УДК 621.928.93

Бурба И. В.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

Экспериментальное исследование пылеуловителей ВЗП посредством оптимизации конструктивных параметров верхнего тангенциального ввода

Вихревые пылеуловители на встречных закрученных потоках (ВЗП) в настоящее время находят все большее применение на предприятиях строительной индустрии в качестве пылеулавливающих средств сухой очистки. Основным отличием ВЗП от пылеуловителей циклонного типа является наличие дополнительного нижнего ввода закрученного потока в сепарационную камеру [1]. Внедрение вихревых пылеуловителей обусловлено рядом преимуществ по сравнению с циклонными: более высокая степень улавливания мелкодисперсной пыли; меньшая чувствительность фракционной эффективности к колебаниям расхода газа и концентрации пыли в нем; меньшая степень абразивного износа аппарата; большая удельная производительность; возможность более эффективной очистки горячих газов и регулирования процесса пылеулавливания изменением соотношений расходов газа через потоки, а в некоторых случаях менее высокие затраты.

Вышеперечисленное делает задачу изучения и оптимизации пылеуловителей на встречных закрученных потоках актуальной. Однако подавляющее большинство исследований посвящено оптимизации аэродинамического режима работы пылеуловителей ВЗП. В настоящий момент достаточно подробно изучено влияние на процесс пылеулавливания таких важных характеристики как доля расхода подаваемого на нижний ввод пылеуловителя, расход газа подаваемого на очистку, концентрация твердой фазы в пылегазовом потоке, соотношение концентраций первичного и вторичного потоков и т.д. [2, 3]. Результаты же исследований конструктивных характеристик аппаратов ВЗП характеризуются существенно меньшим объемом, и в основном, сводятся к разработке и исследованиям различных компоновочных схем для систем аспирации и обеспыливающей вентиляции.

В ходе анализа типовых размеров различных серий пылеуловителей ВЗП и ВИП установлено, что за основу при их проектировании брались типовые пылеуловители циклонного типа. Однако в виду существенных отличий обусловленных наличием вторичного закрученного потока процесс пылеулавливания может происходить в неоптимальном режиме.

Для выявления факторов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность работы аппаратов ВЗП проведены теоретические расчеты.

В качестве исходного уравнения для определения радиальной составляющей траектории частицы, используется уравнение движения твердой фазы полученное Е.П. Медниковым [4]:

	(1)
где:

Воспользовавшись методикой решения линейных неоднородных уравнений второго порядка, получим собственные временные частоты:

; .

Передаточная функция при этом имеет вид:

, (2)

А произвольная функция от временной независимой переменной равна:

.

(3)

С учетом того, что в начальный момент времени начальный радиус частицы равен r₀, получим:

(4)

Вводя новые безразмерные величины в (1) имеем:

, (5)

где: ,,

Решением (5) является сумма частного и общего решений:

	(6)
где: , ; - корни характеристического уравнения, определяемые по зависимости:

Численные решения полученного уравнения показывают, что основную роль в процессе движения частицы играет центробежная сила, пропорциональная квадрату окружной скорости. Таким образом, параметр интенсивности закрутки потока несомненно является важнейшим с точки зрения эффективности работы пылеуловителя фактором. Кроме того, важнейшую роль играет время нахождения частицы в сепарационной камере, которое применительно к аппарату ВЗП ограничено не столько ее высотой, сколько расстоянием между нижним вводом и торцом выпускного патрубка.

Для проверки выводов полученных теоретическим путем проведены экспериментальные исследования, целью которых являлась оптимизация интенсивности закрутки потока создаваемая верхним тангенциальным вводом пылеуловителя ВЗП и относительного заглубления аксиального выходного патрубка в сепарационную камеру.

При проведении экспериментальных исследований в качестве параметров оптимизации приняты эффективность пылеулавливания и аэродинамическое сопротивление. При проведении исследований методами планирования эксперимента в качестве определяющих факторов были выбраны: Re_cp – среднерасходовое число Рейнольдса в сепарационной камере; Ф^*_г – формпараметр закрутки создаваемый сменным верхним тангенциальным вводом; h/D – заглубление выходного аксиального патрубка в сепарационную камеру отнесенное к диаметру аппарата; L_н/L_общ – отношение расхода поступающего на нижний ввод к общему подаваемому в пылеуловитель.

Для получения функций отклика в виде уравнения второго порядка на втором этапе исследований был реализован центральный композиционный ортогональный план второго порядка. В результате аппроксимации экспериментальных данных полиномом второй степени с учетом значимости вычисленных коэффициентов, определенных при помощи критерия Стьюдента, на уровне значимости α = 0,05 принятом для технических экспериментов, получены уравнения регрессии характеризующие зависимость эффективности улавливания и коэффициента местного сопротивления от формпараметра закрутки, заглубления выходного патрубка и отношения расхода поступающего на нижний ввод к общему подаваемому в пылеуловитель. Для режима работы пылеуловителя характеризующегося значением Re_cp = 50000 уравнения имеют вид:

	(7)
	(8)

При работе пылеуловителя с расходами ниже и выше (соответственно Re_cp = 38000 и Re_cp = 62000) наблюдается существенное снижение эффективности улавливания, что позволяет считать значение Re_cp = 50000 оптимальным для аппаратов серии ВИП, что хорошо согласуется с результатами других исследователей [2, 3, 4].

Рис.1.	Зависимость эффективности пылеулавливания аппарата ВИП от геометрического параметра эффективности закрутки верхнего ввода η(Ф^*г) при Recp = 50000 : 1 – Lн /Lобщ = 0,3, h/d = 1,4; 2 – Lн /Lобщ = 0,3, h/d = 1,8; 3 – Lн /Lобщ = 0,3, h/d = 2,2; 4 – Lн /Lобщ = 0,2, h/d = 1,4; 5 – Lн /Lобщ = 0,2, h/d = 1,8; 6 – Lн /Lобщ = 0,2, h/d = 2,2; 7 – Lн /Lобщ = 0,4, h/d = 1,4; 8 – Lн /Lобщ = 0,4, h/d = 1,8; 9 – Lн /Lобщ = 0,4, h/d = 2,2.
Рис.2.	Зависимость коэффициента местного сопротивления аппарата ВИП от геометрического параметра эффективности закрутки верхнего ввода ζ(Ф^*г): 1 – Re=50000, Lн/Lобщ = 0,3; 2 – Re=50000, Lн/Lобщ = 0,2; 3 – Re=50000, Lн/Lобщ = 0,4; 4 – Re=60000, Lн/Lобщ = 0,3; 5 – Re=60000, Lн/Lобщ = 0,2; 6 – Re=60000, Lн/Lобщ = 0,4; 7 – Re=40000, Lн/Lобщ = 0,3; 8 – Re=40000, Lн/Lобщ = 0,2; 9 – Re=40000, Lн/Lобщ = 0,4.

На рис. 1 приведена зависимость эффективности пылеулавливания аппарата ВИП от геометрического параметра эффективности закрутки верхнего ввода. Как следует из приведенных результатов, эффективность улавливания существенно возрастает при увеличении интенсивности закрутки потока в верхнем вводе во всем диапазоне варьирования экспериментальных факторов. На практике, повышение величины Ф^*_г до величин выше 5,5 не желательно в виду существенного повышения аэродинамического сопротивления пылеуловителя, о чем свидетельствуют данные приведенные на рис. 2. Так, например при увеличении интенсивности закрутки с Ф^*_г = 5 до Ф^*_г = 6 происходит увеличение коэффициента местного сопротивления пылеуловителя на величину 48…52% в зависимости от режима работы. Совместный анализ экспериментальных данных по эффективности пылеулавливания и аэродинамическому сопротивлению позволяет считать оптимальным значения интенсивности закрутки верхнего ввода аппаратов ВИП лежащим в пределах Ф^*_г =5,2…5,4.

Выводы:

1. Теоретически установлено, что наиболее существенное влияние на эффективность улавливания пылеуловителей на встречных закрученных потоках оказывает интенсивность закрутки потока, создаваемая верхним тангенциальным вводом;

2. Проведены экспериментальные исследования по оптимизации конструктивных параметров верхнего ввода пылеуловителя типа ВИП;

3. Экспериментально установлено повышение эффективности пылеулавливания аппарата ВИП при увеличении параметра закрутки потока верхнего ввода.

4. Анализ экспериментальных данных по эффективности пылеулавливания и аэродинамическому сопротивлению позволяет считать оптимальным значения интенсивности закрутки верхнего ввода аппаратов ВИП лежащим в пределах Ф^*_г =5,2…5,4;

Условные обозначения:

L – расход аспирационного газа, м³/час; w – тангенциальная скорость пылевой частицы, м/с; v – тангенциальная скорость газового потока, м/с; r – радиальная координата, м; Ф^* – интегральный параметр закрутки потока; Ф_г^* – интегральный параметр закрутки потока, создаваемый закручивателем; ξ – коэффициент местного сопротивления; w - угловая скорость движения частицы,1/с; n - кинематическая вязкость воздуха, м²/с; n – показатель, зависящий от числа Рейнольдса; r - плотность воздуха, кг/м³;r_ч - плотность частицы, кг/м3; - эквивалентный диаметр частицы, м; u_r - радиальная составляющая скорости движения воздуха в окрестности частицы, м/с; - динамический коэффициент формы.

БИБЛИОГРАФИЯЕСКИЙ СПИСОК

1. Пылеуловители со встречными закрученными потоками. Опыт внедрения / В. Н. Азаров, - Волгоград, 2003.

2. Системы пылеулавливания с инерционными аппаратами в производстве строительных материалов [Текст] / В. Н. Азаров, Н. М. Сергина // Строительные материалы. – 2003. – Ν8.-С.14-15.

3. О методиках расчета эффективности аппаратов со встречными закрученными потоками [Текст] / А. С. Артюхин, А. В. Баев, // Вест. ВолгГАСУ. Сер. Естественные науки. – Волгоград, 2007. – Вып. 6 (23). - С. 121-127.

4. Вихревые пылеуловители [Текст] / Е.П. Медников // Промышленная и санитарная очистка газов Сер. ХМ – 14. – М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1975. – 44 с.: ил.