Підвищення достовірності прогнозування та контролю характеристик газоповітряних викидів промислових вентиляційних систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність проблеми.

Складеною частиною будь-якого промислового підприємства є такі інженерно-технічні спорудження, як вентиляційні системи, що забезпечують необхідні санітарно-технічні норми у виробничих приміщеннях, безпеку праці та дотримання технологічних процесів. Особлива увага до систем вентиляції також приділяється як до основного джерела викидів шкідливих для здоров'я людини і навколишнього середовища відходів виробничої діяльності, що обумовлені веденням технологічних процесів в енергетиці, хімічної, гірничодобувної промисловості, будівництві та інших галузях народного господарства.

На сучасному етапі розвитку промисловості України в умовах жорсткої економічної політики гостро стоять питання скорочення строків і коштів на проектування та модернізацію інженерно-технічних споруджень, безупинного поліпшення умов праці, підвищення екологічної безпеки. Доля витрат на розробку систем вентиляції і контролю викидів залишається великою і у середньому складає 10-15 % від вартості споруджень, а експлуатаційні витрати на їхнє функціонування в ряді випадків досягають 50-60 % від загальних. Особливий характер носять роботи по модернізації систем вентиляції і контролю викидів атомних станцій, що виробляють понад 50 % електроенергії на Україні, більшість з яких мають досить тривалий строк експлуатації. Тому для удосконалювання вентиляційних систем актуальною є проблема підвищення достовірності прогнозування і контролю характеристик газоповітряних викидів, рішення якої дозволить досягти ефекту в технічному, економічному, соціальному та екологічному відношенні.

Існуючі розрізнені дослідження не дозволяють перспективно підходити до удосконалювання систем вентиляції і контролю викидів, знаходити оптимальні рішення без попередніх і тривалих експериментальних досліджень та доведень. Відсутні універсальні методи прогнозного розрахунку характеристик вентиляційних систем, а, крім того, існують об'єктивні труднощі, зв'язані з рішенням складних наукових задач, таких як дослідження характеристик турбулентних течій і дифузійних процесів у них.

Реальним шляхом вирішення наявної проблеми є розробка нових і підвищення точності існуючих методів прогнозування та контролю характеристик викидів на основі математичного моделювання газоповітряних потоків систем вентиляції.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є розробка і підвищення точності методів прогнозування та контролю характеристик викидів промислових вентиляційних систем на основі математичного моделювання газоповітряних потоків, що дозволяють удосконалювати системи вентиляції і забезпечують достовірну оцінку параметрів викидів в експлуатаційних та проектних режимах роботи.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

Розробка методики статичної і динамічної об'єктної декомпозиції вентиляційних систем, яка включає виділення типових розрахункових елементів, структур і зв'язків.

Розробка методів розрахунку параметрів газоповітряних потоків промислових вентиляційних систем для прогнозування їх викидів на основі математичного моделювання.

Адаптація математичних моделей газових потоків для каналів вентиляційних систем, удосконалювання алгоритмів чисельного моделювання. Дослідження турбулентних течій у вихідних каналах вентиляційних систем, аналіз нерівномірності профілів швидкості по довжині і перетину каналів, оцінка параметрів початкових ділянок потоків.

Адаптація математичних моделей дифузійних процесів газів і аерозолів у турбулентних потоках для каналів вентиляційних систем. Дослідження процесів дифузії типових джерел домішки в потоці для визначення закономірностей розподілу концентрації домішки по довжині і перетину каналів.

Аналіз погрішностей у визначенні характеристик газоповітряних потоків при контролі промислових викидів.

Розробка рекомендацій по розміщенню засобів контролю в каналах вентиляційних систем для підвищення точності виміру параметрів викидів.

Удосконалювання технічних засобів контролю параметрів викидів з метою підвищення їхньої точності та розширення функціональних можливостей.

Об'єкт дослідження - промислові системи вентиляції.

Предмет дослідження - характеристики газоповітряних викидів промислових вентиляційних систем.

Методи дослідження.

Методологічну основу проведених автором досліджень складає системний підхід до моделювання газодинамічних параметрів викидів на основі об'єктної декомпозиції вентиляційних систем. В основі математичних моделей лежать класичні рівняння аерогідромеханіки (рівняння енергії, нерозривності і стану середовища, рівняння руху Рейнольдса, рівняння масопереносу в потоці). У ряді випадків використані емпіричні залежності і наближені формули, що є цілком припустимим при моделюванні таких складних об'єктів, якими є системи вентиляції промислових підприємств.

При виконанні експериментальних досліджень використані статистичні методи планування та обробки дослідних даних.

Достовірність наукових результатів дисертації підтверджується адекватністю даних, отриманих на математичних моделях, що обумовлено відповідністю прийнятих допущень характеру розв'язуваних задач, обґрунтованим вибором контрольно-вимірювальної апаратури, методів обробки експериментальних даних.

Наукова новизна.

Запропоновані методи розрахунку характеристик газоповітряних потоків промислових вентиляційних систем, які включають об'єктну декомпозицію на типові розрахункові елементи, структури і зв'язки, що дозволяють удосконалювати системи вентиляції, а також прогнозувати їх викиди на основі математичного моделювання.

