Совершенствование тепловой работы анодных печей

ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

При воздействии звуковых волн на промышленные запыленные газы можно при определенных условиях добиться такого колебательного движения частиц, при котором значительно увеличивается вероятность столкновения частиц друг с другом, в результате чего они слипаются, образуя крупные агрегаты, что значительно облегчает последующую очистку газов.

Согласно последним представлениям, на взвешенные частицы в газах при действии акустического поля действуют три основных фактора: совместное колебание частиц и газовой среды, динамические силы между соседними частицами и давление акустической радиации.

В зависимости от внешних условий, между частицами и колеблющейся средой действуют силы Стокса

. (5)

Это выражение справедливо для частиц размером меньше 4мкм и частоте колебаний до 10кГц.

При пропускании звуковых волн через объем запыленного газа в нем устанавливаются стоячие звуковые волны, которые формируют нестационарное скоростное поле V_г в виде периодически изменяющихся во времени узлов и пучностей, определяемых его параметрами

(6)

где с - скорость звука; - угловая частота; а - амплитуда колебаний.

Тогда для каждой элемента запыленного потока имеющего частицы диаметром d_ч перемещающихся в направлении в потоке газов, обладающих вязкостью можно установить условия равновесия

. (7)

При начальных условиях входа акустического поля в слой () траектория движения отдельных частиц может быть представлена в виде

. (8)

Здесь

; (9)

(10)

(11)

где - частота колебаний, Гц;

Анализ выражения (8) показывает, что частицы запыленного потока, находящиеся в поле акустических колебаний, независимо от общего направления перемещения совершают в поперечном направлении синусоидальные движения около некоторого среднего положения, приближаясь к нему во времени с затуханием амплитуды.

В зависимости от значений акустического числа Рейнольдса () для среды плотностью в акустическом поле с длиной волны различают три характерных режима движения омывающего потока: течение вне пограничного слоя, в пограничном слое и быстрое течение без учета пограничного слоя. Рассматривая омывание колеблющимся газовым потоком отдельных тел, выделяют возникающие вокруг них газовые вихри, которые вращаются вокруг частиц в противоположных направлениях движению вне пограничного слоя. Масштаб этих движений определяется значением акустического критерия Re_а, относительной амплитудой колебательного смещения и числа Маха, которые развиваются в пределах от области существования только пограничного слоя (при Re_а >10) до протяженности всего движущегося потока (при Re_а <10).

При полидисперсной структуре частиц пыли, а также в присутствие существенной нелинейности движения струй газа с образованием дополнительных турбулентностей воздействие реальной газовой среды на твердые элементы нельзя считать упругой. При этом результирующий эффект их взаимодействия зависит от микро- и макронеоднородностей распределения твердых элементов пыли, условий столкновения не только бегущей в направлении акустического воздействия волны, но и образующихся отраженных и встречных струй. Различие условий распространения периодических колебаний газовой среды в запыленном потоке обусловлено изменением степени поглощения и отражения энергии акустической волны твердыми элементами обрабатываемой системы. Наличие отраженных от твердых частиц акустических волн, а также от границ раздела фаз создают реальные условия для полной диссипации колебательной энергии. Процесс затухания внешних возмущений при их распространении в продуваемых дисперсных системах указывает на присутствие в них элементов с широким спектром собственных частот, способных изменять в существенных пределах спектр частот внешних колебаний при их интерференции и дифракции. Наличие значительной нелинейности элементов обрабатываемой среды при распространении в ней периодических колебаний определенной интенсивности обеспечивают возникновение регулярных течений в направлении воздействия - акустический ветер. Присутствие дополнительных диффузионных потоков в потоке формируют условия для интенсификации массообменных процессов. Для получения наибольшей величины этого эффекта параметры внешних акустических колебаний необходимо синхронизировать с внутренними источниками по частотам колебаний (явление резонанса). При этом результат суммарного воздействия будет наибольший при определенных амплитудах и частотах внешнего акустического поля близких к частоте собственных колебаний твердых элементов слоя. Возникающие результирующие воздействия на уровень давления и скорости потоков определяют их устойчивость и структуру стационарного движения. Наибольшее воздействие энергии акустических колебаний концентрируется в точках неустановившейся структуры вещества (межфазные поверхности, дефекты структуры, внешние и внутренние неоднородности). В этом случае около периодически движущихся частиц возникает зона локального вакуума или давления, величина которого пропорциональна квадрату эффективного размера d и частоте колебаний , что обеспечивает образование дополнительных конвективных потоков через слой.

