CC BY
28
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №2
УДК 628.511
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ ВОРОНКИ АСПИРАЦИОННОГО УКРЫТИЯ
В.М. Киреев
DETERMINING THE HEIGHT OF HOPPER SUCTION DUCT
V.M. Kireev
Аннотация. В данной статье ставится задача определения оптимальной высоты аспирационной воронки, при которой будет происходить минимальный пылеунос в систему аспирации. Как известно, наиболее эффективным способом обеспыливания при перегрузках материалов являются системы аспирации, для работы которых требуется до 20% оборотных средств предприятия. Проводя анализ можно утверждать, что энергоёмкость аспирационных систем, в первую очередь, определяется работой аспирационного укрытия. Одним из перспективных направлений снижения энергоёмкости аспирационных систем, является использование укрытий как первой ступени очистки воздуха. В статье представлены рекомендации, необходимые при конструировании аспирационной воронки укрытия, выступающего в качестве первой ступени очистки воздуха.
Ключевые слова: пылевыделение при перегрузках сыпучих материалов; снижение энергоёмкости аспирационных систем; энергоэффективные аспирационные укрытия; высота аспирационной воронки укрытия.
Abstract. This article seeks to determine the optimal height of the suction funnel at which a minimum dust discharge will occur in aspiration. As is known, the most effective way in the materials handling dedusting systems are aspiration for requiring up to 20% of working capital of the enterprise. Through analysis we can assert that the energy intensity of aspiration systems, primarily for the operation of the suction cover. One of the most promising ways to reduce the energy intensity of aspiration systems, is to use the shelters as the first stage air purification. The article presents the recommendations required in the design of the suction funnel shelter, serving as the first step of cleaning the air.
Key words: dust emission during handling of bulk materials; reduced energy intensity of aspiration systems; energy-efficient suction cover; the height of the suction hopper cover.
Предприятия, в технологическом процессе которых имеется перегрузка сыпучих материалов, являются мощными источниками пылевых загрязнений атмосферы. На поддержание требуемых ПДК пыли в рабочей зоне и ПДВ на выбросе в атмосферу в разной степени тратятся как основные, так и оборотные средства предприятия, что отражается на их конкурентоспособности.
Для обеспечения требуемых санитарно-гигиенических норм материалов необходимо использовать полный комплекс инженерных систем по борьбе с пылью. Он должен включать в себя аспирацию (местная вытяжная вентиляция), гидросмыв или централизованную вакуумную пылеуборку (ЦПУ) и общеобменную вентиляцию. Определяющей из этих систем является система аспирации, от работы которой зависит требуемая производительность всего комплекса обеспыливания [1]. К примеру, производительность системы общеобменной приточной вентиляции определяется производительностью системы аспирации и необходима для того, чтобы компенсировать удаляемые из помещения объёмы аспирируемого воздуха.
Введение
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №2
Как правило, простейшая система аспирации состоит из: укрытия источника пылеобразования 1; системы воздуховодов 2; системы очистки воздуха 3,4; и побудителя тяги 5 (рис. 2).
Рисунок 1 - Принципиальная схема а) децентрализованной и б) централизованной системы аспирации: 1 - аспирационные укрытия; 2 -система воздуховодов; 3 - первая ступень очистки воздуха (циклон); 4 -вторая ступень очистки воздуха (рукавный фильтр); 5 - побудитель тяги (вентилятор); 6 - выброс аспирационного воздуха в атмосферу
Энергоемкость аспирационных систем обусловливается мощностью, потребляемой вентилятором, которая зависит от объёмов аспирируемого воздуха, перемещаемого по воздуховодам системы, и их гидравлического сопротивления, значительную часть которого (более 50 %) составляют потери давления в циклонах - наиболее распространенных пылеуловителях системы. Также энергоёмкость систем аспирации зависит от затрат на очистку аспирационного воздуха.
Построение аспирационных систем, отвечающих санитарным и экономическим нормам, сводится к обеспечению невыбивания пыли из укрытия при минимальном объеме отсасываемого воздуха и минимальной концентрации материала в асприруемом воздухе. Данные условия работы аспирационной системы возможны только в случае применения грамотно сконструированных аспирационных укрытий. Таким образом, эффективность работы системы аспирации, зависит в первую очередь, от работы аспирационного укрытия, которое предотвращает поступление вредностей в рабочую зону.
Наиболее простым из существующих аспирационных укрытий является аспирационное укрытие с одинарными стенками (рис. 2) [2]. Оно представляет собой П-образный металлический кожух, образованный боковыми 7, передней 1 и задней 9 стенками, уплотнённый внизу гибкими вставками из конвейерной ленты 10, 11. Эжектируемый запылённый воздух, который поступает вместе с перегружаемым материалом по желобу 6, удаляется посредствам аспирационной воронки 4. Уплотнительные фартуки 2, как правило, дублируются, с целью снижения неплотностей, которые возникают при выходе транспортируемого материала из укрытия.
