Распределение скорости газа в пневмоклассификаторе с четырехпоточными контактными элементами

УДК 622.752.3:699.33

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ГАЗА В ПНЕВМОКЛАССИФИКАТОРЕ С ЧЕТЫРЕХПОТОЧНЫМИ КОНТАКТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

© 2008 г. В.А. Кирсанов, В.В. Титаренко, Б.Е. Владимиров

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Приведены результаты аэродинамических исследований четырехпоточных контактных элементов каскадного пневмоклассификатора. Выявлено распределение скорости воздуха по высоте сепарационного канала в зависимости от конструктивных особенностей контактных элементов.

Ключевые слова: воздушная классификация сыпучих материалов, каскадная пневмоклассификация, контактные элементы пневмоклассификаторов, четырехпоточные контактные элементы, сепарационный канал, распределение скорости газа, однофазный поток.

The results of the aerodynamic research offour-flow contact elements of Cascade Pneumatic Classifier are cited. The distribution of velocity of air along height of separating channel depending on designer peculiarity of a contact element is revealed.

Keywords: air categorization loose material, cascade pneumatic categorization, contact elements pneumatic classifier, four-flow contact elements, separating channel, distribution to velocities of the gas, single-phase flow.

Создание рациональной структуры воздушного потока, которая должна обеспечивать однородность поля скоростей газа, подавлять крупномасштабную турбулентность, препятствовать образованию застойных зон и способствовать разрушению образующихся агломератов частиц, является необходимым условием эффективной работы каскадных пневмоклассификаторов. Первостепенное значение контактных элементов в формировании структуры несущей среды доказано многими учеными [1, 2], поэтому выявление результатов влияния их конструктивных особенностей на механизм распределения одно- и двухфазного потока по объему сепарационной камеры аппарата позволит, в конечном итоге, оптимизировать аэродинамическую обстановку и обеспечить требуемую эффективность процесса.

В данной статье приводятся результаты аэродинамических исследований четырехпоточных контактных элементов [3] в сравнении с другими ранее изученными конструкциями. Эксперименты проводились на модельной установке прямоугольного сечения с размерами сторон 100x50 мм и высотой 1000 мм, в которой размещали исследуемые контактные элементы. В качестве побудителя тяги использовался вакуум-насос РМК-3. Изучение структуры однофазного потока заключалось в измерении динамического давления по разности между полным давлением потока, действующим в направлении вертикальной составляющей скорости газа, и статическим давлением в трёх горизонтальных сечениях I, II и III по высоте шахты пневмоклассификатора. В каждом сечении скорость определялась в девяти точках вдоль горизонтальной оси по длине шахты по показаниям чашечного многопредельного микроманометра типа ММН, подсоединенного к трубке Пито-Прандтля, жестко закрепленной в специальном механизме, позволяющем производить ее точное позиционирование. Измерения локальных скоростей воздуха над четырехпоточным контактным элементом производили в трех различных сечениях по

ширине шахты: над плоскими полками - сечения «3 - 3» и «1 - 1» и над двускатной полкой - сечение «2 - 2» (рис. 1).

А

Рис. 1. Плоскости измерения локальных скоростей воздушного потока над четырехпоточным контактным элементом

На рис. 2 а представлены кривые распределения локальных скоростей газа в аппарате со сплошными четырехпоточными контактными элементами в сечении «1 - 1».

Как видно, наиболее равномерно воздушный поток распределен по сечению только в верхней части шахты. В средней части аппарата происходит уменьшение локальной скорости от оси шахты, где воздушный поток, проходя через центральную щель, достигает своего максимального значения, к стенкам аппарата. Непосредственно над контактным элементом наблюдается неравномерное распределение воздушного потока, который, обходя плоские полки, закручивается в сторону стенок шахты, при этом локальная скорость газа около стенок имеет отрицательные значения. Следует заметить, что интенсивность вихреоб-разования увеличивается при больших скоростях газа (V = 3,3 - 3,6 м/с). С уменьшением скорости воздушного потока (V = 2,4 м/с) происходит выравнивание сплошной среды по всей высоте аппарата.

