Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Курсовая работа

Проект аспирационной системы обеспыливающей вентиляции предприятия по производству строительных материалов



Оглавление

Введение

1. Анализ аспирационных укрытий мест перегрузки сыпучих материалов на предприятиях по производству строительных материалов и направлений его совершенствования

1.1 Способы борьбы с пылевыделениями при перегрузках сыпучих материалов в цехах по производству силикатного кирпича3

1.2 Направления совершенствования конструкций аспирационных укрытий3

1.3 Цель и задачи исследований

2. Численный эксперимент исследования пылеаэродинамических процессов в аспирационных укрытиях

2.1 Цели и задачи численного эксперимента

2.2 Планирование и методики проведения численных экспериментов

2.3 Анализ результатов численного эксперимента

2.4 Результаты численного построения линий тока и траекторий движения пылевых частиц

3. Экспериментальные исследования пылеаэродинамических процессов в предложенной конструкции укрытия

3.1 Разрежение в укрытии

3.2 Коэффициент местного аэродинамического сопротивления укрытия

4. Общие рекомендации по проектированию систем аспирации

аспирационное укрытие сыпучий материал



Введение

Актуальность работы. Технологические процессы предприятий строительной индустрии, включают в себя процессы механической переработки и конвейерного транспортирования, связанные с гравитационным перемещением больших количеств сыпучих материалов по закрытым желобам и сопровождающиеся интенсивным выделением пыли.

Средства борьбы с пылевыделением (комплексные системы обеспыливания), поддерживающие концентрации пыли в воздухе рабочей зоны ниже ПДКр.з., включают в себя системы аспирации (АС), общеобменной вентиляции и вакуумной пылеуборки. В ряду, которых системы аспирации (АС) занимают важное место, непосредственно локализуя источник пылеобразования. Эксплуатация систем местной вытяжной вентиляции (аспирации) связана с большими затратами, что вызвано большой энергоемкостью данных систем (до 20% от технологических мощностей). Энергоемкость обеспыливающих систем обусловлена транспортированием значительного объёма воздуха. Как показали исследования В.В. Недина, О.Д. Нейкова, В.А. Минко, И.Н. Логачева, И.И. Афанасьева, Ф.И. Данченко, Ю.И. Пирогова, В.Д. Олифера и др. сокращение затрат может быть достигнуто совершенствованием конструкций укрытий источников пылевыделения, позволяющих существенно влиять на распределение, формирование пылевоздушных потоков и как следствие снижать объемы аспирируемого воздуха. Значительные исследования в этой области, существование множества вариантов полезных моделей укрытий не дают решения ряда задач. Сегодня существуют методики подбора только малого спектра укрытий, в целом же проектирование укрытий базируется на рекомендациях. Одна из которых - это повышение габаритов укрытий. Увеличение размеров укрытий не всегда возможно по архитектурным, строительным и технологическим особенностям производств. В связи с этим очевидна актуальность разработки конструкции укрытия для применения в стесненных условиях, позволяющего влиять на процесс эжекции воздуха перегружаемым материалом.

Методы исследования включали аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, полупромышленные обработку экспериментальных данных методами математической статистики с применением ПЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- получена экспериментальная зависимость для вычисления аэродинамического сопротивления аспирационного укрытия;

Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций для расчета и проектирования аспирационных систем обеспыливающей вентиляции предприятий по производству строительных материалов.



1. Анализ аспирационных укрытий мест перегрузки сыпучих материалов на предприятиях по производству строительных материалов и направлений его совершенствования

В результате натурных обследований предприятий по производству силикатного кирпича и строительной керамики, установлено, что при таких технологических операциях как дробление и помол извести, смешение компонентов, гашение силикатной массы и прессование кирпича в атмосферу производственных помещений выделяется большое количество пыли. В таблице 1.1 по данным санитарно-эпидемиологических станций разных городов приведены минимальные и максимальные значения концентрации пыли на рабочих местах в основных отделениях заводов силикатного кирпича.

Таблица 1.1 Концентрация пыли на рабочих местах

Отделение	Концентрация пыли, мг/м3
Дробильное	117-595
Помольное	18,4-373
Смесительное	54-290
Силосное (загрузка)	12-120
Силосное (выгрузка)	24-157
Прессовое	10-86

Из таблицы 1.1 видно, что запыленность воздуха во всех отделениях во много раз превышает ПДК, что приводит к возникновению массовых профессиональных заболеваний. Поэтому снижение запыленности воздуха на заводах силикатного кирпича с помощью обеспыливающей вентиляции представляет собой важную задачу.

Ленточные конвейеры сегодня это самый распространенный тип транспортирующих машин непрерывного действия, используемый во всех отраслях промышленности. Преобладающее количество конвейерных установок, работающих в нашей стране, около 90% это ленточные конвейеры. Одним из процессов интенсивного пылевыделения в воздух рабочей зоны является загрузка и перегрузка ленточных конвейеров сыпучими материалами, что является их основным недостатком.

Причиной выделения пыли при этом являются возникновение в аспирационных укрытиях избыточного давления:

- в результате процесса аэродинамического взаимодействия перегружаемого материала перемещающегося под действием сил тяжести с воздухом в желобе укрытия;

- в результате разницы между плотностью воздуха в желобе и плотностью воздуха, окружающего перегрузочный узел, возникающей вследствие теплообмена при перегрузке нагретого влажного материала.

Раскрытие механизмов создания эжекционного потока воздуха позволит не только прогнозировать величину загрязнений атмосферы пылевыми выбросами, но и выбирать рациональное техническое решение локализации источника пылевыделения и обеспыливания воздуха.

1.1. Способы борьбы с пылевыделениями при перегрузках сыпучих материалов в цехах по производству силикатного кирпича

Можно выделить основные методы борьбы с пылеобразованием.

