Ефективність контролю газоаерозольних потоків в промисловій вентиляції

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧЕСКИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.311.22:628.51

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Ефективність контролю газоаерозольних потоків в промисловій вентиляції

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Насонкіна Інна Костянтинівна

ОДЕСА - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Андрійчук Микола Данилович, Луганський державний інституту житлово-комунального господарства і будівництва, зав. кафедрою «Вентиляція, теплогазо- і водопостачання»

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Афтанюк Валерій Валентинович , Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри «Опалення та вентиляція»

кандидат технічних наук, доцент Ігнатов Олег Романович, Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля, доцент кафедри «Екологія»

Захист відбудеться “28” квітня 2011 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченко, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченко, 1.

Автореферат розісланий “22” березня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.А. Баласанян

дифузійний аерозоль вентиляційний турбулентний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Складовою частиною будь-якого промислового підприємства є такі інженерно-технічні споруди, як вентиляційні системи, що забезпечують належні санітарно-технічні норми у промислових приміщеннях, безпеку праці і дотримання технологічних процесів. Особливої уваги вентиляційні системи привертають і як основні джерела викидів шкідливих для здоров'я людини та навколишнього середовища, відходів промислової діяльності, що утворюються в енергетиці, хімічній, гірничо-видобувній промисловості, будівництві.

Для вдосконалення вентиляційних систем актуальною є проблема підвищення достовірності прогнозування і контролю газоаерозольних викидів, вирішення якої матиме ефект у технічному, економічному, соціальному й екологічному відношеннях.

Існуючі дослідження не дозволяють перспективно підходити до вдосконалення контролю викидів, знаходити оптимальні рішення без тривалих попередніх досліджень і доведення. Недостатньо розглянуті методи прогнозного розрахунку характеристик вентиляційних систем, існують труднощі, пов'язані з вирішенням складних наукових завдань, а саме: дифузійних процесів в турблентних течіях промислової вентиляції та методів прогнозування викидів.

Реальним шляхом вирішення цього завдання є підвищення ефективності методів контролю газоаерозольних потоків у промислових вентиляційних системах на основі математичного моделювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана в межах пріоритетних науково-технічних напрямків науки і техніки України «Збереження навколишнього середовища та сталий розвиток», «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромислового комплексу», перспективної програми «Донбас - 2020», «Науково-технічний та інноваційний розвиток» програми соціально-економічного та культурного розвитку Луганської області на 1999-2010 роки, держбюджетних тем: «Теорія і методи аналізу й моделювання газодинамічних характеристик промислових викидів» (рег. № 0101U003276), «Теорія і методи побудови систем радіаційного захисту довкілля при експлуатації енергоблоків АЕС» (рег. № 0104U0000285), «Теорія і методи забезпечення ефективності систем теплопостачання в умовах екологічного моніторингу» (рег. № 0107U000098). Автор є співробітником зазначених тем.

Мета і завдання дослідження

Метою дослідження є підвищення ефективності методів контролю газоаерозольних потоків у промислових вентиляційних системах на основі математичного моделювання, що забезпечує достовірну оцінку параметрів викидів в експлуатаційних та проектних режимах роботи.

Задля досягнення поставленої мети були сформульовані наступні завдання:

1. Намітити шляхи підвищення ефективності дослідженя концентрації аерозольних домішок, взявши за основу аналіз стану методів контролю характеристик газоаерозольних потоків у промислових вентиляційних системах.

2. Адаптувати математичні моделі дифузійних процесів газів і аерозолів у турбулентних потоках для каналів вентиляційних систем.

3. Дослідити процеси дифузії типових джерел домішок у потоці для визначення закономірностей розподілу їхньої концентрації за довжиною та перетином каналів, на основі яких розробити методи розрахунку характеристик газоаерозольних потоків у промислових вентиляційних системах для прогнозування їхніх викидів.

4. Виконати експериментальні дослідження. Провести аналіз погрішності у визначенні характеристик газоаерозольних потоків під час контролю промислових викидів. Запропонувати методику проведення експериментальних досліджень дифузійних процесів у каналах вентиляційних систем. Перевірити адекватність математичної моделі процесу дифузії.

5. Провести спрощення математичної моделі процесу дифузії домішки у турбулентному потоці з метою її інженерного застосування, знайти апроксимаційну модель розподілу концентрації домішок у турбулентному потоці.

6. Запропонувати рекомендації з розміщення засобів контролю в системах промислової вентиляції для підвищення точності вимірювання параметрів викидів.

7. Поліпшити аеродінамічні характеристики фільтрів та вентиляторів для підвищення їхньої ефективності.

Об'єкт дослідження - вентиляційні системи промислових підприємств.

Предмет дослідження - дифузійні процеси в промислових вентиляційних системах.

Методи дослідження

Методологічну основу проведених автором досліджень складає системний підхід до моделювання дифузійних процесів аерозолів в каналах вентиляційних систем промислових підприємств. В основу математичних моделей покладені класичні рівняння аерогідромеханіки (рівняння енергії, нерозривності і стану середовища, рівняння масопереносу в потоці). У деяких випадках були використані емпіричні залежності й приблизні формули, що цілком припустимо при моделюванні таких складних об'єктів, якими є системи вентиляцій промислових підприємств.

Під час виконання експериментальних досліджень були використані статистичні методи планування й обробки дослідних даних.

