IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Аннотация:

Рассмотрено загрузочное устройство, позволяющее исключить возможность взмётывания складированного материала, за счет инерционной сепарации пыли, действующей на аэродинамической основе эффекта Коанда.

Введение

Промышленность строительных материалов связана с выделением пыли, поэтому обеспыливание воздушной техносферы производственных помещений и окружающей среды является важной научной и народно-хозяйственной проблемой, требующей   безотлагательного решения.

Высокая концентрация пыли в выбросах наносит огромный вред природной среде, приводит к безвозвратной потере большого количества сырья и готового продукта. Производственная пыль - это мельчайшие твердые частицы, выделяющиеся при дроблении, размоле и механической обработке различных материалов, погрузке и выгрузке сыпучих грузов и т.п., а также образующиеся при конденсации некоторых паров.

Большое число научных работ посвящено изучению влияния цементной пыли на состояние здоровья рабочих цементной промышленности. При этом одни исследователи обращают внимание на преобладание у рабочих цементных заводов атрофических и реже гипертрофических ринитов, ларингитов, трахеитов над другими заболеваниями верхних дыхательных путей; другие указывают на большую заболеваемость рабочих бронхитом и эмфиземой. Это разнообразие в данных ученых, по-видимому, объясняется воздействием на дыхательные пути обследуемых различных марок цемента.

Цементные заводы, несмотря на значительное разнообразие используемых сырьевых материалов и применяемого технологического оборудования, в большинстве своем имеют сходную схему производства.

У всех технологических агрегатов, выделяющих пыль, на цементных заводах устанавливаются пылеулавливающие аппараты, позволяющие не только возвратить значительное количество готового продукта или полуфабриката, но и предотвратить загрязнение пылью воздушного бассейна цементных заводов и прилегающих к ним территорий.

Пылевой фон от цементных заводов формируется в основном за счет трех источников пылевыделения: вращающихся печей, цементных мельниц и силосов.

Основной целью реализации проекта является повышение эффективности аспирации бункеров путем внедрения в узлы загрузки механизма инерционной сепарации пыли, действующего на аэродинамической основе эффекта Коанда. Кроме снижения экологического загрязнения, возможен и дополнительный экономический эффект за счет снижения потери порошкового материала (производство которого связано с высокими материальными затратами), при этом уменьшатся нагрузка на пылеуловитель и затраты электроэнергии.

Реконструкция систем аспирации является одним из основных пунктов программы модернизации цементных заводов. К сожалению, большинство таких программ   ограничивается лишь заменой старого пылегазоочистного оборудования на новое.

Для систем обеспыливания силосов необходимые объемы аспирации Q_a должны превышать сумму объема воздуха, вытесняемого материалом, поступающего по течке, увлеченного им в процессе движения (эжекционный расход), а также объемы воздуха, используемого при аэрировании цемента и поступающего через неплотности бункера.

На концентрацию А и дисперсный состав пыли в аспирируемом воздухе  влияет расход загружаемого материала G_м, гранулометрический состав , а так же высота перегрузки Н. При изучении процессов пылеобразования выбор схемы очистки аспирируемого воздуха следует осуществлять на основе концентрации, поскольку с увеличением величины А схема очистки усложняется. Что же касается величины , то влияние дисперсного состава пыли, для условий обеспыливания перегрузочных узлов, на схему очистки незначительно.

Научно-технические задачи, решаемые в проекте

Силоса отличаются от бункеров бóльшими размерами по высоте, поэтому при их загрузке действуют дополнительные факторы, приводящие к интенсивному пылевыделению. Воздух, эжектируемый загружаемым потоком, в момент падения вытесняется    материалом, растекаясь по конусу насыпавшегося материла, затем отражается от стенок бункера и поднимается вверх, увлекая с собой пылевые частицы, наибольшая концентрация которых образуется в точке удара частиц груза о поверхность.

Поэтому при проектировании и оптимизации систем аспирации бункеров силосного типа особое внимание необходимо уделять процессу загрузки. В предлагаемой системе аспирации первой ступенью очистки является инерционная сепарация с использованием эффекта Коанда при использовании запатентованного устройства для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов.

В качестве основных научно-технических задач, решаемых в проекте следует отметить:

1. решение задачи распространения осесимметричной струи вдоль криволинейной поверхности;
2. разработка новой конструкции устройства загрузки бункера, в    аэродинамическую основу которого заложен эффект Коанда;
3. разработка систем аспирации бункеров, включающих в себя загрузочное устройство, как начальную ступень пылегазоочистки.

Решение поставленных задач, связанных со снижением концентрации пыли в аспирационном воздухе от цементных силосов являются актуальными.

При загрузке бункеров сыпучими материалами с использованием системы пневмотранспорта повышается концентрация пыли в аспирационном воздухе, поскольку пылевоздушная смесь подается с большой скоростью и происходит взмётывание уже складированного материала. Использование эффекта Коанда позволит отклонить струю транспортирующего газа, исключая возможность взмётывания.

