Представлені результати аналітичного огляду наявних літературних даних по схемним рішенням інерційних сепараторів, проведено диференційований аналіз характеристик сепаруючих пристроїв різного типу запропоновані найбільш перспективні схемні рішення сепаруючих пристроїв стосовно сепарації високотемпературного багатофазного потоку.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Андрєєв Євген Олександрович, Бобров Олександр Миколайович, Максимов Станіслав Федорович


Prooblems of high-temperature multi-phase flow separation and schemes of separating devices

The article presents the results of a review of published data on the inertial separators schematics. The article also introduces a differential analysis for separating devices characteristics of different types. The authors offer the most promising schemes for separation of high-temperature multi-phase flow.


Область наук:

  • технології матеріалів

  • Рік видавництва: 2013


    Журнал

    Інженерний журнал: наука та інновації


    Наукова стаття на тему 'ПРОБЛЕМИ СЕПАРАЦІЇ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО многофазних потоків І СХЕМИ сепаруючий пристрій'

    Текст наукової роботи на тему «ПРОБЛЕМИ СЕПАРАЦІЇ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО многофазних потоків І СХЕМИ сепаруючий пристрій»

    ?УДК 624.245

    Проблеми сепарації високотемпературного багатофазного потоку і схеми сепаруючих пристроїв

    © Е.А. Андрєєв, О.М. Бобров, С.Ф. Максимов МГТУ ім. Н.е. Баумана, Москва, 105005, Росія

    Представлені результати аналітичного огляду наявних літературних даних по схемним рішенням інерційних сепараторів, проведено диференційований аналіз характеристик сепаруючих пристроїв різного типу запропоновані найбільш перспективні схемні рішення сепаруючих пристроїв стосовно сепарації високотемпературного багатофазного потоку.

    Ключові слова: установка бортова енергетична, турбіна, продукти згоряння, робоче тіло багатофазна, інерційні сепаруючі пристрої, схемні рішення, проблеми сепарації.

    Внаслідок загрози необоротних наслідків впливу господарської діяльності людини на навколишнє середовище завдання створення ефективних пилоуловлюючих (сепаруючих) пристроїв є актуальною для хімічної, нафтогазової, вугледобувної промисловості, важкої промисловості, транспорту, енергетики та інших галузей господарства. Розвиток ракетної техніки і авіації йде по шляху використання більш енергоємних палив, в тому числі металізованих. Наявність твердих частинок в продуктах згорання може призводити до ерозійного зношування елементів проточної частини енергосилових установок, зниження їх ефективності, ресурсу та надійності. Це зажадало створення високоефективних передтурбінних сепаруючих пристроїв.

    Аналіз літератури [1-14] показує, що до теперішнього часу створено безліч сепаруючих пристроїв, які за принципом дії можна умовно поділити на сухі механічні сепаратори і мокрі сепаратори. Застосування фільтрів і електрофільтрів для очищення високотемпературного двофазного потоку в енергосилових установках проблематично з наступних причин: відсутність жароміцних і жаростійких фільтруючих матеріалів; висока початкова концентрація частинок в продуктах згоряння метал-лосодержащіх палив, що обумовлює великі гідравлічні втрати або великі габарити фільтруючих елементів; необхідність дуже потужного джерела живлення у електрофільтрів, оскільки частинки немагнітних. Застосування процесу мокрого пиловловлювання при сепарації високотемпературного потоку вельми

    обмежено, так як подача води для уловлювання частинок веде до зниження температури робочого тіла і ефективності енергосилових установки.

    Найбільшого поширення в техніці отримали сухі механічні (або інерційні) сепаратори. Принцип їх дії заснований на тому, що при зміні напрямку руху двофазного потоку частинки, що володіють великою щільністю в порівнянні з щільністю газу, під дією інерційної сили прагнуть зберегти свій первісний напрямок руху і, таким чином, можуть бути виділені з потоку. Саме на базі таких пристроїв ведеться розробка сепаруючих пристроїв енергосилових установок.

    Інерційні сепаруючі пристрої. Сухі інерційні сепаратори можна поділити на статичні (рис. 1) і динамічні.

    газ + частинки газ

    i частки

    Мал. 1. Схеми статичних інерційних сепаруючих пристроїв (а-е)

    Серед статичних сепараторів, в свою чергу, можна виділити кілька груп пристроїв.

    До першої групи належать струменеві інерційні сепаратори (рис. 1, а). У них газовий потік змінює напрямок руху на 160 ... 180 °. При цьому частинки, продовжуючи своє прямолінійний рух, уловлюються в бункері. Такі сепаратори доцільно застосовувати для уловлювання великих частинок розміром понад 70 ... 80 мкм [2]. Перевагами сепараторів такого типу є стійкість до ерозії, малий гідравлічний опір, а також

    простота конструкції, недоліком - низька ефективність сепарації частинок розміром менше 70 мкм.

    До другої групи належать жалюзійні сепаратори (рис. 1, б). В основу їх роботи покладено принцип раптового зміни напрямку газового потоку при зіткненні з гратами, що складається з похилих пластин. Очищений газ проходить через жалюзі, а решті газовий потік з уловлену частинками скидається з установки. За даними [3, 4], при розмірах частинок більше 30 мкм коефіцієнт сепарації жалюзійних решіток досягає 0,93 ... 0,97, а коефіцієнт гідравлічного опору 3 ... 9. Сепаратори цього типу, як і попереднього, застосовуються в основному для попередньої очистки від найбільш великих часток. До недоліків жалюзійних сепараторів можна віднести ймовірність забивання щілин при роботі на сільносліпающіхся пилях і ерозійне зношування жалюзі.

    До третьої групи відносяться конфузорно інерційні сепаратори (які також називають балістичними). Сепарація в них обумовлена ​​відхиленням твердих частинок від напрямку потоку газу при його русі в конфузорно-дифузорному каналі. Конфузор-ні сепаратори розрізняють по виду сепарує елемента: прямий конус з периферійних відведенням відсепарованих частинок (рис. 1, в) і зворотний конус з центральним відведенням (рис. 1, г). У сепараторі з конічним сепарується елементом двофазний потік прискорюється в розгінному соплі і подається на сепаруючий конус, на якому при розвороті газу осідають частинки. Отсепарирован частки утворюють на поверхні конуса шар, який за інерцією, а також під дією аеродинамічних сил переміщається на периферію, де за допомогою відбійного кільця розділяється на чистий газ і отсе-парирував фазу. Сепаратори цього типу компактні і при розмірах частинок більше 60 мкм забезпечують коефіцієнт сепарації 0,95 ... 0,98. Коефіцієнт гідравлічного опору відносно малий і становить 3 ... 6 [5]. Недолік сепараторів цього типу - ерозійне зношування гострих кромок (вершина конуса, відбійне кільце), що приводить до зниження ефективності сепарації. Цим недоліком не володіє сепаратор зі зворотним конусом, який має центральний відведення. Двофазна суміш прискорюється в розгінному соплі, після цього газ відхиляється до периферії, а частинки, зберігаючи напрямок до осі каналу, отримане в розгінному соплі, уловлюються зворотним конусом. Інерційні сепаратори такої конструкції, згідно [3], мають коефіцієнт сепарації 0,80 ... 0,87 при розмірі частинок до 80 мкм, що робить доцільним їх застосування на попередньої щаблі сепарації.

    До четвертої групи належать циклонні сепаратори, що володіють перевагами, зазначеними в [1]: відсутністю рухомих

    частин; здатністю вловлювати частинки розміром до 5 мкм; надійним функціонуванням при високих температурах і тисках газу; ерозійної стійкістю; незмінністю гідравлічного опору в процесі роботи; ефективністю очищення при високій концентація частинок.