Достовірність наукових результатів дисертації підтверджується адекватністю даних, які були отримані на математичних моделях дифузійних процесів у турбулентних потоках. Це обумовлено відповідністю прийнятих припущень до характеру завдань, що вирішуються, обґрунтованим добором контрольно-вимірювальної апаратури, методів обробки експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1. Доведено, що узагальнена математична модель масопереносу в потоці на основі k-моделі турбулентності, що адаптована для каналів вентиляційних систем, може бути використана для розрахунку дифузії домішок.

2. Теоретично визначені й експериментально підтверджені закономірності розподілу домішок по перетину круглого циліндричного каналу на різних відстанях від джерела домішки, що дозволяє надати рекомендації з розміщення датчиків концентрації у каналах вентиляційних систем.

3. Спираючись на виявлені закономірності, розроблена методика визначення часу проходження дискретних часток по тракту вентиляційних систем, що враховує тривалість індукціонного періоду в русі часток.

4. Вперше встановлені закономірності початкових етапів дифузії аерозолів в турбулентному потоці, які враховують фізико-механічні якості дискретних часток. Це дозволяє визначити мінімальну відстань від датчика до джерела домішки.

5. Розроблена конструкція аерозольних фільтрів та вентилятора, яка дозволяє зменшити гідравлічний опір та поліпшити їхні аеродинамічні характеристики.

Практичне значення отриманих результатів

1. Розроблені й впроваджені рекомендації з розміщення засобів контролю концентрації, що виключають погрішність, пов'язану з нерівномірністю розподілу концентрації по перетину каналу.

2. Виконана оцінка впливу коефіцієнта молекулярної дифузії на загальний процес при турбулентнії течії основного потоку, яка показала можливість нехтування його величиною при числах Рейнольдса Re>10⁴, діапазон яких є робочим для промислових вентиляційних систем.

3. Встановлені зв'язки для основних безрозмірних критеріїв, що характеризують процес дифузії - дифузійного числа Пеклє Ре_д, числа Шмідта Sc і числа Рейнольдса Re для коефіцієнта турбулентної дифузії.

4. Встановлені закономірності протікання процесу дифузії "пасивної" домішки в циліндричних каналах з урахуванням шорсткості внутрішньої поверхні при турбулентному режимі течії. Встановлена наявність автомодельної зони, при якій довжина шляху вирівнювання концентрації не буде залежати від параметрів газового потоку.

5. Спроектована та виготовленна експериментальна установка, що забезпечує проведення експериментів з визначення адекватності математичних моделей дифузійних процесів домішкових речовин у турбулентних потоках.

6. Сплановано і проведено двохфакторний фізичний експеримент із визначення розподілу концентрації домішки по перетину каналу. Встановлено, що розподіл концентрації у перетині практично не залежить від числа Рейнольдса. Проведена перевірка адекватності математичної моделі дифузії домішки в турбулентному потоці. Отримана функція відгуку для концентрації домішки, що зв'язує ортогональні координати перетину. Доведено, що адекватно описує процес дифузії домішкових речовин у турбулентному потоці як повна, так і апроксимаційна моделі.

7. Запропоновано враховувати довжину шляху вирівнювання концентрації під час її контролю, в протилежному випадку забірні пристрої встановлювати на радіусі, концентрація домішки на якому відповідає концентрації однорідного потоку. Для випадків ненормативного розміщення засобів контролю запропоновано шляхи корекції результатів вимірів.

8. Удосконалено конструкцію аерозольних фільтрів (адсорберів) та вентиляторів, що забеспечює зменшення гідравлічного опору та поліпшення їхніх аеродинамічних характеристик .

Результати дисертаційної роботи використані й впроваджені: НВО «ЕнергоАтомСпецЗахист», ЛГКП «Теплокомуненерго», в навчальному процесі Луганського державного інституту житло-комунального господарства і будівництва, що підтверджуються відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача

Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Автором розроблені методи прогнозування газоаерозольних викидів у каналах вентиляційних систем; встановлені закономірності протікання дифузійних процесів, розподілу концентрації домішки в потоці, початкових етапів дифузії аерозолів; розроблена методика визначення часу проходження дискретних часток по тракту вентиляційних систем; розроблені рекомендації з розміщення засобів контролю концентрації домішки й витрати викидів, а також методики, алгоритми й програми для чисельного моделювання характеристик вентиляційних систем; поліпшені конструкції аерозольних фільтрів та вентиляторів.

Апробація результатів дисертації

Основні результати дисертації повідомлені, обговорені та одержали схвалення на міжнародних конференціях: науково-технічних конференціях «Університет і регіон» (Луганськ, 2007-2009), на науково-практичній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (Луганськ, 2007,), «Актуальні проблеми прикладної фізики» (Луганск, 2007); інтернет-конференціях: VI Міжнародна науково-практична конференція «Наука: теорія й практика - 2010» (Прага, 2010), Міжнародна науково-практична конференція «Наукові дослідження та їх практичне застосування. Сучастий стан та шляхи розвитку `2010» (Одеса, 2010), а також на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Донбаської національної академії будівництва і архітектури, Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, (2006 -2009).

Публікації

За результатами дисертації опубліковано 11 наукових праць, з них 2 монографії, 7 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, що входять до переліку ВАК України, 2 публікації у матеріалах і тезах конференцій, одержано 6 патентів України на корисну модель. У роботах, які опубліковані у співавторстві, здобувачеві належить наукова постановка завдання, основні ідеї його розв'язання, аналіз отриманих результатів і висновки.

Структура й обсяг дисертації

Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 147 найменувань, 4 додатків на 7 сторінках. Загальний обсяг дисертації 156 сторінок, з яких 133 сторінок основного тексту, робота містить 54 малюнки, 7 таблиць по тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показана актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета й завдання наукового дослідження, викладена наукова новизна, практична цінність і реалізація результатів роботи.