Розроблена математична модель потоку в'язкого нестисливого середовища в кільцевому циліндричному каналі з адаптованою тришаровою моделлю турбулентної течії при кусочно-лінійному розподілі вихрової в'язкості, що дозволяє досліджувати течії на вхідних ділянках каналу.

Розроблена узагальнена математична модель масопереносу в потоці на основі k- моделі турбулентності, що адаптована для каналів вентиляційних систем.

Встановлені закономірності розподілу концентрації домішки по перетину круглого циліндричного каналу на різних відстанях від джерела домішки, перевірені експериментально.

Розроблена методика визначення часу проходження дискретних часток по тракту вентиляційних систем, що враховує тривалість індукційного періоду в русі часток.

Встановлені закономірності початкових етапів дифузії аерозолів у потоці, що враховують фізико-механічні властивості дискретних часток.

Практичне значення та впровадження результатів дослідження.

· розроблені рекомендації по розміщенню засобів контролю в каналах вентиляційних систем, що забезпечують достовірну оцінку концентрації домішки і витрати викидів.

· розроблені методики, алгоритми і програми розрахунку характеристик промислових вентиляційних систем, що дозволяють удосконалювати системи вентиляції та прогнозувати їх викиди на основі чисельного моделювання.

· розроблені технічні засоби контролю, що підвищують точність виміру характеристик викидів та розширюють функціональні можливості систем контролю.

1. Розгорнутий огляд стану проблеми, зокрема, розгляд питань прогнозування та контролю параметрів газоповітряних викидів промислових вентиляційних систем, дослідження характеристик турбулентних потоків і дифузійних процесів у них, методи та засоби виміру кількісних характеристик промислових викидів

Відзначено внесок у рішення даної проблеми вчених в області дослідження та удосконалювання вентиляційних систем, контролю промислових викидів, аерогідромеханіки: П.Б. Балтренас, М.М. Беляєв, М.Є. Берлянд, П. Бредшоу, О.Л. Голубенко, М.І. Грімітлін, В.Ф. Губар, О.Г. Євдокимов, І.Є. Ідельчик, В.М. Качан, А.О. Коваленко, Ю.А. Куліков, Б.М. Ласкорін, Л.Г. Лойцянський, Б.І. Медведєв, В.Я. Меклер, Ф.В. Недопьокін, Р.І. Нігматулін, Є.А. Перегуд, І.Л. Повх, Д.М. Попов, О.В. Приймак, І.М. Разумов, М.Г. Рибальскій, В.Ф. Сліпих, А.Ф. Строй, В.М. Талієв, Є.П. Уваров, В.М. Ужов, М.О. Фукс, В.І. Ханжонков, І.О. Хінце, В.К. Хрущ, В.І. Шелудченко, Г. Шліхтінг, В.М. Ельтерман, О.М. Яхно та ін.

Відзначена роль промислових вентиляційних систем у забезпеченні необхідних санітарно-технічних норм у виробничих приміщеннях і безпеці праці. Системи вентиляції являються основним джерелом викидів шкідливих для здоров'я людини і навколишнього середовища відходів виробничої діяльності у багатьох галузях народного господарства.

Огляд типових схем і методів розрахунку промислових вентиляційних систем показує, що в нинішній час відсутні універсальні методи розрахунку характеристик довільних систем вентиляції, які дозволяють достовірно прогнозувати їх викиди. Аналіз літературних джерел по моделюванню складних гідравлічних і електричних сітей дозволив намітити шляхи побудови методів прогнозного розрахунку на основі декомпозиції вентиляційних систем на типові розрахункові елементи, структури і зв'язки для моделювання статичних та динамічних режимів роботи.

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 та напівемпіричні залежності, що значно розрізняються між собою. У цьому зв'язку, рішення питання про довжину початкової ділянки для довільних граничних умов і форм каналу представляється можливим на основі математичного моделювання.

Важливим питанням контролю викидів промислових вентиляційних систем є вимір концентрації домішки в потоці. Огляд робіт по молекулярній і турбулентній дифузії показав не тільки відсутність єдиних рекомендацій по контролю концентрації домішки, але і адекватного математичного апарата для дослідження закономірностей дифузії аерозолів в турбулентних потоках у каналах. Прийнято напрямок дослідження дифузійних процесів на основі рівняння турбулентної дифузії з обліком емпіричних залежностей для коефіцієнта дифузії, а при дифузії аерозолів розглядати розходження енергетичних спектрів часток і потоку.

На підставі виконаного аналізу теоретичних і експериментальних робіт по темі дисертації сформульовані мета і конкретні задачі дослідження, приведені на початку автореферату.

2. Розробка методів розрахунку і прогнозування характеристик вентиляційних систем

Для розрахунку і прогнозування стаціонарних режимів роботи довільних систем вентиляції пропонується метод, основу якого складає декомпозиція системи на типові розрахункові і структурні елементи та побудова узагальненої математичної моделі.

Методика декомпозиції передбачає виділення наступних типових розрахункових елементів:

джерела напору (вентилятори, газодувки, димососи, компресори і т.д.);

ділянки повітроводів, по яких здійснюється рух газового середовища;

запірно-регулюючі пристрої (засувки, місцеві опори і т.д.).

