Анализ способов очистки внутренних стен циклона от отложений частиц древесной пыли

Очистка внутренних стен циклона — это принудительное отслоение осадочных образований от стен, разрыхлением их структуры и освобождение полости циклона от осадочных отходов. [1]

Очистка может быть выполнена одним из следующих способов:

♦ Механический — нарушение контакта между осадочным материалом и стенами циклона принудительно, какими либо инструментами (щетками, ворошителями, скребками, палкой и т.п.). Механический способ очистки прост и в основном применяется для очистки открытых или закрытых гладких поверхностей (напр., поршневая очистка газопроводов). В нашем случае он будет неэффективным, так как внутренние стенки циклона закрыты и имеют сложную форму.

♦ Гидродинамический — смыв отложений напором воды. Применяется, например, для очистки стенок и разрушения сводов в бункерах и дозаторах цемента: через отверстия в стенках подается напор воды. Возможность применения для циклонов сомнительна из-за сложности рабочих условий — высоких температур, переменных давлений и расходов. При этом данный способ очистки ведет к перерасходу воды, и будет затруднительным для зимнего времени. Циклоны зачастую конструктивно располагают под открытым небом, что приведет к замерзанию остатков воды в циклоне.

♦ Газодинамический — сдувание слоя отложений воздушным потоком (аэрация). Возможность применения для циклонов сомнительна из-за сложности рабочих условий — высоких температур, переменных давлений и расходов. Кроме того, аэрация будет возвращать значительную часть осажденной пыли в очищаемый газовый поток.

♦ Ударный — встряхивание циклона. При реализации ударного способа задача состоит в выборе времени и силы удара, обеспечивающем наилучшую эффективность очистки. От сильного удара в емкости бункера могут подняться в воздух крупные скопления пыли, тем самым вызвать ее попадания в очищенный поток, или произойдет вторичный захват газопылевого облака. Удары способствуют отделению и разрыхлению пылевой массы, отделенные частицы падают вниз и менее подвержены захвату газовым потоком. Движение газа в основной рабочей зоне также направлено вниз, что способствует сбросу отходов в бункер.

♦ Вибрационный — приведение полости циклона в колебательное движение. Данный метод очистки в промышленности применяется достаточно широко; при соответствующей конструктивной проработке вполне приемлемы и для очистки циклонов в деревообрабатывающей индустрии. Вибрационный способ представляется наиболее эффективным: можно контролировать время запуска вибратора, имеется возможность оптимизации вибраций по частоте и амплитуде. Это говорит о том, что по сравнению с ударным, вибрационный способ более управляем. Вибрационный метод более экологичен, не шумный, возврат пыли в газопылевой поток — минимален.

♦ Магнитно-импульсный — за счет электро-маг­нит­ного импульса происходит отслоение отложений. Требует специальной установки и немалых трудозатрат. Существующие на сегодняшний день математические модели и основанные на них методики расчета магнитно-импульсных приводов позволяют проектировать привод только с осесимметричной конфигурацией системы. Данные модели обладают двухмерным режимом расчета. Они не позволяют производить расчет неосесимметричных моделей. Кроме этого, подобные модели не позволяют производить расчет процессов тел сложной формы. Перечисленные недостатки существенно сдерживают дальнейшее изучение магнитно-импульсного привода. Таким образом, на сегодняшний день существует необходимость создания трехмерной математической модели, лишенной вышеперечисленных недостатков.

♦ Комбинированный — сочетающий два или более метода из перечисленных.

Определенные перспективы представляет виброударный — комбинированный способ, при котором вибрации создаются за счет периодических ударов предопределенной частоты. Эффективность очистки может оказаться высокой, благодаря большей широте спектра ударных вибраций, однако существующие недостатки, специфические для ударного способа, в значительной мере могут сказаться и здесь.

Расчетная модель циклона, как объекта автоматизации процесса очистки воздуха от пылегазовых частиц, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема движения газопылевых потоков в расчетной модели циклона

А) Возмущения — параметры «среды»:

Q_rп — объем газового (пылегазового) потока, м³/с, это переменная величина, меняет свое значение по ходу движения пылегазового потока — в связи с изменением параметров газа (давление, температура), конденсацией и потерями;
W_rп — скорость газового потока, м/с, также переменная величина, по ходу и по сечению так же в связи с изменением параметров газа (давление, температура), конденсацией и потерями — из-за переменного сечения;
z_п — концентрация пыли, величина безразмерная, переменная по ходу газопылевого потока, снижается в процессе очистки;
P_i — давление на входе в циклон, Па;

Б) Управления от «регулятора» при выборе варианта вибрационного способа очистки:

w_B — частота вибратора, 1/с;
Q_B — вынуждающая сила, Н, задается вибратором;
Составляющие параметры структуры объекта автоматизации приведены на рис. 2.

В) Параметры контроля объекта:

А_В — амплитуда вибрации, поступающая на стенки циклона, м. Определяется настройкой вибратора и механическими характеристиками циклона;
P₁ — давление на входе, Па;
P₁′ — давление во входном патрубке после измерительной диафрагмы, Па;
Р₂ — давление в выходном патрубке, Па;

Г) Внутренние параметры объекта автоматизации:

W_цп — скорость пылегазового потока внутри циклона, м/с, имеет различные параметры, в зависимости от места в циклоне;
h_s — толщина слоя отложений на стенках, м, различная в разных местах внутренних стен циклона;
M_s — масса суммарная отложений на внутренних стенках циклона, кг;
z₁ — коэффициент аэродинамического сопротивления входной диафрагмы (см. п. 2.3.3.);
z_ц — коэффициент аэродинамического сопротивления циклона.

Средняя скорость пылегазового потока W_rп, определяется через величину расхода Q_r:

где S — текущее сечение канала, м².

