Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор и выбор направления исследований 11
1.1 Анализ основных вредных факторов для работающих в уело-виях производства керамических стеновых изделий 11
1.2 Анализ конструкций циклонно-вихревых аппаратов для использования их в вентиляционных системах улавливания сырья и пыли 16
1.3 Анализ конструкций вихревых устройств для удаления сырья и пыли из технологического оборудования 26
1.4 Анализ возможности применения рециклов в системах обеспыливания при решении задач вентиляции, технологической аспирации, пневмотранспортирования 29
1.5 Выбор направления исследований 37
1.6 Выводы по первой главе 38
ГЛАВА 2 Оценка пылевой обстановки на предприятийях по производству керамических стеновых изделий 41
2.1 Оценка мощности пылевых выбросов в воздушную среду предприятий по производству керамических стеновых изделий 41
2.2 Оценка эффективности инженерно-экологического оборудования (разгрузителей, пылеуловителей) для улавливания сырья и пыли на предприятиях по производству керамических стеновых изделий 43
2.3 Условия труда на предприятиях по производству керамических стеновых изделий 45
2.4 Экспериментальные исследования основных физико-химических свойств и состава сырья и пылей предприятий по производству керамических стеновых изделий 49
2.4.1 Характеристика физико-химических свойств сырья и пылей 49
2.4.2 Отбор и подготовка проб к экспериментальному исследованию 52
2.4.3 Исследование фракционного состава сырья и пылей 53
2.4.4 Определение морфологического состава и фактора формы частиц сырья и пылей 67
2.4.5 Определение удельной поверхности сырья и пылей 67
2.4.6 Определение плотности сырья и пылей 71
2.4.7 Определение углов естественного откоса сырья и пылей 73
2.4.8 Определение углов внешнего трения сырья и пылей 75
2.4.9 Определение слипаемости сырья и пылей 76
2.4.10 Оценка абразивности сырья и пылей 77
2.4.11 Определение комплексных реологических свойств сырья и пылей 78
2.4.12 Определение пылящей способности сырья и пылей 81
2.4.13 Оценка химических свойств сырья и пылей 81
2.4.14 Пофракционное исследование некоторых физико-химических свойств пылей 86
2.5 Выводы по второй главе 90
ГЛАВА 3 Теоретическое обоснование выбора конструкций для вихревых технологий обеспыливающей вентиляции при производстве керамических стеновых изделий 92
3.1 Анализ методов расчета фракционной эффективности вихревых технологий 92
3.2 Основные положения вероятностно-стохастического подхода для прогноза эффективности вихревых технологий 108
3.2.1 Основы вероятностно-стохастического подхода для описания вероятности массопереноса частиц 108
3.2.2 Основы вероятностно-стохастического подхода для описания процесса массопереноса частиц сырья и пыли в центробежном поле различных аппаратов 117
3.3 Совершенствование метода расчета фракционной эффективности улавливания частиц в центробежном поле циклонно-вихревых аппаратов методом равновероятных траекторий 122
3.3.1 Учет в расчете фракционной эффективности циклонно-вихревых аппаратов влияния перетока из бункерной зоны 122
3.3.2 Расчет фракционной эффективности циклонно-вихревых аппаратов по методу равновероятных траекторий 126
3.4 Совершенствование метода расчета фракционной эффективности улавливания частиц в центробежном поле встроенных вихревых местных отсосов методом равновероятных траекторий 126
3.5 Выбор физических моделей аппаратов для вихревых технологий обеспыливающей вентиляции 132
3.6 Выводы по третьей главе 134
Глава 4 Экспериментальные исследования аппаратов для вихревых технологий обеспыливающей вентиляции и рекомендации по их практическому использованию 135
4.1 Описание экспериментальных стендов для лабораторных исследований циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны, а также вихревых отсосов 135
4.2 Планирование и результаты экспериментального исследования по оптимизации конструкции циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны 137
4.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований по оптимизации конструкции циклонно-вихревых аппаратов совстречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны 137
4.2.2 Анализ результатов экспериментальных исследований по оптимизации конструкции нижней зоны циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны 139
4.2.3 Анализ результатов экспериментальных исследований по оптимизации конструкции циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны 143
4.3 Анализ результатов исследований режима работы циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны 146
4.4 Методика проведения экспериментальных исследований аэродинамики циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны 153
4.5 Рекомендации по практическому использованию результатов исследования 155
4.5.1 Описание разработанной схемы системы обеспыливающей вентиляции с применением частичной рециркуляции 155
4.5.2 Практическая реализация результатов исследований 157
4.6 Выводы по четвертой главе 158
Заключение 160
Список литературы 162
- Анализ конструкций циклонно-вихревых аппаратов для использования их в вентиляционных системах улавливания сырья и пыли
- Оценка эффективности инженерно-экологического оборудования (разгрузителей, пылеуловителей) для улавливания сырья и пыли на предприятиях по производству керамических стеновых изделий
- Основные положения вероятностно-стохастического подхода для прогноза эффективности вихревых технологий
- Анализ результатов экспериментальных исследований по оптимизации конструкции нижней зоны циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны
Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительная часть современных технологических процессов на предприятиях по изготовлению керамических стеновых изделий сопровождается интенсивным образованием пыли.
