Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы инерционной сепарации 12
1.1. Обзор и сравнительная оценка существующих способов инерционной сепарации пыли 12
1.1.1 Оседание аэрозолей под действием силы тяжести -.12
1.1.2 Инерционная сепарация аэрозольных частиц 13
1.1.3 Диффузное осаждение частиц 21
1.2. Инерционные сепараторы 22
1.2.1 Гравитационные камеры. 23
1.2.2 Циклоны 27
1.2.3 Вихревые пылеуловители 35
2. Вычисление турбулентных пульсаций скорости при помощи различных моделей турбулентности 50
2.1. Модель пути смешивания Прандтля 50
2.2. Модель с уравнением энергии 52
2.3. Модель с двумя уравнениями переноса (К-Є) 55
2.4. Модель А.Н. Секундова 60
2.5. Уровень турбулентности в вихревых сепараторах 62
3. Расчет турбулентного поля скоростей в вихревом пылеуловителе -69
3.1. Структура и типы течений потоков, возникающих в вихревых сепараторах. 69
3.2. Математическое моделирование аэродинамики двухмерного турбулентного воздушного потока с применением методики А.Н. Секундова 78
3.3. Математическое моделирование аэродинамики трехмерного закрученного турбулентного потока. 81
4. Пылевая частица в турбулентном поле 91
4.1. Вычисление коэффициента диффузии пыли в турбулентном поле 91
4.2. Вычисление распределения пыли в вихревом пыле очистителе с помощью континуальной модели.. 96
5. Гашение турбулентности и рост эффективности сепарации 99
5.1. Математическая модель гашения турбулентности при помощи вязкоупругих гасителей 99
5.1.1. Первая математическая модель гасителя турбулентности 99
5.1.2. Вторая математическая модель гасителя турбулентности...107
5.1.3. Третья математическая модель гасителя турбулентности .109
5.2. Натурные эксперименты по гашению турбулентности с помощью упругих пленок - 118
5.3. Повышение эффективности пылеудаления в вихревых сепараторах с помощью гасителей турбулентности ..122
Общие выводы и рекомендации 132
Список литературы 133
Приложения 139
- Инерционная сепарация аэрозольных частиц
- Уровень турбулентности в вихревых сепараторах
- Математическое моделирование аэродинамики двухмерного турбулентного воздушного потока с применением методики А.Н. Секундова
- Вычисление распределения пыли в вихревом пыле очистителе с помощью континуальной модели..
Введение к работе
Рост объема производства и его интенсификация, несмотря на усовершенствование технологии и техники очистки воздушных выбросов, повлекли за собой увеличение общей массы вредных веществ, вносимых в атмосферу.
Обеспыливание производится с целью защиты атмосферы от загрязнения пылью, содержащейся в воздушных выбросах предприятий, или для предотвращения загрязнения воздуха в помещениях пылью, содержащейся в атмосфере. И в том, и в другом случае вопросы обеспыливания воздуха тесно связаны с состоянием воздушного бассейна населенных пунктов, которое со своей стороны в значительной мере определяется уровнем очистки выбросов.
Объем отдельных вентиляционных выбросов и содержание пыли в них, как правило, невелики. Выбросы обычно производятся в течение неполных суток с перерывами и переменной интенсивностью, но из-за небольшой высотой расположения над землей, большого суммарного объема и, как правило, плохой очистки они сильно загрязняют приземной слой атмосферы [43].
Общее количество взвешенных частиц, поступающих в атмосферу в результате многообразной деятельности человека, по данным экспертов Европейской экономической комиссии, ставится соизмеримым с количеством загрязнений естественного происхождения [48]. Так пыль естественного происхождения (выветривание почв и горных пород, лесные пожары, вулканическая пыль и др.) составляет 1850 млн. тонн в год, а пыль, образующаяся в результате деятельности человека (выветривание почв в результате их использования в сельском хозяйстве, сжигание отходов, выбросы промышленных предприятий и транспорта) составляет 760 млн. тонн в год. Как видно из этих данных, загрязнения атмосферы, связанные с деятельностью человека, превышает 40 % загрязнения естественного происхождения. Ясно, что такое соотношение нарушает установившееся в природе равновесие и способно вызвать определенные экологические сдвиги. Человеческая активность меняет характер окружающей среды, причем в большинстве случаев, эти изменения оказывают негативное влияние на человека.
Например, многие технологии текстильной промышленности связаны с пылевыделением. Так, все процессы обработки льняного волокна сопровождаются выделением пыли, коротких волокон и костры, Многочисленные исследования показывают, что весовая концентрация, качественный и дисперсный состав пыли в различных цехах колеблется в широких пределах в зависимости от технологического процесса, состояния оборудования, характера производственных операций, состояния технических мер борьбы с пылью.
Запыленность воздуха в рабочей зоне резко ухудшает условия труда рабочих, снижает их работоспособность, увеличивает утомляемость. При длительном воздействии пыли, образующейся в процессе переработки низкосортного льна, происходят изменения бронхиально-легочного аппарата в виде хронического бронхита, эмфиземы легких и умеренно выраженного пневмосклероза. Пыль, действуя на верхние дыхательные пути, снижает их защитные функции, может явиться фактором, предрасполагающим к развитию других заболеваний, в частности острых катаров верхних дыхательных путей.
В состав льняной пыли входят разнообразные микроорганизмы, грибки и другие примеси. В приготовительно-прядельном производстве микробное содержание составляет 119560-246200 колоний в одном кубическом метре воздуха. Бактериальная загрязненность находится в прямой зависимости от концентрации пыли в воздухе [73].
Борьба с пылью в текстильной промышленности имеет большое социальное значение, так как около 72 % всех рабочих на текстильных предприятиях составляют женщины. Неблагоприятные условия труда вызывают текучесть кадров и создают трудности в подборе рабочей силы, что в свою очередь отрицательно влияет на производительность труда. Улучшение санитарно-гигиенического состояния воздушной среды на текстильных предприятиях имеет большое экономическое значение [73].
Пыль оказывает вредное воздействие на технологическое оборудование. Пыль загрязняет рабочие органы машин, что приводит к их преждевременному износу, а также к разладке и снижению точности работы оборудования. Повышенная запыленность воздуха на текстильных предприятиях представляет опасность в пожарном отношении.
Одно из главных современных практических направлений деятельности экологии: создание таких технологий, которые в наименьшей степени влияют на окружающую среду, в частности находить способы более эффективной очистки производственных выбросов.
Выше изложенное позволяет сделать вывод, что борьба с пылью имеет гигиеническое, экономическое и социальное значение.
Актуальность темы исследований. Поиск новых способов очистки воздуха от пыли является актуальным направлением науки. Применяемое в этом процессе оборудование отличается:
- крупными габаритами;
- большими энергетическими затратами;
- невысокой эффективностью.
Похожие технологии применяются и при фракционном разделении порошков в промышленностях (химической, фармацевтической, цементной и т.п.).
Одним из путей повышения эффективности очистки воздуха является снижение турбулентности воздушных потоков, подаваемых на сепарацию. Вопросами гашения турбулентных пульсаций занимаются ученые, занятые разработкой и исследованием сложных систем в самолето-, ракето- и кораблестроении. Но все они касаются других скоростей движения сплошных сред и размера объектов. Технологии по гашению турбулентности, применяемые в этих отраслях, к очистке воздуха от пыли мало подходят. Так как перечисленные производства, использующие очистные сооружения, отличаются крупнотанажностью, то в случае улучшения любого из выше названных показателей, выгода в целом может оказаться значительной.
Цели и задачи исследования. Целью исследования является:
• обоснование и получение более современных математических моделей и соотношений для расчета и прогнозирования эффективности работы вихревых сепараторов;
• определение уровня гашения турбулентности с помощью вязкоупругих покрытий, расположенных в потоке;
• оценка повышения эффективности сепаратора, использующего гасители турбулентности, и сокращения затрат энергии на сепарацию.