Скорость входного пылегазового потока можно определить по перепаду давления на измерительной диафрагме (турбулентном дросселе), установленной во входном патрубке (см. рис. 2, 4). Измеряемая скорость газопылевого потока связана с перепадом давления зависимостью:

откуда,

где z₁ — коэффициент, Па·с²/м².

Рис. 2. Составляющие параметры объекта автоматизации, циклона

Коэффициент аэродинамического сопротивления входной диафрагмы z₁ при малых расходах зависит от числа Рейнольдса потока [2]. При значениях Re, соответствующих турбулентному режиму, z₁ стабилизируется, см. рис. 3; при определении скорости газопылевого потока не требуется сложных перерасчетов.

Рис. 3. Связь коэффициента z₁ с числом Рейнольдса

Анализируя процесс изменения толщины слоя отложений на внутренних стенках, можно сделать вывод, что это возрастающий процесс. Средняя скорость увеличения слоя отложений зависит от конструкции циклона, площади стенок, скорости (расхода) потока, запыленности газопылевого потока, свойств пылегазовой смеси — размера частиц, конденсации паров, свойств слипания поверхностей двух разнородных тел газопылевого потока и самослипания мелкодисперсных частиц, их способностью образовывать прочные соединения поверхностей одного и того же материала под давлением или без него.

Для конкретных смесей газопылевого потока (мелкодисперсных древесных частиц пыли) и характеристических данных циклона этот процесс представляется формулой:

где K_h = 10^–5…10^–3 — безразмерный коэффициент.

Точное и своевременное измерение значения толщины слоя отложений h_s — задача трудновыполнимая, как правило, берется некоторое усредненное значение толщины слоя.

Коэффициент z_s — «интегральная» характеристика циклона, косвенно характеризующая изменение толщины слоя отложений на стенках. Формулой, аналогичной (2.3), объединим z_s и перепад давления в циклоне с течением времени:

где Р₂ — давление в выходном патрубке циклона, Па.

Перепад давления связан с толщиной слоя отложений h_s, и его неспешным постоянным ростом. Проходное сечение канала S_э с учетом толщины слоя будет равно:

если пренебречь h_s² из-за его незначительности, то

или

Подстановкой (5) и несложными преобразованиями уравнение (4) приводится к виду:

где K₁ — функция скорости газопылевого потока и плотности газа, Н,
K₀ — константа, определяемая характеристикой и геометрией циклона, м.

На рис. 4 показаны кривые зависимости ∆Р_ц (h_s).

Рис. 4. Перепад давления в циклоне, вызванный утолщением внутренних стен циклона, из-за отложений частиц пыли

С учетом роста скорости газопылевого потока и при уменьшении сечения, крутизна кривых для определенных значений h_s резко возрастает, что резко повышает критичность характеристик. Необходимое значение коэффициента z_s, которое моделируется монотонным подбором диафрагмы во входном и в выходном патрубках циклона.

Блок-схема операторов процесса работы вибровозбудителя дана на рис. 5.

Операторы алгоритма Пуск работы системы аспирации деревообрабатывающего или мебельного цехов. Происходит первоначальный забор пылевоздушных потоков, которые, поступая по аспирационным трубам, выходят в циклон, где начинается непосредственный процесс очистки от мелкодисперсных частиц пыли. В вихревом потоке внутри циклона, ударяясь о стенки циклона, мелкие частицы пыли, подвергаясь адгезии и абсорбции, начинают налипать на внутренние стенки циклона. Контроль над выполнением условия hs < hk. Происходит монотонный процесс нарастания отложений hs на внутренних стенках циклона. Измерение толщины hs на внутренних стенках циклона — сложный и трудоемкий процесс. Оптимально измерять толщину слоя отложений по характерным параметрам деревообрабатывающего циклона, по собственной частоте колебаний, целесообразно также производить контроль за толщиной слоя отложений по перепаду давления или по перепаду давлений Р1, Р11, Р2, на входе в циклон и на выходе потока из циклона. Оператор 2 — условный, условие: hs < hk. При увеличении hs выше критического значения включается оператор 3. Включение привода вибровозбудителя. Работа вибровозбудителя. Управление процессом очистки. Это отдельный алгоритм, рассматриваемый ниже. Контроль над выполнением условия 0 ≥ hs < hk. Оператор 5 является самым важным составляющим всего алгоритма, пп. 2. В данном случае используем параметры, описанные в пп. 2. Для более точного расчета включены и сами параметры вибрации деревообрабатывающего циклона, которые так же рассмотрены в операторе алгоритма пп. 3. Оператор условный, условие: 0 ≥ hs < hk (или hs = 0). По завершении очистки стенок циклона от внутренних отложений мелкодисперсной пыли (hs = 0): Остановка привода вибровозбудителя. Возврат к пп. 2. Share Рис. 5. Блок-схема алгоритма процесса работы вибровозбудителя

Список литературы

1. Батурин, В.В., Вентиляция машиностроительных заводов [Текст] / В.В. Батурин, В.В. Кучерук — М.: Машгиз; Издание 2-е, перераб. и доп. Переплет: твердый; 483 страниц; 1954 г. ISBN: [не указан].
2. Вайсберг Л.А. Проектирование и расчет вибрационных грохотов [Текст] / Л.А. Вайсберг — М.: Недра, 1986. — 145 с. — Библиогр.: с. 143–144. … — СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 2004. — 112 с.: ил.; 25 см. — Библиогр.: с. 108–109. — ISBN 5-93761-061-X. Басова Е.В., Часовских В.П. (УГЛТУ), г. Екатеринбург, РФ.

По материалам доклада на VI Международном Евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века», Екатеринбург, РФ, 2011 г.