МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕПАРАЦИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ЦИКЛОНАХ

Несмотря на активное развитие альтернативной энергетики на сегодняшний день всё ещё распространенно применение природного газа в качестве основного энергоносителя. Ввиду особенностей добычи и транспортировки газ запыляется. Для повышения долгосрочности и эффективности работы газосжигающего оборудования его необходимо сепарировать. Циклонные аппараты газоочисти являются наиболее распространёнными ввиду своей эффективности и простоты конструкций.

Работа циклонных пылеуловителей основывается на создании внутри конструкции турбулентного движения, вызывая центробежную силу, под действием которой частицы пыли отбрасываются из газового потока на стенки агрегата, стекая по ним в пылевой бункер. По характеру создания турбулентности циклоны можно классифицировать на три подгруппы:

А) противоточные;

Б) прямоточные;

В) вихревые (см. Рисунок 1. Схемы разновидных конструкций циклонов).

Рисунок 1. Схемы разновидных конструкций циклонов

Эффективность сепарации циклонов оценивается ещё на этапе проектирования, который производится путём создания математической модели конструкции. Проанализируем существующие исследования математических моделей циклонных установок.

Для определения характеристик относительной эффективности циклонов различных конструкций Д.Л. Иосия и Д. Лейта [2] использовали в своём исследовании модель, ранее разработанную Л. Теодором и В. ДеПаолом [4]. Данные эксперименты проводились с тремя скоростными расходами, используя характеристики разработки С.Д. Стерманда [3]. Ещё восемь проводились с фиксированной скоростью объёмного потока среды с некоторыми вариациями длин частей конструкции циклона.

С помощью испытаний 1-3 была оценена эффективность оригинальной конструкции данной циклонной установки. Эксперименты 4-5 исследовали влияние увеличения площади входного отверстия, 6-7 - уменьшения площади впуска, 8-9 - изменения зоны выхода и 10-11 - вариаций высоты цилиндра.

Испытания 1 и 4-11 производились с одинаковой скоростью потока среды. При визуализации безразмерной математической модели экспериментов 4-7, которые затрагивали площадь входного отверстия, были получены числа Рейнольдса, несовпадающие с первыми испытаниями, что свидетельствует о различной динамике жидкости и частиц.

Эксперименты 6-7 с более высоким критерием Рейнольдса указывают на большую относительную эффективность, сопровождаемую более низким термодинамическим коэффициентом давления (ТКД), что указывает на то, что относительно меньше энергии на единицу объёма было затрачено на достижение большей эффективности.

Если число Рейнольдса стандартной конструкции (эксперименты 1-3) достигает значений испытаний 6-7, а динамика начальных исследований продолжает удерживаться, то можно ожидать большей относительной и абсолютной эффективности, но при более высоких ТКД по сравнению с экспериментами 6-7.

Исследования 4-5 включали увеличение площади входа и, следовательно, более низкое значение числа Рейнольдса, чем в первом. Эти эксперименты дали больший ТКД.

Испытание 8, учитывающее уменьшение диаметра выхлопа без изменения критерия Рейнольдса, показало заметное увеличением ТКД по сравнению с немодифицированным циклоном. В эксперименте 9 был увеличен диаметр выхлопных газов, что показало уменьшение относительной эффективности.

В исследованиях 10-11 были учтены изменения высот цилиндра и общей высоты циклона, влияние которых внесло незначительные изменения в производительность.

Хотя существует внушительное количество теоретического и экспериментального материала исследований процесса эффективности сепарации циклонных устройств, в которых большая часть происходящих в них явлений не может быть объяснена в рамках сложившихся представлений. Аналитический метод расчёта циклонов, основанный на системе уравнений Новье-Стокса, уравнениями неразрывности газового потока, не учитывает сложность общей гидроаэродинамической картины сепарации, происходящей в циклонных пылеуловителях. Решение данной математической модели весьма затруднительно, и реализуется только при принятии целого ряда допущений, что снижает адекватность производимых расчётов, приводя к существенным расхождениям результатов вычислений с экспериментальными данными.

В настоящее время произошли значительные изменения в области математического моделирования, связанные с применением вычислительных технологий и пакетов программ, основанных на численном методе, относимые к CAE-технологиям. В области вычислительной гидроаэродинамики к таким технологиям относятся CFD-пакеты, которые подразумевают следующую последовательность действий:

1. на основе экспериментального анализа определяется задача исследования;
2. выбирается метод численного расчёта;
3. разрабатывается физическая модель;
4. выбирается расчётный код;
5. строится и выбирается расчётная область;
6. разрабатывается компьютерная модель;
7. производится проверка получаемых результатов на соответствие установленных требований;
8. подтверждение выполнения установленных требований;
9. разрабатывается отчётная документация [1].

Реализация компьютерной модели по средствам CFD-пакета заключается в составлении и решении уравнений для распределения скоростей, давления, плотности и температуры среды.

На настоящее в мире существует ряд универсальных коммерческих программных продуктов для решения задач вычислительной гидродинамики. Среди ведущих зарубежных коммерческих пакетов можно выделить такие, как «ANSYS FLUENT» и «ANSYS CFX» корпорации «ANSYS Inc», «STAR-CD» и «STAR-CCM+» компании «CD-adapco Group», позволяющие проводить моделирование широкого класса физических процессов в научных и инженерных областях. Существуют и отечественные универсальные коммерческие пакеты: «Flow Vision» компании «ТЕСИС», «Gas Dynamics Tool» компании «GDT Software Group».

Помимо коммерческих пакетов существует очень большое количество некоммерческих. За рубежом практически каждый крупный университет или научно-исследовательский институт имеет собственные разработки в области создания CFD-пакетов. По своим возможностям и быстродействию некоторые из них могут существенно опережать коммерческие. Однако, как правило, они имеют менее удобный и развитый интерфейс и требуют существенно более квалифицированного пользователя. Среди отечественных некоммерческих программных пакетов вычислительной гидроаэродинамики можно назвать «VP2/3», «SINF», «SigmaFlow».

Применение CFD-пакетов существенно упрощает использования численного моделирования процесса сепарации в циклонах, зачастую аналитически не решаемых, и повышает результативную точность.

Список литературы:

1. Белова, О.В. Методологические основы CFD-расчетов для поддержки проектирования пневмогидравлических систем / О.В. Белова, В.Ю. Волков, А.П. Скибин, А.В. Николаева, А.А. Крутиков, А.В. Чернышев // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. С.1-13.
2. Iozia D.L., Leith D., The logistic function and cyclone fractional efficiency, Aerosol Sci. Technol. 12 (1990) 598–606.
3. Stairmand C.J., The design and performance of cyclone separators, Trans. Inst. Chem. Eng. 29 (1951) 356.
4. Theodore L., DePaola V., Predicting cyclone efficiency, J. Air Pollut. Control Assoc. 30 (1980) 1132–1133.