Перший розділ являє собою аналіз стану проблеми, зокрема, розглянуті питання утворення аерозолів, їх характеристики, прогнозування й контролю параметрів газоаерозольних викидів промислових вентиляційних систем, дослідження характеристик дифузійних процесів у них.

Відзначений внесок у розв'язання даної проблеми вчених в області дослідження й удосконалення вентиляційних систем, контролю промислових викидів, аерогідромеханіки: М.Д. Андрійчука, А.Г. Євдокімов, І.Є. Ідельчік, В.М. Крупчатніков, А.А. Мадоян, В.Я. Меклер, Ф.В. Недопьокін, Р.І. Нігматулін, Є.А. Перегуд, А.В. Прімак, І.М. Разумов, В.І. Соколова, В.М. Строй, Н.А. Фукс, В.І. Ханжонков, І.О. Хінце, Г. Шліхтінг, В.И Ельтерман та ін.

Розглянута роль промислових вентиляційних систем у забезпеченні належних санітарно-технічних норм та безпеки праці у виробничих приміщеннях. Системи вентиляції є основним джерелом викидів шкідливих для здоров'я людини й навколишнього середовища відходів виробничої діяльності, поява яких обумовлена веденням технологічних процесів у багатьох галузях промисловості.

Огляд типових схем і методів розрахунків промислових вентиляційних систем показує, що на сьогодні недостатньо розглянуті універсальні методи розрахунків характеристик довільних систем вентиляції, що дозволили б вірогідно прогнозувати їхні викиди.

Відзначається, що достовірний контроль газодинамічних параметрів промислових викидів може бути здійснений тільки лише у сформованому потоці. Питання про довжину початкової ділянки є також відкритим, оскільки в літературі в основному присутні емпіричні й напівемпіричні залежності, які значно різняться між собою. У зв'язку з цим, на основі математичного моделювання є можливим вирішення питання про довжину початкової ділянки для довільних граничних умов і форм каналу.

Важливим питанням контролю викидів промислових вентиляційних систем є вимірювання концентрації домішки в потоці. Огляд робіт з молекулярної й турбулентної дифузії показав не тільки відсутність єдиних рекомендацій з контролю концентрації домішки, але й адекватного математичного апарату для дослідження закономірностей дифузії аерозолів у турбулентних потоках у вентиляційних каналах. Прийнято напрямок дослідження дифузійних процесів з використанням рівняння турбулентної дифузії ураховуючи емпіричні залежності для коефіцієнта дифузії.

На підставі виконаного аналізу теоретичних і експериментальних робіт з теми дисертації сформульована мета й конкретні завдання дослідження, наведені на початку автореферату.

У другому розділі досліджено закономірності процесів дифузії газів і аерозолів у турбулентних потоках.

На основі аналізу класичного рівняння дифузії й гіпотези Фіка- Буссінеска для осереднених утворень пульсацій швидкостей і концентрації була виконана оцінка впливу коефіцієнта молекулярної дифузії на загальний процес при турбулентній течії основного потоку, яка показала можливість нехтування величиною останнього при числах Рейнольдса Re>10⁴, діапазон яких є робочим для промислових вентиляційних систем.

Загалом для аналізу дифузійних процесів у каналах вентиляційних систем пропонується розглядати узагальнену математичну модель массопереносу в турбулентному потоці, побудовану на базі моделі турбулентної течії при використанні гіпотези k- турбулентності й рівняння дифузії у вигляді:

де С - концентрація;

t - час;

D_в - коефіцієнт турбулентної (вихорової) дифузії;

f(x, y, z, t) - функція об'ємної щільності потужності джерел домішки.

Використовуючи емпіричні залежності для коефіцієнта турбулентної дифузії й коефіцієнта аеродинамічного опору тертя, встановлені зв'язки для основних безрозмірних критеріїв, що характеризують процес дифузії, - дифузійного числа Пеклє Pe_д, числа Шмідта Sc і Рейнольдса Re, зокрема, отримане критеріальне співвідношення:

,

де - відносна шорсткість внутрішньої поверхні каналу.



Рис.1. Зміна дифузійного числа Пеклє в шорсткому каналі

Аналіз залежності (рис.1) показав наявність автомодельної зони, при якій довжина шляху вирівнювання концентрації не буде залежати від параметрів газового потоку.

Так, зміна дифузійного числа Пеклєі Pe_д для чисел Рейнольдса Re > 1,3^.10⁵ становить не більш 5% при значеннях відносної шорсткості >0,001.

Допускаючи постійну по величині й напрямку швидкість потоку, на основі методу функцій Гріна виконане аналітичне розв'язання рівняння дифузії в круглому циліндричному каналі

(2)

де r - радіус;

x - осьова координата.

В якості граничної умови було взято вимогу відсутності проникнення домішки крізь стінки труби, а в якості початкового - рівність нулю концентрації до вмикання джерела. Отримані рівняння розподілу концентрації для функції щільності джерела постійної одиничної інтенсивності, розташованого на початку координат (де - функція Дірака), а також для функції щільності плоского кругового джерела (де H(r_k-r) - функція Хевісайда, r_k - радіус джерела).

Рівняння розподілу концентрації для плоского кругового джерела має вигляд

де безрозмірні перемінні: радіус ;

радіус джерела ;

осьова координата ;

концентрація ;

час ;

d - діаметр;

C₀ - концентрація домішки в однорідному потоці;

J₀ - функція Бесселя першого роду нульового порядку;

_n - коріння рівняння ;

J₁ - функція Бесселя першого роду першого порядку.

