Производственная деятельность предприятий строительной индустрии связана с выделением больших объемов пыли как в воздух рабочей зоны, так и в атмосферу. В качестве средств обеспыливания широкое распространение получили вихревые аппараты на встречных закрученных потоках (ВЗП).

Теоретическим и экспериментальным исследованиям данных пылеуловителей посвящен ряд работ представителей научной школы Азарова В.Н. [1-9].

Целью работы являлась исследование сил, обуславливающих движение твердой пылевой частицы в конической сепарационной камере пылеуловителя ВЗП.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Движение пылевой частицы в сепарационной камере пылеуловителя происходит под действием аэродинамических сил, действующих на частицу со стороны газового потока. Попадая в сепарационную камеру через тангенциальный ввод, пылевая частица движется по осесиметричной спиральной траектории, приближаясь к стенке под действием массовых и инерционных сил. Уравнение, описывающее движение твердой частицы, находящейся в газовом потоке, протекающем в сепарационной камере, имеет вид:

(1)

где:

– результирующая массовых сил; – вектор скорости пылевой частицы; – реакциия стенки канала; – результирующая гидродинамических сил; m – масса пылевой частицы;

Для упрощения описания движения принимается допущение о шарообразной форме твердой пылевой частицы, при котором масса распределяется по объему равномерно. При этом вектор силы тяжести направленный вертикально вниз из геометрического центра цастицы может быть определен как:

(2)

где:

– диаметр частицы; g – ускорение свободного падения; – плотность частицы;

Вектор сил, действующих на частицу со стороны газового потока, может быть представлен в виде результирующей сил:

(3)

где: – сила обусловленная наличием градиента статических давлений (сила Архимеда);– сила сопротивления движения частицы в газовом потоке (сила обтекания); – поперечно направленная сила, возникающая в результате вращения частицы в потоке вязкой жидкости (сила Магнуса); – сила обусловленная наличием присоединенной массы газа при ускоренном движении частицы в потоке.

Анализ влияния вышеперечисленных сил на движение твердой частицы в закрученном газовом потоке позволяет упростить модель. В условиях движения частиц в закрученном газовом потоке, протекающем по осесиметричному каналу из числа оказывающих значимое влияние на движение частицы, можно исключить силу Архимеда, силы обусловленные наличием присоединенных масс, а также силу Магнуса.

Предварительный анализ условий движения, основанный на теоретических выводах и практических наблюдениях, показывает, что частица, попавшая с сепарационную камеру пылеуловителя ВЗП, совершает сложное движение. Вращательное движение закрученного газового потока, протекающего по цилиндрической сепарационной камере вдоль оси, вынуждает частицу совершать вращательное движение в горизонтальной плоскости. Возникающая при этом центробежная сила описывается выражением:

(4)

где: r, φ – соответственно радиальная и угловая координаты в цилиндрической системе координат

Наличие центробежной силы заставляет частицу двигаться в радиальном направлении. Следовательно, движение частицы в плоскости вращения можно охарактеризовать как сложное, характеризующиеся наличием Кариолисовой силы:

(5)

где: β – угол между векторами переносной и относительной скорости

Сила сопротивления обтеканию частицы газовым потоком определяется как:

(6)

где: λч – коэффициент аэродинамического сопротивления частицы; dч – размер твердой частицы; ρ – плотность газа; u – скорость газового потока; V – скорость воздушного потока.

В виду того, что величины скоростей газового потока и пылевой частицы, являются векторными величинами, для практического использования уравнения необходимы сведения о кинематической картине течения потока. При этом практический интерес представляет только пристенная зона течения, в которой происходит сепарация пылевых частиц в результате соприкосновения со стенками сепарационной камеры.

Для получения данных о параметрах пристеночного течения в пылеуловителях ВЗП с обратной конической сепарационной камерой были проведены экспериментальные исследования, суть которых заключалась в определении изменения направления и абсолютной величины вектора скорости газового потока в пристеночной зоне. В качестве экспериментальной установки был использован пылеуловитель на встречных закрученных потоках с обратной конической формой сепарационной камеры.

Для характеристики интенсивности закрутки потока в настоящее время используются несколько параметров. Наибольшее распространение из них получили два безразмерных параметра: интегральным Ф* и локальным tg α. Интегральный параметр Ф* характеризует отношение момента количества движения М к осевому количеству движения K произвольном сечении в масштабе линейного размера канала L:

, (7)

где:;

Эти параметры однозначно связаны между собой и для обобщения опытных данных можно использовать любой из них. Между локальным и интегральным параметрами закрутки существует однозначная связь, определяемая зависимостью:

(8)

Для основных типов закручивающих устройств выведены выражения, позволяющие исходя из характерных конструктивных размеров определить интегральный параметр закрутки потока получаемый на выходе, для тангенциального закручивателя выражение имеет:

(9)

где: D – диаметр цилиндрической части закручивателя (сепарационной камеры пылеуловителя); b – высота сечения тангенциального ввода закручивателя отнесенная к диаметру цилиндрической камеры; a – ширина сечения тангенциального ввода закручивателя отнесенная к диаметру цилиндрической камеры; α – угол наклона оси тангенциального патрубка к оси воздуховода.

