CIEPLNE MASZYNY PRZEPŁYWOWE NUMER 117 TURBOMACHINERY 2000

Transkrypt

1 CIEPLNE MASZYNY PRZEPŁYWOWE NUMER 117 TURBOMACHINERY 2000 Bolesław DOBROWOLSKI, Janusz POSPOLITA, Grzegorz NOWOSIELSKI, Grzegorz BORSUK, Roman MODRZEJEWSKI Politechnika Opolska BADANIA NUMERYCZNE ZJAWISKA SEGREGACJI CZĄSTEK PRZY ZMIANIE KIERUNKU PRZEPŁYWU MIESZANINY POWIETRZE-PYŁ WĘGLOWY W układach transportu pneumatycznego pyłu węglowego kotłów mam miejsce niekontrolowana segregacja cząstek pyłu, prowadząca w efekcie do zakłóceń procesu spalania oraz do wzrostu prędkości erozji elementów układu pyłowego. Przedmiotem pracy jest numeryczna analiza zjawiska przepływu mieszaniny powietrze-pył węglowy przez układ przewodów z kolanem. Wykazano, że przy niewielkiej modyfikacji układu przepływowego można ograniczyć stopień segregacji pyłu w przekroju tuż za kolanem. NUMERICAL INVESTIGATIONS ON PARTICLE SEGREGATION UNDER A CHANGE OF THE FLOW DIRECTION OF THE AIR COAL DUST MIXTURE In pneumatic conveying systems for the coal dust we may observe segregation of the dust particles, being out-of-control. It causes disturbances in the combustion process and a quick erosion of the dust system elements. The paper concerns the numerical analysis of the air-dust mixture flow in the pipe system with elbow. It has been shown that a little modification of the flow system can limit a degree of the dust segregation in cross section just after the elbow. 1. WSTĘP W układach transportu pneumatycznego materiałów rozdrobnionych ma miejsce niekontrolowana segregacja cząstek spowodowana najczęściej działaniem siły odśrodkowej przy zmianie kierunku przepływu oraz działaniem siły ciężkości. Zagadnienie to było przedmiotem wielu prac [1 4], zarówno teoretycznych jak i eksperymentalnych. W wyniku badań stwierdzono, że segregacja może być przyczyną przyspieszonej erozji kolan i rurociągów [2,3] oraz nierównomiernego rozdziału pyłu do poszczególnych palników[4], co powoduje nieprawidłowości procesu spalania w kotłach energetycznych. Celem niniejszej pracy jest teoretyczna analiza możliwości ograniczenia stopnia segregacji cząstek przy zmianie kierunku przepływu mieszaniny powietrze-pył węglowy.

2 B. DOBROWOLSKI, J. POSPOLITA, G. NOWOSIELSKI, G. BORSUK, R. MODRZEJEWSKI 2. SFORMUŁOWANIE PROBLEMU Rozpatruje się przepływ rozrzedzonej mieszaniny powietrze-pył węglowy przez układ przewodów z kolanem. Jedną z możliwości ujednorodnienia koncentracji masowej cząstek w przekroju poprzecznym przewodu tuż za kolanem jest odpowiednia zabudowa progu rozpraszającego (rys.1). Rys. 1. Konstrukcja progu rozpraszającego pył węglowy Fig. 1. Treshold dissipating coal dust W wyniku opływu progu nastąpi skierowanie strugi cząstek poruszających się po zewnętrznej powierzchni łuku ku osi strugi, co zmniejszy stopień segregacji cząstek w przekroju poprzecznym przewodu za kolanem. Istotnym problemem jest optymalny dobór wysokości i lokalizacji progu z punktu widzenia efektywności działania i strat energii. Ruch gazu opisano układem równań Reynoldsa domkniętym k- modelem turbulencji Laundera i Spaldinga [5]. Ruch cząstek opisano metodą Lagrange a. Przy znajomości pola prędkości gazu, trajektorie ruchu cząstek stałych wyznaczyć można na podstawie całkowania równania ruchu cząstki: du d 1 ( U c U d ) g (1) dt P gdzie: d 2 d P P (2) 18 c f D jest czasem relaksacji dynamicznej cząstki. Nowe położenie cząstki oblicza się ze wzoru t x x o ( U d U do ) (3) 2 Do rozwiązania równań ruchu gazu i obliczania trajektorii ruchu cząstek zastosowano program FIDAP [6]. Sposób przestrzennej dyskretyzacji obszaru obliczeniowego pokazano na rys. 2 dla przypadku, gdy próg rozpraszający znajduje się w płaszczyźnie połączenia kolana z przewodem prostoliniowym.