Для достижения поставленных целей ставятся и решаются следующие задачи:
• обосновывается и проводится расчет диффузии пылевых частиц в турбулентном поле;
• обосновывается получение математической модели движения пыли в установившейся аэродинамической среде вихревого сепаратора;
• рассматривается влияние турбулентности на сепарацию пыли в вихревых пылеуловителях;
• решается задача гашения турбулентности в вихревых сепараторах при помощи вязкоупругих пленок;
• выводятся аналитические соотношения для расчета повышения эффективности сепараторов в результате гашения турбулентности;
• оценивается увеличение эффективности сепарации от использования вязкоупругих гасителей.
Методы исследования. В работе использовались основные положения прикладной математики, специальные функции, численные методы решения неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка, основные положения и формулы из механики сплошных сред.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на разработанной нами установке с использованием современной измерительной аппаратуры и специальных устройств. Обработка результатов эксперимента выполнена с применением методов математической статистики и прикладных программ на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
произведен расчет диффузии пылевых частиц в турбулентном поле;
получена новая математическая модель движения пыли в вихревом сепараторе;
оценено влияние турбулентности на эффективность пылеотделения в вихревых сепараторах;
найден способ гашения турбулентности при помощи вязкоупругих покрытий и пленок;
построено три математических модели для определения гашения турбулентности при различных технологических показателях гасителя;
установлено повышение эффективности сепараторов пыли с помощью гасителей турбулентности.
Практическая значимость работы. Выведенные на основе полученных математических моделей аналитические соотношения по определению эффективности пылеулавливания и разработанное программное обеспечение позволяют получить близкие к фактическим расчетные показатели.
Практическое применение основных теоретических результатов данной работы позволяет увеличить эффективность сепарации и сократить затраты энергии. Поэтому основные положения диссертационной работы рекомендуется использовать сотрудникам научно-исследовательских организаций и КБ, затшающихся вопросами сепарации, а также в учебном процессе вузов.
В настоящее время результаты работы и методы расчета, предложенные в ней, используются студентами специальности 330500 «Безопасность технологических процессов и производств» при дипломном проектировании.
Апробация работы. Материалы по теме диссертации доложены и
получили положительную оценку на следующих конференциях:
- Межвузовской научно-технической конференции аспирата «апипров
и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Иваново - 2000);
Межвузовской научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Иваново — 2000);
Межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва - 2000);
IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза — 2001);
- Межвузовских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов (Кострома - 2000, 2001);
II Международный симпозиум «Математическое моделирование экологических процессов» (Иваново - 2000) традиционных научно-методических конференциях кафедры безопасности жизнедеятельности Ивановской государственной текстильной академии в 2000-2004 гг.
Содержание представленных докладов опубликовано в сборниках и тезисах вышеперечисленных конференций. Публикации, Основные результаты выполненных исследований опубликованы в следующих статьях:
Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н. Оценка эффективности аэродинамического гравитационного сепаратора с учетом турбулентности воздушного потока. // Тез. докл. Межвуз. научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности». Иваново, 2000.
Балуев Э.Ф., Егорова Н.Е., Ларионов В.А., Ясинский Ф.Н. Математическое моделирование процессов в центробежном сепараторе. // Сб. докл. Междун. научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности». Иваново, 2000.
Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н. Учет турбулентности воздушного потока при оценке эффективности аэродинамического гравитационного сепаратора. // Тез. докл. Межвуз. научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности». Ч. №1. Москва, 2000.
Егорова Н.Е., Егоров С.А., Ясинский Ф.Н. Оценка эффективности центробежного сепаратора с учетом турбулентности воздушного потока. // Сб. материалов IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». Ч. №1. Пенза, 2001.
Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н. «Математическое моделирование рассеивания пыли в турбулентном воздушном потоке». // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2002 № 2.
Егорова Н.Е., Ясинский Ф.Н., Сидоров СТ. «Математическая модель гашения турбулентности при помощи вязкоупругих пленок». // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2003 № 3.
Yegorova N.YE., Smirnov A.N., Yasmsky F.N. «To the problem of reducing the turbulence level using viscoelastic films» II Re vista Romana de Textile -Pielarie (ISSN: 1454-5424), Iasi, 2004.
Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 2655. «МАТП» (Моделирование аэродинамики турбулентных потоков). Авторы: Ясинский Ф.Н., Егорова Н.Е. Зарегистрировано 3 июня 2003 года.
Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3167. «ММГТ» (Математическое моделирование гашения турбулентности). Авторы: Ясинский Ф.Н., Егорова Н.Е. Зарегистрировано 10 февраля 2004 года.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, обобщенных выводов и рекомендаций. Список литературы включает 84 источника. Работа содержит 137 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 3 таблицы и II приложений, содержащих тексты программ для ЭВМ. Общий объем составляет 190 страниц.
Инерционная сепарация аэрозольных частиц
В прямолинейных потоках инерционные эффекты проявляются при обтекании препятствий. Инерционное осаждение в данном случае обуслав ливается искривлением линий тока воздуха при обтекании препятствий.
Под влиянием инерции траектории частиц искривляются в меньшей мере и Перес тают совпадать с линиями тока, вследствие чего некоторые частицы соуда ряются с препятствиями и, при определенных условиях, осаждаются на них. Эффективность инерционного осаждения Est определяется отношением числа частиц, соударяющихся с препятствием, к числу частиц, которые пересекли бы контур препятствия, если бы последнее не отклоняло течения, или, что то же, отношением площади сечения набегающего потока, из которого устанавливаются все частицы, к площади проекции препятствия в направлении потока (рис. 1.1 а) где Ry — расстояние от оси течения до траектории тех частиц в удалении от препятствия, центр которых при их движении касается цилиндра. Для определения / необходимо решить уравнение движения частицы. Движение частицы вблизи препятствия при отсутствии внешних сил описывается уравнением: где v - абсолютная скорость прямолинейного движения частицы, w - средняя скорость потока на пути частицы (без учета распределения скоростей вокруг частицы). Осаждение было рассчитано Р.Брауном и представлено как функция числа Стокса. где Ода - скорость невозмущенного потока, набегающего на препятствие / - характерный размер препятствия (в случае цилиндра l=R), ра - плотность аэрозольной частицы.
Установлено, что для различных видов обтекаемых препятствий существует такое критическое значение St что при SP St , частицы рано или поздно осаждаются на пластинке, а при St St они достигают этой пластинки только за бесконечно большое время. А так как за это время частицы относятся на бесконечно большое расстояние, это условие означает, что такие частицы вообще не осаждаются на пластинке. Физически это явление объясняется торможением потока, несущего частицы, вблизи передней критической точки обтекания — точки застоя. Движение частиц малого размера при этом настолько замедляется, что они теряют инерцию и под влиянием поперечных составляющих скорости потока сносятся параллельно пластинке, не достигая ее поверхности. По форме обтекаемого препятствия можно определить значение St а по нему минимальный размер частиц dmim оседающих на препятствии [38]: Чем больше Stsp, тем хуже происходит инерционное осаждение мелких частиц при прочих равных условиях. Меньшими значениями St характеризуются тела более обтекаемой формы. Частицы улавливаются тем лучше, чем больше их плотность и скорость потока и меньше линейные размеры препятствия.
Осаждение частиц на препятствии происходит не только при пересечении ее контура траекторией центра частицы, но и тогда, когда частица коснется препятствия. Этот «эффект зацепления» существенно увеличивает эффективность при осаждении на очень тонких волокнах и других препятствиях в случаях, когда размеры частицы соизмеримы с размером препятствия. В высокоэффективных воздушных фильтрах диаметр волокон часто имеет величину одного порядка с размером аэрозольных частиц. В этом случае отклонение траектории частиц при обтекании волокон весьма мало. Очевидно, что таким фильтрам должна быть свойственна очень большая эффективность. С другой стороны, если размер частиц намного меньше диаметра волокон, эффектом зацепления можно пренебречь. Инерционная сепарация пыля в криволинейных потоках. Инерция пылевых частиц, взвешенных в воздушных потоках, проявляется при любых изменениях скорости потока. В техники обеспыливания широко используется инерционная сепарация, происходящая при длительном искривлении потоков. Увеличивая время воздействия сил инерции, оказывается возможным добиться сепарации к наружным границам потока сравнительно мелких частиц. Наиболее известным обеспыливающим устройством такого рода является циклон.
Уровень турбулентности в вихревых сепараторах
Локальные и интегральные характеристики течений в вихревых аппаратах, имеющие важное значение для понимания и эффективной организации процесса очистки газа в них, получены в работах [8, 50, 55, 62, 71, 80] по экспериментальным полям скоростей, измеренным пневматическими, термическими и лазерными измерителями скорости.
Подробное диагностирование полей скоростей и турбулентности методом лазерной доплеровскои анемометрии (ЛДА) в вихревом пылеуловителе, показанном на рис. 2J, описано в работе [62]. Были измерены компоненты осредненной скорости и их турбулентные пульсации во всем объеме сепарационной камеры при разных значениях кратности расхода. Профили тангенциальной скорости V9 в различных сечениях по высоте z/H сепарационной зоны (рис. 2.2) имеют хорошо выраженные области квазитвердого и потенциального вращения газа. Отмечается смещение поверхности максимумов V9 к периферии при увеличении кратности расхода. Эта поверхность практически цилиндрическая.
По характеру полей осевой скорости Vz, показанных на рис. 2.3, видно, что в данном аппарате при кратностях расхода к 0,65 реализуется третий тип течения. У стенки по всей высоте аппарата существует нисходящий поток с постепенно уменьшающейся Vp В приосевой области восходящий поток газа разгоняется. Граница между этими потоками, где Vz = 0, почти цилиндрическая, примерно равная диаметру выхлопной трубы. При уменьшении кратности расхода в направлении нижнего завихрителя граница расширяется, а при переходе течения к четвертому типу она выходит на стенку в месте слияния первичного и вторичного потоков. При малом значении кратности над завихрителем первичного потока формируется обратное течение в тороидальном вихре.
Для измерения радиальной компоненты скорости методом ЛДА разработан специальный способ [5] с использованием дополнительного лазера.
Графики полей Vr показаны на рис. 2.4. За положительное направление Vr. принято направление от оси к стенке. Поля Vr в верхней половине сепарационнои камеры для всех исследованных значений кратности подобны, осесимметричны и имеют в приосевой области минимум. В нижней части камеры у нижнего завихрителя на поле Vr есть область положительных значений V,- Эта область увеличивается с уменьшением кратности расхода. На рис. 2.7, а приведены экспериментальные данные [62] по степени турбулентности тангенциальной скорости в аппарате. Наибольшие интенсивность -Шф) (до 5 м/с) и степень турбулентности ]\УрУ /V (до30%) наблюдались в приосевой области. В области 0,3 r/R 0,8 эти параметры менялись мало. Некоторое увеличение степени турбулентности тангенциальной скорости происходило при приближении зондируемой точки к стенке (наименьшее расстояние составляло 2 мм). Мало меняется 4у } fV и по высоте аппарата, за исключением крайних сечений вблизи завихрителей, где сказываются концевые неоднородности.
Интенсивности пульсаций -у (Kzj и степень турбулентности -yy zj JV осевой скорости находились в основном в пределах 1,5-5 м/с и 10-30 % соответственно (рис. 2.5, б). Характер изменения интенсивности и степени турбулентности осевой скорости по сечению аппарата подобен установленному для тангенциальной скорости. Также наблюдается максимум турбулентности в приосевой зоне и слабое ее изменение в основном объеме сепарационнои камеры.
Значения степени турбулентности радиальной компоненты скорости \\г) г лежат в основном в пределах 10-25% (рис. 2.5, в), что в среднем ниже степени турбулентности в тангенциальном и осевом направлении. В целом можно сказать, что интенсивность турбулентности уменьшается от оси к стенке камеры. Вне граничных областей она практически изотропна. Кратность расхода слабо влияет на степень турбулентности. Интенсивность и степень турбулентности и ВЗП имеют тот же порядок, что и в циклоне [81].
