автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Аспирационное укрытие мест загрузки ленточных конвейеров в производстве силикатного кирпича

На правах рукописи

Гольцов Александр Борисович

АСПИРАЦИОННОЕ УКРЫТИЕ МЕСТ ЗАГРУЗКИ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542927

Белгород 2013

005542927

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Белгородский государственный технологический университет им. В .Г. Шухова».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Минко Всеволод Афанасьевич

Шрубченко Иван Васильевич - доктор технических наук, профессор, «Белгородский государственный

технологический университет им. В.Г. Шухова», профессор кафедры технологии машиностроения

Лукьянов Николай Андреевич - кандидат технических наук, профессор, «Московский государственный

строительный университет, профессор кафедры механического оборудования и деталей машин технологии металлов

Ведущая организация: Воронежский государственный

архитектурно-строительный университет

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Автореферат диссертации разослан » ноября 2013 г.

Ученый секретарь совета, Кандидат технических доцент

Официальные оппоненты:

наук, ( ) И.А Семикопенко

Ч,____

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технологические процессы предприятий строительной индустрии, включают в себя процессы механической переработки и конвейерного транспортирования, связанные с гравитационным перемещением больших количеств сыпучих материалов по закрытым желобам, как правило, сопровождаются интенсивным выделением пыли.

Наиболее эффективным способом борьбы с пылевыделением являются системы комплексного обеспыливания (СКО), которые включают в себя системы аспирации (АС), средства борьбы с вторичным пылевыделением и общеобменную вентиляцию. Эксплуатация систем местной вытяжной вентиляции (аспирации) связана с большими затратами, что вызвано большой энергоемкостью данных систем (до 20% от технологических мощностей).

Исследования В.В. Недина, О.Д. Нейкова, В.А. Минко, И.Н. Логачева, И.И. Афанасьева, Ф.И. Данченко, Ю.И. Пирогова, В.Д. Олифера и др. показали, что сокращение затрат может быть достигнуто совершенствованием конструкций укрытий источников пылевыделения, позволяющих существенно влиять на распределение, формирование пылевоздушных потоков и, как следствие, снижать объемы аспирируемого воздуха. В настоящее время существует более 60 различных конструкций укрытий. В большинстве случаев использование рекомендуемых укрытий является сложно решаемой технической задачей в виду сложности их конструкции и больших габаритов.

В связи с этим очевидна актуальность разработки конструкции укрытия для применения в стесненных условиях монтажа, позволяющего влиять на процесс эжекции воздуха перегружаемым материалом.

Диссертация выполнена на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Белгородского государственного технологического университета (БГТУ) в рамках:

- исследований по гранту Президента РФ НШ-588.2012.8 «Разработка методов пыле- и газоулавливания в пыльных цехах промышленных предприятий»;

- разработки проекта систем аспирации и общеобменной вентиляции дро-бильно-сортировочной фабрики ОАО "Стойленский ГОК";

- обследования систем аспирации КСМД ОАО «Стойленский ГОК» с составлением технологического регламента по повышению эффективности пылеудаления.

Цель работы: разработка аспирационного укрытия для применения в стесненных условиях производства силикатного кирпича и методики его расчета.

Поставленная цель определила следующие задачи исследования:

- провести анализ состояния и направлений совершенствования пылегазо-динамических характеристик аспирационных укрытий мест загрузки конвейерного транспорта;

- разработать конструкцию компактного аспирационного укрытия места загрузки конвейеров сыпучим материалом;

- провести экспериментальные исследования влияния элементов конструкции аспирационного укрытия при перегрузке сыпучих материалов на объемы аспирируемого воздуха и концентрацию пыли в удаляемом воздухе;

- установить методом многофакторного эксперимента регрессионные зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления укрытия и коэффициента пылеуноса от входных конструктивно-технологических факторов;

- произвести аналитические исследования влияния тепло- и массопереноса на объемы эжектируемого воздуха при перегрузке формовочных силикатных масс;

- разработать инженерную методику расчета конструктивно-технологических параметров аспирационного укрытия для стесненных условий.

Методы исследования включали аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, полупромышленные и опытно-промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической стилистики с применением ПЭВМ. Полупромышленный и промышленный эксперимент позволил подтвердить результаты аналитических исследований и выявить наиболее рациональное соотношение конструктивно-технологических параметров укрытия в условиях производства силикатного

кирпича.

Научная новизна работы:

- установлено влияние межфазового давления на объемы эжектируемого воздуха при перегрузке влажных нагретых материалов;

- получена экспериментальная зависимость для вычисления аэродинамического сопротивления аспирационного укрытия, учитывающая особенности

предлагаемой конструкции;

- разработана методика расчета объемов аспирируемого воздуха и концентрации пыли в нем с учетом влияния аэродинамической схемы укрытия;

- получены уравнения регрессии, позволяющие определить рациональное соотношение конструктивно-режимных параметров укрытия;

- разработана новая конструкция аспирационного укрытия, работающего с эффектом двойных стенок, для применения в стесненных по высоте условиях, осуществляющая эффективное обеспыливание при снижении энергозатрат.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

- результаты экспериментальных исследований аэро- и пылединамики компактного аспирационного укрытая, способствующего снижению энергоемкости и пылевой нагрузки на фильтры системы аспирации;

- уравнение для определения аэродинамического сопротивления аспирационного укрытия;

- разработанная инженерная методика расчета конструктивно-технологических параметров аспирационного укрытия для стесненных условий;

- регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов на процесс пылеуноса из укрытия.

