Полная версия

Главная arrow Строительство arrow ВЕНТИЛЯЦИЯ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Расчет пылеуловителей

Основой для расчета пылеуловителей являются физико-химические свойства и начальная концентрация пыли, расход очищаемого воздуха. Заданными параметрами при расчете пылеуловителей могут быть коэффициент очистки или концентрации пыли на выходе из аппарата. Результатом расчета обычно являются геометрические размеры аппарата, его аэродинамическое сопротивление, эффективность очистки.

Работу пылеочистителя характеризуют следующие показатели.

Коэффициент очистки tj, « т*е* отношение массы уловленной пыли дМ к массе пыли, поступающей в пылеотделитель М# ,кг;

где М - масса пыли, выходящей из пылеотделителя, кг.

Если количество воздуха, входящего L0 и выходящего L из пылераспределителя равны, то коэффициент очистки согласно (4.21) можно выразить через концентрацию пыли на входе св,кг/м^ и на выходе с , кг/м^, из аппарата:

В место коэффициента очистки ^ можно пользоваться коэффициентом проскока К п , равным

Промышленная пыль полидисперсна, а так как эффективность очистки для частиц пыли различных размеров неодинакова, то вводят понятие фракционного коэффициента очистки. Под фракционным коэффициентом очистки р понимают массовую долю данной фракции пыли, осаждаемую в пылеотделителе. Если известен фракционный состав пыли Ф< , 4^ , ... , и фракционные коэффициенты очистки » ••• » 4<рп пылеулавливающего аппарата, то

общий коэффициент очистки определяется из выражения

Соединяя последовательно несколько пылеуловителей и определяя их коэффициенты проскока из формулы (4,23)

можно вычислить общий коэффициент очистки

Скорость фильтрации хг^ , представляющая собой отношение производительности пылеуловителя по воздуху L , м^/с или м?/ч, к площади фильтрующей поверхности , кг:

Аэродинамическое сопротивление пылеотделителя д р , Па»

определяется разностью давления на входе в аппарат и на выходе из него.

Оно может быть выражено через скорость фильтрации

через скорость v ,м/с, во входном патрубке БОС

или условную скорость O'уСЛ ,м/с,в сечении аппарата

В формулах (4.24) - (4.26) приняты следующие обозначения:

Е , к - константы зависящие от типа фильтрующего материала, например, для марли Е = 6-8 кг/(с.м^), и, = 1; Jex, ? коэффициент местного сопротивления, отнесенный к входной скорости 1гвх или условной скорости в сечении аппарата:

F - площадь сечения пылеуловителя, м^.

Пылеемкость фильтра - это количество пыли в г или кг, которое фильтр накапливает между очередными регенерациями фильтрующего материала или до увеличения аэродинамического сопротивления в 2-3 раза.

Стоимость очистки воздуха, отнесенная к 1000 м^/ч газа,включает в себя капитальные затраты на установку пылеотделителя и стоимость его эксплуатации.

Классификация пылеуловителей. Аппараты для очистки воздуха от пыли по своему назначению подразделяются на воздушные фильтры и пылеуловители. Первые служат для очистки воздуха, подаваемого в помещение, вторые - для санитарной очистки воздуха перед его выбросом в атмосферу.

Воздушные фильтры по эффективности очистки классифицируют [б] по классам (табл. 4.1).

Т аблица 4.1. Классификация воздушных фильтров

Класс

Эффективно улавливаемые пылевые

Нижние пределы

фильтров

частицы

эффективности по массе. %

I

Всех размеров

99

II

Более 1 мкм

85

III

От 10 до 50 мкм

60

По конструктивным особенностям воздушные фильтры бывают смоченные пористые (ячейковые и рулонные),сухие пористые (ячейковые, панельные и рулонные) и электрические (агрегатные и тум- бочные).

Пылеуловители согласно [5] делятся на две основные категории: аппараты без применения жидкости (сухие пылеуловители) и аппараты с применением жидкости (мокрые пылеуловители).

Сухле пылеуловители делятся на гравитационные, инерционные, фильтрационные и электрические.

Гравитационные пылеуловители представляют собой пылеосадочные камеры, в которых осаждение частиц происходит под действием силы тяжести. Существуют два типа таких камер: полые и полочные. Полки в камерах устанавливают с целью осаждения мелких частиц пыли.

В инерционных пылеуловителях выделение частиц из газового потока происходит под действием сил инерции, возникающих вследствие изменения направления или скорости движения газа. Они делятся на три подгруппы: жалюзийные (пластинчатые или конические), циклонные (возвратно-поточные, прямоточные и вихревые)дотационные.

