Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ области применения и способов создания закрутки потока в воздуховодах систем аспирации 12
1.1 Анализ причин возникновения пылевых отложений в воздуховодах аспирационных сетей, и способов их устранения 12
1.2 Использование закрутки для улучшения транспортирующих свойств газопылевого потока в воздуховодах 17
1.3 Анализ возможности использования и области применения закрученных потоков в аспирационных сетях 19
1.4 Обзор и анализ методов создания закрутки газового потока в цилиндрических каналах 23
1.5 Выбор направления исследования 30
1.6 Выводы по главе 1 32
2. Аэродинамика закрученного потока в цилиндрическом аспирационном воздуховоде 33
2.1 Связь интегрального параметра интенсивности закрутки потока с формпараметром различных типов закручивающих устройств 33
2.2 Общие характеристики закрученного течения газа в цилиндрическом воздуховоде 38
2.3 Характеристики зоны приcтеночного течения в закрученном осесимметричном потоке 47
2.4 Расчетные зависимости, характеризующих движение закруенного потока в воздуховоде 50
2.5 Определение аэродинамического сопротивления движению закрученного аспирационного потока в цилиндрическом воздуховоде 58
2.6 Исследование влияния концентрации пылевых частиц на сопротивление движению закрученного пылегазового потока по аспирационным воздуховодам 61
2.7 Выводы по главе 2 67
3. Движение пылевых частиц по воздуховодам в закрученном потоке 69
3.1 Анализ данных о движении твердых частиц в закрученных потоках 69
3.2 Оценка сил действующих на твердую частицу в пристенной области закрученного потока, протекающего по цилиндрическому аспирационному воздуховоду 72
3.3 Описание движения пылевой частицы в закрученном потоке, протекающем по горизонтальному цилиндрическому аспирационному воздуховоду 89
3.4 Выводы по главе 3 109
4. Разработка закручивающих и подкручивающих устройств предназначенных для применения в аспирационных сетях 111
4.1 Основные требования к закручивателям потока, предназначенным для аспирационных сетей 111
4.2 Тангенциальный регулируемый закручиватель-отвод 114
4.3 Тангенциальный подкручиватель для периодической очистки воздуховодов 124
4.4 Регулируемые закручиватели для разветвленных сетей 132
4.5 Вывода по главе 4 147
5. Разработка методов расчета, проектирования, и рекомендаций по эксплуатации аспирационных систем с закрученными потоками 149
5.1 Предотвращение образования пылевых отложений в воздуховодах
аспирационной сети при снижении величины аспирационного объема 149
5.2 Применение периодической продувки аспирационных воздуховодов закрученным потоком для удаления пылевых отложений 153
5.3 Аэродинамический расчет участка аспирационного воздуховода
при организации закрутки потока 156
5.4 Основы проведения обратного аэродинамического расчета аспирационных сетей с использованием предложенных закручивающих и подкручивающих устройств 159
5.5 Рекомендации по повышению надежности работы аспирационных систем с применением закрутки потока 165
5.6 Выводы по главе 5 168
6. Использование энергии закрученного потока для понижения аэродинамического сопротивления пылеулавливающего оборудования систем аспирации 169
6.1 Анализ затрат энергии потока в инерционных пылеуловителях 169
6.2 Определение интенсивности остаточной закрутки потоков, прошедших очистку в инерционных пылеуловителях 171
6.3 Тангенциальный раскручиватель потока 174
6.4 Выводы по главе 6 181
7. Практическая реализация результатов исследования 183
7.1 Реконструкция аспирационных систем различных отраслей промышленного производства, посредством внедрения закрутки потока 183
7.1.1 Реконструкция системы очистки выбросов сушильного барабана кирпичного производства ОАО «Себряковский комбинат асбестоцементных изделий» 184
7.1.2 Реконструкция системы очистки выбросов стержневых смесителей кирпичного производства ОАО «Себряковский комбинат асбестоцементных изделий» 193
7.1.3 Реконструкция системы аспирации литейного производства ГУП НПО «ВНИИТМАШ» 198
7.1.4 Реконструкция системы аспирации, шлифовально-ленточных станков цеха по производству строительных конструкций ООО «Стройдеталь» 200
7.1.5 Реконструкция системы аспирации сушильно-печного отделения керамзитного производства ЗАО «Среднеахтубинский КСМиК» 204
7.1.6 Реко нструкция системы пылеочистки производства анодной массы ОАО «Волгоградский Алюминий»
7.2 Мобильная аспирационная установка 209