Практическая значимость работы заключается в создании на основании теоретических разработок и экспериментальных исследований новой конструкции аспирационного укрытия для локализации места загрузки конвейерной ленты сыпучим материалом, новизна которого защищена патентами РФ на полезную модель.

Предложенные теоретические зависимости, конструктивные решения и рекомендации по рациональным конструктивно-режимным параметрам могут быть использованы при расчете и проектировании аспирационных систем обеспыливающей вентиляции предприятий по производству силикатного кирпича.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 10 печатных работах, в том числе 3-х статьях, опубликованых в изданиях, рекомендованных ВАК России и 1 патенте на полезную модель Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-практических конференциях:

- III Международная научно-практическая конференция «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (г. Белгород, 2006 г.),

- Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знания» (г. Губкин, 2007 г.),

- Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2008 г.),

- IX Международная научно-техническая конференция «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства «ИнЭРТ-2010» (Донской государственный технологический университет г. Ростов-на-Дону, 2010 г.),

- Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2010),

- Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011 г.).

Разработанная конструкция аспирационного укрытия и методика расчета его конструктивно-технологических параметров нашли применение при проектировании обеспыливающих систем:

- перегрузочного узла на ООО «Завод силикатного кирпича» (г. Старый Оскол);

- перегрузочного узла бетонной смеси поверхностного закладного комплекса Яковлевского рудника ООО «Металл-групп»;

- дробильно-сортировочного участка ОАО «Стойленский ГОК».

Результаты проведенных исследований используются в проектной организации ООО «БелПромЭкспертиза» и учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова

при изучении курсов «Основы проектирования и конструирования обеспыливающих систем», «Машины и оборудование в ПСМ».

Структура и диссертации. Диссертационная работа состоит из

введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (178 источников) и 8 приложений. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста и содержит 54 рис. и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, указаны научная новизна, практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Посвящена анализу актуальных направлений развития и совершенствования конструкций аспирационных укрытий для применения в условиях производства силикатного кирпича.

Основываясь на результатах проведенного анализа существующих конструкций аспирационных укрытий мест загрузки ленточных конвейеров и возможности их применения в условиях производства силикатного кирпича, сделан вывод о том, что необходима разработка аспирационного укрытия с меньшими по высоте габаритными размерами и обеспечивающего низкие эксплуатационные затраты на системы СКО.

Учитывая требования, предъявляемые к укрытиям на предприятиях по производству строительных материалов, предложена конструкция аспирационного укрытия места загрузки конвейерного транспорта (рис.1).

- - ------------Рис. I. Общий вид перегрузочного уз-

ла оборудованного аспирационным укрытием (Патент РФ №97168): 4 -верхняя крышка; 3, 2, 1 - задняя, передняя и боковые стенки; 5 - перегрузочный желоб; 6, 7 - эластичные уплотнения; 8 - задняя стенка внутреннего короба; 9 - боковые стенки внутреннего короба; 10 - боковые наклонные стенки внутреннего короба; 11 - аспирационная воронка; 12 - передняя стенка внутреннего короба. Т^бота аспирационного укрытия заключается в локализации источника пылевыделения, за счет создания устойчивого разрежения по периметру укрытия для предотвращения выбивания пыли в воздух рабочей зоны.

Проведен анализ теоретических исследований, методик расчета и проектирования аспирационных укрытий. Данному направлению посвящены работы Альтмарка М.К., Серенко A.C., Камышенко М.Т., Шелекетина A.B., Рекка, Ста-хорского, Наумова, Принта, Недина В.В., Бошнякова E.H., Дегнера, Фютгерера, Бутакова С.Е., Кнудсена, Денниса, Хемеона, Нейкова О.Д., Минко В.А., Лога-

чева И.Н., Логачева К.И., Афанасьева И.И., Калмыкова A.B., Овсянникова Ю.Г. и др.

Глава 2. Посвещена аналитическим исследованиям перегрузок влажных нагретых материалов. К определению эжектирукнцих свойств сыпучего материала существует два подхода - энергетический (основанный на уравнении закона изменения кинетической энергии потока частиц) и динамический (основанный на учете аэродинамического взаимодействия частиц падающего материала и воздуха)

При расчете аспирации перегрузки формовочной силикатной массы возникает ряд особенностей, вызванных тем, что в этом случае перегружаемая по желобу смесь является четырехкомпонентной (воздух и водяной пар, частицы сыпучего и капли сконденсированного пара). При этом температура перегружаемого материала не превышает 70° С. В этих условиях происходит тепло- и массобмен между нагретыми частицами материала, который оказывает существенное влияние на параметры эжектируемого по желобу воздуха.

Рассмотрим движение нагретого влажного воздуха, сопровождающегося испарением влаги с поверхности частиц сыпучего материала. Запишем уравнение динамики с учетом уравнения массопереноса:

£ = - SxßlKy Рг - jViSx, (i;

Р-2„

R

а <> " ф\

о

с>

вТ»

а)

б)

Рис. 2. а) - Схема давлений возникающих при эжекцин воздуха потоком влажного нагретого материала (силикатной массы); б) - Схема материальных потоков в укрытии мест загрузки

ленточного конвейера.

-f ß2p2v2v2S„ = Sxß,gx(p2 - pJ + S^Kjf lv» v>' _

dx 2

Так как объемная концентрация перегружаемого по желобу материала

незначительна {fii « I; fh ~ 1), тогда {Бж - const):

dn ■ lvl - vJ(vi ~vl) A vl т/ (3)

*-=?,(A-A)+AV 1 —Pi -nf <Рг + ^(v, -v2).

