Модельные исследования параметров функционирования безлопастного вентилятора в системах газоотсоса сталеплавильных цехов

Введение

Как известно, производственная деятельность человека, начиная с разработки полезных ископаемых и заканчивая выпуском готовой продукции, сопровождается процессами пыле- и газообразования, оказывающими негативное влияние на экологическую обстановку в промышленных зонах и непосредственно к ним прилегающих местах компактного проживания населения, а также на чистоту воздуха внутри цеховых зданий вблизи функционирующего технологического оборудования. Поэтому снижение объемов выбросов в атмосферу, достигающих десятков тонн в сутки в регионах с развитой горнорудной и металлургической промышленностью, а также улучшение условий труда персонала за счет уменьшения содержания вредных включений на рабочих местах, являются актуальными задачами, решение которых требует разработки новых высокоэффективных способов эвакуации газопылевых выделений и создания оборудования для их реализации [1].

Результаты выполненного литературного обзора и проведенного патентного поиска свидетельствуют о том, что в республике и за рубежом в последние годы активизированы теоретические и экспериментальные изыскания, связанные с созданием вентиляторных систем, вызывающих направленное движение газовых потоков без применения рабочих колес с закрепленными на них лопатками или лопастями. Речь идет о так называемых струйных вентиляторах, инициирующих перемещение газообразной среды за счет передачи ей энергии воздушных струй, истекающих под избыточным давлением из одного или нескольких сопел [2-5].

Актуальность темы магистерской работы

Примером успешной практической реализации системы со струйным устройством может служить вентилятор, предложенный в 2009 году англичанином Джеймсом Дайсоном и защищенный несколькими патентами [6, 7]. Конструктивно указанный вентилятор выполнен в виде полого кольца с продольным сечением, схожим с профилем самолетного крыла, а также имеющего на внутренней своей поверхности расположенную по всей длине щель с шириной 0,5-5 мм. Подаваемый с помощью турбины или компрессора в полость кольца воздух с большой скоростью вытесняется через щель и плавно огибает внутренний аэродинамический профиль, создавая в центре область разрежения, благодаря чему воздушная масса втягивается с периферии и сливается с первичным потоком, образуя струю, выталкиваемую вперед и увеличивающую в несколько раз объем воздуха на выходе.

Достоинства вентилятора Дайсона заключаются в его безопасности, благодаря отсутствию внешних вращающихся элементов, возбуждающих газовый поток, а также в обеспечении большего расхода при одинаковой мощности в сравнении с механическими вентиляторами. Существенным его недостатком является то, что при изготовлении кольцевого сопла, сечение которого схоже с профилем самолетного крыла, очень трудно выдержать жесткие допуски на размеры, а при получении даже незначительного повреждения система не подлежит восстановительному ремонту. В связи с этим был разработан и запатентован вентилятор, у которого сопловая часть узла возбуждения направленного потока газовой среды сформирована из комплекта полых сегментов, имеющих контур внутренней поверхности, аналогичный форме продольного сечения полого кольца вентилятора Дайсона. Данные элементы размещены по кругу на оправке, а их полости сообщаются посредством изогнутых трубок с воздухораспределительной камерой, имеющей форму тора. При этом на входе сопловой части установлен завихритель потока, включающий полые сегменты с внутренней криволинейной поверхностью, закрепленные последовательно по окружности на несущей скобе и сообщающимися своими полостями с помощью трубок со второй торообразной воздухораспределительной камерой [8]. Как показали результаты ранее проводившихся экспериментальных исследований, предложенный вентилятор может быть использован в системах эвакуации газопылевых выделений из рабочих зон сталеплавильных агрегатов [9, 10] и проветривания карьеров [11].

Таким образом, разработка высокоэффективных с позиции энергопотребления устройств является крайне важной актуальной задачей в условиях жесткой конкурентной борьбы на внутреннем и внешнем рынках.

Цели и задачи исследования

Целью настоящего исследования является экспериментальная проверка в лабораторных условиях эффективности функционирования предложенного струйного вентилятора в системе местного газоотсоса в сравнении с широко используемыми осевыми и радиальными вентиляторами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать специальную методику лабораторных исследований эффективности работы безлопастного вентилятора в сравнении с устройствами стандартных конструкций;

- выделить критерии сравнения;

- провести анализ качественных и количественных результатов эмпирических исследований, сделать выводы и дать рекомендации.

1 Методика лабораторных исследований

На первом этапе запланированных экспериментов смоделировали работу местной вытяжной вентиляции для трех вариантов ее реализации, предполагающих поочередное использование в ней предлагаемого, а также осевого и радиального вентиляторов (фото на рисунке 1), потребляющих определенную мощность для обеспечения заданного объемного расхода при практически одинаковых геометрических параметрах узлов возбуждения направленного потока газовой среды, которые приведены в таблице.