Математическое моделирование аэродинамики двухмерного турбулентного воздушного потока с применением методики А.Н. Секундова
В область стока на отбойной шайбе вторичного потока подается закрученный в ту же сторону первичный поток газа. Этот поток вместе с присоединенным к нему вторичным потоком образует в приосевой области камеры восходящее вихревое ядро, уходящее в выхлопную трубу. Данный тип течения наиболее благоприятен для процесса пылеулавливания в таком аппарате. При этом опускающийся вторичный поток выполняет свою основную роль - эвакуацию отсепарированных к стенке частиц в бункерную часть аппарата. Путем соответствующего подбора крутки и расходов первичного и вторичного потоков, относительной высоты сепарационной камеры, диаметров подвода первичного потока и выхлопной трубы можно управлять локальными структурными особенностями такого течения и интенсивностью процесса пылеулавливания.
При определенных соотношениях указанных параметров, например при слишком больших расходе и степени крутки первичного потока, в аппарате возникает четвертый тип течения (рис. 3.4). Выходящий из нижнего завихрителя закрученный поток газа расширяется до стенки сепарационной камеры и движется вдоль нее до места встречи с опускающимся вторичным потоком. В этом месте происходит отрыв восходящего потока от стенки и присоединение к нему вторичного потока. Расположение места отрыва зависит от кратности расхода и может ею регулироваться. Направленность в это место аэродинамических и центробежных сил. Действующих на частицы, приводит к скоплению частиц в нем в виде пылевого вращающегося кольца При стационарном режиме пылевое кольцо имеет устойчивое положение и определенную удерживающую способность, которые зависят от расхода и его кратности, дисперсности частиц и их плотности. Происходит непрерывное поступление все новых порций частиц в кольцо и выход из него такого же их количества в разных направлениях. В этом случае в бункерную часть аппарата попадают наиболее крупные частицы и их агрегаты, способные преодолеть восходящий первичный поток газа. Поэтому такой тип течения (режим "кольца") для процесса пылеулавливания неприемлем.
Однако он эффективен для проведения в вихревом аппарате классификации, сушки, грануляции, сжигания и некоторых других тепломассообменных и гидромеханических процессов.
В одном и том же вихревом аппарате путем регулирования кратности расхода газа в пределах от 0 до 1 могут быть реализованы все четыре типа течений. Вихревой пылеуловитель должен быть спроектирован так, чтобы при полностью открытых шиберах в подводящих газоходах первичного и вторичного потоков в нем реализовывался третий тип течения.
Как отмечалось выше, возникновение четвертого типа течения происходит при определенном соотношении конструктивных и режимных параметров. Этому способствует увеличение степени крутки, расхода первичного потока, относительного диаметра его ввода, высоты сепарационной камеры. Существованию третьего типа течения способствуют увеличение степени крутки, входной скорости и расхода вторичного потока.
Для заданного ряда геометрически подобных аппаратов условия смены типа течения могут быть установлены путем испытания представительной модели. С другой стороны, важно иметь возможность прогнозирования типа течения в аппарате новой конструкции на стадии его проектирования. С этой целью проводились исследования на модели пылеуловителя ВЗП, в которой, меняя завихрители (в разном сочетании), изменяя относительную высоту сепарационной камеры, расход воздуха и его кратность, наблюдались разные типы течения.
В качестве вихревого сепаратора рассмотрим устройство, изображенное на рис. 3.5. Сепаратор представляет собой вертикально расположенную трубу. Очищаемый первичный воздух подают в устройство через верхний ввод, также сверху через тангенциальные сопла под повышенным давлением отдельным вентилятором подают чистый вторичный воздух. В качестве вторичного можно использовать и очищаемый газ. Количество этих сопел может быть различным. Чем их больше, тем лучше и однороднее процесс закручивания воздушного потока, но конструктивно такое устройство сложнее. Если сопло только одно, то закручивание потока происходит неравномерно.
Центробежная сепарация пыли осуществляется из первичного закрученного потока, осевое направление движения которого в аппарате не меняется. То есть по мере продвижения воздушного потока по трубе пыль концентрируется у стенок аппарата, а чистый воздух располагается в центре. Внизу запыленный воздух выводится через престеночный пылеотвод в бункер, а чистый воздух выходит через центральный вывод.
Распределение концентрации пыли по поперечным сечениям устройства можно представить графиком на рис. 3.6. Как видно из рисунка распределение пыли в потоке воздуха при входе в сепаратор однородное, но по мере того, как поток достигает дна устройства пыль начинает концентрироваться вблизи стенок устройства, а в центре ее концентрация становится близкой к нулю.
Вычисление распределения пыли в вихревом пыле очистителе с помощью континуальной модели..
Турбулентные воздушные потоки, возникающие в процессе очистки воздуха от пыли, отрицательно влияют на эффективность работы сепаратора. Из-за того, что турбулентные пульсации носят случайный характер, очень сложно заранее предсказать точное месторасположение пылинки в сепараторе, и тем самым предугадать уловится она или нет. Способом гашения турбулентности является, например, уменьшение скорости подачи запыленного воздуха в сепаратор. Так как с возрастанием скорости ламинарное движение теряет свою устойчивость; при этом любые случайные малые возмущения, которые вначале вызывали лишь малые колебания вокруг устойчивого ламинарного движения, начинают быстро развиваться и приводят к турбулентному движению. Минусом такого способа гашения турбулентности является малая пропускная способность сепаратора, а значит большие потери во времени. Малый уровень турбулентных пульсаций частично достигается предотвращением отрывов потока на поворотах и в расширениях проточной части аэротрубы, а также путем создания схемы, работающей на свободное всасывание практически не возмущенного потока из очень большого помещения, объем которого значительно превосходит объем проточных частей установки. Частичное гашение турбулентности также можно достичь при установке специальных детурбулизирующих устройств (сеток). Согласно [63], затухание турбулентности описывается выражением: где «о и м2 — интенсивность турбулентных пульсаций соответственно в точках хо и х; L0- интегральный масштаб турбулентности, пропорциональный размеру Ы ячеек детурбулизирующих сеток; иср - средняя скорость потока. Таким образом, чем мельче детурбулизирующие сетки, тем минимальнее возможный масштаб турбулентности после системы детурбулизации. Низкую степень турбулентности также обеспечивают большие расстояния х-хо от детурбулизирующих сеток до рабочего участка; при этом средняя скорость Ucp на этом расстоянии должна быть минимальной, что достигается созданием достаточно длинных форкамер, имеющих большие поперечные сечения. Для гашения турбулентных пульсаций воздуха предлагается обтянуть внутренние стенки центробежного сепаратора упругой вязкой оболочкой.
Турбулентный вихрь, натыкаясь на твердую неупругую стенку, отражается от нее, но при этом теряет очень незначительное количество энергии, то есть гашения турбулентности не происходит. Напротив, сталкиваясь с упругой вязкой стенкой, вихрь отражается от нее с гораздо меньшей скоростью, то есть происходит гашение пульсаций воздуха. Для более эффективного гашения турбулентности необходимо правильно подобрать технологические параметры гасителя (упругость, вязкость, масса и др.) Дня моделирования турбулентности воздуха используем колебания струны. Будем считать, что чем больше максимальное отклонение струны от положения равновесия, тем больше сила пульсаций воздуха, и наоборот, чем меньше максимальное отклонение струны, тем меньше энергия турбулентных пульсаций. Уравнение колебания струны выглядит следующим образом:
Гасителем служит некоторое цилиндрическое тело массой т, к которому с одной стороны жестко прикреплена струна, а с другой стороны цилиндр упруго прикреплен к стенке. Из-за колебания струны цилиндр может передвигаться по вертикальному штырю. Так как гаситель обладает массой, вязкостью и упругостью, он препятствует колебаниям струны, и те постепенно затухают. Уравнение, описывающее движение гасителя, предлагается взять в следующем виде: где у - отклонение гасителя от положения равновесия, т - масса гасителя, С} - упругость, /4 - коэффициент, пропорциональный вязкости, F— сила, действующая со стороны струны. Если бы струна отсутствовала, то сила F равнялась бы нулю, и рассматриваемое уравнение (5.2) приняло бы вид: Это уравнение, описывающее свободное движение гасителя, имеет аналитическое решение. Если обозначить - - = ». — 2Ь получим Как видно из рисунка, при отсутствии струны колебания гасителя со временем быстро затухают.
