Marek WASILEWSKI, Anna DUCZKOWSKA-KĄDZIEL, Jerzy DUDA



Podobne dokumenty
Nowoczesne narzędzia obliczeniowe do projektowania i optymalizacji kotłów

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych

Wykorzystanie technik modelowania numerycznego w celu optymalizacji odpylaczy cyklonowych stosowanych w przemyśle cementowym

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

LABORATORIUM PODSTAW BUDOWY URZĄDZEŃ DLA PROCESÓW MECHANICZNYCH

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

DETEKCJA FAL UDERZENIOWYCH W UKŁADACH ŁOPATKOWYCH CZĘŚCI NISKOPRĘŻNYCH TURBIN PAROWYCH

POLITECHNIKA LUBELSKA

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

MODELOWANIE NUMERYCZNE POLA PRZEPŁYWU WOKÓŁ BUDYNKÓW

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

WPŁYW TEMPERATURY WLOTOWEJ GAZÓW NA SKUTECZNOŚĆ SEPARACJI W CYKLONOWYM WYMIENNIKU CIEPŁA

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Cel i zakres pracy dyplomowej inżynierskiej. Nazwisko Imię kontakt Modelowanie oderwania strug w wirniku wentylatora promieniowego

Instrukcja stanowiskowa

Katarzyna Jesionek Zastosowanie symulacji dynamiki cieczy oraz ośrodków sprężystych w symulatorach operacji chirurgicznych.

OBLICZENIA SILNIKA TURBINOWEGO ODRZUTOWEGO (rzeczywistego) PRACA W WARUNKACH STATYCZNYCH. Opracował. Dr inż. Robert Jakubowski

Wpływ ukształtowania wlotu rury nurnikowej na skuteczność pracy I stopnia cyklonowego wymiennika ciepła

Analiza wymiany ciepła w przekroju rury solarnej Heat Pipe w warunkach ustalonych

pakiety do obliczeń rozkładów pól fizycznych (CAE):

WYKORZYSTANIE OBLICZEŃ CFD W ENERGETYCE...1

Podczas wykonywania analizy w programie COMSOL, wykorzystywane jest poniższe równanie: 1.2. Dane wejściowe.

Materiały do laboratorium Przygotowanie Nowego Wyrobu dotyczące metody elementów skończonych (MES) Opracowała: dr inŝ.

ZASTOSOWANIE METOD OPTYMALIZACJI W DOBORZE CECH GEOMETRYCZNYCH KARBU ODCIĄŻAJĄCEGO

Obliczenia osiągów dyszy aerospike przy użyciu pakietu FLUENT Michał Folusiaak

Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

PROCEDURA DOBORU POMP DLA PRZEMYSŁU CUKROWNICZEGO

POLITECHNIKA LUBELSKA

Badania właściwości dynamicznych sieci gazowej z wykorzystaniem pakietu SimNet TSGas 3

Krzysztof Gosiewski, Anna Pawlaczyk-Kurek

Jan A. Szantyr tel

Modelowanie i symulacja zagadnień biomedycznych PROJEKT BARTŁOMIEJ GRZEBYTA, JAKUB OTWOROWSKI

Optymalizacja inwestycji remontowych związanych z bezpieczeństwem pożarowym dzięki wykorzystaniu technik komputerowych CFD

SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA

EFEKTY KSZTAŁCENIA DLA KIERUNKU STUDIÓW ENERGETYKA

Program BEST_RE. Pakiet zawiera następujące skoroszyty: BEST_RE.xls główny skoroszyt symulacji RES_VIEW.xls skoroszyt wizualizacji wyników obliczeń

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

ANALIZA WYMIANY CIEPŁA OŻEBROWANEJ PŁYTY GRZEWCZEJ Z OTOCZENIEM

ANALIZA ROZKŁADU CIŚNIEŃ I PRĘDKOŚCI W PRZEWODZIE O ZMIENNYM PRZEKROJU

Modelowanie zjawisk przepływowocieplnych. i wewnętrznie ożebrowanych. Karol Majewski Sławomir Grądziel

