10044
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
М.В. Бодров, А.В. Кубарев, В.Ю. Кузин
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СИСТЕМ ТГВ
Учебно-методическое пособие
по подготовке к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнения курсовых проектов
по дисциплине «Экологическая безопасность систем ТГВ» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01. Строительство, профиль Системы обеспечения микроклимата зданий и сооружений
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
М.В. Бодров, А.В. Кубарев, В.Ю. Кузин
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СИСТЕМ ТГВ
Учебно-методическое пособие
по подготовке к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнения курсовых проектов
по дисциплине «Экологическая безопасность систем ТГВ» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01. Строительство, профиль Системы обеспечения микроклимата зданий и сооружений
Нижний Новгород ННГАСУ
2016
УДК 628.5
Бодров, М.В. Экологическая безопасность систем ТГВ [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / М.В. Бодров, А.В. Кубарев, В. Ю. Кузин; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 154 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
Ключевые слова: аспирация, циклоны, аэродинамика, коэффициент аэродинамического сопротивления, пылеочистка, пыли, вентиляция, аспирационные коллекторы, пылеулавливающие аппараты, эффективность очистки.
Изложены общие сведения о процессах пылеочистки, свойствах газов и дисперсных материалов, об источниках пылеобразования, физико-химические свойства пылей и золы. Приведены методики по оценке эффективности и расчету циклонов и вихревых пылеуловителей. Указаны технические характеристики и области применения возвратно-поточных циклонов. Пособие содержит методики расчета систем аспирации, включая их аэродинамический расчет, подбор пылеуловителей и вентиляционного оборудования.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Экологическая безопасность систем ТГВ» по направлению подготовки 08.04.01. Строительство, профиль Системы обеспечения микроклимата зданий и сооружений.
©М.В. Бодров, А.В. Кубарев, В.Ю. Кузин, 2016
©ННГАСУ, 2016
ВВЕДЕНИЕ
Инженерные системы, удаляющие от технологического оборудования от-
ходы производства в виде газов и пылевоздушных смесей, подающие их к газо-
очистным и пылеулавливающим устройствам и осуществляющие их очистку,
являются газоочистными и пылеулавливающими сооружениями в составе про-
мышленных предприятий. К ним относятся системы аспирации технологиче-
ских процессов и оборудования. Ни одно современное деревообрабатывающее производство не может функционировать без систем аспирации. Конструкция деревообрабатывающего оборудования должна предусматривать наличие спе-
циальных устройств (кожухов, укрытий, отсосов и пр.), оканчивающихся па-
трубками для подключения к аспирационным системам.
Проектирование и эксплуатация пылеулавливающего оборудования ас-
пирационных систем сводится к решению задач эффективного и надежного обеспыливания воздуха в рабочей зоне производственных помещений и охраны атмосферного воздуха от загрязнения пылевыми выбросами с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами.
Данное учебно-методическое пособие направлено на изучение студента-
ми: общих основ процессов пылеочистки; сведений о свойствах газов и дис-
персных материалов, источниках пылеобразования, физико-химические свой-
ства пылей и золы; методик по оценке эффективности и расчету циклонов и вихревых пылеуловителей; основных технических характеристик и областей применения возвратно-поточных циклонов.
Пособие содержит методики расчета систем аспирации, включая их аэро-
динамический расчет, подбор пылеуловителей и вентиляторов. В тексте приве-
дены основные технические характеристики (включая область применения,
геометрические размеры, зависимости для их подбора и определения эффек-
тивности пылеулавливания) наиболее распространенных циклонов ЦН-11, ЦН-
15, ЦН-15у, ЦН-24, ЦМС-27, СЦН-40, СИОТ, Гипродрева, Ц, конструкции Ги-
продревпрома, а также пылеуловителей ПУМА и ПУМА-М.
3
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ И АППАРАТАХ ПЫЛЕОЧИСТКИ
1.1. Свойства газов
Чаще всего газами, подлежащими очистке, являются воздух или дымовые газы. Плотность, вязкость, теплоемкость, молекулярная масса, газовая постоян-
ная и другие существенные для процессов пыле- и золоулавливания свойства воздуха и дымовых газов, образующихся при сжигании различных видов топ-
лива, мало отличаются между собой, поэтому при отсутствии других данных значения перечисленных величин для дымовых газов могут быть приняты по табличным данным для воздуха или дымовых газов, то это может быть связано только с особенностями технологического процесса, сопровождающегося вы-
делением этих газов. Данные об их составе должны быть выданы организацией,
связанной с разработкой или эксплуатацией соответствующего технологиче-
ского оборудования.