1. Технологический - совершенствование технологического процесса и оборудования (создание экологически чистого производства);

2. Обеспыливающая вентиляция (аспирация, общеобменная вентиляция, вакуумная пылеуборка) - комплексный подход к решению проблемы борьбы с пылеобразованием;

3. Гидрообеспыливание- увлажнение материала, в результате чего мелкие частицы прилипают к крупным;

4. Пенопылеподавление покрытие слоем пены поверхности сыпучего материала, что препятствует выделению пыли.

Технологический метод борьбы с пылеобразованием является одним из перспективных и наиболее эффективных. Но его применение возможно лишь на стадии проектирования технологического процесса, и практически не применимо на действующих предприятиях. Гидрообеспыливание способно выступать лишь в виде вспомогательного метода при борьбе с пылеобразованием, так как не способно решать одну из основных проблем пылеобразования избыточное давление. А в ряде случаев применение данного метода по технологическим соображениям невозможно. Обеспыливающая вентиляция наиболее оптимальный на сегодня подход к решению борьбы с пылеобразованием на действующих (а также и на проектируемых) предприятиях, потому что позволяет решать проблему первичного и вторичного пылеобразования. Важнейшей составляющей обеспыливающей вентиляции является аспирация - наиболее универсальный и распространенный способ борьбы с сосредоточенными (основными) источниками пылеобразования при переработке сыпучих материалов, обеспечивающая эффективную локализацию пылевыделений аспирационными укрытиями с последующей очисткой пылевоздушного потока. Работа системы аспирации осуществляется следующим образом: аспирационное укрытие снабженное местным отсосом (аспирационной воронкой), предотвращает выбивание пылевоздушного потока в область рабочей зоны производственного помещении при поддержании оптимального разрежения. Удаляемый из укрытия пылевоздушный поток подается на очистку в пылеуловитель, и потом вентилятор выбрасывает в атмосферу. Аспирационная система (АС) состоит из укрытия с местным отсосом (МО), воздуховодов, пылеуловителя и вентилятора. АС бывает централизованная (ЦСА) и децентрализованная (ДСА) (рис.1.1.). Децентрализованные системы объединяют небольшое количество МО обычно по технологической цепочке одновременно работающего оборудования, или от одного перегрузочного узла. Централизованные системы объединяют все цеха. Эти системы в свою очередь разделяются на коллекторные и разветвленные (безколлекторные). Коллекторные системы бывают с горизонтальным (рис.1.1.в) или вертикальным коллектором (рис.1.1.б).

Рис. 1.1. Схемы децентрализованной (а) и централизованной АС (б, в, г): 1 - верхнее укрытие; 2 - нижние укрытие; 3 - местный отсос; 4 - воздуховоды; 5 - пылеуловитель; 6 - вентилятор, 7, 8 - вертикальный и горизонтальный коллектора

Решение вопросов конструктивного оформления технических элементов систем аспирации зависит от степени учета условий технологии переработки сыпучих материалов и особенности эксплуатации технологических устройств. Рационализация данных технологических решений требует подробного исследования аэродинамики процесса формирования пылевоздушного потока, процессов выделения пылевых частиц и сепарация их из воздуха во всех технических локализующих устройствах в желобах, в укрытиях и в аспирационных воронках. Снижение концентрации пыли при этом в аспирируемом воздухе, не только упрощает и снижает стоимость процесса очистки в пылеулавливающей установке. Предварительная очистка воздуха в укрытиях от крупнодисперсной пыли повышает надежность эксплуатации системы воздуховодов, снижая степени засорения горизонтальных участков вентиляционной сети частицами пыли и, абразивного износа внутренних стенок воздуховодов, что сказывается на повышении эффективности работы аспирационных систем.

Требования к снижению энергоемкости аспирационных установок приводят к применению точных методов расчета и особых мер уменьшения объемов аспирации.

При создании и разработке технических устройств систем аспирации необходимо:

- проанализировать работу источников пылевыделения, их технологические и конструктивные особенности и произвести подбор типа и основных конструктивных элементов укрытий;

на основе учета аэродинамического взаимодействия сыпучего материала и воздуха, произвести расчет производительности местных отсосов и определить рациональное размещение аспирационных отсосов;

на основе анализа аэродинамических и пылединамических процессов выбирать тип и компоновку технических устройств, для снижения концентрации пыли в аспирируемом от источника пылевыделения воздуха и предварительного осаждения пыли в укрытиях.

1.2 Направления совершенствования конструкций аспирационных укрытий

Проанализировав современные направления в разработке и эксплуатации методов и средств обеспыливания, можно выделить три основных направления снижения пылевых выбросов при перегрузках строительных материалов :

- снижение концентрации пыли в аспирируемом воздухе [;

- уменьшение объемов воздуха, отсасываемого из аспирационных укрытий;

- эффективная пылеочистка аспирационного воздуха.

Одним из эффективных способов снижения концентрации пыли является увлажнение перегружаемых материалов и гидрообеспыливание. В работах В.П. Журавлева, А.А. Цыцуры, И.Г. Ищука и их последователей раскрыты процессы взаимодействия пылевоздушных смесей с диспергированными жидкостями, найдены режимные параметры и конструкции устройств позволяющие оптимизировать пылеулавливание при увлажнени сыпучих материалов узлов перегрузки. Данный метод имеет достаточно широкое применение при добыче и переработке минеральных материалов. Успешно применяется на дробильных, рудоподготовительных и обогатительных фабриках, при транспортировании железных руд. На предприятиях по производству силикатного кирпича данный метод не применим, влажность перегружаемых материалов должна находиться в заданных переделах. Использование систем аспирации (сухой метод борьбы) является более универсальным, он позволяет управлять процессами эжекции воздуха и герметизации укрытий. Снижение производительности систем аспирации оказывает на общие объемы пылевых выбросов производства, но и уменьшает энергозатраты вентиляционных установок, причем как вытяжных, так и приточных.

