Исследование процесса гидрообеспыливания в высоконапорных водовоздушных эжекторах-пылеуловителях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

---------------------------------- © А.В. Фролов, В.А. Телегин,

2007

УДК 62-784.433.001

А.В. Фролов, В.А. Телегин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ГИДРООБЕСПЫЛИВАНИЯ В ВЫСОКОНАПОРНЫХ ВОДОВОЗДУШНЫХ ЭЖЕКТОРАХ-ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЯХ

Существующая в настоящее время система комплексного обеспыливания горных предприятий, несмотря на высокую эффективность пылеподавления на отдельных участках технологической цепи, зачастую не в состоянии обеспечить снижение запыленности воздуха на рабочих местах до уровней близких к предельно допустимым концентрациям (ПДК). Наблюдающаяся тенденция перехода на разработку глубоких (более 700 м) горизонтов шахт наряду с ухудшением микроклимата ведет к осложнению пылевой обстановки, что способствует повышению уровня заболеваемости пневмокониозами. Применение существующих средств и способов борьбы с пылью нередко недостаточно эффективно, а использование при этом распыленной воды (влаги) неизбежно осложняет тяжелые условия микроклимата глубоких горизонтов шахт [1, 2].

В этих обстоятельствах исследование и разработка новых высокоэффективных и безопасных, экономичных и надежных средств и способов борьбы с пылью, обеспечивающих пылеподавление в источнике загрязнения до уровней близких к ПДК, не осложняющих условия микроклимата, становятся достаточно назревшим и весьма актуальным.

Аналитический обзор [3-5] существующих способов и средств борьбы с пылью и оценка возможных перспектив их совершенствования показал, что наиболее перспективным решением является применение аспирирующих водовоздушных эжекторов-пылеуловителей, использующих высокое гидростатическое давление водяного столба от земной поверхности до уровней глубоких горизонтов при распылении жидкости в качестве средства интенсификации улавливания пыли и эжекции воздуха.

Вместе с этим отсутствие достаточно строгого научного обоснования процессов эжектирования воздушного потока высоконапорным факелом распыленной жидкости, улавливания частиц каплями жидкости в динамических условиях высоконапорнораспы-ляемого факела, отделения пыли и шлама от воздушного потока в шламоотделителях и экспериментально аргументированной количественной оценки реализуемых рабочих режимов эксплуатации этих устройств для расчета и выбора количества и типоразмеров таких пылеуловителей исходя из конкретных условий технологии горного производства и особенностей пылеобразования и распространения пылевого аэрозоля.

В этих обстоятельствах решающее значение для определения динамических параметров процесса гидрообеспыливания приобретает установление зависимости между временем релаксации т, т.е. отношением скорости и к ускорению Ж движения капель и частиц относительно вмещающей газовой среды и сопротивлением С движению в этой среде в режиме высоконапорного распыления жидкости, полученной в общем виде

и 432 (р-рт) т =— =---------------, с,

Ж 3 • С • Re• цт

где 3 - диаметр частицы или капли, м; р, рг - плотность частицы или капли и газовой среды соответственно, кг/м3; Re - критерий Рейнольдса; ]иг - динамическая вязкость газовой среды, н/м2с.

Для инерционного движения капель при больших числах Рейнольдса ^е >> 1), характерных для режимов высоконапорного распыления жидкости, определены мгновенные значения параметров т и С и получено среднее значение времени релаксации на длине участка их торможения в воздушной среде 1

т = т ________________ с

срж 0ж1 + 0,05Яе0,:687 ’ ’

где т0ж - время релаксации при малых числах Рейнольдса, с; Re0ж -начальное значение критерия Рейнольдса.

0,12

0,08

0,04

1

2

200 400

600 800 1000

Рис. 1. Критические значения критерия Стокса на границе энергетических барьеров: 1 - аэродинамического; 2 - поверхностно-адгезионного

Это позволяет определять параметры движения капли в факеле высоконапорнораспыляемой жидкости в диапазоне чисел Рейнольдса от 1 до 104 на всей длине свободного инерционного пробега в воздушной среде.

Установлено, что достижимые пределы эффективности инерционного ортокинетического коагуляционного взаимодействия [6] ограничены критическими значениями автомодельного вырождения влияния критерия Стокса ^^„кр) для аэродинамического и поверхностно-адгезионного запрещающих энергетических барьеров. Исследования показали, что при высоконапорном гидрообеспыливании, обеспечивающем значение числа Рейнольдса для капли Reж > 200, частице достаточно преодолеть аэродинамический энергетический барьер Stkmкр > 0,042, то есть достигнуть поверхности капли, чтобы быть необратимо зафиксированной ею (рис. 1).

Таким образом определено, что условия необратимой фиксации частиц пыли каплями жидкости при высоконапорном гидрообеспыливании более благоприятны, чем при низконапорном орошении.

