Оптимізація конструкції вузлів підведення рідини в скрубер Вентурі на основі CFD досліджень

Abstract

У процесах харчової промисловості, повʼязаних із сушінням, подрібнення тощо, утворюється пил, що створює проблеми санітарного, екологічного й технологічного характеру (негативний вплив на здоровʼя людини, забруднення навколишнього середовища та втрата цінної сировини із пилом). Вирішення цих проблем залежить від комплексного вдосконалення роботи пилоочисного обладнання. Одним з основних та ефективних елементів такого обладнання є скрубер Вентурі. Метою дослідження є визначення раціональної конструкції форсунок для осьового розподілення рідини на вході в скрубер і периферійного її підводу через отвори в горловині для забезпечення мінімальної та достатньої густини зрошення. Це дасть змогу максимально змочити пилові частинки та в подальшому їх видалити. Для досягнення поставленої мети використано методи обчислювальної гідродинаміки (CFD), реалізовані в програмному пакеті ANSYS CFX. Досліджено роботу форсунок трьох типів: струминної, відцентрово-струминної та відцентрової. Розроблено їх тривимірні моделі і згідно із загальноприйнятим алгоритмом досліджень приведено методику налаштування модулів програми для реалізації цього завдання. Особливості налаштування модулів при дослідженні скруберів з різним конструктивним виконанням вузлів підводу рідини описані при вирішенні задачі раціонального конструктивного виконання вузлів підводу рідини в скрубер. Отримані результати числових розрахунків дали змогу вибрати відцентрово-струминні форсунки, розміщені по осі скрубера для зрошення його горловини, як ефективний варіант. Рівномірний розподіл рідини по поперечному перерізу та по довжині можливий для зменшення витрати рідини вдвічі. Дослідження конструктивного виконання периферійного підведення рідини показали, що виконання підвідних отворів посередині горловини не є раціональним, оскільки вздовж вхідних кромок горловини виникають зони вихрових течій, а вирівнювання концентрації рідини відбувається на її виході. Більш раціональним варіантом периферійного підведення рідини є її підведення через отвори, що виконані в горловині на відстані 0,1…0,2 від її початку.

In food industry processes related to drying, grinding, etc, dust is generated, posing sanitary, environmental, and technological problems: negative impact on human health, environmental pollution, and loss of valuable raw materials with the dust. Solution of these problems depends on comprehensive improvement of dust collection equipment operation. One of the primary and effective elements of such equipment is the Venturi scrubber. The aim of this work is to determine the rational design of nozzles for axial distribution of liquid at the scrubber inlet and peripheral supply through holes in the throat to ensure minimal and sufficient wetting density. This will allow maximal wetting of dust particles and their subsequent removal. To achieve this goal, computational fluid dynamics (CFD) methods implemented in the ANSYS CFX software package were used. The operation of nozzles of three types was investigated: jet, centrifugal-jet, and centrifugal. Their three-dimensional models were developed, and according to the generally accepted research algorithm, a methodology for adjusting the program modules to implement this task was provided. The specifics of module adjustment when studying scrubbers with different structural designs of liquid supply nodes were presented in solving the problem of rational design of liquid supply nodes in the scrubber. The results of calculations allowed selecting centrifugal-jet nozzles placed along the axis of the scrubber to wet its throat as an efficient option. Uniform distribution of liquid across the cross-section and length is possible to reduce liquid consumption by half. Investigation of the structural design of peripheral liquid supply showed that placing inlet holes in the middle of the throat was not rational, as zones of vortex flows occurred along the inlet edges of the throat, and concentration equalization of liquid occurred at its outlet. A more rational option for peripheral liquid supply was its supply through holes made in the throat at a distance of 0.1...0.2 from its beginning.