—чл^ч' 2 2 D 2

Получим уравнение

Iff +

2

i

P,

I

= IУ (v, - v2 и G, (w4 - w„ )(vj - v2) / ,

fl±™«.| ra

Pit D

(4)

(5)

(6)

В безразмерном виде уравнение динамики можно записать в следующем

е

<рг = Ви\\1-<р'(-\п-<р\~]/г-Еит где Вы, Кит - числа, определяемые соотношениями (9, 21);

£и, = С„К - ■Щ,)' у А ;

(8)

Еи= У'к»сЛк

Массовый расход неконденсирующейся (сухой) части воздуха

„ - „ р2 (10)

Массовый расход паровоздушной смеси, поступающей из желоба нижнее укрытие, найдем из известного равенства

„ _ 1+тк (11)

Ои = С„(1 + щ) = <р\к$жрг .

Повышение объемов эжектируемого воздуха при перегрузке влажных нагретых силикатных масс увеличивается за счет водяных паров, образующихся при испарении, и сил межфазового давления.

Для определения степени влияния межфазового давления на объемы эжектируемого материала при перегрузке силикатной массы необходимо установить возможный диапазон колебания температур воздуха и влажности в полости укрытия.

Составим тепловоздушный баланс укрытия:

и влаговоздушный баланс укрытия:

+;•<?'=*!„&,,. (13)

Подставляя значения тепловых потоков в уравнение тепловоздушного баланса и решая его относительно 12к, получим:

=---7-;;

2 фъ + Ш^Ъ+к^

Решая уравнение влаговоздушного баланса относительно

_ 2тнлс.у^мел -т"Рп.нлсу) . (15)

2тНАС.у(*2к + а РпШС.У

Установив предельные значения расхода эжектируемого и аспирируемого воздуха для характерных перегрузок (при ширине ленты конвейера В=500... 1200 мм) и используя данные Шумилова Р.Н. по определению коэффициенто тепло- и массообмена, был проведен численный эксперимент (рис.3), установлена максимальная температура аспирируемого воздуха, которая не превышает 60 °С (причем для реальных условий температура не выше 50 °С).

Уравнение динамики принимает вид

ЦС у л = -гТ+Рэ Л +Л ; (17)

Соответственно выражая через \>-/.

Рэк, + Р2-Рт-Рл (18)

0,5 ^Р

тогда расход эжектируемого воздуха:

„ „ ,Рэк, + Р2-Рг-Р, (19)

Уз -

0,5 2,Ср

При этом для перегрузки влажного нагретого материала (силикатной массы) характерен случай при котором Рэ > Рт- Воздух движется сверху вниз (прямоток). Величина теплового напора играет роль дополнительного сопротивления.

Коэффициент скольжения фаз можно будет определить из выражения:

Л КI = -В", {|1 ~ % 14» - % Г ]/3 - > (20)

где

(21)

„ V (22) Ви, =-

у «Ааіс

При этом полученные зависимости позволяют определять объемы эжектируемого воздуха для следующих условий (перегрузка силикатных масс): с1ср=2...20мм, Р=0,004...0,02, р2=1,029...1,247.

На рис.3 приведен график, построенный по результатам численного эксперимента по определению коэффициент к,.

Полученные результаты аналитических и численных исследований позволяют сделать вывод о том, что при перегрузке силикатной массы с температурой

материала, не превышающей 70 °С, величина межфазового давления не превышает 15% от величины эжекционного давления, что можно учесть при помощи коэффициента кГЦт2к, 12к), а общее влияние на объемы эжеюгируемого воздуха

не превышает 5%.

О.Є2»

й| «

II

Рис.3. Зависимость коэффициента межфазового давления /с, от влагосодержания и среднего диаметра частиц перегружаемого материала

Глава 3. Посвящена описанию эксперементальных установок по исследованию аспирационного укрытия. В главе описаны план, программа и методика проведения экспериментальных исследований, описана полупромышленная и промышленная установки (рис.4-5).

Рис 4 Схема лабораторной установки: 1 - вентилятор VKA315L; 2, 7, 3 - воздуховоды; 4 - аспирационное укрытие; 5 - неплотности; 6 - аспирационная воронка; 8 - регулирующая заслонка; 9 - вентилятор ВВД №5; 10, U - измерительные отверстия; 12-дафференциальныи

микроманометр Testo 510; 13 - дифференциальный микроманометр Testo 512; 14-термоанемометр Testo 425; 15 - прибор комбинированный Testo 625 (атм.давл., температура, относительная влажность); 16 - гигрометр; 17 - барометр анероид БАММ-1

Рис.5. Исследуемая перегрузка сыпучего материала: 1 - верхнее укрытие; 2 - воздуховод аспирационной системы; 3 - аспирационная воронка; 4 - нижнее укрытие; 5 - желоб; 6 -дифманометр TESTO 510; 7 - аспиратор ПУ-4Э; 8 - заборное устройство; 9 - аллонж; 10 -пылезаборная трубка; 11 -термоанемометр TESTO 425; 12 - барометр-анероидБАММ-1; 13 - аспирационный психрометр МВ-4М; 14 - прибор комбинированный TESTO-622 (абсолютное давление, температура, влажность).