Опыт эксплуатации систем обеспыливающей вентиляции на предприятиях отрасли показал, что конструкции применяемых местных отсосов и циклонов не совершенны, не учитывают свойства улавливаемой пыли и не обеспечивают необходимой эффективности. Вследствие этого, концентрация пыли в воздухе рабочей зоны и мощность выбросов в атмосферу от систем вентиляции превышают предельно допустимые нормы.
В последнее время в системах локализующей вентиляции нашли применение вихревые местные отсосы и вихревые пылеуловители на встречных закрученных потоках. Конструкции этих аппаратов позволяют разнообразить схемы компоновки установок пылеулавливания, в том числе использовать рециклы. С учетом сложности протекающих в устройствах с вихревыми потоками процессов, все чаще для их совершенствования, как наиболее многофакторный, используется вероятностно-стохастический подход, позволяющий более точно прогнозировать эффективность обеспыливающей вентиляции.
Таким образом, актуальными являются исследования направленные на совершенствование отдельных элементов и схем компоновки систем обеспыливающей вентиляции с применением вероятностно-стохастического подхода и с учетом особенностей свойств пыли, выделяющейся при производстве керамических стеновых изделий.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО Ростовского государственного строительного университета.
Цель работы. Обеспечение запыленности воздуха в рабочей зоне предприятий по производству керамических стеновых изделий в пределах, регламентируемых действующими нормативами, посредством совершенствования режимно-конструктивных характеристик местных отсосов и установок пылеулавливания в системах локализующей вентиляции на основе применения вероятностно-стохастического подхода.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: - анализ исходных данных, характеризующих пылевую обстановку на предпри-
ятиях по производству керамических изделий, включая данные об источниках пылевыделения и их мощности, основных видах пылеулавливающего оборудования и его эффективности, данные о конструкциях местных отсосов, запыленности воздушной среды;
- исследование и обобщение данных о дисперсном составе и физико-
химических свойствах пылей, поступающих в систему местной вытяжной вен
тиляции в цехах по производству керамических изделий (кирпича) методом по
лусухого прессования;
- теоретический анализ процессов массопереноса частиц в центробежном поле
местных отсосов и пылеуловителей;
- обоснование и разработка методов повышения эффективности процессов
обеспыливающей вентиляции при использовании вихревых технологий для
предприятий по изготовлению керамических изделий;
разработка конструкции аппаратов и схемы компоновки системы обеспыливающей вентиляции на основе вихревых потоков для предприятий по производству керамических изделий;
экспериментальные исследования по оценке эффективности и определению режимно-конструктивных параметров аппаратов с вихревым режимом работы.
Основная идея работы состоит в применении вероятностно-стохастического подхода и метода равновероятных траекторий для совершенствования режимно-конструктивных характеристик систем обеспыливающей вентиляции.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое и физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением персонального компьютера.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, использованием апробированных методик исследования, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов с результатами других авторов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- разработана физико-математическая модель и получены аналитические зави
симости, описывающие процесс массопереноса частиц пыли в вихревом мест
ном отсосе с ограничивающим диском;
разработана физико-математическая модель и получены аналитические зависимости, описывающие процесс пылеулавливания в циклонно-вихревом аппарате со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны;
получены экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность работы и аэродинамическое сопротивление циклонно-вихревого аппарата со встречными закрученными потоками в системах обеспыливающей вентиляции с учетом его режимно-конструктивных параметров (организованный переток из бункерной зоны; соотношение расхода воздуха, подаваемого на нижний закручиватель и общего расхода воздуха; условная скорость в среднем сечении аппарата; запыленность подаваемого воздуха);
получены экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность работы вихревых местных отсосов с ограничивающим диском;
получены эмпирические зависимости для определения пофракционной плотности глинистой пьши с учетом степени дисперсности и массового содержания в пробе, а также пористости опок.