Laboratorium LAB3. Moduł pomp ciepła, kolektorów słonecznych i hybrydowych układów grzewczych

BILANS CIEPLNY CZYNNIKI ENERGETYCZNE

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

Numeryczne modelowanie mikrozwężkowego czujnika przepływu

Doświadczenia w eksploatacji gazomierzy ultradźwiękowych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

WYKORZYSTANIE TECHNIK KOMPUTEROWEJ SYMULACJI PRZEPŁYWU PŁYNÓW W OPRACOWANIU WYNIKÓW EKSPERYMENTÓW RADIOZNACZNIKOWYCH

Politechnika Poznańska. Metoda Elementów Skończonych

Kierunkowe efekty kształcenia wraz z odniesieniem do efektów obszarowych. Energetyka studia I stopnia

Raport końcowy z symulacji CFD jakie dane powinien zawierać?

J. Szantyr Wykład nr 19 Warstwy przyścienne i ślady 1

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH.

Zasada działania maszyny przepływowej.

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Politechnika Poznańska

Politechnika Poznańska

MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

Zapytanie ofertowe nr 1/2017

System zasilania trakcyjnych silników spalinowych w oparciu o generator gazu Browna

PL B1. GULAK JAN, Kielce, PL BUP 13/07. JAN GULAK, Kielce, PL WUP 12/10. rzecz. pat. Fietko-Basa Sylwia

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

PROJEKT METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Laboratorium komputerowe z wybranych zagadnień mechaniki płynów

ANALIZA TERMODYNAMICZNA RUROWYCH GRUNTOWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA DO PODGRZEWANIA POWIETRZA WENTYLACYJNEGO

INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA ZAKŁAD GEOINŻYNIERII I REKULTYWACJI ĆWICZENIE NR 4 OKREŚLENIE WSPÓŁCZYNNIKA STRAT LOEKALNYCH

Politechnika Poznańska. Projekt Metoda Elementów Skończonych

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

Numeryczna symulacja opływu wokół płata o zmodyfikowanej krawędzi natarcia. Michał Durka

Recenzja pracy doktorskiej mgr Tomasza Świsłockiego pt. Wpływ oddziaływań dipolowych na własności spinorowego kondensatu rubidowego

Politechnika Poznańska. Zakład Mechaniki Technicznej. Metoda Elementów Skończonych Lab. Wykonali: Marta Majcher. Mateusz Manikowski.

Materiały szkoleniowe

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

APV Hybrydowe Spawane Płytowe Wymienniki Ciepła

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

SPIS TREŚCI SPIS WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ WSTĘP KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA SEKTORA ENERGETYCZNEGO W POLSCE... 14

ANALiZA AERODYNAMiCZNA WŁASNOŚCi ŚMiGŁOWCA Z UWZGLĘDNiENiEM NADMUCHU WiRNiKA NOŚNEGO

Kompleksowe podejście do rozwoju systemów ciepłowniczych

Mgr inż. Marta DROSIŃSKA Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa

ANALIZA BELKI DREWNIANEJ W POŻARZE

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

XIV KONFERENCJA CIEPŁOWNIKÓW

Niestacjonarne Wszystkie Katedra Inżynierii Produkcji Dr Medard Makrenek. Inny / Techniczny Obowiązkowy Polski Semestr trzeci. Semestr zimowy Brak Tak

METODA ELEMENTÓW SKOŃOCZNYCH Projekt

Modelowanie sieci ciepłowniczych jako istotny element analizy techniczno-ekonomicznej

Symulacja statyczna sieci gazowej miasta Chełmna

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Semestr zimowy Brak Tak

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: SEN SM-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Energetyka Specjalność: Systemy, maszyny i urządzenia energetyczne

Numeryczne wyznaczanie rozkładu temperatur w komorze paleniskowej kotła energetycznego

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Instrukcja do wykonania symulacji numerycznych CFD w programie PolyFlow 14.0 przepływu płynów nienewtonowskich o właściwościach lepkosprężystych

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI I TECHNIKI CIEPLNEJ. Badanie charakterystyki wentylatorów połączenie równoległe i szeregowe. dr inż.

