Определение эффективной скорости для транспортирования пыли по трубопроводам Текст научной статьи по специальности «Физика»

СЕМИНАР 6

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.А. Шаповалов, 2001

УДК 622.73; 622.738; 622.807

В.А. Шаповалов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ СКОРОСТИ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПЫЛИ ПО ТРУБОПРОВОДАМ

Н

а металлургических и горнодобывающих предприятиях г. Кривого Рога в цехах подготовки шахты, на дробильно-сортировочных и обогатительных фабриках и т.д., при дроблении, грохочении и транспортировании сырья, несмотря на наличие аспирационных систем, выделяется пыль, которая в больших количествах поступает в атмосферу производственных цехов через неплотности в укрытиях, трубопроводах, а также с поверхности транспортируемых материалов. Концентрация пыли на рабочих местах значительно превышает санитарные нормы. При этом большое количество пыли оседает на всех поверхностях, особенно горизонтальных. Работа технологического оборудования, движение транспорта и воздушных потоков приводят к возврату осевшей пыли и просыпей в атмосферу и повышению запыленности воздуха на рабочих местах.

В связи с отсутствием эффективных способов и средств уборки больших количеств осевшей пыли этот вопрос остается нерешенным.

Основным типом пылеуборочных установок, предназначенных для уборки больших количеств осевшей пыли в цехах промышленных предприятий со значительными пылеотложениями, являются пневматические пылеуборочные установки. Использование таких установок позволяет повысить уровень культуры производства и улучшить условия труда на рабочих местах.

Задачей пылеуборочной установки является не только уборка поверхностей от осевшей пыли, но и транспортирование отсасываемого материала по трубопроводам в специальные емкости для дальнейшего использования в производстве.

Основное условие, соблюдение которого необходимо для того, чтобы твердая частица могла бы поддерживаться потоком воздуха во взвешенном состоянии заключается в том, что силы, создающиеся вследствие движения потока и действующие на тело в на-

правлении снизу вверх, были равны силе его тяжести или превышали ее.

Скорость витания Уъ, при которой твердая частица в восходящем потоке воздуха находится во взвешенном состоянии, или другими словами, начинает витать, имеет важное теоретические и практическое значение. При наиболее точном определении скорости витания возможно определение наиболее оптимальной скорости транспортирования Утр убираемого материала.

Скорость витания определяется из условия равенства силы тяжести G и силы сопротивления воздуха Fc движению [1]. При движении частицы под влиянием силы тяжести воздушная среда оказывает сопротивление. По мере падения частицы скорость ее возрастает, но возрастает и сила сопротивления воздушной среды. Согласно закону Стокса сила сопротивления воздушной среды будет равна, Н

Fc = ъпсг^ю ........ (1)

где dr - диаметр частицы, м; Ц - динамическая вязкость, Па-с; Ю - скорость падения частицы, м/с.

Сила тяжести частицы с учетом Архимедовой силы будет равна

лС3

G = —g(Pr - Рв), (2)

где рг- плотность частицы, кг/мъ; рв - плотность воздуха, кг/мъ; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Исходя из равенства силы сопротивления воздушной среды и силы тяжести частицы, получим

' 1 Л(С г

Ъпаг^со = —— (рг - рв), отсюда 6

а =~Г— (Рг - Рв ) . 18^

(3)

Так как плотность воздуха рв намного меньше плотности частицы рг, то первой можно пренебречь. Тогда выражение (Ъ) будет иметь вид

а =

^г ■>рг 18^

(4)

Таким образом, скорость падения частицы ю в воздушной среде, при условии, что воздух неподвижен в вертикальном направлении, равна скорости восходящего потока, при котором создается сопротивление, удерживающее частицу во взвешенном состоянии и не дающее ей падать. Эта скорость и есть скоростью витания Ув Тогда (4) будет иметь вид

Сг Р 18^

(5)

Определение скоростей витания обычно производится из предположения об отсутствии столкновения частиц между собой и со стенками трубопровода. Скорость потока воздуха при этом принимается равномерной по всему сечению канала.

Влияние силы тяжести на движение твердых частиц в турбулентном потоке можно оценить путем сравнения скоростей свободного падения частицы с динамической скоростью. Силы тяжести влияют на движение частиц относительно турбулентного поля только в том случае, если скорость свободного падения соизмерима с динамической скоростью, т.е. V = V д. Влияние силы тяжести должно учитываться числом Фруда [2]

РвVAІ Ргgdг

Согласно [2], в горизонтальной трубе возможно скачкообразное движение твердых частиц, если

10-2 <-Рв]/л

Р^Сг

< 1

Если число Фруда <10-, то частицы осаждаются в нижней части горизонтального трубопровода. В вертикальном трубопроводе силы тяжести не будут влиять на распределение частиц по сечению и скорости этих частиц и воздуха будут отличаться на величину скорости витания.

