ПЫЛЕПРОВОД

Полезная модель относится к трубам для транспорта пылевидных материалов, применяемых в различных отраслях производства, в нашем случае - на тепловых электростанциях, сжигающих твердое топливо в пылевидном состоянии.
Пылепроводы (более обобщенно - пылегазовоздухопроводы) при этом необходимы, как транспортирующее эту пыль (воздухом или газом) средство как внутри пылесистемы, перемалывающей кусковой уголь в угольную пыль, так и внешний транспорт готовой пыли от пылесистемы к горелкам парогенератора в виде запыленного воздушного потока - аэросмеси. Исходной точкой описания полезной модели пылепровода как его начала является место его примыкания к смесителю, где смешивается поток, дозируемый питателем из бункера готовой пыли, с транспортирующим ее воздухом от низконапорного вентилятора или сжатым воздухом от турбокомпрессора. Конечная точка - место ввода этого потока в горелку.
Для дальнейшей простоты описания на рисунке условно обозначим эти точки символами С-смеситель и Г-горелка, находящиеся между собой на одном геодезическом уровне. Передача пыли от пылесистемы котлу (от С к Г) - это не простая перекачка пылевидного материала из одной точки в другую, например из бункера в бункер. Поток включен в технологический цикл по обеспечению бесперебойного и равномерного поступления регулируемого количества топлива в топку, в которой каждая пылинка сгорает за 3 секунды, а суммарно 30-40 кг за это же время. Поэтому этот поток должен быть строго постоянен во времени. Вопрос постоянства, исключения пульсаций и сопротивлений потоку и решает ПМ Пылепровод.
В подобном потоке аэросмеси частицы пыли подвержены перемещению под действием сил сопротивления при обтекании их движущимся воздухом и сил падения вниз под действием земного притяжения. При этом в горизонтальной трубе наблюдается сепарация наиболее крупных частиц за счет силы тяжести вниз и скольжение их по нижней образующей трубы. Возникает рост сопротивления их движению, отставание от общего потока и возникновение поршнеобразных сгустков и скоплений - «дюн», вызывающих пульсации в сжимаемом потоке аэросмеси, т.е. пульсации имеют причинно-следственную связь с сепарацией пылинок в потоке аэросмеси при горизонтальном движении - вывод 1.
Экспериментально было установлено, что для исключения сепарации пыли в пылепроводах диаметром 300 мм и более горизонтальных участков не должно быть. «Правила взрывобезопасности топливоподачи и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива» (РД 153-34.1-03.352 - 99», пункт 3.3.1) устанавливают жесткие требования к компоновке пылепроводов при их трассировке. Их следует выполнять с углом наклона к горизонту не менее 45°. Это в первую очередь относится к длинным пылепроводам, когда расстояние С-Г (смеситель-горелка) и пролет в прямом измерении L становится равным около 4 м и более, и в нижней части сечения трубы успевают возникнуть движущиеся скопления-«дюны», вызывающие пульсации. В конечном итоге проблема пульсаций решалась, помимо угла наклона пылепровода, увеличением давления перед смесителем (местом ввода пыли в поток воздуха) и дополнительным расходом мощности на транспорт пыли от пылесистемы к горелке котла при более высокой скорости движения в трубе. Несмотря на это на реакционных углях сепарация и отложения пыли в горизонтальных пылепроводах диаметром 426 мм и более даже на коротких прямых участках приводили к ее отложению и загоранию внутри пылепровода, нарушению его геометрии и невозможности дальнейшего использования. Поэтому накопленный прошедший большой опыт выявление пульсаций и факты отложения пыли в горизонтальных участках пылепроводов подтверждают наличие причинно-следственной связи с явлением сепарации пыли по выводу 1, которая является главной первопричиной и которую необходимо по возможности исключать.