Выполнив анализ состояния и направления совершенствования пылегазодинамичеких характеристик аспирационных укрытий мест загрузки конвейерного транспорта можно выделить перспективные направления совершенствования систем аспирации:

- модернизирование аспирационных укрытий.

- Использование рециркуляции в системах аспирации.



Рис. 1.2. Общий вид перегрузочного узла с оборудованного аспирационным укрытием (Патент РФ №97168): 4 - верхняя крышка; 3, 2, 1 - задняя, передняя и боковые стенки; 5 - перегрузочный желоб; 6, 7 - эластичные уплотнения; 8 - задняя стенка внутреннего короба; 9 - боковые стенки внутреннего короба; 10 - боковые наклонные стенки внутреннего короба; 11 - аспирационная воронка; 12 - передняя стенка внутреннего короба.

1.3 Цель и задачи исследований

Цель работы: разработка рекомендаций по снижению эксплуатационных и капитальных затрат на системы обеспыливающей вентиляции при производстве строительных материалов

Задачи исследования:

· провести анализ состояния и направлений совершенствования пылегазодинамических характеристик аспирационных укрытий мест загрузки конвейерного транспорта.

· провести эксперимент исследования влияния элементов системы обеспыливающей вентиляции на её энергоёмкость.

· Разработать рекомендации для инженерного проектирования обеспыливающей вентиляции.



2. Численный эксперимент исследования пылеаэродинамических процессов в аспирационных укрытиях

2.1 Цели и задачи численного эксперимента

Проведенные ранее теоретические и экспериментальные исследования позволили установить ряд факторов влияющих на пылеунос из аспирационного укрытия и на объемы аспирируемого воздуха. Это конструкция аспирационного укрытия, высота падения перегружаемого материала, площади неплотностей верхнего и нижнего укрытий, конструкция желоба и физико-химические свойства перегружаемого материала. Одним из основных факторов, способных влиять на объемы аспирируемого воздуха, является конструкция аспирационных укрытий. Раскрытие механизма влияния конструктивных особенностей укрытий на объемы аспирируемого воздуха, скорость воздушного потока при входе в аспирационную воронку, линий тока в аспирационном укрытии, траектории движения пылевых частиц позволит дать рекомендации по проектированию аспирационных укрытий мест загрузки перегружаемого материала.

Численный эксперимент имеет несколько целей:

- исследование характера влияния параметров основных конструктивных элементов на составляющие объемов аспирации и концентрацию удаляемой пыли;

- построение линий тока воздуха при различных параметрах основных конструктивных элементов;

- построение траекторий движения частиц различного размера в аспирационных укрытиях.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

- разработать комплекс программ и алгоритмов реализации математической модели;

- разработать планы и методики проведения численных экспериментов;

- провести ряд численных экспериментов по принятой методике при помощи разработанных алгоритмов и программ.

2.2 Планирование и методики проведения численных экспериментов

Для реализации алгоритмов численного расчета динамики пылевоздушных потоков в укрытиях разработан комплекс моделей (Табл. и рис) добавить рисунки общих видов аспирационных укрытий из солида.

Таблица 1 Перечень моделей аспирационных укрытий

Укрытие с одинарными стенками (УО)	Укрытие с двойными стенками и жесткой перегородкой (УД ЖП)	Разрабатываемое укрытие (РУ)
Изменяемые параметры
Ширина укрытия
Высота укрытия
Длина укрытия
Расстояние от аспирационной воронки до желоба	Расстояние жесткой перегородки от желоба и аспирационной воронки	Расстояние от аспирационной воронки до желоба
Площадь и характер неплотностей
		Геометрические параемтры внутреннего короба (длинна, углы наклона стенок, высота)
Наличие проема (его геометрические параметры) на выходе из укрытия
Наличие отбойной плиты и ее геометрические параметры
Объемы аспирации
Объемы эжекции
Регистрируемые (измеряемые) параметры
распределение давлений в укрытии
линии тока
траектории пылевых частиц
количество пылевых частиц
диаметры пылевых частиц
объем воздуха поступающего через неплотности

Анализ имеющихся в литературе данных [2, 19, 1, 12, 20, 22, 21, 40, 43, 48] по исследованию процессов в аспирационном укрытии показал, что наибольшее влияние на эффективность работы укрытия (минимизация объемов аспирации и концентрации пыли в удаляемом воздухе) оказывают следующие параметры основных конструктивных элементов (рис. добавить рисунок с основными конструктивными элементами с отображение условных обозначений изменяемых параметров):

- габариты укрытия, длинна L, ширина B и высота H;

- положение аспирационной воронки относительно желоба L_АСП;

- расстояние от ленточного конвейера до жесткой перегородки h;

- расстояние от желоба до жесткой перегородки L_ЖП;

- площадь и характер неплотностей Fн.

Однако, предлагаемая конструкция укрытия имеет ряд конструктивных особенностей значительно отличающих её от рассматриваемых наиболее распространенного укрытия с одинарными стенками и удачного в аэродинамическом отношении укрытия с двойными стенками. На модель разрабатываемого укрытия получен патент на полезную модель №97168 «Аспирационное укрытие мест перегрузки сыпучего материала» (приложение х).

Отличительными параметрами конструктивных элементов разрабатываемого укрытия (рис.) являются:

- длина внутреннего короба L_КОР;

- расстояние от верха внутреннего короба до ленты конвейера h_КОР;

- угол наклона верхних крышек внутреннего короба б_КОР;

- расстояние от желоба до аспирационной воронки L_АСП.

