CC BY
17
ГИДРОПНЕВМОАВТОМАТИКА И ГИДРАВЛИКА
УДК 621.928.6
РАСЧЕТ СКОРОСТИ ГАЗА В ПНЕВМОКЛАССИФИКАТОРЕ С КАСКАДОМ ТРЕХПОТОЧНЫХ КОНТАКТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
© 2006 г. В.А. Кирсанов, В.В. Титаренко, А.А. Авдеева, М.Н. Авдеев
Во многих отраслях промышленности для разделения сыпучих материалов на требуемые фракции широко применяются воздушные классификаторы с каскадом контактных элементов различной конструкции [1]. С целью обеспечения высокой эффективности процесса разделения необходимо поддерживать строго определенные значения скорости восходящего воздушного потока. Величина этого важного технологического параметра в значительной степени определяет размер граничного зерна и чистоту получаемых фракций, а также позволяет рассчитать требуемый расход газ, что необходимо при выборе типа вентилятора. В работах [2, 3] был определен диапазон возможного изменения рабочей скорости газа в пневмо-классификаторах с пластинчатыми, ступенчатыми и двухпоточными контактными элементами. Однако для других конструкций контактных элементов методика расчета оптимальной скорости газа в аппарате отсутствует.
В настоящей статье данная задача решается применительно к аппарату с трехпоточными контактными элементами. Трехпоточный контактный элемент (рис. 1) состоит из набора одной двускатной 1 и двух наклонных 2 пластинчатых перфорированных полок одинаковой ширины, составляющей половину ширины се-парационного канала, и находящихся на одном уровне.
Рис. 1. Схема размещения трехпоточного контактного элемента в сепарационном канале пневмоклассификатора
При установке в пневмоклассификатор каждый набор полок повернут относительно другого на 180 ° и смещен в плане на половину ширины сепарационного канала (а.с. № 1510958). Данный элемент позволяет секционировать рабочий объем аппарата как в поперечном, так и продольном сечениях, что повышает эффективность разделения за счет более интенсивного воздействия воздуха на материал по нескольким направлениям.
Предел изменения оптимальной величины скорости газа V в каскадных пневмоклассификаторах ограничен двумя значениями скорости потока: с одной стороны, значением скорости начала выноса требуемой фракции из аппарата К^, а с другой - значением скорости Ккр2, при которой концентрация крупных частиц в уносе нарастает быстрее, чем мелких. Эта особенность переноса частиц различной крупности потоком газа установлена и объяснена авторами работы [4] на примере уноса материала из технологических аппаратов с кипящим слоем, а также при вертикальном и горизонтальном пневмотранспорте. Данный гидродинамический парадокс объясняется тем, что с увеличением скорости воздуха в турбулентном потоке возрастает доля крупномасштабных пульсаций, способных взвешивать и переносить крупные частицы. С ростом размеров частиц изменяется режим их обтекания воздушным потоком, что приводит к более ранней турбулизации пограничного слоя со смещением к корме линии его отрыва. Это сказывается на уменьшении объема турбулентного следа и потерь на трение, из-за чего скорость движения крупных частиц нарастает быстрее с увеличением скорости потока и концентрация их в уносе по сравнению с мелкими частицами резко возрастает.
С целью получения уравнения для определения Укр1 был установлен вид графической зависимости параметра К^/Кв, характеризующего взвешивающую способность воздушного потока и дисперсность материала, от критерия Архимеда при различных значениях удельного расхода материала (рис. 2). Данная зависимость, полученная при обработке результатов экспериментов, в которых эквивалентный диаметр узких фракций материала изменялся от 0,079 до 0,794 мм, характеризуется серией параллельных прямых, построенных в логарифмических координатах и соот-
ветствующих определенному удельному расходу твердой фазы Суд. Эти прямые имеют две точки перелома при значениях критерия Архимеда 155 и 2500, свидетельствующие о нестабильности режима взвешивания воздушным потоком частиц в большом диапазоне изменения их крупности. Видимо, если проследить данную зависимость в большом диапазоне изменения дисперсности частиц, то таких характерных точек перелома будет несколько. Кроме этого, из данных графиков следует, что значение параметра увеличивается при уменьшении размеров частиц и росте удельного расхода материала. Это можно объяснить повышенным значением гидравлического сопротивления мелких частиц восходящему потоку газа.