2
В схемах подачи Пыли с Высокой Концентрацией под давлением (далее ПВК), получивших широкое распространение в последние 30-40 лет, применяются пылепроводы диаметром 50-80 мм, при концентрациях пыли в аэросмеси 10-40 кг пыли/на кг воздуха (загорание в них невозможно) и скоростях 6-14 м/с (вместо скорости 25-35 м/с и низких концентрациях 0,3-0,5 кг/кг для труб 300-400 мм ранее). При этом оказалось, что пульсация процесса подачи топлива стала более злободневной и сложной проблемой. Увеличение пульсаций в пылепроводе вызывает увеличение пульсаций горения и колебания разрежения в топке с амплитудой 0±15 мм вод. ст. (кг/м). и приводят к вероятностным выбросам горячих газов (опасному выбросу огня) из лючков и необходимости снижать нагрузку. Несение же требуемой нагрузки (мощности) котлом является решающим фактором. Неудачно, с ошибками спроектированная и действующая система ПВК каждый раз требует реконструкции и наладки безпульсационного режима.
2
2
Исходным примером схемы и техническим решением устройства системы ПВК в освоенных ранее низко концентрированных схемах, предшествовавших ПВК, является система ПВК (авторское свидетельство - патент №861856, кл. F23K 3/02, опубликовано 07.09.1981 г., Бюллетень №3), содержащая бункер с пылепитателем и подсоединенным к нему вертикальным пылепроводом (ВП). ВП был новым элементом, который ранее между питателем и смесителем отсутствовал. Теперь он стал необходим как пылевой затвор для исключения перетока сжатого воздуха из смесителя через пылепитатель в бункер с перепадом давлений ΔР-«смеситель-бункер» более 2000 кг/м. В обычных схемах ΔР=150 кг/м обходились без затвора.
Величина максимального давления, создаваемая в смесителе, определяется величиной статического напора пыли в ВП, под которым смеситель и установлен. Эта величина должна быть всегда больше суммарной величины сопротивления ΣΔP потоку аэросмеси, перекачивающей пыль (от смесителя С до горелки Г) в схеме ПВК в нужном объеме.
Однако в схеме ПВК часть пылепроводов одного котла, которые по разным причинам (разная длина, количество поворотов и т.д.) при скорости на чистом воздухе, имеющей незначительную разницу по сопротивлению в точке «С», при подаче ими высоко концентрированной пыли резко выделяются по увеличенному сопротивлению. Это результат возникновения в них явления сепарации, отложений, движущихся «дюн» и, как следствие, возникновение пульсаций по вышеописанному выводу 1.
Система ПВКд (патент на полезную модель №84947 ,кл. F23K 3/02, опубликовано 20.07.2009 Бюл. №20, прототип), содержащая бункер пыли с питателем, вертикальный пылепровод-ВП. Смеситель и пылепровод транспорта пыли с высокой концентрацией (ПВК) существенно улучшает работу пылепроводов к дальним и ближним горелкам. Это улучшение достигнуто за счет выполнения в смесителе сопла регулируемого сечения, обеспечивающее возможность получения нужной скорости в каждом пылепроводе ПВК, оптимальной по условиям исключения пульсации.
Короткие пылепроводы позволяют уменьшить скорость и без пульсаций увеличить их нагрузку. Это в определенной степени улучшает конечный результат. Однако с увеличением длины пылепроводов вопросы устройства и уменьшения поворотов, как и их угол наклона к горизонту, требуют дополнительного анализа и проработки новых вариантов, так как проблема исключения пульсаций в действующих и проектируемых моделей ПВК полностью не решена. При этом новые успешные варианты отсутствуют, а новых идей и подходов к решению проблемы нет.
Задачей ПМ Пылепровод является снижение пульсаций движения аэросмеси в пылепроводе.
Как уже ясно из вышесказанного, пульсации связаны с силами земного притяжения, которые нельзя устранить. Но, однако, возможно создать условия, способные их нейтрализовать или уменьшить. Таким условием может стать явление «невесомость», создание которой обосновано ПМ Пылепровод и выполняет эту задачу. «Невесомость» возникает тогда, когда при сложении 2-х сил (далее ускорений), например силы тяжести, направленной вниз, и центробежной силы, направленной вверх, результирующая равна нулю. Явление «невесомость» исключает воздействие силы тяжести на частицы пыли вниз и исключает их сепарацию в потоке аэросмеси. Создание «невесомости» основано на базе использования научных законов о движении Ньютона.
