Научная статья на тему 'Влияние угла закрутки потока и эжекции части воздуха на эффективность сепарации прямоточного циклона'

Влияние угла закрутки потока и эжекции части воздуха на эффективность сепарации прямоточного циклона Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»

CC BY
34
7
Поделиться
Ключевые слова
ПРЯМОТОЧНЫЙ ЦИКЛОН С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОТБОРОМ ПЫЛИ / DIRECT-FLOW CYCLONE WITH INTERMEDIATE DUST EXTRACTION / УГОЛ ЗАКРУТКИ ПОТОКА / УГОЛ УСТАНОВКИ ЛОПАТОК ОСЕВОГО НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА / VANE POSITION ANGLE OF AXIAL DIRECTING MECHANISM / ПЛОЩАДЬ ОТВЕРСТИЙ / ЭЖЕКТИРУЮЩИХ ВОЗДУХ / ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЕПАРАЦИИ / SEPARATION EFFICIENCY / SWIRL FLOW ANGLE / THE DIAMETER OF INLETS THROUGH WHICH THE AIR FROM BUNKER IS EJECTED

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — Кулакова Ирина Михайловна, Аршинский Максим Иннокентьевич, Асламова Вера Сергеевна

Исследовано влияние угла закрутки потока, определяемого углом установки лопаток осевого направляющего аппарата, и площади отверстий, через которые эжектируется воздух из бункера в поток очищенного воздуха, на технические характеристики прямоточного циклоны с промежуточным отбором пыли. Получены регрессионные зависимости эффективности сепарации от указанных факторов.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — Кулакова Ирина Михайловна, Аршинский Максим Иннокентьевич, Асламова Вера Сергеевна,

SWIRL FLOW ANGLE AND PART OF AIR EJECTION INFLUENCE UPON DIRECT FLOW CYCLONE SEPARATION EFFICIENCY

The swirl flow angle influence on the direct-flow cyclones with intermediate dust extraction technical characteristics defined by the vane position angle of axial directing mechanism and by the diameter of inlets through which the air from a bunker is ejected into the purified air flow were investigated in the given study. The regressional dependences of separation efficiency on mentioned factors were obtained.

Текст научной работы на тему «Влияние угла закрутки потока и эжекции части воздуха на эффективность сепарации прямоточного циклона»

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис. 2. Зависимости глубины восстановления безотказности ТУ от периодичности ПР и допустимого значения ИО

Заключение

Исходя из условия обеспечения допустимого уровня интенсивности отказов технических устройств, предлагаемый метод позволяет:

- при заданном значении глубины восстановления безотказности определить периодичность ремонтов;

- при заданном значении периодичности ремонтов определить глубину восстановления безотказности;

- при заданных значениях глубины восстановления безотказности, количества и периодичности ремонтов определить срок замены технических устройств.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. Введ. 1990-07-01.

2. Володарский В.А. Об оптимизации предупредительных замен и ремонтов технических устройств / Надежность и контроль качества. 1989. №6. С.21-24.

3. Володарский В. А. Определение показателей надежности электрооборудования при неопределенности исходной информации. / Электричество. 1987. №3. С. 49-51.

УДК 621.928.93 Кулакова Ирина Михайловна,

к. т. н., доцент кафедры «Вычислительные машины и комплексы» АГТА,

е-mail: iyelkina@mail.ru Аршинский Максим Иннокеньевич, оператор ОАО «АНХК» (НПЗ), е-mail: arshmax@mail. ru Асламова Вера Сергеевна,

д. т. н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология» ИрГУПС,

е-mail: aslamovav@yandex.ru

ВЛИЯНИЕ УГЛА ЗАКРУТКИ ПОТОКА И ЭЖЕКЦИИ ЧАСТИ ВОЗДУХА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЕПАРАЦИИ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА

I.M. Kulakova, M.I. Arshinsky, V.S. Aslamova

SWIRL FLOW ANGLE AND PART OF AIR EJECTION INFLUENCE UPON DIRECT FLOW CYCLONE SEPARATION EFFICIENCY

Аннотация. Исследовано влияние угла закрутки потока, определяемого углом установки лопаток осевого направляющего аппарата, и площади отверстий, через которые эжектируется воздух из бункера в поток очищенного воздуха, на технические характеристики прямоточного циклоны с промежуточным отбором пыли. Получены регрессионные зависимости эффективности сепарации от указанных факторов.

Ключевые слова: прямоточный циклон с промежуточным отбором пыли, угол закрутки

потока, угол установки лопаток осевого направляющего аппарата, площадь отверстий, эжекти-рующих воздух, эффективность сепарации.