Rok akademicki: 2015/2016 Kod: MME s Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: -

II.B ZESTAWY MONTAŻOWE GAZOMIERZY ZWĘŻKOWYCH Z PRZYTARCZOWYM SZCZELINOWYM ODBIOREM CIŚNIENIA

Transkrypt:

WYKORZYSTANIE NOWOCZESNYCH TECHNIK MODELOWANIA NUMERYCZNEGO W CELU MINIMALIZACJI SPADKU CIŚNIENIA W ODPYLACZACH CYKLONOWYCH STOSOWANYCH W PROCESIE WYPALANIA KLINKIERU Marek WASILEWSKI, Anna DUCZKOWSKA-KĄDZIEL, Jerzy DUDA Streszczenie: W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania pakietu ANSYS Fluent, jako narzędzia służącego do modelowania numerycznego przepływów (CFD) w cyklonach, pracujących w instalacjach do wypalania klinkieru w jednej z cementowni w Polsce. Otrzymane wyniki spadku ciśnienia i rozkładu prędkości w całej przestrzeni roboczej cyklonów - również w poszczególnych jego strefach - umożliwiły szczegółową analizę zjawisk zachodzących w urządzeniu. Słowa kluczowe: odpylacze cyklonowe, spadek ciśnienia, wypalanie klinkieru, modelowanie zjawisk cieplno-przepływowych. 1. Wstęp Racjonalne gospodarowanie zasobami surowców naturalnych, szczególnie na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat odgrywa znaczącą rolę w rozwoju światowego przemysłu. Dotyczy to zwłaszcza surowców energetycznych i źródeł energii. Także w przemyśle cementowym dąży się do minimalizacji energochłonności procesu wytwarzania cementu, przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności produkcji oraz zmniejszeniu szkodliwego oddziaływania na środowisko. Wynika to z faktu, iż udział kosztów samego paliwa w kosztach wytwarzania cementu jest duży. Cementownie, aby być konkurencyjnymi przedsiębiorstwami na rynku zmuszone są do poszukiwania wszelkich możliwych sposobów zmniejszania strat energii w procesie wytwarzania cementu. Biorąc pod uwagę skalę produkcji cementu, każde choćby procentowo niewielkie zmniejszenie wskaźnika jednostkowego rozchodu paliwa na produkcję cementu odgrywa znaczącą rolę. Ponad 50% kosztów energii w procesie produkcji cementu stanowią koszty związane z wypalaniem klinkieru. W związku z tym, problem obniżenia energochłonności - kosztów produkcji, należy do podstawowych działań modernizacyjnych. Działania te dotyczą głównie konstrukcji wymiennika ciepła i chłodnika klinkieru, urządzeń współpracujących z piecem obrotowym. Konstrukcja i sprawność tych urządzeń ma duży wpływ na sprawność energetyczną procesu wytwarzania cementu i koszty inwestycyjne pieca obrotowego. Dodatkowo etap wypalania klinkieru jest bardzo istotny ze względu na potencjalne emisje substancji szkodliwych dla środowiska oraz jakości produktu. Duży wpływ na ekonomię suchej metody produkcji cementu wywarło zastosowanie czterostopniowego cyklonowego wymiennika ciepła. Jego sprawność (odpyleniowa oraz termiczna) zależy w dużym stopniu od konstrukcji stosowanych cyklonów jak i ilości stopni oraz ma znaczący wpływ na całościową sprawność energetyczną pieca. Całkowite modyfikacje wymienników wiążą się z długotrwałym ich wyłączeniem z użyteczności i ogromnymi kosztami, w związku z tym producenci szukają alternatywnych, jak najprostszych rozwiązań 687