2
2
2
2
Согласно второму закону, при круговом движении на движущееся по кругу материальное тело действует центробежная сила пропорциональная массе и центробежному ускорению. В, свою очередь, центробежное ускорение  (м/с) равно квадрату скорости v(м/с), деленному на радиус r(м). Математически этот закон записывается , из которого следует формула для нахождения нужного радиуса  - формула 1.
2
2
2
При используемых скоростях в пылепроводах ПВК 6-12 м/с (Решение №16, стр. 16. Методические указания по применению и расчету системы подачи пыли высокой концентрации, Москва, 1976 г) минимальная длина радиуса при поворотах - 1 м нежелательна, так как величина центробежного ускорения для таких поворотов очень высока, и, например, для 12 м/с равна 144 м/с - больше известного нам ускорения свободного падения «g»=9,8 в 14,6 раз. Радиус необходимо увеличивать так, чтобы величина центробежного ускорения была уменьшена и приближена к величине «g» для любой скорости. Так для скорости в ПВК 10 м/с ускорение, равное «g», получается при радиусе поворота  = 10/9,8, равным 10,183 м, округленно 10 м. Для скорости 12 м/с радиус будет равен 14,4 м, а для 6 м/с - 3,6 м. При этих радиусах возникающее ускорение при повороте равно 9,8 м/с, т.е. величине ускорения свободного падения «g». Следовательно, величина поворота трубы нужным радиусом, рассчитанным по формуле 1:  , является существенным признаком №1 в ПМ
Пылепровод для создания в нем явления «невесомость».
2
2
2
2
Однако земное притяжение действует всегда вертикально и вниз. Поэтому невесомость может возникнуть для компенсирующих его сил, если они действуют только в вертикальной плоскости и вверх. Поэтому поворот пылепровода должен быть выполнен в вертикальной плоскости и выпуклостью вверх с ускорениями, направленными вверх. При ускорении, равным 9,8 м/с, направленным вертикально вверх при повороте, и ускорении свободного падения вниз «g»=9,8 м/с, суммарное вертикальное ускорение, как и сила, действующая на проходящую через поворот пылепровода массу потока аэросмеси (все мелкие и крупные частицы и воздух), равна нулю. Получен реальный факт возможности исключения влияния ускорения земного притяжения - ускорения свободного падения «g», равного 9,8 м/с, на протекающий поток аэросмеси искусственным ускорением, равным величине 9,8 м/с, направленном вверх, и появления явления «невесомость» в трубе ПМ Пылепровод.
Следовательно признаки: «выполнение поворота в вертикальной плоскости» (признак №2) и «поворот выпуклостью вверх» (признак №3) по отдельности являются существенными признаками для создания явления «невесомость». А совместно с признаком №1 совокупность всех трех указанных существенных признаков является обязательным условием и нужными границами создания явления «невесомость» в ПМ Пылепровод. При отсутствии любого из означенных признаков №1, 2, 3 создание явления «невесомость» невозможно. Этого достаточно для формулирования отличительной части независимого пункта 1 формулы ПМ Пылепровод.
2
2
2
2
Но поскольку радиус в вертикальной плоскости изогнутого пылепровода совпадает с вертикалью свободного падения только в самой верхней точке «О», в которой поворот и касательная к нему горизонтальны, то и расчетная, математически точная разница ускорений (и сил), равная нулю, окажется справедливой лишь в этой единственной точке. Именно в этой теоретической точке «О» понятие полученного явления «невесомость» оказывается безукоризненно справедливым. На остальной изогнутой части в обе стороны от точки «О» радиус оказывается под углом «α» к вертикали. При этом в вычете у силы земного притяжения участвует не вся центробежная сила, совпадающая с вектором радиуса, а только ее вертикальная составляющая. По остальной длине в обе стороны от точки «О» она снижена пропорционально косинусу угла «α» между радиусом и вертикалью (рисунок). Например, при дуге пылепровода 60° в пролете L=10 м (радиус 10 м, скорость 10 м/с) компенсирующее ускорение в точке «О»  = 9,8 м/с. На концах же А и Б дуги АБ пылепровода с углами 60°/2=30° вычитаемое ускорение будет уменьшено с 9,8 до 8,4 м/с, а оставшееся от вычета, ускорение свободного падения в этих точках останется равным 1,4 м/с (Cos30°=0,86, и:  = 9,8-9,8*0,86=1,4 м/с).
