Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследуемого вопроса 9
1.1. Общая характеристика систем аспирации 9
1.2. Пылеулавливающее оборудование 14
1.2.1. Центробежные пылеуловители 15
1.2.2. Фильтры 27
1.2.3. Оборудование для местных систем аспирации 41
1.3. Расчет систем аспирации 46
1.4. Постановка задач исследования 50
Глава 2. Разработка и исследование циклона-разгрузителя для первой ступени очистки 53
2.1. Теоретические исследования 54
2.2. Экспериментальные исследования 70
Глава 3. Разработка пылеулавливающего оборудования для местных систем аспирации 85
3.1. Разработка малогабаритного аппарата рециркуляционного типа 85
3.2. Разработка пылеулавливающей установки с системой регенерации для мини-центральных систем аспирации 96
Глава 4. Разработка методики и алгоритма расчета систем аспирации 105
4.1. Общие вопросы проектирования 106
4.2. Выбор исходных данных для расчета 110
4.3. Методика расчета систем аспирации 113
4.4. Алгоритм расчета систем аспирации 119
4.5. Выводы по главе 125
Глава 5. Промышленная реализация разработанных видов оборудования 126
5.1. Промышленный вариант циклона-разгрузителя ЦР(м) 126
5.2. Малогабаритные аппараты типа ПФЦ 130
5.3. Установки типа ФЦ 133
Основные результаты и выводы 137
Литература 139
- Пылеулавливающее оборудование
- Экспериментальные исследования
- Разработка пылеулавливающей установки с системой регенерации для мини-центральных систем аспирации
- Выбор исходных данных для расчета
Введение к работе
Технологические процессы добычи, переработки, изготовления и обработки различных материалов сопровождается значительными выделениями пыли от оборудования, из систем внутрицехового транспорта, загрязняющей воздух производственных помещений, промплощадок и прилегающих жилых районов, что ухудшает условия труда, качество продукции, служит причиной заболевания, наносит ощутимый социальный, экологический и экономический ущерб. В связи с этим, вопросам аспирации и обеспыливания воздуха и газовых выбросов на предприятиях отводится важное место. Эта проблема является одной из важнейших промышленности. Аспирационные системы являются эффективным средством повышения производительности, облегчения и оздоровления труда во многих отраслях промышленности и являются неотъемлемой частью технологических процессов, сопровождающихся выделением пылевидных отходов, или продуктов. Настоящая работа направлена на техническое усовершенствование систем аспирации, повышение эффективности их работы, усовершенствование методов их расчета и качества проектирования.
Системы аспирации содержат сложные разветвленные воздуховоды, местные отсосы и укрытия, шиберы, клапаны, переключатели, пылеулавливающее оборудование, тягодутьевые машины, устройства выгрузки, транспортирования и временного хранения уловленной пыли, системы пожаро- и взрывозащиты. От всех этих элементов зависит совершенство системы аспирации в целом, ее эффективность, надежность и стоимость. В данной работе исследуется и разрабатывается та часть проблем, которая, на наш взгляд, является в настоящее время наиболее актуальной.
Важнейшим элементом систем аспирации, определяющим их работоспособность и эффективность, является пылеуловитель. В последнее время, наблюдающееся ужесточение экологических требований и постоянный рост стоимости электроэнергии, ведут к перераспределению количества систем аспирации в пользу рециркуляционных, оборудованных высокоэффективными фильтрами. С другой стороны, увеличение мощности и производительности современного технологического оборудования влечет за собой увеличение пылевой нагрузки на фильтры как по концентрации, так и по ее составу. В этих условиях актуальным становится вопрос о разработке и применении в аспирационных системах двухступенчатых пылеулавливающих установок с эффективным разгрузителем на первой ступени очистки и регенерируемым фильтром на второй.
На многих предприятиях, особенно с переменной загрузкой разнотипного оборудования, широко применяются локальные рециркуляционные аспираци-онные системы с промышленными пылесосами. Выпускаемые разными фирмами промышленные пылесосы имеют общий недостаток- быстрое снижение производительности и ограниченное время эффективной работы аппарата до очередной (обычно ручной) регенерации фильтрэлемента. Усовершенствование аппаратов этого типа также является актуальной задачей, в решении которой заинтересовано много производителей химической, строительных материалов, деревообрабатывающей, пищевой и др. отраслей промышленности.
Проектирование и расчет систем аспирации связаны с рассмотрением и сравнительным анализом ряда альтернативных схем и выбором наиболее рациональной для данного конкретного случая. Решение этого вопроса является достаточно сложным, требует высокой квалификации исполнителей и значительного времени. Поэтому одной из актуальных задач, которые решаются в данной работе, явилось усовершенствование методов проектирования и расчета систем аспирации.