Практическое значение работы:
для систем обеспыливающей вентиляции разработана конструкция циклонно-вихревого аппарата со встречными закрученными потоками с отсекателем бункерной зоны и организованным перетоком из бункерной зоны;
разработана конструкция вихревого местного отсоса с ограничивающим диском;
разработана методика анализа комбинированным способом фракционного состава пылей, взвешенных в газовом потоке, при наличии в нем отдельных крупных частиц размером более 100 мкм;
разработана установка для инструментального отбора проб при анализе фракционного состава пылей комбинированным способом, новизна которой подтверждена патентом на полезную модель №32710;
предложена методика обработки результатов анализа дисперсного состава пыли в системах вентиляции керамического производства с использованием теории случайных функций;
определены и систематизированы основные физико-химические свойства пыли, выделяющейся при производстве керамических стеновых изделий, позволяющие квалифицированно проектировать и подбирать оборудование систем обеспыливающей вентиляции на предприятиях отросли.
Реализация результатов работы:
разработанные рекомендации по повышению эффективности систем обеспыливающей вентиляции с циклонно-вихревыми аппаратами использованы в Северо-Кавказском НИИ строительных материалов и технологий «Стромтехника» (г. Ростов-на-Дону) при проектировании предприятий по производству керамических стеновых изделий;
результаты работы использованы при проектировании 4-х ступенчатой системы обеспыливающей вентиляции второй очереди завода по производству керамических стеновых изделий ЗАО «Несветайстрой» (Ростовская область);
вихревые местные отсосы внедрены на узлах пересыпки сырья в Федеральном государственном унитарном сельскохозяйственном предприятии «Ленинградское» МО РФ (Краснодарский край).
На защиту выносятся:
физико-математическая модель и аналитическая зависимость, описывающая процесс массопереноса частиц пыли в вихревом местном отсосе с ограничивающим диском;
физико-математическая модель и аналитические зависимости, описывающие процесс пылеулавливания в циклонно-вихревом аппарате со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны;
экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность работы и аэродинамическое сопротивление циклонно-вихревого аппарата со встречными закрученными потоками в системах обеспыливающей вентиляции с учетом его режимно-конструктивных параметров (организованный переток из бункерной зоны; соотношение расхода воздуха, подаваемого на нижний закручиватель и общего расхода воздуха; условная скорость в среднем сечении аппарата; запыленность подаваемого воздуха);
экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность работы вихревых местных отсосов с ограничивающим диском;
- эмпирические зависимости для определения пофракционной плотности гли
нистой пыли с учетом степени дисперсности и массового содержания в пробе, а
также пористости опок.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и получили одобрение на: международной научно-практической конференции «Строительство» (г. Ростов-на-Дону, 2002-2008 г.п), Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надеж-
ность, качество, энергосбережение» (г. Шепси, 2003-2007 г.г.), Всероссийской научно-практической конференции по БЖД (г. Новочеркасск, 2007 г.).
Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 15 работах, в том числе 12 статьях, 3 патентах на изобретение и полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 199 страниц, в том числе: 161 страница - основной текст, содержащий 37 рисунков и 20 таблиц; список литературы из 211 наименований на 20 страницах, приложения на 18 страницах.
Анализ конструкций циклонно-вихревых аппаратов для использования их в вентиляционных системах улавливания сырья и пыли
На предприятиях стройиндустрии, выпускающих кирпич, керамику, гипс, керамзит, цемент, санитарно-технические фаянсовые изделия и другие строительные материалы и изделия имеются различные технологические процессы, сопровождающиеся образованием, выделением, выбросом и распространением различных вредных примесей, находящихся в пылевидном и газообразном состояниях.
Выделения пыли происходят в результате различных технологических процессов: транспортировки, перегрузке, просеивании, сушки, помоле, прессовании, обжиге и др. Наиболее существенное выделение пыли отмечены при помоле, сушке, перегрузке сырья. Большие объемы пыли могут поступать в воздушную среду производственных помещений, а также в атмосферу.
Образование теплогазовых вредных примесей связано с рядом тепло-массообменных процессов, которые реализуются в технологических процессах, например, таких как обжиг, сушка, вспучивание и др.