Данное укрытие энергоёмко, так как для его работы необходимы повышенные объёмы аспирируемого воздуха и двухступенчатая схема очистки воздуха.
Таким образом, по нашему мнению, наиболее перспективным направлением, позволяющим значительно снизить энергоёмкость аспирационной системы, эксплуатационные расходы, сократить выброс пыли в атмосферу, а также повысить их надежность является совершенствование конструкции аспирационного укрытия, то есть внедрения его как первой ступени очистки воздух вместо циклона. Поэтому для осуществления данной возможности необходимо иметь подходящую конструкцию аспирационного укрытия и методику её расчета.
На сегодняшний день существует основополагающая методика, подтвержденная многочисленными экспериментами [2] по определению параметров работы укрытия и определяющая их основные конструктивные особенности, однако имеются ряд моментов, на которые следует обратить внимание.
3
1
5
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №2
Г4
Т+1
2
3
5
к
Г«
7
Рисунок 2 - Конструкция аспирационного укрытия с одинарными стенками: 1 -передняя стенка укрытия; 2 - уплотнительные фартуки; 3 - конвейерная лента; 4 -аспирационная воронка; 5 - верхняя крышка укрытия; 6 - перегрузочный желоб; 7 - боковая стенка; 5- отбойная плита; 9 - задняя стенка укрытия; 10, 11 - боковые и торцевое уплотнения
Проведя литературный обзор, нами было отмечено, что в нормативных документах и технической литературе, в том числе и имеющейся методике [1], нет указаний по конструированию аспирационных воронок. Это можно отнести к существенному недостатку методики расчета укрытий, ведь известно, что унос пыли зависит не от средней скорости всасывания, а от распределения поля скоростей в рассматриваемом сечении.
При уменьшении скорости движения воздуха и обеспечении равномерного поля скоростей в плоскости приемных отверстий аспирационных воронок унос пылевидных частиц в удаляемом воздухе значительно снижается. В результате уменьшается пылевая нагрузка на воздуховоды и пылеуловители и в конечном итоге снижается концентрация пыли в вентиляционных выбросах. Таким образом, разработка указаний по конструированию аспирационных воронок является весьма актуальной задачей.
Наиболее предпочтительная конструкция укрытия, подходящая для использования в качестве первой ступени очистки воздуха, представлена на (рис.3) [3]. Данная конструкция отвечает основным переделяемым требованиям: минимальные объёмы аспирации и пылеунос материала, низкая вероятность выбивания пыли в область рабочей зоны, простота конструкции. Характерной отличительной особенностью данного укрытия является наличие угла наклона жёсткой перегородки 6, по отношению к верхней крышке 7, навстречу движению эжекционного потока воздуха. Данное усовершенствование конструкции меняет характер движения двухфазного потока в укрытии, увеличивая эффективность его работы как пылеулавливающей конструкции [4].
Благодаря тому, что на пути движения эжекционного воздуха установлена наклонная жесткая перегородка, возникает дополнительное аэродинамическое сопротивление, которому способствует зона вихреобразования, возникающая в пространстве между верхней крышкой и наклонной перегородкой. В вихре происходит потеря кинетической энергии частиц пыли крупной фракции, что способствует более интенсивному их осаждению в аспирационном укрытии. Помимо образования вихря за счет изменения угла наклона значительно увеличивается и влияние инерционных сил на частицу пыли по сравнению с вертикальной перегородкой. Всё это приводит к значительному снижению концентрации пыли в аспирируемом воздухе [5].
ж-
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №2
Рисунок 3 - Разработанная конструкция аспирационного укрытия с двойными стенками и наклонной жесткой перегородкой: 1 - передняя стенка укрытия; 2 -уплотнительные фартуки; 3 - конвейерная лента; 4 - аспирационная воронка; 5
- боковые наружные стенки; 6 - внутренняя, наклонная, жесткая перегородка; 7
- верхняя крышка укрытия; 8 - перегрузочный желоб; 9 - боковые внутренние стенки; 10 - отбойная плита; 11 - задняя стенка укрытия; 12 - боковые и торцевое уплотнения
Как было отмечено выше, задачей является определить высоту воронки с (рис. 2). Диаметр аспирационного воздуховода й зависит от объёмов аспирируемого воздуха еа и средней скорости движения в воздуховоде ув [6] :
й =
4 • е.
п • Ув
(1)
где й - диаметр воздуховода, м; еа - объёмы аспирации, м /с; ув - средняя скорость движения воздуха в воздуховоде, м/с.
Так же и параметр а зависит от расхода аспирируемого воздуха:
£а = ивХ •(Ь • а)
(2)
а =
и ХЬ
(3)
где ивх- средняя скорость движения воздуха на входе в аспирационную воронку, Ь- ширина аспирационной воронки (как правило, совпадает с шириной укрытия), м; а- длина аспирационной воронки, м Получаем:
й =
\
4 • е
п • У„
4 • ивх (Ь-а)
п • У„
(4)
Значения ув и ивх зависят от перегружаемого материала и конструкции укрытия. Таким образом, из зависимости (4) мы видим, что значения диаметра воздуховода й зависит, в итоге от размеров воронки, а, следовательно, рассмотрев работу аспирационной
-ж-
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №2
воронки на одном типоразмере укрытия и получив необходимые результаты, можно применить к остальным типоразмерам укрытий.
Для решения поставленной задачи нами было принято решение использовать моделирование процессов движения двухфазного потока в укрытии и аспирационной воронке с помощью программного комплекса объёмного моделирования SolidWorks и приложение к нему COSMOSFIoWorks [7].
В основе COSMOSFIoWorks, как и любой другой расчетной методики, лежит, во-первых, математическая модель рассчитываемых физических процессов и, во-вторых, способ решения поставленной математической задачи. Работа программы основана на решении уравнения Навье-Стокса, описывающего в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии исследуемой среды. Для дискретизации дифференциальных уравнений в COSMOSFloWorks используется метод конечных объемов. В основе метода лежит дискретизация объекта с целью решения уравнений механики сплошной среды в предположении, что эти соотношения выполняются в пределах каждой из элементарных областей. Эти области называются конечными элементами. Соответственно, дискретизация непрерывной математической модели состоит в том, что значения физических переменных рассчитываются (и хранятся) только в центрах расчетных ячеек, а на гранях этих ячеек рассчитываются потоки массы, импульса, энергии, необходимые для расчета этих значений.
Проведение численного эксперимента было направленно на определение оптимальной высоты аспирационной воронки, при которой будет происходить минимальный пылеунос в аспирационную сеть с соблюдением условия невыбивания воздуха из укрытия. Численный эксперимент проводился при начальных условиях характерных для узлов перегрузки строительных материалов.
Частичные графические результаты эксперимента представлены на (рис. 4).
IЧ
И
1
ЙСЛ^ ц
а) б)
в) г)
Рисунок 4 - Траектории движения частиц пыли в рассматриваемом аспирационном укрытии а) с высотой воронки 200 мм; б) с высотой воронки 300 мм; в) с высотой воронки 400 мм; в) с высотой воронки 500 мм
-ж-
Вестник науки и образования Северо-Запада России
— http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №2
В результате проведенного анализа экспериментальных данных нами было установлено, что при соотношении диаметра воздуховода к длине воронке ё/а=0,3 оптимальная высота аспирационной воронки должна составлять Ь=2,7ё.
Таким образом, нами были получены данные, необходимые при конструировании аспирационной воронки укрытия, выступающего в качестве первой ступени очистки воздуха. Полученные данные позволяют уменьшить концентрацию пыли на выходе аспирационного укрытия, изменить её дисперсный состав, снизив тем самым энергоёмкость системы аспирации в целом.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Киреев В.М., Гольцов А.Б., Минко В. А. Расчет и разработка аспирационных укрытий мест перегрузок // Науч.-теорет. журнал «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова», 2010. № 3. С. 114-117.
2. Минко В.А. Комплексное обеспыливание производственных помещений при транспортировании и механической переработке сыпучего минерального сырья: дисс. ... докт. техн. наук: 05.26.02 - Охрана труда (промышленность); БТИСМ им. И.А. Гришманова. Белгород, 1988. 513 с.
3. А. с. (19) ЯШ1 9743813 Ш Российская Федерация, 51 МПК Б21Б 5/00 (2006.01). Ас-пирационное укрытие мест перегрузки сыпучего материала. Киреев В.М. и др. Заявка 2010114489/03 заявл. 12.04.2010; опубл. 10.09.2010, Бюл. № 25. с. 2.
4. Киреев В.М. Совершенствование конструкций аспирационных укрытий с целью снижения запылённости при перегрузке формовочных масс в литейных цехах: дисс. ... канд. техн. наук: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении); БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2013. 203 с.
5. Киреев В.М. и др. К вопросу совершенствования аспирационных укрытий // Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов: междунар. науч.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. С. 234-236.
6. Киреев В.М., Минко В.А. Разработка аспирационных укрытий и инженерной методики их расчёта // Науч.-производ. журнал «Безопасность труда в промышленности», 2013. №2. С. 42-46.
7. Киреев В.М., Минко В.А., Логачёв И.Н. Использование программных комплексов при исследовании работы аспирационных укрытий// Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов: междунар. науч.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. С. 45-49.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Киреев Виталий Михайлович ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция». E-mail: vit31rus@mail.ru
Kireev Vitaly Mikhailovich FSEI HPE « Belgorod State Technological University. VG Shukhov», Belgorod, Russia, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of «Heat and ventilation». E-mail: vit31rus@mail.ru
-ж-
Вестник науки и образования Северо-Запада России
— http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №2
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 308012, Белгород, ул. Костюкова, 46, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, кафедра ТГВ, ГК 311; Киреев В.М.
8(4722)559438;8(904)5333374