На каждую твердую частицу слоя плотностью , находящуюся в поле внешних акустических колебаний амплитудой А и частотой в газовой среде со скоростью звука с, действует суммарное давление

, атм. (12)

При этом помимо общего давления движущегося газа Р_о во внешнем акустическом поле с уровнем звука J действует дополнительная периодическая сила с амплитудой колебаний

, атм., (13)

величину которой можно изменять через конструктивные и технологические параметры процесса с изменением величины входных воздействий.

Если представить слой кусковых материалов (неподвижный или движущийся) или запыленный газовый поток как совокупность отдельных частиц различного гранулометрического состава, находящихся в контакте и разделенных порами в виде каналов переменного сечения, то независимо от степени их разобщенности газовой средой всю рассматриваемую систему можно описать в виде единой структурной схемы. При воздействии внешнего акустического поля твердые элементы запыленного потока подвергаются действию динамического и статического напора движущихся газов. В поперечном направлении каждый его твердый элемент испытывает действие Релеевой силы. При этом падающая на частицы акустическая волна частотой и амплитудой А, омывая их с внешней стороны, формирует поле давлений излучения, действующее в обратном направлении. Образующаяся за частицами акустическая волна в виде турбулентных колебаний давления является излучающей и может быть причиной озвучивания последующих элементов потока. Избыточное давление газа между частицами, вызванное внешними колебаниями поверхностей, компенсируется оттоком избыточного или недостающего количества газов через поры в основном в направлении распространения колебаний. При этом происходит возникновение дополнительного движения газовой среды, вызванного внешними колебаниями и обеспечивающее интенсификацию тепломассообменных процессов на поверхности каждой частицы.

Вследствие вынужденных колебаний твердых элементов запыленного потока различной интенсивности в акустическом поле, амплитуда которых определяется как параметрами внешнего воздействия, так и их акустическими характеристиками, происходит возникновение низкочастотных мелкомасштабных контуров движения частиц. Последние способствуют разрушению пограничного слоя около колеблющихся кусочков и появлению дополнительных конвективных потоков.

В слое с высокой порозностью возникают контуры колебаний групп частиц, которые способствуют проявлению поршневого эффекта. При совпадении частоты внешних колебаний с частотой собственных колебаний частиц слоя возникает явление резонанса и амплитуда колебаний твердых элементов слоя постепенно возрастает. Экспериментальные замеры уровня этих давлений на примере виброкипящего слоя показали возможность достижения их максимальных значений до 20 кПа. Этот факт является существенным для развития тепломассообменных процессов в слое.

При полидисперсной структуре слоя кусковых материалов колебания его частиц вызывают формирование вокруг них локальных зон с отличным от внешней окружающей среды давлением. Чем больше размер обрабатываемых кусков, тем эта разница значительней. Поэтому в запыленном потоке под действие внешних акустических колебаний мелкие частицы перемещаются ближе к крупным, вокруг которых образуется локальная зона повышенного разрежения, формируя вокруг них зону с увеличенной концентрацией пылевых элементов. Это обеспечивает возможность удержания мелких пылевидных фракций вокруг крупных элементов под действием акустического поля. При наличии в системе сил адсорбции или абсорбции может происходить коагуляция частиц с увеличением их размеров с выделением из общего потока. Этот факт является основой для дополнительного осаждения пылевых элементов непосредственно в движущемся газовом потоке.

Таким образом, при воздействии внешнего акустического поля заданных параметров на запыленный поток возникают условия для сближения крупных и мелких частиц и обеспыливания отводимых газов непосредственно в нем самом.

Если учесть, что частицы запыленного потока представляют собой систему из отдельных твердых элементов, имеющих различную частоту собственных колебаний, то для интенсификации тепломассообменных процессов с наибольшим поглощением внешней энергии необходимо использовать источник периодических колебаний с широким спектром образующихся частот. Чем сложнее объект воздействия, тем шире диапазон его собственных частот. Поэтому для обеспечения явления резонанса внешних колебаний с твердыми элементами слоя целесообразно применять газоструйные излучатели, акустическое поле которых характеризуется широким спектром формируемого ими излучения, возможностью формирования заданной интенсивности излучения, высоким КПД и простотой конструкции.