Указанное физическое явление выражается отклонением по направлению к стенке (при определенных условиях прилипанием к ней) струи газа, вытекающей из сопла. Под действием вязкости на границе между струей и окружающей средой возникает слой смешения, толщина которого растет с расстоянием. Вследствие этого расход в струе также увеличивается. Таким образом, осуществляется вовлечение (эжекция)    окружающего воздуха в струйное течение. Близлежащая стенка препятствует эжекции, в результате чего под струей образуется зона разрежения с давлением меньшим давления в окружающей среде. За счет поперечного перепада давления струя искривляется и устойчиво присоединяется к стенке.

Учет эффекта Коанда важен во многих технологических процессах: струйная пневмоавтоматика, энергетические и вентиляционные установки, данному вопросу посвящались отдельные международные конференции, тем не менее, ряд задач в литературе изучен недостаточно, хотя они имеют важное значение для практики и теории струй.

Основные методы, используемые при решении поставленных задач

Основными методами, используемыми при  решении поставленных задач, являются аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.

Несмотря на развитие численных методов и моделей описания движения воздушных потоков, интегральные методы оставались, и являются до сих пор надежным способом определения и предсказания характеристик присоединенных струйных течений в инженерном проектировании. Суть интегрального метода состоит в том, что для описания течения используются интегральные характеристики. Для струй в качестве таких характеристик выбираются потоки массы, импульса, энергии и т.д. через поперечное сечение. В рамках интегрального метода определяются именно эти характеристики, а более детальная структура течения определяется по ним с помощью априорно заданных профилей.

В соответствии с методами по оптимизации технологических процессов необходимо составить математическую модель процесса, имеющую общий вид:

A = f (G_м; ; ρ_м; F; Н; δ / r; ζ / P_д).

Следует отметить, что единая зависимость такого вида отсутствует. Поэтому нами использовалась методика комплексного расчета систем аспирации.

В соответствии с уровнями оптимизации сгруппируем расчеты по определению величины A:

а) технологический уровень: необходимо определить значения переменных величин G_м; ; ρ_м, при которых величина А была бы минимально возможной;

б) проектный уровень: создаются проектные решения по обеспыливанию силоса при переменных величинах: G_м; F; Н; δ / r; ζ / P_д;

в) реконструкционный уровень, в котором уже сложились определенные технологические схемы, расходы G_м и свойства ( ; ρ_м) загружаемого материала, в качестве переменных выступают δ / r и ζ / P_д.

Таким образом, оптимизация систем аспирации цементных силосов по снижению концентрации пыли в аспирируемом воздухе путем внедрения устройства снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов, возможна как на проектном, так и на реконструкционном (эксплуатационном) уровнях.

Теоретическая часть работы предполагает уточнение решение задачи распространения осесимметричной струи вдоль криволинейной поверхности, разработку физико-математической модели процесса сепарации частиц из осесимметричной струи при использовании эффекта Коанда, определение эффективности устройства загрузки при различных условиях работы, разработке инженерной методики расчета системы, что обуславливает признак  новизны работы.

Для проверки физико-математической модели процесса сепарации частиц из осесимметричной струи при использовании эффекта Коанда предполагается проведение численного и полнофакторного промышленного эксперимента.

Вид, описание и конкурентные преимущества коммерческого продукта

Предлагаемый коммерческий продукт, созданный на основе научных результатов проекта - устройство (рис. 1) для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов, в основу аэродинамической схемы которого заложен эффект Коанда. Благодаря тому, что на пути транспортирования сыпучего материала устанавливается конус, сыпучий материал под действием сил инерции смещается в периферийную зону потока еще до отрыва от конуса, облегчая выход частиц из струи, а выполнение разделителя потока в форме тора содействует отклонению и очистке больших объемов газа, предотвращая взмётывание загруженного сыпучего материала.

Устройство работает следующим образом.

При движении по соплу 2 сыпучий материал под действием сил инерции перемещается к стенке конуса 4, что обеспечивает его смещение в периферийную зону потока еще до отрыва струи от конуса 4, облегчая выход частиц из струи. Струя воздуха, вытекая из сопла с высокой скоростью, увлекает окружающий воздух, но поверхность тора препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, способствуя понижению давления у поверхности тора и «прилипанию» к ней струи воздуха. Так как тор, при прочих равных параметрах, имеет большую площадь поверхности по сравнению с цилиндром по прототипу, то это способствует увеличению «прилипающих» и очищающихся объемов газа. Под действием инерционных сил частицы сыпучего материала вылетают из струи, продолжая двигаться в направлении, которое задается образующими конуса 4. Таким образом, поток сыпучего материала движется в место складирования, а поток газа разворачивается согласно эффекту Коанда и отводится с помощью устройства для отвода газа, например любой существующей системой аспирации (на чертеже не показано).

 Следует отметить преимущества пылеулавливающих устройств, использующих эффект Коанда, перед другими аппаратами:

• энергонезависимость;
• надежная работа при резкой деформации поля скоростей потока на входе в сопловое устройство и в выходном устройстве;
• по сравнению с циклонами практически не чувствительны к изменению объемного расхода воздуха;
• в процессе эксплуатации возможно изменение производительности систем аспирации из-за замены вентилятора (электродвигателя) на другой номер;
• простота конструкции позволяет изготавливать их собственными силами на неспециализированных предприятиях.

Планируется внедрение на ряде производств, связанных с переработкой и использованием порошкообразных материалов, например, цементных и асбесто-цементных заводов.

Код для цитирования: Скопировать