Теоретическое обоснование конструктивного совершенствования центробежного пылеуловителя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Чалов В. А., аспирант

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЯ

chalov-v@mail.ru

В разработанном пылеуловителе совмещаются два способа закрутки потока запыленного газа: вращение в результате тангенциального подвода и дополнительная закрутка потока при входе в выхлопную трубу с помощью специального лопаточного закручивающего устройства.

Ключевые слова: циклон, дополнительная закрутка потока, выхлопной патрубок, пылеулавливание, эффективность осаждения._

Одним из направлений повышения эффективности сухих центробежных пылеуловителей является повышение доли энергии полезного вращательного движения, приводящего к осаждению частиц пыли, в полной энергии пылега-зового потока [1]. В центробежных пылеуловителях поток очищаемого газа закручивается путем его тангенциального подвода, либо с помощью лопастных закручивателей - розеток (прямоточные циклоны)[2]. В разработанном пылеуловителе [3] эти два способа закрутки потока запыленного газа совмещаются: сначала вращение газа возникает как обычно в результате тангенциального подвода, а затем дополнительная закрутка потока создается при входе в выхлопную трубу с помощью специального лопаточного закручивающего устройства.

Пылеуловитель разработан на базе циклона ЦН-15 с сохранением всех его пропорций (рис. 1). Конструктивные изменения касаются лишь его выхлопной трубы, в начале которой установлено закручивающее устройство с поперечным подводом очищенного газа. Схема лопаточного направляющего устройства завихрителя для дополнительной закрутки пылегазового потока показана на рис. 1.2. В стенке удлиненной выхлопной трубы, закрытой снизу обтекателем, симметрично прорезано п прямогольных отверстий (щелей) высотой к, угловым размером 2в и шириной АВ=2г^1пР, где г] — радиус выхлопной трубы. Каждая щель снабжена лопаткой, повернутой по ходу вращения пылегазового потока внутри выхлопной трубы на угол а<в относительно касательной соответствующей началу полки.

Как следует из рис. 1.2, угол может меняться в интервале 90-Р<а<л/2, причем с увеличением а степень раскрытия щели возрастает. Ширина входного канала d, образованного полкой и стенкой закручивающего устройства, равна:

d=BC=ABsin(a-в)= 2г$тв $т(а-в), (1.1)

Обтекатель преобразует центральный вихревой поток очищенного газа в кольцевую струю, которая засасывается через щели закручивающего устройства. Скорость входа газа в

каналы завихрителя определяется его объемным расходом (5 и суммарной площадью каналов:

е

Ю, =

3 пйЪ.~

(1.2)

Чх, 'йх

Рисунок 1. Схема центробежного пылеуловителя с дополнительной закруткой пылегазового потока Тангенциальная составляющая скорости входа газа в выхлопной патрубок выражается через угол у между полкой и касательной в конце щели (точка В на рис. 1.2):

со

зр

(оъсоху,

(1.3)

где

у=^ББС=^ЛБС-^ЛБО=2в-а, (1.4)

Дополнительный секундный момента импульса вращающегося потока газа, возникающий в результате его входа в выхлопную трубу через закручивающее устройство. Для элемента ширины входного канала:

ДеЕ = Д г соэу

(1.5)

получим:

где р - плотность газа, г - расстояние по радиусу от рассматриваемого элемента ширины канала до оси выхлопной трубы. Интегрируя выражение (1.6) по всей ширине входного канала и учитывая их количество, а затем подставив выражение гс: = х\ + у}_ и формулы (1.1 - 1.4), получим:

о,

(1.7)

где А(а,/?) - коэффициент зависящий от углов а и в:

ДМ = къАг созу ■ а}ъ<рра}ъ<рг, (1.6)

С О Е2 ( — £¿1' [1 — (2 СО Ег(£Е-£}-1)а Б1П 2(££-/3)-СОЕ&У }

А(_а,р) =

3 Б1П2£ в1п2(о:-£}

(1.8)

К3 =

9,54

(1.10)

Рисунок 2. Расчетная схема лопаточного направляющего устройства Коэффициент местного сопротивления за-вихрителя зависит от отношения / суммарной площади поперечного сечения входных каналов к площади поперечного сечения выхлопной трубы:

(1.9)

Величину коэффициента сопротивления за-вихрителя, приведенную к скорости воздуха в его плане (фиктивной скорости), можно оценить с помощью зависимости, полученной в результате обработки методом наименьших квадратов эмпирических данных по сопротивлению входа в прямую трубу через прямоугольные боковые отверстия [4]:

Сравним секундные моменты импульса получаемые потоком газа в результате дополнительной закрутки и тангенциального подвода очищаемого газа. Ниже будет найдено выражение (1.13) для входного момента импульса:

М = ■

Е1 2т-, а Ё

(1.11)

Разделив выражение (1.7) на выражение (1.11), получим:

Тогда результирующий момент импульса потока газа можно представить в виде: М = МЕЛ + = МЕ31(1 + 1/г), закрутки газового потока.

Оценим величины коэффициента сопротивления закручивателя и создаваемого им дополнительного импульса на примере опытного образца пылеуловителя созданного на базе циклона ЦН-15 диаметром D=0,4 м. Параметры пылеуловителя имеют следующие значения: Q < 1000 м3/ч=0,44 м/с; р = 1,2 кг/м3; п = 6; hз = 0,1 м; = 0,5; а=40°, Р=20°. В этом случае: ширина входных каналов равна d=0,027; суммарная площадь их поперечных сечений Fк=0,0166 м2, что составляет 38% площади поперечного сечения выхлопной трубы, т.е. / = 0,38. Коэффициент местного сопротивления завихрителя по формуле (1.11) равен:

(1.14)

Момент импульса, получаемый потоком газа в результате его дополнительной закрутки равно:

Для входного момента импульса получим:

Далее подстановкой в (1.11) получаем:

Из формул (1.15) и (1.16) следует, что при фиксированных числах щелей закручивателя п и его угловых характеристиках а и в коэффициент сопротивления £ и интенсивность дополнительной закрутки выражаются через один и тот же параметр й-, т.е. относительную высоту щелей. Это позволяет выразить коэффициент сопротивления закручивателя £з через интенсивность закрутки у. Для рассматриваемого выше опытного образца пылеуловителя (п=6) эта зависимость имеет вид:

& = 41Д60И, (1.16)

Из (1.15) следует, что закручивающий эффект предлагаемого завихрителя, устанавливаемого в начале выхлопной трубы и тангенциального подвода газа могут быть одинакового порядка, однако усиление дополнительной закрутки сопровождается ростом аэродинамического сопротивления закручивателя и пылеуловителя в целом.

Поскольку течения запыленного газа в различных частях пылеуловителя аэродинамически связаны между собой [5], то дополнительная закрутка газового потока на входе в выхлопную трубу, складываясь с закруткой, вызванной тангенциальным подводом запыленного газа, приводит к интенсификации вращения газа во всем рабочем объеме аппарата и повышению эффективности осаждения частиц.

Таким образом теоретически обоснована возможность создания высокоэффективного центробежного пылеуловителя с дополнительной закруткой газового потока на входе в выхлопную трубу. Установлено, что дополнительная закрутка потока может превосходить основную, полученную в результате тангенциального подвода очищаемого газа.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. - 559с.

2. Сабуров, Э. Н. Теплообмен и аэродинамика закрученного потока в ци-клонных устройствах / Э. Н. Сабуров, С. В. Карпов, С. И. Оста-шев; под ред. Э.Н. Сабурова. - Л.: Издательство Ленинградского университета, 1989. - 276 с.

3. Патент РФ № ЯШ06147Ш. Авторы: Чалов В.А., Кущев Л.А., Шаптала В.Г.. 2011 г.

4. Коузов, П. А. Коэффициенты гидравлического сопротивления сухих ци-клонов / П. А. Коузов // Сб. научные труды институтов охраны труда ВЦСПС. - 1969. - Вып. 58. - С. 3-12.

5. Некрасова К.В., Разва А.С., Зыков Е.Г., Василевский М. В. Распределение давлений в циклонном двухфазном потоке //Энергетика: экология, надежность, безопасность: Материалы докладов четырнадцатой всероссийской научно-технической конференции - Томск, ТПУ, 2008. -с. 146-150.