Таблица 1

Расходные коэффициенты процесса эжектирования

Наименование Обозначение Выражение

Коэффициент скорости жидкой фазы кжу ^ = 1 (3.25) Vг Б -^Б (Б -1)

Коэффициент расхода жидкой фазы пж = кж= кжу ' к Ож = к/ (3 26) й Б -у]Б(Б -1)

На основе уравнения материального баланса в элементарном объеме рабочего пространства получено общее выражение математической модели процесса [7] гидрообеспыливания в аспирирую-щем водовоздушном эжекторе-пылеуловителе, выражающее относительную остаточную парциальную концентрацию пылевых частиц на выходе из устройства

П ,

Эф =-^ = е

п

п

З'пж -^с«- К

24ж -V

где п0 и п1 - начальная и остаточная концентрация пылевых частиц соответственно, кг/м3; пж - объемное содержание жидкости в объе-

м

ме газа, —ж; ^ - коэффициент захвата частиц пыли; Vж и V- -м

скорости капель и частиц капли соответственно, м/с; а - угол раскрытия факела;/ж - длина инерционного пробега капель, м; 5ж -диаметр капли, м.

Полученные для математической модели взаимосвязи расходных характеристик процесса [8] эжектирования газовой фазы факелом высоконапорнораспыленной жидкости внутри устройства представлены в табл. 1.

Соответствующие обозначения получены в виде

А = 1 -

2 4ж - Н - В 9-с-тж - Ож

Ґ

А

І I

\

+-

V ^

+ а

э2 У

£ = I

А

V = V

Б-у]Б-(Б -1)

, м/с,

где Н и В - высота и ширина рабочего пространства устройства соответственно, м; Qж и Qг - расход жидкости и газа соот-

3

Рис. 2. Ход построений расчетно-графического метода определения общей эффективности очистки

ветственно, м3/с; Уг и Уж - скорость газа и проекция скорости капли на струю газа соответственно, м/с; Л и Л - коэффициент сопротивления поверхности каналов рабочего пространства и шла-моуловителя соответственно; dэ и dэ2 - эквивалентный диаметр каналов рабочего пространства эжектора и шламоуловителя соответственно, м; 1\ и 12 - длина каналов рабочего пространства и шламо-уловителя соответственно, м.

На основе разработанной математической модели процесса парциальной эффективности гидрообеспыливания в эжекторе-пылеуловителе предложен расчетно-графический метод определения общей степени очистки устройства по заданным значениям параметров дисперсности пыли (рис. 2).

Экспериментальные исследования эффективности гидрообеспыливания в водовоздушных эжекторах-пылеуловителях показали, что эффективность гидрообеспывливания на образцах

Рис. 3. Изменение эффективности очистки воздуха от пыли фракций частиц размером от 0 до 100 мкм в зависимости от величины избыточного давления жидкости на форсунке ПФ2-1,1х1,65х60 в эжекторах с пластинчатым шла-моуловителем при различных площадях поперечного сечения рабочего пространства: 1 - 120x300 мм; 2 - 90x300 мм; 3 - 60x300 мм; 4 - 150x300 мм

полидисперсной пыли нормализованного полидисперсного состава составляет от 98,8 до 99,85 % во всем диапазоне избыточных давлений высоконапорного распыления жидкости от 2 до 10 МПа, как показано на рис. 3.

Анализ параметров работы водовоздушных эжекторов-пылеуловителей позволил определить, что область рационального применения эжекторов-пылеуловителей, обеспечивающая остаточную запыленность воздуха на выходе из устройства на уровне ПДК лежит в области избыточных давлений высоконапорнораспыляе-мой жидкости более 4 МПа, когда процесс высоконапорного гидрообеспыливания переходит к частичной автомодельности.

Промышленные испытания применения эжекторов-

пылеуловителей на подземных стационарных перегрузочных пунктах показали, что использование таких устройств позволяет пода-

вить источники пылевыделения, снизить прирост запыленности до уровней ПДК и улучшить условия труда шахтеров. ------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андрющенко В.Н., Дядькин Ю.Д., Захаров Е.П. Климатические условия в глубоких шахтах /Техника безопасности и горноспасательное дело. - М.: ЦНИЭИуголь, 1974. - С. 43.

2. Зингер Ф.Х., Сорокин Е.С. Распространенность пневмокониоза среди горнорабочих глубоких шахт Донбасса / МатериалыХХШ пленума республиканской комиссии по борьбе с силикозом. - Киев: Наукова Думка, 1972. - С. 194-198.

3. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. - М.: Недра, 1979. -

319 с.

4. Борьба с угольной пылью / Поляков Н.С., Москалев А.Н., Васильев Л.М. и др. - Киев: Наукова Думка, 1990. - 196 с.

5. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах / П.М. Петрухин, Г. С. Гродель, Н.И.Жиляев и др. -М.: Недра, 1981. - 271 с.

6. Телегин В.А., Семененко В.К., Папирняк В.П. Энергетические уровни взаимодействия частиц пыли с каплями жидкости / Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение. Выпуск VII. Ростов-н/Д: Ростовск. гос. строит. ун-т, 2005. - С. 333.

7. Сергеев С.И., Телегин В.А., Шупляк Н.Г. Математическое моделирование пылеулавливающего устройства с форсункой / Оценка, прогноз и повышение экологической и производственной безопасности жизнедеятельности / Новочеркасск: Набла, 2000. - С. 66.

8. Телегин В.А., Ковтунов Е.Б. Рабочие параметры и режимы процесса улавливания пыли в водо-воздушном эжекторе / Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение. Т.38. Ростов-н/Д: Ростовск. гос. строит. ун-т, 2005. - С. 310.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------

Фролов Анатолий Васильевич - профессор, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды»,

Телегин Владислав Александрович - инженер, старший преподаватель той же кафедры, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркассский политехнический институт), г. Новочеркасск.