Совершенствование систем местной вытяжной вент и ляции в электросталеплавильных цехах
На правах рукописи
КОРОТКОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Совершенствование систем местной вытяжной
вентиляции в электросталеплавильных цехах
| Специальность | 05.23.03 | Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
| Научный руководитель: доктор технических наук, профессор | АЗАРОВ ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ | |
| Официальные оппоненты: | ||
| доктор технических наук, профессор | ГОЛОВАНЧИКОВ АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ | |
| кандидат технических наук | ЧЕБОТАРЕВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ | |
| Ведущая организация | ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» | |
Защита диссертации состоится «13» февраля 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.01 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу:
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 ауд. Б–203.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан « 12 » февраля 2012 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | Пшеничкина В.А. |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Обследование существующих систем местной вентиляции в электросталеплавильных цехах позволило выявить целый ряд причин их неэффективной работы: неудовлетворительная схема организации воздухообмена и неточный расчет его величины, несоответствие оптимальным объемам воздуха, удаляемого установками местной вытяжной вентиляции, не эффективные конструкции местных отсосов, забивание воздуховодов, неэффективная работа систем пылеочистки.
Одной из причин такого положения является то, что при расчете воздухообмена электросталеплавильного цеха по пыли из-за отсутствия ряда исходных данных (дисперсный состав и аэродинамические характеристики пыли; направление и подвижность воздушных потоков в цехе, массовый расход пыли, выбивающейся из технологического оборудования; амплитуда колебаний отходящих газов) невозможно рассчитать величину воздухообмена. Таким образом, только обобщив эти данные, возможно разработать предельно эффективную и экономичную конструкцию зонта в условиях конкретного производства.
Поэтому актуальным является исследование этих факторов и на их основе совершенствование методов расчета систем местной вытяжной вентиляции, а также совершенствование конструкций местных отсосов и определение объемов воздуха систем пылеочистки.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Целью работы является совершенствование систем местной вытяжной вентиляции от дуговых электросталеплавильных печей в электросталеплавильных цехах для снижения уровня запыленности воздуха в цехах и уменьшения объемов выбросов вредных загрязняющих веществ в атмосферу.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- определение исходных данных для расчета воздухообмена при различных схемах его организации: распределение концентрации пыли по высоте цеха, дисперсный состав пыли и ряд коэффициентов, которые влияют на распределение этих параметров;
- теоретические и экспериментальные исследования аэродинамических характеристик пыли, выделяющейся из технологического оборудования, и разработка на их основе расчетной модели распространения пыли в воздухе цеха и вблизи вентиляционных зонтов;
- определение требуемых объемов воздуха, удаляемого установками местной вытяжной вентиляции от технологического оборудования, совершенствование конструкций местных отсосов и систем пылеочистки.
Основная идея работы состояла в локализации конвективного потока пылегазовых выбросов от дуговой электросталеплавильной печи посредством совместной работы вентиляционного зонта, расположенного несоосно источнику выделения вредностей и осевых вентиляторов со специальными насадками с учетом нестационарного характера поля скоростей воздуха.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПК.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытных условиях.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- разработана расчетная модель, описывающая процесс улавливания пылегазовых выбросов, выделяющихся от дуговой электросталеплавильной печи, при совместной работе накатного вентиляционного зонта, расположенного не соосно с источником пылегазовыделения, и бокового сносящего потока плоской струи воздуха, создаваемого вентиляторами;
- на основании результатов экспериментальных исследований получены данные о концентрации пыли в воздухе ЭСПЦ, подвижности воздуха в цехе, мощности и характере пылевыделений от дуговой сталеплавильной печи и эффективности действия вентиляционного зонта;
- по результатам вычислительного эксперимента получена зависимость эффективности работы вентиляционного зонта от скорости воздуха в рабочем сечении вентиляционного зонта и его площади, а также скорости бокового сносящего потока воздуха, создаваемого вентиляторами, и его углов наклона;
- получена экспериментальная зависимость, характеризующая эффективность работы вентиляционного зонта от скорости воздуха в рабочем сечении и угла наклона бокового сносящего потока;
- определены и систематизированы данные о дисперсном составе и основных аэродинамических характеристиках пыли, выделяющейся от дуговой электросталеплавильной печи.