Исследование проводили на лабораторном комплексе, схематично представленном на рисунке 2 и включающем стойку 10, верхней своей частью поддерживающую открытый зонт 11, связанный с горизонтально расположенным отводящим трубопроводом 13. Внутри зонта перед его выходным отверстием размещали струйный вентилятор 12, газораспределительные камеры которого посредством трубопроводов 15 были связаны с ресивером 6, сглаживающим пульсации расхода и давления воздуха, нагнетаемого компрессором 5 в рабочую сеть. Расход воздуха, раздельно подаваемого к сегментам сопловой части и завихрителя вентилятора, контролировали с помощью ротаметров 17, а плавное его регулирование осуществляли вентилями 18.

Таблица

Основные характеристики применявшихся при проведении исследований вентиляторов

Тип вентилятора	Вид рабочего узла	Диаметр рабочего узла, мм	Частота вращения рабочего колеса, об/мин	Создаваемое давление, Па	Потребляемая мощность, Вт
Струйный	Сопло	90	-	12000	300
Осевой	Колесо с лопастями	100	1000	500	60
Радиальный	Колесо с лопатками	100	12200	11000	360

Для фиксации давления в трубопроводах 15 служили манометры 16. Визуализацию потоков, возбуждаемых вентилятором 12, обеспечивали дымом, образующимся в генераторе 7 при регулируемой с помощью вентиля 19 подаче воздуха в его полость, заполненную тлеющими древесными опилками. Поступавший из генератора дым с помощью полого кольца 8 через отверстия малого диаметра в его стенке распространялся в нижней части рабочей зоны, расположенной под зонтом 11. Запись картин распределения восходящих газовых потоков в процессе работы системы вентиляции выполняли установленной на штативе видеокамерой 9. Наряду с потребляемой вентилятором мощностью при эвакуации из рабочей зоны газовой смеси осуществляли также замеры скорости ее движения в отводящем трубопроводе 13.

Для этого в нем перпендикулярно направлению движущегося газового потока размещали приемный элемент в виде диска диаметром 10 мм, закрепленный на нижнем конце стержня, связанного другим своим концом с упругой пластинкой 14, верхняя часть которой защемлена в державке, смонтированной на наружной поверхности трубопровода. На противоположных плоскостях упругой пластинки вдоль ее оси симметрии наклеены два фольговых тензодатчика сопротивлением 200 Ом, соединенные по полумостовой схеме и посредством экранированного кабеля подключенные к усилителю переменного тока 4. Под действием на приемный элемент динамического напора газового потока, пропорционального квадрату скорости и плотности движущейся среды, защемленная пластинка 14 подвергается изгибу, в результате чего наклеенные на ее поверхности датчики также деформируются и изменяют свое омическое сопротивление. Вследствие этого на вход усилителя поступает аналоговый сигнал, который после усиления преобразуется с помощью АЦП в цифровой код и далее подается в системный блок 2 ЭВМ для обработки и последующей распечатки. Указанная измерительная система позволяет в режиме реального времени контролировать скорость газовой среды в отводящем трубопроводе и после расшифровки зарегистрированных сигналов получить профили скорости в его продольном сечении.

По завершении эксперимента с использованием струйного устройства опыты повторили, последовательно применяя осевой и радиальный вентиляторы. При этом оба вентилятора также размещали внутри зонта. При организации местной вытяжной вентиляции с использованием механических вентиляторов стремятся более полно укрыть источник вредных выделений, для чего габариты зонта должны превышать по площади размеры, обслуживаемой поверхности, а скорость среды в газоводах – обеспечивать ее доведение до выходного отверстия вентиляционной системы, то есть создаваемое разрежение под зонтом было достаточным для предотвращения возврата газо-воздушной смеси в рабочую зону.

2 Результаты эмпирических исследований и их анализ

На рисунке 3 приведены фотографии характерных картин потоков дыма, наблюдавшихся при его отсосе из рабочей зоны с помощью вентиляторов различных типов. Следует отметить, что фотографии получены из видеозаписей с использованием режима «стоп-кадр» путем отбора изображений через одинаковые промежутки времени для каждого из тестируемых вентиляторов, благодаря чему можно было судить об обеспечиваемой ими интенсивности отсоса дыма.

Результаты измерений скоростей потоков дыма в отводящем трубопроводе (рисунок 4) использовали в качестве дополнительных сведений об эффективности функционирования системы местного газоотсоса при использовании в ней различных типов вентиляторов, для чего рассчитали осредненные значения объемного расхода воздушно-дымовой смеси, отводимой по трубопроводу с внутренним диаметром 100 мм.

