Обґрунтовано концепцію комплексного знепилювання повітря робочих зон за рахунок оптимізації технологічних параметрів конвеєрного транспортування матеріалу і параметричних можливостей спеціальних технічних систем знепилювання. Визначено умови зв'язкового режиму руху при гравітаційному транспортуванні матеріалів у закритих каналах і мінімальної інтенсивності пилоутворення при взаємодії рухомого матеріалу з спрямованими потоками повітря в них

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Страхова Н. А., Білокур К. А.


The concept of complex air dust removal from working zones at the expense of optimization of the technological parameters of conveyer material transporting and parametric possibilities of special technical dust removal systems has been substantiated. The conditions of coherent regime of movement under gravity transporting of materials in closed canals and minimum intensiveness of dust formation under interaction of moving material with the directed air currents in them were determined.


Область наук:

  • Механіка і машинобудування

  • Рік видавництва: 2007


    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки


    Наукова стаття на тему 'Математичний опис технологічних заходів щодо знепилювання повітря робочих зон конвеєрного транспорту'

    Текст наукової роботи на тему «Математичне опис технологічних заходів щодо знепилювання повітря робочих зон конвеєрного транспорту»

    ?ПРОБЛЕМИ ЕКОЛОГІЇ

    УДК 658.382: 697

    МАТЕМАТИЧНЕ ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНИХ ЗАХОДІВ ЩОДО знепилювання повітря РОБОЧИХ ЗОН конвеєрного транспорту

    © 2007 г. H.A. Страхова, К.А. Білокур

    Аналіз існуючих підходів до знепилювання повітря робочих зон конвеєрного транспорту показує, що його необхідно розглядати як управління робочими параметрами процесів, що визначають ефективність знепилювання, спрямоване на поліпшення умов праці працюючих. Відповідно до цього концепція процесу знепилювання може бути сформульована таким чином: необхідний санітарно-гігієнічними нормативами якість повітря робочих зон можливо забезпечити шляхом оптимізації технологічних параметрів конвеєрного транспортування матеріалу і параметричних можливостей спеціальних систем.

    Найбільш складними умовами реалізації технологічних заходів, що знижують утворення і вихід пилу з потоку транспортованого конвеєрним транспортом матеріалу, можна вважати вузли перевантаження кускових (сипучих) матеріалів (рис. 1). Аеродинамічна обстановка на вузлах перевантажень є найбільш несприятливою як для транспортування, так і для знепилювання повітря робочих зон. Для того щоб змоделювати процес пиловиділення, а також уточнити математичний опис умов, що дозволяють управляти даним процесом, необхідно представити фізичну картину пиловиділення, що відповідає різним режимам руху сипучих матеріалів по жолобу. При цьому ми скористалися принципом аналогій розглянутого процесу з процесом пиловиділення (взметиванія і осідання пилу) з поверхні шахтних виробок.

    Авторами досліджень [1] показано, що в повітрі шахтних виробок, де високі аеродинамічні впливу, існують дві області:

    - тонкий шар, що прилягає до грунту, в якому містяться частинки матеріалу і пил у вигляді своєрідних аеродинамічних агломератів - щільних згустків, розміри яких порівнянні з шорсткістю грунту. Динаміка пилу в цьому шарі обумовлена ​​властивостей не окремих-

    них частинок, а згустків і переважанням осадження пилу над взметиваніем;

    - розмитий шар, віддалений від грунту, де розсипалися згустки утворюють зважену пилову середу. Поведінка частинок витає пилу в ньому завжди «индивидуализировано» і досить стійко незалежно від значення їх концентрації.

    Аналогічна фізична картина буде спостерігатися і в жолобі при впливі спрямованого повітряного потоку з рухомим матеріалом. При різних режимах руху матеріалу буде спостерігатися різна картина його обтікання повітряним потоком з властивим їй характером процесу пиловиділення. Зв'язний режим руху в жолобі буде характеризуватися обтіканням компактної маси, коли потік матеріалу настільки щільний, що оточуючий його повітря стикається як би з «непроникною» поверхнею. Пиловиділення при цьому буде носити поверхневий характер і буде мінімальним. У разі незв'язного режиму руху з властивим йому розпадом компактної маси матеріалу на окремі частки поверхню потоку стане проникною для повітря, а взаємодія буде відбуватися на рівні окремо взятих частинок. Процес пилоутворення буде спостерігатися по всьому об'єму матеріалу, що транспортується, внаслідок чого концентрація пилу буде найбільшою.

