МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 4 • 2015
УДК 532.5.013.12:532.559.8
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ЩЕЛЕВОГО ФИЛЬТРА НА ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
© 2015 г. В. В. ВИНОГРАДОВ, Ю. А. ЗЫКОВА, Н. М. САМОХВАЛОВ
Иркутский государственный технический университет, Иркутск e-mail: vvv158@mail.ru, ulya2279@mail.ru, htnv@istu.edu
Поступила в редакцию 22.10.2014 г.
Исследована гидродинамика потока в чистой фильтрующей перегородке из нескольких слоев проволоки в щелевом фильтре. Получены зависимости, определяющие структурные характеристики щелевого слоя, и установлено их влияние на величину и изменение гидравлического сопротивления в зависимости от скорости потока. Разработана методика расчета гидравлического сопротивления чистой щелевой перегородки.
Ключевые слова: фильтрующая перегородка, структура, щелевой фильтр, гидравлическое сопротивление.
Для очистки запыленных газов широко используются различные пористые перегородки — тканевые, волокнистые и зернистые. Тканевые и волокнистые перегородки плохо выдерживают высокие температуры, воздействие абразивных частиц пыли и химически агрессивных сред, а зернистые фильтрующие перегородки трудно регенерируются и громоздки. В таких условиях более надежной конструкцией может оказаться щелевой фильтр [1, 2]. В щелевом фильтре в качестве фильтрующего слоя используется навитая в несколько слоев проволока на специальный каркас в виде "беличьего колеса". Такие фильтры можно использовать при очистке горячих газов и коррозионных сред в металлургических, цементных, химических и других производствах при улавливании стекловидной и другой абразивной пыли.
Очень важный показатель процессов фильтрования — гидравлическое сопротивление, которое определяет энергетические затраты при очистке запыленных газов. Закономерности изменения гидравлического сопротивления при фильтровании газов широко изучены применительно к тканевым и зернистым фильтрам [3—6]. В работе [7] изучена проницаемость пористых сред при фильтрационных течениях и отмечено, что гидравлическое сопротивление во многом определяется характеристиками структуры пористой среды.
Щелевой фильтр является новой конструкцией, для которой отсутствуют методики определения структурных характеристик фильтрующей перегородки; оценки их влияния на величину гидравлического сопротивления не проводились. Структуры фильтрующих перегородок щелевых, тканевых и зернистых фильтров существенно различаются из-за формы каналов — щели, трубки и поры соответственно. В тканевых фильтрах поры имеют практически однородную структуру, а в зернистых слоях каналы неоднородны. В то же время характеристики перегородки из слоев проволоки имеют стабильные значения и не являются случайными величинами из-за правильности формы, что требует уточнения методов их определения. Влияние же диаметра проволоки, числа слоев, условий навивки слоев и скорости фильтрования воздуха на гид-
равлическое сопротивление применительно к щелевому фильтру практически не изучено. В [8] исследовалось гидравлическое сопротивление в щелевом фильтре в предположении, что щели одинаковы по размерам и имеют коридорный вид.
Цель данной работы — разработка аналитических методов расчета основных структурных характеристик щелевого фильтра в зависимости от размера проволоки, числа ее слоев, условий намотки слоев и экспериментальное исследование влияния структуры щелевого фильтра на гидравлическое сопротивление в зависимости от скорости фильтрования.
1. Структурные характеристики щелевого слоя. Использовалась стальная сварочная проволока диаметром 0.8 мм и медная проволока с диаметрами 1.0 и 1.7 мм. Количество слоев проволоки изменялось от 2 до 7. Гидравлические сопротивления до 2000 Па измерялись микроманометром с наклонной трубкой ММН-240, а более высокие значения — с помощью пьезометрической трубки. Расход воздуха измерялся с помощью ротаметра РМ-04-10 ГУЗ.
Исследования показали, что при одних и тех же размерах проволоки, значениях скорости фильтрования и прочих равных условиях на величину гидравлического сопротивления влияет способ навивки проволоки. Существуют различные способы навивки проволоки, но для щелевых фильтров, на наш взгляд, интерес представляют перегородки с щелевыми каналами коридорного типа, когда витки проволоки расположены друг под другом, и шахматного типа, когда витки проволоки в слоях смещены на половину диаметра относительно друг друга (фиг. 1).
Щелевые каналы в обоих случаях имеют переменное сечение по толщине каждого слоя проволоки. На входе в слой проволоки они сужаются, а на выходе расширяются. Если в зернистых фильтрах толщина фильтрующего слоя Н не зависит от диаметра зерен, то в щелевом фильтре она жестко связана с диаметром проволоки, числом слоев и для коридорной модели ее можно рассчитать по зависимости Н = нйпр + Нс ■ (п -1), где п — число слоев проволоки в перегородке; dпр — диаметр проволоки; кс — ширина щели между слоями проволоки.
Для шахматной модели толщина фильтрующего слоя меньше по сравнению со случаем коридорного расположения; при расчете используется следующая формула:
Н = ndпр + Нс • (п - 1) - 0.1316 • йпр • (п -1)
Это соотношение получено опытным путем с учетом того, что в шахматной структуре слоя более плотная упаковка, которая отличается от коридорной на величину 0.1316 от диаметра проволоки на каждый последующий слой.
Ширина щели между слоями определяется состоянием поверхности проволоки и степенью сжатия слоев. Для ровной гладкой проволоки и ручной навивке величина кс составляет приблизительно 40—60 мкм.