Фильтрационные пылеуловители - это устройства, в которых выделение частиц пыли из газового потока происходит вследствие его прохода через слои пористого материала. Эта группа состоит из следующих подгрупп: тканевые фильтры (каркасные и рукавные), волокнистые (рукавные, панельные, ячейковые), зернистые (насыпные, жесткие), сетчатые (ячейковые, барабанные).

Электрофильтры действуют на основе сообщения частицам электрического заряда с последующим осаждением на осадительных электродах. Электрофильтры делятся на однозонные и двухзонные с осадительными электродами пластинчатыми и трубчатыми, подвижными и неподвижными.

Пылеулавливающие средства с применением жидкости можно объединить в три группы: инерционные, фильтрационные и электрические.

В группу инерционных мокрых пылеуловителей входят циклоны с водяной пленкой, скрубберы и ударные аппараты.

К циклонам с водяной пленкой относятся циклоны типа ЦВП, центробежные скрубберы, скоростные промыватели СИОТ. К подгруппе скрубберов следует отнести камеры с форсунками полые и заполненные слоями насадки из реек, дисков, колец. В эту подгруппу входят также скрубберы с трубой Вентури под названием турбулентных промывателей, коагуляционных мокрых пылеуловителей и эжекторных скрубберов. В подгруппу ударных инерционных мокрых аппаратов входят различного типа аппараты с импеллерами (направляющими лопастями) и самооборотом орошаемой воды: рото- клон Гипротяжмаша, пылеуловители типа ПМВК ВЦНИИОТ и ПВМ ЦНИИПпромзданий.

К группе мокрых фильтрационных аппаратов относятся различные пенные пылеуловители с переливной или провальной решеткой (ПГС и ПГМ ЛТИ). К этой же группе можно отнести барботажные пылеуловители без решетки и с подачей запыленного воздуха под утопленную в воде решетку.

Мокрые электрофильтры классифицируются так же, как и сухие, и отличаются от последних только применением воды в виде стекающей пленки на осадительных электродах.

Пылеуловители можно подразделять также в зависимости от эффективности их работы. По этому признаку согласно [ll] устанавливается пять классов пылеулавливающих аппаратов (табл. 4.2).

Таблица 4.2. Система классификации пылеуловителей

Класс пылеуловителей

Размеры эффективно улавливаемых частиц, мкм

Эффективноет классификаци _ДИС

ь по мае онной гр персноет

се пыли;%, при уппе пыли по и

I

11

111

IV

V

1

Более 0,3-05

-

-

99,9-80

80

11

2

-

-

Э9.9-82

92-95

-

111

4

-

99,9-99

99-80

-

-

IV

8

99,9

99,9-95

-

-

V

20

99

_

_

_

Степень очистки в пылеосадительных камерах в значительной мере определяется временем пребывания частицы пыли в аппарате. В наиболее неблагоприятных условиях находятся частицы под потолком камеры, которым для осаждения нужно пройти наибольший путь (рис. 4.3),

Выразим время пребывания частицы в камере через длину камеры I и горизонтальную составляющую скорости тг (среднюю скорость потока в камере):

С учетом (4.27), а также считая, что к^» к , эффективность очистки воздуха в пылеосадочной камере можно определить по формуле (4.15):

,3. Схема пылеосадочной камеры

Рис. 4,3. Схема пылеосадочной камеры

Решая обратную задачу, можно, используя зависимости (4.5) и (4.28), определить диаметр частиц размером равным или большим d , м, которые будут осаждаться в камере при заданном коэффициенте очистки:

или, заменяя скорость гг через расход воздуха L , м/с, и нормальную потоку площадь сечения камеры F = В К (В - ширина камеры, м), получаем:

Эффективность очистки зависит от равномерного распределения потока воздуха по всему сечению пылеосадительной камеры. Степень неравномерности потока по сечению пылеуловителя может быть оценена коэффициентом количества движения

где v , trcp- скорость воздуха в рассматриваемой точке и средняя по сечению камеры, м/с.

Поток будет считаться тем равномернее, чем ближе коэффициент Кк к единице. При К к = 3 степень очистки может снизится на 25%.

Аэродинамическое сопротивление пылеосадительных камер определяют, используя формулу (4.25):

где ре* , Рем® - потери давления на вход и выход воздуха, Па;

*•* ,tfe*ve~ скоР°сть воздуха во входном и выходном патрубках, м/с (см.рис. 4,3); J вх ?e%tJC - коэффициенты местных сопротивлений диффузора и конфузора камеры.