    Виходячи з необхідності забезпечення компактності матеріалу умова зв'язкового режиму його транспортування можна сформулювати наступним чином: об'ємна концентрація матеріалу в потоці впоть повинна бути постійною і практично рівною об'ємній концентрації матеріалу в нерухомому стані в0:

    Рпот "у. (1)

    Величина об'ємної концентрації матеріалу в нерухомому стані може бути обчислена як

    XV, _ N0X (А) 38,.

    в = _Ч_ = __ч_

    у V 6 V ,

    сл сл

    де V, - обсяг частинок г-й фракції гранулометричного складу матеріалу, м3; Кл - обсяг насипного шару матеріалу, м3; К »- загальне число частинок матеріалу в шарі, шт; В. - середній еквівалентний діаметр частинок г-й фракції матеріалу, м; 8, - частка змісту частинок г-й фракції від загального числа частинок матеріалу в шарі.

    Об'ємна концентрація кускового (сипучого) матеріалу при його гравітаційному транспортуванні (рис. 1) з урахуванням припущення про «нерозривності» потоку становить

    в = Гм

    гпом Т7 Т7 '

    Г про і Г

    ж Км ^ м ж

    де С - масова витрата матеріалу, що транспортується по жолобу, кг / с; рм - щільність матеріалу, кг / м3; їм - швидкість руху матеріалу, м / с; Г, - еквівалентна площа, зайнята матеріалом при його русі в жолобі, м2; Гж - площа поперечного перерізу жолоба, м2.

    Тоді з умови (1) можна визначити величину критичної з точки зору режиму руху швидкості при гравітаційному транспортуванні кускового (сипучого) матеріалу по жолобу

    «- - 6 ^ ср

    кр РоРмГк П К »? (Д) 38, рмГж '(2)

    Аналіз виразу (2) показує, що величина критичної швидкості найбільш чутлива по відношенню до величинам витрати і щільності матеріалу, а також до його об'ємної концентрації в стані спокою. Величина критичної швидкості прямо пропорційна величині витрати матеріалу і обмежена тільки пропускною здатністю жолоби. Витрата визначає інерцію руху потоку і в цьому плані сприяє формуванню його «струменевої течії» по жолобу. Причому значення критичної швидкості при одному і тому ж витраті матеріалу з ростом щільності останнього досить різко знижуються. Це обумовлено тим, що в «струмені» важкого матеріалу в більшій мірі проявляється дія гравітаційних сил, що сприяють розпаду, ніж в «струмені» легкого матеріалу. Та ж тенденція зберігається і для залежності величини критичної швидкості від величини об'ємної щільності матеріалу в стані спокою. При одному і тому ж значенні в0 значення їм знижуються з ростом рм. Тобто, чим важче транспортується матеріал, тим свідомо складніше забезпечити режим його зв'язкового руху по жолобу. При цьому, якщо врахувати, що величина ро визначається гранулометричним складом і формою частинок матеріалу, то стає очевидним, що найгірші режимні умови транспортування притаманні полідисперсністю матеріалами, що складається з дрібних за розмірами частинок правильної форми, яким властива досить хороша шарова упаковка в стані спокою (в0 ^ 1).

    Забезпечити таку ж упаковку частинок, т. Е. Скрутність їх руху в потоці свідомо більш складно. І, навпаки, чим гірше умови упаковки частинок в стані спокою (випадок монодисперсних матеріалів, що складаються з великих часток неправильної форми), тим вище значення критичної швидкості руху і тим більш ймовірна організація їх зв'язкового режиму руху в потоці по жолобу.

    З огляду на можливість зміни режиму по довжині жолоба і знаючи величину критичної швидкості, умова для визначення фактичного режиму руху потоку можна уявити через швидкість руху матеріалу в кінці жолоба ик:

    ик < литок - пов'язаний режим; ик ~ литок - перехідний (критичний) режим; ик > литок - незв'язних режим. (3)

    Кінцева швидкість руху потоку матеріалу відповідно до [2]

    ик - + Щ - + Ч ^,

    де ін - початкова швидкість руху матеріалу при перевантаженні, м / с; I - довжина похилого жолоба, м; Нж - висота жолоба, м; © - кут нахилу жолоба до горизонту, град .; ап - прискорення руху потоку матеріалу в жолобі, м / с2.