Отримані вирази дозволяють аналізувати розподіл концентрації домішки по перетину й довжині каналу в довільний момент часу при будь-якій комбінації параметрів. Форма подання рівнянь дозволяє розглядати в якості вихідних параметрів безрозмірні змінні й критерії, зокрема, дифузійне число Пеклє.



Рис. 2. Розподіл концентрації по радіусу на відстані 10d від джерела

На рис. 2 показаний розподіл концентрації домішки по радіусу труби на відстані 10d від плоского кругового джерела для різних його розмірів при Ре_д=368.

Необхідно відмітити, що всі криві перетинаються в одній точці, яка лежить на відстані 0,62 радіуса труби від її осі. Це значить, що, якщо датчик концентрації помістити в цій точці, він покаже значення середньої концентрації в потоці.

Рис. 3. Співвідношення концентрації біля стінок до концентрації на осі.

Важливу інформацію про ступінь рівномірності розподілу дає співвідношення концентрації біля стінок труби до концентрації на осі. Її величина змінюється від нуля при повністю неоднорідному розподілі до одиниці при повністю рівномірному. Залежність цієї величини від відстані до джерела при різних розмірах його наведена на рис. 3. Так, при відстанях більш 27,5d ступінь рівномірності має бути не менш, ніж 0,9 для всіх розмірів джерела.

Аналіз критеріальних співвідношень та аналітичних рішень дозволяє зробити висновок про те, що при турбулентному режимі течії довжина шляху вирівнювання концентрації практично не залежить від числа Рейнольдса (середньої швидкості потоку). Це можна пояснити тим, що при меншій швидкості на тій самій довжині збільшується час дифузійного процесу.

Дослідження закономірностей початкових етапів дифузії аерозолів у турбулентному потоці проводилося із застосуванням рівняння Бассе до опису руху дискретної частки.

Враховувалося, що процес дифузії аерозолів носить складний характер і умовно поділяється на три періоди: індукційний період, під час якого відбувається розгін часток стоксовими силами від нульової швидкості до швидкості основного потоку; перехідний період, під час якого дифузійний процес відбувається при змінному коефіцієнті дифузії; дифузійний процес аерозольних часток при постійному коефіцієнті дифузії, який можна досліджувати методами, що були описані вище.

Час індукційного періоду залежить від щільності, діаметра аерозольних часток та динамічної в'язкості основного потоку. Час перехідного періоду Т_пп, загалом, однозначно не визначається властивостями аерозолю та основного потоку, а в ряді випадків може встановлюватися, виходячи зі ступеня турбулентності потоку і величини дифузійного числа Пеклє.

, (4)

де ;

_p - щільність аерозольних часток;

d_p - діаметр часток;

_f - щільність основного потоку;

- ступінь турбулентності.

Змінний коефіцієнт дифузії в перехідному періоді можна оцінити за виразам

(5)

де D_вр ,D_вf - коефіцієнти дифузії аерозольних часток і основного потоку.

Оскільки процес дифузії аерозольних часток носить досить складний характер, то під час організації контролю концентрації аерозольних викидів слід враховувати як довжину шляху вирівнювання концентрації, так і довжину, яку проходять частки під час індукційного та перехідного періоду.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням дифузійних процесів в каналах вентиляційних систем.

Рис. 4. Схема експериментальної установки.

Дослідження дифузійних процесів у турбулентних потоках на вхідних ділянках круглих і кільцевих циліндричних каналів виконувалися на спеціально спроектованому і виготовленому експериментальному аеродинамічному стенді. Вимірювання поля швидкостей потоку повітря в трубопроводі на різних відстанях від сопла здійснювалося гідродинамічним методом за допомогою п'ятиканального кульового зонда. Проведена перевірка адекватності математичних моделей за критерієм Фішера = 0,95. Встановлено, що математичні моделі адекватно описують газодинамічні параметри потоку, як по довжині, так і у перетині каналу.

Адекватність математичної моделі процесу дифузії перевірялася на діючій промисловій установці вертикального пневмотранспорту (рис. 4). Забезпечити однорідність складу аерозолів під час експериментів практично неможливо, тому досліди проводилися із твердими частками вузького фракційного складу (практично з монодисперсним матеріалом, у якості якого використувався дрібнозернистий окисний каталізатор). Це дозволило виявити структуру двофазного потоку.

Виконане планування двохфакторного фізичного експерименту з розподілу концентрації домішки у перетині каналу. Доведено, що розподіл концентрації у перетині практично не залежить від числа Рейнольдса. Цей результат можна пояснити тим, що, з одного боку, збільшення швидкості транспортуючого газу (збільшення числа Рейнольдса) веде до збільшення ступеня турбулентності, а з іншого, скорочується час проходження частки від джерела домішки до точки вимірювання.

Отримана функція відгуку для концентрації домішки, яка зв'язує ортогональні координати перетину.

На рис. 5 зіставлені теоретична окружність 1 і крива 2, встановлена за отриманими дослідним шляхом даними, які відповідають середньому значенню концентрації домішки. Результати узгоджуються між собою на задовільному рівні, а наявну розбіжність можна пояснити, як погрішностю вимірювань, так і присутністю у висхідному потоці спиралевидного руху твердої фази. Зазаначено, що адекватно описує процес дифузії домішки в турбулентному потоці як повна, так і апроксимаційна моделі.