Практическое значение работы:
- разработано устройство для улавливания и очистки пылегазовых выделений от электродуговой сталеплавильной печи на основе надвижного вентиляционного зонта с приводом в виде поршневых пневмоцилиндров приводом (патент на изобретение № 2 420 342 Рос. Федерация), которое может быть использовано в химической, металлургической или других отраслях промышленности, для улавливания высокотемпературных выбросов предпочтительно в устройствах, выбросы от которых содержат ферромагнитные частицы;
- разработано устройство для улавливания и очистки пылегазовых выделений от электродуговой сталеплавильной печи на основе с вентиляционного зонта, разделенного на секции, в каждой из которых установлен датчик температуры (патент на изобретение №2 414 952 Рос. Федерация), которое может быть использовано различных отраслях промышленности, в том числе в строительной индустрии, для улавливания высокотемпературных выбросов предпочтительно в устройствах, выбросы от которых содержат ферромагнитные частицы;
- разработано устройство для улавливания и очистки пылегазовых выделений от электродуговой сталеплавильной печи на основе поворотного вентиляционного зонта с канатным приводом (патент на изобретение № 2416651 Рос. Федерация), которое может быть использовано различных отраслях промышленности, в том числе в строительной индустрии, для улавливания высокотемпературных выбросов предпочтительно в устройствах, выбросы от которых содержат ферромагнитные частицы;
- разработано устройство для улавливания и очистки пылегазовых выделений от электродуговой сталеплавильной печи на основе поворотного вентиляционного зонта с приводом в виде поршневых пневмоцилиндров, на что получено решение о выдаче патента на изобретение от 18.11.2010 (заявка № 2009132229/20(045264) от 26.08.2009); устройство может быть использовано в различных отраслях промышленности, в том числе в строительной индустрии, для улавливания высокотемпературных выбросов предпочтительно в устройствах, выбросы от которых содержат ферромагнитные частицы.
Реализация результатов работы:
- прошла испытания опытно-промышленная установка обеспыливающей вентиляции от дуговой электросталеплавильной печи ДСП-200-МО1 электросталеплавильного цеха на ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь» г. Волгоград;
- материалы диссертационной работы легли в основу технического отчета «Наладка системы аспирации ДСП-150 и аппаратов печь ковш» в ЭСПЦ на ОАО «Волжский трубный завод».
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
- результаты экспериментальных исследований по концентрации пыли в воздухе ЭСПЦ, подвижности воздуха в цехе, мощности и характере пылевыделений от дуговой сталеплавильной печи и эффективности действия вентиляционного зонта;
- результаты исследований дисперсного состава и аэродинамических характеристик пыли, выделяющейся при работе дуговой электросталеплавильной печи;
- расчетная модель, описывающая процесс улавливания пылегазовых выбросов, выделяющихся от дуговой электросталеплавильной печи, при совместной работе накатного вентиляционного зонта, расположенного не соосно с источником пылегазовых выделений, и бокового сносящего потока плоской струи воздуха, создаваемого четырьмя осевыми вентиляторами со специальными насадками;
- экспериментальная зависимость эффективности работы вентиляционного зонта от скорости воздуха в рабочем сечении вентиляционного зонта и его площади, а также скорости бокового сносящего потока воздуха, создаваемого вентиляторами, и его углов наклона;
- экспериментальная зависимость, характеризующая эффективность действия вентиляционного зонта от скорости воздуха в рабочем сечении и угла наклона бокового сносящего потока.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на ежегодной научно-технической конференции Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2006 г.), на V и XI Международных конференциях «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды».