Содержание компонента i в смеси газов, состоящей из n компонентов,
может быть задано в процентах А или в долях a от единицы объема, в процен-
тах В или долях b от единицы массы. Для пересчета этих величин при переходе от одного способа задания состава газовой смеси к другому служат следующие общепринятые соотношения:
|
|
b M |
|
|
|
b p |
i |
|
a |
|
|
|
|
|
|
||
i |
i |
|
i |
r |
|
|||
|
|
|
|
|
||||
i |
|
i n |
|
i |
|
i n |
|
r |
|
|
i |
|
|
i |
|
||
|
|
b M |
|
|
b p |
i |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
i 1 |
|
|
|
i 1 |
|
|
;
(1)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ pi |
|
|
b |
|
B |
|
ai| / M i |
|
|
a |
i |
|
|||
|
i |
|
|
|
|
r |
. |
(2) |
||||
100 |
i n |
|
|
|
|
|||||||
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
i/ pri
i 1
Втехнике пылеулавливания к анализу химического состава газов прибегают главным образом в тех случаях, когда это оказывается удобным для выявления присосов воздуха и газоходы и аппараты работающие под
разряжением. Для этого достаточно установить на входе в газоочистной аппарат и на выходе изнего содержание какого либо из легко поддающихся
3
определению компонентов отсутствующих в атмосфернм воздухе, либо присутсвующем в нем в отличной от очищаемых газов концентрации. В случае дымовых газов такими компонентами могут быть СО2 или О2.
Коэффициент присоса – это отношение объема присасываемого воздуха к объему газов на входе в аппарат, определяемое по формуле:
~ |
CO |
CO |
|
|
|
|
kпр |
2 |
|
2 |
. |
|
|
CO |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
и |
, то kпр |
|||
Если известно содержание кислорода O 2 |
O 2 |
|||||
из того, что в присасываемом воздухе его содержится 21 %:
(3)
определят исходя
~ kпр
|
O |
O |
|
2 |
2 |
||
|
|||
|
21 O |
||
|
|
2 |
|
.
(4)
Анализ газов на СО2 и О2 обычно производится переносными химиче-
скими газоанализаторами.
Следует отметить, что в различных отраслях науки и техники (а, соответ-
ственно, и в различных литературных источниках) под термином «Нормальные условия» подразумевают различные значения физических параметров газов, на
что необходимо обращать внимание. Например:
1) согласно [1, 2] абсолютная температура Т0=273 K (tг = 0°С) и барометрическое давление рбар = 101325 Па;
2) согласно [3] абсолютная температура Т0 = 293 K (tг = +20°С), баромет-
рическое давление рбар = 101340 Па, относительная влажность 50 %.
Динамический коэффициент вязкости µ часто называют динамической вязкостью или просто вязкостью. Наряду с динамическим иногда применяется кинематический коэффициент вязкости (кинематическая вязкость) ν, м2/с,
определяемая по формуле [2, 3]: |
|
ν / г . |
(5) |
В системах пылеулавливания газ находится под абсолютным давлением
рабс, Па, которое складывается из атмосферного барометрического рбар и избы-
точного давления или разряжения р, Па:
4
pабс pбар p .
Плотность газов, находящихся при температуре tг (°С),
давлением (разряжением), определяются из соотношения:
(6)
под избыточным
ρt
г
|
0 |
|
273( p |
бар |
p) |
0,00269 |
0 |
|
|
|
|||||||
г |
101325(273 t) |
г |
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||
( p |
бар |
p) |
|
|
|
(273 t) |
||
.