Исходя из конструктивных особенностей пылеосадительных камер, можно принять $вс * 0,15, = 0,1 и тогда зависимость

(4.30) записывается при условии = * так:

Расчет циклонов (рис. 4.4) сводится к выбору его типа, размера, степени очистки и аэродинамического сопротивления.

Методы расчета эффективности очистки воздуха в циклонах очень многочисленны и разнообразны. Наиболее достоверным на сегодня являются те методы, в основу которых положены экспериментальные данные по фракционной степени очистки [11, 2 0].

Общее аэродинамическое сопротивление циклонных пылеуловителей складывается из потерь давления на входе в циклону потерь кинетической энергии при вращательном движении воздуха в нисходящих и восходящих потоках, потерь на трение о стенки циклона и потерь давления при выходе воздуха из циклона. Теоретические расчеты сопротивления циклонов весьма сложны и поэтому практически сопротивление циклонов оценивается коэффициентами местного сопротивления ? формулы (4.25), (4.26)J , зависящими от диаметра циклона и критерия Рейнольдса.

Схема циклона

Рис. 4.4. Схема циклона: 1 - входной патрубок; 2 - выходной патрубок; 3 - цилиндрическая часть; 4 - конус ная часть

Пример расчета циклона НИИОГаза на основе фракционной эффективности дан в [20, 24].

При прохождении через пористые фильтры (рис. 4.5) пыль задерживается в них в результате действия ситового эффекта, сил инерции, касания, диффузии, гравитационных и электрических сил. Ситовой эффект - крайне редкое явление и наблюдается только тогда, когда размер осаждаемых частиц больше размера пор. Следовательно, суммарный коэффициент очистки отдельного фильтрующего слоя п х можно получить из выражения [20j

где Up = (1 - г )Д 1+ г ) - коэффициент эффективности осаждения частицы за счет касания; = St 5 /(St 5 + 1,54 St1 + 1,76)- коэффициент эффективности осаждения частицы за счет инерции;

- 2,1€*/|2(2 - tn Re )05Ре’]- коэффициент эффективности осаждения частицы за счет диффузии; ^е8Е| иг/(б иг}1Г0) - коэффициент осаждения частицы за счет электростатического механизма; ? - =

*= voc / * г “ коэффициент эффективности осаждения частицы за счет гравитационных сил; г “ t* / г0 - отношение размера частицы г к размеру твердого элемента фильтра г0 ; Ре = 2 г0 ъ г / X - критерий Пекле; Б - коэффициент диффузии, м^/с; Re 3 ir 2 r/^ - критерий Рейнольдса; Е0 - напряженность электрического поля у поверхности твердого элемента фильтра, В/м.

Математически процесс фильтрации может быть описан следующим дифференциальным уравнением, выражающим материальный баланс пыли при прохождении через единицу площади пористой перегородки толщиной dh :

где * , v ^ - скорость воздушного потока потока и фильтрации, м/с; п - число частиц пыли; F н - площадь фильтра, нормальная к направлению движения воздушного потока, кг; е пористость слоя материала фильтра; V - объем фильтрующего элемента, м^.

Физический смысл уравнения (4,31) состоит в том. что убыль частиц пыли в потоке воздуха, проходящего через фильтрующий слой, равна количеству частиц, уловленных всеми фильтрующими элементами этого слоя.

Разделяя в уравнении (4.31) переменные и интегрируя в пределах от rto (начальная концентрация) до и и от О до к , получаем

где Ч* 88 (1- ? ). FM И / с “ показатель структуры фильтрующего слоя, выражающий отношение твердой фракции фильтра к объему 'пор; h - толщина фильтрующего элемента, м.

По аналогии с массовой концентрацией [формула (4.23)J отношение п / п0 можно назвать коэффициентом проскока и тогда коэффициент очистки воздуха от пыли в фильтрующем элементе с учетом (4.32) выразится зависимостью

Пористые фильтры обычно многослойны. Если считать, что коэ<$>- фициенты проскока каждого слоя равны между собой, т.е. к||^|= К npi=

- Kfip*»- к np » то общий коэффициент очистки будет равен

где г - число слоев фильтра.

В пористых фильтрах режим движения воздуха, как правило, ламинарный. Поэтому аэродинамическое сопротивление пористого слоя можно определять по закону ПуазеДля [20J:

где = а1 к - суммарная длина пути, проходимого воздухом в порах, м (здесь а коэффициент, учитывающий извилистость пор); v *= V Ср / с - фактическая скорость воздуха в порах, м/с; t*9(=$Vcp - эквивалентный радиус поровых каналов, м (здесь d'-

коэффициент, зависящий от структуры фильтрующего слоя; для среды, состоящей из сферических частиц, S = 2 ? ^(1 -с )] ; гСр - средний радиус порового канала, м).