    Початкова швидкість ін є проекцією на вісь жолоба швидкості входу матеріалу в жолоб івх (рис. 1)

    ін -івх§1п ©.

    Розрахунок швидкості входу матеріалу в жолоб івх згідно [2] залежить від того, стикається чи потік матеріалу зі стінками у верхній частині укриття чи ні. Якщо потік матеріалу перед входом в жолоб вдаряється об стінку укриття, швидкість його руху змінюється як за величиною, так і за напрямком, що передбачає перед визначенням івх розрахунок ряду проміжних швидкостей. У разі відсутності зіткнення швидкість входу матеріалу в жолоб розраховується безпосередньо через швидкість подачі стрічки конвеєра і, м / с. У загальному випадку зустріч потоку матеріалу зі стінкою залежить від швидкості подачі стрічки конвеєра і конструктивних особливостей верхній частині укриття. Зіткнення матеріалу зі стінкою більшою мірою властиве укриттях з зламами (рис. 1 а), ніж укриттях без зламів (рис. 1 б). Математично умова дотику матеріалу зі стінкою укриття можна виразити через координати точки їх зустрічі, які відповідно до [2]

    - при

    0 * <90 °

    при

    x, =

    1 + 2 g-

    xotg0 ​​*

    u2tg0 *

    g x, 2 yi = 2 U2 '

    0 * = 90 °

    X1 = x0 'y = gxL

    У 2 u2 '

    -1

    tg0 * '

    А швидкість входу відповідно до методики, запропонованої в [2, 3],

    u

    V У

    - потік не стикається

    зі стінкою;

    (U) 2

    V 1 /

    - потік стикається

    зі стінкою,

    і

    де 0 * - кут нахилу відбійною стінки верхньої частини укриття до горизонту, град .; х Н0 - координати нижньої кромки відбійною стінки укриття, м.

    Тоді з геометричних міркувань можна записати:

    Г< в1 - потік не стикається зі стінкою;

    "О к

    [> в1 - потік стикається зі стінкою.

    де - швидкість потоку матеріалу після його удару об стінку верхньої частини укриття і зміни напрямку руху, м / с

    = і1ка,

    де і1 - швидкість потоку матеріалу в момент його зустрічі зі стінкою верхній частині укриття, м / с; ка - поправочний коефіцієнт, що враховує зменшення швидкості при повороті потоку.

    Мал. 1. Схема фізичної моделі гравітаційного транспортування сипучих матеріалів в закритих каналах і знепилювання повітря: 1 - подає конвеєр; 2 - приймає конвеєр; 3 - транспортується матеріал; 4 - верхнє укриття; 5 - нижня укриття; 6 - кожух; 7 - пристрій уловлювання пилу (місцеве відсмоктування)

    Швидкість потоку матеріалу в момент його зустрічі зі стінкою верхній частині укриття становить

    і, = .і +

    і

    V У

    Значення поправочного коефіцієнта, що враховує зменшення швидкості при повороті потоку, табульовані в залежності від величини кута повороту а [2]

    а = 180 -

    0 * + arctg Щ-і 2

    Прискорення руху потоку матеріалу в жолобі згідно [2] розраховується за формулою

    ап = g sin 0 (1 - 0,9 / TpCtg ©), (4)

    де f - коефіцієнт тертя матеріалу об тверду поверхню при його русі [2, 3].