usprawniających pracę przy minimalnym okresie wyłącznie z procesu. Rys. 1. Schemat produkcji cementu wraz z zużyciem energii w poszczególnych ogniwach procesu, opracowanie własne na podstawie [1] 2. Cyklonowe wymienniki ciepła Obecnie w polskich cementowniach dominuje technologia produkcji cementu z wykorzystaniem metody suchej wypalania klinkieru w krótkich piecach obrotowych wyposażonych w zewnętrzny wielostopniowy wymiennik ciepła i kalcynator. Są to cyklonowe wymienniki ciepła (rys. 2), w których proces wymiany ciepła zachodzi w stanie zawieszenia materiału w strumieniu gorących gazów odlotowych, stąd nazwa tego systemu SP Suspension preheater podgrzewacz w stanie zawieszenia. Wieża wymiennikowa składa się najczęściej z 4 cyklonów (numerowanych kolejno, licząc od góry od I do IV) oraz z przewodów gazowych i przewodów transportujących surową mąkę. Mąka surowcowa jest wprowadzana do przewodu gazowego łączącego cyklony II-go i I-go stopnia. W skutek dużej prędkości gazów z pieca przepływających przez kolejne stopnie cyklonu (15-20m/s) mąka jest porywana i trafia do cyklonu I stopnia, gdzie następuje pierwszy etap jej podgrzania. Po separacji trafia ona do rur spustowych a następnie przez wznoszące przewody gazowe trafia do cyklonu II stopnia. Proces ten jest powtarzany w kolejnych dwóch cyklonach, aż do przewodu spustowego cyklonu IV stopnia, skąd mączka trafia do pieca obrotowego. Podczas tego przepływu mąka klinkierowa ogrzewana jest spalinami przepływającymi w kierunku przeciwnym do kierunku materiału. W takich warunkach następuje intensywna wymiana ciepła, a mączka wychodząca z przewodu spustowego cyklonu IV stopnia ma temp. ok. 800-850 C (przy początkowej 50 C). Czas przejścia cząstki w czterostopniowym wymienniku ciepła o wysokości 50 m wynosi ok. 60 s., a temp. gazów odlotowych obniża się z 1000-1100 C do 300-350 C [2]. 688

Rys. 2. Zasada działania cyklonowego wymiennika ciepła Najważniejszymi elementami wieży wymiennikowej są cyklony (rys. 3). Urządzenia te są najczęściej stosowanymi odpylaczami mechanicznymi służącymi do separacji cząsteczek ciała stałego z przenoszącego je gazów w procesach przemysłowych. W porównaniu z innym urządzeniami używanymi do tych celów cieszą się one popularnością z uwagi na ich prostą konstrukcję, niewielkie koszty produkcji i utrzymania oraz możliwości dostosowania ich do najróżniejszych warunków pracy. Z drugiej jednak strony, przepływ w cyklonach jest skomplikowany, a działanie cyklonu w dużej mierze zależy od jego konstrukcji geometrycznej i warunków pracy. Głównymi parametrami określającymi pracę tych urządzeń jest spadek ciśnienia oraz skuteczność separacji cząstek. Dodatkowo w przemyśle cementowym pełnią one rolę wymienników ciepła. Rys. 3. Zasada działania cyklonu 689