Особенностью работы ряда технологического оборудования на предприятиях стройиндустрии является их периодическая работа, обусловленная особенностями технологического процесса, несмотря даже на трехсменный режим работы. Таким образом, выделение вредных веществ может происходить неравномерно в течение всего рабочего дня.
Предприятия по производству кирпича и др. керамических изделий наиболее широко распространены в стройиндустрии. Они имеются практически во всех регионах. Номенклатура, выпускаемых ими изделий включает кирпич и камни керамические (Гост 530-95), кирпич и камни керамические облицовочные (Гост 7484-78), кирпич глиняный для дымовых труб (Гост 8426-75) и кирпич керамический для футеровки тепловых агрегатов до 100 С (ТУ 21-31-48 12 85). Такие предприятия построены, реконструировались и в настоящее время строятся и реконструируются в соответствии с нормами технологического проектирования 1989 года. Значительное количество предприятий по производству керамических изделий построенных ранее оказались расположенными в густо населенных районах. В последнее время построен ряд заводов, использующих иностранные технологии и оборудование.
Сырьем для производства керамических изделий служат природные глинистые и кремнеземные горные породы (трепелы, диатомиты, лессы и др.), а также различные отходы других производств (золы ТЭС, шлаки, отходы углеобогащения, химической, металлургической и нефтяной промышленности и др.). В процессе производства используют для корректировки технологических свойств керамической массы различные добавки.
В зависимости от природных свойств исходное сырье условно можно разделить на пять разновидностей, от которых зависит интенсивность переработки - глины рыхлые, малой пластичности, быстро размокающие (лессы, лессовид ные суглинки); - глины средней плотности и пластичности (покровные суг линки); - глины пластичные, вязкие плотные, трудно размокающие в воде; - глины плотные, аргиллитовые, алевролитовые, сланцевые не размокающие в воде; - глинистые сланцы, аргиллиты в природном виде или в виде отходов углеобогащения с наличием повышенного содержания активных карбонатных включений.
В зависимости от свойств сырья и добавок, а также способа изготовления керамических изделий, а также требований к готовой продукции применяют различные схемы подготовки исходного сырья, переработки глинистого сырья с приготовлением шихты, формования изделий.
Применяют следующие способы производства керамических стеновых изделий: пластический способ подготовки сырья с последующим пластическим или жестким способами прессования сырца; полусухой способ подготовки сырья с последующгш пластическим или жестким способом формирования сырца; полусухой способ производства керамических изделий. Шликерный способ подготовки сырья используют редко и только с учетом технико-экономических обоснований.
Технологические процессы по производству керамических изделий методом полусухого прессования являются наиболее пылящими, поэтому в данной работе все исследования были выполнены применительно к этим производствам. Настоящее время заводы по производству кирпича методом полусухого прессования широко распространены ввиду относительно малой стоимости кирпича, производимого этим способом.
Анализ технологического процесса показывает, что в процессе производства образуется мелкодисперсный материал. Кроме этого само сырье содержит пылевидные фракции. Поэтому практически на всех этапах технологического процесса возможно выделение пылевидных частиц в воздух рабочей зоны. Временным руководством по проектированию предприятий по производству кирпича и камней керамических (нормы технологического проектирования, М., 1989 г.) предусмотрены системы санитарно-гигиенической аспирации и установка инженерно-экологических систем [70]. Однако эти рекомендации не содержат данных по составу и физико-химическим свойствам образующихся и удаляемых пылей и поэтому ряд рекомендаций являются необоснованными в результате чего пылевая обстановка на многих предприятих по производству кирпича методом полусухого прессования является неудовлетворительной.
Оценка эффективности инженерно-экологического оборудования (разгрузителей, пылеуловителей) для улавливания сырья и пыли на предприятиях по производству керамических стеновых изделий
Пробы выдерживали в течение нескольких суток в лабораторных условиях при температуре и влажности, при которых в дальнейшем выполняли анализы. Часть проб (взмученная пыль) отбирали на месте путём аспирации на фильтры АФА с помощью устройства [146], описанного далее в главе 2.4.3.
Отдельные пробы пыли (осевшая пыль) получали путём раскладывания листов вощёной бумаги, на которую оседала пыль. В дальнейшем такие пробы пыли собирали в отдельные ёмкости. При необходимости пробы пыли отбирали также из технологического и инженерно-экологического оборудования (отобранная пыль).