7.3 Применение раскручивателей потока в системе аспирации узлов пересыпки ленточного конвейера 212
7.4 Бункер для хранения пылевидных и зернистых материалов повышенной взрывопожароопасности 215
7.5 Расчет и оценка экономического эффекта от внедрения предлагаемых решений в действующее производство.. 216
7.6 Выводы по главе 7 223
Заключение 224
Список литературы
- Анализ возможности использования и области применения закрученных потоков в аспирационных сетях
- Определение аэродинамического сопротивления движению закрученного аспирационного потока в цилиндрическом воздуховоде
- Описание движения пылевой частицы в закрученном потоке, протекающем по горизонтальному цилиндрическому аспирационному воздуховоду
- Тангенциальный подкручиватель для периодической очистки воздуховодов
Введение к работе
Актуальность избранной темы. В процессе эксплуатации
аспирационных систем на внутренних поверхностях наклонных и горизонтальных воздуховодов в ряде случаев могут образовываться отложения пылевых частиц. Данное явление приводит к росту аэродинамического сопротивления сети аспирационных воздуховодов, что, в свою очередь, может стать причиной снижения величины аспирационных объемов и, как следствие, привести к нарушению технологического режима работы аспирируемого оборудования.
Для предотвращения возникновения пылевых отложений применяются различные способы очистки внутренних поверхностей воздуховодов. Однако применение методов механического удаления отложений из воздуховодов на практике затруднено в виду сложности доступа к внутренним поверхностям. Очистка посредством продувки сжатым воздухом связана с применением сложного энергоемкого и дорогостоящего компрессорного оборудования. Кроме того, организация продувки аспирационной сети сжатым воздухом может производиться лишь при остановке системы, в виду отрицательного влияния избыточного давления как на аэродинамический режим самой системы, так и на работу аспирируемого оборудования. Также, для удаления пылевых отложений могут использоваться иные, менее распространенные методы, например ультразвуковой, но их реализация, как правило, характеризуются технической сложностью и, как следствие, значительными эксплуатационными и капитальными затратами.
Одним из перспективных методов предотвращения оседания пылевых частиц, а также удаления пылевых отложений в аспирационных сетях является организация закрутки потока в воздуховодах. Повышенная способность внутренних закрученных течений приводить в движение и транспортировать частицы сыпучих и пылевидных материалов позволяет существенно улучшить условия движения пылевых частиц и предотвратить их оседание на внутренних поверхностях воздуховодов без изменения
4 величины расходов аспирационного газа. Основным преимуществом закрутки аспирационного потока перед другими методами борьбы с пылевыми отложениями является то, что ее реализация не связана с внесением дорогостоящих изменений в аспирационную сеть и не требует использования дополнительного оборудования. Несмотря на это, в настоящий момент, использование закрутки потока в действующих системах аспирации, а также внедрение данного решения в практику проектирования затруднено отсутствием апробированных конструктивных решений и инженерных методик. Таким образом, исследования, направленные на разработку методов расчета и проектирования аспирационных систем с использованием закрученных потоков, являются актуальными.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
Значительный вклад в теорию систем аспирации с использованием закрутки потока в воздуховодах внесли: Азаров В. Н., Арыкова А. И., Ахметов Р. Б., Бунин В. В., Бусройд Р., Бурдаков Ю. И., Гольдштик М. А., Калинушкин М.П., Кононенко В.Д., Кемер Н.С., Корж В. А., Медведева Б. А., Островский Г. М., Соколов В. Н., Скоробогатова Н. В., Семенов Э. М., Халатов А. А., и другие исследователи.
Для выяснения характера и расчета параметров движения твердых пылевых частиц в пристенной области закрученного газового потока, протекающего в цилиндрическом воздуховоде, использовались методы: численного решение уравнения Лапласа, численного решения уравнений Навье - Стокса и уравнения неразрывности основанные на ряде упрощений сделанных на основании анализа эмпирических данных, а также, составление и численное интегрирование систем дифференциальных уравнений, описывающих движение твердой частицы, на основании анализа сил, действующих на твердую частицу со стороны закрученного потока.