технологічні пристрої, що здійснюють викид чи добір робочого середовища із системи (наприклад, канал викиду в атмосферу).

Моделлю джерела напору приймається залежність між повним тиском pv та витратою Q, яка у зоні робочих режимів апроксимується тричленом:

,

де a, b, c - постійні для даного вентилятора коефіцієнти.

В якості розрахункової моделі ділянки повітроводу використовується залежність втрат тиску на тертя і місцеві опори на розглянутій ділянці від витрати з урахуванням, в загальному випадку, режиму руху рідини, який характеризується числом Рейнольдса Re:

,

де - шорсткість внутрішньої поверхні повітроводу; - коефіцієнт місцевого опору.

Моделлю запірно-регулюючих пристроїв і технологічних пристроїв, що здійснюють викид чи добір робочого середовища, приймається залежність втрат тиску від витрати:

ю

У якості базових структурних елементів розглядаються конструктивні вузли і замкнуті контури. В якості конструктивного вузла прийняті місця розгалуження і злиття магістралей (рис.1). Для кожного з них треба дотримуватися рівняння нерозривності (у рамках моделі нестисливого середовища):

,

де Qn - витрата робочого середовища, що подається джерелом напору чи відбирається (викидається) з n-го вузла; qn,p - витрата, що втікає чи витікає з цього вузла по ділянці повітроводу, підключеній до цього вузла; MU - число ділянок, підключених до вузлу. Можна умовиться давати позитивне значення витраті, якщо вона спрямована до вузлу (див. рис.1).

Зв'язок повних тисків між двома сусідніми вузлами при наявності між ними, в загальному випадку, джерел напору (рис.2) представляється на основі рівняння Бернуллі:

,

де - повні тиски у вузлах; - сума характеристик джерел напору, встановлених між вузлами; - статичний перепад тисків між вузлами, враховуючий різницю температур; - сума перепадів тисків на запірно-регулюючих пристроях; - сума втрат тиску на ділянках повітроводів; SV - число джерел напору між вузлами; SP - число запірно-регулюючих пристроїв; SK - число ділянок повітроводів.

Для кожного i-го замкнутого контуру в системі:

,

де NK - число лінійних (міжвузлових) ділянок, що входять у склад замкнутого контуру; - відповідно суми втрат тисків на ділянках повітроводів, на запірно-регулюючих пристроях, сума характеристик джерел напору на j-й лінійній ділянці.

Якщо виділити в довільній вентиляційній системі відповідно вищевикладеній методиці типові розрахункові елементи, конструктивні вузли і замкнуті контури, то в загальному випадку будемо мати KU вузлів і KK замкнутих контурів. Тоді, для всієї системи можна скласти узагальнену математичну модель, в котру ввійдуть KU рівнянь нерозривності (балансу витрат) у вузлових точках, KK рівнянь втрат тиску в замкнутих контурах системи, KU-1 рівнянь зв'язку повних тисків у вузлових точках. З обліком прийнятих математичних моделей типових розрахункових елементів узагальнену математичну модель можна звести до системі з М лінійних і N нелінійних рівнянь:

де m - показник ступеня в рівнянні втрат тиску для ділянки повітроводу (прийнятий при турбулентному режимі руху, що є робочим для реальних систем, рівним 2); Ai, Bi,j, Ci,j - постійні коефіцієнти, що визначаються підсумовуванням коефіцієнтів характеристик джерел напору, а також додаванням статичних тисків до коефіцієнту Ai при записі зв'язку між двома сусідніми вузлами; - приведені опори.

Використання запропонованої узагальненої математичної моделі для розрахунку параметрів стаціонарного режиму довільної системи передбачає завдання наступних вхідних даних: схема розташування елементів у системі; геометричні характеристики ділянок повітроводів і коефіцієнти встановлених місцевих опорів; аеродинамічні характеристики запірно-регулюючих пристроїв; характеристики джерел напору; висотні відмітки і значення температури у вузлових точках; фізичні властивості робочого середовища; граничні умови (величини тисків і температури в місцях забору і викиду робочого середовища).

Виконаний аналіз і обґрунтування чисельних методів розрахунку характеристик вентиляційних систем на узагальненій математичній моделі. Розглянуто методи Ньютона та Зайделя, метод ітерацій і половинного ділення. Для багатолінійних вентиляційних систем з єдиним вихідним каналом представлена типова розрахункова схема і деталізована узагальнена математична модель. Для розрахунку параметрів подібних систем наведений метод і розроблений алгоритм чисельної процедури.

Для прогнозування нестаціонарних процесів у напірних газових системах запропонований метод, який заснований на декомпозиції системи на базові елементи, що виконується в залежності від рівня наближення математичних моделей. При використанні моделей із зосередженими параметрами в якості базових розглядаються наступні елементи: акустичні ємності; індуктивності; активні опори. До першій групі віднесені елементи, у який можна зневажити організованим рухом робочого середовища (приміщення, ресивери і т.п.). В другу групу ввійшли ділянки повітроводів та елементи зв'язку споруджень вентиляційних систем, по яких здійснюється рух робочого середовища та які мають помітну довжину в співвідношенні з площею прохідного перетину. У третю групу включені місцеві опори; запірно-регулюючі пристрої; ділянки повітроводів; елементи, що зв'язують між собою приміщення; нещільності останніх Крім того, сюди віднесені джерела напору, які при нестаціонарних процесах створюють активний опір переміщенню робочого середовища, а також пристрої, що здійснюють його добір чи викид із системи.