3

3 2 1 0 -1 -2

3 2 1 0 -1 -2 3 2 1 0 -1 -2

а б

Рис. 2. Распределение скорости воздуха в сечении «1 - 1»: а, б - «живое» сечение контактного элемента 15 % сплошного и перфорированного соответственно; 1, 2, 3, 4 - средняя скорость воздуха в аппарате 2,4; 2,9; 3,3; 3,6 м/с соответственно; О, Д,  - непосредственно над контактным элементом, верхняя и средняя части

шахты соответственно

На рис. 2 б представлено распределение сплошной среды в аппарате с перфорированным контактным элементом с живым сечением полок 15 % в сечении «1 - 1». В верхней и средней частях сепарацион-ного канала при этом наблюдается выравнивание структуры потока, чему способствует как расположение в этом сечении центральной щели, так и наличие перфорации на полках элемента. Воздух, проходящий через отверстия полок, снижает интенсивность вихре-образования в центральной части надполочного пространства. Однако возле стенок шахты непосредственно над контактным элементом наблюдаются небольшие завихрения. Следует отметить, что незначительное уменьшение локальной скорости воздуха около стенок отмечено при всех значениях средней скорости газового потока и для всех сечений по высоте шахты.

Эпюры распределения локальных скоростей в аппарате со сплошными четырехпоточными контактными элементами в сечении «2 - 2» представлены на рис. 3 а. Как видно, над элементом при небольших скоростях газового потока (V = 2,4 - 2,9 м/с) возмущения воздушной среды незначительны. При увеличении средней скорости воздуха (V = 3,3 - 3,6 м/с) в центре и около стенок шахты происходит падение его локальной скорости. В средней и верхней частях аппарата над двускатной полкой наблюдается выравнивание структуры воздушного потока при всех значения скорости газа, что можно объяснить влиянием соседних сечений «1 - 1» и «3 - 3», в которых воздушный поток беспрепятственно проходит через центральные щели. Возле стенок шахты локальная скорость увеличивается на незначительную величину из-за наличия в этом

1

2

3

4

сечении боковых щелей. При этом локальная скорость газа возрастает только над центральной частью боковых щелей, тогда как у самой стенки происходит незначительное вихреобразование.

При установке в аппарат перфорированного четы-рехпоточного элемента (рис. 3 б) значительное падение локальной скорости газа над его поверхностью происходит над двускатной полкой при всех значениях средней скорости воздуха (V = 2,43 - 3,65 м/с). Можно предположить, что воздушные потоки при обтекании пластины двускатной полки закручиваются

навстречу друг другу, образуя разреженную область непосредственно над вершиной элемента. При этом перфорация полок оказывает на структуру потока большее стабилизирующее действие при низких скоростях газа (V = 2,4 м/с). В средней и верхней частях сепарационного канала при V = 2,4 - 3,6 м/с наблюдается равномерное распределение локальных скоростей только в центральной части шахты.

Кривые распределения скорости воздуха в аппарате с четырехпоточным контактным элементом в сечении «3 - 3» показаны на рис. 4.

3 2 1 0 -1 -2

3 2 1 0 -1 -2

3 2 1 0 -1 -2

3 2 1 0 -1 -2

3 2 1 0 -1 -2

3 2 1 0 -1 -2

3 2 1 0 -1 -2

а б

Рис. 3. Распределение локальных скоростей газа в сечении «2 - 2»: а, б - «живое» сечение контактного элемента 15 % сплошного соответственно; 1, 2, 3, 4 - средняя скорость воздуха 2,4; 2,9; 3,3; 3,6 м/с соответственно; О, Д,  - непосредственно над контактным элементом, верхняя и средняя части шахты

соответственно

1

2

3

4

3 2 1 0 -1 -2 -3

3 2 1 0 -1 -2

= f-

0 -1 -2 -3

4 3 2 1 0 -1 -2 -3

3 2 1 0 -1 -2

4 3 2 1 0 -1 -2 -3

3 2 1 0 -1 -2

а б

Рис. 4. Распределение локальных скоростей газа в сечении «3 - 3»: а, б - «живое» сечение контактного элемента 0,30 % сплошного и перфорированногогсоответственно; 1, 2, 3, 4 - средняя скорость воздуха в аппарате 2,43; 2,89; 3,3; 3,65 м/с соответственно; О, Д,  - непосредственно над контактным элементом,

верхняя и средняя части шахты соответственно

В средней части шахты и непосредственно над сплошным элементом (рис. 4 а) фиксируются высокие значения локальной скорости, которые уменьшаются около стенок над плоскими полками элемента. В верхней части сепарационного канала над центральной щелью при всех значениях скорости сплошной среды происходит сильное вихреобразование, при этом значение локальных скоростей находится в области отрицательных значений. При больших скоро-

стях воздушного потока (V = 2, 9 - 3,6 м/с) в этом вертикальном сечении при наличии перфорированного контактного элемента (рис. 4 б) значения локальной скорости равномерно распределены только в верхней части аппарата. При средней скорости воздуха в аппарате, равной 2,4 м/с, по оси шахты наблюдается уменьшение его локальной скорости. В средней части сепарационного канала при всех скоростях потока газа снижение локальных скоростей наблюдается

1

2

3

4

над центральной щелью, что, вероятно, объясняется влиянием вертикального сечения «2 - 2», в котором элемент представлен в виде двускатной полки. Непосредственно над контактным элементом воздушный поток, огибая плоские полки, закручивается, что приводит к уменьшению локальных скоростей при всех значениях скорости сплошной среды.

Анализ результатов проведенных аэродинамических исследований позволяет сделать следующие выводы. В аппарате с четырехпоточными контактными элементами вихреобразная структура потока присутствует непосредственно над всей его поверхностью, что выгодно отличает данную конструкцию от ступенчатой полки, у которой образование мелкомасштабных вихрей происходит над ее наклонными участками. Конструктивные особенности четырехпоточ-ного элемента вызывают появление мелкомасштабных вихрей как в пристенной области аппарата, так и в его центральной части. При этом количество образующихся завихрений значительно больше, чем в аппарате с двухпоточными или трехпоточными контактными элементами [4]. Наличие большого числа проходных сечений (центральных и боковых щелей) в конструкции данного элемента, позволяет достигнуть стабилизации воздушного потока в средней и верхней

Поступила в редакцию

частях аппарата. Следует отметить, что перфорация четырехпоточного элемента также способствует незначительной стабилизации скорости потока и в над-полочном пространстве. Именно секционирование аппарата на три части в его поперечном сечении способствует образованию ряда мелкомасштабных вихрей, при взаимодействии которых друг с другом проявляется сложный характер полученных эпюр.

Литература

1. Барский М.Д. Фракционирование порошков. М., 1980.

2. Донат Е.В., Голобурдин А.И. Аппараты со взвешенным слоем для интенсификации технологических процессов. М., 1993.

3. Пат. 2123391 РФ. МКИ В07В 4/00, 4/08. Гравитационный пневмоклассификатор / В.А.Кирсанов, В.Н.Славянский, А.М.Новоселов.- Заявл.21.06.94; 0публ.20.12.98, Бюл. № 35.

4. Кирсанов В.А. Каскадная пневмоклассификация сыпучих материалов / Ред. журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион». Ростов н/Д, 2004.

1 июля2008 г.

Кирсанов Виктор Александрович - д-р. техн. наук, профессор кафедры технологии неорганических веществ Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 55-5-95 E-mail: kirsanovi@rambler.ru

Титаренко Василий Викторович - ассистент кафедры МАХиПП Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 2-13-95.

Владимиров Борис Ефимович - канд. техн. наук, доцент кафедры МАХиПП Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 2-13-95.