Глава 4. Посвящена анализу результатов экспериментальных исследований аспирационного укрытия и объемов аспирируемого воздуха. Выявлены основные факторы, влияющие на пылеунос из укрытия и на снижение объемов аспирируемого воздуха. Проанализированны полученные результаты экспериментальных исследований и получены уравнения регрессии.

Подтверждено, что оптимальное разрежение в укрытии пропорционально динамическому напору воздушного потока в конечном участке желоба:

Р (23)

Применительно к разработанному укрытию конечным участком желоба можно считать выход пылевоздушной смеси из внутреннего короба.

В качестве факторов влияющих, на коэффициент местного сопротивления (KMC) укрытия, были приняты следующие факторы: отношение площади поперечного сечения внутреннего короба укрытия к площади желоба и угол наклона желоба к конвейерной ленте (влияние данного фактора оказалось не значимым).

Влияние исследуемых факторов на коэффициент сопротивления движения эжектируемому воздуху выражается уравнениями в натуральном виде:

Сау = 1,4086 п2Л6

На основании полученного уравнения регресии были построены графики функции отклика (рис.6).

и»

□ 15

СОЮ [335 то

0,6 0,8 !>=Г1/Р0

Рис.6. Поверхность отклика функциональной зависимости (24)

Полученные результаты свидетельствуют о существенном воздействии на коэффициент местного сопротивления соотношения площадей поперечного сечения внутреннего короба укрытия к площади желоба.

С целью получения математической зависимости, позволяющей провести количественную оценку объемов аспирируемого воздуха, концентрации пыли в нем, а также выявить наиболее рациональные соотношения геометрических размеров предлагаемой конструкции укрытия, был реализован центральный композиционный рототабельный план (ЦКРП) четырехфакторного эксперимента.

В качестве функций отклика приняты пылеунос от укрытия (МЛУ) и его отношение к пылеуносу от укрытия с двойными стенками и жесткой перегородкой (Мл/Мдж); объемы аспирируемого воздуха От мЗ/с и концентрация пыли в аспирируемом воздухе Са, мг/мЗ

В качестве факторов эксперимента были приняты: отношения длины внутреннего короба, расстояния от желоба до выходного проема укрытия и высоты к ширине конвейерной ленты (.1ко/В, 1ук/В, Н/В), а также усредненный критерий Рейнольдса во внутрененм коробе укрытия.

На рис.5 представленна схема промышленной установки на которой проводились испытания по определению рациональных соотношений конструктивных параметров разработанного укрытия.

По результатам промышленного эксперимента получены уравнения регрессии:

Мл

м„

= 3.17-1.69-

В

-5.13—-1.42^ + 1.71 В В

В

(25)

+4.38

105

+ 6.47

+ 0.37| ^

Мт = 2462,24-1345,63^-4066,79^-1125,84%+1358,42Г%>| + т В В В I В ) (26)

+3474,95 +5129,44^+297^ ;

=-1890,2 + 633,4^ + 13728,9^+1203,2^+172,1^-219,бГ^ -

I ——сжп"| иор® | _—о. -—¿ат; н/в

Рис.7. Рациональные значения функций отклика от факторов эксперимента

Была аппробированна методика расчета объемов аспирируемого воздуха при перегрузке влажных нагретых материалов. В ходе сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных было установлено, что расхождение между расчетными значениями объемов аспирируемого воздуха по предложенным аналитическим выражениям и фактическими значениями, измеренными в ходе проведения промышленного эксперимента, не превышает 13%.

Глава 5. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны и усовершенствованы методики по расчету конструкторско-технологических параметров разработанного аспирационного

укрытия для условий производства силикатного кирпича. Даны рекомендации по проектированию перегрузок, подбору пылеуловителей. Приведены данные по опытно-промышленному внедрению аспирационного укрытия перегрузочных узлов расположенных на ООО «Завод силикатного кирпича» и ООО «Металл-групп». Была подтверждена экономическая целесообразность применения данной конструкции укрытия, достигаемая снижением объемов аспирируемого воздуха и концентрации пыли в нем. Что привело к снижению пылевой нагрузки на пылеуловители системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены основные способы борьбы с пылевыделениями и основные направления их развития. Отмечено, что одним из интенсивных источников пылевыделения на предприятиях по производству силикатного кирпича являются места загрузки конвейеров сыпучим материалом. Выделены основные требования, предъявляемые к укрытиям данных источников пылевыделения и трудности их применения, наиболее совершенных на данный момент укрытий. Установлена необходимость разработки укрытия, имеющего меньшие габариты по высоте.

2. На уровне полезной модели разработана и запатентована оригинальная конструкция аспирационного укрытия мест загрузки конвейерного транспорта, имеющее меньшие, по сравнению с существующими, габаритные размеры по высоте (0,4В). Такая конструкция обеспечивает снижение концентрации пыли, объемов аспириуремого воздуха и поддержание устойчивого разрежения по периметру укрытия.

3. На основании анализа методик определения объемов аспирируемого воздуха при перегрузке влажных нагретых материалов при производстве силикатного кирпича, аналитическим путем получены зависимости для расчета объемов аспирации с учетом тепло- и массопереноса, уточнены методики расчета объемов аспирируемого воздуха при условии применения предлагаемой конструкции укрытия.

4. На полупромышленной установке получена зависимость коэффициента местного сопротивления предлагаемой конструкции укрытия от соотношения площадей желоба и внутреннего короба укрытия.

