Системы аспирации и пневмотранспорта

Системы аспирации и пневмотранспорта нашли широкое применение в сельскохозяйственной, пищевой, мукомольной, сахарной, деревообрабатывающей и цементной промышленности. В зависимости от вида перемещаемого материала проектируют или систему аспирации, или систему пневмотранспорта.

Система пневмотранспорта – механическая система вентиляции, транспортирующая измельченный кусковой материал в смеси с воздухом.

Система аспирации – механическая система вентиляции, транспортирующая пыль, дым или капельные аэрозоли веществ в смеси с воздухом.

Системы аспирации и пневмотранспорта предназначены не только для удаления отходов, они также являются технологическими системами для перемещения полуфабрикатов между различными помещениями цеха.

В деревообрабатывающих цехах имеются местные отсосы, защищающие человека от режущих элементов (пылезащитные кожухи). Часто местные отсосы встроены в корпус технологического оборудования, также местные отсосы имеют форму воронок.

Все вышеперечисленные местные отсосы в деревообрабатывающих цехах рассчитываются аналогично местным отсосам механосборочных цехов.

Многообразие технологического оборудования по обработке древесины привело к созданию большого количества форм местных отсосов. Типовые конструкции местных отсосов деревообрабатывающих станков, выпускаемые индустриальным способом, приведены в типовых сериях Т.С. 4.904-3 «Местные отсосы и укрытия к технологическому оборудованию деревообрабатывающей промышленности». В данных альбомах приведены конструктивные схемы размещения местных отсосов у наиболее часто встречающихся марок деревообрабатывающих станков, даны аксонометрические схемы присоединения местных отсосов и их аэродинамические характеристики. Часть сведений из данных типовых серий приведены в справочнике проектировщика под редакцией Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера (рис. 41, табл. 11.1).

Т а б л и ц а 11.1

Марка местного отсоса

Lmin, м^3/ч

υmin, м/с

ξм.о.

 

Рис. 41

 

Скорость витания

Если частицу отпустить, то она начинает падать с ускорением свободного падения g (рис. 42). За счет сопротивления воздуха (вязкая среда) движение частицы станет равномерным (υ = const, g = 0). В результате на частицу будет действовать сила тяжести и сила сопротивления среды.

Если частицу разместить в вертикальном восходящем потоке в канале, то при определенной скорости υ_с сила сопротивления среды станет равна силе тяжести частицы (рис. 43). В этом случае скорость движения частицы относительно стенок канала будет равна нулю, то есть частица будет витать.

Скорость, при которой частица витает, называется скоростью витания (движения) частицы, хотя это скорость восходящего воздушного потока в канале.

 

 

 

Рис. 42 Рис. 43

Спроецируем силы, действующие на частицу, на ось ОУ. При условии витания справедливо равенство:

F_тяж = R, (80)

тогда mg = k_s · υ_s², (81)

. (82)

Для воздуха сила давления (сопротивления) определяется по выражению

. (83)

Сравнивая правые части уравнений (81) и (83), можно выразить значение k_s:

, (84)

тогда, подставив выражение (84) в (82), найдем значение скорости витания:

, (85)

где mg – сила сопротивления воздуха;

с₁ – опытный коэффициент, характеризующий режим движения потока, определяется в зависимости от числа Рейнольдса Re, с₁ = f (Re);

F – площадь проекции частицы на плоскость, перпендикулярную вектору скорости витания υ_s, эту площадь называют парусностью частицы;

k_s – коэффициент пропорциональности, характеризует сопротивляемость воздушного потока находящейся в нем частице.

Для обеспечения транспортировки или удаления частиц в вертикальных каналах скорость потока υ_в должна быть всегда больше скорости витания υ_s.

Этими исследованиями занимался академик Клячко, который установил, что для мелкодисперсных фракций при критерии Рейнольдса Re порядка (1500÷2500) опытный коэффициент с₁ определяется по зависимости:

. (86)

Аналитические зависимости были определены при R~1 (от 0,5 и более):

.

Вышеприведенная зависимость была определена из аэродинамических выражений при распределении сил в потоке. Эмпирические значения скорости витания υ_s для древесных отходов были разработаны Клячко:

, (87)

где а – коэффициент, характеризующий форму перемещаемых частиц, для куба а = 1,1, для параллелепипеда а = 0,9, для шара – а = 1;

h – высота частицы;

ρ_м, ρ_в – соответственно плотность материала и воздуха, кг/м³.

