CC BY
15001: 10.12737/24622
Крюков И.В., начальник отдела ОНИРС УПКВК Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ АСПИРАЦИИ С УКРЫТИЕМ, ОБОРУДОВАННЫМ БАЙПАСНОЙ КАМЕРОЙ И ПЕРФОРИРОВАННЫМ ЖЕЛОБОМ*
В работе представлена инженерная методика расчета системы аспирации с рециркуляцией воздуха. Методика расчета базируется на основе имеющихся методик подбора и расчета, учитывая полученные в ходе экспериментов данные. Представлен коэффициент рециркуляции и его значения.
Ключевые слова: обеспыливающая вентиляция, аспирационное укрытие, рециркуляция воздуха, байпасирование.
Необходимость системы обеспыливающей вентиляции на предприятиях металлургической, горнодобывающей, сельскохозяйственной промышленности, при производстве строительных материалов обусловлена тем, что в ходе технологических операций в воздух рабочей зоны предприятия, а также в окружающую атмосферу промышленных площадок выбрасывается огромное количество пыли. Негативное влияние пыли на организм человека подтверждено в работах [1-4]. Для снижения выброса пыли места ее образования локализуют укрытиями, оборудованными местным отсосом [4-14]. Несмотря на свою эффективность затраты на эксплуатацию данных систем могут быть значительно высоки.
В ходе множества проведенных экспериментов по исследованию процесса снижения объемов удаляемого из укрытия воздуха за счет рециркуляции воздуха при помощи комбинированного использования цилиндрической байпас-ной камеры и перфорации желоба возникла необходимость разработки инженерной методики расчета. Данная методика позволит производить расчеты системы обеспыливающей вентиляции с учетом полученных в ходе диссертационного исследования результатов.
Целью работы является разработка инженерной методики расчета удаляемого воздуха от аспирационного укрытия, оборудованного цилиндрической байпасной камерой и перфорированным желобом.
Основу методики составляют расчетные зависимости объема эжектируемого воздуха, одним из основных параметров которых является аэродинамическое сопротивление тракта "верхнее укрытие - желоб - нижнее укрытие" [24,13,14].
Исходными данными для выполнения расчета являются следующие величины:
1. Характеристика перегружаемого материала: гранулометрический состав, плотность материала рм , расход материала Ом.
2. Характеристика перегрузочного узла: схема узла с высотами падения материала, площадь поперечного сечения желоба , тип ас-
пирационного укрытия, площади неплотностей верхнего и нижнего укрытий.
Расчет объемов аспирируемого воздуха ведут в следующей последовательности.
1. Определяется скорость потока падающего по желобу материала при входе в укрытие ик путем последовательного расчета скорости движения материала на каждом прямолинейном участке желоба. Т.к. в исследуемом укрытии желоб расположен только вертикально:
ик = , С1)
Скорость в желобе будет определяться следующим образом:
а) скорость в начале желоба
°н=V2 ёК, (2)
где \ - высота между конвейерной лентой и
входом в загрузочный желоб.
б) скорость в конце участка
°к =\1°2 + 2ёК2 . (3)
где К - высота загрузочного желоба.
2. Значение объемной концентрации частиц
3 / 3 в желобе, м / м :
Р = -
2 • О
м
(4)
Рм • 8ж •(! + п)3к ' где п = он/зк - отношение скорости потока частиц в начале желоба к конечной скорости пото-
ка;
3. Средний диаметр частиц перегружаемого материала, мм:
й = 2 Шл
2=1
(5)
где т2 - процентное содержание (по массе) частиц диаметром й (определяется из гранулометрического состава материала);
При значении й < 14,6 ■■\J~fi в качестве расчетного следует принимать средний диаметр й = 14,6^.
4. Сумма коэффициентов местных сопротивлений укрытий и желоба аспирационной системы
2С=Сву + Сж +Сну, (6)
Сну - к.м.с. нижнего укрытия; Сж - к.м.с. желоба (для вертикальных желобов принимается Сж = 1,5, а = 90°); Сву - к.м.с. верхнего укрытия. Стоит отметить, что при наличии перфорации стенок желоба в сумму к.м.с. 2 С гидравлического тракта системы "верхнее укрытие - желоб - нижнее укрытие" добавится значение Сперф, которое будет зависеть от множества параметров.
Для укрытий имеющих жесткую внутреннюю перегородку величина СНу зависит от отношения площади поперечного сечения желоба к площади перегородки Бж/Бп и отношения
высоты перегородки к высоте укрытия Нп!Ну . Значение Сну для данных укрытий представлены в таблице 1. Для укрытий без внутренней жесткой перегородки Сну = 0. Для случая рассматриваемого укрытия наличие жесткой вертикальной перегородки обязательно. Это позволит создать необходимое сопротивление между входным отверстием байпасной камерой и местным отсосом для лучшей рециркуляции эжекти-руемого воздуха.
Величина к.м.с. верхнего укрытия^ рассчитывается:
С = 2 4
Ь ву '
V ;
(7)
где /н - площадь неплотностей верхнего укры-
тия, м
Таблица 1
Значения Сну для укрытий с двойными стенками и внутренней перегородкой
^ж / ^п
н н„
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1
193 124
69,5 30,9 7,72 1,93
44,5 28,5 16,0 7,12 1,78 0,45
17,8 11,4 6,41 2,84 0,71 0,18
8,12 6,19 2,92 1,3 0,32 0,08
4,02 2,57 1,45 0,64 0,16 0,04
5. Коэффициент лобового сопротивления
у/ = 1,8 ■ ехр
-1,
¡■^■103/а
6. Значение числа Бутакова-Нейкова
Ви = 1,5 ■ ■
а ■ю~ъРм р ж ё 2С
(8)
(9)
По данной формуле вычисляется число Ви для вертикальных желобов и для желобов с преобладанием вертикальных участков. 7. Значение критерия Эйлера
Еи = -
Р
у
2 V
2С -2 Рв
(10)
где Р - разряжение в нижнем укрытии, р - плотность отсасываемого воздуха.
Если происходит аспирация технологического оборудования, обладающего вентилиру-
ющей способностью (дезинтеграторы, валковые и молотковые дробилки), то необходимо к разряжению в укрытии добавить величину давления Роб, развиваемого рабочими органами оборудования. В этом случае выражение (10) примет следующий вид
Еи = 2( Ру н Роб) / Рв-К2-2С 8. При известных числах Ви и Еи можно найти коэффициент скольжения компонентов для равномерно ускоренного потока частиц по формуле:
Ви
р =. Еи н--
V 3
I1 -(р - \п -рр
.(11)
Решение уравнения (11) можно найти, применяя метод последовательных приближений и полагаем в качестве первого приближения
р = 0,5 •
1 + п
■ +
"Щи .
(12)
Если р < п , то следует определять величину р решением квадратного уравнения (получаемого из (12), опуская знаки абсолютной величины и раскрывая скобки):
где
р = Л/( Ь/ ( 2а )2 ) + С а - Ь/ ( 2а )
а = 1 - Ви • (1 - п)
Ь = (1 - п )2 • Ви Ви
с =,
Ви ( з \
Еи +--(1 - п )
(13)
(14)
(15)
(16)
9. Расход воздуха, который поступает по желобу в нижнее укрытие, м3 / с :
Яж =Р3 • Рж-(1 -Р)2 . (17)
10. Расход воздуха, который поступает через неплотности в нижнее укрытие,
з, м3 / с:
Ян = 0,65 • Бн
2Р
Рв
(18)
где - площадь неплотностей нижнего укрытия.
з
11. Транзитный расход воздуха, м / с :
Ят = кр • Qж (19)
где кр - коэффициент рециркуляции.
Транзитный расход воздуха Ят показывает,
какое количество воздуха перетекает из приемной части укрытия в аспирируемую, из которой
удаляется. Транзитный расход Ят зависит от
количества воздуха Яж поступающего в приемную часть укрытия по желобу. Стоит также отметить и значение коэффициента рециркуляции к , который согласно (19) равен отношению
транзитного и эжектируемого (поступающего по желобу) воздуха
Ят
кр =
(20)
Можно также определить количество воздуха, идущее на рециркуляцию
Яр = Яж - Ят (21)
Т.к. определить значение транзитного расхода воздуха достаточно сложно и требует много времени, то для упрощения расчета нами предлагается использовать значения коэффициента рециркуляции на основании полученных экспериментальных значений, выполненных при
имитации потока эжектируемого воздуха за счет нагнетателя и при перегрузке сыпучего материала, к = 0,4 - 0,5 при наличии только байпас-
ной камеры, к = 0,25 - 0,35 - при наличии
байпасной камеры и перфорации. Данные значения коэффициента рециркуляции к были
получены для оптимальных значений площади сечения байпасной камеры, при которых рециркуляция воздуха максимальна. Согласно экспериментальным исследованиям [13, 14], оптимальные значения для осуществления рециркуляции находятся в пределах 2 - 2,5.
12. Расход отсасываемого воздуха:
Яа = Ят + Ян (22)
Полученные значения расходов воздуха позволят провести гидравлический расчет воздуховодов аспирационной системы.
Как уже отмечалось выше, для осуществления рециркуляции воздуха в предложенном ас-пирационном укрытии необходимо наличие оптимального отношения диаметров байпасной камеры и загрузочного желоба.
Можно предположить, что при большей площади сечения байпасной камеры, которая представляет собой сечение в виде кольца, образуемого коаксиально расположенными желобом и байпасом, значение гидравлического сопротивления будет меньше, а при меньшей площади - сопротивление больше. Если снижать диаметр байпаса Э6 до диаметра желоба Эж, то мы придем к тому, что байпасная камера будет отсутствовать, а, следовательно, ни о какой рециркуляции речи быть не может.
Опустив подробности подбора вентилятора и построения гидравлической характеристики сети, остается определить расчетную мощность электродвигателя, необходимую для стабильной работы выбранного вентилятора для обеспечения требуемых потерь давления и расходов воздуха. Мощность электродвигателя определяли по формуле
Я • Р
N = —— (23)
1000•Лв •Лп
где Яз и Рз - расчетные значения расхода воздуха и потерь давления с учетом коэффициента запаса равного 1,1; Т]в - к.п.д. вентилятора равное для подобранного нами вентилятора 0,7; г]п - к.п.д. передачи равное 0,95.
Как видно из формулы 23 при снижении Яз будет уменьшатся мощность электродвигателя N, что приведет к снижению затратам на работу электродвигателя вентилятора.
*Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ (проектМД-95.2017.8).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бабанов С.А., Гайлис П.В. Пневмоконио-зы от воздействия производственной пыли различной степени фиброгенности // Трудный пациент. 2010. Т.8. №5. С. 35-38.
2. Логачев И.Н., Логачев К.И. Аэродинамические основы аспирации. СПб.: Изд. Химиздат, 2005. 659 с.
3. Логачёв И.Н., Логачёв К.И., Аверкова О.А. Энергосбережение в аспирации. Теоретические предпосылки и рекомендации. Москва-Ижевск: РХД, 2013. 504 с
4. Logachev I.N., Logachev K.I., Industrial Air Quality and Ventilation Controlling Dust Emissions.CRC Press, Boca Raton, London, New York, 2014, 401 p.
5. Logachev I., Logachev K., Averkova O. Local Exhaust Ventilation. Aerodynamic Processes and Calculations of Dust Emissions.CRC Press, Boca Raton, London, New York, 2015, 549 p.
6. Аверкова О.А., Логачев И.Н., Логачев К.И. Эжекция воздуха потоком сыпучего материала в пористой вертикальной трубе с байпас-ной цилиндрической камерой // Инженерно-физический журнал. 2015. Т. 88. № 4. С. 813826.
7. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А. Эжекция воздуха при перегрузках сыпучих материалов в вертикальных каналах с ковшами. Сообщение 1. Закономерности изменения эжек-ционного напора в желобах // Известия вузов. Строительство. 2013. №9. С. 53-63.
8. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А. Эжекция воздуха при перегрузках сыпучих
материалов в вертикальных каналах с ковшами. Сообщение 2. Эжектирующие свойства ленточного ковшового элеватора // Известия вузов. Строительство. 2013. №10. С.38-47.
9. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А. Эжекция воздуха при перегрузках сыпучих материалов в вертикальных каналах с ковшами. Сообщение 3. Обсуждение результатов исследований // Известия вузов. Строительство. 2014. №1. С. 66-74.
10. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А., Толмачева Е.И. Разработка способов снижения объема аспирации при перегрузках сыпучих материалов ковшовыми элеваторами. Сообщение 1. Особенности расчетной схемы аспирации элеваторных перегрузок // Известия вузов. Строительство. 2014. №2. С. 46-56.
11. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А., Толмачева Е.И. Разработка способов снижения объема аспирации при перегрузках сыпучих материалов ковшовыми элеваторами. Сообщение 2. Снижение объемов аспирации // Известия вузов. Строительство. 2014. №3. С.42-51.
12. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А.. Толмачева Е.И. Разработка способов снижения объема аспирации при перегрузках сыпучих материалов ковшовыми элеваторами. Сообщение 3. Результаты расчетов и их обсуждение // Известия вузов. Строительство. 2014. №4. С.86-98.
13. Логачев К.И., Крюков И.В., Аверкова О.А. Моделирование воздушных потоков в ас-пирационном укрытии с рециркуляцией // Новые огнеупоры. 2015. № 8. С.57-62.
14. Логачев К.И., Крюков И.В., Аверкова О.А. Моделирование воздушных потоков в ас-пирационном укрытии с рециркуляцией // Новые огнеупоры. 2015. №8. С. 57-62.
Kryukov I.V.
THE DESIGN OF ENGINEERING METHOD OF CALCULATING THE ASPIRATION SYSTEM WITH SHELTER, EQUIPPED WITH A BYPASS CHAMBER AND PERFORATED TROUGH
The paper presents an engineering method for calculating aspiration system with air recirculation. Method of calculation is based on the existing selection procedures and calculation, considering the data obtained in the experiments. Presented recycling rate and its value.
Key words: dedusting ventilation, ventilation shelter, air recycling, bypassing.
Крюков Илья Валерьевич, начальник ООНИРС УПКВК. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46. E-mail: [email protected]