5. В промышленном эксперименте на ООО «Завод силикатного кирпича» выявлены закономерности влияния исследуемых параметров: отношения длины внутреннего короба, расстояния от желоба до выходного проема укрытия и высоты к ширине конвейерной ленты (Ью/В, lyvf/B, Н/В) на концентрацию в ас-пирируемом воздухе Cao, и объемы аспирируемого воздуха Qacn=f(Py)-

На основанни полученных уравнений регрессии выполнен поиск рациональных конструкционных и технологических параметров работы аспирационного укрытия. При выполнении требований Caal—>min, Qacn=f(Pу) —>min и

MjDL-*min. Установлено, что для любого набора входных параметров

Мдж

Ьи- Re"op IL hs- существует предпочтительное их сочетание, когда концентра-В ' 105 ' В ' в J

ция пыли в аспирируемом воздухе, пылеунос и объемы аспирируемого воздуха стремятся к минимуму.

Это достигается при следующих значениях факторов:

h*. = о, 5,^%- = 0,242,— = 0,4,— = 1,9 • В 105 в в

6. Разработаны методики расчета объемов аспирируемого воздуха при перегрузке ненагретых сухих и нагретых влажных (силикатных масс) материалов в условиях производства силикатного кирпича.

7. Выполнен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных. Установлено, что расхождение между расчетными значениями объемов аспирируемого воздуха по предложенным аналитическим выражениям и фактическими значениями, измеренными в ходе проведения промышленного эксперимента, составляет не более 13%, а расхождение между расчетной и фактической концентрацией не превышает 25%.

8. Изготовлены и внедрены опытно-промышленные образцы аспирационных укрытий мест загрузки ленточного конвейера на ООО «Завод силикатного кирпича» и ООО «Металл-групп». Расчетный экономический эффект в ценах 2012 г. от внедрения укрытия на ООО «Завод силикатного кирпича» составил 110 ООО рублей.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Kupeee, В.М. Расчет и разработка аспирационных укрытий мест перегрузок / В.М. Киреев, А.Б. Гольцов, В.А. Минко // Вестник БГТУ. - г. Белгород 2010 г. с.

2. Феоктистов, А.Ю. К вопросу проектирования аспирационных укрытий для стесненных условий / А.Ю. Феоктистов, C.B. Староверов, А.Б. Гольцов, В.М. Киреев // Химическое и нефтегазовое машиностроение 2013. №4. С.35-37.

3. Гольцов, А.Б. Исследование конструкции аспирационного укрытия для применения в стесненных условиях / А.Б. Гольцов, В.М. Киреев, А.Ю. Феоктистов // Экология промышленного производства 2013. №1. С.2-5.

4. Гольцов, А. Б. Расчет объемов аспирации при переработке руды // А.Б. Гольцов / Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2005. -N.12,- С. 19-21.

5. Проблемы комплексного обеспыливания при переработке рудных материалов // А.Б. Гольцов, В.М. Киреев, E.H. Попов, A.C. Семиненко / Сборник трудов. - 2007г. № 4 - Воронеж: изд-во ВГАСУ с. 123-129.

6. Киреев, В.М. Исследование дисперсного состава пыли от аспирационных укрытий мест перегрузок сыпучих материалов/' В.М. Киреев, А.Б. Гольцов,

С.В. Староверов// Материалы X Международной научной конференции.-2012 г. - Волгоград: ВолгГАСУ. С. 25-31.

7. Гольцов, А.Б. Разработка конструкций аспирационных укрытий и методов их расчета на предприятиях стройиндустрии/ А.Б. Гольцов, В.М. Киреев, В.А. Минко и др.// Сборник докладов Международной научно-практической конференции. -2011 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, с.214-219.

8. Гольцов, А.Б. К вопросу определения разрежения в аспирационных укрытиях // А.Б. Гольцов / Сборник докладов Международной научно-практической конференции. - 2011 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. -с.120-124.

9. Киреев, В.М. Моделирование процессов движения воздуха в аспираци-онном укрытии / В.М. Киреев, А.Б. Гольцов, В.А. Минко // Сборник докладов Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия». - 2010 г. -Губкин, с. 132-135.

10. Минко, В.А. Системы комплексного обеспыливания процессов переработки сыпучих материалов / В.А. Минко, В.М. Киреев, А.Б. Гольцов, С.В. Староверов // IX Международная научно-техническая конференция «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства «ИнЭРТ-2010». — 2010 г. - г.Ростов-на-Дону: Донской государственный технологический университет с. 157-159.

11. Пат. 97168 Российская Федерация, МПК M21F 5/00. Аспирационное укрытие мест перегрузки сыпучего материала / Гольцов А.Б., Минко В.А., Логачев И.Н. и др. (Россия), Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова». - №2010114416/03; Заявл. 12.04.2010, опубл. 27.08.2010 Бюл.№24.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ

ат - ускорение потока частиц в наклонном желобе, м/с;

В — ширина укрытия и конвейерной ленты, м;

с2 - теплоемкость воздуха (при р - const), Дж/(кг-К);

CBUACS, Са ок - концентрация пара у поверхности и в окружающей среде, кг/м . D — гидравлический диаметр желоба, м; F] — теплоотдающая поверхность материала, м2; Fy - площадь поверхности укрытия, м ;

F„, F„ - площадь неплотностей верхнего и нижнего укрытия, м2; G - массовый расход ( G, - частиц, G2 -воздуха, Ge -сухой части воздуха, G„ -начальный, GK -конечный), кг/с;

gx - проекция ускорения на продольную ось желоба), мг/с ; Н- высота укрытия, м;

/-интенсивность межфазовых превращений, кг/(с-м2);