Мал. 5. Лініїї середньої концентрації у поперечному перетині

В четвертому розділі розглянуті прикладні задачі й реалізація методів прогнозного розрахунку і контролю характеристик газоаерозольных викидів промислових вентиляційних систем.

Виконана оцінка впливу радіусу встановленя датчика й числа Рейнольдса на погрішність виміру середньої концентрації турбулентного потоку, що сформувався, у вихідних каналах вентиляційних систем. На рис. 6 наведено розподіл модуля систематичної погрішності у безрозмірному радіусі в круглому циліндричному каналі при різних числах Рейнольдса. З метою визначення радіуса концентрації (нульової систематичної погрішності у круглій трубі рекомендується використовувати вираз

, (6)

де n - показник ступеня в розподілі концентрації турбулентного потоку, що сформувався, для розрахунків якого отримана апроксимаційна залежність

.

Рис. 6. Погрішність вимірювання концентрації

Як показали розрахунки, радіус середньої концентрації має значення 0,76r₀ в діапазоні Re=10⁴10⁶, що є робочим для промислових вентиляційних систем.

Установлені вирази для двох радіусів середньої концентрації в кільцевому циліндричному каналі

(7)

, (8)

де ; ; - безрозмірний формпараметр;

- безрозмірний радіус максимальної концентрації, що визначається за формулою

.

На рис. 7 показані залежності безрозмірних радіусів середньої концентрації від безрозмірного формпараметра каналу , розраховані при n=1/7. Як бачимо, дані радіуси суттєво залежать від співвідношення радіусів внутрішньої й зовнішньої поверхонь каналу. Оцінку впливу числа Рейнольдса на радіус середньої концентрації виконано на підставі апроксимаційної залежності для показника n. Розрахунки показують, що, як і у випадку з кругловим циліндричним каналом, у діапазоні робочих чисел Рейнольдса для промислових вентиляційних систем величина радіуса середньої концентрації змінюється не суттєво. З двох радіусів середньої концентрації в кільцевому циліндричному каналі, які визначаються, виходячи зі співвідношення радіусів внутрішньої й зовнішньої поверхонь, на практиці рекомендовано використовувати більший.

Рис. 7. Радіуси середньої концентрації у кільцевому каналі

Рекомендована відстань встановлення датчика концентрації домішки від входу в канал, становить 30 діаметрів каналу й більше, що забезпечує погрішність виміру середньої концентрації менш, ніж 5%. Виходячи з того, що довжина аеродинамічної початкової ділянки менше довжини шляху вирівнювання концентрації, для вентиляційних каналів, що мають достатню довжину, в якості приймачів повного тиску в потоці при визначенні витрат використовують пробовідбірне обладнання для вимірювання концентрації домішки. При цьому, довжину початкової ділянки необхідно брати не менш, ніж 30 гідравлічних діаметрів, радіус установки для круглих циліндричних каналів - 0,76r₀, а для кільцевих - виходячи зі співвідношення радіусів внутрішньої й зовнішньої поверхонь.

У тому випадку, коли довжина вентиляційних каналів не дозволяє повною мірою реалізувати рекомендації з розташування засобів контролю з урахуванням довжини початкової ділянки, на якій формується профіль швидкості потоку й відбувається вирівнювання концентрації домішки по перетину, обов'язковою є корекція результатів вимірювань на підставі розрахунків по адекватних математичних моделях дифузійних процесів у турбулентних потоках.

Запропонована методика визначення часу проходження дискретних часток по тракту вентиляційних систем. Методика враховує тривалість індукційного періоду в русі часток і спирається на результати розрахунку параметрів стаціонарного режиму роботи вентиляційної системи, з якого встановлюються величини швидкостей основного потоку в магістралях системи. З використанням запропонованої методики також зроблена оцінка часу переміщення радіоактивних аерозольних часток від місця викиду до засобів їх реєстрації у вентиляційній системі енергоблоку атомної станції. Для аналізу фактичних радіаційних умов у реакторному відділенні рекомендовано коректувати радіоактивність викидів, що контролюються у вихідній вентиляційній трубі.

Для підвищення ефективності очищення викидів були запропоновані методи вдосконалення аеродинамічних характеристик фільтрів промислових підприємств. Так, для підвищення терміну служби вугільних адсорберів і фільтрів з тканини рекомендовані системи очищення повітря з циклоном і з охолоджуючими стінками, системи очищення повітря з охолодженням трубкою Ранка, системи очищення повітря з використанням підпірного ежектора. Була розглянута можливість вдосконалення конструкції вентилятора (Патенти України на корисну модель №25460, №25366), що використовується в системі очищення забрудненого повітря промислових підприємств. З метою вдосконалення аеродинамічних характеристик фільтрів АЕС (за основу взятий адсорбер вугільний АУИ-1500, що використовується у вентиляційній системі TL-22) запропоновано втановити дифузор на вході в корпус фільтра й конфузор на його виході, опір фільтра знижується на 30 %.

Для вирівнювання поля швидкостей середовища, що фільтрується, при проходженні через шар адсорбера розроблені запатентовані конструкції (рис. 8, 9, 10) й інші (Патенти України на корисну модель №17098, №25320, №27686, №33457), які можуть бути використані в системі очищення повітря промислових підприємств і атомних станцій. Це дало змогу також зменшити гідравлічний опір у шарі адсорбера.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішене важливе науково-технічне завдання: підвищення ефективності контролю й прогнозування характеристик газоаерозольних потоків промислових вентиляційних систем. Розв'язання цього завдання спрямоване на вдосконалення промислових систем вентиляції й дозволяє досягти ефекту в технічному, економічному, соціальному і екологічному відношенні. За результатами досліджень було зроблено наступні висновки:

1. Для розрахунків дифузії домішки адаптовано узагальнену математичну модель массопереносу в потоці на основі моделі турбулентності для каналів вентиляційних систем, яка враховує концентрацію домішки в однорідному потоці, щільність потужності джерела домішки.