Biorąc pod uwagę złożoną dynamikę procesów zachodzących w cyklonach, wszelkiego rodzaju badania eksperymentalne mające na celu usprawnienie ich działania są kosztowne, oraz przede wszystkim czasochłonne. Odpowiedzią na ten problem może być model matematyczny do badania i przewidywania zachowania przepływów dla różnych konstrukcji geometrycznych cyklonów. Skutecznym narzędziem do badania charakterystyk cyklonów okazała się numeryczna mechanika płynów (Computational Fluid Dynamics CFD). Głównym celem niniejszej pracy jest przestawienie możliwości wykorzystania modelowania numerycznego wykorzystującego technikę CFD przy określaniu podstawowego parametru cechującego pracę cyklonów spadku ciśnienia. 3. Modelowanie numeryczne przepływów z wykorzystaniem pakietu Ansys Fluent Numeryczna mechanika płynów - Computational Fluid Dynamics (CFD) jest metodą symulacji zachowania systemów, procesów i urządzeń związanych z przepływem gazów i płynów, wymiany ciepła i masy, reakcji chemicznych i innych podobnych zjawisk fizycznych. Programy CFD pozwalają uzyskać niezbędne informacje o przepływie płynu (rozkład pola prędkości, pola ciśnienia), ruchu ciepła (pole temperatury) i innych zjawisk towarzyszących (w tym reakcji chemicznych). Osiąga się to przez numeryczne rozwiązanie równań opisujących przepływ masy płynu i bilansu energii. Dzięki zastosowaniu CFD mamy możliwość przeprowadzenia szczegółowej analizy zagadnień związanych z przepływem płynów eliminując przy tym konieczność przeprowadzenia czasochłonnych i kosztownych badań doświadczalnych podczas cyklu projektowania i modernizacji urządzeń [3]. Do podstawowych zalet badań numerycznych CFD można zaliczyć: pełną wizualizację wyników obliczeń i projektowanego urządzenia, kompleksowy dostęp do potrzebnych informacji o zmiennych, które dotyczą przepływu, proste dokonywanie zmian konstrukcyjnych i śledzenia ich wpływu na pracę urządzenia, możliwość zbadania pracy urządzenia w dowolnych warunkach, które dla celów pomiarowych w warunkach laboratoryjnych jest niezwykle trudno wytworzyć lub są one niebezpieczne, możliwość zadania warunków idealnych. Wraz z szybkim rozwojem technik komputerowych, dostępu do coraz to bardziej wydajnego sprzętu obliczeniowego i oprogramowania, badania CFD znajdują szerokie zastosowanie w rozwiązywaniu problemu przepływu i wymiany ciepła, w tym także zagadnień związanych z pracą cyklonów. Przykładem mogą tu być prace [4-9]. Istnieje wiele programów wspomagających modelowanie przepływów. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych jest program ANSYS Fluent [10]. Program ten stanowi uniwersalne narzędzie numerycznej analizy zjawisk przepływów jedno- i wielofazowych, w powiązaniu z wymianą masy i ciepła oraz reakcjami chemicznymi. Przez rozwiązanie układów równań z zakresu wymiany pędu, bilansu energii i masy można uzyskać szczegółowe informacje takie jak rozkład pól prędkości i ciśnień przepływającego medium, czy ruchu ciepła i masy w modelowanym obiekcie. Pracę z tym programem można podzielić na 4 etapy (rys. 4). 690

Rys. 4. Schemat pracy z pakietem ANSYS Fluent W pierwszym etapie należy stworzyć model geometryczny. W zależności od poziomu złożoności badanego modelu, oraz wyników jakie chcemy otrzymać model może być w postaci płaskiej 2D lub przestrzennej 3D. Następnie należy dokonać generacji siatki obliczeniowej. Polega to na podziale modelu na elementy dyskretyzacji. Siatka jest jednym z najważniejszych etapów pracy nad modelowaniem numerycznym. Jej gęstość oraz gradient określa dokładność obliczeniową i czas, po którym dochodzi do rozwiązania. Siatka powinna być najgęstsza w tych miejscach, gdzie będzie dochodzić do wymiany masy, ciepła, ruchów turbulentnych, nagłych zmian kierunku przepływu strumieni itp. Te dwa etapy zalicza się do preprocessingu. W kolejnym etapie należy określić warunki brzegowe oraz dokonać wyboru metody obliczeniowej. Dokonuje się tego w solverze Fluent. Podobnie w tym programie dokonuje się obliczeń i prezentacji wyników (postprocessing). Zwykle, tworzone są mapy i wykresy przedstawiające zmiany obliczanych wielkości zarówno w modelowanym obszarze jak i w przypadku procesów nieustalonych - w czasie. 4. Analiza spadku ciśnienia w cyklonach I stopnia Celem badań była analiza wpływu prędkości wlotowej do cyklonu oraz ich konstrukcji na spadek ciśnienia w tym urządzeniu. Badaniom poddane zostały dwa cyklony I stopnia pracujące w jednej z cementowni w Polsce. Każdy z nich jest elementem cyklonowych wymienników ciepła dwóch osobnych linii produkcyjnych. Do analizy wykorzystano pakiet ANSYS Fluent 14.0. Pracę rozpoczęto od stworzenia trójwymiarowych modeli geometrycznych odpowiadających konstrukcji w/w cyklonów (ze względu na geometrię aparatów zastosowano solver trójwymiarowy) [11]. Na rys. 5 przedstawione zostały modele 3D. Następnie zaimportowano modele do programu Ansys Meshing i dokonano ich dyskretyzacji. Siatka numeryczna posiadała komórki o kształcie heksagonalnym i zmienną gęstość w zależności od strefy aparatu (największa w strefie wlotu i wylotu z cyklonu, najmniejsza w częściach stożkowych). Sumaryczna ilość komórek wahała się w zależności od przypadku cyklonu pomiędzy 450 000 (cyklon A) a 380 000 (cyklon B). Była to minimalna ilość komórek, przy której nie stwierdzono znaczącego wpływu wzrostu gęstości siatki na wynik końcowy. Zdefiniowano domenę obliczeniową o geometrii identycznej z urządzeniami wchodzącymi w skład instalacji do wypalania klinkieru. Symulacje przeprowadzone były w domenie obliczeniowej odpowiadającej pełnej geometrii symulowanego problemu, tzn. bez wprowadzania płaszczyzn symetrii. 691