У відповідності з запропонованим методом довільна система представляється з N акустичних ємностей, кожна з яких характеризується абсолютним тиском Pi і температурою Ti, i=1…N. Кожна ємність формально взаємно зв'язана з іншими, в загальному випадку, через індуктивності та активні опори, оскільки їх параметри можуть залежати від напрямку потоку. По відзначеним обставинам взаємний зв'язок розглядається для кожної ємності також з навколишнім середовищем. Для прийнятого підходу до динамічній декомпозиції показаний приклад складання узагальненої математичної моделі нестаціонарних газодинамічних процесів у довільних системах.

3. Адаптація математичних моделей газових потоків для каналів вентиляційних систем, удосконалюванню алгоритмів чисельного моделювання

Крім того, проведено дослідження турбулентних течій у вихідних каналах вентиляційних систем, виконаний аналіз нерівномірності профілів швидкості по довжині і перетину каналів, дана оцінка параметрів початкових ділянок потоків.

Для підвищення достовірності прогнозного розрахунку характеристик трьохмірних газових потоків у циліндричних і призматичних каналах вентиляційних систем адаптована математична модель турбулентної течії, що заснована на k- моделі турбулентності,

де - координата, спрямована по осі каналу; - проекції швидкості; р - тиск; k - кінетична енергія турбулентності; - швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентності; емпіричні константи С=0,09; k=1,0; =1,3; С1=1,43; С2=1,92; у стандартній моделі С3 = 0, у модифікованій - С3=0,25; - кінематична в'язкість; в - турбулентна (вихрова) в'язкість.

Для круглих та кільцевих циліндричних каналів обґрунтовано краще використання моделей турбулентності з заданим законом розподілу вихрової в'язкості. Основу розподілу вихрової в'язкості в круглому каналі складає модифікована тришарова модель, відповідно якій в потоці мається ядро з постійним значенням вихрової в'язкості, проміжний шар з лінійним зменшенням її значення до нуля та в'язкий підшар.

Для кільцевого циліндричного каналу адаптована тришарова модель турбулентної течії з кусочно-лінійним розподілом вихрової в'язкості. Аналогічним чином у перетині каналу виділяється ядро, проміжний шар і в'язкий підшар як у зовнішньої, так і внутрішньої стінок (рис.4). Якщо для круглого каналу границі шарів задаються від осі, то тут пропонується ввести у розгляд умовний радіус ry, від якого встановлюються границі шарів в кожнім з напрямків до стінок каналу. Розподіл вихрової в'язкості прийнято у виді:

,

де:

kя - коефіцієнт, що коректує значення вихрової в'язкості в ядрі; у якості умовного радіуса ry розглядався радіус максимальної швидкості.

Математична модель осесиметричної турбулентної течії в круглому і кільцевому каналі була представлена для безрозмірних швидкостей, координат, тиску і вихрової в'язкості:

у вигляді:

де u0 - середня швидкість потоку; dг - гідравлічний діаметр каналу; - густина середовища.

Для чисельного моделювання турбулентних течій на вхідних ділянках каналів з довільним вхідним профілем швидкості розроблений алгоритм на основі кінцево-різницевого маршового методу, при якому параметри потоку визначаються у кожному наступному перетині в напрямку від вхідної ділянки. На підставі прийнятої моделі розподілу вихрової в'язкості в ядрі, проміжному і в'язкому підшарі вибирається відповідне число вузлів і тому сітка по радіусу труби, у загальному випадку, є нерівномірною. Кожен вузол пронумеровані - i=1, N, так що вузлу i=N відповідає стінка каналу. Основна ідея алгоритму розрахунку осьової швидкості у кожному наступному перетині міститься у визначенні для кожного вузла поточного перетину складової рівняння руху:

а, потім, в обчисленні з використанням кінцевих різниць уперед по осьовій координаті значень швидкості відповідно рівнянню:

Кінцево-різницеві вирази для інших часткових похідних складаються на основі відомих підходів. На стінці каналу враховується гранична умова "прилипання" середовища. У силу цього і допущення приймалося:

.

Результати чисельного моделювання показали, що довжина початкової ділянки істотно залежить від необхідної точності наближення поточного профілю швидкості до профілю сформованого потоку. Так наближення профілів з точність до 3 % у діапазоні Re=104106 відбувається на довжині не більш 20 гідравлічних діаметрів. Результати обчислення довжини початкової ділянки для ламінарних режимів з точністю наближення профілів швидкості до 1% відповідали відомим даним.

На основі алгоритму кінцево-різницевого маршового методу побудована методика чисельного моделювання турбулентного потоку с k- моделлю на вхідних ділянках циліндричних каналів. Показано, що застосування даної моделі дозволяє підвищити точність розрахунку профілю швидкості в порівнянні з моделлю з заданим розподілом вихрової в'язкості.

