Разработка циклона-пылеуловителя в мукомольном производстве Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

<ЪестникФТУЖЛС, №3, 2013

УДК 519.8:621.928.83

Старший преподаватель Д.В. Каргашилов, профессор A.M. Гавриленков

(Воронеж. гос. ун-т инженерных технологий) кафедра инженерной экологии и техногенной безопасности, тел. (473) 249-60-24

старший преподаватель Е.В. Романюк, доцент А.В. Некрасов

(Воронежский институт ГПС МЧС России) кафедра пожарной безопасности технологическихпроцессов, тел. (473) 236-33-05

Разработка циклона-пылеуловителя в мукомольном производстве

В статье предложена новая усовершенствованная конструкция циклона-пылеуловителя с конической вставкой. Приводятся результаты испытания в условиях мукомольного производства.

In article the new advanced design of a cyclone dust collector with a conic insert is offered. Results of its test in the conditions of flour-grinding production are given.

Ключевые слова: циклон, пыль, пылеулавливание, мукомольное производство, очистка.

Проблема минимизации пылегазовых выбросов остро стоит на предприятиях по переработке зерна, где интенсивный выброс пыли в воздух рабочей зоны происходит практически на всех стадиях производственного процесса. В результате ухудшается качество окружающей среды, и создаются условия для возникновения взрывопожароопасных ситуаций. Поэтому актуальность усовершенствования конструкции циклонов-пылеуловителей очевидна.

Из практики центробежного пылеулавливания известно, что дисперсная фаза в общем случае находится в циклоне в трех состояниях (или если проводить разграничение по месту расположения и характеру движения - в трех потоках).

При высокой концентрации пыли в разделяемом двухфазном потоке, она собирается на внутренней поверхности циклона в так называемый «жгут» - первое состояние, представляющее собой поток с высокой плотностью частиц, движущийся спиралевидно по внутренней стенке циклона.

Однако теоретические и опытные данные свидетельствуют о том, что часть осажденных частиц перемещается вне «жгута» по своим отличающимся траекториям - второе состояние. Их движение неустойчиво и характеризуется сочетанием скольжения, качения и верчения.

© Каргашилов Д.В., Гавриленков A.M., Романюк Е.В., Некрасов A.B., 2013

Они перемещаются с отрывом от поверх -ности (среди прочих причин в силу возникновения эффекта Магнуса), могут образовывать циклические круговые течения в непосредственной близости от верхней крышки циклона.

Третье состояние - мелкодисперсные частицы, движущиеся в закрученном воздушном потоке. Эта часть дисперсной фазы может не достичь внутренней поверхности циклона из-за низкой скорости осаждения и будет унесена обратным газовым потоком.

На основе разграничения материальных потоков в циклоне сформулирована основная цель исследования - разработка конструкции циклона-пылеуловителя, обеспечивающего стабилизацию движения частиц второго потока и улавливание высокодисперсных частиц третьего потока.

В результате анализа современного состояния техники обеспыливания и целенаправленных технических исследований разработан циклон со вставкой в виде усеченного конуса, на поверхности которой имеются щелевые улавливающие отверстия (рисунок 1) [1].

Предлагаемый циклон работает следующим образом. Разделяемый двухфазный поток вводится в цилиндрический корпус циклона через входной патрубок. Основная часть дисперсной фазы достаточно быстро оседает на корпус и формирует жгут, имеющий свое начало в месте ввода в аппарат пыле-газового потока. Некоторая часть осевших частиц, не попавших в жгут, движется по поверхности цилиндрического корпуса.

ФестницФРУЯЖ №3, 2013L

Рисунок 1 - Схема движения частиц в циклоне-пылеуловителе с конической вставкой: 1 - вход запыленного газа; 2 - вход патрубка в корпус циклона; 3 - корпус циклона; 4 - выхлопная труба; 5 - патрубок для удаления пыли; 6 - основное движения частиц - «жгут»; 7 - коническая вставка; 8 - щелевые отверстия; 9 - поток высокодисперсных частиц.

Нарушение жгута, имеющего свои собственные параметры движения, отличающиеся как от параметров воздушного потока, так и от параметров отдельных частиц, нежелательно и может повлечь за собой резкое снижение эффективности улавливания. Поэтому он беспрепятственно движется в пространстве между корпусом и вставкой. Осажденные частицы, движущиеся вне жгута, попадают на вставку. В силу низкой составляющей скорости движения в осевом направлении и отмеченной выше склонности данной части потока к образо-ванию круговых течений, частицы могут уноситься воздушным потоком с поверхности вставки. Для предотвращения этого явления в верхней части вставки выполнены щелевые улавливающие отверстия, через которые осажденная пыль выво-дится в пространство между корпусом и вставкой. Достигаемый при этом эффект сопоставим с наблюдаемым в циклоне Ван-Тонгерена.

Коническая форма вставки создает благоприятные условия для улавливания мелких частиц, составляющих третий поток. Они осаждаются в средней части конической вставки, а в нижней части могут быть унесены обратным восходящим газовым потоком. Для предотвращения уноса нижняя часть вставки снабжена еще одним рядом улавливающих отверстий. Частицы, отведенные через отвер-стия в пространство между корпусом и вставкой, не выносятся в выхлопную трубу. Тем самым увеличивается эффективность очистки.

Движение осажденной частицы по поверхностям циклона описывается дифференциальными уравнениями, устанавливающими зависимость ее кинематических параметров от физико-механических свойств среды, конструктивных параметров циклона и режимных характеристик его работы. Для конической поверхности уравнения записаны в сферической системе координат (г, в, (р):

N = m sin + гф2 cos 0]+^uq - npBd2 , (1) r = -g cos в- fNr + — (nr - г) + гф 2 sin2 в , (2)

1

22

m v

r N ф

(p = -f-z- + ^

m v m

m

——-Ф гФ , (3)

r sin в r

\ У

где v = д/r 2 + {гф sin в)2 - абсолютная скорость частицы; ur, uG, ucp - проекции вектора

скорости vo

воздушного потока на оси;

= J(ur - r)2 + Un + (и® - гФ sin б)2

- скорость частицы по отношению к воздушному потоку; ц- ; цВ - динамическая

вязкость воздуха; й - размер частицы пыли; т - масса частицы; g - ускорение силы тяжести; / - коэффициент трения скольжения частицы по поверхности циклона; рв - плотность воздуха.

Для изучения работы циклона-пылеуловителя предлагаемой конструкции изготовлен экспериментальный стенд, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки: 1- экспериментальный циклон [1]; 2- вентилятор; 3- место забора проб импактором; 4 и 4а- дозатор пыли; 5 - термоанемометр; 6 - модуль для замера концентрации пыли; 7 - модуль для замера давления.

<ЪестниъФТУЖЛС, №3, 2П13

Экспериментальная установка включала разборную модель лабораторного циклона-пылеуловителя, которая позволяла испытывать ее как традиционный циклон, а также добавлять и менять вид конической вставки. Исследовался пылегазовый поток, содержащий пыль ржи дисперсностью от 5 мкм и ниже, взятую с отделения размола мукомольного комбината. Пыль дозировалась с помощью дозатора 4. Измеряемыми параметрами были: скорость пылегазово-го потока, давление до и после циклона, концентрация пыли и фракционный состав пыли. Эффективность пылеулавливания определяли методом внешней фильтрации, а дисперсный состав с помощью импактора НИИОГАЗ.

На первом этапе экспериментальных исследований получено подтверждение наличия характерных потоков дисперсной фазы. На рисунке 3 представлен общий вид треков, оставленных пылегазовым потоком внутри обычного циклона (предварительно его внутренняя поверхность была продублирована бумагой, позволяющей сохранить картину движения частиц).

К*

Рисунок 3 - Вид треков внутри циклона при следующих параметрах пылегазового потока: у=18 м/с, сн=65 г/м2, йт =5-10 мкм

На развертке цилиндра четко прослеживается два вида движения осажденных частиц: под углом а движется «жгут», а под углом Р - отдельные частицы пыли.

Далее исследовалось движение дисперсной смеси в циклоне со вставкой. В результате обработки пылегазового потока в течение 200 с со скоростью 10-20 м/с получен вид треков, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 - Картина треков в экспериментальном циклоне-пылеуловителе с конической вставкой:

1 - жгут на внутренней поверхности корпуса;

2 - высокодисперсные частицы на внутренней поверхности конуса.

Из рисунка 4 видно, что на поверхности конуса улавливаются частицы третьего состояния движения.

Замеры и визуальные наблюдения работы циклона-пылеуловителя на разных скоростях позволили определить оптимальную скорость пылегазового потока и места расположения щелевых улавливающих отверстий. На представленных фотографиях (рисунок 5) отражен вид внутренней полости циклона при различной скорости дисперсного потока на входе в циклон.

б

ФестницФРУЯЖ №3, 2013

Рисунок 5 - Вид внутренней полости циклона при различной скорости дисперсного потока на входе в циклон: а - 20 м/с; б - 16 м/с; в - 10 м/с.

При скорости 10 м/с пыль не удаляется в щелевые отверстия конической вставки, а это значит, что она будет захватываться обратно в поток и уносится в выхлопную трубу. Поэтому оптимальной скорость работы является скорость от 16 м/с и выше.

Целесообразность разработки и применения такой конструкции подтверждают зависимости, представленные на рисунках 6-7.

На рисунке 6 приведены интегральные кривые, полученные в результате измерений дисперсного состава импактором НИИОГАЗ. На рисунке 7 - зависимости эффективности и общего перепада давлений в зависимости от

1,2 1

0,8

| 0,6

■В-•8-

<■> 0,4

0,2 О

он с кониче ?кой встав/ ой

— — обы цикI чный цикло юн с кониче ч ской встав <ой

и ще левыми от верстиями

10

12 14 16 18

Скорость пылегазового потока, м/с

а

20

22

скорости пылегазового потока на входе в циклон . Полученные результаты подтверждают эффективность использования циклона с конической вставкой и щелевыми отверстиями.

Рисунок 6 - Анализ дисперсного состава пыли: пыль ржи при сн=107 мг/м3: 1 - до циклона; 2 - после циклона; 3 - после циклона с конической вставкой.

800 700

£ 600

'Э

| 500

£ 400

та

I 300

ф

с

| 200 о

° 100

- циклон с кон обычный ци> уческой встав (ЛОН кой # /

в*"-"-*" циклон с кон и щелевыми и ческой ест а* отверстиями мой 1 -V« г* ___1

/

10 12 16 18

Скорость пылегазового потока, м/с

б

.3

20

Рисунок 7 - Экспериментальные зависимости для пыли ржи при сн=114 мг/м , =25 мкм, а=0,5:

а - Э = /(м), б - АР = /(м)

Анализ работы предлагаемого циклона -пылеуловителя показал, что наиболее эффективно он работает на скоростях в диапазоне 16-20 м/с (скорости движения пылегазового потока в системах аспирации горизонтальных участков мукомольных цехов). При этом общая эффективность работы достигает зна-чения 95 % при дисперсности улавливаемых

частиц начиная с 6 мкм и ниже. Полученные экспериментальные данные подтверждают целесообразность разработки и использова-ния предложенной конструкции циклона-пылеуловителя с конической вставкой, а также доказывают правильность теоретических предположений о движении частиц различных потоков в полости циклона.

<ЪестникФТУЖЛС, №3, 2013

ЛИТЕРАТУРА

REFERENCES

1 Заявка 2011134567 Российская Федерация, МПК В04С 5/107 (2006.01). Устройство для пылеулавливания [Текст] / A.M. Гаврилен-ков, Д.В. Каргашилов, A.B. Некрасов; заявитель ГОУ ВПО ВГТА (РФ). - Заявл. 17.04.2011; Опубл. 27.02.2013; Бюл. № 6.

2 Машины и аппараты химических и нефтехимических производств Т. 4-12 [Текст] / М.Б. Генералов, В.П. Александров, В.В. Алексеев и др. - М., 2004. - 832 с.

1 The patent demand 2011134567 of Russian Federation, MnK B04C 5/107 (2006.01). The device for dust-catching [Text] / A.M. Gavrilen-kov, D.V. Kargashilov, A.V. Nekrasov; applicant VSTA (RF). - / Appl. 17.04.2011; Publ. 27.02.2013, Bul. № 6.

2 The Machines and apparatuses of chemical and petrochemical industries. V. 4-12 [Text] / M.B. Generalov, V.P. Alexandrov, V.V. Alexeev et al. - M., 2004. - 832 p.