Цель и задачи работы
Цель работы заключается в разработке и усовершенствовании пылеулавливающего оборудования для систем аспирации, а так же методики и алгоритма расчета этих систем. Достижение поставленной цели связано с необходимостью решения ряда задач, главными из которых являются:
Разработка циклона-разгрузителя для первой ступени очистки в системах аспирации. Циклон должен обладать низким коэффициентом гидравличе- ского сопротивления, высокой производительностью и небольшими габаритными размерами.
Разработка конструкции малогабаритного аппарата двухступенчатой очистки для местных систем аспирации. Аппарат должен обладать хорошими эксплуатационными показателями и устойчивостью работы.
Разработка пылеулавливающей установки рециркуляционного типа для обслуживания небольшой группы технологического оборудования. Установка должна иметь возможность регулирования рабочих параметров и быть оснащенной системой регенерации.
Усовершенствование метода и разработка алгоритма расчета систем аспирации, на базе которого могут быть написаны программы расчета данных систем.
Выполнение перечисленных задач связано с проведением теоретических и экспериментальных исследований разработанных видов оборудования с их последующей промышленной апробацией.
Научная новизна работы
Впервые проведены экспериментальные исследования циклонного процесса в области малых значений коэффициента гидравлического сопротивления.
Установлена зависимость между основными конструктивными (форма и относительная высота сепарационной камеры, ширина подводящего канала, относительный диаметр выхлопной трубы) и технологическими (коэффициент гидравлического сопротивления, эффективность улавливания пыли) параметрами циклонов в исследованной области.
Практическая ценность и реализация результатов
Разработана конструкция циклона-разгрузителя для первой ступени очистки в системах аспирации. На базе разработанной модели выполнена конструкторская документация и рабочие чертежи на модельный ряд циклонов-разгрузителей ЦР(м), принятых в производство ООО «Эковент К».
Разработана конструкция малогабаритного аппарата двухступенчатой очистки для местных систем аспирации типа ПФЦ. Получено положительное решение ФИПС по заявке на полезную модель. Разработаны чертежи модельного ряда аппаратов типа ПФЦ и запущены в серийное производство.
На базе аппаратов ПФЦ разработана усовершенствованная конструкция рециркуляционных установок типа ФЦ с системой регенерации. Данные установки запущены в серийное производство и находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности.
Разработана методика и алгоритм расчета на ЭВМ сложных систем аспирации, позволяющая ускорить и усовершенствовать процесс разработки и проектирования этих систем, решать задачи технико-экономической оптимизации при рассмотрении альтернативных вариантов. Предложенная методика и алгоритм расчета систем аспирации используются при проектировании систем аспирации инженерами ООО «Эковент К».
А пробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практической конференции аспирантов МГТУ имени А.Н. Косыгина 2004г.; на семинаре по системам с твердой фазой научного совета РАН по научным основам химической технологии 2006г, на заседаниях кафедры ПАХТ и БЖД 2004 -2006 гг.. Разработанные виды оборудования прошли промышленную апробацию на различных предприятиях и запущены в серийное производство ООО «Эковент К».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и получено положительное решение ФИПС о выдаче патента на полезную модель.
Работа проводилась на кафедре «Процессы, аппараты химической технологии и безопасности жизнедеятельности» Московского государственного текстильного университета имени А.Н. Косыгина.
Пылеулавливающее оборудование
Многообразие промышленных пылей и их свойств, условий эксплуатации оборудования и требований к очистке привело к созданию большого количества пылеуловителей различного типа. Поэтому в каждом случае можно подобрать наиболее оптимальный вариант очистки газа и соответствующее пылеулавливающее оборудование.
Существуют различные способы отделения пыли от газа. Это гравитационное и инерционное осаждение пыли, осаждение в электрическом, магнитном и акустическом полях, фильтрование через пористые перегородки, мокрая очистка или промывание газов в жидкости.
Все пылеуловители можно разделить на сухие и мокрые. В сухих пылеуловителях частицы не смачиваются, не меняют своих физических свойств и могут быть использованы в дальнейшем. В мокрых пылеуловителях частицы смачиваются жидкостью и могут менять свои свойства. Для того чтобы применить мокрое пылеулавливание, требуется решить вопрос дальнейшего использования жидкости и ее очистки.