4. Закономірності процесів дифузії газів і аерозолів у турбулентних потоках

На основі аналізу класичного рівняння дифузії та гіпотези Фіка-Бусінеска для осереднених добутків пульсацій швидкостей і концентрації виконана оцінка впливу коефіцієнта молекулярної дифузії на загальний процес при турбулентної течії основного потоку, що показала можливість зневаги величиною останнього при числах Рейнольдса Re>104, діапазон яких є робочим для промислових вентиляційних систем.

Для аналізу дифузійних процесів у каналах вентиляційних систем пропонується в загальному випадку розглядати узагальнену математичну модель масопереносу в турбулентному потоці, побудовану на базі моделі турбулентної течії при використанні k- гіпотези турбулентності і рівняння дифузії у вигляді:

де С - концентрація, t - час, Dв - коефіцієнт турбулентної (вихрової) дифузії; f(x, y, z, t) - функція об'ємної густини потужності джерел домішки.

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

,

де - відносна шорсткість внутрішньої поверхні каналу.

Аналіз залежності показує наявність автомодельної зони, коли довжина шляху вирівнювання концентрації не буде залежати від параметрів газового потоку. Так, змінювання дифузійного числа Пекле Peд для чисел Рейнольдса Re>1,3.105 складає не більш 5 % при значеннях відносної шорсткості >0,001.

Допускаючи постійною по величині і напрямку швидкість потоку, на основі методу функцій Гріна виконане аналітичне рішення рівняння дифузії в круглому циліндричному каналі:

де r - радіус, x - осьова координата.

У якості граничної умови приймалася вимога відсутності проникнення домішки крізь стінки труби, початкової - рівність нулю концентрації до включення джерела. Отримано рівняння розподілу концентрації для функції густини джерела постійної одиничної інтенсивності, розташованого у початку координат (де - функція Дірака), а також для функції густини плоского кругового джерела (де H(rk-r) - функція Хевісайда, rk - 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 Беселя першого роду нульового порядку; n - корені рівняння ; J1 - функція Беселя першого роду першого порядку.

Отримані вирази дозволяють аналізувати розподіл концентрації домішки по перетину і довжині каналу в довільний момент часу при будь-якому сполученні параметрів. Форма представлення рівнянь дозволяє розглядати в якості вхідних параметрів безрозмірні перемінні і критерії, зокрема, дифузійне число Пекле.

Важливу інформацію про ступінь рівномірності розподілу дає величина відношення концентрації у стінок труби до концентрації на осі. Її величина змінюється від нуля при цілком неоднорідному розподілі до одиниці при цілком рівномірному. Залежність цієї величини від відстані до джерела при різних розмірах джерела приведена на рис. 7. Так, при відстанях більш 27,5d ступінь рівномірності не менш 0,9 для всіх розмірів джерела.

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

Дослідження закономірностей початкових етапів дифузії аерозолів у турбулентному потоці проводилося з застосуванням рівняння Басе до опису руху дискретної частки, функцій енергетичного спектра і коефіцієнтів Лагранжевої кореляції по часу. Враховувалося, що процес дифузії аерозолів носить складний характер і умовно розділяється на три періоди: індукційний період, при якому відбувається розгін часток Стоксовими силами від нульової швидкості до швидкості основного потоку; перехідний період, при якому дифузійний процес відбувається при перемінному коефіцієнті дифузії; дифузійний процес аерозольних часток при постійному коефіцієнті дифузії, який можна досліджувати розглянутими вище методами.

Час індукційного періоду залежить від густини, діаметра аерозольних часток і динамічної в'язкості основного потоку. Час перехідного періоду Тпп, в загальному випадку, однозначно не визначається властивостями аерозолів та основного потоку, а в ряді випадків може встановлюватися виходячи зі ступеня турбулентності потоку і величини дифузійного числа Пекле:

,

де ; p - густина аерозольних часток; dp - діаметр часток; f - густина основного потоку; - ступінь турбулентності.

Перемінний коефіцієнт дифузії в перехідному періоді можна оцінити по виразу:

де Dвр ,Dвf - коефіцієнти дифузії аерозольних часток і основного потоку.

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

5. Експериментальні дослідження турбулентних потоків і дифузійних процесів у каналах вентиляційних систем

Дослідження турбулентних потоків на вхідних ділянках круглих та кільцевих циліндричних каналів виконувалися на спеціально спроектованому і виготовленому експериментальному аеродинамічному стенді. Вимір поля швидкостей потоку повітря в трубопроводі на різних відстанях від сопла здійснювався гідродинамічним методом за допомогою п'ятиканального кульового зонда. Проведена перевірка адекватності математичних моделей по критерію Фішера при довірчій імовірності =0,95. Показано, що математичні моделі адекватно описують газодинамічні параметри потоку, як по довжині, так і перетину каналу.

Адекватність математичної моделі процесу дифузії перевірялася на діючій промисловій установці вертикального пневмотранспорту (рис. 8). Забезпечити однорідність складу аерозолів у час експериментів практично неможливо, тому досліди проводилися з твердими частками вузького фракційного складу (практично з монодисперсним матеріалом, у якості якого використовувався дрібнозернистий окісний каталізатор), що дозволило виявити структуру двохфазного потоку.

