Исследование высоконапорного гидрообеспыливания пылеулавливающими водовоздушными эжекторами с плоскоструйными форсунками Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

— Коротко об авторе -

Романченко С.Б. - Сибирская управляющая энергетическая компания.

© А.В. Фролов, В.А. Телегин, 2008

А.В. Фролов, В.А. Телегин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОНАПОРНОГО ГИДРООБЕСПЫЛИВАНИЯ ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИМИ ВОДОВОЗДУШНЫМИ ЭЖЕКТОРАМИ С ПЛОСКОСТРУЙНЫМИ ФОРСУНКАМИ

1Тторьба с пылью как профессиональной вредностью на горных предприятиях - одна из важнейших социальных задач. Орошение витающей пыли диспергированной водой является наиболее распространенным и легко осуществимым способом снижения запыленности воздуха.

На практике широкое распространение получили наиболее простые типовые оросительные системы, которые, как правило, не

164

обеспечивают снижения запыленности воздуха до предельно допустимых концентраций. Поэтому задача дальнейшего повышения технико-экономической эффективности гидрообеспыливания остается весьма острой и актуальной.

До сих пор нет единого мнения о механизме взаимодействия жидкого и пылевого аэрозолей, не изучены аэродинамические критерии выбора рациональных режимов работы пылеуловителей для повышения эффективности гидрообеспыливания, нуждаются в изучении механизм коагуляционного взаимодействия в динамических условиях, слабо изучены вопросы прогнозирования эффективности пылеулавливания и расчета таких устройств. Пути существенного увеличения эффективности гидрообеспыливания лежат в направлении интенсификации ортокинетического коагуляционного взаимодействия капель с частицами пыли при увеличении давления до 4-10 МПа жидкости распыляемой форсунками. Анализ существующих методов подавления пылеисточников и оценка возможных перспектив их совершенствования показал, что наиболее рациональным решением вопроса является применение аспирирующих водовоздушных эжекторов-пылеуловителей использующих высокое давление при распылении жидкости в сочетании с локализующими очаг пыления изолирующими укрытиями.

Исходя из указанных обстоятельств на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды» ЮРГТУ (НИИ) проведены исследования эффективности высоконапорного гидрообеспыливания и эжекции воздуха пылеулавливающими водовоз-душными эжекторами [1].

Несомненным преимуществом таких эжекторов по сравнению с пылеотсасывающими вентиляционными установками с электроприводом - полная безопасность при отсасывании взрывчатых смесей газа и угольной пыли. Отсос и обеспыливание воздуха внутри этих эжекторов производится факелом высоконапорнораспыляе-мой воды. Образующийся в результате смачивания шлам улавливается шламоуловителями и отводится за пределы эжектора в водосбор. Общий вид таких устройств с пластинчатыми шламоуловите-лями и со свободными рабочим пространством приведен на рис. 1 и рис. 2 соответственно.

Исследования методом анализа размерностей процесса гидрообеспыливания при эжектировании газа факелом высоко-

165

напорнораспыляемой жидкости внутри эжектора позволили установить взаимосвязи физических параметров происходящих явлений в виде общей критериальной зависимости [1, 2] 1п Эф = к • Ыкя • Мх • (1)

где Эф - относительная остаточная концентрация пылевых частиц; к - коэффициент пропорциональности

Рис. 1. Общий вид эжектора-пылеуловителя со шламоуловителем:

1 - корпус; 2 - форсунка; 3 - пластинчатая решетка; 4 - уголковая решетка; 5 ■ шламосборник

Рис. 2. Общий вид эжектора-пылеуловителя со свободным рабочим пространством: 1 - корпус; 2 - эжектирующая форсунка; 3 - шламоотделитель; 4 - шла-моотводящие патрубки

3 • Ж2 к =- я

2 •(кт + 0,25)

где Б^ь и Б1кя - критерии Струхаля и Стокса соответственно

166

Зг =

т •V

т г

Т • V

Бгк =т

( К - V ^

где тт и тж - время релаксации частицы и капли соответственно

т =

'(Рж -Рг)

4^ж •(Рж -Рг )

с; тж = _ --, с,

3 • С • Яе • ц 3 • С • Яе • ц

т "г т "г

где 5ж и 5т - диаметры капли жидкости и частицы пыли, соответственно, м; Vж0, Кк и Vг - скорости капли начальная, средняя и частицы, соответственно, м; Рж и Рг - плотности жидкости и газа, соответственно, кг/м3; С - коэффициент сопротивления воздушной среды; Яет - критерий Рейнольдса частицы пыли 5 • V •р

г / г

Яе_ =-

ц

где цг - коэффициент динамической вязкости газа, Нм2/с; N -симплекс объемной концентрации жидкости

N = = .