к - коэффициент пропорциональности укрытия;

кап - коэффициент теплопередачи через стенки укрытия, кВт/м К;

кт- отношение площади миделева сечения частицы к ее объему, 1/м;

к, - коэффициент межфазового давления;

Ьукр - расстояния от желоба до выходного проема укрытия, м;

ЬК0Р - длина внутреннего короба укрытия, м;

I - длина желоба, м;

т,„ тю тер - влагосодержание воздуха начальное, конечное и среднее, г/кг; тЯАС.у, тНАС.к - влагосодержание насыщенного воздуха в укрытии и аспираци-онном воздуховоде, г/кг;

Мдж - пылеунос от укрытия с двойными стенками и жесткой перегородкой, мг/с;

МлУ- пылеунос от разработанного укрытия, мг/с;

Р - давление (Т, - эжекционное в желобе, Рт - тепловое в желобе, Р, - межфазовое в желобе, Р), Па;

Рпшсз- парциальное давление насыщающих воздух водяных паров при температуре материала, Па;

Рл иле. у - парциальное давление насыщающих водяных паров при температуре воздуха в укрытии, Па; {2Ж - расход воздуха в желобе, м3/с;

Qa - расход аспирируемого воздуха, м3/с; ^

()„ - расход воздуха, поступающего в укрытие через неплотности, м/с; <7 - тепловой поток от парящего материала, Вт/м ; Цеп - тепловой поток через стенки укрытия, Вт/м ; ¿ж - площадь поперечного сечения желоба, м ;

1Ы - температура материала начальная и конечная, °С; !2ю 12и - температура воздуха начальная и конечная, °С; V - скорость (о, V, - частиц; и/к, ок - частиц в конце желоба; и0, V/,, - чаепщ в начале желоба; о2, и - воздуха), м/с;

а - коэффициент межкомпонентного обмена (ат - массой, кг/м -с-К); аТ, а - теплом, Вт/(м2-К); з з

Д - объемная концентрация ф, - частиц, Д> - воздуха), м /м ; С- коэффициент местного сопротивления (к.м.с.); Я - коэффициент гидравлического сопротивления;

(р, (рк - коэффициент скольжения компонентов (отношение скорости эжектируе-мого воздуха к скорости частиц в конце желоба), б/р;

у - коэффициент сопротивления (щ - частицы в области автомодельности, Ц10ч> • шара в области автомодельное™, у/с - частицы при витании, (/*- частицы в потоке), б/р.

Яе - число Рейнольдса; Ви - число Бутакова-Нейкова; Ей - число Эйлера; N11 - число Нуссельта.

Подписано в печать ¿0.Н- Формат 60x84/16

Усл. пл. 1,12 Тираж 100 Заказ

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА

АСПИРАЦИОННОЕ УКРЫТИЕ МЕСТ ЗАГРУЗКИ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА

Специальность 05.02ЛЗ - Машины, агрегаты и процессы

(строительство)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-д. т. н., профессор

В.А. МИНКО

Белгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ стр. Введение..........................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ АСПИРАЦИОННЫХ УКРЫТИЙ МЕСТ ПЕРЕГРУЗКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПРОИЗВОДСТВУ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПРАВЛЕНИЙ ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ.......................................................................................11

1.1. Способы борьбы с пылевыделениями при перегрузках сыпучих материалов в цехах по производству силикатного кирпича..........................................................12

1.2. Аспирационные укрытия мест перегрузки сыпучих материалов.....................15

1.3. Существующие методики расчета конструктивно-технологических параметров аспирационных укрытий.......................................................................26

1.3.1 Расчет объемов аспирации..................................................................................26

1.3.2. Расчет концентрации пыли................................................................................30

1.3.3. Рекомендуемые конструктивные параметры укрытий...................................33

1.4. Направления совершенствования конструкций аспирационных укрытий......34

1.6. Цель и задачи исследований.................................................................................38

1.7. Выводы....................................................................................................................38

2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ ПЕРЕГРУЗКЕ ВЛАЖНЫХ НАГРЕТЫХ МАТЕРИАЛОВ......................40

2.1. Общие положения тепло- и массообмена в условиях перегрузки влажных нагретых материалов..................................................................................................40

2.2. Тепло- и массообмен в аспирационных укрытиях мест загрузки конвейеров46

2.3. Определение давлений возникающих при перегрузке влажных нагретых материалов (силикатной массы)................................................................................51

2.4. Численный эксперимент по определению температуры и влагосодержания при перегрузке силикатной массы............................................................................56

2.5. Численный эксперимент по определению влияния межфазового давления на объемы эжектируемого воздуха................................................................................57

2.6. Выводы....................................................................................................................59

3. ПЛАН, ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................60

3.1. Методика, цель и задачи экспериментальных исследований...........................60

3.1.1. Описание экспериментальной установки лабораторного стенда..................62

3.1.2. Описание экспериментальной опытно-промышленной установки...............65

3.1.3. Приборы и методики измерений.......................................................................68

3.2. Выводы....................................................................................................................75

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЫЛЕАЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРЕДЛОЖЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ УКРЫТИЯ..................................................................................76

4.1. Разрежение в укрытии...........................................................................................76

4.2. Коэффициент местного аэродинамического сопротивления укрытия............81

4.3. Влияние основных конструктивных параметров укрытия на объемы аспириуемого воздуха и концентрацию пыли................................................