lg-
кр1
0,4 0,2 0 -0,2
3
2
1
1 2 3 4 lg Ar
Рис. 2. Зависимость У^/Ув = /(Аг): 1, 2, 3 - расход материала соответственно 2,9; 5,6; 6,5 кг/(м2-с)
Зависимость Укр1/Ув = ЦАг)\ описывается системой уравнений
Ккр1 = 4,29СУ> -0,22 Ув 27 < Аг < 150
Укр1 = 2,46вУ^Аг "0Д1 Ув при 150 < Аг < 2500 (1)
Укр! = 3,65G УД Ar
2500 < Ar < 27000
Полученные значения коэффициентов данных уравнений справедливы при изменении технологических и конструктивных параметров изучаемого процесса в следующих пределах: Уг = 1,8-5,6 м/с; Ув = 0,4-7,2 м/с; ОуД = 2-34 кг/(м2-с), количество контактных элементов - 3 шт.
Из сопоставления найденных зависимостей с полученными ранее [2, 3] в аппаратах с другими контактными элементами видно, что их конструкция не влияет на критические значения критерия Архимеда, соответствующие определенной крупности частиц, которые вызывают изменение режима обтекания их потоком газа. Помимо этого, следует отметить равноценное влияние на величину У^ удельного расхода исходного материала.
Опыты, проведенные на лабораторной модели пневмоклассификатора при разделении бинарной смеси фракций кварцевого песка, позволили выявить значение критической скорости газа Укр2, при которой концентрация крупных частиц в уносе нарастает быстрее, чем мелких.
На рис. 3 показана графическая зависимость концентрации частиц в уносе мелкого Ум и крупного Ук компонентов бинарной смеси кварцевого песка от скорости газа при различных значениях расхода материала, полученные в аппаратах с исследуемыми контактными элементами. При повышении расхода материала с увеличением скорости газа концентрация частиц обеих фракций в уносе нарастает интенсивнее. Однако при Уг = УКр2 концентрация мелких и крупных частиц в уносе уравнивается. При дальнейшем увеличении скорости газа унос крупной фракции превышает унос мелкой, что приводит к падению эффективности процесса разделения. Поэтому при промышленной эксплуатации каскадных пневмоклассификаторов необходимо знать значение критической скорости газа и не допускать ее превышения.
кг/м3
2
1 2
3
4 Укр 5
lg Ar
Рис. 3. Влияние скорости воздуха на концентрацию частиц в уносе: 1, 2 - 4э = 0,25 мм; 3, 4 - 4э = 0,5 мм; расход материала для 1, 3 - 20 и для 2, 4 - 5 кг/(м2 -с)
Математическая обработка экспериментальных результатов позволила вывести обобщающую зависимость критической скорости газа от параметра (УвмУвк), представляющего собой произведение скоростей витания частиц соответственно мелкой и крупной фракций и характеризующего дисперсность исходного материала. Эта зависимость для всех исследуемых контактных элементов описывается общим уравнением
Укр2 = 1,9(УвМУвК )0'5
(2)
Отсюда можно сделать вывод, что значение скорости воздушного потока, соответствующее началу превышения концентрации крупных частиц в уносе над концентрацией мелких, не зависит от конструкции контактных элементов.
Следовательно, для устойчивой и эффективной работы рассматриваемых каскадных пневмокласси-фикаторов значение рабочей скорости газа должно находиться в диапазоне Укр1< Уг < Укр2- Следует отметить, что из опыта внедрения и модернизации каскадных пневмоклассификаторов на заводах электродной промышленности [5] наилучшая эффективность рабо-
Y Y
1 м 1 к
6
4
0
ты аппаратов при разделении подсыпочного материала камер обжиговых печей достигалась при выборе величины скорости газа ближе к значению критической скорости.