Цель работы: Повышение надежности систем аспирации путем предотвращения образования пылевых отложений посредством закрутки потока в воздуховодах.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
Теоретические и экспериментальные исследования движения пылевых частиц в закрученных пыле-газовых потоках, протекающих по воздуховодам аспирационных сетей;
Разработка закручивающих устройств, обеспечивающих возможность регулирования интенсивности закрутки потока в воздуховодах неразветвленных и разветвленных сетях систем аспирации, а также возможность работы в режиме незакрученного потока;
Разработка инженерных методик по проектированию и расчету аспирационных систем с закруткой потока в воздуховодах.
Применение разработанных методик при проектировании и реконструкции аспирационных сетей различных производств;
Реализация опытно-промышленных исследований аспирационных систем с закруткой потоков.
Основная идея работы состоит в использовании закрутки потока для борьбы с пылевыми отложениями в воздуховодах аспирационных сетей. Научная новизна работы заключается в следующем:
получена физическая модель, описывающая движение пылевой частицы в закрученном аспирационном потоке;
получена расчетная методика для определения скоростей уноса пылевых частиц со дна горизонтального цилиндрического воздуховода закрученным потоком;
изучено влияние концентрации пылевых частиц на аэродинамическое сопротивление движению закрученного газового пока в аспирационных воздуховодах;
найдено решение задачи по определению соотношения расходов газовых потоков, протекающих по параллельным ветвям аспирационной
сети, соединяемых посредством тройников-закручивателей, при решении
задачи обратного аэродинамического расчета;
- экспериментально исследованы профили тангенциальных и
осевых скоростей газового потока на выходе из пылеуловителей
циклонного типа и пылеуловителей на встречных закрученных потоках.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в определении характера и параметров движения твердой пылевидной частицы в закрученном потоке, протекающем в пристенной зоне аспирационного воздуховода, получении расчетных и эмпирических зависимостей по определению скоростей транспортирования и уноса пылевых частиц в закрученном потоке, протекающем в пристенной зоне аспирационного воздуховода. Разработаны конструкции закручивающих и подкручивающих устройств, позволяющих регулировать интенсивность закрутки аспирационного потока в воздуховодах. Разработана методика расчета аспирацонных сетей с закруткой потока, и рекомендаций по их проектированию. Предложены рекомендации по эксплуатации систем аспирации с закрученными потоками. Осуществлена оценка величины интенсивности остаточной закрутки потока в выходном сечении пылеуловителей ВЗП, получены закономерности для подбора параметров раскручивателей потока. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и реконструкции систем вентиляции металлургической, строительной, и деревообрабатывающей отраслей промышленности. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Методология диссертационного исследования включала в себя общепринятые для технических наук абстрактно-логические, эмпирические, монографические методы, системный подход и математическое моделирование.
7 Использовались методы вычислительного и натурного эксперимента, методы численного интегрирования дифференциальных уравнений, а также статистические методы оценки достоверности и воспроизводимости полученных результатов. В качестве положений, выносимых на защиту, автор представляет:
физическую модель, описывающую движение пылевидной частицы в закрученном аспирационном потоке;
методику расчета скорости уноса пылевой частицы закрученным потоком со дна горизонтального аспирационного воздуховода;
методику и результаты эксперимента по определению влияния массовой концентрации твердых частиц на сопротивление движению закрученного потока в аспирационных воздуховодах, использованные при составлении методики аэродинамического расчета сетей аспирационных воздуховодов с закруткой потока;
решение задачи по определению соотношения расходов газовых потоков, протекающих по параллельным ветвям аспирационной сети, соединяемых посредством тройников-закручивателей;
конструкции закручивателей и подкручивателей, предназначенных для закрутки аспирационного потока с регулируемой интенсивностью;
способы предотвращения образования и удаления отложений пылевых частиц в аспирационных воздуховодах посредством закрутки потока, при наличии изменений величин аспирационных объемов;
методики аэродинамического расчета воздуховодов (прямого и обратного) аспирационных сетей с закруткой потока.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций соответствует современным требованиям и обоснована использованием фундаментальных законов аэродинамики, апробированных методов вычислительной математики, согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными как лично соискателем, так и другими авторами.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на
международных конференциях, симпозиумах, конгрессах: "Научные
исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути
развития '2011" Одесса (2011); «Качество внутреннего воздуха и
окружающей среды» (Будапешт, 2012); «Актуальные проблемы
современности». (Кисловодск, 2013); «Наука и образование без границ»
(Przemysl, Польша 2013); «Системы ТГВ. Проблемы и решения» (Пенза,
2013); International Reveiw of Mechanical Engineering (2014), а также, на
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2002 – 2015 г.г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 69 печатных работ, из которых 23 в ведущих рецензируемых научных журналах, 2 индексированы в системе цитирования Scopus, 8 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 247 наименований. Общий объем диссертации составляет 307 страниц, в том числе 74 рисунков, 17 таблиц, 3 приложения.