к

< кэ Б-^Б-(Б-1)

где <ж и < - расходы жидкости и газа, соответственно, м3/с; ку -коэффициент соотношения расходных сечений для двухсопловой форсунки

2 • у,с

ку =

где ус - расходное сечение сопла форсунки

=Ч' -

4

м

где ёс - диаметр сопла форсунки; Е - расходное сечение рабочего пространства эжектора

Е = В • Н, м2,

где В и Н - ширина и высота сечения пространства, соответственно, м; кэ - коэффициент эффективности передачи скорости

, Vx а у

кэ = —^ = кп • сое—• еоэ—;

э Vжо п 2 4'

где Vж - скорость капли осредненная по длине инерционного пробега.

167

Кж0 = Мо

, м/с,

где Мо - коэффициент расхода форсунки (0,65-0,9); АРж - избыточное давление жидкости, Па;

К, = к • V,

а у • сое—• сое—, м/с; 2 4

где кп - коэффициент передачи импульса скорости газовой среде на пути инерционного пробега капли (кп = 0,217); а и у - углы расхождения и раскрытия факелов форсунки соответственно, в градусах; А и Б - принятые обозначения

Б = А

А = 1 -

2•Зх • Н • В 9• Стж • Ож

А

I и

А

*э2 У

где А и А2 - коэффициент сопротивления поверхностей рабочего пространства эжектора и шламоуловителя, соответственно; йэ и ¿э2 - эквивалентные диаметры каналов рабочего пространства и шла-моуловителя, соответственно

^ =

Н • В

м; ¿э2 =

н • ь

м,

Н + В Н + ь

где Ь - ширина каналов пластинчатого сепаратора, м.

Средняя скорость газа эжектируемого факелом высоконапор-нораспыляемой жидкости через рабочее пространство определяется из выражения

К = К • V,,

Б-V Б-(Б -1)

м/с.

Экспериментальные исследования водовоздушных эжекторов-пылеуловителей на нормализованной пыли различного дисперсного состава показали высокую эффективность гидрообеспыливания очищаемого воздуха при избыточных давлениях жидкости более 4 МПа и расходах жидкости от 12 до 22 л/мин. Для фракции пыли от 0 до 100 мкм эффективность гидрообеспыливания достигает 99,85 %; для фракции от 0 до 40 мкм - 99,6 % и фракции от 0 до 10 мкм - 98,9 %, как показано на графиках рис. 3 и 4.

168

Для создания эффективного водяного факела, заполняющего все поперечное сечение эжектора была разработана плоскоструйная двухсопловая форсунка, схема которой представлена на рис. 5.

Исходя из физических явлений при распылении жидкости определялось влияние параметров реализуемых при дроблении капель на их размеры в факеле форсунки использующих для распыления жидкости высокое (2^15 МПа) давление.

ЕЛ

100

99

98

97

-А-Л—

Л-

0 -„1 - 2 - 3 -4- 5 .- 6 7

9 10

А Р, МПа

Рис. 3. Общая эффективность пылеулавливания водовоздушного эжектора в зависимости от избыточного давления жидкости на форсунке при различном фракционном составе пыли с размерами частиц: 1 - 0^100 мкм; 2 - 0^40 мкм; 3 - 0н-10 мкм

Е,% 100

99

98

97

10 """ 15 "

20

25 О —

мин

169

Рис. 4. Общая эффективность пылеулавливания водовоздушного эжектора в зависимости от расхода жидкости форсункой при различном фракционном составе пыли с размерами частиц: 1 - 0^100 мкм; 2 - 0^40 мкм; 3 - 0^10 мкм

Вид А

Л?

