Содержание к диссертации
Введение
1. Условия труда на предприятиях по переработке сыпучих рудных и нерудных материалов 17
1.1. Высокая запыленность воздуха - основной неблагоприятный производственный фактор 17
1.2. Источники выделения пыли в производственные помещения 26
1.3. Анализ научно-технического уровня существующих средств локализации пылевыделений 37
1.4. Краткие выводы .42
2. Анализ закономерностей формирования и развития запыленных воздушных потоков 45
2.1. Динамическое взаимодействие падающего сыпучего материала и воздуха в закрытых желобах 45
2.1.1. Теоретический анализ процесса 46
2.1.2. Определение средней скорости движения частиц материала 53
2.1.3. Аэродинамическая характеристика потока сыпучего материала 55
2.1.4. Основы расчета скорости и расхода воздушного потока 69
2.2. Динамическое взаимодействие воздуха и свободно падающего сыпучего материала в неограниченном пространстве 72
2.2.1. Теоретический анализ процесса 72
2.2.2. Экспериментальное определение взаимосвязи параметров потоков воздуха и сыпучего материала .78
2.2.3. Основы расчета скорости и расхода воздуха в потоке 88
2.3. Основы расчета параметров воздушных потоков в перегрузочных узлах промышленных объектов 90
2.3.1. Влияние направления движения материала на рассматриваемый процесс з Стр.
2.3.2. Расчет аэродинамических показателей перегрузочного узла как участка аспирационной сети .97
2.3.3. Аэродинамические характеристики укрытий загрузки ленточных конвейеров 107
2 4. Краткие выводы 115
3. Основы усовершенствования локализующих устройств .117
3.1. Оптимизация конструкций укрытий перегрузочных узлов конвейерного транспорта 117
3.1.1. Пути повышения эффективности и экономичности укрытий коробчатого типа .118
3.1.2. Снижение расхода аспирационного воздуха в двойных укрытиях 126
3.1.3. Комбинированные укрытия как наиболее компактные и надежные 132
3.1.4. Оценка эффективности и экономичности новых конструкций укрытий. 141
3.2. Обеспыливание процессов погрузки сыпучих материалов в емкости 144
3.2.1. Локализация пылевыделений от протяженных источников 145
3.2.2. Пути использования энергии потоков при организации рациональных воздухообменов в местах загрузки емкостей 15 5
3.3. Аспирация подвижного оборудования 165
3.3.1. Дисковое соединение аспирационных патрубков 165
3.3.2. Подвижные аспирационные устройства 172
3.4. Краткие выводы 176
4. Основы расчета аспирационных сетей с безосадительными коллекторами .178
4.1 Скоростные безосадительные коллекторы 178
4.1.1 Теоретическое обоснование конструкции 178 Стр.
4.1.2 Экспериментальное определение аэродинамических
характеристик 180
4.1.3. Результаты производственных исследований 193
4.1.4. Основы расчета и конструирования аспирационных систем со скоростными коллекторами 197
4.2 Вихревые безосадительные коллекторы 203
4.2.1. Обоснование конструкции 203
4.2.2. Аэродинамические характеристики вихревых коллекторов 209
4.2.3. Основы расчета аспирационной сети с коллектором вихревого типа 215
4.2.4. Результаты производственных исследований 218
4.3 Краткие выводы 222
5. Разработка нормативно-методической и технической документации, практическое использование результатов работы 224
Заключение 231
Список использованных источников
- Источники выделения пыли в производственные помещения
- Определение средней скорости движения частиц материала
- Аэродинамические характеристики укрытий загрузки ленточных конвейеров
- Пути использования энергии потоков при организации рациональных воздухообменов в местах загрузки емкостей
Введение к работе
Актуальность работы. По данным Всеобщей Конфедерации 'рофсоюзов в Российской Федерации в целом по промышленности до-я работников, занятых в неблагоприятных условиях труда, возросла с 7,8 % (1990 г.) до 21,2% (1996 г.). Службы Санэпиднадзора отмечают габильно высокий уровень загрязнения воздуха рабочей зоны в пер-^'ю очередь пылью. В структуре хронических профзаболеваний преоб-здают заболевания органов дыхания
Среди неблагополучных по состоянию воздушной среды пред-риятий особое место занимают производства, связанные с получени-vi, использованием, переработкой, транспортировкой сыпучих пыля-(их материалов. Запыленность воздуха на рабочих местах этих произ-эдств, как правило, многократно превышает допустимые пределы, "аиболее высокие концентрации пыли наблюдаются на производст-гнных участках, где технологией предусмотрены погрузо-азгрузочные операции. Большое количество таких участков имеется а предприятиях стройматериалов, угольной и металлургической про-ышленности, тяжелого и энергетического машиностроения, энергети-и, предприятий по производству минеральных удобрений и многих ругих. Анализ условий труда на предприятиях по переработке мине-ального сырья, выполненный Научно-исследовательским институтом храны труда в г. Екатеринбурге, показал, что содержание пыли в воз-ухе рабочей зоны на участках перегрузки сыпучих материалов, как равило, в 2 - 3 раза превышает предельно допустимые концентрации ТДК). Нередки случаи превышения ПДК в 10 и более раз. При этом :е перегрузочные узлы были оснащены средствами локализации и пы-еудаления.