На дослідній установці виконане планування трьохфакторного фізичного експерименту по розподілу концентрації домішки в перетині каналу. Показано, що розподіл концентрації по перетину практично не залежить від числа Рейнольдса. Цей результат можна пояснити тим, що, з однієї сторони, збільшення швидкості транспортуючого газу (збільшення числа Рейнольдса) веде до збільшення ступеня турбулентності, з іншої сторони, скорочується час проходження частки від джерела домішки до точки виміру. Отримано функцію відгуку для концентрації домішки, що зв'язує ортогональні координати перетину. На рис. 9 зіставлена теоретична окружність 1 та крива 2, встановлена по дослідним даним, що відповідають середньому значенню концентрації домішки Результати задовільно погодяться між собою, а наявну розбіжність можна пояснити, як і погрішністю вимірів, так і присутністю у висхідному потоці спіралеобразного руху твердої фази. Показано, що адекватно описує процес дифузії домішки в турбулентному потоці як повна, так і апроксимаційна моделі.

6. Прикладні задачі і реалізація методів прогнозного розрахунку та контролю характеристик газоповітряних викидів промислових вентиляційних систем

Виконана оцінка впливу радіуса установки датчика і числа Рейнольдса на погрішність виміру середньої швидкості (витрати) сформованого турбулентного потоку у вихідних каналах вентиляційних систем. На рис.10 наведений розподіл модуля систематичної погрішності по безрозмірному радіусу в круглому циліндричному каналі для ряду чисел Рейнольдса. Для визначення радіуса середньої швидкості (нульової систематичної погрішності) у круглій трубі рекомендується використовувати вираз:

,

де n - показник ступеня в розподілі швидкості сформованого турбулентного потоку, для розрахунку якого отримана залежність:

.

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

Встановлені вирази для двох радіусів середньої швидкості в кільцевому циліндричному каналі:

,

,

де ; ; - безрозмірний формпараметр; - безрозмірний радіус максимальної швидкості, визначений по виразу:

.

Проведені дослідження показали, що радіуси середньої швидкості потоку і середньої концентрації домішки не збігаються. Рекомендована відстань для установки датчика концентрації домішки від входу в канал, як показано в розділі 4, складає 30 діаметрів каналу і більш, що забезпечує погрішність виміру середньої концентрації менш 5 %. Виходячи з того, що довжина аеродинамічної початкової ділянки менше довжини шляху вирівнювання концентрації, для вентиляційних каналів, що мають достатню довжину, можливе використання пробовідбірних пристроїв для виміру концентрації домішки в якості приймачів повного тиску в потоці при визначенні витрати. При цьому, довжину початкової ділянки необхідно приймати не менш 30 гідравлічних діаметрів, радіус установки для круглих циліндричних каналів - 0,76r0, а для кільцевих - виходячи зі співвідношення радіусів внутрішньої і зовнішньої поверхонь. Дані рекомендації застосовані для удосконалювання систем контролю викидів через вентиляційні труби енергоблоків ВВЕР-1000 при атестації діючого комплексу вимірювальної апаратури на ВП “ЗАЕС”.

У тім випадку, коли довжина вентиляційних каналів не дозволяє в повній мірі реалізувати рекомендації по розташуванню засобів контролю з урахуванням довжини початкової ділянки, на якій формується профіль швидкості потоку і відбувається вирівнювання концентрації домішки по перетину, обов'язковою є корекція результатів вимірів на підставі розрахунків по адекватним математичним моделям турбулентних потоків і дифузійних процесів, розглянутих у розділах 3 і 4. Обчислювання показують, що для профілів швидкості, характерних для потоків після входу в вентиляційний канал через колектор, на відстані 6 діаметрів від входу радіус середньої швидкості відрізняється не більш, ніж на 5% від відповідного значення для сформованого потоку.

Для підвищення достовірності контролю в даних випадках розроблений багатоточковий осередняючий приймач тиску, пристрій для виміру середньої швидкості потоку, метод виміру витрати. Для розширення функціональних можливостей систем контролю, зокрема, сполучення вимірювальних пристроїв з обчислювальною технікою, запропонований пневматичний аналого-цифровий перетворювач.

З використанням розроблених методів виконаний розрахунок характеристик систем вентиляції промислових підприємств та енергоблоку атомної станції. Розрахунки стаціонарних режимів роботи переконливо показують наявність взаємного впливу характеристик ділянок вентиляційних систем. Величина падіння чи зростання витрати в окремій лінії встановлюється в кожному конкретному випадку виходячи з реальних характеристик систем. Варто відзначити, що зменшення витрати на одній з ліній приводить до збільшення витрати в паралельно зв'язаній лінії і навпаки. Крім того, можливі ситуації, коли зміна опору вихідної чи окремо узятої лінії для паралельних вентиляційних систем може привести до блокуванню однієї з них. Так, для енергоблоку ВВЕР-1000 у паралельних вентиляційних системах TL29D01 (з вентилятором 63/40 ЦСУ-44Б) і TL26D01 (з вентилятором Ц4-70 И1-01 №6,3) може мати місце запирання останньої. Результати прогнозування викидів при зміні аеродинамічного опору аерозольних фільтрів АУ-1500, АУІ-1500-1 показують можливість падіння витрат вентиляторів TL23D02 і TL21D02 до 20 % з одночасною зміною викидів в інших лініях системи. При цьому, відповідно збільшуються до 10% витрати вентиляторів TL25D01 і TL21D03.

