Применение закрутки потока в системах аспирации на предприятиях строительной индустрии Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

I II

technology

тематический раздел журнала «Строительные Материалы

УДК 664.726.1

В.Н. АЗАРОВ, д-р техн. наук, Д.П. БОРОВКОВ, канд. техн. наук, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Применение закрутки потока в системах аспирации на предприятиях строительной индустрии

Одним из наиболее распространенных технологических процессов в индустрии строительных материалов является термическая обработка измельченного сырья. Сушильные печи, автоклавы и барабаны, широко применяемые при производстве цемента, силикатного и красного кирпича, извести и других строительных материалов, являются источником довольно мощных пылевых выбросов в атмосферный воздух и воздух рабочей зоны.

Термообработка порошкообразных материалов в подавляющем большинстве осуществляется путем сжигания природного газа. Поэтому системы аспирации, которыми комплектуется данное оборудование, помимо очистки выбросов выполняют функцию удаления продуктов сгорания, вследствие чего количество газа, отводимого на очистку от оборудования, лежит в довольно узких пределах, обусловленных необходимостью поддерживать соотношение воздуха и газа в пределах, обеспечивающих устойчивое сгорание, и исключающих перерасход тепловой энергии в результате повышенного уноса продуктов сгорания.

Снижение количества сырья, подаваемого на сушку, приводит к изменению количества сжигаемого газа. При этом количество воздуха, подаваемого в печь, и количество отводимых аспирационных газов понижаются. При снижении объема газа, проходящего по воздуховодам системы аспирации, происходит снижение транспортирующей способности аспирационного потока и может начаться процесс образования пылевых отложений на внутренних поверхностях воздуховодов.

dVr

(6/2)2

dt / + (8/2) dV,„ _

~Sx~

K Ж 5 i2

(2Л-8) (8/2)

Налипание частиц на внутреннюю поверхность воздуховодов особенно интенсивно проявляется в системах аспирации, очищающих выбросы от технологических процессов, связанных с сушкой дисперсных материалов. Влага, выделяющаяся в процессе сушки, вступая во взаимодействие с пылевыми частицами, вызывает коагуляцию и цементирование, что значительно затрудняет их перемещение аспирационным потоком и приводит к увеличению темпа образования отложений.

Одним из возможных решений проблемы недостаточной транспортирующей способности газового потока является организация его закрутки. Повышенная способность закрученного газового потока приводить в движение и переносить твердые пылеобразные частицы отмечена в [1].

Физическая модель движения пылевой частицы в закрученном потоке, протекающем по круглому воздуховоду, построена исходя из того, что значимое влияние оказывают следующие силы: сила сопротивления обтеканию газовым потоком; сила тяжести, нормальная реакция стенки воздуховода; сила трения между поверхностями частицы и воздуховода. Кроме того, в случае наличия качения частицы существенное влияние оказывает сила Магнуса, обусловленная присоединением вращающихся масс газа, момент инерции качения и момент сопротивления отеканию потоком. Уравнения, характеризующие движение частицы в цилиндрических координатах, имеют вид:

f'N

Fц

m

cos a + -^cosy +—- ^ЛГ cosy' |;

Fц

(8/2f . F„ > ffl ■

w ' — siny +— C^siny --—sina-' m m —

dt i + (b/2f \m

m

m

g ф

(1)

Г TP I

-¿г-cos a = ——-^

i2 + (5/2)

F„ v Г,Ц8

(8/2)2

i2 - (8/2)2

cosy'-

m

(5 2)2 f'N

,2.(5/2)2 m

cos a;

m

i

■ I2 (Р» .

-вша =——--т —вшГ - —

г2 + (5/2) ут г2+(5/

где F — сила; N — нормальная реакция стенки воздуховода; W— скорость газа; V — скорость твердой частицы; m — масса частицы; R — радиус сечения воздуховода; К— коэффициент; i — радиус инерции; g — ускорение свободного падения; f — коэффициент трения пылевой частицы о стенку воздуховода; у — угол поворота частицы относительно центра массы; а — угловая координата; б — размер твердой частицы; ф — угловая координата, рад; £ — коэффициент. Индексы: тр — трения; ц — вязкости; ч — частица; х — осевой; ф — тангенциальный.

Численный эксперимент на системе (1) для случая движения частиц в закрученном потоке по горизонтальному участку воздуховода (подтвержденный анализом

Fц

2)'

,2 т

t,K sinY'-

(8/2)2 f'N

(8/2 f-i

,2_;2 т

sin a,

результатов визуального наблюдения) позволил установить, что достаточным признаком устойчивого транспортирования пылевидных частиц в горизонтальном газовом закрученном потоке является движение частицы по внутреннему радиусу стенки воздуховода со спиралевидной траекторией. Следовательно, условие устойчивого перемещения твердой пылевидной частицы в горизонтальном газовом закрученном потоке можно сформулировать как наличие у нее тангенциальной скорости во всех точках поперечного сечения воздуховода, что позволяет упростить задачу, сведя ее к двумерной. Уравнение, описывающее окружную составляющую скорости частицы, имеет вид:

64

научно-технический и производственный журнал

май 2012

j'/J ®

Экология • Проектирование • Экомониторинг Охрана труда • НИР в области вентиляции и аспирации

Основные направления деятельности

• Экологическое проектирование (ПДВ, ПНООЛР, СЗЗ, паспорта на отходы, материалы обоснования лицензии и пр.)

• Абонентское обслуживание и экологический консалтинг в сфере обращения с отходами

• Услуги в области охраны труда: аттестация рабочих мест (собственная испытательная лаборатория, аккредитованная в системах ССОТ и ДССОТ; атт. акк. ССОТ № РОСС RU.0013.21 от 894 до 23.09.2014, атт. акк. ДССОТ № РОСС Ш.В516.04ЛГ00.21.009 до 16.03.2016), сертификация работ по охране труда (атт. акк. ССОТ № РОСС RU.0013.11 от 536 до 23.09.2014, атт. акк. ДССОТ № РОСС RU.B516.04 ЛГ00.11.049 до 16.05.2016)

• Производственный контроль

• Оценка риска здоровья населения, связанного с загрязнением атмосферы (атт. акк. органа по оценке риска № ГСЭН.ЦОА.063 до 08.10.20012)

• Экологический мониторинг (лаборатория атт. акк. СААЛ № РОССШ.0001.512414до 04.05.2014)

• Проектные работы: проектирование строительства зданий и сооружений, в том числе внутренних инженерных систем

• Полное обследование инженерно-экологических систем с выдачей рекомендаций по их совершенствованию (вентиляция, аспирация, пневмоуборка, пневмотранспорт, газоочистка)

• Разработка паспортов вентиляционных, аспирационных, пневмотранспортных систем и пылегазоулавливающих установок

• Научно-исследовательская деятельность

Генеральный директор д-р техн. наук, заслуженный эколог РФ Азаров Валерий Николаевич

400131, г. Волгоград, ул. Донецкая, 16, офис 531 Тел./факс (8442) 25-10-38, 25-10-39, 32-81-38, 37-12-76 E-mail: nipivolgogor@mail.ru www.ptbvgstroy.ru

1есЬпо!оду

тематический раздел журнала «Строительные Материалы»

ф*

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

¿Ф

з^ гехкрг(иу '1 5р,

-кг

-2/-^-2/£(/-СО8(Ф)+йп(Ф)). (2)

Л 2яр | гс1г

(3)

/ г

)

(

А-А

заслонки условно не показаны

3

01

ф

Рис. 1. Результаты определения скорости уноса частиц кварцевого песка с эквивалентным диаметром частиц б<500 мкм закрученным воздушным потоком со дна горизонтального воздуховода: 1 - расчет; 2 - эксперимент

В качестве параметра, характеризующего интенсивность закрутки потока, удобно использовать так называемый интегральный параметр, характеризующий отношение количества вращательного движения потока к количеству осевого в линейном масштабе канала:

На рис. 1. представлены результаты определения скорости уноса частиц кварцевого песка закрученным воздушным потоком со дна горизонтального воздуховода. В диапазоне значений Ф*=0,2—0,7 расчетные значения близки к результатам, полученным экспериментальным путем. Наиболее интенсивное уменьшение значения минимальной скорости уноса частиц происходит в диапазоне значений интегрального параметра закрутки газового потока Ф*=0,2—0,7. При дальнейшем увеличении интенсивности закрутки потока интенсивность снижения скорости уноса падает, что делает неоправданным дальнейшее увеличение интенсивности закрутки ввиду возрастания сопротивления движению газового потока. Таким образом, оптимальной для уноса пылевых отложений является слабая закрутка потока.

Для организации закрутки потока в воздуховодах систем аспирации наиболее подходят закручивающие устройства тангенциального типа. Выбор тангенциальных закручивающих устройств обусловлен отсутствием

Рис. 2. Комбинированный тангенциальный отвод-закручиватель

внутренних направляющих элементов, подверженных образованию пылевых отложений, а также конструктивной простотой и легкостью изготовления. Для организации закрутки аспирационного потока в воздуховодах аспирационной сети во время работы системы в режиме пониженного расхода аспирационного газа предложен комбинированный тангенциальный отвод-закручиватель [2], конструкция которого представлена на рис. 2. При работе системы аспирации в основном режиме байпасный патрубок 4 герметично закрыт при помощи заслонки 5; заслонка аксиального патрубка 6 открыта, и из выходного патрубка 2 выходит аксиальный аспирационный поток. Для создания закрутки газового потока, проходящего через тангенциальный отвод-закручиватель, заслонка 5 тангенциального патрубка открывается, а заслонка 6 аксиального патрубка переводится в закрытое положение.

В настоящий момент тангенциальные отводы-закручиватели установлены на ряде аспирационных систем предприятий строительной индустрии. Так, на рис. 3 представлена схема системы аспирации, предназначенной для улавливания частиц глиняной пыли, содержащейся в газах, отходящих от сушильного барабана. Сушильный барабан подготавливает сырье для трех технологических линий по производству керамического кирпича, и в случае плановой или профилактической остановки одной или двух линий расход газа, отводимого от барабана, снижается пропорционально его производительности. При пониженном расходе газа происходит образование пылевых отложений в горизонтальном воздуховоде на участке, соединяющем барабан и пылеулавливающую установку. Для предотвращения образо-

0800.

L = 28000 м3/ч X \r\i\t

Отвод-

закручиватель ,

Ф* = 1,3 •

0800, ! = 4,6 м

L = 28000 м3/ч к От cушильного барабана

Рис. 3. Схема системы аспирации сушильного барабана

Рис. 4. Схема системы аспирации от смесителей

uxср, м/с

5

4

3

6

2

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ ~66 май 2012 ЬШУЩ|С'

тематический раздел журнала «Строительные Материалы»

Щ " ¡Ц I

technology

вания пылевых отложений перед горизонтальным участком установлен комбинированный тангенциальный отвод-закручиватель с параметром закрутки Ф*=1,3. Закрутка аспирационного потока позволяет системе устойчиво работать при расходе аспирационного газа в две трети и треть от номинального.

Аспирационная система (рис. 4) предназначена для улавливания пыли и частиц глины, содержащейся в уходящих из стержневых смесителей газов. Наблюдения за работой системы аспирации позволили установить, что с течением времени происходит образование пылевых отложений в воздуховодах аспирационной сети. Учитывая наличие частых технологических перерывов в работе аспирационного оборудования для удаления пылевых отложений, образующихся в аспирационной сети системы, принято решение установить на горизонтальном участке воздуховода тангенциальный закручива-тель с внешним подводом потока [3].

Анализ результатов замеров аэродинамических характеристик системы аспирации, проведенных со значительными временными интервалами, показал, что расчетные и экспериментальные значения практически совпадают. Данное обстоятельство дает возможность сделать вывод, что организация закрутки аспирацион-ного потока при остановках и запусках системы аспирации, а также периодическая подкрутка аспирационного потока во время работы системы аспирации позволяют предотвратить образование пылевых отложений в воздуховоде.

Общий экономический эффект от реконструкции систем аспирации, полученный за счет обеспечения их устойчивой работы с учетом экономии газового топлива и электрической энергии, составляет 167 тыс. р. в год.

В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы:

— аспирационные сети предприятий строительной индустрии с течением времени подвержены забиванию вследствие образования пылевых отложений. Причем наиболее подвержены образованию пылевых отложений системы аспирации с изменяющимся аспирационным объемом;

— применение закрутки потока в воздуховодах систем аспирации позволяет предотвращать образование пылевых отложений, существенно повышая устойчивость работы систем аспирации при снижении расхода газа в аспирационных сетях;

— закрученный газовый поток характеризуется меньшими значениями скоростей транспортирования пылевидных частиц.

Ключевые слова: системы аспирации, закрученный поток, скорость уноса.

Список литературы

1. Азаров В.Н., Боровков Д.П. Применение закрученных потоков в системах аспирации строительной отрасли // Объединенный научный журнал. 2003. № 5 (63). С. 102-104.

2. Патент на полезную модель РФ № 33755 МКИ 7 В 65 О 53/04 Устройство для очистки воздуховодов / В.Н. Азаров, Д.П. Боровков, В.Н. Мартьянов, Д.В. Азаров; Заявлено 05.06.2003. Опубл. 10.11.2003 Бюл. № 31.

3. Патент на полезную модель РФ № 35325 МКИ 7 В 65 О 53/52 Устройство для очистки воздуховодов систем аспирации, находящихся под избыточным давлением / В.Н. Азаров, В.Ф. Желтобрюхов, Д.П. Боровков; Заявлено 05.06.2003. Опубл. 10.01.2004. Бюл. № 1.

/УАДЕМИЯ АРД^Ч

Х1ЧИЧУТ-Ц*у

\aJmw

ТШ1

FUND

HOGTPDl

[L

интегрял

МГСУ

Российская академия архитектуры и строительных наук Научно-исследовательский институт строительной физики Московский государственный строительный университет Национальное объединение строителей Фонд поддержки и развития энергоэффективных технологий А. Розенфельда

ООО «Фирма Интеграл»

IV Академические чтения, посвященные памяти академика РААСН Г.Л. Осипова

«АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ: ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, НАДЕЖНОСТЬ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ»

Москва

Основные темы:

• долговечность, надежность и прочность строительных конструкций зданий и сооружений,

• ремонт и эксплуатация объектов коммунального хозяйства

• высотное строительство

• научная школа для молодежи

3-5 июля 2012 г.

• энергосбережение в строительстве

• строительная теплофизика

• строительная и архитектурная акустика

• строительная светотехника

• вопросы экологии в строительстве

• проблемы технического регулирования

ОРГАНИЗАЦИОННЫМ КОМИТЕТ Адрес: 127238, Москва, Локомотивный проезд, д. 21, Светотехнический корпус, НИИСФ РААСН Тел.: +7 (499) 488-70-05, факс: +7 (495) 482-40-60, e-mail: org.com@list.ru, www.niisf.ru

научно-технический и производственный журнал

май 2012

67