При анализе пылевой обстановки на предприятиях стройиндустрии приходится одновременно рассматривать проблемы безопасности труда и охраны окружающей среды. Как известно, в качестве критерия качества воздушной сферы в России, как и в ряде других стран мира, применяют предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ), определяемые по общему количеству взвешенных частиц (TSP), включающих весь диапазон размеров частиц [100]. В тоже время имеется ряд работ и стран, в которых рекомендовано производить нормирование с учетом фракционного состава пылей.
Таким образом, для оценки запыленности воздушной среды, вредности пыли, витающей в воздухе рабочей зоны, и оценки работы систем обеспыливания, важнейшее значение имеет фракционный состав пыли [57].
В ряде случаев, возможно, охарактеризовать фракционный состав косвенными показателями. Например, в качестве косвенных показателей фракционности часто используют удельную поверхность, средний диаметр частиц, медианный диаметр и другие величины.
При оценке фракционного состава принято определять проход частиц Д (остаток RJ — долю массы пыли выраженную в процентах, которая прошла че 54 рез сито (осталась на сите) с заданным размером ячеек (ёя), от общей массы просеиваемой пробы пыли. Термины «проход» и «остаток» применяют и для подситовой области, подразумевая при этом долю массы частиц мельче или крупнее заданного размера \я.
Фракция пыли AD, или А/?, представляет собой выраженную в процентах долю массы, объема, поверхности или числа частиц, размер или скорость оседания которых находится между двумя значениями размеров dn и d„+1 или скоростей оседания Wbn и Wbn+i Функции распределения массы частиц пыли AD(dJ или AR(dJ представляют собой зависимость прохода Д (или остатка R;) от диаметра (размера) частиц, выраженную в процентах или долях единицы. При этом выполнимы следующие соотношения: Df + R(=100% (2.5) D(dmin) = 0; D(dmax) =100; R(dmin) =100; R(dmax) = 0. Здесь dmjn и dmax - наименьший и наибольший диаметры частиц, имеющихся в дисперсной фазе.
Наиболее удобным является графическое изображение результатов анализов фракционного состава в виде интегральных кривых D(dt) или R(dj), каждая точка которых показывает относительное содержание частиц с размерами больше или меньше данного размера.
Применяют ряд основных методов определения фракционного состава дисперсных систем: ситовый, микроскопирования, седиментации, центробежный, оптический, электрический и др.
В настоящее время используют следующие методы рассева порошкообразных материалов для ситового анализа: 1. Ручной рассев: а) путем тряски и поколачивания (этот способ применим для многих материалов); б) с помощью кисточек (применяют для очень тонкой пыли, склонной к слипанию); в) с помощью промывки (для пылей, склонных к истиранию или слипанию). 2. Механический рассев (сита с отверстиями более 40 мкм) при помощи машин, создающих: а) вращательное и колебательное движения сит в горизонтальной плоскости; б) качания плоскости сит; в) вибрацию; г) постукивание сит; д) движение сит по сложной траектории. 3. Аэродинамический рассев на воздушно-струйных ситах с отверстиями более 5 мкм. 4. Ультразвуковой рассев на печатных ситах с ячейками менее 5 мкм. 5. Мокрый просев с вибрацией под вакуумом на печатных ситах с отверстиями менее 2 мкм.
Третий четвертый и пятый методы рассева применяют при больших навесках в стационарных условиях. Исследование пылей методом ситового анализа проводят, как правило, для грубо и средне-дисперсных пылей, в которых масса частиц крупнее 80-100 мкм составляет более 10%. Часто ситовому анализу подвергают только ту часть пыли, которая содержит частицы крупнее 80-100 мкм. Для выбора метода анализа предварительно просеивают пробу пыли на сите с ячейками размером 80-100 мкм. Проход D и остаток R взвешивают и определяют % пыли мельче 80-100 мкм по формуле [БДД + RO] 100%. (2.6)
В данной работе был использован ручной рассев, который рекомендован для важных анализов и в исследовательских целях.
После окончания ситового анализа каждую фракцию взвешивали с точностью до 0,01 г. Потери пыли при выполнении анализа не превышали 2% от общей массы навески. Потери разносили по всем анализируемым фракциям пропорционально их массам. При обработке полученных результатов суммарная масса всех фракций принимали равной 100 %. Выполняли не менее трех анализов.
Ситовый анализ использовали для определения фракционного состава сырья, предназначенного для производства керамических изделий. Анализу подвергали пробы с Несветаевского месторождения (новое производство -проба № 6). Фракционный состав пробы показан на рис.2.1.