    Аналіз величини ап з точки зору забезпечення зв'язкового режиму руху матеріалу по жолобу показує, що відсутність розшарування, однорідність і компактність переміщуваної по жолобу маси матеріалу має місце, коли ик ~ ін, т. Е. При кутах нахилу в межах 23-47 °. Причому для матеріалів, що характеризуються більш низькими значеннями коефіцієнта тертя f оптимальні кути нахилу жолоба 0 відповідають нижній межі виділеного інтервалу, а для матеріалів з високими значеннями f - його верхньої межі. При цих значеннях кута нахилу жолоба матеріал переміщається у вигляді шару по його дну. З ростом кута 0 шар матеріалу починає втрачати свою однорідність і поступово розшаровується. Повний розпад рухається компактної маси з її яскраво вираженим розшаруванням настає, якщо ик? ін, т. е. при кутах 0, що перевищують 60 °. В цьому випадку шарове рух все більше переходить в так зване квазіравномерное (за поперечним перерізом) розподіл часток в жолобі, досягаючи свого максимуму в вертикальних жолобах, коли кут 0 ^ 90 °. Похибка такого наближення тим менше, чим дрібніше транспортується матеріал. У разі кутів нахилу жолоба 0 більше 60 ° вплив сил тертя в вираженні (4) мінімально, а значення прискорення руху потоку ап наближається до свого максимального значення - g. Останнє зі збільшенням витрат матеріалу, тобто з ростом обмеженості його руху може призвести до ущільнення рухається маси матеріалу і зробити здійсненним умова (1).

    З точки зору інтенсивності виділення пилових частинок, що визначає необхідний рівень ефективності процесу їх уловлювання, найкращим є режим зв'язкового руху потоку матеріалу, характе-

    різующійся мінімальним виходом пилових частинок. В [1] доведено, що потужність пилової оболонки, а отже, і концентрація пилу в ній будуть мінімальні, якщо нормальна компонента масової щільності потоку дорівнює нулю, а пилоутворення обумовлено тільки полем швидкостей фільтрації, спрямованим уздовж поверхні пилоутворення. Останнє має місце у випадку, коли справедливо нерівність:

    ^ 9 | .і. ак >-- в в

    2 R2РМg '

    (5)

    де - коефіцієнт динамічної в'язкості повітря, Па. с; верб - швидкість набігаючого потоку повітря, м / с; Я - середній радіус пилових згустків, м; ак - критичне значення об'ємної щільності згустку [1]

    1 r2

    _ пе

    3 R2

    (6)

    тут ГПЕ - еквівалентний радіус пилових частинок, м, розраховується з урахуванням форми частинок [4].

    Умова (5), записане щодо швидкості набігаючого потоку повітря з урахуванням виразу (6), і буде остаточним умовою мінімального пилоутворення

    і. <

    2 РмГп2е g

    27

    (7)

    Права частина виразу (7) являє собою граничне значення відносної швидкості спрямованого руху повітря в жолобі. Її величина зростає в міру збільшення щільності матеріалу, що транспортується і розмірів утворюються при цьому пилових частинок. Причому для реального діапазону розмірів пилових частинок (1-100 мкм) абсолютні значення граничної швидкості набігаючого потоку повітря не перевищують 4 м / с.

    Таким чином, відповідно до концепції комплексного знепилювання повітря робочих зон конвеєрного транспорту нами встановлено, що для забезпечення мінімально можливого рівня пилоутворення на вузлах перевантаження сипучих матеріалів необхідне дотримання двох умов:

    - зв'язкового режиму руху при гравітаційному транспортуванні матеріалів у закритих каналах (жолобах), описуваного виразом (3);

    - мінімальної інтенсивності пилоутворювальну-вання при взаємодії рухомого матеріалу з спрямованими потоками повітря в закритих каналах (жолобах), відповідно до вираження (7).

    література

    1. Журавльов В. П., Демишева Е. Ф., Спірін Л. А. Аеродинамічні методи боротьби з вугільним пилом. Ростов н / Д, 1988.

    2. Нейков О. Д., Логачов І. Н. Аспірація і знепилювання повітря при виробництві порошків. М., 1981.

    3. Логачов І. Н. Основи розрахунку технічних засобів локалізації і знепилювання повітря для зниження потужності викиду пилу в атмосферу при

    перевантаження сипучих матеріалів на рудоподготові тільних фабриках: дис. ... д-ра техн. наук. Білгород, 1996. 680 с.

    4. Ужов В. Н., Вал'дберг А. Ю., Мягков Б. І. та ін. Очищення промислових газів від пилу. М., 1981.

    Ростовський державний будівельний університет;

    Кубанський державний аграрний університет, м Краснодар_22 листопада 2006 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити