не- разрывности в такой форме, которая бы позволила установить связь между скоростью потока и пло- щадью поперечного сечения винтового канала. Рассмотрим адиабатическое течение газового потока в канале переменного сечения с учетом до- полнительного сопротивления движению со сторо- ны стенок, ограничивающих криволинейный вин- товой канал, и без учета влияния на движение пе- реносимых твердых частиц - такое допущение вполне разумно ввиду малости объемного содерdP dT d dS . (11) P T S Используем адиабатическую скорость звука a k P , (12) где k - постоянная адиабаты (для воздуха k = 1,4), или a k R T . (13) жания твердых частиц в потоке. В виду того, что описание движения газового потока в межвитковом пространстве винтовой вставки в трехмерной по- становке весьма сложно, будем рассматривать дви- В уравнении (7) преобразуем слагаемое 1 dP dx жение потока псевдоодномерным вдоль винтовой 1 dP 1 dP d d dP 1 , (14) линии. Площади входного и выходного сечений представим через эквивалентные диаметры, а изме- dx dx d d dx нение площади сечения винтового канала считаем где d d dS (из уравнения (10)); dP a 2 . известной функцией длины винтовой линии. Одномерное стационарное течение газового (воз- душного) потока по каналу с учетом сил трения опи- сывается уравнением Эйлера, например, как в [10] S d Используя число Маха M , (15) a d dx 1 dP dx 2 D 2 , (7) уравнение (7) принимает вид где - скорость воздуха; х - текущая координата; 1 M 2 dM 2 dS - плотность воздуха; Р - давление воздуха; - k M dx . (16) коэффициент трения (является функцией критерия Рейнольдса); D - эквивалентный диаметр канала. Уравнение движения (7) дополняется уравнением 1 k 1 M 2 M 2 D S 2 неразрывности S const , (8) Используя уравнения (11) и (16), получим изменение температуры где S - площадь поперечного сечения канала (пред- ставляет собой известную функцию координаты х). Состояние газа описывается уравнением МенdT T k 1 M 2 1 k 1 M 2 2 dM M (17) делеева-Клапейрона P R T , (9) или из условия адиабатичности движения выраже- ние для полной энтальпии где R - универсальная газовая постоянная; Т - тем- пература газа. T 1 k 1 M 2 const . (18) 2 Применяя уравнения (15), (16), (17) или (18), можно определять параметры воздушного потока вдоль винтового канала. В дальнейшем полученные результаты могут быть использованы для описания движения твердых частиц и их сепарации, напри- мер, как в работе [9]. Результаты и их обсуждение В качестве примера рассмотрим влияние гео- метрических параметров аэровинтового циклона на его аэродинамическое сопротивление. Исходные данные будут следующие: расход воздуха - Q = 516 м3/ч; площадь поперечного сечения на вхо- де в винтовой канал - 801910-6 м2; скорость возду- ха на входе в канал - 17,874 м/с; шаг винта - 0,09 м; число витков - 8; угол конусности изменяется в пределах от 3 до 7 с шагом в 1. Расчет проводил- ся при условии, что плотность воздуха постоянна. Скорость воздуха рассчитывалась из уравнения неразрывности с учетом изменения площади попе- речного сечения канала. Примем, что винтовой ка- нал работает как всасывающий воздуховод. На входе в канал статическое давление по модулю равно динамическому (по знаку статическое давле- ние отрицательно). Авторы вполне сознают, что сопротивление циклона складывается из многих факторов, но превалирующим аэродинамическим сопротивлением в конструкции аэровинтового цик- лона-сепаратора обладает именно конфузорный винтовой канал, образованный конической обечай- кой и винтовой вставкой (рис. 1). Результаты рас- чета сведены в табл. 1. Таблица 1 Сопротивление винтового канала в зависимости от угла конусности Угол конусности , Длина винтовой линии, м Площадь выходного сечения, 10-6 м2 Сопротивление винтового канала, Па 3 4,505 5186 252 4 4,174 4112 317 5 3,845 3055 444 6 3,517 1985 769 7 3,196 911 2412 Расчеты показывают, что, несмотря на умень- шение длины винтовой линии (конфузорного вин- тового канала) при увеличении угла конусности , происходит увеличение аэродинамического сопро- тивления винтового канала. Этому способствует значительное поджатие потока на выходе из винто- вого канала. Диаграммы на рис. 