2
2
2
2
При этом на концах дуги АБ пылепровода ускорение свободного падения снижено хотя на 86%, а не полностью на 100%, явление «невесомость» эффективно «работает», оставляя ускорение свободному падению лишь 1,4 - меньшее, чем «g»=9,8 м/с в 7 раз, и сепарация соответственно основательно уменьшена. А вблизи точки «О» при отклонении радиуса от вертикали на угол, например, 5° ускорение вверх равно 9,76 м/с (снижено на 0,04), на 10° - 9,65 м/с (снижено на 0,15), т.е. при указанных углах 5-10° ускорение вниз равно 0,04-0,15 м/с - практически отсутствует.
2
Для математического же идеала получения явления «невесомость» по длине всей дуги в обе стороны от точки «О» радиус поворота по формуле 1 должен быть уменьшен к концам с введением коэффициента «косинус α». Например, для концов А и Б радиус равен  Cosα=(10/9,8)*0,86=8,8 м - вместо 10 м. При этом явление «невесомость» будет создано на всей длине поворота трубы ПМ Пылепровод полностью (зависимый пункт 2 формулы).
2
Таким образом, теоретическая возможность создания явления «невесомость» становится практической реальностью для аэросмеси в работающем пылепроводе. Это стало возможным лишь при использовании совокупности трех существенных факторов: радиуса нужной величины для создания центробежного ускорения, равного «g»=9,8 м/с, поворота в вертикальной плоскости, поворота выпуклостью вверх.
С осуществлением явления «невесомость» появляется возможность осуществления технического результата ПМ Пылепровод - снижение пульсации движения аэросмеси в нем: нет притяжения частиц вниз - нет, согласно выводу 1, и сепарации пыли, возникновения «поршнеобразных сгустков» или «дюн», тормозящих аэросмесь, при движении ее в пылепроводе - пульсации.
Полезная модель Пылепровод показана на рисунке. Пылепровод состоит из двух трубных деталей: разгонной прямой трубы 1 и изогнутого поворота трубы 2, выполненного в вертикальной плоскости выпуклостью вверх. Труба 1 своим входным концом соединена со смесителем в точке «С», а в точке «А» с изогнутой трубой 2. Второй конец трубы 2 соединен в точке «Б» с горелкой топки котла напрямую или через конечную дополнительную трубу и точку Г. Поворот трубы 2 выполнен радиусом R, который в верхней точке поворота «О» направлен вертикально вверх и совпадает с вертикалью свободного падения. Точка «О» не материальна, но может быть определена как средина трубы 2 - при одинаковом геодезическом уровне А и Б. Расстояние АБ равно L. Угол «α» - угол между вертикалью и радиусом R.
2
1/2
1/2
Осуществление полезной модели Пылепровод. Как уже было упомянуто, явление «невесомость» связано с законом всемирного тяготения, который был открыт и обоснован в 17-18 веке Ньютоном. Приведенная им зависимость  позволила вычислить физическую величину ускорения свободного падения «g»=9,8 м/c на поверхности планеты Земля и настоящую «невесомость в космосе», при достижении скорости V=(R*«g»)=(6000000*9,8)=7,7 км/с (радиус Земли «R» принят 6000000 м). Эта скорость была достигнута при запуске спутника в 1957 году в СССР. Все известные нам «невесомости», учитываемые, например, при строительстве мостов, трамплинов, расчетов траекторий пуль, снарядов, траектории тренировочных самолетов, различные «мертвые петли», в том числе в трюках с автомобилями по вертикальной окружности и т.д., осуществляются по-этому же закону при меньших скоростях и радиусах. Для полезной модели Пылепровод расчет «невесомости» произведен так же по этому закону для диапазона скоростей 6-14 м/с и радиусов 3,6-19,6 м.