Основные положения вероятностно-стохастического подхода для прогноза эффективности вихревых технологий
Каждой относительной влажности газа соответствует свое содержание влаги в дисперсном материале, называемое равновесной влажностью. Равновесие между относительной влажностью воздуха и влажностью материала описывается характерными для каждого вещества изотермами сорбции. Зная изотермы сорбции влаги промышленной пыли, можно предсказывать её поведение в инженерно-экологических, технологических аппаратах, бункерах, пылевыгрузных устройствах при различной относительной влажности газа.
Содержание влаги в материале характеризуют влагосодержанием или влажностью. Влагосодержание учитывает количество влаги в абсолютно сухом материале, а влажность - количество влаги во всём влажном материале.
При определении и оценке содержания влаги следует учитывать формы связи влаги с пылью, а также способность пыли поглощать или отдавать влагу. Связь влаги с пылью может иметь, химическую, физико-химическую и физико-механическую природу.
При химических связях (ионных и молекулярных) молекулы воды не существуют самостоятельно, а входят в состав молекул самого вещества.
К физико-химическим относят адсорбционную связь. Влага адсорбируется на поверхности пыли и может быть удалена испарением.
Наиболее слабой связью влаги с пылью является физико-механическая. Она имеет место при непосредственном соприкосновении жидкости с пылью, жидкость заполняет поры, капилляры и механически удерживается в них. Такая свободная гигроскопичная влага может перемещаться в порах пыли в виде жидкости или пара и легко удаляется сушкой.
Среди методов определения гигроскопичной влаги, наиболее распространенным является метод высушивания пробы.
Гигроскопичную влагу в пыли определяли по количеству потерянной влаги при высушивании пробы пыли до постоянной массы в сушильном шкафу. Этот метод более возможен при температуре разложения или плавления пыли выше ПО градусов.
Содержание гигроскопической влаги в пробе пыли Жг, %, вычисляли по формуле где go - масса бюкса с крышкой без пыли (г), g} _ масса бюкса с крышкой и пылью до высушивания (г), g2 — масса бюкса с крышкой после высушивания до постоянной массы (г). За окончательный результат принимали среднее арифметическое двух параллельных определений (выбирали два ближайших результата из трех). Экспериментальные данные по гигроскопической влажности пыли представлены в таблице 2.16. Влажность воздуха в помещении, где содержались пробы сырья и пыли определяли с помощью психрометра (табл. 2.16).
Определение смачиваемости и растворимости
Процесс смачивания пыли происходит в результате взаимодействия на границе трех фаз: твердой, жидкой и газообразной, что приводит к образованию на поверхности частиц тонкой жидкостной пленки, и далее к проникновению влаги в частицу в процессе смачивания участвуют как минимум две фазы: твердое тело и жидкость.
Смачивание представляет собой первую стадию физико-химического взаимодействия жидкости с твердым телом и сопровождается уменьшением поверхностной энергии пылинок. Поверхностная энергия на границе раздела фаз характеризуется величиной поверхностного натяжения - работой, затра-ченной на образование единицы поверхности раздела двух фаз (Дж/м ). Смачивают пылевые частицы те жидкости, которые понижают поверхностное натяжение твердого тела на границе с воздухом, т.е. условие смачивания можно записать в виде:
Выделяют три группы смачиваемости в зависимости от доли полностью смоченных (100%) частиц в общей массе пылевого материала: 1 группа- плохо смачиваемая пыль - 30% полностью смоченных частиц; 2 группа- средне-смачиваемая пыль - 30% 80% частиц; 3 группа хорошо смачиваемая пыль -не менее 80% частиц.
Смачиваемость твердого тела можно характеризовать также показателем кинетики смачивания, определяющим изменение скорости впитывания влаги пылевым слоем, т.е. долей полностью смоченных пылевых частиц в единицу времени (%/с).
При определении смачиваемости по методу капиллярного впитывания пыль предложено относить к упомянутым выше группам смачиваемости через показатель кинетики смачивания следующим образом: 1-ая группа - менее 0,2 %/с; 2-ая группа - от 0,2 %/с до 0,5 %/с; 3-ая группа - более 0,5 %/с.
Показатель кинетики смачивания можно определить косвенными измерениями времени контакта слоя пыли определенной массы с влажной подложкой и соответствующей ему доли поглощенной пылью влаги.