(7)
При перерасчете аэродинамических характеристик в интервале темпера-
тур от ‒40 до 200 °С могут применяться упрощенные зависимости [4]:
ρt ρ 0
г г
|
273 |
||
273 |
t |
||
|
|||
или
ρ |
t |
ρ |
20 |
|
|
||
|
г |
|
г |
|
293 |
||
273 |
t |
||
|
|||
(8)
где |
0 |
– плотность воздуха при температуре tг = 0 °С; ρг |
20 |
– плотность |
ρг |
|
воздуха при температуре tг = 20 °C.
Значение динамического коэффициента вязкости зависит только от абсо-
лютной температуры Т, K, и не зависит от давления [2, 3]:
t
|
0 |
273 C |
T |
|
|
|
T C |
|
|
|
|
|
|
|
273 |
|
|
3 2
.
(9)
где µ0 – динамическая вязкость при tг = 0° С; Т – температура, K; С – константа Сазерленда, значения которой для воздуха приведено в таблице 1 (для других газов в таблице 2). Зависимость динамической вязкости от плотности и темпе-
ратуры воздуха приведена на рисунке 1.
Удельная теплоемкость газа с, Дж/ (кг∙К), т.е. количество теплоты, кото-
рое требуется сообщить единице количества газа для нагрева на 1 °С, зависит от того, происходит ли тепловой процесс при постоянном давлении (теплоем-
кость ср) или при постоянном объеме (теплоемкость с) [2]. Удельную теплоем-
кость обычно называют просто теплоемкостью.
Количество газа может быть измерено в кг, м3 и молях; сообразно этому различают и три вида теплоемкостей: массовую, объемную и мольную.
В расчетные уравнения, которыми пользуются в технике пылеулавлива-
ния, входит, как правило, массовая теплоемкость ср (тепловые процессы в газо-
очистных аппаратах можно рассматривать, как протекающие при постоянном
5
Рис. 1. Диаграмма зависимости динамической вязкости µt и плотности ρгt воздуха от его температуры. Диаграмма составлена автором на основании данных [5, 6]
6
Таблица 2
Основные физические свойства газов [2, 3]
|
|
|
|
Удельная |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
теплоемкость |
|
Вязкость при °С и |
||||||
|
Плотность |
Газовая |
Газовая |
при 20 °С и |
|
|||||||
|
|
|
0,101 МПа |
|||||||||
|
(при 0 °С |
постоянная |
постоянная |
0,101 МПа, |
|
|
||||||
Газ |
|
|
|
|
|
|
||||||
и 0,101 |
М, |
R, |
кДж/(кг∙ K) |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
МПа) |
кг/кмоль |
Дж/(кг∙K) |
~ |
~ |
|
|
10 |
6 |
, |
Константа |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
c |
p |
c |
|
0 |
|
|
|
Сазерленда |
|
|
|
|
|
|
|
Па с |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Азот |
1,221 |
28,02 |
297 |
1,04 |
0,75 |
|
17,00 |
|
|
114 |
||
Аммиак |
1,771 |
17,03 |
488 |
2,24 |
1,67 |
|
9,18 |
|
|
626 |
||
Аргон |
1,782 |
39,94 |
209 |
0,53 |
0,32 |
|
20,90 |
|
|
142 |
||
Ацетилен |
1,171 |
26,04 |
320 |
1,68 |
1,35 |
|
9,35 |
|
|
198 |
||
Бензол |
- |
78,11 |
106 |
1,25 |
1,14 |
|
7,20 |
|
|
- |
||
Бутан |
2297,6 |
58,12 |
143 |
1,91 |
1,73 |
|
8,10 |
|
|
377 |
||
Воздух |
1,293 |
28,95 |
288 |
1,01 |
0,72 |
|
17,30 |
|
|
124 |
||
Водород |
0,089 |
2,02 |
4130 |
1,42 |
1,01 |
|
8,42 |
|
|
73 |
||
Водяной пар |
0,804 |
18,02 |
430 |
2,01 |
- |
|
10,00 |
|
|
961 |
||
Гелей |
0,179 |
4,00 |
2080 |
5,27 |
3,18 |
|
18,80 |
|
|
7 |
||
Двуокись |
- |
46,01 |
180 |
0,80 |
0,61 |
|
|
- |
|
|
- |
|
азота |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Двуокись |
2,927 |
64,07 |
130 |
0,63 |
0,50 |
|
11,70 |
|
|
396 |
||
серы |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Двуокись |
1,976 |
44,01 |
189 |
0,84 |
0,65 |