Актуальность проблемы повышения эффективности локализации удаления запыленного воздуха на предприятиях, имеющих техноло-лческие участки перегрузки сыпучих материалов, подтверждается ключением работ данного направления в Программы ГКНТ СССР и ЦСПС по решению научно-технической Проблемы 0.74.08 на 1981 -985 г.г. (Задание 05.06 "Разработать и внедрить новые технические ешения по локализации и удалению вредных веществ, в том числе с астичной компенсацией удаленного воздуха необработанным"), Про-лемы 0.74.08 на 1986 - 1990 г.г. (Задание 05.01.д "Разработать и вне-рить комплекс мероприятий по повышению индустриальнссти, на-ежности и снижению металлоемкости систем: - вентиляции произвол-
ственных помещений; - кондиционирования воздуха"), а также в задание 22.28 "Создать и освоить выпуск комплектных технических средств по борьбе с пылью и шумом для дробильно-измельчительного оборудования" Единого плана проведения фундаментальных и прикладных исследований, опытно-конструкторских и технологических работ по созданию высокоэффективных видов техники, технологии и материалов МНТК "Механобр" на 1986-1990г.г., утверждённое постановлением ГКНТ СССР от 14 августа 1986г. № 337. Диссертация базируется на совокупности указанных работ, а также на работах, выполненных позднее на основе результатов вышеупомянутого анализа условий труда.
Таким образом, повышение эффективности средств борьбы с пылью на участках перегрузки сыпучих материалов промышленных предприятий является проблемой, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение.
Цель работы: в развитие научных основ повышения эффективности средств борьбы с пылью на участках перегрузки сыпучих материалов изыскать пути усовершенствования способов расчета и конструктивных решений средств локализации и пылеудаления промышленных аспирационных систем.
Основные задачи работы:
1) создать способы расчета аэродинамических параметров пыле-
воздушных потоков, которые образуются в составе аэродисперсных
систем, движущихся под действием гравитационных сил и аспираци
онных отсосов в перегрузочных узлах;
2) изыскать пути усовершенствования конструкций локализу
ющих устройств посредством использования аэродинамических
свойств запыленных воздушных потоков для снижения интенстивности
процессов пылевыделения;
3) разработать способы расчета минимальных и достаточных рас
ходов аспирационного воздуха для обеспечения устойчивых процессов
обеспыливания перегрузочных узлов, рассматриваемых в качестве уча
стков аспирационных сетей;
4) изыскать способы повышения гидравлической устойчивости
промышленных аспирационных систем с целью обеспечения стабиль
ных расходов воздуха в локализующих устройствах.
Идея работы: на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов движения аэродисперсных систем в перегрузочных узлах, используя аэродинамическую структуру потоков воздуха и методы подобия при моделировании этих процессов, разработать мето-
дологические основы расчета и конструирования промышленных аспи-рационных систем, включающих средства локализации и удаления пыли.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись основные методы гидродинамики с использованием уравнений Навье-Стокса, неразрывности, количества движения, уравнений динамики потоков воздуха и сыпучих материалов. Методическое обеспечение зкспериментаїьньгх исследований разрабатывалось в соответствии с основными положениями теории подобия с применением численных методов прикладной математики. При экспериментах применялись методы визуализации потоков воздуха и фотосъёмка.
Научные положения, представленные к защите.