    За аеродинамічною схемою потоку в пиловловлювачі циклонні сепаратори діляться на зворотно-потокові (рис. 1, д) і прямоточні. Видалення пилу з газів в зворотно-потоковому циклонні пиловловлювачі протікає в дві стадії. На першій стадії частинки переносяться в зону осадження під дією відцентрової сили. Друга стадія - відділення частинок - починається, коли концентрація частинок перевищить ту, яку в змозі переносити газовий потік. Згідно з експериментальними даними, максимальна ефективність зворотно-поточити циклонних сепараторів відповідає швидкостям входу потоку в діапазоні 12 ... 25 м / с і досягає значень Кс = 0,98 [1-3, 6-10]. Осьова швидкість потоку після розвороту в бік вихлопної труби повинна бути досить малою, щоб не захоплювалися вже отсепарирован частки. Саме малі швидкості, що призводять до великих габаритах, і відносно велика гідравлічний опір (30 .. .150) роблять недоцільним застосування зворотно-потокових циклонних сепараторів в сучасних енергосилових установках.

    Процес сепарації в прямоточном Циклон сепараторі (рис. 1, е) відбувається аналогічно процесу в зворотно-потоковому з тією лише різницею, що отсепарирован частки і очищений газ рухаються «прямотоком», в одному напрямку, що істотно знижує гідравлічний опір і дозволяє організувати економічний відведення частинок невеликими витоками транспортує газу в тангенціальний канал. Дослідження прямоточних циклонних сепараторів [11-14] дозволяють зробити висновок про те, що прямоточний циклонний сепаратор, володіючи, в порівнянні зі зворотно-потоковим, такими важливими перевагами, як компактність, низький гідравлічний опір, можливість організації безперервного виносу відсепарованих частинок малими витоками транспортує газу , що роблять можливим застосування даного типу сепаратора як елемента енергосилових установки, має один істотний недолік - відносно невисокий коефіцієнт сепарації, як правило, не перевищує 0,80 ... 0,85.

    У динамічних пиловідокремлювачі сепарація частинок відбувається при русі двофазного потоку в каналах ротора під дією відцентрових сил і коріолісових сил інерції (рис. 2). У напрямку руху газу в сепарується роторі конструкції динамічних сепараторів можна розділити на три групи.

    Мал. 2. Схеми динамічних інерційних сепаруючих пристроїв

    (А-в)

    Перша група - сепаратори з осьовим рухом газу (рис. 2, а). У них основний потік газу рухається уздовж осьових каналів ротора. Траєкторії часток пилу відхиляються в радіальному напрямку (під дією відцентрових сил) і в бік набігаючих лопаток ротора (під дією коріолісових сил інерції). Відокремлюються від газового потоку ті частинки, які виходять за радіальні межі ротора раніше, ніж потік винесе їх з каналів в осьовому напрямку.

    Другу групу складають сепаратори з відцентровим рухом газу (рис. 2, б). У них основний газовий потік і пил рухаються в радіальному напрямку від осі обертання ротора. В результаті дії відцентрових і коріолісових сил частинки пилу переміщаються до периферії ротора в напрямку до пилозбірнику. Очищений газовий потік виходить через спеціальний патрубок.

    У пилоуловлювачах з доцентрові рухом газу (третя група, рис. 2, в) газ всмоктується вентиляторним колесом в канали ротора і рухається від периферії до його осі, т. Е. В бік, протилежний напрямку відцентрових сил. Під дією сил інерції частинки пилу відкидаються в кожух апарату і спрямовуються в мішок. Такі сепаратори не отримали широкого распростра-

    нання, тому що в порівнянні з апаратами першої і другої груп їх привід вимагає великої витрати енергії.

    Переваги динамічних пиловловлювачів в порівнянні з іншими відцентровими апаратами полягають в компактності, щодо високої ефективності, малої металоємності. У той же час вони мають і цілий ряд недоліків: небезпека абразивного зношування лопаток; можливість утворення відкладень на лопатках і, як наслідок, дисбаланс ротора; низька ефективність при уловлюванні частинок пилу розміром менше 10 мкм; складність у виготовленні.

    Сепарація високотемпературних продуктів згоряння металізованих палив. На рис. 3 представлені схеми сепаруючих пристроїв, створених на кафедрі «Ракетні двигуни» МГТУ ім. Н.е. Баумана для роботи в складі енергосилових установок на твердих металізованих паливах; досягнутий коефіцієнт сепарації 0,8 ... 0,9. В основу покладені відомі схеми сепаруючих пристроїв, перетворені для нових умов роботи.

    Мал. 3. Схеми інерційних сепаруючих пристроїв продуктів згоряння металізованих палив (а-г)

    До сепарується пристроїв, призначених для роботи на металізованих паливах (див. Рис. 3), пред'являється ряд специфічних вимог: уловлювання частинок конденсованої фази на основі магнію і алюмінію, що мають високу хімічну і ерозійну активність; тиск 6,5 ... 12,0 МПа; температура 530 ... 2400 ^ вихідні масові концентрації частинок конденсованої фази 0,25 ... 0,60.

    Для енергосилових установок, де на турбіну, яка і підлягає очищенню від частинок конденсованої фази, відбирається лише 10 ... 15% робочого тіла, був розроблений передтурбінних сепаратор часткового відбору (рис. 3, а). Сепарація частинок відбувається в результаті розвороту потоку на 180 ° при затікання його в циліндричний насадок, розташований на осі потоку. Перевагами цього сепаратора є його простота і відсутність проблем з транспортуванням відсепарованих частинок, оскільки вони потрапляють в основний потік і виносяться разом з ним. До недоліків слід віднести ерозійне зношування вхідного ділянки заборника.

    Для роботи з продуктами згоряння, що містять оксид магнію, створений конічний сепаратор з динамічним відведенням (рис. 3, б). Обертання конуса перешкоджає виникненню місцевого ерозійного зношування, що веде до несиметричного обтікання, а лопатки, розташовані на периферії конуса, обертаючись, перешкоджають зашлаковке забірної щілини. Крім того, вони підкручують отсепарі-рова частки з несучим їх газом, що дозволяє організувати тангенціальне відводить пристрій, більш економічне з точки зору витоків транспортує газу, ніж щілинне. Експериментальні дослідження такого сепаратора показали високий коефіцієнт сепарації (0,90 ... 0,93) при витоках транспортує газу 5 ... 7%. До недоліків сепаратора можна віднести складність конструкції в порівнянні зі статичними сепараторами і необхідність відбору потужності на привід сепаратора.

    Великий інтерес представляють експериментальні дослідження відцентрово-жалюзійного сепаратора (рис. 3, в), що є в даний момент одним з найбільш ефективних інерційних сепараторів металовмісних палив. Таке комбіноване пристрій, що поєднує в собі прямоточний циклон з жалюзійним уловлювачем, по суті, є двоступінчастим сепаратором, щаблі якого мають один загальний відведення. Отримані дані при тиску 4,0 ... 5,0 МПа і температурі 700 K показують змогу значно зменшувати сепарації (при витоках 15% Кс = = 0,88 ... 0,94). До недоліків відцентрово-жалюзійного сепаратора слід віднести відносно високу гідравлічний опір, схильність до зашлаковке лопаточного закручівателя і жалю-

    зійной решітки, а також проблеми в забезпеченні ерозійної стійкості конструкції при температурі вище 1000 К.

    Серед циклонних сепараторів одним з найбільш перспективних є прямоточний циклон, що володіє простою конструкцією, низьким гідравлічним опором, можливістю організації економічного (з точки зору витоків транспортує газу) тангенціального відвідного пристрою. Один із шляхів підвищення ефективності таких пристроїв - збільшення відносної довжини камери закрутки [11]. При цьому, однак, збільшуються габарити сепаратора, а коефіцієнт сепарації зростає лише до певного моменту. Інший шлях підвищення ефективності, запропонований в МГТУ ім. Н.е. Баумана, полягає в застосуванні конфузорно камер закрутки. У конфузорно циклонних камерах збільшення швидкості газу-носія при звуженні каналу компенсує втрати тертя і призводить до поліпшення роботи відвідного пристрою. По суті, такий циклонний сепаратор (рис. 3, г) являє собою комбінацію класичного прямоточного циклону і балістичного пиловловлювача.

    З проведеного аналізу схем сепараторів на продуктах згоряння металізованих палив слід зробити висновок: створені і випробувані інерційні сепаратори дозволяють отримувати високі коефіцієнти сепарації (0,9 і вище), проте їх робота не відрізняється надійністю (зашлаковка і ерозійне зношування проточної частини) і економічністю (для конічного сепаратора - великі витоку, для відцентрово-жалюзійного - велике гідравлічний опір і т. д.). При подальшому вдосконаленні сепараторів, що працюють у складі сучасних енергосилових установок, необхідно йти по шляху подолання цих недоліків, спираючись на накопичений досвід.