4.4. Определение рациональных конструктивных и режимных параметров аспирационного укрытия.........................................................................................106

4.5. Объемы аспирируемого воздуха при перегрузках сыпучих нагретых материалов в условиях производства силикатного кирпича................................108

4.6. Выводы..................................................................................................................109

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ АСПИРАЦИОННОГО УКРЫТИЯ..................................................................................................................111

5.1. Методика расчета объемов аспирируемого воздуха........................................111

5.2. Методика расчета концентрации пыли для укрытия лабиринтного типа.....116

5.3. Методика определения конструктивных параметров укрытия......................119

5.4. Апробация методик расчета объемов аспирации и концентрации пыли.......123

5.5. Общие рекомендации по проектированию систем аспирации.......................126

5.7. Выводы..................................................................................................................131

Заключение..................................................................................................................131

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................134

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................169

Введение

Актуальность работы. Технологические процессы предприятий строительной индустрии, включают в себя процессы механической переработки и конвейерного транспортирования, связанные с гравитационным перемещением больших количеств сыпучих материалов по закрытым желобам и сопровождающиеся интенсивным выделением пыли.

Средства борьбы с пылевыделением (комплексные системы обеспыливания), поддерживающие концентрации пыли в воздухе рабочей зоны ниже ПДКр.з., включают в себя системы аспирации (АС), общеобменной вентиляции и вакуумной пылеуборки. В ряду, которых системы аспирации (АС) занимают важное место, непосредственно локализуя источник пылеобразования. Эксплуатация систем местной вытяжной вентиляции (аспирации) связана с большими затратами, что вызвано большой энергоемкостью данных систем (до 20% от технологических мощностей). Энергоемкость обеспыливающих систем обусловлена транспортированием значительного объёма воздуха. Как показали исследования В.В. Недина, О.Д. Нейкова, В.А. Минко, И.Н. Логачева, И.И. Афанасьева, Ф.И. Данченко, Ю.И. Пирогова, В.Д. Олифера и др. сокращение затрат может быть достигнуто совершенствованием конструкций укрытий источников пылевыделения, позволяющих существенно влиять на распределение, формирование пылевоздушных потоков и как следствие снижать объемы аспирируемого воздуха. Значительные исследования в этой области, существование множества вариантов полезных моделей укрытий не дают решения ряда задач. Сегодня существуют методики подбора только малого спектра укрытий, в целом же проектирование укрытий базируется на рекомендациях. Одна из которых - это повышение габаритов укрытий. Увеличение размеров укрытий не всегда возможно по архитектурным, строительным и технологическим особенностям производств. В связи с этим очевидна актуальность разработки конструкции укрытия для применения в стесненных условиях, позволяющего влиять на процесс эжекции воздуха

перегружаемым материалом.

Диссертация выполнена на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Белгородского государственного технологического университета (БГТУ) в рамках:

- исследований по гранту Президента РФ НШ-588.2012.8 «Разработка методов пыле- и газоулавливания в пыльных цехах промышленных предприятий»;

- разработки проекта систем аспирации и общеобменной вентиляции дробильно-сортировочной фабрики ОАО "Стойленский ГОК";

- обследования систем аспирации КСМД ОАО «Стойленский ГОК» с составлением технологического регламента по повышению эффективности пылеудаления.

Цель работы: Разработка аспирационного укрытия для применения в стесненных условиях производства силикатного кирпича и методики его расчета.

Поставленная цель определила следующие задачи исследования:

провести анализ состояния и направлений совершенствования пылегазодинамических характеристик аспирационных укрытий мест загрузки конвейерного транспорта;

- разработать конструкцию компактного аспирационного укрытия места загрузки конвейеров сыпучим материалом;

провести экспериментальные исследования влияния элементов конструкции аспирационного укрытия при перегрузке сыпучих материалов на объемы аспирируемого воздуха и концентрацию пыли в удаляемом воздухе;

- установить методом многофакторного эксперимента регрессионные зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления укрытия и коэффициента пылеуноса от входных конструктивно-технологических факторов;

- произвести аналитические исследования влияния тепло- и массопереноса на объемы эжектируемого воздуха при перегрузке формовочных силикатных масс;

разработать инженерную методику расчета конструктивно-технологических параметров аспирационного укрытия для стесненных условий.

Методы исследования включали аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, полупромышленные и опытно-промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики с применением ПЭВМ. Полупромышленный и промышленный эксперимент позволил подтвердить результаты аналитических исследований и выявить наиболее рациональное соотношение конструктивно-технологических параметров укрытия в условиях производства силикатного кирпича.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено влияние межфазового давления на объемы эжектируемого воздуха при перегрузке влажных нагретых материалов;

получена экспериментальная зависимость для вычисления аэродинамического сопротивления аспирационного укрытия;

- разработана методика расчета объемов аспирируемого воздуха и концентрации пыли в нем с учетом влияния аэродинамической схемы укрытия;

- получены уравнения регрессии, позволяющих определить рациональное соотношение конструктивно-режимных параметров укрытия;

- разработана новая конструкция аспирационного укрытия, работающего с эффектом двойных стенок, защищенного патентом РФ на полезную модель, для применения в стесненных условиях, осуществляющее эффективное обеспыливание при снижении энергозатрат.

На защиту выносятся следующие научные положение и результаты:

- результаты экспериментальных исследований аэро- и пылединамики компактного аспирационного укрытия, способствующего снижению энергоемкости и пылевой нагрузки на фильтры системы аспирации;

уравнение для определения аэродинамического сопротивления аспирационного укрытия;

разработанная инженерная методика расчета конструктивно-технологических параметров аспирационного укрытия для стесненных условий;

- регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов, на процесс пылеуноса из укрытия.