Наряду с этим оценивали также мощность, затрачиваемую ими для возбуждения восходящих дымовых потоков. Для механических вентиляторов мощность рассчитывали путем перемножения значений напряжения и тока, зафиксированных с помощью соответствующих измерительных приборов в питающей сети во время функционирования системы газоотсоса.

Затрачиваемую мощность при функционировании предложенного вентилятора определяли как произведение значений напряжения и тока, зафиксированных при работе компрессора, подававшего под давлением воздух к камерам системы.

Результаты обработки полученной информации свидетельствуют о том, что во время функционирования струйного, осевого и радиального вентиляторов с

одинаковыми геометрическими параметрами узла возбуждения направленного газового потока значения потребляемой ими электрической мощности соответственно составили 300, 60 и 360 Вт, а обеспечиваемый при этом объемный расход отсасываемой воздушно-дымовой смеси достигал 0,039, 0,006 и 0,031 м³/с. С учетом визуально зафиксированной интенсивности эвакуации дыма из рабочей зоны, находящейся под вытяжным зонтом, можно сделать вывод о том, что вентилятор предложенной конструкции может успешно применяться в системах местного газоотсоса наряду с существующими механическими вентиляторами.

Выводы

Таким образом, разработки, направленные на создание высокоэффективных устройств, являются актуальными, приоритетными и перспективными, поскольку позволяют производить конкурентоспособный продукт с высокой добавочной стоимостью.

Предлагаемая система является более универсальной в сравнении с известными отечественными и зарубежными аналогами, так как позволяет осуществлять локализацию и эвакуацию стационарных и нестационарных газопылевых образований от источников, что благоприятно влияет на санитарно-гигиенические условия труда.

Эмпирически установлено, что предложенная конструкция струйного вентилятора по эффективности работы в системе местного газоотсоса не уступает вентиляторам осевого и радиального типов и может использоваться при удалении из рабочей зоны взрывоопасных и воспламеняющихся газопылевых смесей.

При написании данного реферата магистерская диссертация еще не завершена. Окончательное завершение: май 2020 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Перечень использованной литературы

1. Боровицкий А.А., Угорова С.В., Тарасенко В.И. Современная промышленная вентиляция. Владимир: Издательство Владимирского государственного университета, 2011. – 59 с.
2. Wahl T.L. Hydraulic performance of Coanda effect screens // Journal of Hydraulic Engineering, 2001. – Vol. 127. – Issue 6. – P. 480-488.
3. Miozzi M., Lalli F., Romano G.F. Experimental investigation of a free-surface turbulent jet with Coanda effect // Expereriments in Fluids, 2010. – Vol. 49. – Issue l. – P. 341-353.
4. Dragan V. A nev mathematical model for high thickness Coanda effect wall jets // Review of the Air Force Academy, 2013. – Issue 1 (23). – P. 23-28.
5. Tony L., Wahl T.L. New testing of Coanda-effect screen capacities // This paper prepared for poster presentation at: Hydro Vision International 2013 July 23-26. Denver, CO, 2013. – 14 p.
6. Патент 2458254 РФ, МПК F04D25/08. Вентилятор / П.Д. Гэммак, Ф. Николас, К.Д. Симмондз; заявл. 10.10.2011, опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22.
7. Патент 2484383 РФ, МПК F24F1/02. Вентилятор / Ф. Николас, К. Симмондз; заявл. 27.01.2013, опубл. 10.06.2013. Бюл. № 16.
8. Патент 2630443 РФ, МПК F24F7/00, F04D25/00, F04D29/00. Узел безлопастного вентилятора для эвакуации газопылевых выбросов из промышленных агрегатов / Е.Н. Смирнов, С.П. Еронько, М.Ю. Ткачев [и др.]; заявл. 23.05.2016, опубл. 07.09.2017. Бюл. № 25.
9. Еронько С.П., Ткачев М.Ю., Стародубцев Б.И. Моделирование газоотсоса от плавильных агрегатов с использованием безлопастных вентиляторов // Вестник Института гражданской защиты Донбасса, 2015. – Вып. 3 (3). – С. 15-19.
10. Еронько С.П., Ткачев М.Ю., Стародубцев Б.И. Моделирование работы модернизированной системы газоотсоса кислородного конвертера с вращающимся корпусом // Вестник Донецкого национального технического университета, 2017. – № 4 (10). – С. 3-12.
11. Еронько С.П. [и др.] Разработка конструкции и модельные исследования новой вентиляторной системы проветривания карьеров // Черная металлургия: Бюл. ин-та Черметинформация, 2018. – № 1. – С. 26-32.