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 виконана оцінка часу переміщення радіоактивних аерозольних часток від місця викиду до засобів їхньої реєстрації у вентиляційній системі енергоблоку атомної станції. Рекомендовано для аналізу фактичної радіаційної обстановці у реакторному відділенні коректувати радіоактивність викидів, що контролюється у вихідній вентиляційній трубі.

На основі динамічної декомпозиції розроблена математична модель розрахунку нестаціонарних газодинамічних процесів у максимальній проектній аварії на енергоблоці ВП “ЗАЕС”, зв'язаною з утратою теплоносія 1-го контуру. Зміну об'ємної витрати теплоносія в часі визначалося експонентною функцією. По результатам чисельного моделювання рекомендовано підвищити вимоги до швидкодії приводів ізолюючих пристроїв і зменшити поріг спрацьовування спринклерної системи придушення аварії по тиску в гермооболонці.

З використанням розроблених методів виконувався прогноз характеристик модернізованої системи вентиляції ділянки підприємства по виробництву будівельних матеріалів, що забезпечує місцеву витяжку на декількох виробничих ділянках, для одної з який передбачалася реконструкція для випуску нової продукції. Метою прогнозування була оцінка можливості зміни конструкції витяжних пристроїв (опору) перебудованої ділянки в умовах різної завантаженості виробничих потужностей (перемінного числа працюючих витяжних каналів вентиляційної системи). Результати прогнозування дозволили визначити залежності для загальної витрати викидів і витрати окремої витяжної системи від опорів як лінійної, так і вихідної ділянок, що дозволило вибрати раціональне рішення витяжної системи на перебудованої ділянці. Разом з тим, встановлений ряд загальних закономірностей, зокрема, більша стабільність витрати лінійної ділянки при зміні її опору для меншого загального числа витяжних каналів і навпаки. Більша стабільність сумарної витрати викидів має місце для більшого числа витяжних систем при зміні опору як лінійної, так і вихідної ділянок.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена важлива науково-технічна проблема підвищення достовірності прогнозування та контролю характеристик газоповітряних викидів промислових вентиляційних систем. Рішення даної проблеми спрямовано на удосконалювання систем вентиляції і дозволяє досягти ефекту в технічному, економічному, соціальному та екологічному відношенні. По результатам досліджень зроблені наступні висновки:

На основі аналізу типових схем, конструктивних та технологічних особливостей промислових вентиляційних систем побудована методика декомпозиції систем вентиляції на типові розрахункові елементи, структури і зв'язки. Це дозволило запропонувати методи розрахунку характеристик газоповітряних потоків вентиляційних систем, що дозволяють удосконалювати промислові системи вентиляції та прогнозувати їх викиди на основі математичного моделювання.

Для багатолінійних вентиляційних систем з єдиним вихідним каналом побудована типова розрахункова схема та деталізована узагальнена математична модель, на основі чого запропонований метод розрахунку параметрів подібних систем і розроблений алгоритм чисельної процедури.

Адаптовані математичні моделі турбулентних газових потоків для каналів вентиляційних систем, побудовані на основі k- моделі турбулентності. Для круглих та кільцевих циліндричних каналів обґрунтовано застосування моделей із заданим законом розподілу вихрової в'язкості. Для кільцевого каналу запропонована тришарова модель турбулентного потоку з кусочно-лінійним розподілом вихрової в'язкості, що дозволило використовувати результати, апробовані для круглих каналів, в дослідженні течій на вхідних ділянках.

Для чисельного моделювання турбулентних течій на вхідних ділянках каналів з довільним профілем швидкості на вході розроблений алгоритм, що базується на кінцево-різницевому маршовому методі. Результати чисельних експериментів, які підтверджені дослідними даними, показують, що довжина початкової ділянки при наближенні поточного профілю швидкості до профілю сформованого потоку з точністю до 3 % у діапазоні чисел Рейнольдса Re=104...106 складає не більш 20 гідравлічних діаметрів.

Для аналізу дифузійних процесів у каналах вентиляційних систем запропонована узагальнена математична модель масопереносу в турбулентному потоці, побудована на базі моделі турбулентної течії при використанні k- гіпотези турбулентності та рівняння дифузії, перетвореного відповідно гіпотезі Фіка-Бусінеска. Виконана оцінка впливу коефіцієнта молекулярної дифузії на загальний процес при турбулентної течії основного потоку, що показало можливість зневаги його величиною при числах Рейнольдса Re > 104, діапазон яких є робочим для промислових вентиляційних систем.

Встановлена наявність автомодельної зони, коли довжина шляху вирівнювання концентрації не залежить від параметрів газового потоку Так, зміна дифузійного числа Пекле Peд для чисел Рейнольдса Re>1,3.105 складає не більш 5% при значеннях відносної шорсткості >0,001.