Abstract. The swirl flow angle influence on the direct-flow cyclones with intermediate dust extraction technical characteristics defined by the vane position angle of axial directing mechanism and by the diameter of inlets through which the air from a bunker is ejected into the purified air flow were investigated in the given s tudy. The regressional dependences of separation efficiency on mentionedfactors were obtained.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Keywords: direct-flow cyclone with intermediate dust extraction, swirl flow angle, vane position angle of axial directing mechanism, the diameter of inlets through which the air from bunker is ejected, separation efficiency.

Введение

Эффективная очистка воздуха от пыли, выбрасываемой предприятиями строительной индустрии, представляет собой важную народнохозяйственную задачу. Предприятиями отрасли ежегодно выбрасывается в атмосферный воздух около 2,4 млн т пыли [1].

Традиционно действующие мокрые системы пылеулавливания энергоемки, требуют организации шламового хозяйства, исключают утилизацию уловленной пыли и не всегда обеспечивают нормы предельно допустимых выбросов. Поэтому особое значение приобретают разработка и анализ научных основ энергосберегающего сухого пылеулавливания. Дальнейшее сокращение вредных выбросов предприятиями строительной индустрии может быть достигнуто вводом в действие новых эффективных газоочистных установок и аппаратов, технического усовершенствования действующих пылеулавливающих систем, внедрения в промышленность современных эффективных методов очистки [2].

Высокую эффективность очистки могут обеспечить высокопроизводительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО), основным преимуществом которых яв-ляяется: возможность стабильного и эффективного разделения в широком диапазоне варьирования расхода газа и концентрации пыли при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивле-

Пыль

ш

Воздух

нии. В работах [3, 4] уже проводилось исследование ПЦПО. Однако рациональные значения некоторых деталей циклона нуждаются в уточнении.

Цель работы: исследование влияния угла закрутки потока, определяемого углом установки лопаток осевого направляющего аппарата (ОНА), и площади отверстий, через которые эжектируется воздух из бункера в поток очищенного воздуха, на технические характеристики ПЦПО

Результаты исследований. На опытной установке (рис. 1) исследовался ПЦПО диаметром D = 114 мм, конструкция которого защищена патентом на полезную модель [5]. ПЦПО был спроектирован с помощью автоматизированной системы проектирования и расчета деталей ПЦПО [6].

Закручивание потока осуществлялось ОНА 3 с бицилиндрическими профилированными лопатками. Испытаны ОНА с углом установки лопаток у = 20°, 30° и 35° к радиальной плоскости (закрутка потока 70°, 60° и 55°) и числом лопаток 10, 10 и 11 соответственно.

Измерения проводили по общепринятым стандартам. Для запыления потока использовали цемент марки М400. Гранулометрический состав порошка определялся методом жидкостной седиментации в керосине. Масс-медианные диаметры частиц цемента dm составили 8 мкм, среднее квад-ратическое отклонение функции распределения частиц по размерам ^ оч = 0,286.

Дозатор пыли 2 представлял собой виброворонку с возможностью изменения размера выходного сечения. Для предотвращения слеживания частиц пыль предварительно прогревалась. Истинная плотность рз цемента, измеренная с помощью пикнометра, составила 3017,8 кг/м1.

Рис. 1. Схема опытной установки: 1 - трубка Пито; 2 - виброворонка для подачи пыли; 3 - ОНА; 4 - ПЦПО; 5 - и-образный манометр; 6 - микроманометр; 7 - промежуточный бункер пыли; 8 - отверстия, эжектирующие воздух из второго бункера; 9 - второй бункер пыли; 10 - заслонка; 11 - вентилятор; 12 - тканевый фильтр

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

Скорость потока определялась с помощью откалиброванной трубки Пито 1. Для измерений малых перепадов давлений использовался микроманометр 6 серии ММН-240. Расход очищаемого воздуха Q регулировался с помощью заслонки 10. Запыленность потока г определялась по формуле

г = тп /(^), где тп - масса навески пыли, [г]; ¿п2 - время истечения пыли из дозатора, [с].

Критерий Рейнольдса рассчитывался по формуле

Яе = рысрО / ц,

где р - плотность воздуха, [кг/м3]; В - диаметр циклона, [м]; ц - динамическая вязкость воздуха, [Па с]; wср - среднерасходная скорость в плане циклона, [м/с], рассчитываемая по формуле ^р = Q/(пВ2).

Гидравлическое сопротивление пылеуловителя АР рассчитывается по перепаду полных давлений на входе в циклон и на выходе из него. Учитывая, что г2 = 0, уравнение Бернулли запишем для несжимаемого газа в виде

У к 1 + Р +рек = * 2 +Р2 + АР, 2 1 2 2

где Н1 - расстояние между сечениями 1-1 и 2-2, [м]; Р1 - Р2 - перепад статических давлений, измеряемый по показанию и-образного манометра 5, [Па]; w1, - среднерасходные скорости потока в кольцевом зазоре и в выхлопном патрубке; ак -коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скорости по сечению и равный отношению истинной кинетической энергии к кинетической энергии потока, вычисленной по средней скорости. Известно, что для турбулентного режима движения газа а к = 1,10...1,15. Принимаем ак = 1.

После преобразований получим: AP = P -P2 + pgh + 0,5p(Wj2 - w2).

Зная AP, можно рассчитать коэффициент гидравлического сопротивления: z = 2AP /(pw2p).

Оценка эффективности пылеулавливания проводилась двояко: по поданной и улавливаемой отборами циклона пыли (минорантная оценка Цтт); по поданной и выносимой из циклона пыли (мажорантная оценка цтах); средняя эффективность пылеулавливания п рассчитывалась по формуле

П = (Птт + Пмах )/2.

Среднее расхождение между Птш и Птах не превышало 6 %, что соответствует требованиям нормативных документов, по которым ошибка измерения эффективности очистки не должна превышать 10 % [7]. При определении плотности воздуха его влажность не учитывали, так допускаемая при этом ошибка не превышает 0,5 %. В табл. 1 приведены средние характеристики испытанного циклона ПЦПО. Опыты с углом установки лопаток у = 18° проводились авторами работы [3].

На рис. 2 представлена регрессионная зависимость эффективности очистки от угла установки лопаток ОНА, полученная в пакете Statgraphics Plus:

П = 46,088 + 2,548у-0,045у2, (2)

где угол задан в градусах. Критерии достоверности регрессии (7): коэффициент детерминации R2, критерий Дарбина Уотсона DW, среднеквадрати-ческая о и A абсолютная ошибки, пв - объем выборки - приведены в табл. 2.

Видно, что использование эжектирующей насадки в виде 8 отверстий в выхлопном патрубке способствовало увеличению эффективности очистки п на 58 %.

Т а б л и ц а 1

Влияние угла установки лопаток ОНА на технические характеристики циклона ПЦПО

№ опыта z, г/м3 wcp, м/с Y,° AP, Па п, % Re Z р, кг/м3 dm, мкм

2 22,60 5,23 28 527,99 76,72 24207,7 32,89 2,252 24

2 25,63 6,03 672,30 72,27 27948,5 32,96 2,253

3 33,26 4,24 364,82 77,90 29884,4 34,74 2,267

4 33,02 7,25 20 897,92 79,29 59272,5 26,59 2,284 8

5 25,84 7,22 858,88 78,65 58097,7 26,47 2,284

6 26,43 7,02 849,22 78,69 57362,0 26,88 2,286

7 22,58 6,92 829,60 78,86 56523,0 27,06 2,286

8 32,59 7,27 30 878,44 82,76 58767,9 26,53 2,288

9 24,92 7,03 849,22 80,74 57580,6 26,72 2,288

20 29,07 6,87 829,84 82,62 56295,6 26,92 2,292

22 28,65 7,29 35 927,44 79,67 59659,9 26,85 2,286

22 23,65 7,24 878,40 80,45 58532,4 26,75 2,288

23 28,22 6,94 858,88 78,85 56995,2 27,66 2,292

Т|,% 82

80

78

76

74

72

18 21 24 27 30 33 У,°

Рис. 2. Влияние угла установки лопаток у на эффективность сепарации ПЦПО

Наблюдаемое повышение эффективности сепарации п при самоотсосе части воздуха из бункера можно объяснить выравниванием профиля скоростей при входе очищенного газа в выхлопной патрубок и вследствие этого уменьшением возмущения пристенного пылевого слоя при входе в бункер.

В табл. 3 и на рис. 3 представлены экспериментальные данные по влиянию площади отверстий, через которые эжектируется воздух из бункера основного отбора пыли в поток очищенного газа, на эффективность очистки.

Т а б л и ц а 3

Влияние площади эжектирующих отверстий на технические характеристики ПЦПО_

D отв, мм Площадь эжектируемых отверстий, [, мм2 АР, Па w, м/с Q, м3/ч 2, г/м3 П по, % П во, % п, %

0 0 2540 7,12 261,808 33,605 61,54 20,97 82,51

0 0 2540 7,12 261,808 25,998 61,00 20,95 81,95

0 0 2540 7,12 261,808 12,193 60,07 19,79 79,86

0 0 2770 8,34 306,390 28,026 58,93 22,83 81,76

0 0 1820 7,28 267,439 14,397 57,16 22,58 79,74

0 0 1620 7,28 267,439 17,999 57,45 21,17 78,62

1,5 14,13 2200 7,50 212,119 9,364 59,96 27,46 86,43

1,5 14,13 2100 7,43 210,029 6,094 59,59 28,03 86,61

2 25,12 2070 7,12 201,453 3,673 59,84 27,65 87,49

2 25,12 2070 6,89 194,773 15,576 60,19 25,94 86,14

2 25,12 1770 6,73 190,189 25,172 60,78 25,48 86,26

2 25,12 2340 7,61 215,216 14,026 61,46 25,26 86,72

3 56,52 2210 7,43 210,029 6,465 60,94 25,68 86,62

3 56,52 2210 7,43 210,029 7,938 60,51 25,27 85,78

а

X > :

У

Т а б л и ц а 2 Критерии статистической значимости

уравнений регрессий __

Номер формулы R2,% DW с А Пв

(1) 85,98 2,11 0,686 0,816 11

(2) 95,72 1,36 0,490 0,861 10

(3) 90,43 0,177 0,499 1,108 10

(4) 91,12 1,20 0,905 0,970 11

(5) 97,04 1,29 0,408 0,824 11

(6) 95,31 1,96 0,599 0,537 11

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

80---------

78 П 1-1-

0 10 20 30 40 50 Г. ММ2

Рис. 3. Зависимость эффективности очистки ПЦПО от площади эжектирующих отверстий

При статистической обработке данных табл. 3 получены следующие уравнения регрессии: для эффективности пылеулавливания ПЦПО

П = 82,089 +1,715^ -0,156/; (2) для эффективности пылеулавливания промежуточного отбора пыли

цпо = 57,333 + 0,272/ - 0,028/1'5; (3)

для эффективности пылеулавливания второго отбора пыли

ПВо = 21,920 + 2,363^// - 0,254/ . (4)

Множественные уравнения регрессии, описывающие зависимости эффективности пылеулавливания ПЦПО и второго отбора цВо от расхода воздуха, запыленности потока и площади эжекти-рующих отверстий имеет вид:

П = 82,073 +12,413( 2^)-0,095. (5) цВо = 21,920 +120,656( /2)-0,3. (6)

Критерии достоверности регрессионных зависимостей приведены в табл. 2.

Выводы

1. Согласно регрессионной модели, оптимальным углом установки лопаток ОНА является угол у = 28,3°, при котором эффективность очистки циклона увеличивается на 4-6 %.

2. Установлено влияние площади отверстий, эжектирующих воздух из бункера второго отбора, на его эффективность пылеулавливания. Наибольшая эффективность пылеулавливания циклона соответствует диаметру эжектирующих отверстий 2 мм.

3. Получены регрессионные зависимости, прогнозирующие показатели работы прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли при промышленной эксплуатации, пригодные для постановки оптимизационных задач на стадиях проектирования и модернизации систем пылеочистки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Красовицкий Ю. В., Батищев В. В., Иванова В.Г. Новый подход к проблеме энергосберегающего сухого пылеулавливания при производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2004.№ 4. С. 2.

2. Банит Ф. Г., Мальгин А. Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов. М. : Мир, 1979. 164 с.

3. Асламова В. С., Аршинский М. И., Брагин Н. А., Жабей А. А. Исследование прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. № 6. С. 37-38.

4. Асламова В. С., Асламов А. А., Ляпустин П. К. Промышленные испытания группового прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. 2007. Т. 1. № 2(30). С. 6-8.

5. Патент RU 61156 Ш, МПК В04С 3/06. Прямоточный циклон / В.С. Асламова, А.А. Асламов, П.К. Ляпустин, Т.Н. Мусева, Н.А. Брагин. ; заявитель и патентообладатель Ангарск. гос. техн. академия. Бюл. № 6. 2007.

6. Кулаков А. Ю., Кулакова И. М., Асламова В. С., Асламов А. А., Аршинский М. И. Автоматизация расчета и проектирования деталей прямоточного циклона // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 1. С. 110-116.

7. ГОСТ 17.2.4.06-90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнений. Введ. 1991-01-01. М. : Госкомитет по охране природы СССР, 1990.