Rys. 5. Modele 3D cyklonów A i B wraz z przykładem dyskretyzacji wybranych płaszczyzn obszarów badawczych Obliczenia numeryczne bazują na zasadach zachowania masy, pędu i energii oraz wybranego typu hipotezach domykających, dobranych przez badacza lub wybranych spośród bazy danych zaimplementowanej w programie. Na podstawie analizy literatury 692

fachowej do obliczeń wybrano model naprężeń Reynoldsa. W tym przypadku równanie zachowania pędu przybiera postać równania Reynoldsa (RSM) [12]. Własności fizyczne płynu zdefiniowano jako mieszaninę o następującym składzie chemicznym: 64% N 2, 29%, CO 2 oraz 7% O 2. Na podstawie otrzymanych wyników obliczeń sporządzono wykres (rys. 6). Przedstawiono na nim wpływ prędkości wlotowej na spadek ciśnienia w cyklonach A i B. Spadek ciśnienia określono, jako różnicę średniego ciśnienia statycznego na wlocie i wylocie z urządzenia. Otrzymane wyniki są zbieżne z podstawami teoretycznymi, zgodnie z którymi spadek ciśnienia cyklonu jest proporcjonalny do kwadratu prędkości wlotowej i można go zapisać w następujący sposób: gdzie: β, ρ g oraz v in oznaczają kolejno współczynnik spadku ciśnienia, gęstość gazu i prędkość wlotową. Pokazuje to, że spadek ciśnienia w każdym przypadku wzrasta z prędkością wlotową. Z kolei na rysunku 7 przedstawiono przykładowe rozkłady ciśnień statycznych w przekrojach wzdłużnych cyklonów. Dla obu cyklonów strefa niskiego ciśnienia wydaje się być w centrum urządzenia. Ciśnienie statyczne wzrasta w kierunku promieniowym od centrum cyklonu do jego ściany. (1) Rys. 6. Charakterystyka spadku ciśnienia w zależności od prędkości wlotowej 693

Rys. 7. Przykładowy rozkład ciśnienia statycznego w przekroju wzdłużnym cyklonów A i B 694