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 работах, из них 1 в рецензируемом журнале, а также в 3 патентах на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 209 страниц, в том числе: 140 страниц – основной текст, содержащий 20 таблиц на 20 страницах, 39 рисунков на 36 страницах; список литературы из 122 наименований на 12 страницах, 3 приложения на 57 страницах.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, её научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об объеме и структуре диссертации и о научных публикациях автора.
В первой главе рассмотрено современное состояние оборудования систем местной вытяжной вентиляции исходя из физико-химических свойств пыли и особенностей технологического процесса.
Проблемами систем вентиляции локализующих пылегазовыделения от дуговых электросталеплавильных печей в различное время занимались ученые В.Д. Осипенко, С.Е. Бутаков, И.А. Шепелев, В.В. Батурин, Г.М. Алиев, А.Д. Киселев, С.М. Андоньев, О.В. Филипьев, П.И. Килин, О.Д. Волков, А.Д. Тулуевский, И.Ю. Зинуров и многие другие.
Анализ характерных источников пылевыделений показывает, что наиболее интенсивное пылевыделение в электросталеплавильном цехе наблюдается от дуговой электросталеплавильной печи. Пылевыделение из печи наблюдается на протяжении практически всего времени выплавки стали. Местами выделения вредностей в период плавки являются: межэлектродные отверстия, рабочее окно, песочный затвор, сливной носок; при отводе свода печи в период завалки – всё сводовое пространство печи.
В условиях повышения производительности работы электродуговых сталеплавильных печей за счет интенсификации плавки хорошо зарекомендовали себя комбинированные схемы улавливания и отвода газов. Данные схемы представляют собой всевозможные комбинации отсоса газов непосредственно из печи и при помощи вентиляционных зонтов.
Слабым звеном в этой схеме являются зонты, поскольку на их долю приходится наибольшее количество негативных характеристик, как например: большие габаритные размеры, огромное количество удаляемого воздуха за счет значительного разбавления газов по мере их удаления от печи (если зонт расположен в подкрышном пространстве цеха) или периодический характер работы (если зонт расположен в рабочем пространстве для прохода крана, отвода и подъёма свода, наклона печи и т.д.). Помимо этого при повышенной подвижности воздуха в цехе, выделяющиеся потоки газов могут полностью отклоняться от проёма зонта, и эффективность улавливания может снизиться до нуля.
Применение традиционных конструкций вентиляционных зонтов зачастую затрудненно из-за специфики производственного процесса, сложной геометрической формы технологического оборудования и цеха, трудоёмкости обслуживания.
Для снижения негативного влияния поперечных потоков воздуха в цехе на работу вентиляционных зонтов, расположенных соосно источнику выделения вредностей, устанавливают экраны между печным и разливочным пролётами, уменьшают проёмы для рельсового транспорта в боковых стенах здания цеха, а в отдельных случаях применяют воздушные завесы, образующие по периметру зонта аэродинамическое укрытие печи.
Во второй главе анализируются исходные данные для проектирования вентиляционных зонтов от дуговых электросталеплавильных печей. Условия выделения вредностей из дуговых электросталеплавильных печей в электросталеплавильных цехах могут существенно различаться (режимы, марки выплавляемой стали, способы интенсификации плавки, размеры и конструкции печей, конструкции местных отсосов, схемы и режимы работы систем аспирации, конструкции цеха и организации потоков воздуха в нём и т.д.). В связи с этим, для всестороннего анализа воздействия всех факторов и объективной оценки работы конструкции вентиляционного зонта, было проведено комплексное обследование (визуальный осмотр и фото- и видеосъёмка, замеры аэродинамических характеристик и запыленности воздушных потоков) ряда характерных вентиляционных систем предприятий Волгограда и Волгоградской области.
Были обследованы следующие наиболее характерные схемы отвода газов от дуговых электросталеплавильных печей в электросталеплавильных цехах:
- удаление газов только через четвертое сводовое отверстие;
- удаление газов через четвертое сводовое отверстие и надвижной вентиляционный зонт, расположенный под крановой балкой расположенный соосно с источником выделения вредностей;
- удаление газов через четвертое сводовое отверстие и стационарный вентиляционный зонт, расположенный над крановой балкой расположенный соосно с источником выделения вредностей.
В результате представлено были установлены минимальные вентиляционные объёмы для различных конструкций вентиляционных зонтов и схем газоулавливания. Определен характер движения пылегазовых потоков в условиях: – работы аэрационного фонаря и при не работающих воздушных завесах на дверных проёмах цеха (цех №1); при конструкции цеха без аэрационного фонаря с перегородкой между печным и разливочным пролётами и работающих воздушных завесах на дверных проёмах цеха (цех №2). Кроме того, установлен химический и дисперсный состав пыли, физические и аэродинамические характеристики пыли отобранной в системах местной вытяжной вентиляции и рабочей зоне на разных стадиях плавки (расплавления, продувки, доводки).
При оценке крупности пыли, выделяющейся от технологического оборудования, был проведен дисперсионный анализ пыли. Для анализа были построены интегральные функции распределения массы частиц по диаметрам (рис. 1).
| Рис. 1. | Интегральные кривые распределения массы частиц пыли, выделяющейся от дуговой электросталеплавильной печи, по диаметрам в вероятностно-логарифмической сетке, отобранная: 1 – выброс в атмосферу после очистки в рукавном фильтре; 2 – в системе аспирации после крышного вентиляционного зонта расположенного на расстоянии 20,800 м от печи; 3 – в системе аспирации после надвижного вентиляционного зонта расположенного на расстоянии 8,140 м от печи; 4 – в системе аспирации в газоходе после четвертого сводового отверстия |
По результатам проведённого анализа дисперсного состава пыли установлено:
- пыль, выделяющаяся от дуговой электросталеплавильной печи, имеет диапазон изменения крупности пыли от 0,6 мкм до 80 мкм (медианный диаметр 55 мкм);
- удаляемая через вентиляционные зонты пыль, имеет диапазон изменения крупности пыли от 0,6 до 13 мкм (медианный диаметр 5-6,5 мкм);
- диапазон изменения крупности частиц пыли выбрасываемой в атмосферу после очистки в рукавных фильтрах составляет 0,6-4 мкм (медианный диаметр 2,6 мкм);
- пыль в воздухе рабочей зоны имеет диапазон изменения крупности от 3 до 18 мкм (медианный диаметр 12 мкм).
Методом седиментометрии была определена скорость оседания частиц пыли, выделяющейся от дуговой электросталеплавильной печи. Результаты проведённых исследований (рис. 2) положены в основу вычислительного эксперимента. Было проведено сравнение результатов полученных экспериментальным и расчетным путём.
| Рис. 2. | Зависимость скорости оседания частиц пыли, отобранной в бункере рукавного фильтра, выделяющейся от дуговой сталеплавильной печи, от эквивалентного диаметра частицы полученная экспериментально |
Глава 3 посвящена разработке теоретической модели процесса движения воздушных масс и движения частиц в системе «струя – боковой поток». При изучении процессов движения дисперсной примеси в виде твёрдых частиц использовались методы математического моделирования. При построении моделей гетерогенных течений самых разнообразных классов крайне важно определить вид и степень воздействия физических процессов. С одной стороны, необходимо учесть как можно больше протекающих в гетерогенных потоках физических процессов, что зачастую приводит к чрезмерному осложнению математической формализации рассматриваемых явлений. С другой стороны, детализация большого количества процессов, информация о каждом из которых в отдельности не всегда является бесспорной, может приводить к уменьшению достоверности создаваемой модели.
Особая сложность моделирования такого рода течений связана с наличием многосвязных двумерных и трехмерных областей с разрезами внутри расчетной зоны. В данной работе, используя прямые методы численного газодинамического нелинейного моделирования, изучены некоторые особенности поля скоростей в воздухе внутри металлургического цеха, где установлена вентиляционная система, изображенная на рис.3.
Рис.3. Схема системы местной вытяжной вентиляции: 1 – надвижной вентиляционный зонт; 2 – дуговая электросталеплавильная печь; 3 – осевые вентиляторы со специальными насадками.
Газодинамическая модель движения воздушных потоков. Будем исходить из нестационарной гидродинамической двумерной модели, описываемой системой уравнений:
(1)
(2)
(3)
где – плотность воздуха; p – давление; 
– вектор скорости;
=1,42 – показатель адиабаты; 
– дифференциальный оператор набла; Q, QU, QE – функции источников.
В основе численной модели лежит алгоритм TVD в декартовой системе координат, который продемонстрировал свою эффективность для широкого круга задач. Внутри расчетной области задаем положения вентиляционного зонта, осевых вентиляторов и печи набором координат 
, которые определяют отрезки LF, LA, LB, вектора 
, 
, 
вдоль линий 
(рис.3). В качестве базовой модели выберем 
2,5 м/с, 
3 м/с, 
12,5 м/с. В качестве начального состояния выбираем момент одновременного включения потока воздуха от печи 
, вентиляционного зонта и осевых вентиляторов.
На рис.4 показана структура вентиляционного течения по результатам численных расчетов. К числу свободных параметров относятся: 
, профили скорости 
, 
, 
. В зависимости от параметров системы, возможно два режима течения, когда воздух из осевых вентиляторов затягивается вентиляционным зонтом, и когда этого не происходит.
а б
в г
Рис.4. Структура течения воздуха в различные моменты времени. Показаны линии тока.
В расчетной области имеется два четко выделенных потока: 1) вентиляционный зонт перехватывает воздух от печи, что формирует первую струю; 2) второй поток генерируется осевыми вентиляторами. Последний взаимодействует с первым, сильно отклоняя его влево (рис. 4). Имеется переходная зона между этими двумя потоками, в которой тангенциальная компонента скорости воздуха сильно меняет свое значение. Типичная ширина зоны составляет 0,5 – 1 м. Именно из-за неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, несмотря на стационарный режим работы печи, вентиляционного зонта и осевых вентиляторов, расчеты демонстрируют отсутствие стационарной картины. В более реалистичной модели печи, где поток не задается, а моделируется свободная конвекция, нестационарные процессы должны усиливаться. Этому будет способствовать переход от 2D-моделей к 3D.
Область тангенциального разрыва скорости является неустойчивой с инкрементом, который пропорционален скачку скорости 
, (k – волновое число вдоль поверхности разрыва). Наличие в реальной системе конечной переходной зоны шириной l уменьшает инкремент неустойчивости, но при kl1 условия для неустойчивости сохраняются. Возникновение гидродинамической неустойчивости и последующей турбулизации вещества способно существенно усложнять динамику примесей.
Поскольку крупных частиц пыли в газах, выбивающихся из печи, очень мало, то ощутимого отклонения от вертикали с выпадением частиц из потока практически не наблюдается. Большая часть частиц небольших размеров, не подвержены действию силы тяжести и, отклоняясь боковым потоком осевых вентиляторов, попадают в зону действия вентиляционного зонта.
На основании проведенного анализа процесса локализации выбросов посредством вентиляционного зонта и осевых вентиляторов был проведён вычислительный эксперимент методами планирования, где в качестве варьируемых факторов были выбраны: VМО - средняя скорость во всасывающем сечении вентиляционного зонта, м/с; VП - средняя скорость струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения, м/с; А - угол направления потока осевых вентиляторов, град; FМО - площадь рабочего сечения вентиляционного зонта, м.
Интервалы и уровни варьирования определяющих факторов вычислительного эксперимента сведены в табл. 1.