2. Аналіз критеріальних співвідношень дозволив установити закономірності протікання процесу дифузії "пасивної" домішки в циліндричних каналах з урахуванням шорсткості внутрішньої поверхні при турбулентному режимі течії. Встановлена наявність автомодельної зони, при якій довжина шляху вирівнювання концентрації не буде залежати від параметрів газового потоку. Так, зміна дифузійного числа Пеклє Pe_д для чисел Рейнольдса Re = 3^.10⁵ становить не більш, ніж 5% при значеннях відносної шорсткості >0,001. Доведено, що при турбулентному режимі течії довжина шляху вирівнювання концентрації практично не залежить від числа Рейнольдса, але, у той самий час, визначається необхідним ступенем рівномірності концентрації у перетині. Так при відстані до джерела, що дорівнює 20 діаметрам, ступінь рівномірності досягає 0,75, а при відстані в 30 діаметрів ступінь рівномірності перевищує 0,9. Це показує, що на відстані 0,62 радіуса труби від осі для різних розмірів джерела величина концентрації дорівнює середньому значенню, а, отже, відповідає концентрації однорідного потоку.

3. Встановлено закономірності початкових етапів дифузії аерозолів у турбулентному потоці, що враховують фізико-механічні властивості дискретних часток. Для коефіцієнта дифузії аерозолів, що є змінним під час перехідного періоду, отримано вираз при апроксимації коефіцієнта тимчасової лагранжевої кореляції основного потоку експоненційною залежністю.

4. З метою перевірки адекватності математичних моделей дифузійних процесів домішкових речовин у турбулентних потоках, спроектовано та виготовлено експериментальну установку, що забезпечує проведення експериментів.

5. Сплановано і проведено двохфакторний фізичний експеримент із визначення розподілу концентрації домішки по перетину каналу. Встановлено, що розподіл концентрації у перетині практично не залежить від числа Рейнольдса. Отримана функція відгуку для концентрації домішки, що зв'язує ортогональні координати перетину. Проведена перевірка адекватності математичної моделі дифузії домішки в турбулентному потоці. Доведено, що адекватно описує процес дифузії домішкових речовин у турбулентному потоці як повна, так і апроксимаційна моделі.

6. На основі отриманих результатів розроблено ряд технічних засобів, що підвищують точність виміру характеристик викидів і систем, що розширюють функціональні можливості контролю.

7. Розроблено методику визначення часу проходження дискретних часток по тракту вентиляційних систем, що враховує тривалість індукційного періоду в русі часток. З використанням запропонованої методики виконана оцінка часу переміщення радіоактивних аерозольних часток від місця викиду до засобів їх реєстрації у вентиляційній системі енергоблоку ВВЭР-1000. Доведено, що час проходження в ряді випадків становить більше 30 с. Цю величину слід враховувати для аналізу радіаційного середовища в реакторному відділенні через контрольовану радіоактивність викидів у вихідній вентиляційній трубі в реальному часі.

8. Запропоновано конструкцію аерозольних фільтрів (адсорберів) (Патенти України на корисну модель № 27686, № 33457, №17098, №25320) і вентиляторів(Патенти України на корисну модель №25460, №25366), яка зменшує гідравлічний опір та поліпшити їхні аеродинамічні характеристики.

Наукові й практичні результати впроваджено на промислових підприємствах, об'єктах комунального господарства, у науково-дослідних організаціях, що дозволило одержати економічний ефект в розмірі 21000 грн., проведення реконструкції систем вентиляції, оптимізації вкладення засобів у підвищення рівня технічної оснащеності систем контролю викидів, відмови від використання імпортного устаткування, поліпшити аеродинамічні характеристики фільтрів та вентиляторів та зменшити гідравлічний опір в шарі адсорбера.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Насонкина И. К. Контроль аэрозольных выбросов / И. К. Насонкина // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2007. - № 4 (110). - С. 184-187.

2. Соколов В. И. Моделирование массопереноса в турбулентном потоке / В. И. Соколов, А. А. Коваленко, И. К. Насонкина, А. В. Андрийчук // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. - 2007. - № 3 (109). - С. 154-158.

Авторові належить дослідження характеристик масопереносу на математичній моделі

3. Соколов В. И. Математическая модель диффузии круглого источника в турбулентном потоке / В. И. Соколов, А. А. Коваленко, Н. Д. Андрийчук, И. К. Насонкина // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. - 2007. - № 70 (93). - С. 74-80.

Авторові належить обґрунтування моделі турбулентності в математичній моделі масопереносу

4. Соколов В. И. Особенности контроля аэрозольных выбросов / В. И. Соколов, А. А. Коваленко, И. К. Насонкина // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. - 2007. - № 72 (95). - С. 58-63.

Авторові належить обґрунтування розташування приладів контролю в турбулентному потоці

5. Гусенцова Я. А. Технико-экономические характеристики систем вентиляции / Я. А. Гусенцова, М. Е. Шпарбер, К. Н. Андрийчук, И. К. Федорова (Насонкина) // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. - 2006. - № 58 - С. 69-72.

Авторові належить обґрунтування критерію економічності систем вентиляції.

6. Коваленко А. А. Контроль газоаэрозольных выбросов вентиляционных систем [Електронный ресурс] / А. А. Коваленко, И. К. Насонкина, В. И. Соколов // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. - Луганск, 2008. - № 1Е №2Е/2008. - Режим доступа к журналу: http://www.nbuv.gov.ua/

Авторові належить обґрунтування методики контролю аерозольних викидів в турбулентному потоці

7. Соколов В. И. Модель двухфазного потока в канале вентиляционной установки / В. И. Соколов, А. А. Коваленко, И. К. Насонкина, И.В. Щурова // Современный научный вестник. - 2008. - № 30 (56) - С. 4-10.

Авторові належить перевірка адекватності математичною і дослідження характеристик двофазного потоку.

8. Дифузійні процеси в технічних пристроях / [Андрійчук Н. Д., Насонкіна І. К, Коваленко А. О., Соколов В. І.]. - Луганськ : Видавництво СНУ ім. В. Даля, 2008. - 240 с.

Авторові належить дослідження характеристик дифузійного процесу в каналах систем вентиляції.

9. Андрійчук Г. В. Фільтри технічних систем / Андрійчук Г. В., Насонкіна І. К., Гончарова Н. В. - Луганськ : Видавництво СНУ ім. В. Даля, 2007. - 107 с.

Авторові належить розробка і обґрунтування ефективності різних конструкцій аерозольних фільтрів.

10. Пат. на корисну модель 17098 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Вугільний фільтр / Гусєнцова Я. А., Коваленко А. О., Дядичев К. М., Мінін С. О., Богорад В. І., Лавренчук А. І., Соколов В. І., Федорова І. К. (Насонкіна І. К.), Гусєнцова Є. С., Подлєсна С. В.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2006 02310 ; заявл. 02.03.06 ; опубл. 15.09.06, Бюл. № 9.

Авторові належить розробка схем вугільних фільтрів.

11. Пат. на корисну модель 25320 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Вугільний фільтр / Коваленко А. О., Андрійчук Г. В., Насонкіна І. К., Щурова І. В., Соколов В. І., Гусєнцова Є. С., Баранич Ю. В., Пастушкова І. Д., Чередниченко Г. Ю.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2007 01100 ; заявл. 02.02.07 ; опубл. 10.08.07, Бюл. № 12.

Авторові належить обґрунтування ефективності вугільного фільтру.

12. Пат. на корисну модель 27686 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Вугільний фільтр / Коваленко А. О., Андрійчук Г. В., Насонкіна І. К., Соколов В. І., Гусєнцова Я. А., Гусєнцова Є. С., Пастушкова І. Д., Чередниченко Г. Ю., Гончарова Н. В.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2007 07357 ; заявл. 02.07.07 ; опубл. 12.11.07, Бюл. № 18.

Авторові належить обґрунтування ефективності вугільного фільтру.

13. Пат. на корисну модель 33457 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Вугільний фільтр / Коваленко А. О., Андрійчук Г. В., Насонкіна І. К., Соколов В. І., Гусєнцова Є. С., Щурова І. В., Пастушкова І. Д., Чередниченко Г. Ю.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2008 01478; заявл. 05.02.08 ; опубл. 25.06.08, Бюл. № 12.

Авторові належить формулювання формули винаходу, обґрунтування ефективності вугільного фільтру.

14. Пат. на корисну модель 25460 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Протизривний пристрій осьового вентилятора / Башков В. М., Андрійчук Г. В., Бикадоров В. В., Коваленко А. О., Баранич Ю. В., Гусєнцова Є. С., Соколов В. І., Насонкіна І. К., Щурова І. В.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2007 03434 ; заявл. 29.03.07 ; опубл. 10.08.07, Бюл. № 12.

Авторові належить формулювання формули винаходу, обґрунтування ефективності противосривного пристрою.

15. Пат. на корисну модель 25366 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Протизривний пристрій осьового вентилятора / Башков В. М., Андрійчук Г. В., Бикадоров В. В., Коваленко А. О., Баранич Ю. В., Гусєнцова Є. С., Соколов В. І., Насонкіна І. К., Щурова І. В.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2007 02388 ; заявл. 05.03.07 ; опубл. 10.08.07, Бюл. № 12.

Авторові належить формулювання формули винаходу, обґрунтування ефективності противосривного пристрою.

16. Vladimir I. Sokolov. The Stages of Aerosols' Diffusion in Turbulent Flows / Vladimir I. Sokolov, Alim A. Kovalenko, Inna K. Nasonkina // «MATERIALY VI MIКDZYNARODOWEJ NAUKOWI-PRAKTYCZNEJ KONFERENCJI "Nauka: teoria i praktyka - 2010» 07.08-15.08, 2010 roku. Przemyњl: Publishing House “Nauka i studia”, 2010. - P. 95-102.

Авторові належить формулювання завдань дослідження і висновки.

17. Genadiy S. Kaluzhny. The aerosols' point source of constant intensity in a flow / Genadiy S. Kaluzhny, Alim A. Kovalenko, Inna K. Nasonkina // «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития `2010» 04.10-15.10, 2010 года. - Одесса: Черноморье, 2010. - 94-100.

Авторові належить аналіз результатів дослідження та висновки.

АННОТАЦИЯ

Насонкина И. К. Эффективность контроля газоаэрозольных потоков в промышленной вентиляции. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Одесский национальный политехнический университет Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины, Одесса, 2011г.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи - повышение эффективности контроля газоаэрозольных потоков промышленных вентиляционных систем на основе математического моделирования.