Предварительное определение массы пыли проводят из условия максимального насыщения пыли влагой. При этом считают, что максимально возможное насыщение происходит при равенстве объемов взаимодействующих фаз (жидкости 1/ж и пыли [/„):
Так как впитывание влаги происходит неравномерно и обычно заканчивается через 60-100 с после начала процесса, интервалы времени между наблюдениями задавали равными. По результатам измерений строили кривые кине 85 тики смачиваемости пыли в логарифмической сетке координат. На графике выделяли два участка. Первый характеризует быстрый рост объема поглощаемой влаги и соответствует заполнению влагой крупных пор в частицах пыли и капилляров, образованных этими частицами. При этом происходит смачивание основной поверхности пыли. Второй участок соответствует вытеснению молекул газа из микропор в частицах пыли и характерен уменьшением скорости смачивания. Показатель кинетики смачивания Пксм определяют через угол наклона первого отрезка построенной кинетической кривой смачиваемости.
Для определения показателя кинетики смачивания применяли метод капиллярного впитывания. Он основан на определении скорости впитывания влаги пылевым слоем при контакте его с влажной поверхностью. При определении показателя кинетики смачивания предварительно определяли массу навески пыли по формуле: где тп — масса навески пыли (г), тж - масса воды в капиллярной трубке (рав-ная 1,996 т),рж р„ - соответственно плотности воды и пыли (кг/м ).
По результатам наблюдений за изменением уровня воды в капиллярной трубке строили кривую кинетики смачивания, на которой графически выделяли два участка. Для первого участка определяли показатель кинетики смачивания Пксм, как тангенс угла наклона касательной к отрезку относительно оси абсцисс (0).
Анализ результатов экспериментальных исследований по оптимизации конструкции нижней зоны циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны
Экспериментальные исследования процесса улавливания в циклонно-вихревых аппаратах проведены на установке, схема которой приведена на рис. 4.1. Стенд предназначен для проведения многофакторного эксперимента по оптимизации конструкции бункерной зоны, режима работы аппарата и аэродинамических исследований.
Основными элементами установки являются: загрузочные устройства 21, циклонно-вихревой аппарат с корпусом 1 в виде обратного конуса и бункером 19. Бункер выполнен с прозрачными стеклами для визуализации процесса в этой зоне. Расстояния до замерных штуцеров Li, L2, L3, и L4 имеют длину более 7 диаметров воздуховода для обеспечения стабилизации потока после местных сопротивлений. Аппарат выполнен на основе конструкции МРЦ-2 [17], с цилиндрической частью корпуса диаметром 180 мм. Размеры основных элементов (высота и ширина верхнего ввода первичного потока; диаметр патрубка нижнего ввода вторичного потока; диаметр отбойной шайбы и т.д.) также приняты в соответствии с соотношением конструктивных параметров, применяемых для аппаратов МРЦ-2.
Для закручивания вторичного потока на нижнем вводе пылевоздушного потока в аппарате установлен нижний статический закручиватель 17, который обеспечивает необходимый угол раскрытия струи и устойчивость потока. После аппарата в выходном воздуховоде 4 размещена раскручивающая улитка 6, обеспечивающая снижение уровня крутки выходящего из аппарата потока
Принципиальная схема экспериментального стенда для исследования циклонно-вихревого апппарата со встречными закрученными потоками и замкнутым перетоком из бункерной зоны. 1-коническая часть корпуса аппарата; 2-цилиндрическая часть корпуса аппарата; 3-верхний статический закручиватель; 4-выхлопная труба аппарата; 5, 23-25-штуцеры для проведения замеров; 6-раскручивающая улитка; 7-воздуховод, соединенный с вентилятором; 8-фланец; 9-воздуховод, соединенный с атмосферой; 10-шибер 11-вентилятор; 12-виброопоры вентилятора; 13-конусная вставка; 14-отсекатель бункерной зоны; 15-уравнительная трубка; 16-отбойная шайба; 17-нижний статический закручиватель; 18-воздуховод нижней зоны аппарата; 19-бункер аппарата; 20-ленточный транспортер; 21-загрузочное устройство; 22-воздуховод, соединенный с верхним статическим закручивателем (входным патрубком). очищенного воздуха для возможности корректного замера давления и отбора проб воздуха на запыленность. Соотношение расходов пылевоздушной смеси в верхних и нижних вводах в аппарат регулируются шиберами 10. На воздуховодах и в корпусе аппарата для проведения замеров предусмотрены штуцеры 5 с завинчивающимися крышками. Через штуцеры вводятся пневмометрическая и пылеотборная трубки, а также датчик термоанемометра. Бункер 19 жестко установлен на специальной раме, к которой также жестко крепится координатное устройство для термоанемометрического насадка. Вентилятор 11 закреплен на амортизаторе 12. Пневмометрические трубки подсоединены к микроманометрам, с помощью которых возможно одновременно контролировать скорость и расход воздуха на входе и выходе установки. Пылеотборную трубка устанавливали в штуцер 24 и соединяли с аспиратором для отбора проб на запыленность воздушного потока.