Aby lepiej zrozumieć zachowanie przepływu w środku cyklonu na rysunku 8 przedstawiono kontury prędkości, wygenerowane za pomocą obliczeń modelem RSM. Zobaczyć możemy, że prędkość przepływu wewnętrznego wzdłuż linii środkowej zwiększa się od dołu do góry cyklonu. Prędkość wlotowa znacząco wpływa na liczbę obrotów w wirze wewnętrznym, zaś jej wpływ na wir zewnętrzny jest mniej znaczący. Co więcej, długość wiru i przepływ wsteczny zwiększają się wraz z prędkością wlotową. 5. Wnioski Rys. 8. Przykładowe kontury prędkości w cyklonie B Wyniki analizy numerycznej przypływów w cyklonie potwierdzają skuteczność pakietu ANSYS Fluent, jako narzędzia umożliwiającego lepsze zrozumienie istoty problemu oraz umożliwia badanie wzajemnych zależności pomiędzy parametrami występującymi w danej symulacji. Dużą zaletą metod numerycznych jest skrócenie czasu uzyskania wyników oraz przekazywanie informacji o rozkładzie wszystkich wielkości fizycznych w całym obszarze przepływu. Ponadto, analiza numeryczna daje możliwość wizualizacji, planowania i budowy stanowisk pomiarowych, które pozwolą uzyskiwać bardziej dokładne wyniki. Co więcej, wyniki modelowania wykazały, że model RSM stanowi bardzo obiecujące narzędzie w zrozumieniu zachowania przepływu oraz wpływu rozmiaru cyklonu na jego parametry wydajności. Kluczowe znaczenie ma dobór odpowiedniej siatki obliczeniowej, modelu obliczeniowego oraz określenie warunków brzegowych. W dalszym etapie prac przewiduje się: wprowadzenie do cyklonów cząstek CaCO 3, w celu określenia najważniejszych czynników wpływających na skuteczność odpylania urządzenia, podjęcie prób mających na celu modyfikację ukształtowania charakterystycznych elementów cyklonów w celu minimalizacji spadku ciśnienia i skuteczności separacji cząstek ciała stałego. 695

Literatura 1. Worelle E., Price L., Martin N., Hendriks Ch., Ozawa M.L.: Carbon dioxide emission from cement industry. Annual Review of Energy and the Environment, vol. 26, 2001, s. 303-329. 2. Duda J.: Badania izotopowe przepływu materiału w nowoczesnym piecu obrotowym pracującym metodą suchą. Prace IMMB nr 13/94, s. 105-112. 3. Hoang M. L., Verboven P., De Baerdemaeker J.: Analysis of the air flow in a cold store by means of computational fluid dynamics. International Journal of Refrigeration. vol. 23, 2000, s. 127-140. 4. Safikhani H., et al.: Numerical simulation of flow field in three types of standard cyclone separators. Adv. Powder Technology, vol. 21, 2010, s. 435-442. 5. Raoufi A., Shams M., Farzaneh M., Ebrahimi R.: Numerical simulation and optimization of fluid flow in cyclone vortex finder. Chem. Eng. Process, vol. 47, 2008, s. 128 137. 6. Qiana F., Wu Y.: Effects of the inlet section angle on the separation performance of a cyclone. Chem. Eng. Res. Des., vol. 87, 2009, s. 1567 1572. 7. Wydrych J., Dobrowolski B.: Aerodynamic conditions of the erosion process in the cyclone separators. XIX Polish National Fluid Dynamics Conference KKMP 2010, Poznan 2010. 8. Kozołub P., Adamczyk W., Białecki R., Węcel G.: Numerical estimation of the particle collection efficiency of a cyclone separator. XX Polish Fluid Mechanics Conference, Gliwice 2012. 9. Dobrowolski B., Skulska M., Wydrych, J.: Numerical modelling of erosion wear of components of cyclone separators. Archiwum Energetyki, vol. 38 (2), 2008, s. 63-70. 10. Fluent User s Guide: www1.ansys.com/customer/content/documentation/120/fluent/flwb.pdf (16.01.2013). 11. Duda J., Wasilewski M.: Influence construction of suspension preheater on energy consumption process during burning in rotary kiln. Heat Transfer and Renewable Sources of Energy HTRSE-2012, A. Stachel and D. Mikielewicz (Editors), Wydawnictwo Uczelniane ZUT w Szczecinie, 2012, s. 431-438 12. Ferziger J.H., Peric M.: Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer 1999. Dr hab. inż. Jerzy Duda, prof. PO Dr Anna Duczkowska-Kądziel Mgr inż. Marek Wasilewski Instytut Innowacyjności Procesów i Produktów Politechnika Opolska 45-370 Opole, ul. Ozimska 75 tel./fax: (0-77) 423 40 44 e-mail: j.duda@po.opole.pl a.duczkowska-kadziel@po.opole.pl m.wasilewski@po.opole.pl 696