Обзор типовых схем и методов расчета промышленных вентиляционных систем показывает, что в настоящее время не достаточно рассмотрены универсальные методы расчета характеристик произвольных систем вентиляции, позволяющие достоверно прогнозировать их выбросы. В связи с этим в диссертационной работе предложены методы расчета диффузии газоаэрозольных потоков в промышленных вентиляционных систем, позволившие совершенствовать системы вентиляции, а также прогнозировать их выбросы.

На основе анализа критериальных соотношений и аналитических решений определено, что при турбулентном режиме течения длина пути выравнивания концентрации практически не зависит от числа Рейнольдса.

Определено три периода времени в процессе диффузии: индукционный, переходной, протекание процесса диффузии аэрозольных частиц при постоянном коэффициенте диффузии.

Экспериментально подтверждена адекватность обобщенной математической модели массопереноса в потоке на основе k- модели турбулентности, адаптированная для каналов вентиляционных систем, на основе которой установлены закономерности распределения концентрации примеси по сечению круглого цилиндрического канала на различных расстояниях от источника примеси, проверенные экспериментально.

Получена функция отклика для концентрации примеси. Доказано, что адекватно описывает процесс диффузии примеси в турбулентном потоке как полная, так и аппроксимационная модель.

С целью оценки остаточной радиоактивности аэрозолей, содержащих радиоактивный йод, разработана методика определения времени прохождения дискретных частиц по тракту вентиляционных систем, учитывающая длительность индукционного периода в движении частиц,

Установлены также закономерности начальных этапов диффузии аэрозолей в потоке, учитывающие физико-механические свойства дискретных частиц, устанавливающие минимально допустимые расстояния размещения контрольных приборов в системе вентиляции.

В качестве практической реализации результатов исследования разработаны и внедрены рекомендации по размещению средств контроля в каналах вентиляционных систем, которые обеспечивают достоверную оценку концентрации примеси и расхода выбросов, технические средства контроля, которые повышают точность измерения характеристик выбросов и расширяют функциональные возможности систем контроля.

Разработаны более усовершенствованные конструкции аэрозольных фильтров (угольных адсорберов), повышающие эффективность очистки выбрасуемых загрязнений. Предложены технологические схемы для очистки выбросов и конструкции осевых вентиляторов.

Ключевые слова: прогнозирование, аэрозоль, выбросы, диффузия, критерии подобия, математическая модель, адекватность.

АНОТАЦІЯ

Насонкіна І. К. Ефективність контролю газоаєрозольних потоків в промисловій вентиляції. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 - технічна теплфізика і промислова теплоенергетика. - Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, Одеса, 2011р.

Дисертація присвячена рішенню актуальної задачі - підвищення ефективності контролю газоаерозольних потоків промислових вентиляційних систем на основі математичного моделювання.

В дисертаційній роботі запропоновані методи розрахунку характеристик газоаерозольних потоків в промислових вентиляційних системах, що дозволили удосконалювати системи вентиляції, а також прогнозувати їх викиди.

Огляд типових схем і методів розрахунку промислових вентиляційних систем показує, що на сьогодні недостатньо розглянуті універсальні методи розрахунку характеристик довільних систем вентиляції, що дозволили б вірогідно прогнозувати їхні викиди. У зв'язку з цим в дисертаційній роботі запропоновані методи розрахунку дифузії газоаерозольних потоків в промислових вентиляційних системах, що дозволили вдосконалити системи вентиляції, а також прогнозувати їхні викиди.

Експериментально підтверджена адекватність узагальненої математичної моделі масопереносу в потоці на основі k-е моделі турбулентності, адаптованої для каналів вентиляційних систем.

З метою оцінки залишкової радіоактивності аерозолів, що містять радіоактивний йод, розроблена методика визначення часу проходження дискретних частинок по тракту вентиляційних систем.

В якості практичної реалізації результатів дослідження розроблені й впроваджені рекомендації з розміщення засобів контролю в каналах вентиляційних систем.

Ключові слова: прогнозування, аерозоль, викиди, дифузія, критерії подібності, математична модель, адекватність.

ANNOTATION

Inna K. Nasonkina. Efficiency of the Gasaerosol Control Flows in Industrial Ventilating Systems. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on specialty 05.14.06 - Technical Thermal Physics and Industrial Power System. - Odessa National Polytechnic University of the Ministry of Education and Science, Youth and Sport of Ukraine, Odessa, 2011г.

Thesis is devoted to solution of an actual problem - increasing of efficiency of the gasaerosol control flows in industrial ventilating systems on the basis of mathematical simulation.

The survey of typical schemes and methods of calculation of industrial ventilation systems shows, that now the universal methods of calculation of performances of the arbitrary ventilating systems, permitting reliably to forecast their emission practically are absent. In this connection in dissertational operation methods of calculation of performances gasaerosol flows in the industrial ventilation systems are offered, permitted to improve ventilating systems, and also to forecast their emission.

Experimentally adequacy of the generalized mathematical model of mass transfer in a flow on a basis of k-е turbulence models, adapted for channels of ventilation systems is approved.

With the purpose of estimation of a residual radio-activity of the aerosols containing radioactive iodine, the procedure of determination of transit time for discrete particles in a tract of the ventilation systems is developed.

In the capacity of practical realization of research results the recommendations on accommodation of control devices in channels of ventilation systems are developed.

Keywords: forecasting, an aerosol, s emission, a diffusion, similitude parameters, a mathematical model, adequacy.

Размещено на Allbest.ru

...