аспирационная воронка

Формула изобретения

АСПИРАЦИОННАЯ ВОРОНКА, содержащая соосно установленные одна в другой с образованием кольцевой щели между ними коническую вставку и обечайку в форме усеченного конуса, с меньшим основанием которого сообщен воздуховод системы аспирации, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы, основание вставки расположено над основанием обечайки на высоте h, определяемой из соотношения



где a - ширина кольцевой щели;

a - максимальный угол входа воздушного потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам для обеспыливания воздуха при загрузке пылящих сыпучих материалов, и также мест выделения вредных газов, и может быть использовано в промышленности строительных материалов, металлургической, пищевой, химической, в машиностроении, энергетике и других отраслях народного хозяйства.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является аспирационная воронка, содержащая соосно установленные одна в другой с образованием кольцевой щели между ними коническую вставку и обечайку в форме усеченного конуса, с меньшим основанием которого соединен воздуховод системы аспирации (авт. св. N 1326358, кл. B 08 B 15/02, 1986) - прототип.

Недостатком данного устройства является малая область применения - может устанавливаться только на поворотах воздуховодов, неэффективная локализация вредных выделений вследствие неоптимальной установки обечайки относительно вставки.

Целью изобретения является расширение области применения и повышение эффективности локализации вредных выделений, улучшение работоспособности.

Сущность изобретения сводится к оптимизации высоты расположения вставки относительно обечайки, что позволяет эффективно локализовать выделение вредностей с минимальным сопротивлением.

Наличие кольцевой щели позволяет повысить скорость воздуха на входе в аспирационную воронку, что позволяет интенсифицировать процесс локализации вредностей - по сравнению, например, с обычной аспирационной воронкой. Следующим этапом оптимизирования аспирационной воронки является определение расстояния между нижним основанием обечайки и основанием конической вставки, поскольку размещение их на одном уровне не позволяет организовать поджатие "столба" вредностей: та "подушка" из вредных газов, пылей, паров - особенно при нерасчетных залповых выбросах, превышающих производительность отсоса вентилятором - располагается под обечайкой и при определенных условиях может выйти за ее границы и попасть в атмосферу цеха, что нежелательно, так как в этом случае аспирационная воронка не выполняет своих функций. В случае же наличия своего рода "козырька" - при размещении основания вставки над основанием обечайки - аспирационная воронка получает своеобразный резерв по производительности, позволяющий сгладить возможные пульсации источника вредных выделений. Т.о. общий объем забираемого аспирационной воронкой воздуха можно разделить на две части: объем поступающих вредностей и объем чистого воздуха, подсасываемого с наружной стороны обечайки. В идеале было бы сократить объем подсасываемого воздуха как можно меньше, так как это увеличивает нагрузку на побудитель тяги. Но очевидно, что полностью такого добиться невозможно, хотя одним из способов уменьшить непроизводительный подсос воздуха (или заставить его работать более производительно) является размещение основания вставки над основанием обечайки с образованием "козырька", который заставляет подсасываемый поток воздуха срываться с края обечайки и поджимать поднимающийся поток вредностей к центру воронки (или к площади кольцевой щели), образуя тем самым дополнительный аэродинамический "козырек", еще более увеличивая емкость аспирационной воронки, что позволяет иметь своего рода "аварийный запас" на случай внезапного увеличения (кратковременного) объема выделяющихся вредностей, что особенно характерно для источников тепловыделения.

Выполнение относительного расстояния между нижними основаниями вставки и обечайки по предлагаемой формуле позволяют оптимизировать процессы, происходящие в аспирационной воронке, поскольку формула получена на основе анализа геометрических и аэродинамических соотношений конструктивного исполнения аспирационной воронки.

Предлагаемая зависимость h = связывает друг с другом ширину всасывающей щели, высоту расположения основания вставки над нижним основанием обечайки h и максимальный угол входа воздушного потока , понимаемый как такой угол, который образует вектор воздушного потока, срывающегося с "козырька" аспирационной воронки, при его входе в кольцевую щель на максимальном удалении от "козырька" или, иначе, у внутреннего края кольцевой щели. Данный угол физически не может быть больше, так как в этом случае воздушный поток не попадает во всасывающую щель. Угол измеряется между вектором воздушного потока и нормалью к плоскости всасывающей щели.

На чертеже показана предлагаемая воронка.

Формула получена, исходя из следующих посылок: поскольку воздушный поток, поступающий в аспирационную воронку, складывается из двух потоков: выделяющегося от источника вредностей и действующего на всей площади нижнего основания обечайки (известно, что аспирационные воронки-зонты устанавливаются непосредственно над источниками газо-, паро-, тепловыделений) и поступающего снаружи, огибающего периметр нижнего основания обечайки. Отсюда очевидно, что требующееся соотношение должно удовлетворять условию

Q₁ = Q₂ или v₁F₁ = v₂F₂, в соответствии с уравнением сплошности (неразрывности) потока, т.е. то количество воздуха, что поступило под воронку, должно (обязано) войти в кольцевую щель (при нормальных условиях: 20^оС и 760 мм рт.ст.). Данное соотношение можно трактовать как отношение двух скоростей v₁ и v₂, т.е., ведя расчет, как если бы весь объем воздуха поступал снаружи воронки через полное сечение, а потом всасывался в кольцевую щель (что практически и наблюдается в случае предлагаемого подъема основания вставки над основанием обечайки на высоту h).

Рассматривая треугольник АВС (чертеж), можно отметить, что определение стороны ВС однозначно можно записать как = tg, отсюда ВС = , а так как АВ = а, т.е. ширине кольцевой щели, задача сводится к определению угла , который, как было указано выше, является максимальным углом входа воздуха в кольцевую щель - углом между нормалью к плоскости щели и вектором скорости воздуха, который еще может войти во всасывающую щель по прямой, поскольку, если вектор скорости направлен под большим углом, в щель он прямо не попадет. Рассматривая же вектор скорости v, можно представить его в виде двух составляющих - горизонтальной v_г и вертикальной v_в. Очевидно, что соответствующие расстояния - АВ и ВС, эти составляющие могут преодолеть только одновременно, т. е. для данного случая справедливо равенство v_гt = v_вt. Но справедливы и равенства v_гt = =a(1) и v_вt = h(2). Выражая из (1) t = , подставляем в (2): h = . Но так как =tg , то окончательно h = .

Использование при выведении формулы значений скорости можно избежать (хотя данные скорости можно считать постоянными для данной конструкции аспирационной воронки, при постоянных расходах воздуха скорости будут постоянны, так как не меняется ни один из геометрических размеров воронки: ее диаметр, ширина кольцевой щели, высота и т.д.), если вернуться к гипотетическому расчету через объемы подсасываемого в воронку воздуха и проходящего через кольцевую щель. Собственно, это один и тот же объем воздуха, лишь рассматриваемый в разных сечениях устройства: на периметре обечайки, где превалирует горизонтальная составляющая воздуха, и в кольцевой щели, где расчет должен вестись по вертикальной составляющей, поскольку воздух всасывается через кольцевую щель нормально к ее поверхности. А так как скорость воздуха определяется через объем и площадь сечения как v = , то объем воздуха, проходящий через сечение, ограниченное периметром обечайки, определяется как Q₁ = v_гF₁ = v_г R², а объем воздуха, входящий в кольцевую щель, соответственно как

Q₂ = v_вF₂ = v_в (R² - r²), то вышеприведенное выражение для определения высоты расположения основания вставки над основанием обечайки можно представить, как зависимость от отношения площадей кольцевой щели и основания обечайки

h = = =

В полной мере данное выражение может быть справедливо для аспирационных воронок, располагающихся над источником выделений на определенном расстоянии, но рассмотрение подобного соотношения может служить основанием для нового технического решения и поэтому не рассматривается в объеме данной заявки.

Полученная формула позволяет оптимизировать расположение конической вставки относительно нижнего основания обечайки, чем сократить гидравлическое сопротивление устройства и улучшить эффективность его работы в процессе локализации вредных выделений.

Описываемое устройство показано на фиг. 1, которая используется также для иллюстрации получения расчетной формулы.

Аспирационная воронка состоит из выполненной в форме усеченного конуса большим основанием внизу обечайки 1, к меньшему основанию которого присоединен цилиндрический патрубок 2, а внутрь помещена концентрично коническая вставка 3 с образованием кольцевой щели 4.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливается над источником вредных выделений (газ, пыль, горячий воздух), которые поднимаются вверх и наталкиваются на вставку 3, начинают выходить из-под нее и попадают в кольцевую щель 4. Окружающий воздух, подсасываемый от наружной стороны обечайки 1, стремясь во всасывающую кольцевую щель 4, поджимает поток вредностей, не позволяя им выйти за пределы, ограниченные нижним основанием обечайки 1. Из кольцевой щели 4 аспирируемые вредности поступают в кольцевой зазор между обечайкой 1 и вставкой 3, далее засасываются в патрубок 2 и удаляются системой трубопроводов (на фиг. не показана).

Пример конкретного выполнения устройства.

Требуется рассчитать высоту расположения конической вставки над основанием обечайки для следующих условий: радиус большого основания обечайки 0,5 м, радиус основания конической вставки 0,49 м, ширина кольцевой щели а - 0,01 м, объем аспирируемого воздуха 2000 м³/ч.

1. Определяем площадь основания обечайки

F₁ = R² =3,14 0,5² = 0,785 м²

2. Определяем площадь основания вставки

F₂ = (R² - r²) = 3,14(0,25-0,205) = 0,127 м².

3. Скорость воздуха в первом сечении

V_г= = = 0,705 м/с

4. Скорость воздуха во втором сечении

V_в= = = 4,38 м/с

5. Определяем высоту расположения вставки

h = = = 6,05 см = 0,06 м

Т.е. получается, что расстояние (высота расположения) между основаниями вставки и обечайки прямо пропорциональна ширине всасывающей кольцевой щели и обратно пропорциональна скорости воздуха в кольцевой щели (или обратно пропорциональна площади кольцевой щели - отношению площадей). Т.е., чем больше ширина щели, тем выше должна быть расположена вставка, но тем меньше будет скорость воздуха в щели - получается своеобразный баланс, который легко определяется по предлагаемой формуле и весьма затруднительно балансируется эмпирическим путем. Например, известно, что скорость воздуха падает по мере удаления от всасывающей щели (например, А.А. Курников, В.А. Курников. Пневматическая пылеуборка цехов машиностроительных заводов. М., Машиностроение, 1983, с. 27) и, повышая скорость воздуха в щели, можно "удлинить" всасывающий факел. Но, если вставка будет находиться не на оптимальном расстоянии от основания обечайки, полезная всасывающая энергия факела будет растрачиваться впустую - на подсос атмосферного воздуха. Предлагаемая же формула позволяет оптимизировать высоту расположения вставки над основанием обечайки, нормализовать аэродинамическую картину аспирационной воронки, сократить гидравлическое сопротивление и улучшить эффективность работы.

По сравнению с базовым объектом-прототипом предлагаемое устройство позволило сократить гидравлическое сопротивление на 20%, устранить прорывы аспирируемых вредностей полностью, а также может быть установлено не только на поворотах воздуховодов, и может использоваться как самостоятельно, так и в составе других устройств.