ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА ОТ ГЕОМЕТРИИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ
Аннотация
Для оценки эффективности работы прямоточного циклона найдены аналитические решения для тангенциальной, радиальной и продольной составляющих скорости газа в его разделительной камере. С учетом полученных решений рассмотрены траектории частиц пыли в камере, что позволило оценить время их пребывания в камере, а также время подлета частиц к внешней стенке разделительной камеры. Сравнение указанных времен дает возможность определить предельный размер частиц, которые в принципе могут быть уловлены данным циклоном. Кроме того, получено выражение для средней скорости частиц в радиальном направлении, которая является мерой интенсивности конвективного механизма переноса частиц твердой фазы. В результате решения нестационарного уравнения конвективной диффузии получен явный вид зависимости концентрации частиц в потоке газа от времени по мере их движения в камере. Следствием указанной зависимости является соотношение, позволяющее оценить влияние расхода газа, размера частиц пыли и основных геометрических параметров разделительной камеры на эффективность очистки запыленного газа. С целью проверки адекватности предложенной математической модели и полученных на ее основе решений проведены экспериментальные исследования на установке с конструкцией завихрителя прямоточного циклона, профиль лопастей которого обеспечивает безударный вход газовзвеси. Полученные результаты показали хорошую сходимость расчетных и экспериментальных значений степени очистки газовой фазы при различных режимах работы циклона и угла закрутки лопастей, а также геометрических параметров циклона. Результаты статьи позволяют построить методику расчета циклона на стадии проектирования, а также методику расчета оптимальной скорости запыленного газа на стадии эксплуатации.
Литература
Meshalkin V.P. Introduction to the engineering of energy-saving chemical-technological systems. M.: Russian Chemical Technical University named after DI. Mendeleev. 2020. 212 p. (in Russian).
Tannous K., De Mitri A. G., Mizonov V. Experimental study of fluid dynamic behavior of biomassparticles in fluidized beds: a review. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 9-10. P. 4-14. DOI: 10.6060/ivkkt.20186109-10.5895.
Gatumel С., Berthiaux H., Mizonov V. Industrial mixing of particulate solids: present practices and future evolution. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 12. P. 4-13. DOI: 10.6060/ivkkt.20186112.5896.
Aslamova V.S., Aslamov A.A., Lyapustin P.K., Musseva T.N., Bragin N.A. Group direct-flow cyclone for mineral wool production. Ekolog. Promyshl. Rossii. 2007. N 12. P. 6-7 (in Russian).
Jin R., Keshavarzian E., Dong K., Dong S., Wang B., Kwok K., Zhao M. Numerical study on the effect of the supersaturated vapor on the performance of a gas cyclone. Powder Technol. 2020. V. 366. P. 324-336. DOI: 10.1016/j.powtec.2019.09.096.
Aslamova V.S., Aslamov A.A., Lyapustin P.K., Museva T.N., Bragin N.A. Direct-flow cyclone for mineral wool production. Ekolog. Promyshl. Rossii. 2007. N 6. P. 26-27 (in Russian).
Huanga L., Denga S., Chenb Z., Guana J., Chena M. Numerical analysis of a novel gas-liquid pre-separation cyclone. Sep. Purif. Technol. 2018. V. 194. P. 470-479. DOI: 10.1016/j.seppur.2017.11.066.
Sijie D., Yunchao J., Jin R., Dong K., Wang B. Numerical study of vortex eccentricity in a gas cyclone. Appl. Mathem. Model. 2020. V. 80. P. 683-701. DOI: 10.1016/j.apm.2019.11.024.
Parvaz F., Seyyed H. H., Elsayed K., Ahmadi G. Influence of the dipleg shape on the performance of gas cy-clones. Sep. Purif. Technol. 2020. V. 233. P. 11600. DOI: 10.1016/j.seppur.2019.116000.
Ehteram M.A., Tabrizi H.B., Mesbah M., Ahmadi G., Mirsalim M.A. Experimental study on the effect of con-necting ducts on demisting cyclone efficiency. Exp. Therm. Fluid Sci. 2012. V. 39. P. 26–36. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2012.01.002.
Hreiz R., Gentric C., Midoux N., Lainé R., Fünfschilling D. Hydrodynamics and velocity measurements in gas–liquid swirling flows in cylindrical cyclones. Chem. Eng. Res. Des. 2014. V. 92. P. 2231–2246. DOI: 10.1016/j.cherd.2014.02.029.
Hreiz R., Gentric C., Midoux N. Numerical investigation of swirling flow in cylindrical cyclones. Chem. Eng. Res. Des. 2011. V. 89. P. 2521–2539. DOI: 10.1016/j.cherd.2011.05.001.