-
Процессы движения аэродисперсных систем в перегрузочных узлах сыпучих материалов и аэродинамические параметры этих узлов обусловлены взаимодействием аспирируемого пылевоздушного потока и потока сыпучего материала как эжектора.
-
Взаимодействие вышеуказанных потоков определяется с одной стороны интегральной характеристикой сыпучего материала, а с другой - физическими параметрами пылевоздушной смеси.
-
При стесненном движении падающего сыпучего материала в закрытых желобах скорость воздуха, при которой наступает динамическое равновесие между тормозящим и эжектирующим действием этого материала, равна средней скорости движения его частиц.
-
Результирующая сил сопротивления и эжекции может быть представлена как сила сопротивления движению воздуха, которая может иметь как положительное, так и отрицательное значение.
-
При определении аэродинамических характеристик аспираци-онных систем укрытия перегрузочных узлов рассматриваются как их составляющие участки.
6. В качестве магистральных участков аспирационных систем
технологически оправдано и экономически выгодно использование
безосадительных коллекторов со сложным профилем изменения эпю
ры скоростей пылевоздушного потока.
Достоверность научных положении, выводов и рекомендаций обоснована:
- использованием апробированных методов исследований при
решении поставленных задач;
удовлетворительной сходимостью теоретических положений с результатами экспериментапьных исследований;
сопоставимостью и хорошей сходимостью результатов проверки параме-
тров локализующих и пылеудаляющих устройств с их расчетными значениями;
- стабильными положительными результатами внедрения разра
ботанных локализующих устройств и систем пылеудаления на пред
приятиях различных отраслей промышленности.
Научная новизна результатов исследований заключается в разра ботке единой методологической основы для расчета и усовершенство вания технических средств локализации и удаления запылённого возду ха, а также в создании новых локализующих устройств промышленньо аспирационных систем. В число новых научных результатов входят:
установленные автором закономерности формирования и разви тия запыленных воздушных потоков в емкостях и каналах сложної конфигурации, каковыми являются укрытия перегрузочных узлов аспи рационных систем;
теоретическая модель взаимодействия воздуха и сыпучего мате риала в вертикальном желобе;
теоретическая модель процесса взаимодействия сыпучего мате риала и воздуха в неограниченном пространстве;
совокупность зависимостей расхода эжектируемого воздуха с параметров потока сыпучего материала;
способ усреднения скорости движения частиц сыпучего мате риала в процессе динамического взаимодействия материала и пылевоз душной смеси;
математическая модель процесса протяженной аспирации прі постоянном динамическом давлении;
математическая модель процесса формирования и транспорта ровки аэродисперсных систем в вихревом коллекторе
- аэродинамические характеристики локализующих устройсті
промышленных аспирационных систем;
- способы компоновки и методы расчета аспирационных систем <
безосадительными коллекторами.
Личный вклад автора. Работа содержит результаты многолетни? исследований, выполненных лично автором, при непосредственно\ участии или под его руководством. Лично автором проведён комплекс исследований процесса динамического взаимодействия потоков сыпу чих материалов и воздуха в вертикальных желобах. При этом разрабо тапы теоретические предпосылки экспериментальных исследованш процесса, разработана методологическая база исследований аэродис персных систем с использованием основных положений теории подо бия, проведены обширные экспериментальные исследования, на основі
которых разработан способ расчета аэродинамических параметров процессов перегрузки сыпучих материалов по вертикальным желобам.
Под руководством автора диссертации проведены исследования эжекционных свойств свободно падающих потоков сыпучих материа-10в, исследование аэродинамических характеристик локализующих /стройств, коллекторных систем. В этой части исследований вклад автора заключается в разработке теоретических предпосылок, разработке л научном обосновании новых конструктивных решений и методических основ исследований, анатизе экспериментальных данных и обобщении результатов. В большинстве лабораторных и производственных жспериментальных исследований автор диссертации принимал непосредственное участие. Лично автором проведён анализ и научное обобщение комплекса многолетних исследований в рамках темы диссертации.
Практическая значимость. Разработанные способы расчета и /совершенствования средств локализации, на основе которых подготовлено 7 нормативно-технических документов, позволяют при проектировании новых и реконструкции существующих объектов создавать одежные, экономичные и эффективные системы коллективной защиты работающих от пыли на предприятиях, использующих или получаю-цих сыпучие материалы. Применение созданных в процессе работы технических средств локализации и удаления запыленного воздуха дает юзможность решить задачи обеспыливания производственных участ-сов, на которых эти задачи считались практически не решаемыми большое количество источников пылевыделений при низком коэффициенте одновременности работы оборудования, обеспыливание протя-кенных источников при стеснённых местных условиях и др.). На осно-!е результатов работы пройден важный этап на пути к созданию ком-шектных средств борьбы с пылью для наиболее широко распростра-іенного технологического оборудования. Разработанные основы усо-іершенствования локализующих устройств и систем открывают путь к юзданию новых высокоэффективных, экономичных и надёжных конструкций.
Реализация результатов работы.
Результаты работы в виде методических рекомендаций широко іспользовались в практике проектирования промышленных систем ас-шрации ведущими проектными организациями Минчермета и Мин-іветмета (Союзным, Уральским, Челябинским, Магнитогорским ГИ-ІРОМЕЗами; Механобром, г.Санкт-Петербург; ГИПРОКОКСом,
Уралмеханобром и др.), а также проектными отделами крупных предприятий металлургической промышленности при участии НИИ охраны труда (НТМК, ММК, Высокогорский ГОК и др.). Образцы локализирующих устройств внедрены на большом числе предприятий и дают существенные, экономический и социальный эффекты (Н.-Тагильский МК, Магнитогорский МК, Первоуральский динасовый завод, Перво-уральское РУ, Усть-Каменогорский СЦК, Высокогорский ГОК и многие другие). Результаты работы использованы при проектировании 42 промышленных аспирационных систем на 30 предприятиях. Внедрено 13 технических решений, из которых 2 подготовлены к серийному производству, 11 - к широкому внедрению в виде комплектов рабочих чертежей и технических заданий на разработку серийных изделий. Предприятия и организации, применившие результаты данной работы в своей деятельности, дали положительные оценки нормативно-техническим документам и подтвердили высокую оздоровительную и экономическую эффективность внедрения разработок.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции по борьбе с пылью и профилактике пневмокониозов на предприятиях угольной промышленности (г. Донецк, 1979), Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объёмов" (г. Кохтла-Ярве, 1983), семинаре "Обеспыливающая вентиляция" (г. Москва, МДНТП, 1984), Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы охраны труда в промышленности" (г. Ленинград, 1986), семинаре "Современные направления развития промышленной вентиляции" (г. Москва, МДНТП. 1986), научно-технической конференции "Защита окружающей среды и промышленных зданий от агрессивных производственных выбросов" (г. Свердловск, 1987), научно-технической конференции "Уралэколгия. Техноген-2000" (г. Екатеринбург, ДНТ, 2000) и других конференциях и семинарах.
Публикации. Научные положения и материалы диссертации опубликованы в 84 печатных работах, включая 15 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и 8 приложений. Работа изложена на 257 страницах, содержит ПО рисунков, 8 таблиц. Библиографический список состоит из 203 наименований.
Источники выделения пыли в производственные помещения
О состоянии условий труда на предприятиях, перерабатывающих сыпучие материалы, можно судить по результатам работы, выполненной под руководством автора диссертации во Всесоюзном научно-исследовательском институте охраны труда в рамках темы «Разработать предложения по совершенствованию охраны труда при переработке неорганического минерального сырья» /З/. В этой работе выполнен анализ состояния условий труда на тридцати пяти предприятиях пяти министерств.
Для проведения исследований были привлечены специалисты необходимого профиля с целью комплексной оценки условий труда на производственных участках. Сбор необходимых материалов производился путем визуального обследования объектов, бесед с обслуживающим персоналом и руководителями производственных участков (цехов, предприятий), изучения материалов, имеющихся в отделах охраны труда и технической безопасности, заводских лабораториях, СЭС (16 предприятий), а также с помощью анкетного опроса (19 предприятий). Полученного таким образом материала оказалось достаточно для того, чтобы выявить узкие места при решении задач охраны труда и определить направления, по которым необходимо вести работу для обеспечения безопасности работающих и достижения нормируемых условий труда.
Основными производственными процессами при переработке сыпучих материалов являются крупное, среднее и мелкое дробление, помол, грохочение, подача материалов конвейерами и питателями, погрузка в различные емкости и выгрузка из них, дозирование, классификация (сепарация), фильтрация, сушка и др. Конечными продуктами этих производств являются концентраты, шихта, порошки, щебень, песок и многое другое. С учетом пере численных производственных процессов, были обработаны материалы исследований путем группирования данных о состоянии условий труда на производственных участках и осреднения их за годичный период работы.
С целью обеспечения объективности оценки состояния условий труда, обусловленных современным уровнем технических средств защиты рабо тающих от вредных производственных факторов, для исследований выбраны предприятия, имеющие высокую культуру производства и применяющие весь комплекс средств коллективной защиты. ,,
Обобщенное представление о состоянии условий труда на обследованных предприятиях дает табл. 1.1. В ней приведены сведения о работающих в неблагоприятных условиях труда по основным вредным производственным факторам. Анализируя эти сведения приходим к выводу, что более половины среднесписочной численности работающих имеют неблагоприятные условия труда - в среднем по предприятиям 51,2 %. Причем на отдельных предприятиях это число превышает 60%. Исключение составляет ПО "Апатит", где технология производства имеет некоторую специфику. По отдельным вредным производственным факторам численность работающих в неблагоприятных условиях труда в процентах от среднесписочного составляет: - по шуму - 11,8 %; - по вибрации - 4,0.%; - по запыленности - 24,2 %; - по прочим факторам - 11,2%. Таким образом, преобладающим вредным производственным фактором является высокая запыленность воздуха - без малого четверть от среднесписочной численности работает в неблагоприятных условиях труда по пылевому фактору. Работа проводилась в 1988 - 1989 г.г., когда предприятия еще не находились под воздействием экономического спада Для того, чтобы более полно представить характер распределения рабочих мест с повышенной запыленностью воздуха по предприятиям, обратимся к таб. 1.2. Здесь, в качестве примера приведены данные по Полтавскому ГОКу, имеющему один из лучших показателей по условиям труда (см. табл. 1.1).
Из табл. 1.2 следует, что подавляющее число неблагополучных рабочих мест расположено на дробильных фабриках и в цехах по производству окатышей, т.е. в тех производствах, где перерабатываются сухие сыпучие материалы.
Табл. 1.3 и 1.4 позволяют выявить технологические процессы и конкретные технологические операции, сопровождающиеся наибольшими пыле-выделениями на горно-обогатительных и металлургических предприятиях.
Как видно из табл. 1.3 величины средней запыленности воздуха на рабочих местах близки к предельно допустимым концентрациям (ПДК), но максимальные значения запыленности значительно превышают ПДК. В десятки раз ПДК на производственных участках, не оборудованных средствами локализации пылевыделений. Анализ табличных данных позволяет сделать вывод о том, что наибольшие величины запыленности наблюдаются при погрузо-разгрузочных операциях. Особенно ярко эта закономерность проявляется при анализе материалов, приведенных в табл. 1.4. Шихтоподго-товка, связанная о большим числом погрузо-разгрузочных операций, дает максимальную запыленность. Сокращение числа таких операций резко снижает уровни запыленности, что видно на примере доменной печи № 6 Ново-Липецкого металлургического комбината, где применена конвейерная подача шихты на колошник.
Определение средней скорости движения частиц материала
Динамическое взаимодействие сыпучих материалов и воздуха при по-грузо-разгрузочных операциях носит весьма разнообразный характер. Интенсивность этого взаимодействия зависит от многих факторов. На нее влияют условия истечения материала (скорость, направление истечения, геометрические размеры отверстия или проема и др.), крупность, плотность и форма частиц материала, высота их падения, степень стесненности движения частиц (движение по закрытым или открытым желобам, свободное падение материала, падение вблизи стенки, движение по наклонной поверхности и др.), расход материала, температура и подвижность окружающего воздуха и многое другое. Процесс взаимодействия движущегося потока сыпучего материала и воздуха с точки зрения аэродинамики является достаточно сложным. Общеизвестно, что возникновение запыленных воздушных потоков при этом процессе является следствием сопротивления, которое оказывает воздух движущимся частицам материала. Характер зависимости сопротивления частицы от режима ее обтекания воздухом изучен достаточно глубоко /107 -111/. Эта и без того сложная зависимость по всей видимости еще более усложняется при стесненном и ускоренном движении частиц, которое мы наблюдали при погрузо-разгрузочных операциях.
В этой связи решение поставленной задачи целесообразно начать с рассмотрения наиболее простого случая динамического взаимодействия материала и воздуха. Таковым является динамическое взаимодействие воздуха и сыпучего материала, перегружаемого по вертикальному желобу постоянного сечения с постоянным расходом и равномерным распределением частиц материала по поперечному сечению желоба. 2.1.1. Теоретический анализ процесса
Модель простейшего перегрузочного узла схематично представлена на рис. 2.1. Процесс динамического взаимодействия падающих вертикально частиц и воздуха являются причиной формирования воздушного потока, который движется по желобу в том же направлении, что и частицы материала, взаимодействуя одновременно как с последними, так и со стенками желоба. Таким образом, рассматриваемый процесс представляет собой совокупность "внутренней" и "внешней" задач.
Запишем систему уравнений, описывающих процесс в целом. Для стационарного процесса (в дальнейшем будем рассматривать также только стационарные процессы) уравнение движения воздуха по желобу (внутренняя задача) запишется в следующем виде: gp- -pVB Wv VB=0. (2Л) ах их Аналогичное уравнение запишем для внешней задачи - относительного движения воздуха и сыпучего материала: gp_ _pVo + nV Vo=0. (2.2) ох ох
Эти уравнения содержат четыре неизвестных: Рв, Р0, VB и V0, и, следовательно, система должна быть дополнена еще двумя уравнениями с теми же неизвестными. В качестве третьего и четвертого уравнений процесса могут быть приняты уравнения сплошности воздушной среды и уравнение динамики сыпучего материала: av-. + Y!L + L = 0, (2.3) dx.dy.dz. К теоретическому анализу процесса 1 - бункер расходный; 2 - бункер накопительный; 3 - желоб; 4 - коллектор; 5 - сменная кассета; 6 - эпюры давлений Рис. 2.1 PMVM%-gpM-SpV0 = 0. (2.4) ox ox В последнем уравнении сила сопротивления воздушной среды записана с использованием коэффициента S, характеризующего аэродинамические свойства потока материала в интервале Ах. По сути дела, этот коэффициент должен отразить сопротивление каждой частицы, находящейся в объеме а х в х Ах. На основании имевшихся сведений об аэродинамике движущихся частиц можно с уверенностью утверждать, что величина S будет в сильной степени зависеть от координаты х и связана определенной функциональной зависимостью с неизвестными, перечисленными выше.
Таким образом, определение величины S даст возможность решить систему уравнений в отношении других неизвестных величин. Положив, что эта величина нами определена, мы можем записать уравнение, решение которого позволит достичь одной из поставленных целей -определить величину VB. Потери давления при движении воздуха по желобу будут равны: APB=fcBX+RTph + 0 . (2.5) Эжекционное давление, развиваемое потоком сыпучего материала составит: ЛР0=С . (2.6) Поскольку средняя по расходу скорость движения воздуха по желобу постоянна, а относительная скорость движения материала и воздуха имеет переменную величину, в уравнение (2.6) введена осредненная величина относительной скорости. Способ осреднения этой величины становится одной из задач исследований. В рассматриваемой нами модели (рис.2.1) эжекцион-ное давление полностью расходуется на преодоление сопротивления желоба (Рб=0).
Аэродинамические характеристики укрытий загрузки ленточных конвейеров
Для автомодельной области (при Re0 3 103), которая характерна для загрузки материала свободно падающей струей, уравнение (2.63) сводится к виду S = Eu0 = 0,68kmN Критерий Эйлера Ё и, названный нами для области автомодельности аэродинамической характеристикой потока материала, зависит только от свойств потока материала и высоты перегрузки и характеризует аэродинамическое сопротивление, которое оказывает воздух потоку падающего материала. Исследование эжектирующих свойств свободно падающего материала проводилось при трех расходах материала: 9,2 кг/с, 14,9 кг/с, 28,5 кг/с. В эксперименте изменялась высота падения материала, концентрация материала в "условном канале", начальная и конечная скорости падения материала.
При теоретическом анализе процесса взаимодействия материала и воздуха при составлении уравнения количества движения воздуха, эжектируе-мого потоком материала, не были учтены силы, действующие на поверхности выделенного объема. За счет поверхностных сил трения в окружающем падающий материал пространстве возникал спутный поток воздуха, который можно было наблюдать в эксперименте.