Рассмотрим пример практического использования предлагаемых уравнений для расчета скорости газа в пневмоклассификаторе с трехпоточными контактными элементами, предназначенного для разделения подсыпочных материалов камер обжиговых печей электродных заводов по граничному размеру 0,5 мм. Производительность аппарата по исходному материалу О = 2,78 кг/с, площадь поперечного сечения сепа-рационного канала пневмоклассификатора = 0,125 м2; плотность частиц материала рт = 1300 кг/м3; фактор формы частиц Ф = 0,7; температура воздуха в аппарате 50 °С.
Расчет ведем в следующей последовательности:
1. На основании ситового анализа выделяем по обе стороны границы разделения мелкую фракцию частиц -0,63+0,4 мм со средним диаметром ём = 0,515 мм и крупную -1,0+0,63 мм, средний диаметр которой йк = 0,815 мм. Определяем скорости витания данных частиц с помощью критериальных уравнений [6]. Для частиц подсыпочного материала со средним диаметром 0,515 мм она составит
VвМ =
Ar ц
(18 + 0,6h/Ar) d мФр Г
1628 • 0,02 -10-
(18 + 0,61л/1628)0,515 -10 -3 • 0,7 -1,09
= 1,9 м/с .
Здесь
Ar =
(d м-10 -3)3 Ф3 g р г Р т
(0,515-10~3)30,73 • 9,81-1,09-1300 (0,02-10 -3)2
= 1628,
3. Определяем по уравнению (2) скорость газа, при которой начинается интенсивный унос крупной фракции
Укр2 = 1,9(УВМ УВК )0,5 = 1,9(1,9- 3,1Г3 = 4,6 м/с.
Следовательно, величина скорости газа в пневмоклассификаторе с двухпоточными контактными элементами должна находиться в диапазоне 3,8< Уг < 4,6 м/с.
Следует отметить, что из опыта внедрения и модернизации каскадных пневмоклассификаторов на электродных заводах наилучшая эффективность работы аппаратов при разделении подсыпочного материала достигалась при выборе величины скорости газа ближе к значению скорости, при превышении которой интенсивность уноса частиц крупной фракции нарастает быстрее.
Таким образом, проведенные исследования позволили разработать методику выбора оптимальной скорости газа в свободном сечении сепарационного канала пневмоклассификатора с каскадом новых конструкций контактных элементов. На практике использование данной методики поможет настроить эксплуатируемый аппарат на оптимальный режим работы, а при проектировании пневмоклассификатора -правильно рассчитать мощность и подобрать необходимый тип вентилятора.
0,5
где ц = 0,02-10-3 Па-с, рг = 1,09 кг/м3 - соответственно динамическая вязкость и плотность газа при 50 °С.
Аналогично находим скорость витания частиц подсыпочного материала со средним диаметром 0,815 мм, которая равняется УВ = 3,1 м/с.
2. Учитывая значение критерия Архимеда для мелкой фракции, находим из (1) величину Укр1
Укр! = 2,46О УД Аг УвМ = = 2,46 - 22,24 0,2 -1628 "0,п -1,9 = 3,8 м/с, О 2 78
где О УД = — = —--= 22,24 кг/(м2-с) - удельный
УД 5 0,125
расход материала.
Литература
1. Кирсанов В.А. Каскадная пневмоклассификация сыпучих материалов. Ростов н/Д, 2004.
2. Кирсанов В.А. Определение рабочей скорости воздушного потока в каскадном пневмоклассификаторе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2002. № 3. С. 37-38.
3. Кирсанов В.А. Выбор оптимальной скорости газа в пнев-моклассификаторе с каскадом контактных элементов // Цветные металлы, 2003. № 10. С. 76-78.
4. Донат Е.В., Голобурдин А.И. // Журн. прикладной химии.
1990. № 6. С. 1420-1422.
5. Кирсанов В.А., Кравчик В.Е., Новоселов А.М., Малахов А.А. Об улучшении качества подсыпочных материалов при обжиге электродов // Цветные металлы. 1988. № 8. С. 65-67.
6. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. М., 1967.
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
5 июня 2006 г.