В процессе эксперимента решается внутренняя стационарная задача движения пылевоздушной смеси в полости аспирационного укрытия от желоба до аспирационного воздуховода (рис. добавить). Геометрические размеры экспериментальной модели соответствуют аспирационной системе узла перегрузки при: высоте перегрузки - 2 м, сечении желоба - 0,09 м², ширине принимающего конвейера - 500 мм. Соотношение объемов аспирируемого и эжектируемого воздуха Q_ж/Q_а = 0,3/0,52 м³/с принято характерным (эффективным из условия не выбивания воздуха из укрытия) для укрытия с двойными стенками и жесткой перегородкой на основании проведенных численных экспериментов по сравнению различных типов укрытий (см. п…. и Приложение Х), исследований и рекомендаций [1, 2, 9, 11, 12, 19, 20, 22, 26, 28, 33, 86, 87, 85]

Для решения данной задачи были приняты начальные и граничные условия исследуемой модели.

Начальные условия:

1. Физические величины параметров среды.

2. Геометрические параметры укрытия (ширина укрытия B, площадь прохода внутреннего короба Fкор, площадь неплотностей Fн).

Граничные условия (рис. добавить ):

1. Объемный расход воздуха на входе желоб Q_ж=0,3 м³/с принят характерным для укрытия с двойными стенками и жесткой перегородкой (лучшее в аэродинамическом отношении).

2. Объемный расход воздуха на выходе из аспирационной воронки Q_а=0,52 м³/с.

3. Статическое давления по периметру укрытия имитирующее область рабочей зоны (Па).

4. Абсолютно гладкие стенки элементов укрытия, желоба и аспирационной воронки.

5. Про частицы

Все начальные и граничные условия приняты таким образом, чтобы максимально ускорить процесс расчета модели, что обуславливается рядом принятых допущений:

1. Параметры газа в выделенном объеме неизменны.

2. Считаем движение установившимся.

3. Движение воздуха на входе в желоб и выходе из аспирационной воронки предполагается сплошным.

4. Столкновениями частиц между собой и их влиянием на распределение скорости в полости укрытия пренебрегаем.

Предположение справедливо для двухфазных потоков с массовой концентрацией твердой фазы ( < 5…7), характерных для систем аспирации [1]. В этом случае частицы движутся на сравнительно большом расстоянии друг от друга (более 6 диаметров) и вероятность их столкновения между собой мала.

5. Отсутствуют процессы дробления, слипания (коагуляции) и образования новых дисперсных частиц.

6. Шероховатостью поверхностей укрытия пренебрегаем.

7. Выбивание воздуха из внутреннего короба во внешний не происходит в виду загруженностью приемного короба материалом [19, 94, 95, 96].

Площадь поперечного сечения слоя материала на ленте верхнего конвейера, определяемая очевидным равенством [19]:

	(

с_н насыпная плотность материала, кг/м³; _л скорость ленты подающего конвейера, м/с.

h условная высота слоя материала на конвейере, равная

Основной целью численного эксперимента является качественный анализ влияния основных конструктивных элементов на эффективность работы укрытия определяющейся концентрацией пыли, объемами аспирации при условии полного не выбивания из укрытия мелких частиц пыли в область рабочей зоны и принятие наиболее совершенного соотношения конструктивных параметров укрытия.

В качестве факторов численного эксперимента приняты: высота укрытия H, длинна укрытия L, длина внутреннего короба L_КОР, расстояние от желоба до аспирационной воронки L_АСП (см. рис.).

В процессе эксперимента фиксировались выходные величины (отклики): среднее разрежение по периметру укрытия Р_у, максимальный диаметр частиц уносящихся в аспирационную воронку d_max, счетная концентрация частиц уносящихся в аспирационную воронку с_АСП , скорость воздуха в щели неплотности v_щ направленная перпендикулярно внешней стенки укрытия, минимальный диаметр уносящихся из укрытия частиц dmin (см. раздел).

План численного эксперимента представлен в приложении х.

Результатом численного эксперимента будут служить предпосылки к созданию методики расчета основных конструктивных параметров разрабатываемого аспирационного укрытия.

2.3 Анализ результатов численного эксперимента

Определение конструктивных и режимных параметров существенно влияющих на пылеунос в аспирационную сеть и пылевыбивание в рабочию зону из укрытия.

Для проведения анализа результатов численного эксперимента позволяющего получить качественную оценку влияния конструктивных параметров на концентрацию пыли в аспирируемом воздухе, выбивание пыли из укрытия в область рабочей зоны и величину максимального диаметра частиц выносимых в аспирационную воронку были использованы корреляционный анализ и построение трехмерных графиков.

Между переменными (L, H, Lкор, Lасп, dmax, dmin) может существовать функциональная связь, проявляющаяся в том, что одна из них определяется как функция от другой. Но между переменными может существовать и связь другого рода, проявляющаяся в том, что одна из них реагирует на изменение другой изменением своего закона распределения. Такую связь называют стохастической. Она появляется в том случае, когда имеются общие случайные факторы, влияющие на обе переменные. В качестве меры зависимости между переменными используется коэффициент корреляции, который изменяется в пределах от -1 до +1. Если коэффициент корреляции отрицательный, это означает, что с увеличением значений одной переменной значения другой убывают.

Если переменные независимы, то коэффициент корреляции равен 0 (обратное утверждение верно только для переменных, имеющих нормальное распределение). Но если коэффициент корреляции не равен 0 (переменные называются некоррелированными), то это значит, что между переменными существует зависимость. Чем ближе значение к 1, тем зависимость сильнее. Коэффициент корреляции достигает своих предельных значений +1 или -1, тогда и только тогда, когда зависимость между переменными линейная.

Принято считать, что при /r/ < 0,25 -- корреляция слабая, 0,25 < r< 0,75 -- умеренная, при /r/ > 0,75 -- сильная [132, 133]. Сильная корреляция означает, что связь между переменными может быть близкой к линейной, но может быть явно нелинейной.

В этом случае требуются дополнительные статистические исследования характера зависимости с применением процедур нелинейного оценивания, так как не имеется естественного обобщения коэффициента корреляции Пирсона на случай нелинейных зависимостей. Результаты корреляционного анализа проведенного при помощи программного комплекса Statistica приведенны в таблице 2.1.



Таблица 2.1. Результаты корреляционного анализа (корреляции являются существенными для p<0,05)

	dmax	Cасп	dmin
L	-0,36	-0,32	0,12
H	0,27	-0,13	-0,37
Lасп	0,63	0,28	-0,33
Lкор	-0,17	-0,41	0,24

Использование 3D Graphs (трехмерные графики) позволяет анализировать данные в трехмерном пространстве. Например, строить трехмерное изображение последовательностей исходных данных для одной или нескольких выбранных переменных. Выбранные переменные можно представить по оси У, последовательные наблюдения -- по оси X, а значения переменных (для данного наблюдения) -- по оси Z. По своей идее 3D Graphs сходны с составными линейными графиками, с тем лишь отличием, что для трехмерных графиков исходных данных ленты, линии, параллелепипеды и другие трехмерные представления значений каждой переменной не пересекаются (как в двухмерном графике), а «раздвигаются» в трехмерной перспективе.

3D Graphs применяются как для отображения данных, так и для аналитических исследований. Наиболее типичным приложением является наглядное представление имеющейся информации. Основное преимущество трехмерных представлений перед двухмерными составными линейными графиками заключается в том, что для некоторых множеств данных при объемном изображении легче распознавать отдельные последовательности значений. При выборе подходящего угла зрения с помощью, например, интерактивного вращения линии графика не будут перекрываться или «попадать друг на друга», как часто бывает на составных линейных двухмерных графиках.

Рассмотрим и проанализируем основные результаты численного эксперимента, представленных на графиках (рис. ).

На повышение концентрации и dmax особое влияние оказывает отсос воздуха непосредственно в месте выхода воздуха из внутреннего короба (данная зона характеризуется формированием слияния потоков и возможным образованием вихря), минимальное же значение концентрации характерно при отсосе воздуха непосредственно над внутренним коробом при максимально возможной длинне укрытия. На снижение вероятности выбивания пыли из укрытия оказывает отсос воздуха непосредственно над внутренним коробом (быстро срывающий и разворачивающий на 180^o эжекционный поток воздуха) , максимальная длина (повышающая общий путь частицы) и минимальная высота укрытия (способствующая изменению траектории частиц, и срыванию эжекционного потока от конвейерной ленты в сторону аспирационной воронки). Что позволяет выделить важным фактором соотношение растояний Lасп, Lкор, L.

Проведенный численный эксперимент позволил выделить ряд на наш взгляд лучших сочетаний соотношений конструктивных параметров разрабатываемого укрытия.

Таблиц Наиболее совершенные соотношения конструктивных параметров разрабатываемого аспирационного укрытия.

L, м	1,8	1,8	1,8	1,8	1,8
Lкор, м	0,5	0,5	0,7	0,5	0,7
Lасп, м	0,05	0,05	0,3	0,3	0,05
H, м	0,2	0,3	0,2	0,3	0,4
достоинства	dmax=150 dmin=500 c=17,8%	dmax=270 dmin=250 c=13,3%	dmax=260 dmin=250 c=11,1%	dmax=260 dmin=290 c=16,7%	c=8,9%
недостатки		H=0,3 м		H=0,3 м	dmin=100 dmax=300 H=0,4 м



2.4 Результаты численного построения линий тока и траекторий движения пылевых частиц

В зависимости от аэродинамической характеристики одиночной частицы можно выделить следующие группы: аэрозоли (размер транспортируемых частиц менее 50 мкм), тонкодисперсные аэросмеси (от 50 до 150 мкм), грубодисперсные аэросмеси (от 250 мкм до 1,5…2 мм).

Частицы аэрозоля (в нашем случае это кварцевая пыль с плотностью 2600 кг/м³, размер частиц пыли менее 50 мкм) движутся по траекториям: частицы менее 10 мкм движутся по линиям тока воздуха в полости укрытия, частицы более 10 мкм частично в процессе движения по укрытию сепарируются из основного потока. И чем больше размер частиц, тем выше степень их сепарации из воздушного потока. Также на степень сепарации пыли влияет конструкция укрытия вследствие изменения характера движения и слияния потоков воздуха поступающего по желобу и через неплотности. В процессе слияния и разворота потока воздуха происходит выделение пыли свыше 10 мкм из потока и повышается вероятность выноса её из укрытия. Одни из наилучших результатов сепарации частиц характерны для укрытия со следующими размерами L=1,8 м, B=0,5 м, H=0,2 м, Lкор=0,5 м, Lасп=0,05 м. На рисунках …… представлены траектории движения частиц с размерами 10, 50, 100, 150, 250, 500 мкм соответственно.



3. Экспериментальные исследования пылеаэродинамических процессов в предложенной конструкции укрытия

3.1. Разрежение в укрытии

Для предотвращения выбивания пылевоздушной смеси из укрытия в воздух рабочей зоны необходимо по периметру укрытия поддерживать устойчивое разрежение, создающие встречный воздушный поток через неплотности укрытия.

Значение разрежения в аспирационном укрытии определяется значением и способом измерения статического давления на внутренней поверхности стенок укрытия. Статическое давление по периметру стенок укрытия зависит от аэродинамических, тепло- и массообменных процессов происходящих в укрытии.

Исследования динамики воздушных потоков, проведенные Нейковым О.Д., Логачевым И.Н. [72, 93, 94] показали, что характер распределения воздушных потоков в полости укрытия места загрузки материала определяется взаимодействием приточных струй эжектируемого воздуха и воздуха поступающего через неплотности, а также всасывающим факелом аспирационной воронки. Поток эжектируемого воздуха, поступая из желоба, настилается на конвейерную ленту и на внутренние стенки укрытия. Динамическое давление потока у внутренних поверхностей стенок переходит в статическое, что сказывается тем самым на неравномерности распределения давлений на внутренней поверхности внешних стенок.

Высокое давление при этом характерно для участков наиболее близких месту падения материала на конвейерную ленту, где скорость струи эжекционного потока выше.

В сторону аспирационной воронки происходит уменьшение давления, что происходит в укрытии и при изменении расходов эжектируемого и аспириуремого воздуха.

Для предотвращения выбивания пылевоздушного потока из укрытия, необходимо добиться устойчивого разрежения на всей площади внутренних стенок укрытия. При этом наименьшая величина этого разрежения не должна быть меньше динамического давления потока у наиболее близких к желобу стенок [72, 93, 94]:

Значение оптимального разрежения в аспирационном укрытии пропорциональна динамическому напору пылевоздушного потока на выходе из желоба.

где k - коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивное оформление укрытий и условия выхода струи эжектируемого воздуха; v - скорость эжектируемого воздуха при выходе из желоба, м/с; p - плотность воздуха, кг/м³.

В процессе всех экспериментов фиксировались значения разрежения в укрытии. Целью измерения разрежения было определение его оптимального значения, при котором не происходит процесс выбивания пыли и достигаются минимальные объемы аспирируемого воздуха, соответственно и энергозатраты. Величину оптимального значения следует определять промышленными испытаниями и учитывать все факторы, влияющие на нее. Так, для укрытий мест загрузки конвейеров - это тип укрытия, следовательно, аэродинамические особенности процессов взаимодействия потоков эжектируемого воздуха и всасывающего спектра аспирационной воронки; размер перегружаемого материала и, как следствие особенность и интенсивность вытеснения воздуха в месте падения частиц перегружаемого материала на ленточный конвейер [9, 72, 83, 93].

На наш взгляд величину минимального разрежения целесообразней определять по формулам (4.1) и (4.2), так как, принимая разрежение по [5, 72, 83, 93] не учитываются такие важные параметры, влияющие на объемы эжекции и динамическое давление в конце желоба, как расход материала и конструкция желоба (площадь живого сечения). Что подтверждается в проведенных экспериментах. Основываясь на вышесказанном, перед нами встала задача исследования минимального разрежения обеспечивающего не выбивание воздуха из укрытий с одинарными и двойными стенками, с двойными стенками и жесткой перегородкой, и предлагаемой конструкции укрытия с целью их сравнения между собой и с результатами работ авторов [5, 72, 83, 93]. Для решения этой задачи нами был выполнены полупромышленный и промышленные эксперименты, результаты которых представлены на рис.4.1 и 4.2.,

Рис. 4.1. Расчетные значения разрежения (Vкор) и полученные эксперементально (ППЭ):



По результатам проведенных экспериментов удалось установить, что на величину оптимального разрежения преобладающее влияние оказывает величина динамического напора в конечном участке желоба (для укрытий с одинарными и двойными стенками) и входа во внешний короб (для укрытия с двойными стенками и жесткой перегородкой, и разработанного укрытия лабиринтного типа). В укрытии с эффектом двойных стенок (устойчивое равномерное разрежение по периметру укрытия) разрежение по периметру распределяется более равномерно по сравнению с другими типами укрытий. Минимальные объемы аспирируемого воздуха (при соблюдении условия не выбивания) характерны для укрытий работающих с эффектом двойных стенок, максимальные для укрытия с одинарными стенками.

Проанализировав полученные результаты, выделим следующее:

- равномерное разрежение в укрытиях с эффектом двойных стенок позволяет снизить объемы аспирируемого воздуха за счет снижения расхода воздуха поступающего через неплотности;

- повышенные значения оптимального разрежения в укрытии с двойными стенками и жесткой перегородкой приводят к увеличению объемов воздуха поступающего через неплотности, но в тоже время наличие жесткой перегородки в условиях реальных перегрузок оказывает значительное влияние на объемы эжектируемого воздуха, что в свою очередь полностью компенсирует данный недостаток;

- величина оптимального разрежения на наш взгляд должна уточняться расчетом для каждого из укрытий, а не выбираться исходя из существующих рекомендаций, установлено, что оптимальное разрежение для предлагаемой конструкции укрытия должно определятся по формуле (4.2) при коэффициенте пропорциональности (для разработанной конструкции укрытия по результатам промышленного эксперимента k=0,87);



Рис.4.2. Распределение разрежений по длине укрытий в условиях полупромышленных испытаний при B=500 мм, Q_ж=0,24 м³/с, S_ж=0,09 м².

- неравномерность распределения разрежения в укрытии с одинарными стенками приводит к увеличению расхода воздуха поступающего через неплотности и как следствие объемов аспирируемого воздуха, а также повышает вероятность выбивания пыли из укрытия в месте загрузки конвейера

- предлагаемую конструкцию укрытия работает с эффектом двойных стенок, т.е. в укрытии имеется внутренней короб - камера избыточного давления и внешний короб - камера устойчивого разрежения предотвращающего выбивание пыли в воздух рабочей зоны.

3.2. Коэффициент местного аэродинамического сопротивления укрытия

Исследования [20, 23, 24, 29, 40, 55, 76, 79-85, 89-94, 97, 98] показали, что в значительной степени на объемы воздуха поступающего по желобу оказывает влияние коэффициент местного сопротивления тракта «верхнее укрытие - желоб - нижнее укрытие».

Существующие методы расчета объемов аспирируемого воздуха [72, 83] позволяют учитывать эжектирующие свойства перегружаемых материалов, в том числе зная значение КМС нижнего укрытия. Так как значения КМС предлагаемой конструкции укрытия не известно, и его приближенное определение возможно только по [41], необходимо произвести исследования с целью разработки математической модели по определению данных значений.

Анализируя конструкцию укрытия, можно предположить, что потери давления в укрытии будут осуществляться при повороте потока, изменении площади поперечного сечения и за счет трения о стенки укрытия.

Для наиболее распространённых случаев изменения направления потоков (различные отводы, используемые в трубопроводных системах при транспортировке жидкостей и газов) и изменения сечения каналов посвящены достаточно глубокие исследования [41, 42]. В которых установлены основные особенности и выявлены основные факторы, влияющие на КМС.

1. Изменение направления потока в укрытии.

Вследствие изменения направления движения потока в укрытии появляются центробежные силы, направленные от центра кривизны к внешней стенке (конвейерной ленте). В результате чего давление у конвейерной ленты повышается, а у верхних стенок внутреннего короба снижается. Скорость потока соответственно будет меньше у внешней стенки (здесь проявляется диффузорный эффект), а вблизи внутренних стенок - конфузорный. Переход воздушного потока из изогнутой части в прямолинейную (после поворота) сопровождается обратными явлениями: диффузорным эффектом вблизи внутренней стенки и конфузорным вблизи внешней [41].

Диффузорное явление приводит к отрыву воздушного потока от стенок. При этом отрыв от внутренних стенок усиливается за счет движения потока, по инерции в изогнутом участке по направлению к внешней стенке. Образовавшаяся в процессе отрыва от внутренних стенок вихревая зона распространяется по длине и в ширину, существенно снижая проходное сечение для воздушного потока.

Основная доля потери давления в изогнутых полостях вызывается образованием вихря у внутренних стенок, который вместе с вторичными потоками определяет в целом и особенности распределения скоростей за поворотом.

Коэффициент сопротивления поворотов трубопроводов (в нашем случае полости укрытия) и особенность структуры потока в нем изменяется под влиянием факторов, обуславливающих степень турбулентности потока и профиль скорости на входе (Re=/, относительная шероховатость стенок = , условия входа: относительная длина прямого входного участка , относительное расстояние от предшествующей фасонной части и др.), а также геометрических параметров трубы (угол поворота , относительный радиус закругления r/ или - рис.4.3, относительная вытянутость поперечного сечения , отношение площадей входа и выхода и т.п.).



Рис.4.3. Схема скругления колена

При идентичных условиях поворот потока в полости внутереннего короба укрытия создает наибольшее сопротивление в случае, когда кромка изгиба на внутренних стенках острая; отрыв потока от такой стенки произойдет наиболее интенсивно. При угле поворота трубы под 90^о область отрыва потока у внутренней стенки за поворотом достигает 0,5 ширины трубы. Следовательно, интенсивность вихреобразования и сопротивление изогнутого канала тем значительнее, чем больше угол поворота. В нашем случае эти условия являются наиболее выгодными с точки зрения снижения объемов эжекции.

2. Изменение соотношения площадей / входа и выхода из колена изменяет его сопротивление. Уменьшение площади сечения за поворотом повышает коэффициент местного сопротивления. На коэффициент местного сопротивления в данном случае будет оказывать влияние [41, 42] угол сужения б и степень сужения n=F₁/F₀. При достаточно больших углах (б<10⁰) и степенях суждения (<0,3) после перехода от сужающегося участка прямолинейного конфузора к прямой части трубы поток отрывается от стенок, что и обусловливает в основном местные потери полного давления. Чем больше б и меньше , тем значительнее отрыв потока и больше сопротивление. Максимум сопротивления получается, естественно, при б=, когда происходит внезапное сужение сечения.



Рис. 4.4. Схема движения потока при внезапном сужении сечения

В соответствии с проведенным анализом и основываясь на результатах работ [41, 42, 83] основными факторами, существенно влияющими на КМС укрытия (рис.4.6) являются угол поворота тракта «желоб-укрытие» (угол наклона желоба к конвейерной ленте) и степень сужения =.

Рис.4.5. Общий вид экспериментальной установки по исследованию коэффициента местного сопротивления разработанного укрытия



Рис.4.6. Схема экспериментальной установки по исследованию коэффициента местного сопротивления разработанного укрытия.

Для получения математической зависимости, позволяющей провести количественную оценку величины гидравлического сопротивления разработанного аспирационного укрытия, был реализован центральный композиционный рототабельный план (ЦКРП) двух факторного эксперимента.

Обработка результатов ЦКРП позволила получить уравнение регрессии в виде квадратичной функции:

Y=bo+biXi+bijXiXj+biiXi²,

где Y - функция отклика; b_o - свободный член уравнения; b_i, b_ij, b_ii - коэффициенты, соответственно, при линейных параметрах, при эффектах взаимодействия и квадратичных членах; X_i , X_j - уровни варьирования факторов.

Откликом функции являлась величина аэродинамического сопротивления аспирационного укрытия _ау, рассчитываемая как перепад полных давлений до и после внутреннего короба укрытия, отнесенный к динамическому давлению эжекционного потока. Факторами, обуславливающими значение _ау, являлись: угол поворота тракта «желоб-укрытие» (угол наклона желоба к конвейерной ленте) и степень сужения n=F₁/F₀.

В соответствии с принятым планом (табл.4.1), было установлено, три уровня варьирования факторов и две звездные точки.

Таблица 4.1 Область факторного пространства ЦКРП

Факторы	Код	Уровни варьирования	Шаг
		-1,41	-1	0	+1	+1,41
угол поворота тракта «желоб-укрытие», град.	X1	2,57	15	45	75	87,42	30
степень сужения n=F1/F0	X2	0,2	0,3	0,55	0,8	0,9	0,25

После проведения экспериментальных исследований по разработанному плану эксперимента рассчитывали коэффициенты уравнения регрессии (4.3) и проводили оценку их значимости по критерию Стьюдента [11, 12, 17, 100]. Адекватность полученного уравнения экспериментальным данным проверялась с помощью критерия Фишера при уровне значимости 5 % [11, 12, 17]. Реализация плана эксперимента позволила получить уравнения регрессии, выражающие зависимости КМС аспирационного укрытия от угла поворота тракта «желоб-укрытие» (угол наклона желоба к конвейерной ленте) и степени сужения n=F₁/F₀ (отношения площади поперечного сечения внутреннего короба укрытия к площади желоба).

После проведения расчета коэффициентов уравнения регрессии и оценки их значимости выполненной в программе Statistica было получено следующие выражение для определения коэффициента местного сопротивления аспирационного укрытия:



ж_ау=28,83 -64,35n +0,0422a +34,69n² - 0,0002a²,

где n=F₁/F₀ (отношения площади поперечного сечения внутреннего короба укрытия к площади желоба), а- угол наклона желоба к конвейерной ленте.

Зависимости (4.4-4.5) будут справедливы при д=0⁰…90⁰, n=0,2…0,6 и 2•10⁵> Re>10⁴. Степени влияния д и n на величину КМС аспирационного укрытия не равнозначны, соотношение площадей желоба и внутреннего короба оказывают значительное влияние на КМС. Что связанно в первую очередь с конфузорным эффектом наблюдающимся в выходной части внутреннего короба. Соответственно исключив статистически незначимые коэффициенты уравнения регрессии получим зависимость для определения коэффициента местного сопротивления аспирационного укрытия:

жау = 1,4086 n ^-2,176

На основании полученных уравнений были построены графики функции отклика (рис.4.7-4.8).

Рис.4.7. График функции отклика коэффициента местного сопротивления (4.4)



Рис.4.8. Степенная зависимость КМС разработанного укрытия от n=F₁/F₀ (4.5)

4. Общие рекомендации по проектированию систем аспирации

Основным показателем, обуславливающим целесообразность замены аспирационного укрытия, является уровень пылевых выбросов, которые зависят как от объемов аспирации, так и от концентрации в нем.

Применение аспирации на заводах силикатного кирпича требует решения ряда задач:

1. Выбор рациональной конструкции укрытия места выделения пыли.

2. Расчет объемов аспирируемого воздуха, достаточных для предотвращения выбивания пыли из укрытий.

3. Выполнение гидравлического расчета воздуховодов.

4. Выбор пылеуловителя для очистки аспирируемого воздуха.

В настоящее время теоретически обоснована необходимость применения различных укрытий, конструкция которых зависит от типа оборудования. Для мест пересыпок с конвейера на конвейер рекомендуем применять разработанную в данной работе конструкцию укрытия.

Применение разработанной конструкции укрытия позволяет значительно снизить пылеунос за счет снижения объемов эжектируемого воздуха и концентрации пыли в аспирируемом воздухе. Также данное укрытие обладает меньшей высотой по сравнению с аналогами.

Достижение снижения пылеуноса, а как следствие и энергозатрат на эксплуатацию системы аспирации, достигается благодаря высокому аэродинамическому сопротивлению укрытия и возникновению инерционных сил в нем способствующих более эффективному пылеосаждению.

При расчете укрытия следует стремиться к максимальному снижению высоты укрытия, что в свою очередь окажет влияние на повышение КМС укрытия и как следствие снизится скорость движения воздуха в укрытии, что оказывает положительный эффект на сниение объемов эжекции и концентрации пыли. Важным условием также является отсос воздуха непосредственно над внутренним коробом, длина которого не должна быть меньше длины аспирационной воронки.

В общем случае экономический эффект от внедрения аспирационного укрытия может быть получен за счет сокращения затрат на электроэнергию, обусловленных снижением энергоемкости системы, а также улучшения экологической обстановки, в следствии снижения пылевого выброса в атмосферу промплощадок.

Длительное время применение аспирации на заводах силикатного кирпича сдерживалось отсутствием научно-обоснованных методов расчета объемов аспирируемого воздуха. В настоящее время такие методы. Учитывающие основные факторы, влияющие на объем аспирируемого воздуха для перегрузок влажного нагретого (силикатная масса) и ненагретого материала (комовая и молотая известь) разработаны [1, 19]. Особенностью технологического процесса производства силикатного кирпича является то, что силикатная масса в процессе гашения извести и после него имеет высокую температуру (до 70 ^оС), что приводит к испарению влаги с поверхности твердых частиц. Поэтому при обеспыливании мест выделения пыли от силикатной массы возникают дополнительные трудности по следующим причинам:

1. Температура аспирируемого воздуха превышает температуру воздуха в помещении.

2. Из укрытия вместе с отсасываемым воздухом выносятся не только твердые частицы, но и частицы влаги.

По указанным выше причинам в аспирационных воздуховодах массозаготавительных и прессовых отделений заводов силикатного кирпича движется паропылевая смесь, состоящая из трех компонентов: сухого воздуха, водяного пара и твердых частиц извести и песка.

Пар, конденсируясь на внутренней поверхности трубы, образует водяную пленку, к которой хорошо прилипают частицы извести и песка. Вступая между собой в реакцию, они образует гидросиликат кальция, который является связующим веществом. В результате на внутренней поверхности появляются плотные отложения, борьба с которыми даже механическими способами не дает положительного эффекта. Это приводит к зарастанию сечения воздуховодов и к быстрому их выходу из строя. Данная причина является основным препятствием для проектирования и эффективной эксплуатации аспирационных систем.

В настоящее время предлагается несколько способов борьбы с зарастанием воздуховодов, все они направлены на ликвидацию конденсации влаги как основной причины залипания. Один из способов рекомендует покрывать воздуховоды тепловой изоляцией, однако при транспортировании в них паропылевой смеси с относительной влажностью 100 % конденсация влаги таким образом не может быть ликвидирована.

На воронежском заводе силикатных изделий в течении нескольких лет функционировала аспирационная система с обогреваемыми воздуховодами. Воздуховоды этой системы выполнены по типу теплообменника «труба в трубе». По внутренней трубе движется паропылевая смесь. А в пространство между трубами подается горячий воздух. В результате температура стенок внутренней трубы поднимается и конденсация влаги прекращается.

Предложен также способ смешения аспирируемого воздуха с сухим горячим воздухом или газом. При этом параметр аспирируемого воздуха должны быть изменены до таких величин, при которых не происходит конденсация влаги [5]. В БГТУ им.В.Г. Шухова разработаны методики расче...