Запыленный воздух засасывается вентилятором, в верхнюю и нижнюю зоны аппарата, а очищенный выбрасывается в атмосферу. Запыленность потока обеспечивается с помощью загрузочных устройств в виде небольших бункеров 21, в которые помещаются соответствующие навески для подачи пробы в воздуховод.
Расход воздуха через статический закручиватель 17 (через воздуховод нижней зоны аппарата 18) определяется по замерам, производимым через штуцер 25, установленный на стабилизирующем участке длинной L5i перекрывающей пять диаметров поперечного сечения. Контроль осуществляется путем сравнения расходов воздуха через воздуховоды 22 и 7.
Планирование и результаты экспериментального исследования по оптимизации конструкции циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны
Методика проведения экспериментальных исследований по оптимизации конструкции циклонно-вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны
Экспериментальные замеры выполняли в соответствии с принятыми стандартными методиками. Общий расход воздуха в установке, соотношения расходов воздуха через верхний и нижний вводаы аппарата находили по величинам давлений измеряемых в воздуховодах при помощи трубок Прандтля и микрометров ММН-250. Объемный расход воздуха приводили к нормальным условиям.
Аэродинамические замеры выполняли по методике отработанной в работе [33]. Запыление воздуха осуществляли при помощи бункера и ленточного транспортера. Концентрацию пыли перед аппаратами задавали по массе навески и объему аспирируемого воздуха. После пылеулавливающего аппарата отбор проб производили на фильтры АФА по способу внешней фильтрации с соблюдением условий изокинетичности. Концентрацию пыли снимали интегральным способом с использованием затем одной точки сечения воздуховода.
Оценку эффективности улавливания (общую и фракционную для аппарата) осуществляли на основе сопоставления поступающей и выходящей массы пыли. Для этого производили отбор проб и соответствующие измерения в замерных сечениях воздуховодов, а также контролировали навески пыли. Для измерения запыленности использовали стандартный комплект пылезаборного оборудования, разработанного НИИОГАЗ. Отбор проб через штуцер 24 осуществляли в течении всего эксперимента, чем обеспечивали представительность проб в каждом из сечений. При этом проба пыли на фильтры АФА превышали массу в один мг.
Расход воздуха через статический закручиватель 17 (через воздуховод нижней зоны аппарата 18) определяли по замерам производимым через штуцер 25, установленный на стабилизирующем участке длинной L5) перекрывающей пять диаметров поперечного сечения и контролировали путем сравнении расходов воздуха через воздуховоды 22 и 7.
Анализ результатов экспериментальных исследований по оптимизации конструкции нижней зоны циклонно-вихревого аппарата со встречными закрученными потоками и организованным перетоком из бункерной зоны
Конструкция нижней зоны циклонных и циклонно-вихревых аппаратов оказывает весьма существенное влияние на их эффективность. Еще в работах В.В. Кучурука было показано огромное значение отсекателя бункерной зоны на эффективность улавливания частиц. [119].
В работе Е. И. Богуславского [33] выполнен эксперимент по оптимизации конструкции отсекателей бункерной зоны циклонного аппарата МРЦ-2.
В циклонно-вихревых аппаратах конструкция нижней части аппарата имеет еще большее значение. Поэтому была проведена серия экспериментов с целью оптимизации конструкции нижней зоны. За базовый вариант на основе выводов был выбран отсекатель бункерной зоны №2, имеющий угол наклона ставки равный 45 с основанием 1,6 Д.
Эффективность и гидравлическое сопротивление базовой модели №1 для МРЦ-2 приняты за 100%. Вторая и четвертая модели отличались большим размером основания отсекателя, который устанавливали ниже основания расширяющегося корпуса циклонного аппарата МРЦ-2. Третья и четвертая модели не имели выходного отверстия. Пятая и шестая модели предназначались для циклонно-вихревого аппарата и также имели различные конструкции. Модель 5 по подводящему воздуховоду соответствовала конструкции нижней зоны аппарата ВЗП.