Экспериментальные исследования фильтрования воздуха через щелевые перегородки с различной структурой слоев показали, что существенное влияние на гидравлическое сопротивление оказывает доля живого сечения фильтрующей поверхности слоя. При одном и том же размере фильтрующей поверхности "живое" сечение изменяется от диаметра проволоки и плотности упаковки витков проволоки, что сказывается на скорости потока в каналах слоя. Доля живого сечения определяется отношением площади щелей к поверхности фильтрации, тогда
V = Нщ ^ + 1) пБср /(пОср1) = Нщ ^ +1) /I
где кщ — ширина щели между витками проволоки; тв — число витков, уложенных по ширине барабана в объеме фильтрующего слоя; I — ширина фильтрующего барабана; Бср = Бв + Н — диаметр витка проволоки среднего слоя. Здесь Бв — внутренний диаметр фильтрующей поверхности.
Ширину щели можно определить как разность ширины фильтрующего барабана I, которая принимается, исходя из необходимой поверхности фильтрования, и расчетной ширины навивки слоя, поделенной на число щелей между витками Нщ = (I - mвd„р)/(тв +1).
Общее число витков при коридорном расположении определяется зависимостью
тв(К) = (I - Нщ)п/^„р + Нщ).
В шахматной модели число витков в четных слоях на один меньше, чем в нечетных и их общее количество можно рассчитать по формуле
тв(ш) = тв(к) - (2 - ^
где к — показатель четности и нечетности слоев — при четном числе слоев к = 0, при нечетном к = 0.5.
Экспериментально установлено, что ширина щели между витками не является постоянной величиной, а зависит от ряда факторов, к которым относятся шероховатость, равномерность толщины и изгибы проволоки, плотность навивки и другие причины. Проволока, покрытая изоляционным слоем, имеет больший и менее равномерный размер щелей в диапазоне от 100 до 300 мкм. При навивке фильтрующих слоев из стальной, например, сварочной проволоки, образуются щели размером от 20 до 80 мкм в зависимости от плотности упаковки. Слои из мягкой медной или алюминиевой проволоки дают более широкие щели размером до 200 мкм и более, особенно при наличии изгибов на проволоке. Оказывается, что диаметр проволоки практически не влияет на размер щелей. При нескольких слоях в фильтрующей перегородке размеры щелей между витками в каждом слое часто отличаются друг от друга, поэтому следует использовать усредненный размер щелей.
Удельная поверхность слоя проволоки находится из отношения поверхности Г навитой проволоки к объему фильтрующего слоя Ул
/ ^№сл пdпрLпр /^сл
мм мкм мкм п, шт. Коридорный слой/шахматный слой
Н, мм /, м2/м3 Е0, м3/м3 м2/м2 dэ, мм
0.8 90 60 2 1.66/1.55 1.44/1.46 3490/3592 0.322/0.282 0.103/0.102 0.38/0.31
65 3 2.52/2.31 1.44/1.47 3444/3746 0.311/0.251 0.076/0.076 0.36/0.27
4 3.38/3.06 3419/3753 0.316/0.249 0.37/0.27
5 4.24/3.82 3403/3771 0.319/0.246 0.37/0.26
6 5.10/4.57 3391/3771 0.322/0.245 0.38/0.26
7 5.96/5.33 3382/3782 0.324/0.244 0.38/0.26
180 180 2 1.78/1.67 1.39/1.41 2866/3020 0.427/0.396 0.187/0.185 0.60/0.51
170 170 3 2.74/2.53 2819/3041 0.436/0.392 0.178/0.176 0.62/0.51
4 3.71/3.39 2772/3012 0.445/0.398 0.64/0.53
1.0 150 150 5 5.60/5.10 1.41/1.43 2416/2658 0.390/0.335 0.133/0.132 0.66/0.50
1.7 280 280 2 3.68/3.46 1.40/1.43 1453/1520 0.382/0.354 0.146/0.143 1.05/0.93
3 5.66/5.21 1414/1522 0.399/0.353 1.13/0.94
4 7.64/6.97 1393/1508 0.408/0.359 1.17/0.95
260 260 3 5.62/5.17 141/143 1439/1551 0.388/0.341 0.137/0.135 1.08/0.88
где Ьпр = пБср — длина проволоки фильтрующего слоя. Объем фильтрующего слоя
проволоки равен Усл = 0.785 • I • [(Бв + 2И)2 -
Доля свободного объема фильтрующего слоя определяется отношением объема пустот в этом слое к общему объему фильтрующего слоя е0 = (Ксл - Упр)1 Усл. Объем, занимаемый проволокой, — е о = ка2прЬпр14.
Эквивалентный диаметр каналов фильтрующего слоя [3] находится по зависимости dэ = 4е о//. Коэффициент извилистости каналов щелевого слоя более точно можно выразить через долю свободного объема по уравнению [6]
\ = 1 + (п-1) (1 -ео)2/3
В таблице представлены основные структурные характеристики коридорного и шахматного расположения витков стальной сварочной проволоки диаметром 0.8 мм и медной проволоки диаметрами 1.0 и 1.7 мм.
2. Шдравлическое сопротивление щелевого фильтра. Установлено, что величина гидравлического сопротивления в щелевом фильтре во многом определяется структурными характеристиками фильтрующей перегородки, которые зависят от способа навивки проволоки. Из таблицы видно, что при шахматном расположении витков толщина доли свободного объема и живо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.