При визуализации путем задымления потоков воздуха было видно, что воздух из окружающего пространства не только подсасывается внутрь струи падающего материала, но и движется с небольшой скоростью в направлении движения материала, причем скорость движения спутного потока выше вблизи струи и постепенно затухает примерно на расстоянии 0,5-1,0 диаметра струи dCTp в зависимости от высоты падения материала. Для определения расхода воздуха, поступающего в бункер в струе материала, и расхода воздуха в спутной струе экспериментальные исследования проводили следующим образом.
Размер отверстия в крышке бункера при определении количества воздуха, поступающего в струе материала L , был равен диаметру струи. Спут-ный поток воздуха не попадал в бункер. Замерялось количество удаляемого из бункера воздуха La в период его загрузки при поддержании в бункере нулевого давления. Количество воздуха, эжектируемого материалом, определялось с учетом расхода материала, заполняющего бункер.
Для определения расхода воздуха в спутном потоке Lcn при тех же высоте падения материала и расходе материала замерялся расход удаляемого из нижнего бункера воздуха L , когда диаметр отверстия dOTB в крышке бункера был больше диаметра струи dCTp в четыре раза, т.е d0TB=4 dCTp. Размер отверстия был достаточен для того, чтобы в бункер вместе со струей эжектируемого падающим материалом воздуха Ц, входил и спутный поток воздуха Lc„.
Расход воздуха Va замерялся в период загрузки материала в нижний бункер при поддержании в нем нулевого давления. Расход воздуха в спутном потоке определялся как LC„=L;-La (2.65) Обработка результатов производилась в виде зависимости относительного расхода эжектируемого воздуха (как с учетом спутного потока, так и без учета спутного потока воздуха) от высоты падения материала. Данные экспериментальных исследований приведены на рис. 2.17. L_ = —=- , м/с . стр Относительный расход эжектируемого воздуха без учета спутного потока определялся как Е,ж= , м/с. (2.66) стр Относительный расход эжектируемого воздуха с учетом спутного потока определялся по выражению Цж- , м/с. (2.67) стр Результаты показывают, что расходы воздуха L3!K и Цж увеличиваются с увеличением высоты падения материала; при одной и той же высоте падения материала относительный расход эжектируемого воздуха выше при большем расходе материала.
Для сравнения результатов экспериментальных исследований эжекти-рующих свойств струи материала и результатов теоретического анализа процесса взаимодействия падающего материала и воздуха был произведен теоретический расчет количества воздуха, эжектируемого падающим материалом при условиях, аналогичных условиям эксперимента. Результаты теоретического расчета так же приведены на рис.2.18 Как видно из рисунка, относительный расход эжектируемого воздуха без учета спутного потока несколько ниже расхода, рассчитанного теоретически.
Это объясняется в первую очередь тем, что при теоретическом анализе процесса взаимодействия материала и воздуха принятыми допущениями мы пренебрегли силами трения на поверхности выделенного объема и предположили, что вся энергия падающего материала передается эжектируемому воздуху, тем самым завысили расход воздуха в струе материала. Во-вторых, было принято, что скорость воздуха по сечению потока постоянна. Однако, за счет сил трения на границе "условного канала", отделяющего струю падающего материала от окружающего воздуха, скорость эжектируемого воздуха вблизи границы "условного канала" ниже, чем в центре струи.
Пути использования энергии потоков при организации рациональных воздухообменов в местах загрузки емкостей
Для того, чтобы укрытие сделать более компактным и экономичным без увеличения уноса мелких фракций в аспирационную сеть, необходимо внесение конструктивных элементов, позволяющих создать условия для удаления с малыми скоростями воздушного потока, сформированного в желобе, в приемное аспирационное устройство в непосредственной близости от места падения материала на ленту. Шагом в этом направлении является укрытие с цилиндрической верхней стенкой, рассмотренное выше. Пример использования этого элемента в конструкции двойного укрытия с перфорацией цилиндрической поверхности и размещением над ней аспирационного патрубка приведен на рис. 3.15, 3.16. Это укрытие представляет собой комбинацию конструктивных элементов, позволяющих сконцентрировать в одном устройстве преимущества каждого из ранее рассмотренных укрытий в той или иной степени.