Анализ возможности использования и области применения закрученных потоков в аспирационных сетях
Для предотвращения отложения пылевых частиц в аспирационных воздуховодах наиболее желательно использование технического решения, позволяющего увеличить транспортирующую способность газового потока. Повышение транспортирующей способности посредством повышения скорости в сечении нежелательно, по причине того, что величина объема газа отводимого на очистку строго регламентирована для многих видов оборудования, и ее увеличение может оказывать негативное влияние на протекание технологического процесса [4, 39, 40, 137, 151, 159-161]. Кроме того, повышение рекомендованной величины аспирационного объема приводит к повышению энергозатарт, а также повышает величину пылепоступления в систему аспирации их технологического оборудования.
Одним из способов увеличения транспортирующей способности газовых двухфазных потоков является организация закрутки. Повышенная способность закрученных потоков, протекающих по воздуховодам инженерных систем, приводить в движение и транспортировать твердые дисперсные материалы отмечена в ряде работ различных исследователей. Одно из наиболее ранних упоминаний применения закрутки потока для повышения его транспортирующей способности приводится в работе [34].
Позднее на повышенную способность закрученных потоков перемещать твердые пылеобразные частицы указывали Гольдштик М.А., [101, 102], Бурдаков Ю.И., [83, 86] Калинушкин М.П., [119-123] Скоробогатова Н.В. [185-189], Медведева Б.А. [15], Кононенко В.Д. [127-132] а, также целый ряд других исследователей. Так, например, в работе [129] описан эксперимент, по сравнению транспортирующей способности осевых и закрученных потоков. При проведении эксперимента на дно горизонтального цилиндрического воздуховода длинной 60 диаметров, по которому протекал осевой воздушный поток, насыпался кварцевый песок. Величина среднерасходовой скорости потока была задана недостаточной для перемещения пылевых частиц, которые при этом либо вовсе не приводились в движение, либо оседали на внутренней горизонтальной поверхности воздуховода. На следующем этапе эксперимента к входу воздуховода крепилось закручивающее устройство. При этом твердые частицы, осадившиеся на дне приходили в движение, приобретали винтообразную траекторию, и стабильно транспортировались закрученным потоком. С учетом того, что для приведения в движение твердых частиц газовым потоком требуется большая несущая способность, нежели для их устойчивого перемещения, преимущество способа транспортирования посредством использования закрутки потока является очевидным.
Исследования аэродинамических свойств закрученного газопылевого потока проводились рядом исследователей [127, 128, 130, 131, 156]. В работах [127, 131, 185-187] определялось сопротивление закрученного пылегазового потока в воздуховодах систем пневмотранспорта сыпучих материалов. Результаты исследования интенсивности затухания закрутки пылегазового потока по длине канала представлены в работах [169, 188].
Обобщение результатов полученных различными исследователями при изучении характеристик движения закрученных пылегазовых потоков в воздуховодах инженерных систем проведено в [128, 130]. В работе [130], также, представлены различные конструкции закручивающих устройств, предназначенных для использования в системах пневмотранспорта сыпучих материалов.
Подводя итог краткого обзора, следует отметить, что основной целью исследований по изучению свойств закрученного пылегазового потока, протекающего по воздуховодам, является использование полученных результатов применительно к системам пневматического транспорта сыпучих материалов. Это объясняется в основном не столько повышением надежности работы, сколько возможностью получения существенной экономии энергии, достигаемой за счет снижения количества транспортирующего газа. Обобщение результатов приведенных в упомянутых работах позволяет сделать вывод, о том, что повышенное аэродинамическое сопротивление закрученного потока компенсируется существенным снижением расхода, достаточного для создания условий перемещения частиц по горизонтальным воздуховодам, позволяющего снижать энергозатраты на перемещение сыпучих материалов более чем на 40%.
Экономия энергии, затрачиваемой на перемещение сыпучего материала закрученным потоком, достигается за счет снижения расхода газа, необходимого для осуществления устойчивого транспортирования. Подобный подход, позволяющий повысить энергоэффективность систем пневмотранспорта сыпучих материалов, в большинстве случаев неприменим к системам аспирации, в которых расход очищаемого газа является регламентированной величиной, определяемой исходя из характеристик аспирируемого оборудования и требований технологического процесса [42, 45]. Экономия энергии при использовании закрутки потока может быть получено путем повышения диаметра аспирационных воздуховодов, при постоянной величине расхода очищаемого газа. При этом, учитывая тот факт, что изготовление воздуховодов повышенного диаметра требует повышения капитальных затрат, а величина аэродинамического сопротивления аспирационной сети в большинстве случаев составляет менее четверти общего сопротивления системы (с пылеулавливающим оборудованием), эффективность подобного решения представляется недостаточной. Поэтому организация постоянной закрутки потока при работе аспирационной системы с проектным расходом очищаемого газа нерациональна.
Определение аэродинамического сопротивления движению закрученного аспирационного потока в цилиндрическом воздуховоде
Действительное значение интегрального параметра интенсивности закрученного потока на практике несколько отличается от значений формпараметров выведенных для различных типов закручивающих устройств [225, 217]. Расхождение обусловлено наличием существенной неравномерности поля скоростей в каналах завихрителей, особенностями формирования закрученного течения, гидравлическими потерями, наличием турбулентности потока и т.п. Так, например действительное значение интегрального параметра интенсивности закрутки потока, полученное на основании измерения полей тангенциальных и осевых составляющих скоростей на выходе из шнековых закручивателей составляет [227]: Ф = 1 28Ф 0,76 (2.7)
Зависимость справедлива практически во всем диапазоне чисел Рейнольдса, при значениях угла наклона лопастей ср=30... 60. Для аксиально-лопаточных закручивателей, экспериментально установленная зависимость между значениями интегрального параметра интенсивности закрутки потока и формпараметром закрутки имеет вид [216]: Ф = 0,56Ф 0,65 (2.8) Причем, следует отметить, что зависимость (2.8) получена в условиях различия действительных и геометрических углов наклона лопаток, и соблюдается при количестве лопаток п = 3...18. Для закручивателей с прямыми перекрывающимися лопатками аналогичная эмпирическая зависимость, связывающая геометрический и интегральный параметры имеет вид [215, 216]:
Результаты исследования связи между значениями интегрального параметра закрутки газового потока Ф и формпараметром определяемым, исходя из конструктивных характеристик Ф г закручивателей тангенциального и улиточного типов приведены в работе [208]. Во всем рассмотренном диапазоне значений чисел Рейнольдса и изменения конструктивных характеристик существенного отклонения значений интегрального параметра закрутки потока, вычисленных исходя из экспериментально снятых полей скоростей не обнаружено. Расхождения находятся в пределах точности измерений пневмометричнскими методами, и не носят систематического характера. Аналогичная картина наблюдается применительно к тангенциально-лопаточным закручивающим устройствам. Данный факт позволяет существенно упростить инженерные расчеты
Закрученные течения, по аналогии с аксиальными, принято разделять на внутренние, протекающие по каналам различной конфигурации, и внешние, свободно распространяющиеся в условно неограниченном объеме заполненном жидкостью (газом) [31, 36]. Большинство процессов, происходящих в инженерных системах, связанных с движением жидкостей, принадлежат к случаю внутреннего течения. Не является исключением и рассматриваемый в настоящей работе процесс движения закрученного двухфазного газопылевогового потока, движущегося по воздуховодам аспирационных сетей.
Основным отличием внутреннего закрученного течения от незакрученного является наличие постоянной вращательной составляющей скорости потока по всему сечению канала. При этом, распределение радиальных составляющих в сечении канала, и по осевой координате, упорядочено и описывается гладкими кривыми, в отличии от турбулентных составляющих осевого течения, которые также могут кратковременно иметь касательные составляющие. При этом величина интенсивности закрутки потока оказывает влияние не только на вращательную составляющую скоростей потока, а также и на осевую и радиальную.
На рисунке 2.7 представлены эпюры осевых составляющих скоростей внутреннего закрученного течения, при различных интенсивностях закрутки. Эпюра, характеризующая распределение осевых скоростей незакрученного потока (а), практически мало отличается от такового распределения характерного для потока со слабой интенсивностью закрутки (б). Основное отличие слабозакрученного потока заключается в меньшей выпуклости соответствующей эпюры скоростей, при этом максимум осевой скорости, в обоих случаях лежит в осевой области течения. При возрастании интенсивности закрутки потока, эпюра осевой скорости в сечении стремится принять М – образный профиль (в), а максимальное значение осевой составляющей смещается в направлении стенки канала. При дальнейшем увеличении интенсивности закрутки происходит качественное изменение структуры потока, выражающееся в образовании зоны обратного течения в приосевой области (г), в виду превалирования радиально направленных массовых сил, обусловленных наличием вращения [36, 49, 89, 110, 213, 227].
По формепрофиля распределения осевых скоростей, закрученные потоки классифицируются на [36, 110, 217, 227]: - слабо закрученные, характеризующиеся нахождением максимума осевой скорости в центре сечения канала, и параболической формой эпюры осевых скоростей аналогичной осевому потоку; - умеренно закрученные, характеризующиеся «провалом» осевой составляющей в центральной области течения, М - образным профилем эпюры осевых скоростей, и отсутствием зоны обратного течения; - Сильно закрученные течение, характеризуется наличием зоны обратного течения в центральной области канала. Закон сохранения импульса для потока, протекающего по каналу, в общем случае может быть записан в форме уравнения Навье-Стокса [32, 43]: dw = j_ dp + vpV2w (2.10) dt где: p - плотность; F - вектор массовых сил, отнесенных к единице объема жидкости; Р - давление; v - кинематическая вязкость. При описании движения потока в каналах имеющих цилиндрическое сечение рационально перевести в цилиндрические координат. При этом, скорость элементарной частицы газового потока разбивается на радиальную, осевую (аксиальную) и тангенциальную составляющие, соответственно wr , wv , wT(рисунок 2.8).
Описание движения пылевой частицы в закрученном потоке, протекающем по горизонтальному цилиндрическому аспирационному воздуховоду
Результаты определения значений коэффициента местного сопротивления тангенциального закручивателя - отвода, при работе в режимах закрученного и осевого потоков, в графическом виде представлены соответственно на рисунках 4.7 и 4.8.
Обратная картина наблюдается при работе тангенциального закручивателя отвода в режиме незакрученного потока (см. рисунок 4.8). Его аэродинамическое сопротивление снижается с ростом формпараметра закрутки, и относительной ширины ввода, что объясняется снижением площади сечения входного отверстия тангенциального патрубка, за счет которого обеспечивается подвод потока в цилиндрическую камеру закручивателя. Несмотря на то, что в аксиальном режиме поток не проходит по байпасному тангенциальному каналу, большая площадь входного канала приводит к более сильному нарушению кинематической структуры потока, и соответственно к повышению аэродинамического сопротивления.
Для удаления отложений с внутренних поверхностей аспирационных воздуховодов, находящихся под разрежением, посредством организации их продувки закрученным потоком, предлагается использование закручивающего устройства, представленного на рисунке 4.9 [55, 78, 206]. Предлагаемое закручивающее устройство представляет собой цилиндрический патрубок, с шиберной заслонкой снабженный двумя наклонными тангенциальными вводами, имеющими съемные герметичные крышки.
Устройство для очистки воздуховодов закрученным потоком: 1 тангенциальный патрубок; 2 — крышка; 3 - прокладка; 4 - аксиальный патрубок; 5 - заслонка; 6 - соединительный фланец При работе системы в штатном режиме, подводящие патрубки (1) закручивателя закрыты крышками (2), и по цилиндрической камере протекает аксиальный поток. В случае необходимости продувки участка аспирационного воздуховода, находящегося непосредственно за закручивателем, по ходу аспирационного потока, без остановки системы и аспирируемого технологического оборудования, производится кратковременное открытие крышек тангенциальных патрубков (2). При этом, под действием разрежения, создаваемого тяго - дутьевым устройством, в цилиндрическую камеру (4) в тангенциальном наприавлении поступает поток воздуха из окружающей среды, придающий частичную закрутку аспирационному потоку. В виду большей (в сравнении с осевым) транспортирующей способностью частично закрученного потока, происходит унос отложений пыли, накопившихся за время эксплуатации системы со времени предшествующей продувки. В виду того, что даже при частичном открытии патрубков (1) в системе происходит снижение расхода газа, отводимого от аспирационного оборудования, время продувки не может превышать определенного временного интервала, в течении которого не успевает нарушиться технологический режим работы аспирируемого оборудования. Кроме того, транспортирующая способность частично закрученного потока все же уступает таковой при полной закрутке, организация которой требует полной остановки системы аспирации, как правило, влекущего за собой остановку технологического оборудования, обслуживаемого системой аспирации. Поэтому при определении интервалов между продувками следует ориентироваться на минимальные по времени промежутки открытия патрубков, с сокращением интервалов времени между продувками.
Помимо описанного метода борьбы с пылевыми отложениями, который наиболее рационально применять при периодической продувке воздуховодов аспирационной сети, применение предлагаемого закручивающего устройства позволяет осуществлять продувку сети полностью закрученным потоком, во время профилактических остановок (и последующих запусков) системы аспирации и обслуживаемого ей технологического оборудования. Для этого после открытия внешних патрубков (1) производится плавное закрытие заслонки (5). При этом осевое движение потока из предшествующего закручивателю участка сети прекращается, а весь поток будет поступать через тангенциальные патрубки, формируя полностью закрученное течение на примыкающем участке. Использование полной закрутки потока позволяет добиваться более полного удаления пылевых отложений, что позволяет рекомендовать проведение такой продувки при каждой остановке и каждом пуске систем аспирации, подверженных образованию пылевых отложений.
Следует отметить, что на эффективность удаления пылевых отложений описываемым способом, существенное влияние может оказывать структура закрутки потока в непосредственной близости от закручивателя (т.е. на участке неустановившегося движения). В свою очередь, на рассматриваемом участке, существенное влияние на распределение скоростей и структуру потока в целом оказывает величина угла тангенциального ввода потока. Для экспериментального определения наиболее выгодной конфигурации предложенного закручивающего устройства, на лабораторной установке, схема которой представлена на рисунке 4.10, проведены экспериментальные исследования. В качестве параметра, характеризующего эффективность уноса отложения принята величина соотношения мощностей (определяемых как произведение аэродинамических потерь на участке и расхода газа) необходимая для полного уноса отложения со дна воздуховода осевым и закрученным потоками, контролируемого визуально Nзакр/N0. Данный выбор обусловлен особенностями использования закручивающего устройства, которые заключаются в изменяющейся в зависимости от величины его аэродинамического сопротивления расхода, в процессе организации продувки полностью закрученным потоком. При этом, эффективность очистки зависит от сочетания расхода и интенсивности закрутки потока, которое в условиях изменения обеих величин наиболее удобно охарактеризовать величиной гидравлической мощности.
В качестве факторов, оказывающих определяющее влияние на характеристики предложенного закручивающего устройства, были приняты, угол наклона тангенциального патрубка а, и формпараметр закручивателя Ф . В качестве материала образующего пылевое отложение, использованы высушенные и просеянные, частицы кварцевого песка, диаметром 300 мкм.
Тангенциальный подкручиватель для периодической очистки воздуховодов
Необходимость снижения аспирационного объема возникает при остановке части единиц технологического оборудования, выбросы которых очищает одна аспирационная система, а также при изменении технологического режима работы аспирируемого оборудования. При этом происходит снижение мощности потребляемой электродвигателями вентиляторов, снижение пылепоступления в систему и, следовательно, снижение энергозатрат и выброса пыли. Кроме того, при термообработке сыпучих материалов, широко распространенной в различных отраслях промышленности, уменьшение величины объема очищаемого газа при снижении нагрузки на технологическое оборудование, в котором осуществляется процесс термообработки позволяет достигать значительной экономии топлива [9, 10, 21, 22].
При уменьшении величины объема пылегазовой смеси, удаляемой из аспирируемого оборудования, снижается скорость потока, протекающего по соответствующему участку сети воздуховодов, что при определенных сочетаниях ряда факторов, может стать причиной выпадения наиболее крупных пылевых частиц из пылегазового потока, и привести к образованию отложений.
Существующие методы борьбы с образованием пылевых отложений, заключающиеся в продувке сети воздуховодов сжатым воздухом, либо в увеличении скорости движения аспирационного потока, в данном случае не являются достаточно эффективными по ряду причин. Периодическая продувка воздуховодов сжатым воздухом характеризуется существенными капитальными вложениями, затратами времени, и необходимостью периодических перерывов в работе системы. Повышение же скорости движения потока по воздуховодам может быть достигнуто только уменьшением их диаметра, что приведет к неоправданному возрастанию сопротивления аспирационной сети, при работе системы с номинальным расходом очищаемого газа. Кроме того, замена воздуховодов аспирационной сети существующих систем аспирации, также потребует значительных капитальных вложений и временных затрат.
С учетом вышесказанного, наиболее рациональным решением, направленным на борьбу с пылевыми отложениями в аспирационных воздуховодах при снижении величины аспирационного объема, является закрутка потока. Возможность перевода аспирационной сети в режим закрутки потока при понижении величины аспирационного объема достигается посредством использования закручивателя отвода, конструкция и принцип действия которого описаны в параграфе 4.2. Основным свойством предлагаемого способа организации закрутки потока в воздуховодах аспирационной сети, позволяющим эффективно использовать повышенную транспортирующую способность закрученного потока, является возможность быстрого изменения режима работы (с осевого на закрученный и наоборот). Также, немаловажным достоинством является наличие возможности регулирования интенсивности закрутки.
При проведении реконструкции существующих систем аспирации, внедрение в аспирационную сеть отводов - закручивателей практически не оказывает влияния на аэродинамические характеристики сети, при работе в режиме незакрученного потока, в виду незначительной разницы аэродинамического сопротивления между стандартным отводом и отводом -закручивателем (см параграф 4.2). Повышение же сопротивления аспирационной сети в режиме закрукти потока, компенсируется снижением расхода очищаемого газа. По этой причине, реконструкция системы аспирации не требует замены, либо изменения режима тяго - дутьевого оборудования. Данное обстоятельство также позволяет при проведении реконструкции существующих систем не проводить повторного аэродинамического расчета.
Значение формпараметра закручивателя - отвода, подбирается исходя из обеспечения условий транспортирования самой крупной фракции пылевых частиц, содержащихся в аспирационном потоке, в конечном сечении горизонтального участка обслуживаемого им воздуховода, в режиме минимального расхода очищаемого газа. При подборе величины Фг главным фактором является затухание интенсивности закрутки по длине участка. В случае наличия по ходу движения потока дополнительных подкручивающих устройств, за длину расчетного участка принимается расстояние между выходным и входным сечениями соответственно закручивателя - отвода и следующего за ним подкручивателя.
При работе системы аспирации в режимах, с расходами очищаемого газа отличными от номинального и минимального значений, на участках подверженных образованию пылевых отложений организуется частичная закрутка потока. Для этого, при помощи заслонок, производится регулирование соотношения расходов, протекающих по осевому и тангенциальному патрубкам закручивателя - отвода. При этом, аэродинамическое сопротивление как самого закручивателя, так и последующего участка воздуховода изменяется, что приводит к изменению расхода протекающего по ответвлению. Таким образом, закручиватель отвод может быть использован в качестве регулирующего устройства, применение которого оболе эффективно в сравнении с шиберными заслонками с энергетической точки зрения.
Установка закручивателя - отвода производится в местах присоединения вертикальных воздуховодов аспирационной сети к горизонтальным воздуховодам (коллекторам) путем замены стандартного прямого отвода, с креплением на существующие фланцы. При размещении закручивателя -отвода требуется обеспечить такое положение, в котором возможность оседания пылевых частиц на горизонтальных поверхностях цилиндрической части, было бы сведено к минимуму. Данное обстоятельство особенно важно при пусках и остановках системы, когда движение запыленного потока прекращается, либо скорости характеризуются недостаточными значениями. Исходя из этого, при установке закручивателей – отводов рекомендуется придерживаться схемы, представленной на рисунке 5.1.
Схема установки комбинированного тангенциального отвода закручивателя на воздуховодах аспирационной сети при соединении горизонтального и вертикального участков: а,б -рекомендуемая схема; в,г - не рекомендуемая схема. Помимо случая соединения вертикального воздуховода с горизонтальным участком сети, закручиватель - отвод также может применяться при соединении двух горизонтальных участков. При этом, желательно наличие закрутки потока на участке предшествующем обслуживаемому, для предотвращения пылевых отложений в объеме цилиндрической части закручивателя - отвода. Кроме того, при установке закручивателя в местах соединения горизонтальных воздуховодов, тангенциальный байпасный патрубок должен располагаться в верхней части воздуховода. При такой схеме в патрубок попадает меньшее количество крупнодисперсных частиц, и создаются лучшие условия для их удаления. Ррасположение заслонок, регулирующих расход осевого потока следует выбирать так, чтобы закрытие осуществлялось движением заслонки сверху вниз.