CC BY
77Киреев В.М., Гольцов А.Б., асс.; Минко В.А., д.т.н., проф.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова РАСЧЁТ И РАЗРАБОТКА АСПИРАЦИОННЫХ УКРЫТИЙ МЕСТ ПЕРЕГРУЗОК
В статье рассмотрена актуальность применения новых конструкций аспирационных укрытий в системах аспирации, произведена классификация основных типов аспирационных укрытий, снижающих концентрацию пыли, представлена зависимость максимального диаметра уносимой частицы от конструктивного параметра укрытия, предложена усовершенствованная конструкция аспирационного укрытия.
Ключевые слова: системы аспирации, аспирационные укрытия, дисперсный состав пыли на выходе из укрытия, охрана окружающей среды, энергосбережение.
Значительную часть технологических процессов на предприятиях стройматериалов, горнодобывающих предприятиях, а также ряде других отраслей составляют процессы механической переработки и транспортировки. Эти процессы включают гравитационное перемещение больших количеств сыпучих материалов по закрытым желобам, что сопровождается интенсивным выделением пыли. Повышенная концентрация пыли как в области рабочей зоны, так и на выбросе в атмосферу приводит к возникновению различных заболеваний у человека, а также к загрязнению окружающей среды. Всё это снижает производительность труда и инвестиционную привлекательность предприятия.
Для обеспечения требуемых санитарно - гигиенических норм на предприятии необходимо использовать полный комплекс инженерных систем по борьбе с пылью. Он должен включать в себя аспирацию (местная вытяжная вентиляция), ЦПУ (централизованная вакуумная пылеуборка) и общеобменную вентиляцию. Основной и наиболее эффективной составляющей из этих систем является аспирация. Система аспирации состоит из укрытия источника пылеобразования, сети воздуховодов, системы очистки воздуха и побудителя тяги. Аспирационные укрытия мест пылеобразования представляют собой полости, ограничивающие зоны пылевыделения. Из аспирационных укрытий производится удаление запылённого воздуха для предотвращения выбивания пыли через неплотности.
В области обеспыливания при перегрузках сыпучих материалов в различное время были произведены многочисленные научные исследования [1-6]. На основании этих исследований были разработаны методики расчёта аспирационных систем и различные конструкции аспирационных укрытий, которые используют в инженерном проектировании на сегодняшний день [1-6]. Предлагаемые системы аспирации разрабатывались без учета жест-
ких требований энергосбережения, которые предъявляются к современным предприятиям. В связи с этим, в настоящее время вектором оптимизации работы аспирационных систем является снижение эксплуатационных затрат, связанных с уменьшением требуемой производительности системы аспирации, а также снижением затрат на пылеочистку. Наиболее перспективным направлением, позволяющим значительно сократить энергозатраты связанные с очисткой воздуха, является совершенствование аспирационного укрытия и использование его не только как устройства локализации источника выделения пыли, но и как первой ступени очистки воздуха. Сегодня, как правило, на боль-шенстве предприятиях используется двухступенчатая система очистки аспирационного воздуха, которая требует значительных затрат при эксплуатации. По нашему мнению, в некоторых случаях можно отказаться от такой схемы, используя аспи-рационное укрытие как первую ступень очистки воздуха от пыли. Перспектива использования укрытия как первой ступени очистки не только снизит пылевую нагрузку на аппараты очистки, но и повысит надёжность эксплуатации системы воздуховодов, снижая вероятность зарастания горизонтальных участков сети и уменьшая абразивный износ стенок воздуховодов.
Известно большое количество различных конструкций аспирационных укрытий, оптимизированных под определённые условия и задачи. Нами был произведен обзор и частичная классификация основных известных аспирационных укрытий, которые позволяют снижать концентрацию пыли на выходе в той или иной степени.
Как показали проведенные ранее исследования [2,3], лучшими в аэродинамическом отношении следует считать укрытия с двойными стенками и вертикальной жесткой перегородкой
[3].
Рис. 1. Классификация основных конструкций аспирационных укрытий, снижающих концентрацию пыли на выходе.
Рис. 2. Аспирационное укрытие места падения материала с двойными стенками и вертикальной жёсткой
перегородкой.
1 - перегрузочный желоб; 2 - аспирационная воронка; 3 - аспирационное укрытие; 4 - задняя внутренняя стенка; 5 - вертикальная жесткая перегородка; 6 - боковые внутренние стенки; 7 - конвейерная лента.
Данный тип аспирационного укрытия наиболее полно отвечает основным предъявляемым требованиям: простота конструкции, равномерное разрежение по всей длине укрытия, условие невыбивания пыли из укрытия, минимально возможные объёмы аспирации, снижение концентрации пыли на выходе. Внутренние вертикальные стенки 4, 6 позволяют более равномерно распределить разрежение вдоль укрытия, тем самым снижая требуемые объёмы аспирируемого воздуха. Внутренняя вертикальная жёсткая перегородка 5, выступая в качестве дополнительного местного сопротивления, также снижает требуемые объемы аспирации.
Для разработки конструкций укрытий, позволяющих стать первой ступенью пылеочистки, необходимо смоделировать процессы движения двухфазных потоков в многосвязных областях течений. На данный момент существует методика, позволяющая прогнозировать дисперсный состав пыли на выходе из аспирационного укрытия, разработанная Минко В.А. [1, 3, 5, 6]. Она основана на определении значения максимального диаметра частицы пыли, удаляемой из укрытия Однако данная методика, разработанная на основании результатов экспериментов, не отражает всех новых конструкционных особенностей укрытий.
Наиболее перспективным направлением исследования двухфазных потоков является численное моделирование. Этот подход позволяет исследователю смоделировать наиболее оптимальные условия процесса и далее подтвердить полученные данные результатами лабораторных и полупромышленных экспериментов.
Согласно существующей методике диаметр наиболее крупной частицы в аспирируемом воздухе определяется следующим уравнением:
Л тах = 5780 •
и„
(
Рп
\
1 + 0,08-
и х I
'и 0 н у
(1)
где: dmax - максимальный диаметр частицы пыли, уносимый из аспирационного укрытия, мкм; Ь - длина аспирационного укрытия, м; Н - высота аспирационного укрытия, м; ивх - скорость воздуха на входе в аспирацион-ную воронку, м/с;
и0 - средняя скорость воздуха внутри укрытия,
м/с;
рп - плотность пыли, кг/м3; В результате экспериментально полученных данных по дисперсному составу пыли перегрузоч-
ных узлов в полупромышленных и промышленных условиях были составлены таблицы дисперсного состава аспирируемой пыли в зависимости от значения dmax[1, 2, 3].
Формула (1) применима для аспирационного укрытия с одинарными стенками. Но она не учитывает наличие вертикальной жёсткой перегородки, применение которой, предположительно, должно снизить значение dmax.
Для конструирования движения модели двухфазного потока нами был использован дискретный подход. При моделировании движения чистого воздуха нами использовался метод ГИУ (метод граничных интегральных уравнений), который численно реализован Логачёвым К.И. [1, 4] в виде комплекса программ.
Используя вышеописанный программный комплекс, нами был произведён численный эксперимент по моделированию движения частиц пыли в укрытии с двойными стенками и вертикальной жёсткой перегородкой (рис. 2). Целью данного эксперимента являлось определение зависимости размера уносимых частиц пыли от определяющего элемента укрытия - вертикальной жесткой перегородки.
Рис. 3. График зависимости dmax от величины свободного проёма h и высоты укрытия H для стандартного аспирационного укрытия с жесткой перегородкой при ширине ленты конвейера 0,5 м. и высотой Н=0,4 м., полученный по результатам численного эксперимента.
Результаты численного эксперимента, который проводился для аспирационных укрытий различных размеров с перегородкой и без неё, подтвердили тот факт, что перегородка влияет на уменьшение значения dmax, а следовательно, и на концентрацию пыли
на выходе из укрытия. Снижение dmax объясняется действием инерционных сил на частицы пыли за счёт обтекания перегородки.
На основании результатов численного эксперимента была получена формула:
Л =5780•
1 - 1,2е
-5,2—^
н
У
ил
Р,
1 + 0,08
и н
(2)
Где: Ь, Н, Ивх, и0, рп - то же, что и в формуле
(1);
Ь - расстояние от конвейерной ленты до нижней кромки внутренней перегородки.
Формула (2) справедлива для условий 0,6 ^ —) 0,05. Внутренняя жёсткая перегородка с ха-
н
И
\ у
применяется. Жёсткую перегородку с параметрами —/ 0,05 не применяют на практике.
н
При проектировании укрытий следует учитывать, что величина Ь должна быть больше максимально возможного слоя транспортируемого материала на конвейерной ленте.
рактеристикой — \ 0,6 малоэффективна и поэтому не
н
Рис. 4 Аспирационное укрытие места падения материала с двойными стенками и наклонной жёсткой перегородкой
Нами также было разработано и исследовано аспирационное укрытие с двойными стенками и наклонной жесткой перегородкой [7]. Основное отличие от рассматриваемого выше укрытия заключается в том, что внутренняя жесткая перегородка 5 выполнена под углом а к крышке укрытия, навстречу движению эжекционного воздуха. Внесенные изменения в конструкцию позволяют увеличить действие инерционных сил на частицы пыли крупных фракций, что приводит к снижению значения а следовательно, и концентрации пыли на выходе из укрытия. Результаты экспериментов показали, что в укрытии, в котором соблюдены требуемые геометрические параметры, при значении угла наклона а=550 значение ^ах снижается на 40%. По нашему мнению, оптимальное значение угла между крышкой и перегородкой составляет 50-60°. Меньший угол наклона более эффективен, но увеличивается вероятность скопления пыли на перегородке и контакта перегружаемого материала с перегородкой. Больший угол наклона менее эффективен вследствие снижения действия инерционных сил и уменьшения зоны вихреобразования.
Используя формулу (2) уже на стадии проектирования появляется возможность прогнозировать дисперсный состав пыли перед пылеуловителем, что позволит наиболее точно подойти к выбору схемы пылеочистки (т.е., если возможно, отказ от первой ступени очистки) и осуществить правильный выбор пылеочистного аппарата. Применение разработанных конструкций аспирационных укрытий, снижающих концентрацию пыли, позволит во многих случаях отказаться от принципов двухступенчатой очистки пыли, что снизит энергоёмкость и увеличит надёжность систем аспирации в целом.
Следующим шагом в развитии данной работы будет проведение ряда численных экспериментов, направленных на исследования влияния других конструктивных элементов аспирационного укрытия на величину Также в дальнейшем планируется количественное и качественное подтверждение численных экспериментов на полупромышленной и промышленной установке. Результатом данной работы должна стать инженерная методика расчёта оптимизированных укрытий и дисперсного состава пыли при производстве строительных материалов в зависимости от геометрических параметров аспирационного укрытия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Минко В.А. и др. Обеспыливающая вентиляция том 1: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2006.- 460 с.
2. Минко В.А. и др. Обеспыливающая вентиляция том 2: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010.- 568 с.
3. Минко ВА. Обеспыливание технологических процессов производства строительных материалов. Воронеж: ВГУ,1981 -176 с.
4. И.Н. Логачёв, КИ.Логачёв. Аэродинамические основы вентиляции. Санкт-Петербург: Химиздат, 2005, -659 с.
5. Минко В.А., Кулешов М.И и др. Обеспыливание в литейных цехах машиностроительных предприятий. М.:Машиностроение,198- 224 с.
6. Нейков О.Д., Логачев И.Н. Аспирация и обеспыливание воздуха при производстве порошков 2-е изд., пере-раб. и доп. М.: Металлургия,1981. -192 с.
7. Киреев В.М., Минко ВА., Логачев И.Н. и др. Заявка на получение полезной модели № 2010114489 от 12.04.10.