у у

Рис. 5. Схема двухсопловой форсунки: 1 - корпус; 2 - гайка крепления вкладыша; 3 - вкладыш; 4 - направляющие пластины

Физические основы формирования целостности капли определяются условиями критического равновесия между величинами поверхностного натяжения и интенсивностью внешнего воздействия газовой среды на поверхность капли. Устойчивость капли к разрушающему действию давление скоростного напора газовой среды, на основе уравнения Лапласа, определяется критическим значением критерия Вебера для диаметра капли

V2 -р -8 8

шР — 2 г жк -_

к ^ Г'

о С

20 -16 8 4

----^С = 0,445

Рис. 6. Зависимость критических значений критерия Weк от величины числа Яежо

170

где 5ж.к - критический диаметр капли устойчивой к дроблению, м; сж - коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-газ, Дж/м2.

Это позволяет выразить критическое значение критерия Вебе-ра через начальную величину числа Рейнольдса (Яеж0)

Яе

Ж'к =1 (Яеж0) = 3-(1 + 0,15ж0Яеж087 ).

График функции We = / (Яеж0) представлен на рис. 6.

На практике предел стабильности капли целесообразнее определять с учетом влияния диаметра сопла форсунки

We - Д.

=■

We„

м,

(2)

где Дс - диаметр сопла форсунки, м; Weкс - критическое число Ве-

бера для сопла форсунки =^^.

В области автомодельного вырождения критерия Рейнольдса (10-3<Яеж0<10-5), где коэффициент сопротивления среды С « 0,445 (см. рис. 6) практически постоянен, выражение (2) принимает вид ^ = 14,38 - WeкC - Дс.

Зависимость размера капель от размеров сопла и величины давления распыляемой жидкости в пределах от 2 до 15 МПа экспериментально исследовалась в работах [3, 4].

л/мин

1 3 2

14 АР, МПа

171

Рис. 7. Зависимость расхода жидкости плоскоструйных форсунок от избыточного давления жидкости: 1 - ▲ ПФ2-1,1х2,0х60; 2 - • ПФ2-1,1х1,65х60; 3 -□ ПФ-2,2х60

0,8

0,75

0,7

2

т

0,65

0 2 4 6 8 10 АР, МПа

Рис. 8. Зависимость коэффициента объемного расхода двухсопловых плоскоструйных форсунок от избыточного давления жидкости:

1 - ПФ2-1,1х2,0х60; 2 - ПФ2-1,1х1,65х60

Сравнительная оценка данных показала хорошую сходимость расчетных и экспериментальных результатов. Полученные данные свидетельствуют, что при давлениях от 2 до 15 МПа распыляемой жидкости и диаметрах от 1 до 2 мм сопла форсунки в факеле дробления преобладают капли размером от 25 до 75 мкм.

Экспериментальные исследования были направлены на решение вопроса о влиянии величины избыточного давления жидкости в сопле форсунок на величину расхода жидкости Qж и значение коэффициента расхода ^ определяемого из выражения

Данные экспериментальных исследований представлены графиками на рис. 7 и 8.

На основании полученных результатов исследований выявлены закономерности изменения эффективности высоконапорного гидрообеспыливания в водовоздушных эжекторах- пылеуловителях и обоснован подход к формированию методики расчета рациональных параметров прогнозирования остаточного уровня запылённости воздуха, очищенного в таких устройствах. Это дает возмож-

172

ность создавать (конструировать) пылеулавливающие устройства с более высокой эффективностью обеспыливания.

Экспериментальные исследования таких устройств показали, что эффективность очистки воздуха таких устройств для респира-бельной пыли не менее 99-99,5 %.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 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.

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

3. Зырянов Е.Г., Колеватов П.А. Исследование эффективности подавления пыли водными аэрозолями, полученными при высоких давлениях // Борьба с силикозом. Вып. 8.М.: 1970.- С. 42-46.

4. Фролов М.А., Зырянов Е.Г. Подавление пыли в шахтах высоконапорным орошением. - М.: ЦНИЭИуголь, 1976. - 44 с. ГТТШ

— Коротко об авторах -

Фролов А.В. - профессор, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды»,

Телегин В.А. - инженер, старший преподаватель той же кафедры, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), г. Новочеркасск.

--© В.А. Бойко, Д.М. Логунов,

2008

В.А. Бойко, Д.М. Логунов

О ПРОБЛЕМЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ОТРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ ШАХТ

173