Практическая значимость работы заключается в создании на основании теоретических разработок и экспериментальных исследований новой конструкции аспирационного укрытия для локализации места загрузки конвейерной ленты сыпучим материалом, новизна которого защищена патентами РФ на полезную модель.

Предложенные теоретические зависимости, конструктивные решения и рекомендации по рациональным конструктивно-режимным параметрам могут быть использованы при расчете и проектировании аспирационных систем обеспыливающей вентиляции предприятий по производству силикатного кирпича.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 11 печатных работах, в том числе 3 статьи, опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК России и 1 патенте на полезную модель Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-практических конференциях:

- III Международная научно-практическая конференция «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (г. Белгород 2006 г.),

Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знания» (г. Губкин 2007 г.),

- Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин 2008

г.),

- IX Международная научно-техническая конференция «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства «ИнЭРТ-2010» (Донской государственный технологический университет г. Ростов-на-Дону 2010 г.),

- Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин 2010),

- Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород 2011 г.).

Разработанная конструкция аспирационного укрытия и методика расчета его конструктивно-технологических параметров нашли применение при проектировании обеспыливающих систем:

- перегрузочного узла на ООО «Завод силикатного кирпича» (г. Старый Оскол);

- перегрузочного узла бетонной смеси поверхностного закладного комплекса Яковлевский рудник ООО «Металл-групп»;

- дробильно-сортировочного участка ОАО «Стойленский ГОК».

Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова при изучении курсов «Основы проектирования и конструирования обеспыливающих систем», «Машины и оборудование в ПСМ».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (178

9

источников) и 8 приложений. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста и содержит 54 рис. и 9 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам БГТУ им.В.Г.Шухова: профессору Минко В.А., определившему направление исследований, профессорам Логачеву И.Н., Уварову В.А., Ильной Т.Н., доцентам Овсянникову Ю.Г., Феоктистову А.Ю., Староверову C.B. за ценные научные и практические рекомендации, старшим преподавателям Семиненко A.C., Попову E.H., ассистенту Кирееву В.М., оказавшим помощь при планировании, проведении и обработке экспериментов, а также главному механику Дронову Р.В. и другим сотрудникам ООО «Завод силикатного кирпича» оказавшим содействие, техническую и организационную поддержку при проведении промышленных экспериментов.

1. АНАЛИЗ АСПИРАЦИОННЫХ УКРЫТИЙ МЕСТ ПЕРЕГРУЗКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПРОИЗВОДСТВУ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПРАВЛЕНИЙ ЕГО

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

В результате натурных обследований [47] предприятий по производству силикатного кирпича и строительной керамики, установлено, что при таких технологических операциях как дробление и помол извести, смешение компонентов, гашение силикатной массы и прессование кирпича в атмосферу производственных помещений выделяется большое количество пыли. В таблице 1.1 по данным санитарно-эпидемиологических станций разных городов приведены минимальные и максимальные значения концентрации пыли на рабочих местах в основных отделениях заводов силикатного кирпича [47].

Таблица 1.1

Концентрация пыли на рабочих местах

Отделение л Концентрация пыли, мг/м

Дробильное 117-595

Помольное 18,4-373

Смесительное 54-290

Силосное (загрузка) 12-120

Силосное (выгрузка) 24-157

Прессовое 10-86

Из таблицы 1.1 видно, что запыленность воздуха во всех отделениях во много раз превышает ПДК, что приводит к возникновению массовых профессиональных заболеваний. Поэтому снижение запыленности воздуха на заводах силикатного кирпича с помощью обеспыливающей вентиляции представляет собой важную задачу.

Ленточные конвейеры сегодня это самый распространенный тип транспортирующих машин непрерывного действия, используемый во всех отраслях промышленности. Преобладающее количество конвейерных установок, работающих в нашей стране, около 90% это ленточные конвейера. [1, 59, 77]. Одним из процессов интенсивного пылевыделения в воздух рабочей зоны является загрузка и перегрузка ленточных конвейеров сыпучими материалами, что является их основным недостатком.

Причиной выделения пыли при этом являются возникновение в аспирационных укрытиях избыточного давления:

- в результате процесса аэродинамического взаимодействия перегружаемого материала перемещающегося под действием сил тяжести с воздухом в желобе укрытия;

- в результате разницы между плотностью воздуха в желобе и плотностью воздуха, окружающего перегрузочный узел, возникающей вследствие теплообмена при перегрузке нагретого влажного материала.

Раскрытие механизмов создания эжекционного потока воздуха позволит не только прогнозировать величину загрязнений атмосферы пылевыми выбросами, но и выбирать рациональное техническое решение локализации источника пылевыделения и обеспыливания воздуха [8, 9, 72, 82, 83].

1.1. Способы борьбы с пылевыделенпямп при перегрузках сыпучих материалов в цехах по производству силикатного кирпича

Можно выделить основные методы борьбы с пылеобразованием.

1. Технологический - совершенствование технологического процесса и оборудования (создание экологически чистого производства);

2. Обеспыливающая вентиляция (аспирация, общеобменная вентиляция, вакуумная пылеуборка (или гидросмыв) - комплексный подход к решению проблемы борьбы с пылеобразованием;

3. Гидрообеспыливание- увлажнение материала, в результате чего мелкие частицы прилипают к крупным;

4. Пено