Winfield D., Cross M., Croft N., Paddison D., Craig I. Performance comparison of a single and triple tangential inlet gas separation cyclone: a CFD Study. Powder Tech-nol. 2013. V. 235. P. 520–531. DOI: 10.1016/j.powtec.2012.10.026
Elsayed K., Lacor C. The effect of cyclone inlet dimensions on the flow pattern and performance. Appl. Math. Model. 2011. V. 35. P. 1952–1968. DOI: 10.1016/j.apm.2010.11.007.
Kępa A. The efficiency improvement of a large-diameter cyclone – the CFD calculations. Sep. Purif. Technol. 2013. V. 18. P. 105–111. DOI: 10.1016/j.seppur.2013.06.040.
Bernardo S., Mori M., Peres A.P., Dionísio R.P. 3-D computational fluid dynamics for gas and gas-particle flows in a cyclone with different inlet section angles. Powder Technol. 2006. V. 162. P. 190–200. DOI: 10.1016/j.powtec. 2005.11.007.
Krawczyk J., Szatko W., Postnikova I., Blinichev V. Influence of the main factors on the efficiency of wet vortex dust collectors. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 6. P. 98-105. DOI: 10.6060/ivkkt.20196206.5927.
Safikhani H., Mehrabian P. Numerical study of flow field in new cyclone separators. Adv. Powder Technol. 2016. V. 27. P. 379–387. DOI: 10.1016/j.apt.2016.01.011.
Mazyan W.I., Ahmadi A., Ahmed H., Hoorfar M. Increasing efficiency of natural gas cyclones through addi-tion of tangential chambers. J. Aerosol Sci. 2017. V. 110. P. 36–42. DOI: 1016/j.jaerosci.2017.05.007
Morsi S.A., Alexander A.J. An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. J. Fluid Mech. 2006. V. 55. P. 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806.
Zhou W., Chenglin E., Fan Y., Wang K., Lu C. Experimental research on the separation characteristics of a gas-liquid cyclone separator in WGS. Powder Technol. 2020. P. 438-447. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.05.073.
Elsayed K., Parvaz F., Seyyed H.H., Ahmadi G. Influence of the dipleg and dustbin dimensions on perfor-mance of gas cyclones: An optimization study. Sep. Purif. Technol. 2020. V. 239. P. 116553. DOI: 10.1016/j.seppur.2020.116553.
Artamonov N.A., Meshalkin V.P., Myshlyavkin M.I., Tsakhalis T.D. Influence of the structure of gas flows on the kinetics of chemical reactions. Khim. Neft. Mashinostr. 1996. N 3. P. 63-65 (in Russian).
Artamonov N.A., Myshlyavkin M.I., Meshalkin V.P., Tsakhalis T.D. Analysis of the influence of the aerody-namics of gas jets on the technological characteristics of vortex devices. Khim. Neft. Mashinostr. 1996. N 4. P. 53-54 (in Russian). DOI: 10.1007/BF02412626.
Sun L., Song J., Wang D., Wang J., He J., Wei Y. An experimental investigation on gas flow field dynamic characteristics in a reverse cyclone. Chem. Eng. Res. Design. 2020. V. 160. P. 52-62. DOI: 10.1016/j.cherd.2020.05.010.
Cortes C., Gil A. Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators. Prog. Enegry Combust. Sci. 2007. V. 33. P. 409-452. DOI: 10.1016/j.pecs.2007.02.001.
Madhusudhan K., Narasimhan M.V., Ravikrishna R.V. A new cyclone separator-based prefilter design for internal combustion engine applications. Part 2: Parametric study and optimization. Pro-ceed. of the Institut. of Mech. Eng. Pt. C: J. of MES. 2006. V. 220. P. 1755-1764. DOI: 10.1243/0954406JMES171.
Toptalov V.S., Martculevich N.A., Flisiyk O.M. Dusty gas movement in separating chamber of direct-flow cy-clone. V-th international conference “Actual scientific & technical issues of chemical safety” ASTICS-2020. Ka-zan, Russia. October 6 – 8, 2020. Book of Abstracts. Р. 336-337.
Faulkner W., Shaw B. Efficiency and pressure drop of cyclones across a range of inlet velocities. Appl. Eng. Agric. 2006. V. 22. P. 155-161. DOI: 10.13031/2013.20191
Toptalov V.S., Flisiyk O.M., Muratov O.V. Blade profile of a direct-flow cyclone and its effect on the hydraulic resistance of the apparatus. Izv. SPbGTI(TU). 2020. N 54. P. 66-70 (in Russian). DOI: 10.36807/1998-9849-2020-54-80-66-70.