Отримані аналітичні рішення процесів дифузії крапкового та кругового джерел домішки в круглому циліндричному каналі при допущенні рівномірного профілю швидкості, що дозволило встановити закономірності розподілу концентрації домішки по перетину каналу на різних відстанях від джерела. Довжина шляху вирівнювання концентрації практично не залежить від числа Рейнольдса, а ступінь її рівномірності перевищує 0,9 на довжині 27,5 діаметрів. На відстані 0,62 радіуса труби від осі величина концентрації рівна середньому значенню, тобто відповідає концентрації однорідного потоку.

Встановлені закономірності початкових етапів дифузії аерозолів в турбулентному потоці. Час індукційного періоду залежить від густини аерозольних часток, динамічної в'язкості основного потоку та діаметра часток. Час перехідного періоду однозначно не визначається властивостями аерозолів та основного потоку, а в ряді випадків може встановлюватися виходячи зі ступеня турбулентності потоку і величини дифузійного числа Пекле. Апроксимація коефіцієнта Лагранжевої кореляції основного потоку експонентною залежністю дозволила отримати вираз для коефіцієнта дифузії аерозолів, який є перемінним під час перехідного періоду.

Розроблені рекомендації по розміщенню засобів контролю у каналах вентиляційних систем. Витрату викидів рекомендовано вимірювати з урахуванням довжини початкової аеродинамічної ділянки і розподілу швидкості по перетину каналу. Показано, що для профілів швидкості, характерних для потоків після входу в вентиляційний канал через колектор, на відстані 6 діаметрів від входу радіус середньої швидкості відрізняється не більш, ніж на 5 % від відповідного значення для сформованого потоку. Встановлені залежності для визначення радіуса середньої швидкості в круглому та кільцевому циліндричному каналах. Обґрунтована можливість використання пристроїв забору викидів для виміру концентрації домішки в якості приймачів повного тиску в потоці при визначенні витрати. Рекомендації застосовані для удосконалювання систем контролю викидів через вентиляційні труби енергоблоків типу ВВЕР-1000.

Розроблені технічні засоби, що підвищують точність виміру характеристик викидів і розширюють функціональні можливості систем контролю. Технічні рішення впроваджені на промислових підприємствах України.

Виконані розрахунки параметрів вентиляційних систем промислових підприємств і енергоблоку атомної станції. Результати моделювання стаціонарних режимів роботи виявляють наявність взаємного впливу характеристик окремих ділянок систем, що приводить до перерозподілу витрат. Прогнозування характеристик систем вентиляції енергоблоку ВВЕР-1000 при зміні аеродинамічного опору йодних та аерозольних фільтрів показує, що падіння витрати на ділянках системи може складати до 20 % від номінального значення. По результатам моделювання дані рекомендації по удосконалюванню систем вентиляції.

Розроблена методика визначення часу проходження дискретних часток по тракту вентиляційних систем, що враховує тривалість індукційного періоду в русі часток. Використання методики для енергоблоків атомних станцій дозволяє уточнювати фактичну радіаційну обстановку в реакторному відділенні по контролю радіоактивних викидів у вихідній вентиляційній трубі.

Виконаний прогноз нестаціонарних газодинамічних процесів у максимальній проектній аварії на енергоблоці ВП “ЗАЕС”, зв'язаною з утратою теплоносія 1-го контуру. По результатам розрахунку дані рекомендації по удосконалюванню системи придушення аварії.

Наукові і практичні результати впроваджені на промислових підприємствах, об'єктах комунального господарства, у науково-дослідних організаціях, що дозволило одержати значний економічний ефект і економію валютних коштів за рахунок скорочення строків і витрат на виконання проектно-конструкторських робіт та проведення реконструкції систем вентиляції, оптимізації вкладення коштів у підвищення рівня технічної оснащеності систем контролю викидів, відмовлення від використання імпортного обладнання та ін.

вентиляційний газоповітряний промисловий

Література

Соколов В.И. Прогнозирование и контроль промышленных выбросов: Монография. - Луганск: ВУГУ, 2000. - 100с.

Соколов В.И. и др. Инженерные задачи диффузии примеси в потоке: Монография / Соколов В.И., Коваленко А.А., Калюжный Г.С., Минин С.А., Корченели И.А., Кондауров Е.Н. - Луганск, 2000.- 168с.

Соколов В.И. Аэродинамика газовых потоков в каналах сложных вентиляционных систем: Монография. - Луганск: ВУГУ, 1999. - 200с.

Калюжный Г.С., Коваленко А.А., Соколов В.И., Минин С.А. Диффузия газов и аэрозолей в турбулентных потоках: Монография. - Луганск: ВУГУ, 1999. - 100с.

Соколов В.И. О расчете начальных участков турбулентных потоков в цилиндрических каналах. - Луганск: ВУГУ, 1999. - 35с.

Соколов В.И., Коваленко А.А., Минин С.А. Временные характеристики начальных этапов диффузии аэрозолей в потоке. - Луганск: ВУГУ, 1999. - 22.

Размещено на Allbest.ru

...