    ЛІТЕРАТУРА

    [1] Ужов В.Н., ред., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.І. та ін. Очищення промислових газів від пилу. Москва, Хімія, 1981, 392 с.

    [2] Страус В. Промислова очистка газів. Москва, Хімія, 1981, 616 с.

    [3] Степанов Г.Ю., Зіцер І.М. Інерційні очищувачі повітря. Москва, Машинобудування, 1981, 616 с.

    [4] Фукс Н.А. Успіхи механіки аерозолів. Москва, АН СРСР, 1961, с. 39-65.

    [5] Циклаурі Г.В., Данілін В.С., Селезньов А.І. Адіабатні двофазні течії. Москва, Атомиздат, 1973, 448 с.

    [6] Разумов І.М., Сичова А.М. Циклонні сепаратори, конструкції і методи їх розрахунку. Москва, Машгиз, 1961, 71 с.

    [7] Пірумов А.І. Аеродинамічні основи інерційної сепарації. Фабрикант Н.Я., ред. Москва, Госстройіздат, 1961, 215 с.

    [8] Пірумов А.І. Обезпилювання повітря. Москва, Стройиздат, 1981, 296 с.

    [9] Русанов А.А. Очищення димових газів в промисловій енергетиці. Москва, Енергія, 1969, 254 с.

    [10] Біргер М.І. Довідник по пило-та золоулавліванія. Русанов А.А., ред. Москва, Вища школа, 1983, 312 с.

    [11] Маслов В.Є. Дослідження механізму сепарації твердих суспендованих частинок з ізотермічного циклонного потоку на плівку в'язкої рідини. Дисс. ... канд. техн. наук. Москва, 1959. 212 с.

    [12] Іванов Є.М. Дослідження руху і сепарація твердих частинок в циклонних топкових камерах і скрубберах золоуловителей. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Алма-Ата, 1976, 19 с.

    [13] Маслов В.Є. Пилеконцентратори в топкової техніці. Москва, Енергія, 1977, 207 с.

    [14] Дослідження в стендових умовах золоуловітеля з прямоструминними горизонтальними циклонними елементами. Звіт по НДР. ЦКТИ, Кир-пічев Е.Ф., рук., Інв. № 068201. Ленінград, 1963, 214 с.

    Стаття надійшла до редакції 15.07.2013

    Посилання на цю статтю просимо оформляти наступним чином:

    Андрєєв О.А., Бобров О.М., Максимов С.Ф .. Проблеми сепарації високотемпературного багатофазного потоку і схеми сепаруючих пристроїв. Інженерний журнал: наука та інновації, 2013, вип. 4.

    URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/702.html

    Андрєєв Євген Олександрович народився в 1961 р .; закінчив МВТУ ім. Н.е. Баумана в 1984 р .; канд. техн. наук, доцент кафедри «Ракетні двигуни» МГТУ ім. Н.е. Баумана; область наукових інтересів - робочі процеси в ракетних двигунах. е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Бобров Олександр Миколайович народився в 1961 р .; закінчив МВТУ ім. Н.е. Баумана в 1984 р .; канд. техн. наук, доцент кафедри «Ракетні двигуни» МГТУ ім. Н.е. Баумана; область наукових інтересів - робочі процеси в ракетних двигунах. е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Максимов Станіслав Федорович народився в 1941 р .; канд. техн. наук, доцент кафедри «Ракетні двигуни» МГТУ ім. Н.е. Баумана; область наукових інтересів - дослідження турбонасосних агрегатів ракетних двигунів. е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: ВСТАНОВЛЕННЯ БОРТОВА ЕНЕРГЕТИЧНА /ТУРБИНА /ПРОДУКТИ ЗГОРЯННЯ /РОБОЧЕ ТІЛО багатофазна /Інерційні сепаруючий пристрій /СХЕМНІ РІШЕННЯ /ПРОБЛЕМИ СЕПАРАЦІЇ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити