CC BY
47
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
УДК 621.928.93
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНО-ИНЕРЦИОННОГО ТИПА
Я.В. Чистяков, Н.И. Володин, A.A. Махнин
Представлена работа, направленная на исследование и повышение эффективности процесса очистки отходящих газов от пыли (особенно мелкодисперсной) во всех технологических процессах, при которых происходит пылевыделение.
Ключевые слова: центробежно-инерционный пылеуловитель, пылеуловителя-классификатора, сила тяжести, центробежная и инерционная силы.
Работа пылеулавливающих установок обычно основана на действии различных сил на частицу пыли при ее извлечении из газового потока. Такими силами являются сила тяжести, центробежная и инерционная силы. В зависимости от этого созданы различные конструкции пылеулавливающих устройств (осадительные камеры, жалюзийные аппараты, центробежные и вихревые циклоны и т.д.).
Для высокоэффективной очистки от мелкодисперсной пыли необходимо использование всех перечисленных сил, что и предложено в разработанном пылеуловителе центробежно-инерционного типа [1]. Такое сочетание позволяет значительно повысить степень улавливания мелкодисперсных частиц из потоков очистки воздуха за счет увеличения скорости очищаемого воздушно-пылевого потока в рабочих областях пылеуловителя в 4 - 5 раз и соответствующего увеличения использования центробежных и инерционных сил.
Конструкция центробежно-инерционного пылеуловителя представлена на рис. 1.
Аппарат включает корпус 1, в котором размещен завихритель 2, выполненный в виде полого диска, состоящего из верхней 3 и нижней стенки 4. Внутри завихрителя расположены закручивающие лопатки 5. По оси корпуса проходит патрубок ввода запыленного газа 6, примыкающий к нижней стенке завихрителя.
Концентрично снаружи патрубка ввода установлен патрубок вывода очищенного газа 7. По наружному нижнему краю диска завихрителя установлен экран 8 в виде усеченного конуса или цилиндра. Из нижней части корпуса уловленная пыль попадает в бункер для сбора пыли. Особое расположение входного патрубка обеспечивает сохранение высокой скорости газа (до 20 м/с) в верхней части аппарата, в отличие от обычных циклонов, где в зоне ввода очищаемого потока скорость падает до 2...4 м/с, существенно уменьшая центробежную силу и тем самым значительно снижая эффективность пылеулавливания.
зги
Рис.1. Схема центробежно-инерционного сепаратора(стрелками показано направление движения потоков)МП- мелкодисперсная пыль;
ЗГП- загрязненный газовый поток; ОГП- очищенный газовый поток
Отделение частиц пыли в закрученном потоке происходит под действием центробежных сил в пространстве между корпусом 1 и экраном 8, установленным под завихрителем. Вихревой поток, опускаясь по спирали вниз, затем поворачивает на 180°и по внутренней спирали меньшего радиуса попадает под экран, а затем снова, изменив свое направление на 180°, уже очищенный газ поступает в патрубок вывода 7. Установка экрана соответствующей геометрии позволяет повысить эффективность пылеулавливания за счет лучшей аэродинамики потока в верхней части аппарата и снижения вторичного уноса, предотвращая попадание отскочивших от корпуса частиц в поток очищенного газа. Отделившаяся пыль по стенке корпуса под действием силы тяжести поступает в нижнюю часть корпуса и собирается в бункер. Установка патрубка вывода очищенного газа под завихрителем концентрично снаружи патрубка ввода уменьшает диаметр корпуса в верхней части пылеуловителя, что повышает фактор разделения и, соответственно, эффективность работы аппарата.
Несмотря на высокую эффективность данного пылеуловителя, анализ его работы позволяет сделать вывод, что результирующая всех сил, действующих на частицу пыли, по пути движения газового потока теряет свою величину, а, следовательно, падает и эффективность процесса пылеулавливания. Авторы считают, что одним из направлений повышения эффективности работы пылеуловителей является конструктивное их совершенствование, позволяющее постоянно поддерживать высокую величину результирующей силы по ходу движения газового потока внутри аппарата. Наиболее перспективным направлением повышения эффективности работы аппарата является поддержание величины
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
инерционной составляющей результирующей силы на протяжении всего пути движения газового потока внутри аппарата за счет последовательного изменения направлений движения и изменения сечений каналов восходящих и нисходящих потоков.
Конструкции пылеуловителей, отвечающих требованиям по совершенствованию аппаратурного оформления данного направления, представлены на рис. 2 и 3.
Новое пылеулавливающее оборудование представляет собой батарею пылеотделителей, последовательно работающих внутри одного аппарата. Чередование цилиндрических перегородок и приемных цилиндров, расположенных касательно патрубку очищенного газа, позволяет достигнуть требуемой степени очистки за счет многократного изменения направления потока газа при его движении внутри аппарата и за счет поддержания высокой величины инерционной составляющей результирующей силы, действующей на частицы пыли. Особое значение это приобретает при извлечении из газового потока как мелкодисперсной пыли (рис.2), так и крупнодисперсной (рис.3).
Аппарат работает следующим образом [2].
Запыленный воздух поступает в аппарат через входной патрубок 6, далее попадает в завихритель 2, ограниченный стенками 3 и 4 и снабженный лопатками 5. Конфигурация лопаток 5 позволяет создать зону сепарации частиц под действием центробежной силы. Далее отделение частиц пыли от газового потока продолжается в пространстве между экраном 8 и корпусом аппарата 1. В месте, где происходит изменение направления потока, крупные частицы пыли оседают в нижнюю часть пылеуловителя и через патрубок для крупной фракции удаляются из аппарата. Газовый поток с более мелкими частицами изменяет свое направление на 180 градусов, образуя восходящий поток.
Затем поток вновь изменяет свое направление движения и поступает в приемный цилиндр 9. Процесс отделения мелких частиц пыли от газа происходит в пространстве между экраном 12 и стенкой приемного цилиндра 9. Окончательное отделение мелких частиц пыли от газа происходит в пространстве между стенкой приемного цилиндра 9 и внешней стенкой патрубка очищенного газа 7. При этом пыль выделяется из газового потока и собирается на наклонном днище 10 и через патрубок 11 удаляется из аппарата. Очищенный газовый поток попадает в патрубок 7 и выводится из пылеуловителя.
В центробежно-инерционном сепараторе-классификаторе [3] (рис.3) имеют место два явления. Во-первых, происходит отделение пыли от воздуха, как и в первом случае, а во-вторых, осуществляется в первую очередь отделение крупной фракции от мелкой. Поток разгоняется на специальных выступах обтекаемой формы, отклоняясь от поверхности стенки.
Рис. 2. Схема 2-ступенчатого центробежно-инерционного аппарата: 1 - корпус; 2 -заеихритель; 3,4 - верхняя и нижняя стенки заеихрителя; 5 - лопатки; 6 - входной патрубок; 7 - патрубок очищенного газа; 8,12 - экраны; 9 - приемный цилиндр; 10 - днище; 11 - патрубок. I- первая ступень очистки; II- вторая ступень
очистки
А * А-Л
Рис. 3. Схема центробежно-инерционного сепаратора с выделением крупнодисперсной фракции пыли (стрелками указано направление движения газового потока и частиц)
Двигаясь после среза выступа мелкая фракция, увлекаемая потоком, пролетает зону щелей, не успевая осесть в пылесборник крупной фракции, а крупные более тяжелые частицы вследствие более быстрого оседания под действием центробежной силы во вращающемся потоке попадают в щелевое отверстие пылесборника.
Анализируя пылеуловители, представленные на рис. 1-3, появилась возможность объединить их в одном корпусе с получением трех фракций [4] (рис.4): мелкодисперсной (тонкой); медийной (основной) и крупнодисперсной.
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3
Рис.4. Схема трехступенчатого центробежно-инерционного пылеуловителя-классификатора
Скорость газопылевого потока на выходе из завихрителя и в пространстве между экраном и корпусом составляет 15...22 м/с. Здесь наиболее крупная фракция пыли, прижатая центробежными силами к корпусу пылеуловителя, выводится через равномерно распределенные по окружности пылеуловителя щели и собирается в карман 12. Пыль через пылеотво-дящее устройство выводится в бункер. Затем направление газового потока меняется на 180°. Он направляется с образованием восходящего потока между внутренней стенкой экрана 8 и стенкой приемного корпуса 9 основной (медийной) фракции. При этом за счет сил инерции происходит очистка газопылевого потока от основной (медийной) части пылевой фракции, причем скорость движения газового потока в этом сечении должна составлять 10.15 м/с, при последующем изменении движения газового потока на 180° через перегородку 10 и снижения его скорости до 2.10 м/с отделяются остатки самой мелкодисперсной пыли. За счет инерционной составляющей частицы мелкодисперсной пыли увлекаются вниз пылеуловителя и через патрубок 11 собираются в бункере. Практически полностью очищенный газ выводится из пылеуловителя, три разделенные фракции (крупнодисперсная, основная (медийная) и мелкодисперсная) собираются в отдельные приемные бункеры. Ввод пылегазового потока на очистку и классификацию конструктивно можно выполнять как через верхнюю крышку пылеуловителя, так и через осевой патрубок ввода газопылевой фракции.
Анализируя работу описанных выше пылеуловителей, следует отметить, что они являются представителями нового поколения пылеулавливающих аппаратов, с помощью которых решаются вопросы не только высокоэффективной очистки газов от мелкодисперсной пыли, но и появляется также возможность параллельного проведения такого процесса
38
_Промышленная безопасность_
как классификация пыли на фракции.
Экспериментальные исследования всех пылеуловителей проводились на экспериментальной установке по методике, изложенной в ГОСТ 8002-74. Воздухоочистители. Методы стендовых безмоторных испытаний. Исследования заключались в определении степени очистки воздуха, гидравлического сопротивления АР пылеуловителя при изменении его геометрических параметров и режимов проведения экспериментов. Результаты экспериментов представлены в работе [5].
Список литературы
1. Пат. №111773 Российская Федерация. Центробежно-инерцион-ный пылеуловитель / Я.В. Чистяков, О.Н. Володина, А.Ю. Дубов, Л.А. Моисеева, А.А. Махнин; опубл. 27.12.2011 Бюл. №36. Приоритет 13.04.2011.
2. Патент № 81092 Российская Федерация. Устройство для улавливания и классификации пыли по фракциям / Н. И. Володин, В. К. Леонтьев, Д. Е. Смирнов, М. Е. Смирнов, А. В. Сугак, Я. В. Чистяков. Опубл. 10.03.2009. Бюл. №7.
3. Патент РФ №85366 Ш(Россия), МПК В 04 С 5/08, В 07 В 7/08. Пылеуловитель-Классификатор/Чистяков Я. В, Сугак А. В, Володин Н. И, Сугак Е. А.(Россия). 0публ.10.08.2009.Бюл.№22.
4. Патент №117103 Российская Федерация. Пылеуловитель-классификатор / Я.В. Чистяков, О.Н. Володина, А.Ю. Дубов, А.А. Махнин, Г.М. Гончаров; опубл. 20.06.2012 Бюл. №17. Приоритет 18.11.2011.
5. Чистяков Я.В. Исследование и разработка пылеуловителей, обеспечивающих повышение эффективности очистки воздуха аспирацион-ных систем дробильно-сортировочных комплексов карьеров: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2012.
Чистяков Ярослав Владимирович, канд. техн. наук, yarOOOOO&yandex. ги, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Володин Николай Иванович, д-р техн. наук, проф., yarOOOOO&yandex.ru, Россия, Ярославль, Московский государственный технический университет путей сообщения, Ярославский филиал,
Махнин Александр Александрович, д-р техн. наук, проф., yarOOOOO'a,yandex.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет
WAYS OF IMPROVEMENT OF INSTRUMENTATION OF CENTRIFUGAL
INERTIAL DUST CATCHERS
Ya. V. Chistyakov, N.I. Volodin, A.A. Makhnin 39
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
One of the most prevailing anthropogenic air pollutant is the dust of different kinds contained in waste ventilation and industrial gases. In this connection the urgency of work directed to the investigation and enhancement of efficiency of waste gas purification from dust (especially fine-dispersed) is obvious for all technological processes where dust release occurs and is especially important for industrially developed regions of Russia.
Key words: centrifugal inertial dust catcher, dust catcher-classifier, gravity, centrifugal and inertial forces.
Chistyakov Yaroslav Vladimirovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, yarOOOOO&yandex. ru, Russia, Yaroslavl, Moscow State University of Railway Engineering, Yaroslavl bransh.
Volodin Nikolay Ivanivich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Makhnin Alexander Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, volodin-ni&)ystu.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University
УДК 621.928.93
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЦЕНТРОБЕЖНО-ИНЕРЦИОННОГО ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЯ ДЛЯ ГОРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Я.В. Чистяков, А.А. Махнин, Н.И. Володин
Представлена математическая модель газодинамического процесса сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе методами вычислительного эксперимента. Математическое моделирование осуществляется в двумерной с учетом осевой симметрии методом крупных частиц. С помощью разработанной программы выполнены вычислительные эксперименты.
Ключевые слова: математическая модель, центробежно-инерционный пылеуловитель, расчет параметров.
Разработка аппаратов нового поколения с высокими техническими характеристиками для сепарации и очистки загрязненного воздуха выдвигает перед разработчиками новых конструкций серьезные проблемы, основными из которых являются обеспечение высокой эффективности их функционирования при уменьшении себестоимости, снижения негативных воздействий на окружающую среду и другие. Выбор проектных параметров установок данного класса, используя традиционные математические