Существенное влияние на характер движения частиц оказывает отличие их формы от шарообразной. При ламинарном режиме обтекания частицы неправильной формы падают в большинстве случаев в таком положении, в котором они вводятся в среду. Скорость их при этом зависит от первоначальной ориентации и поэтому одинаковые частицы могут иметь различные скорости осаждения.

В турбулентной области частицы независимо от их первоначальной ориентации падают и витают в таком положении, которое обеспечивает максимальность коэффициента их сопротивления [Ъ]. Для шарообразных частиц параметром, дающим полное представление об их геометрии, является диаметр. В случае нешаровидных частиц закономерности качественно будут такими же, но коэффициенты в формулах изменятся. Для таких частиц необходимо вводить поправочный коэффициент у к значению коэффициента X. Соответственно скорость осаждения их будет во столько же раз меньше.

Соответственно формула 5 примет вид

V = 1§ Рг в 18цу

где I - условный размер частицы.

В большинстве случаев форма частиц неизвестна или сложна и различна для разных частиц. Поэтому

ТАБЛИЦА ПОПРАВОЧНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ у

Форма частицы V Форма частицы V

Шарообразная 1 Пластинчатая 5

Округлая с неровной поверхностью 2,4 Усредненная (для смешанных тел) 2,9

Продолговатая 3

для частиц неправильной формы применяется понятие эквивалентный диаметр. Для узкого класса крупности эквивалентный диаметр можно определить по среднегеометрическому из размеров ячеек смежных сит по данным ситового анализа

Сэкв "\МіС(

i+1

Для более точной оценки этой величины, в случае, когда форма частиц значительно отличается как диаметр равновеликого шара 1. По скорости витания подбирается частичка шарообразной формы с необходимой плотностью. Так как скорость витания частиц с размерами I и Сэкв равны, то справедливо следующее равенство

72

Vв =

12 gРг

С2

вт

18р.\у Отсюда

18 р

С -±-

Сэкв I----

т.е. эквивалентный диаметр

меньше условного размера нешарообразной формы.

Вопрос о соотношении скоростей витания и осаждения одних и тех же частиц детально не изучен. Следует отметить, что эти параметры имеют совершенно различный физический смысл, так как скорость витания относится к движению потока, а скорость падения - к твердой частице. Поэтому целесообразно определять скорость витания на специальной экспериментальной установке (рис. 1).

Рис. 1. Схема установки для изучения скорости витания пыли: 1 - прозрачный конус; 2 - линейка; 3 - воздухопровод; 4 -воздухомерная трубка; 5 - вентилятор; 6 - электродвигатель; 7 - шибер

Рис. 2. Скорость витания рудной пыли

Методика определения скорости витания частиц определялась следующим образом. Бралась пыль, находящаяся на сите при полном ситовом анализе соответствующего диапазона крупности и подавалась в горловину конической трубы 1. При этом часть пыли улетала вверх, часть витала и часть падала вниз, где собиралась. Витающая пыль собиралась после герметичного закрытия диффузора. Затем скорость потока измерялась и аналогично выполнялся следующий эксперимент с витающей и выпавшей пылью.

Результаты экспериментов с рудной пылью, собранной на дробильно-сортировочной фабрике, приведены на графике (рис. 2). Сравнение полученных данных, приведенных в работе [4] говорит о том, что скорость витания рудной пыли на 10-15 % больше.

Расчетная скорость транспортируемого потока должна быть значительно больше скорости витания, так как транспортируемые частицы необходимо не только сохранять во взвешенном состоянии, но и в случае, например, остановки процесса и повторного запуска в работу, необходимо поднять частицы, осевшие на дно воздуховодов. В зависимости от массовой расходной концентрации К = Ом / Gв , принимает скорость транспортирования материала, равную при К =1 ниже Кф=(1,25-1,Ъ^в К= 2 ^р = 1,5^

К = 10-15 VTр = 2-2^

Экспериментальное определение скоростей витания позволяет получить более правильные результаты.

1. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1997

2. Owen PR. Pneumatic transport. -Journal of fluid Mech. - 1969, vol 39, pt 2.

3. Урбан Н. Пневматический

транспорт. - М.: Машиностроение,

1967.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Донат Е.В. Пневматическая уборка пыли в цехах промышленных предприятий. - Профиздат, 1960.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

,_________________________________________________________________________________Q

Со

ШаповаловВ.А. - аспирант,. Криворожский технический университет.