2
Осуществление 1. Выполняется поворот трубы 2 нужным радиусом, например 10 м с проверкой точности его прилегания на горизонтальной плоскости. 2. При монтаже готового поворота - трубы 2 обеспечивается вертикальность положения его плоскости. 3. Поворот устанавливается с фиксацией в точках А и Б с помощью сварки выпуклостью вверх и фиксации вертикальности плоскости с помощью подвесок между точками А и Б. При наличии соединений начала трубы 2 - точки А с разгонной трубой 1 смесителя С и конца Б с горелкой ПМ Пылепровод» готов к работе. Наличие всех существенных признаков по пп. 1, 2, 3 в ПМ Пылепровод соблюдено в материале и соответствует теоретической модели для осуществления явления «невесомость». ПМ Пылепровод работает следующим образом. Образовавшаяся в смесителе «С» из двух сред «пыль-воздух» аэросмесь под давлением поступает на вход собственно пылепровода, в его прямую часть - трубу 1, где происходит разгон пыли до нужной скорости, ее полное перемешивание с воздухом и выравнивание профиля скоростей по сечению пылепровода. В точке «А» аэросмесь из трубы 1 поступает в зону поворота трубы 2, выполненного в вертикальной плоскости выпуклостью вверх. Под действием центробежного ускорения в трубе 2 на каждую твердую частицу аэросмеси и несущую ее частицу воздуха действует центробежное ускорение вверх, противоположное ускорению свободного падения вниз. Возникает действительное явление «невесомость» на этом участке при тех же трех существенных признаках, которые были рассчитаны теоретически для точки «О» и указаны в формуле ПМ: величина радиуса поворота обеспечивает при движении ускорение 9,8 м/с; плоскость поворота вертикальна; поворот выполнен выпуклостью вверх. Наличие трех существенных признаков - соблюдено. Следовательно, опытная ПМ Пылепровод соответствует теоретической и обеспечивает явление «невесомость» при движении потока аэросмеси в трубе 2 в натуральной форме. В итоге осуществления явления «невесомость» для потока аэросмеси в ПМ Пылепровод в соответствии с имеющейся причинно-следственной связью исключена сепарация крупных частиц вниз и образование поршнеобразных сгустков и «дюн», движение аэросмеси постоянно во времени, пульсации отсутствуют. Достигнут технический результат, поставленный ПМ Пылепровод, выполнена задача - снижены пульсации движения аэросмеси в пылепроводе с осуществлением явления «невесомость» в нем.
2
Если считать, что масштаб фигуры на чертеже соблюден и радиус R равен L, тогда для скоростей 6, 8, 10, 12 и 14 м/с R и L будут равны соответственно: 3,6; 6,4; 10; 14,4; 19,6 м. При этом во всем этом диапазоне длин R и L от 3,6 до 19,6 м, возникающее ускорение вверх, при повороте равно 9,8 м/с, т.е. величине ускорения свободного падения «g» и явление «невесомость» возникает во всем диапазоне скоростей от 6 до 14 м/с. Этот диапазон можно считать оптимальным в схемах транспорта аэросмеси с высокой концентрацией - ПВК, так как труба 2 при R≥19,6 м трудно выполнима при изготовлении и монтаже, а при R≤3,6 мало актуальна для ПМ Пылепровод.
В итоге для всего диапазона скоростей потока аэросмеси создано явление «невесомость» при осуществлении равенства естественного ускорения свободного падения «g» вниз с центробежным искусственным ускорением между точками «С» и «Г» вверх, осуществленного в ПМ Пылепровод. Нет притяжения вниз - нет сепарации в соответствии с выводом 1 о причинно-следственной связи, устранено образование поршнеобразных сгустков и «дюн», движение аэросмеси постоянно во времени, не возникает и пульсация давления в пылепроводе ПВК. Как следствие, не возникает и пульсация факела горящего топлива в топке, поскольку его поступление стало равномерным. Препятствия, связанные с ограничением нагрузки котла из-за пульсации и выбросов опасных горячих (или даже горящих) газов в цех устранены (или существенно уменьшены), технический результат достигнут.
Осуществление явления «невесомость» в ПМ Пылепровод, выполненного с конструктивным элементами, отнесенным к существенным признакам в своей единой совокупности не известной в рассматриваемой области техники - сжигание углей в энергетике, соответствует критерию «новизна».