Использование импульсно-энергетических воздействий акустического поля на осуществление ряда технологических процессов известно давно. При этом отмечается многосторонность их проявления. Влияние упругих колебаний на динамическую вязкость потоков позволяет изменять условия течения и перемешивания неньютоновских жидкостей, обеспечивая увеличение значений коэффициентов диффузии. В условиях существенной нестационарности распространения звуковых колебаний происходит разрушение теплового пограничного слоя вдоль твердых поверхностей, что способствует усилению интенсивности внешней теплопередачи. Возбуждение при этом собственных колебаний системы обеспечивает развитие явлений теплопроводности между ее элементами, закономерности которых зависят от скорости и длины волн.

Наличие многочисленных побочных дополнительных эффектов сопровождающихся использованием энергии акустического поля способствует развитию массообменных процессов при интенсивности внешних колебаний выше порогового значения 120-146 дб.

Чем сложнее система, тем большее число эффектов будет проявляться при воздействии на нее периодическими колебаниями. Степень внешнего воздействия на нее можно изменять параметрами объекта воздействия (конструктивными, технологическими, кинетическими и т.д.) или количественными характеристиками поля. Как правило, технологические параметры самой системы устанавливаются независимо от свойств и характеристик внешних интенсификаторов. Поэтому для управления энергетическим воздействием акустического поля на слоевые процессы требуется изучение закономерностей изменения основных и дополнительных эффектов, проявляющихся при обработке запыленного газового потока.

4. Выводы и заключение

1. Использование энергии акустического поля на теплообменных поверхностях энергоагрегата способствуют разрушению пылевых отложений и обеспечивает увеличение температуры подогрева воздушного дутья на величину 24-26градусов. При этом происходит снижение уровня температуры отходящих газов на величину до 37-57градусов.

2. Изменение условий теплообмена в энергоагрегате способствует повышению его теплового КПД с 35-37 до 40-42%. При этом наблюдается повышение выноса пыли из энергоагрегата на величину 12,9отн.%.

3. Использование энергии акустического поля непосредственно в рабочем пространстве анодной печи способствует:

- -повышению выхода медьсодержащих компонентов на 2,76% за счет внурипечного пылеосаждения, что в среднем составляет до 14750,5кг/плавку;

- увеличивается выход шлаков на величину до 0,17% или на 980кг/плавку;

- сокращаются энергозатраты на расплавление шихтовых материалов на величину до 0,57%. Что равносильно 198м³ газа;

- увеличивается суммарный тепловой КПД рабочего пространства с 38,13 до 46,14% за счет увеличения теплосодержания твердых продуктов плавки и сокращения потерь тепла с отходящими газами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Промышленные испытания использование энергии акустического поля в рабочем пространстве анодной печи и теплообменных поверхностях энергоагрегата являются недорогим и эффективным средством улучшения ее показателей за счет внутрипечного пылеосаждения и интенсификации тепломассообменных процессов.

5. Список использованной литературы

1. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: АН СССР, 1955. -352с.

2. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959. - 700с.

3. Современное состояние гидродинамики вязкой жидкости. Т.2. Пер.с анг. Под ред. С.Гольдштейна. М.: Издатинлит., 1948. - 407с.

4. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М.: Химия, 1972. - 248с.

5. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. М.: Химия, 1967. - 344с.

6. Жебровский С.П. Электрофильтры. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1950.: 256с.

7. Фукс Н.А. Успехи механики аэрозолей. Итого науки, химические науки, №5, М.: АН СССР, 1961. - 160с.

8. Дерягин Б.В., Баканов С.П. ДАН СССР, 1957, т.117, №6, с.959-962.

9. Медников Е.П. Акустическая коагуляция и осаждение аэрозолей. М.: АН СССР, 1963. - 263с. В процессе выполнения этого этапа работы необходим контроль следующих технологических параметров анодной печи и энергоагрегата:

Размещено на Allbest.ru