3 udział masowy [%] BADANIA NUMERYCZNE ZJAWISKA SEGREGACJI CZĄSTEK... Rys. 2. Geometria układu przepływowego Fig. 2. Geometry of the flow system 3. WYNIKI BADAŃ NUMERYCZNYCH Badania numeryczne przeprowadzono dla układu składającego się z odcinka poziomego (L=6D) i pionowego (L=10D) przewodu o średnicy D=1,2m, połączonych kolanem o promieniu krzywizny R=1m i kącie 90 o. W obliczeniach przyjęto prędkość średnią powietrza 35 m/s oraz pył węglowy o składzie frakcyjnym scharakteryzowanym pozostałościami R 88 =20% i R 200 =2%. Skład frakcyjny zdyskretyzowano w oparciu o rozkład RRS i wyodrębniono 11 frakcji cząstek o średnicach w przedziale 2,5 200 m. Udziały masowe poszczególnych frakcji przedstawiono na rys , średnica cząstek [ m] Rys. 3. Udział masowy cząstek poszczególnych frakcji pyłu węglowego Fig. 3. Mass fraction of particles of particular fractions of coal dust Cząstki dostarczano do układu z 208 wlotów punktowych i śledzono trajetorie wszystkich frakcji ze wszystkich wlotów punktowych. Znając udziały poszczególnych frakcji określano następnie udziały objętościowe pyłu w poszczególnych przekrojach poprzecznych układu przepływowego. Ponieważ program FIDAP nie zapewnia takiej możliwości, opracowano własne procedury obliczeniowe.

4 B. DOBROWOLSKI, J. POSPOLITA, G. NOWOSIELSKI, G. BORSUK, R. MODRZEJEWSKI Na rys. 4 przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych dotyczące wektorów prędkości powietrza w płaszczyźnie symetrii układu przepływowego. Trajektorie cząstek pyłu węglowego z wybranych wlotów punktowych przedstawiono na rys. 5. a) b) Rys. 4. Profile prędkości w płaszczyźnie symetrii układu: a)bez progu rozraszającego, b) przy progu zainstalowanym w kolanie Fig. 4. Air velocity profiles in the symmetry plane system: a)without the treshold, b)for the dissipating treshold located in the elbow Rys. 5. Wybrane trajektorie cząstek w układzie przepływowym z zainstalowanym progiem Fig. 5. Selected particle paths in the flow system with the treshold

5 BADANIA NUMERYCZNE ZJAWISKA SEGREGACJI CZĄSTEK... Rys. 5 odpowiada progowi zainstalowanemu w krzywiźnie kolana, pod kątem 13,5 o względem płaszczyzny poziomej. Wyniki obliczeń numerycznych dotyczących koncentracji pyłu w przekroju poprzecznym przewodu tuż za kolanem przedstawiono na rys. 6. Zainstalowanie progu rozpraszającego cząstki (rys.6b) pozwala na istotne ujednolicenie rozkładu koncentracji cząstek w płaszczyźnie poprzecznej przewodu. a) b) Rys. 6. Rozkład masowy pyłu przed rozdzielaczem: a)w przypadku braku progu rozpraszającego, b) w przypadku rpogu rozpraszającego umieszczonego w kolanie pod kątem = 13,5 o Fig. 6. Dust mass distribution before the separator: a)no dissipating treshold, b) the dissipating treshold located in the elbow at = 13.5 o

6 B. DOBROWOLSKI, J. POSPOLITA, G. NOWOSIELSKI, G. BORSUK, R. MODRZEJEWSKI 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Zrealizowane obliczenia numeryczne wykazały, że mieszczenie w instalacji przegrody rozpraszającej pył w formie progu może częściowo ograniczyć segregację cząstek pyłu węglowego. Próg powinien być zlokalizowany w obszarze gdzie występuje duża koncentracja cząstek. W wyniku zderzeń cząstek z progiem następuje ujednorodnienie rozkładu masowego pyłu w przewodzie powyżej progu. Analiza wyników obliczeń wskazuje na celowość zabudowy progu w końcowej części kolana, gdzie występuje duży wzrost koncentracji cząstek. Celowa jest realizacja dalszych badań teoretycznych dla określenia optymalnego kształtu, wymiarów i lokalizacji progu rozpraszającego pył węglowy. LITERATURA [1] Lewy A., Mason D.J., Numerical study of gas-solid flow through a bend and its influence on particles concentration and segregation. III World Congress on Particle Technology, Brighton 1998 [2] Huber N., Sommerfeld M., Numerical calculation of dilute-phase pneumatic conveging in complex pipe systems, ASME Fluids Engeneering Division Summer Meeting, FEDSM 97, June 22-26, 1997 [3] Wang J., Shirazi S.A., Shadley R.J., Rybicki E.F., Aplication of flow modeling and particle tracking to predict sand arosion rates in 90 degree elbows Fluid Engineering Division Conference, vol. 1, ASME 1996 [4] Dobrowolski B., Nowosielski G., Modrzejewski R., Borsuk G., Analiza wpływu lokalizacji i sposobu zabudowy rozdzielacza dwudrogowego na rozdział strumienia pyłu w instalacjach pyłowych kotów. VIII Forum Energetyków GRE 2000, Bielsko- Biała, czerwiec 2000 [5] Ferziger J.H., Perić M., Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer- Verlag, Berlin Heidelberg 1999 [6] Fidap 8.5, Fluid Dynamics Analysis Package. Fluid Dynamics International, Inc. 1999