Скорость витания используется при расчете систем аспирации и пневмотранспорта на вертикальных участках системы. Для обеспечения надежной работы системы скорости потока воздуха на вертикальных участках должны быть больше скорости витания.

Скорость трогания

Рассмотрим силы, действующие на частицу, находящуюся внутри горизонтального канала в потоке воздуха. Проекции этих сил на горизонтальную и вертикальную оси имеют вид: F_тяж – сила тяжести; R – сила давления потока воздуха; F_тр – сила трения; F – сила реакции опоры (рис. 44).

Рис. 44

Рассмотрим перераспределение давлений на частицу, находящуюся на поверхности в потоке воздуха.

При обтекании воздуха возле нижней поверхности частицы (у воздуховода) происходит торможение потока, это вызывает увеличение статического давления и падение динамического. С другой стороны, верхний край частицы воздуха, двигаясь вдоль криволинейной поверхности частицы, из-за сплошности среды увеличивает свою скорость у поверхности. Это приводит к увеличению динамического давления и падению статического.

При определенной скорости потока сила статического давления на нижней грани частицы может превысить значение силы тяжести F_тяж. В этом случае частица оторвется от поверхности и начнет перемещаться в потоке воздуха, в определенной точке траектории частица будет иметь максимальную скорость, направленную горизонтально из-за действия силы давления потока воздуха R, но под действием силы тяжести она возвратится обратно на горизонтальную поверхность канала (рис. 45).

Траектория движения частицы на горизонтальном участке в потоке воздуха имеет форму циклоиды.

Рис. 45

Скорость трогания – это скорость воздушного потока, при которой частица сдвигается с места в горизонтальном канале.

Для древесных отходов Клячко предложил следующее выражение для расчета скорости трогания:

. (88)

 

Относительная скорость

Для расчета систем аспирации и пневмотранспорта пользуются понятием относительной скорости движения материала, которая представляет собой отношение скорости материала к скорости воздушного потока:

. (89)

Из вышеприведенных рассуждений можно сделать вывод, что скорость материала всегда меньше скорости воздушного потока, поэтому относительная скорость А всегда меньше 1 (А<1).

На определенном участке траектории частица имеет максимальную скорость υ_м^max, относительная скорость при этом значении называется относительной критической скоростью.

. (90)

В расчетах используется среднее значение относительной скорости А_ср:

. (91)

При перемещении материалов системами аспирации и пневмотранспорта скорости на различных участках системы должны быть больше скоростей витания и трогания. Такие скорости называются транспортирующими.

Транспортирующая скорость

Транспортирующая скорость – это скорость воздушного потока, при которой обеспечивается надежная работа системы без образования тромбов и пробок.

Транспортирующая скорость на горизонтальном участке определяется по зависимости:

, (92)

где С_υ – коэффициент, характеризующий изменение скорости воздушного потока в местном сопротивлении;

μ_р – относительный массовый расход материала (массовая концентрация материала),

, (93)

b – опытный коэффициент, характеризующий вид транспортируемого материала.

В вышеприведенной таблице для местных отсосов от деревообрабатывающего оборудования дана минимальная скорость, которая является минимальной транспортирующей скоростью υ_min.

На любых участках системы скорости могут быть различны, поэтому для обеспечения надежности работы системы пользуются двумя методами конструирования и расчёта систем АС и ПТ.

Метод 1. При конструировании систем аспирации и пневмотранспорта на горизонтальном участке перед отводом на вертикальный изменяют диаметр в меньшую сторону, так чтобы скорость потока на вертикальном участке была много больше скорости витания. Это связано с тем, что на вертикальном участке вектор скорости имеет противоположное направление с направлением действия силы тяжести. Под действием силы тяжести на вертикальных участках возрастает концентрация примесей. Поэтому при превышении предельных значений могут образоваться тромбы, или пробки.

Метод 2. Является самым распространенным способом. В этом методе на любых участках системы транспортирующая скорость должна удовлетворять неравенству:

υ_тр ≥ υ_тр.гор. + υ_s. (94)

 

При этих условиях исключено образование концентраций примеси сверх предельных значений, что обеспечивает высокую надежность работы системы.