Схема к определению конструктивных размеров пылеуловителя ВЗП приведена на рис.1. При проведении экспериментальных исследований использовано три закручивателя с параметром интенсивности закрутки Ф*0 = 4, 5 и 6. Экспериментальные исследования проводились в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 62000 ... 38000. При проведении экспериментов значение доли расхода подаваемого на нижний ввод принято равным Lн/Lобщ = 0,28, являющимся оптимальным для получения максимальной эффективности улавливания.

Рис. 1. Схема определения основных конструктивных размеров верхнего ввода пылеуловителя экспериментальной установки. 1 – сепарационная камера; 2 – патрубок очищенного газа; 3 – тангенциальный ввод. a – ширина сечения тангенциального ввода; b – высота сечения тангенциального ввода; D – диаметр камеры первичного тангенциального ввода потока пылеуловителя; D2 – диаметр основания обратной конической сепарационной камеры; h – высота обратной конической сепаационной камеры.

Полученные значения, характеризующие затухания локальной пристенной интенсивности закрутки потока являются функциями параметра конусности сепарационной камеры и начальной интенсивности закрутки, и не зависят от абсолютных начальных значений скоростей во всем диапазоне изменения чисел Рейнольдса.

Рис. 2.

Зависимость затухания осевой скорости газового потока в пристеночной области от конусности сепарационной камеры. 1 – h/d = 1; 2 – h/d = 2; 3 – h/d = 3; 4 – h/d = 4; 5 – h/d = 5; 6 – h/d = 6

Уравнение регрессии, описывающее затухание тангенциальной скорости газового потока в пристенной области обратно конической сепарационной камеры пылеуловителя на встречных закрученных потоках имеет вид:

(10)

где: uτ – тангенциальная скорость газового потока в пристенной области; uτ0 – начальное значение тангенциальной скорости газового потока на входе в сепарационную камеру; h – вертикальная (осевая) координата; D – диаметр цилиндрической части тангенциального закручивателя потока первичного ввода ВЗП; θ – конусность сепарационной камеры, %.

Рис. 3.

Зависимость затухания окружной скорости газового потока в пристеночной области от осевой координаты сепарационной камеры. 1 – θ = 15%; 2 – θ = 10%; 3 – θ = 20%.

Уравнение регрессии, описывающее затухание осевой скорости газового потока в пристенной области обратно конической сепарационной камеры пылеуловителя на встречных закрученных потоках имеет вид:

(11)

где: uх – осевая скорость газового потока в пристенной области; uх0 – начальное значение осевой скорости газового потока на входе в сепарационную камеру.

Рис. 4.

Зависимость затухания интенсивности закрутки от конусности сепарационной камеры. 1 – h/d = 1; 2 – h/d = 2; 3 – h/d = 3; 4 – h/d = 4; 5 – h/d = 5; 6 – h/d = 6.

Аналогичная регрессионная зависимость, характеризующая затухание локального параметра интенсивности закрутки потока в пристенной зоне обратно конической сепарационной камеры, имеет вид:

(12)

где: tgα – локальный параметр интенсивности закрутки потока в пристенной области; tgα0 – локальный параметр интенсивности закрутки потока на входе в сепарационную камеру.

Рис. 5. Зависимость затухания интенсивности закрутки по высоте сепарационной камеры. 1 – θ = 10%; 2 – θ = 15%; 3 – θ = 20%.

Дисперсия аппроксимации значений полученных на основе экспериментальных данных составляет R² = 0,901…0,934, что свидетельствует об адекватности гипотезы об автомодельности кинематической структуры течения в пристенной зоне по отношению к параметру конусности сепарационной камеры и начальному значению интенсивности закрутки потока во всем диапазоне рассмотренных значений критерия Рейнольдса. Данный вывод позволяет использовать полученные безразмерные регрессионные зависимости при составлении расчетной модели движения пылевой частицы в обратной конической сепарационной камере пылеуловителей на встречных закрученных потоках.

Выводы

1. С целью определения параметров пристенного течения в пылеуловителях ВЗП с обратной конической формой сепарационной камеры проведены экспериментальные исследования, в ходе которых измерены абсолютные величины и направления вектора скорости газового потока в пристенной зоне.

2. В результате аппроксимации полученных данных полиномиально - экспоненциальными зависимостями получены безразмерные уравнения регрессии, характеризующие изменения тангенциальной и осевой (вертикальной) составляющих вектора скорости газового потока в пристенной зоне сепарационной камеры.

3. Во всем диапазоне изменения экспериментальных факторов наблюдается автомодельность кинематической структуры течения относительно значений параметра конусности сепарационной камеры и параметра начальной интенсивности закрутки потока на входе в сепарационную камеру.

Рецензенты:

Першин И.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой управления в технических и биомедицинских системах филиала Северо-Кавказского федерального университета в г. Пятигорске, г.  Пятигорск;

Пшеничкина В.А., д.т.н., профессор, директор Института строительства и жилищно-коммунального хозяйства ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», г. Волгоград.