2 и 3 позволяют оценить влияние угла конусности на режим работы вин- тового канала. Как правило, вентиляторы, работа- ющие на предприятиях зернопереработки и пище- вой промышленности, обеспечивают перепад дав- лений 1500-2000 Па. На рис. 3 хорошо видно, что незначительное изменение геометрии аэровинтово- го циклона (=7) приводит к невозможности ис- пользования вентиляторов. Важно также понимать, что в аэровинтовом циклоне происходит увеличе- ние скорости потока при его движении с одновре- менным уменьшением радиуса кривизны винтовой линии. Такой подход способствует в значительной степени увеличению критерия Фруда (согласно (1)), а значит и эффективности циклона в плане пылеочистки. Вполне очевидно, что сопротивление циклона и его эффективность можно регулировать и изменением числа витков винтовой вставки. Это позволяет «встраивать» циклон в необходимые га- бариты. Скорость потока, м/с 150 5 100 4 50 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 Длина винтовой линии, м Рис. 3. Изменение скорости потока вдоль винтового канала в аэровинтовом циклоне: 1 - =3; 2 - =4; 3 - =5; 4 - =6; 5 - =7 Сопротивление канала, Па 2500 5 2000 1500 1000 4 500 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 Длина винтовой линии, м Рис. 4. Изменение аэродинамического сопротивления винтового канала в аэровинтовом циклоне: 1 - =3; 2 - =4; 3 - =5; 4 - =6; 5 - =7 Разработанная модель расчета аэродинамичес- кого сопротивления винтового канала аэровинтово- го циклона позволяет рационально подходить к определению его геометрических параметров и выбору режимов движения аэродисперсного пото- ка. Проведенные лабораторные испытания аэро- винтового циклона на продуктах зернопереработки (мука различных сортов) показали вполне удов- летворительную сходимость с результатами расче- тов аэродинамического сопротивления, а также подтвердили возможность использования винтовой вставки, формирующей конфузорный винтовой канал, для повышения эффективности пылеочист- ки. На лабораторных стендах эффективность пыле- очистки достигала 99,9 %. Дальнейшие исследова- ния направлены на формирование базового вариан- та аэровинтового циклона-сепаратора, обеспечива- ющего высокую эффективность пылеочистки, ком- пактные габариты и приемлемое аэродинамическое сопротивление. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №17-48220056
1. Patent 2442662 Rossiyskaya Federaciya, 2010122775/05. Aerovintovoy ciklon-separator / V.L. Zlochevskiy; zayavi- tel' i patentoobladatel' FGBOU VPO «Altayskiy gosudarstvennyy tehnicheskiy universitet im. I.I. Polzunova» (AltGTU); zayavl. 03.06.2010; opubl. 20.02.2012. - 7 s.
2. Patent 2511120 Rossiyskaya Federaciya, 2012140588/03. Sposob pnevmofrakcionirovaniya dispersnyh materialov i ochistki tehnologicheskogo vozduha / V.L. Zlochevskiy; zayavitel' i patentoobladatel' V.L. Zlochevskiy; zayavl.21.09.2012; opubl. 06.02.2014. - 9 s.
3. Misyulya, D.I. Sravnitel'nyy analiz tehnicheskih harakteristik ciklonnyh pyleuloviteley / D.I. Misyulya, V.V. Kuz'min, V.A. Markov // Trudy BGTU. - 2012. - № 3: Himiya i tehnologiya neorgan. v-v. - S. 154-163.
4. Hoffman, A.C. Gas Cyclones and Swirl Tubes. Principles, Design, and Operation / A.C. Hoffman, L.E. Stein // Second edition. - 2007. - R. 448.
5. Spravochnik po pyle- i zoloulavlivaniyu / M.I. Birger, A.Yu. Val'dberg, B.I. Myagkov [i dr.]; Pod obsch. red. A.A. Rusanova. - 2-e izd., pererab. i dop. - M., 1983. - 312 s.
6. Malis, A.Ya. Pnevmaticheskiy transport dlya sypuchih materialov / A.Ya. Malis, M.G. Kastornyh. - M., 1985. - 344 s.
7. Shtokman, E.A. Ventilyaciya, kondicionirovanie i ochistka vozduha na predpriyatiyah pischevoy promyshlennosti / E.A. Shtokman. - M., 2001. - 564 s.
8. Gil, A. Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators / A. Gil, C. Cortes // Progress in energy and combustion science. - 2007. - Vol. 33. - № 5. - P. 409-452.
9. Zlochevskiy, V.L. Analiz formirovaniya aeropotoka v ciklone / V.L. Zlochevskiy, K.A. Muhopad // Yuzhno-Sibirskiy nauchnyy vestnik. - 2015. - № 4. - S. 5-13.
10. Loycyanskiy, L.G. Mehanika zhidkosti i gaza. - 7-e izd., ispr. - M., 2003. - 840 s.