|
13,70 |
|
|
254 |
||
углерода |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кислород |
1,429 |
32,00 |
260 |
0,91 |
0,65 |
|
20,30 |
|
|
131 |
||
Метан |
0,717 |
16,04 |
519 |
2,22 |
1,67 |
|
10,30 |
|
|
162 |
||
Окись угле- |
1,250 |
28,01 |
297 |
1,05 |
0,75 |
|
16,60 |
|
|
100 |
||
рода |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н-Пентан |
- |
75,15 |
115 |
1,72 |
1,57 |
|
8,74 |
|
|
- |
||
Пропан |
2,020 |
44,10 |
189 |
1,86 |
1,65 |
|
|
- |
|
|
278 |
|
Пропилен |
1,914 |
42,80 |
198 |
1,63 |
1,43 |
|
|
- |
|
|
322 |
|
Сероводород |
1,539 |
34,08 |
244 |
1,06 |
0,80 |
|
11,66 |
|
|
- |
||
Хлор |
3,217 |
70,91 |
177 |
0,48 |
0,36 |
|
|
- |
|
|
351 |
|
Хлористый |
2,308 |
50,49 |
165 |
0,74 |
0,58 |
|
9,89 |
|
|
454 |
||
метил |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Этан |
1,357 |
30,07 |
283 |
1,73 |
1,44 |
|
8,50 |
|
|
287 |
||
Этилен |
1,261 |
28,05 |
2961,04 |
1,53 |
1,22 |
|
9,85 |
|
|
241 |
||
В тепловых расчетах, связанных с влажным газом, часто применяется ве-
личин i, Дж/кг, называемая энтальпией и представляющая собой количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг газа при постоянном давлении,
чтобы повысить его температуру от 0 °С до заданного значения температуры:
~ |
(10) |
i c p t . |
|
7 |
|
Количество теплоты Q, Дж/кг, сообщаемого 1 кг газа при постоянном
давлении, равно разноси энтальпий начального и конечного состояния газа:
Q i2 i1 . |
(11) |
Плотность, кг/м3, динамическая вязкость, Па∙с и теплоемкость, Дж/(кг∙K),
смеси газов, состоящей из n компонентов, концентрация которых в долях от
единицы объема а1, а2, … аn и в долях от единицы массы b1, b2, … bn известна
(переход от одних долей к другим см. в подразделе состав газов настоящего раздела), находят из соотношений:
см |
1 |
2 |
n |
; |
(12) |
ρ г |
a1 г |
a2 г |
an г |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
n |
|
|
|
||
|
см |
|
см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
(13) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
||||
|
|
|
г |
a |
1 |
|
а |
2 |
|
а |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
г |
|
г |
|
n |
г |
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
~ см |
|
~1 |
b |
|
~ 2 |
b |
|
~ n |
|
||||
c |
p |
b c |
p |
2 |
c |
p |
n |
c |
p . |
(14) |
|||
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||
Как правило, одним из компонентов подлежащих очистке газов являются пары воды, концентрация которых может быть задана не долей от единицы объема или массы смеси газов, а одной из других величин, в частности величи-
|
|
~ |
ной концентрации водяных паров |
fвп , отнесенной к 1 м3 сухого газа. |
|
|
~ |
кг/м3, задана, то их плотность может быть |
Если влажность газов |
fвп , |
|
найдена по уравнению:
|
|
|
ρ |
0 |
|
~ |
||
|
|
|
f |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
0 |
|
|
г.сух |
~ |
|
вп |
|
г.вл |
|
|
|
|
||||
|
|
|
1 |
f |
вп |
|
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
0,804 |
||||
,
(15)
|
0 |
– плотность сухих газов при нормальных условиях (кг/м3); 0,804 – |
где |
г.вл |
плотность водяного пара при нормальных условиях (кг/м3).
Теплоемкость и энтальпию влажных газов, также как и влагосодержание
~
χ относят к единице массы сухой части газа:
~ |
~ |
~ ~ |
; |
(16) |
cр.вл cр.сух |
cвп χ |
|||
|
~ |
|
|
(17) |
|
i cр.влt , |
|
||
|
8 |
|
|
|