С учетом принятых значений зависимость (4.34) обретает вид:

где к0=8а / (?5) - коэффициент сопротивления пористой среды.

Зависимость (4.33) определяет качественную картину осажде ния мо нодис перс кого аэрозоля в однородных слоях фильтрующего материала . На практике фильтрация обычно сопровождается коагуляцией частиц и изменением эффективности осаждения и аэродинамического сопротивления. Пример расчета рукавного фильтра ФРУ и ФВК дан в [18, 24].

Проектирование мокрых пылеуловителей (рис. 4.6) можно вести на основе энергетического метода расчета. Суть этого метода состоит в том, что эффективность работы мокрых аппаратов определяется в первую очередь затратами энергии на процесс очистки воздуха от пыли. При этом должна быть учтена в пределах пылеуловителя как энергия, идущая на турбулизацию газожидкостного потока, так и энергия, израсходованная на подачу и диспергирование жидкости. В динамических газопромывателях необходимо также учитывать энергию вращения элементов конструкции.

Затраты энергии на мокрую очистку определенного объема воз- духа в единицу времени выражаются через параметр К , кДж/ЮООм , следующей формулой:

где др - аэродинамическое сопротивление аппарата, Па;т.-Ьж/Ь- удельный расход жидкости, м^/м^(здесь Ьж» L - объемные расходы жидкости и воздуха, м^/с); - давление распыляемой

жидкости, Па.

Схема мокрого пылеуловителя (полого форсуночного скруббера)

Рис. 4.6. Схема мокрого пылеуловителя (полого форсуночного скруббера):

1 - входной патрубок; 2 - выходной патрубок; 3 - подвод орошаемой жидкости; 4 - корпус

Слагаемые правой части равенства (4.35) не равнозначны и зависят от типа аппарата. Так, в скруббере Вентури решающая роль принадлежит аэродинамическому сопротивлению, а в эжокцион- ном аппарате - давлению распыла жидкости. Величина К9 учитывает способ подачи жидкости и ее свойства.

Зависимость между коэффициентом очистки 4 и затратами энергии выражается формулой

где В , ж - константы,определяемые дисперсным составом пыли [24, 18].

В [18, 24] дан пример расчета скруббера Вентури энергетическим методом*

Коэффициент очистки газа в электрофильтре можно определить теоретическим путем, если идеализировать процесс сепарации, считая, что пыль монодисперсна, концентрация ее в любом поперечном сечении фильтра одинакова, скорость газа и дрейфа постоянны. Для этих условий в случае трубчатого электрофильтра масса пыли d.Mr осевшей на осадительном электроде радиуса R и длиной t за время , равна

где 1Гд - скорость дрейфа, т.е. скорость заряженных частиц, направленная нормально осадительному электроду, м/с; с - концентрация пыли в электрофильтре, кг/м^.

В объеме электрофильтра содержится масса пыли М = JTRlt с, которая за время осаждения d

Приравняем правые части равенств (4,36) и (4.37) и, разделяя переменные, получим

Проинтегрировав выражение (4.38) в пределах от с0 до с и от 0 до X , а также выразив время через среднюю скорость газа в фильтре trr , т.е. т * I / vr , получим -In (с/с0) г = 2 тгд 1 / (v Г R ) ; откуда коэффициент очистки будет равен

Для пластинчатых электродов при замене R на К ( Н - расстояние между осадительным и коронирующим электродом) имеем

Расхождения между теоретически определенной величиной коэффициента очистки и ее практическим значением объясняются сложностью расчета скорсоти дрейфа. Скорость дрейфа можно определить, приравнивая друг другу силу сопротивления среды [формула Стокса (4.3)] и силу взаимодействия между электрическим полем и зарядом частицы Рк , Н , которая по закону Кулона равна

где <^м - максимальная величина заряда частицы, Кл ; Etfc , Е ^ — напряженность электрического поля в зонах осаждения и зарядки,

В/м; * - число элементарных зарядов, действующих на частицу;

в « 16*10^-® Кл - величина заряда электрона; ес “8,85*10^

Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; - показатель

диэлектрических свойств частицы (в среднем можно принять для диэлектриков J>а =1, для проводящих частиц J^g = 3),

Решая уравнения (4.3) и (4.39), находим скорость дрейфа:

Полагая, что J®§ = 2, Е = ^ э = ^ » скорость дрейфа для

крупных частиц d =2-50 мкм равна

На эффективность очистки воздуха в электрофильтрах, как и в пылеосадительных камерах, заметное влияние оказывает степень равномерности газового потока по сечению аппарата [см. формулу (4.29)J.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>