CC BY
45
Ю.В.Шешуков, С.С.Тимофеева
Выбор и исследование аспирационного укрытия мест загрузки ленточных транспортеров передвижных дробильно-сортировочных установок
Выбор рациональной конструкции укрытия. Передвижные дробильно-сортировочные установки (ПДСУ) представляют собой комплект оборудования, включающий щековые и конусные дробилки, вибрационный грохот и ленточные транспортеры (оборудование устанавливается на шасси, позволяющем осуществлять транспортировку агрегатов с одного места работы на другое). Технологический процесс переработки исходного материала (горной массы) до требуемой крупности товарного продукта сопровождается образованием и выделением в окружающую среду значительного количества пыли и при отсутствии средств борьбы с пылью ее концентрация в зоне работы передвижных дробильно-сортировочных установок значительно превышает установленные нормы. Наиболее многочисленными и интенсивными очагами пылевыделений в окружающую среду являются места загрузки ленточных транспортеров.
При устройстве системы сухого пылеулавливания для обеспыливания мест загрузки транспортеров применяются аспирационные укрытия с одинарными или двойными стенками. Эксплуатация таких укрытий показала, что, несмотря на простоту конструктивного исполнения, они обладают рядом существенных недостатков. Например, для предотвращения выбивания запыленного воздуха через неплотности укрытий с одинарными стенками необходимо отсасывать объемы воздуха, в 3-5 раз превышающие объемы эжекции. Укрытие с двойными стенками более стабильно в работе, но громоздко в своем конструктивном решении. Укрытия этих типов обеспечивают необходимую эффективность при значительных геометрических размерах как по ширине, так и по высоте. Особенности компоновки дробильно-сортировочного оборудования и транспортеров на ПДСУ, обусловленные необходимостью относительно частого демонтажа и монтажа установки, исключают возможность применения укрытий большого объема. При изучении патентной литературы не установлено какого-либо решения, позволяющего избежать указанного недостатка. В связи с этим возникла необходимость дальнейшего исследования динамики пылевоздушных потоков в аспирационных укрытиях мест загрузки ленточных транспортеров.
Необходимые исследования были выполнены на специальной экспериментальной установке. Установка состояла из двух наклонных ленточных транспортеров, установленных таким образом, что материал с одного транспортера перегружается на другой. Место загрузки одного транспортера оборудовалось исследуемым укрытием. На экспериментальной установке исследовали три типа укрытий - с одинарными стенками, двойными стенками и с внутренними наклонными стенками.
Анализ результатов аэродинамических исследований показал, что основной причиной неравномерности распределения давления в укрытии, способствующих выносу пыли из укрытия, является воздействие на его наружные стенки настилающейся струи воздуха, поступающего в укрытие с материалом. Исключить настилание струи возможно усилением воздействия отсоса воздуха на струю либо изменением направления движения струи. Изменить направление движения струи можно не только путем приближения отсоса к месту выхода струи из загрузочной точки,
Ю
Рис. 1. Схема укрытия с внутренними наклонными стенками
но и подбором соответствующей формы внутренней полости укрытия. С учетом этого разработана конструкция укрытия с внутренними наклонными стенками (рис. 1). Корпус укрытия имеет коробчатую форму и включает наружные вертикальные стенки 5, внутренние наклонные стенки 6, крышку 2, заднюю 10 и переднюю 9 стенки, отбойную плиту 8, боковые 7 и торцевые уплотнения (фартуки) 4, аспирационный патрубок (отсос) 3 и питающую течку 1. Уплотнение между нижними кромками внутренних наклонных стенок 6 и лентой транспортера достигается транспортируемым материалом. Благодаря такому расположению стенок и уплотнению между вертикальными и наклонными стенками образуются вентилируемые камеры 10.
Приведенная схема укрытия предназначена для условий мест загрузки транспортеров материалом, когда содержание пылевидных частиц в материале является нежелательной примесью, т.е. снижает качество щебня. В тех случаях, когда содержание пылевидных частиц не имеет значения, например, при загрузке и транспортировании отходов, укрытие дополняется горизонтальной подвижной перегородкой, размещаемой между внутренними стенками.
Аэродинамический расчет параметров укрытия. Экспериментальные исследования циркуляции воздушных потоков в укрытии показали, что в аспирационных укрытиях мест загрузки транспортеров на частицы запыленного воздуха, поступающего в укрытие с материалом, действует два воздушных потока. Один поток воздуха, вызванный движением транспортируемого материала, совпадает с направлением движения материала. Второй поток, который создается за счет отсоса воздуха из укрытия, направлен к всасывающему отверстию аспирационного патрубка (рис. 2). Для оценки взаимодействия этих потоков будем полагать, что частица двигается к центру всасывания со скоростью Ув и имеет боковую скорость Уб. Равнодействующая скоростей будет направлена по касательной к траектории движения частицы, и наклон ее относительно вертикальной оси V будет составлять угол а.
Рис. 2. Схема к расчету параметров укрытия
Величину угла а можно определить:
<Лх а у
где х, у - текущие координаты точки.
Из треугольника скоростей
1га = {\ + х21у2УУ61Ув+х1у,
Отсюда дифференциальное уравнение траектории при 1д а - 6х/ву можно записать
Скорость отсоса Ув будет зависеть от формы спектра всасывания. Аспирационные патрубки укрытий обычно выполняются в виде конусных или пирамидальных насадок, что позволяет рассматривать их с определенными допущениями как точечные стоки. Приняв центр всасывающего воздуховода за точечный сток, скорость воздуха в любой точке можно определить как
УР = У'
п
« У
где У3 - скорость в центре всасывания; кп - высота аспирационного патрубка; Я - расстояние от центра
всасывания до точки.
Скорость в центре всасывающего отверстия
где ()ас - объем аспирируемого из укрытия воздуха; £0 - площадь всасывающего отверстия патрубка.
С учетом значений Ув, Уб, У3 и Я2 = х2 + у2 дифференциальное уравнение можно представить в виде
сЫ/4у = [(X2 + у2)3]0>5тУл50 /<2Ху + х/у. Обозначим А = тУя$0 /()аск2 , тогда дифференциальное уравнение
с1х / (%у — [(х2 + у2 )3 ]0>5 Ау + х/ у. После интегрирования и соответствующих преобразований уравнение траектории имеет вид
х = ¡Ау2 /2 + С/[1 -(Ау2 / 2 + С)2]0'5 , где С - постоянная интегрирования;
С = х0 /(хо + у] )°'5 - (Луп / 2) • Вышеприведенное уравнение траектории определяет семейство кривых, каждая из которых представляет траекторию частицы воздуха, движущейся в укрытии.
Допуская, что любая частица, проходящая через ось У и точку А! с координатами х0, у0, будет унесена в аспирационную сеть, найдем уравнение траектории частиц.
Для того чтобы получить уравнение траектории движения, определим постоянную интегрирования С с использованием координат точки Аь Тогда
С = -тКЛ/2„-/„/( 4Й„2 + /и2).
где 1п - линейный размер всасывающего отверстия.
При х = 0 можно определить ординату точки пересечения кривой с осью У, а именно
У]=(-2С/А)°>5, С
Уравнение определяет координаты частицы на оси У, которая, пересекая ось У, движется в Аь Отсюда высота укрытия, отвечающая условию уноса частицы в аспирационный патрубок, определится как
Н у = - К .
Для
случая х0 — 0, Уц — Нп, Ув /Уб > 1, Уб = Ун соответствующих преобразований формула для расчета высоты укрытия приводится к виду
н> =
/ \0,5
У
-Л..
'о ;
При определении расстояния от аспирационного патрубка до течки подачи материала в укрытие будем исходить из условия, что аспирационное укрытие должно не только отвечать условию локализации очага пылевыделений, но и способствовать отделению пылевых частиц из материала. Поэтому расчет ведется для самого неблагоприятного случая.
Рассмотрим схему сил, действующих на частицу в момент ее срыва. На частицу в момент срыва действуют: сила тяжести сила воздействия воздушного потока направленного к центру всасывающего отверстия; сила воздействия горизонтального воздушного потока Рб, обусловленного движением материала. Условие равновесия в момент срыва
FB cos fi>fFT+F6- FB sin p,
где / - коэффициент трения; P - угол между горизонталью и направлением силы. Отсюда
FB=FB+jFTtfsinp + cosp. Значение силы FB при постоянных значениях /, FT , F6 будет зависеть от угла ¡3 , который может изменяться в пределах от 0 до 90°.
Проанализируем значение функции у = cos (3 + sin ft при изменении от 0° до я/2, а именно
dy I dft - f cos ft - sin ft. Выражение обращается в нуль, если t = tgft , т.е. при р, равном углу трения. Возьмем
d2 y¡ d2 р - -(/sin Р + cos р). При положительных значениях sin/?, cos/?, dy2 jd2Р < 0 функция F5 имеет максимум. Отсюда будет иметь максимальное значение, если она приложена под углом р, равном углу трения.
Зная наивыгоднейший угол приложения силы, можно определить и координаты центра всасывающего отверстия аспирационного патрубка
y/x = tgp,
откуда
* = y/tgP •
Учитывая, что коэффициент трения для рассматриваемых условий может быть принят равным 0,44 и угол трения при этом равен 24°, расстояние от оси аспирационного патрубка до загрузочной точки определится как
х = 2,2 8д>.
Тогда расстояние от оси патрубка до течки (/,) с учетом расположения отбойной плиты будет определяться по формуле
/, = 2,2% Н у +0,2.
Анализ формул для расчета высоты укрытия и расстояния от аспирационного патрубка до течки показывает, что параметры укрытия зависят от характера распределения потоков воздуха в укрытии, объема аспирируемого воздуха, скорости движения материала в укрытии и размеров аспирационного патрубка.
Для определения величины /2 (расстояние от оси патрубка до передней стенки) рассмотрим укрытие как
систему, состоящую из двух параллельных участков. Параллельные участки имеют равенство дипрессий (h) участков независимо от их длины, сопротивления и количества проходящего через них воздуха, т.е. соблюдаются условия
/Zj = h2
или по известным значениям этих величин
0,153ЯР/.F2 /.V3 =0,153Лl2PHV2 /Si, где Я - коэффициент трения; Р - периметр поперечного сечения укрытия; 1Х - расстояние от течки до патрубка; V - средняя скорость движения воздуха в укрытии; S - площадь поперечного сечения укрытия; лРн - периметр неплотности в месте выхода материала из укрытия; /2 - расстояние от патрубка до передней стенки; Vu - скорость воздуха в неплотности; Sн - площадь сечения неплотности,
После соответствующих преобразований величина /2 составит
Расстояние /2 зависит от площади неплотности (рабочего проема) в месте выхода материала из укрытия, конструктивных размеров укрытия и скорости входа воздуха через неплотности в укрытие.
Для определения величины скорости воздуха в неплотности будем исходить из условия, что скорость воздуха в неплотностях, отвечающая условию предотвращения выноса пыли из полости укрытия, не должна быть меньше значения, при котором величина сопротивления встречного потока воздуха будет достаточной для того, чтобы частица пыли не вышла за пределы укрытия.
Для определения скорости Ун будем полагать, что на частицу пыли, вступающую в неплотность, действует два потока воздуха. Один поток воздуха совпадает с направлением движения пылинки и способствует ее выносу из укрытия. Наличие этого потока обусловлено движением материала с лентой транспортера. Другой поток, возникающий за счет отсоса воздуха из укрытия, направлен внутрь укрытия и препятствует выносу пыли. В этом случае уравнение движения пылинки можно записать в виде
тдУх I Ж = -С8п{Ух+Ун)2 р0! 2,
где Ух - скорость движения пылинки; С - коэффициент сопротивления; - площадь сечения пылинки; р0 -плотность воздуха.
Принимая т — лх1ъпр16, 8п=тгс12р/4, 3 = 24/Ке (при 11е<1), Яе = с/„(Ух + Ун)/у, после преобразований получим
с1Ух /Ух +УН =-\8р0уЖ/рс12 где (1п - диаметр частиц пыли; р - плотность материала частиц пыли; V - кинематическая вязкость воздуха.
Пылинка, попадая в отверстие неплотности с некоторой начальной скоростью У, может двигаться лишь на расстоянии, не превышающем глубину неплотности 1Н. Если задаться временем движения I пылинки в неплотности, то можно определить и скорость движения в ней воздуха Ун .
Обозначим А = \8р0У / рс1~Г1 и с учетом пределов интегрирования запишем в виде
I Кг
- \с1Ух1Ух+Уи ;
О V
интегрируя, получим
Ун = Уе~А1 -Ух/ \-е~А1. Определим время движения пылинки /0 в отверстии неплотности глубиной 1Н . Из предыдущего имеем
Ух=(У-Ун)е~А'-Ун.
При условии Vх — 0, запишем
(V-Ун)е-А'-Ун = О,
откуда
10=\п(У/Ун +1 )/А,
тогда
с!1 = с1Ух ■ Ж . С учетом интегрирования и значения Ух имеем
1и = )[(Ух+У)е~А1 -Ух\11. о
После интегрирования и преобразований получим
1н=У1А{\-[\п(Ун+У)Ун]1У},
или
А1„=У-[\П(УН+У)УН] для имеющих место на практике небольших значений У; для определенности положим, что 1п(1 + У / Уи ) » 1п 1 + Ун / У, V = тУн , тогда с учетом значений составляющих получим
Ун=[т2У2(\ + \Шнр0У/рУпс1215.
Из формулы следует, что скорость воздуха в неплотности зависит от скорости ленты транспортера, размеров частиц пыли и глубины неплотности.
Исследование эффективности укрытия выполнялось на узле загрузки ленточного транспортера отходами (фракция 0-5 мм) из бункера вибрационного грохота передвижной дробильно-сортировочной установки СМ 739/740. Необходимые исследования выполнялись по методике сравнительных испытаний укрытия с одинарными стенками и
укрытия с внутренними наклонными стенками. Размеры укрытия с одинарными стенками были приняты согласно существующим рекомендациям с внутренними наклонными стенками по вышеприведенной методике расчета. Основные результаты исследований укрытий приведены в таблице.
Результаты производственных испытаний укрытия
Расстояние от укрытия, м Содержание пыли в воздухе, мг/м3
Укрытие с одинарными стенками Укрытие с внутренними наклонными стенками
До укрытия с наветренной стороны
1 82 23
5 56 20
За укрытием с подветренной стороны
1 186 25
5 108 21
10 91 20
15 62 20
20 52 20
Испытания выполнялись путем замены исследуемых укрытий. На узле загрузки транспортера осуществлялся постоянный контроль фоновой запыленности, среднее значение которой составляло 20 мг/м3, Необходимые замеры запыленности воздуха проводились при устойчивой средней скорости воздуха, поступающего через неплотности в месте выхода материала из укрытия, равной скорости ленты транспортера,
Результаты исследования запыленности воздуха показали, что применение укрытия с внутренними наклонными стенками обеспечивает снижение содержания пыли в воздухе зоны укрытия до предельно допустимых концентраций.
Измерениями разрежения по периметру основания укрытий установлено следующее. При одном и том же режиме работы в укрытии с внутренними наклонными стенками разрежение по периметру основания значительно выше, чем в укрытии с одинарными стенками. При этом разрежение имеет незначительные перепады,
Кроме аэродинамических характеристик были определены концентрация и дисперсный состав пыли в аспирируемом из укрытий воздухе. Сравнительные испытания при одном и том же режиме укрытий показали, что концентрация пыли в воздухе, аспирируемом из укрытий с внутренними наклонными стенками, выше, чем в воздухе из укрытий с одинарными стенками. Дисперсный состав при этом существенно не изменился.
Производственные испытания подтвердили улучшенные конструктивные и технологические качества укрытий с внутренними наклонными стенками по сравнению с укрытиями других типов, Кроме того, эти укрытия отвечают технологическим особенностям производства щебня, где пыль не только является производственной вредностью, но и значительно ухудшает качество щебня по содержанию в нем пылевидных частиц. Укрытия имеют уменьшенные конструктивные размеры, просты и удобны в эксплуатации, монтируются на узлах загрузки без изменения конструктивных схем установки транспортеров. Многолетний опыт применения таких укрытий на ряде предприятий Восточной Сибири подтвердил их эффективность при перегрузках мелко- и среднезернистых материалов.