Эффективное улавливание пыли - достаточно сложная техническая задача. К тому же содержание пыли в выбросах и в атмосферном воздухе регламентируется соответственно строительными нормами и правилами и санитарными нормами. Вредность пыли в значительной мере характеризуется ее классом опасности, дисперсным составом, ее концентрацией в очищенном воздухе.
Согласно СН 245-71 степень очистки удаляемого воздуха устанавливается в зависимости от предельно допустимой концентрации пыли в воздухе рабочей зоны производственных помещений. Этим, в основном, и определяются наиболее рациональный для каждого частного случая схема и тип аппаратов, применяемых для очистки аспирационного воздуха.
В современных системах аспирации наибольшее применение находят сухие пылеуловители: центробежные (циклонные и вихревые), фильтры.
Неоднородность промышленных пылей (наличие нескольких компонентов, различия дисперсного состава и свойств), высокие входные концентрации и требования к очищенному воздуху в некоторых системах аспирации не позволяет осуществить эффективную очистку каким - либо одним способом и в одном аппарате. Так, например, обстоит дело с очисткой воздуха от липких и абразивных пылей с большой концентрацией частиц в потоке, или от пожаро- и взрывоопасных волокнистых пылей. Приходится применять ряд способов очистки и использовать для этого многоступенчатые установки, в которых реализуются разные физические механизмы улавливания частиц и достигается за счет этого требуемая высокая степень очистки газа.
Наиболее распространенные варианты сухой очистки, которые применяются в таких случаях, это центробежный пылеуловитель на первой ступени очистки и рукавный или кассетный фильтр- на второй. Гравитационные и инерционные пылеосадители имеют сравнительно низкую эффективность пылеулавливания и большие габариты и в таких системах встречаются крайне редко. Наряду с ними, довольно редко применяются и пылеуловители мокрого типа, к установке которых прибегают только в случае необходимости и невозможности применения другого типа оборудования.
Метод центробежного осаждения частиц получил весьма широкое распространение в промышленности (в циклонах, вихревых и ротационных аппаратах). Используется он и в мокром пылеулавливании при осаждении частиц на поверхности жидкости.
Циклоны являются наиболее распространенным в промышленности типом сухого механического пылеуловителя, в котором реализуется центробежный принцип осаждения частиц. Они имеют ряд преимуществ: - отсутствие движущихся частей в аппарате; - надежное функционирование при температурах газов вплоть до 500С; - возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями; - пыль улавливается в сухом виде; - аппараты успешно работают на стороне нагнетания и всасывания; - просты в изготовлении;
Правильно спроектированные циклоны могут эксплуатироваться надежно в течение многих лет.
Вместе с тем необходимо иметь в виду, что гидравлическое сопротивление высокоэффективных циклонов достигает 1250... 1500 Па, и частицы размером меньше 5 мкм улавливаются циклонами плохо.
В области существования закона Стокса скорость центробежного осаждения шаровой частицы можно рассчитать, приравняв центробежную силу F , развивающуюся при вращении газового потока, стоксовои силе сопротивления среды Fc перемещению частицы в радиальном направлении
Экспериментальные исследования
В ходе теоретических исследований установлены основные факторы, оказывающие влияние на коэффициент гидравлического сопротивления циклона и эффективность улавливания г, выявлен характер их влияния. Так установлено, что наибольшее влияние оказывает истинный параметр крутки очищаемого воздуха Ф и относительный диаметр выхлопной трубы йъ. Кроме того, на и г оказывает влияние форма и относительная высота корпуса.
Базируясь на результаты теоретических исследований, литературный обзор основных видов циклонов применяемых в промышленности и практический опыт эксплуатации предложена модель экспериментального циклона (рис. 2.4).
Конструкция экспериментальной модели имеет модульное строение (все основные элементы циклона выполнены в виде отдельных модулей). Модули соединяются друг с другом посредством фланцевых соединениях для возможности различных комбинаций элементов и простоты сборки-разборки.
Остановимся подробнее на основных элементах конструкции и области варьирования их конструктивных параметров.
Для сравнительных испытаний циклона были взяты две основные формы корпуса: цилиндрическая и цилиндроконическая с различными значениями относительной высоты (Яц = 1; 1,5; 2 и Нк =0,57; 1,14). Принятые варианты корпусов представлены на рис. 2.5. Для простоты введены обозначения различных вариантов, которые в дальнейшем будем именовать формами (Ф1, Ф2,...).
Выбран улиточный тип завихрителя, как наиболее эффективный, который способствует формированию более равномерного потока на входе в циклон и обеспечивает наибольший параметр крутки при прочих равных геометрических размерах. Изготовлены два улиточных завихрителя высотой 210 мм и шириной входного канала 98 мм и 120 мм.
Выхлопные трубы (0194, 204, 214, 224, 240) были изготовлены с опорными дисками для установки на завихритель и подсоединения раскручивающей улитки. Выбранный для исследования ряд размеров соответствует изменению относительного диаметра выхлопной трубы сіз от 0,65 до 0,8. Выходная улитка (раскручиватель) является неотъемлемой частью разрабатываемого циклона ввиду его назначения. Размеры улитки и выходного патрубка приняты по размерам улиточного закручивателя с целью упрощения изготовления и уменьшения гидравлического сопротивления.
Выбор рациональных конструктивных параметров циклона производился на основе сравнительных испытаний различных моделей в одинаковых условиях. Для этих целей, в соответствии с требованиями единой методики сравнительных испытаний [43], был разработан и изготовлен стенд (рис. 2.6). Стенд включает в себя модель циклона-разгрузителя с раскручивателем, входной и выходной коллектора, форбункер и емкость для сбора пыли, узел пылеподачи, пылевой вентилятор типа ВЦЭП-3,3 (N = 5,5 кВт) с частотным регулированием числа оборотов, воздуховоды. Экспериментальный стенд оборудован необходимыми контрольно-измерительными приборами.
Входной и выходной коллектора являются составной частью экспериментальной модели циклона. Их сопротивления не рассматриваются отдельно с целью повышения точности измерений и упрощения расчетов. Подводящий воздуховод имеет диаметр 160 мм, изготовлен из оцинкованного металла толщиной 0,5 мм. Диаметр воздуховодов между циклоном и вентилятором приняты того же диаметра. В боковые стенки воздуховода вблизи коллекторов (сечения / и 2 на рис. 2.6) впаяно по 4 штуцера, которые с помощью резиновых шлангов и тройников присоединялись к микроманометру для измерения разности статических давлений.
В соответствии с рекомендациями [43, 69] по проведению испытаний циклонов был изготовлен форбункер для улучшения гидродинамики внутри циклона. Для сбора уловленной пыли изготовлена емкость, подсоединяемая к форбункеру на защелках.
Важной составной частью экспериментального стенда является узел пылеподачи, схема которого представлена на рис. 2.7. Как известно [83] метод искусственного запыления оказывает большое влияние на достоверность получаемых результатов.
Разработка пылеулавливающей установки с системой регенерации для мини-центральных систем аспирации
Логическим продолжением предыдущей задачи явилась разработка и конструирование модели промышленного пылеотсоса, конструкция которого позволит сочетать в себе все достоинства существующих моделей аппаратов и устранить их существенные недостатки.
За основу при конструировании и проектировании опытной модели промышленного пылеотсоса был взят аппарат ПФЦ-2000К. Простота конструкции и принятые технические решения позволили при небольших размерах совместить в нем циклонный элемент - первая ступень очистки, и кассетный фильтр -вторая ступень для более тонкой очистки. Наличие в аппарате двух ступеней очистки позволяет широко использовать его на предприятиях различных отраслей промышленности. Внешний вид предлагаемой конструкции аппарата представлен ниже.
Проектная производительность составляет 8000 м3/ч. Установка имеет две фильтровальные кассеты 6 диаметром 700 мм и высотой 905 мм. Диаметр кассеты был выбран максимальным исходя из технических возможностей предприятия-изготовителя. С целью увеличения поверхности фильтрования размер гофр был увеличен с 50 до 75 мм (что повлекло за собой модернизацию станка для гофрирования бумаги).
Количество гофр было выбрано на основе опыта зарубежных производителей и оптимизировано опытным путем в ходе проведения экспериментов по определению эффективности работы системы регенерации. Их количество было выбрано равным 350. Площадь фильтровальной поверхности:
Определим скорость фильтрования очищаемого воздуха при номинальной производительности фильтра:
Полученное значение скорости фильтрования лежит в области скоростей рекомендуемых зарубежными производителями фильтровальных бумаг.
Фильтровальная кассета устанавливается непосредственно на выхлопную трубу циклонного элемента. Фильтрование осуществляется изнутри кассеты, верхний торец который имеет глухую крышку.
Улиточный завихритель 1 выполнен в виде двух зеркально расположенных улиток построенных по конструкторскому квадрату с раскрытием на 3/4 и объединенных общим входом. Входной патрубок имеет размер 430x305мм. Скорость запыленного потока в нем составляет:
Внутри улиточного завихрителя размещаются три вставки предназначенные для установки аппарата на опорные стойки 4. Внутренние стенки провариваются прерывистым швом и промазываются герметиком изнутри. Общий вид и расположение внутренних стенок изображено на рис. 3.7.
В циклонном элементе 2 под действием центробежных сил происходит удаление более крупных частиц пыли (более 10 мкм) и волокнистой составляющей, что позволяет уменьшить нагрузку на фильтровальную кассету и продлить срок ее службы. Концентрация пыли после первой ступени очистки составит в среднем 0,5 г/м3.
Конструкция аппарата предполагает совместное использование с пылевым вентилятором, подбираемым в зависимости от особенностей сети в соответствии с проведенным аэродинамическим расчетом сети воздуховодов.
В виду того, что разрабатываемый промышленный пылеотсос предполагается использовать для местных систем аспирации, т.е. в непосредственной близости к оборудованию и обслуживающему персоналу, то повышенные требования предъявляются не только к качеству очистки воздуха, но и к шумовым характеристикам обслуживающего его вентилятора.
Выбор исходных данных для расчета
Исходным параметром для расчета системы аспирации является расход воздуха V. на каждом участке системы. Значения расхода воздуха, отсасываемого из каждого укрытия, местного отсоса, задается технической характеристикой машины, либо рассчитывается с учетом количества выделяемой вредности, ее свойств, норм удаления и конструкции приемного устройства (отсоса).
Расход воздуха на каждом участке принимается как средний между расходами в начале Vn и в конце участка с учетом утечки или подсоса воздуха через неплотности во фланцах, ревизиях и т.п. Имеющиеся опытные данные по проценту А V подсосов или утечек от расхода в начале воздуховода в зависимости от его длины (до 150 м) можно аппроксимировать зависимостью:
Использование данной зависимости представляет интерес лишь при проведении оценочных расчетов и решения общих проектных задач. С практической точки зрения данная зависимость не отражает реальной картины. Величина подсосов будет напрямую зависеть от выбора типа соединения, качества изготовления отдельных элементов, а так же от качества монтажа. Поэтому данная зависимость должна уточняться в ходе пуско-наладочных работ и эксплуатации систем аспирации.
В соответствие с этим, расход воздуха на каждом участке системы: При последовательном соединении воздуховодов расход воздуха в начале каждого участка равен расходу в конце предыдущего:
Расход воздуха в начале участка, следующего за узлом, в котором соединяются параллельные ветви, равен сумме расходов в конце каждой параллельной ветви:
Вторым исходным параметром является минимальная скорость воздуха Wm необходимая для поддержания частиц пыли во взвешенном состоянии на всех участках системы.
Если системой аспирации отсасывается многокомпонентная пыль, то Wm принимается равной минимальной скорости транспортирования частиц Wm. На основании изучения и анализа фактических параметров работы аспирационных и пневмотранспортных установок различных производств в таблице 4.3 предлагаются следующие минимальные скорости транспортирования [53, 88, 96] различных (в том числе и текстильных) материалов.
Особенностью рекомендаций, представленных в таблице 4.3 таблице, является зависимость Wm от концентрации материала р, в потоке. При этом 0,1 ц 0,3 кг м./кг в. Если 0 ц 0,1 кг/кг, Wm следует принимать для р. = 0,1 кг м/кг в.
Если в систему аспирации пыль не попадает, то Wm в отводах принимается равной 5...6 м/с, в магистральных линиях 8... 12 м/с, либо следует для каждого участка рассчитывать экономически оптимальную скорость.
Массовая концентрация частиц на каждом участке системы аспирации определяется через массу частиц, поступающих в воздуховод в единицу времени Gi и расход воздуха в нем:
Следует отметить, что при расчете начальных участков принимают величины максимальных мгновенных значений выхода пыли от аспирируемого оборудования, что соответствует условиям, когда в технологическом процессе выделяется теоретически возможное максимальное количество пыли.
На последовательных участках G, = const, а на участке, следующем за узловой точкой соединения параллельных ветвей Gi = GjJt... + Gk.
Коэффициент влияния материала на потерю давления К зависит от многих факторов: физико-механические свойства частиц, концентрация частиц в потоке, диаметр воздуховода, скорость транспортирования частиц. Имеющиеся в литературе данные по коэффициенту К весьма ограничены.
В конце любой системы аспирации или пневмотранспорта обычно устанавливается пылеуловитель для очистки отработавшего воздуха. Выбор типа, конструкции пылеуловителя и его расчет зависят от физико-механических свойств улавливаемой пыли, расхода воздуха, концентрации пыли на входе, требований к эффективности ее улавливания, располагаемого давления и др. факторов.