При конструкторской разработке такого укрытия соблюдены устоявшиеся представления об основных геометрических параметрах - ширине внутреннего и наружного корпусов, высоте укрытия, высоте уплотняющих элементов и др. Сокращена общая длина укрытия в 1,5-2 раза по сравнению с известными конструкциями.
Перед проведением экспериментальных исследований на модели была принята предпосылка, что наилучшие характеристики укрытия могут быть получены при обеспечении равенства расходов воздуха, в желобе и в живом сечении перфорированной стенки (Ьж Lp).
Теоретическими предпосылками послужило следующее: - конструкция обеспечивает безотрывное течение вдоль перфориро ванной стенки; - поток воздуха, сформировавшийся в желобе, полностью стекает через перфорированную поверхность в аспирационную воронку; - граница между зонами влияния побудителей тяги (эжектора и вентилятора сети) располагается на внешней поверхности перфорированной стенки, при этом сопротивление проходу воздуха через перфорацию преодолевается за счет вентилятора сети; - конструкция позволяет применить развитую поверхность всасывания, выравнивающую эпюру скоростей на входе в аспирационную воронку и тем самым резко уменьшить унос мелких фракций материала в аспирационную сеть за счет малых скоростей на входе в воронку; - кольцевая аспирируемая камера необходима для локализации пыле-выделений, возникающих за. счет локальных скачков давления в месте падения материала на ленту. Экспериментальные исследования проводились на укрытии для конвейера шириной 300 мм по методике и на экспериментальном стенде, описанные в разделе 2.3.3.
Геометрические размеры укрытия изменялись в следующих диапазонах: - площадь живого сечения перфорированной стенки (решетки) Fp от 0% до 39,5% от ее общей площади, что соответствовало изменению соотношения колебания величины разрежения по длине стенки невелики и максимальные его величины наблюдаются в центральной части укрытия, где вероятность пылевыделений максимальна.
К конструктивным преимуществам комбинированного укрытия, кроме перечисленных выше, следует отнести следующее. Расположение аспираци-онной воронки практически на равном расстоянии от торцевых частей укрытия делает конструкцию в целом максимально компактной, снижает его металлоемкость, упрощает его эксплуатацию, так как уплотняющие элементы имеют минимальную длину. При снятии аспирационной воронки и решетки открывается доступ к наиболее изнашиваемой части укрытия - отбойной плите, что в других конструкциях возможно только после вскрытия стенок желоба. В данном укрытии возможна регулировка соотношения расходов через решетку и кольцевую камеру при наладочных работах путем установки дополнительных пластин между фланцами воронки и укрытия и уменьшения тем самым площади проемов, соединяющих кольцевую камеру и аспираци-онную воронку. Наклон оси аспирационной воронки может быть самым различным, вплоть до горизонтальной ее установки, что важно для проектиро Зависимость # от относительной площади неплотностей
Вопрос об экономичности укрытия становится актуальным в том случае, если условия, в которых должно работать укрытие, позволяют применить конструкции разных типов, или несколько конструкций одного типа. Совершенно очевидно, что невозможно установить двойное укрытие на перегрузке крупнокускового материала, обладающего высокоабразивными свойствами; проблематична установка укрытия с одинарными стенками на перегрузках мелкодисперсных материалов и т.д.
Нет необходимости доказывать, что укрытие с двойными стенками надежней и экономичней по энергозатратам по отношению к укрытиям с одинарными стенками; и наоборот - последние имеют меньшую металлоемкость и эксплуатационные затраты, нежели первое. Поэтому представляет интерес сопоставление конструкций укрытий одного типа между собой, или с конструкциями, относящимися к универсальным по условиям применения.
Расчеты показывают, что модернизация укрытий с одинарными стенками путем использования выпуклой верхней стенки (см. рис. 3.5) дает возможность снизить аспирационный расход в среднем на 10 - 12%, а при установке боковых вентилируемых карманов (рис. 3.7) - на 12 - 14%, при прочих равных условиях. По отношению к укрытиям комбинированного типа (рис.3.16), имеющих универсальное применение, этот показатель составляет около 19%.
Укрытие с циркуляционным каналом (рис. ЗЛО) уменьшает потребный аспирационный воздухообмен в среднем на 27% по отношению к двойному укрытию при прочих равных условиях. Комбинированное укрытие уступает по этому показателю и тому и другому, однако компактность и простота обслуживания дают ему неоспоримые преимущества.