Таблица 1. Уровни и интервалы варьирования определяющих факторов вычислительного эксперимента.
| Факторы | Интервалы варьирования | Уровни факторов | ||
| Основной 0 | Верхний +1 | Нижний -1 | ||
| А – угол направления потока осевых вентиляторов, град | 3 | 25 | 30 | 20 |
| VП – средняя скорость струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения из печи, м/с | 3 | 10 | 12,5 | 7,5 |
| VМО– средняя скорость в рабочем сечении вентиляционного зонта, м/с | 3 | 3 | 4,5 | 1,5 |
| FМО – площадь рабочего сечения вентиляционного зонта, м | 3 | 42 | 48 | 36 |
;
;
;
(4)
В качестве функции отклика была принята эффективность действия вентиляционного зонта 
, где Ми - интенсивность пылевыделений, кг/ч;
Мул - количество пыли уловленной местным отсосом, кг/ч.
На первом этапе был реализован полный факторный эксперимент. В качестве плана эксперимента принят ортогональный план четвертого порядка 34. По результатам вычислительного эксперимента было получено уравнение регрессии первого порядка. Уравнение регрессии в натуральном масштабе имеет вид:
 ; (5) |
Результаты экспериментальных исследований представлены графически на рис. 5.
Рис. 5. Результаты экспериментальных исследований эффективности работы зонта при средней скорости струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения из печи: 1 – 7,5 м/с; 2 – 12,5 м/с; 3 – при отключенных осевых вентиляторах.
Оценка значимости полученных коэффициентов регрессии производилась по критерию Стьюдента для уровня значимости q=0,5 при принятой для технических экспериментов доверительной вероятности Р=0,95.
По таблице Стьюдента находим TТАБЛ:
TКРИТ(n-m-1;a) = (76;0.05) = 1.664
Поскольку TТАБЛ>TКРИТ, то отклоняем гипотезу о равенстве 0 коэффициента корреляции. Другими словами, коэффициента корреляции статистически – значим.
Адекватность уравнений регрессии проверялась сопоставлением расчетного и табличного (при заданных q и числе степеней свободы) значений критерия Фишера F, представляющего собой отношение дисперсии адекватности к ошибке опыта.
Табличное значение при степенях свободы k1 = 4 и k2 = n-m-1 = 76, Fkp(4;76) = 2,45.
Поскольку фактическое значение F>Fkp, то коэффициент детерминации статистически значим и уравнение регрессии статистически надежно.
В 4 главе приведены результаты экспериментальных исследований на опытно-промыщленной установке, схема которой представлена на рис. 6. Основными элементами установки (рис. 6) являются накатной вентиляционный зонт 3 и четыре осевых вентилятора ПАМ-24 4 со специальными насадками. Вентиляционный зонт 3 имеет гидравлический привод 5, предназначенный для отката зонта в случае отвода свода печи 1. Осевые вентиляторы 4 предназначены для направления конвективных потоков пылегазовых вредностей, выделяющихся из печи 1 в зону действия вентиляционного зонта 3. Насадки на крайних осевых вентиляторах расположены вертикально, на внутренних – горизонтально. При таком расположении создаётся воздушная завеса, направляющая пылегазовые выделения от печи к зонту и отсекающая потоки воздуха в цехе.
| Рис. 6. | Схема экспериментальной опытно-промышленной установки для исследования эффективности улавливания пыли при помощи вентиляционного зонта и осевых вентиляторов со специальными насадками от дуговой электросталеплавильной печи |
В качестве функции отклика была выбрана эффективность действия вентиляционного зонта. При проведении опытно-промышленных исследований было уменьшено количество факторов, по сравнению с вычислительным экспериментом, в результате исключения незначимых. Для проведения экспериментальных исследований был выбран ортогональный план второго порядка 32. В качестве варьируемых факторов были выбраны: VMO – средняя скорость в рабочем сечении вентиляционного зонта, м/с; VП – средняя скорость струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения, м/с.
Угол направления потока осевых вентиляторов и площадь рабочего сечения вентиляционного зонта были исключёны из факторов эксперимента по результатам математического моделирования. Сравнение уравнений регрессии, полученных в результате вычислительного и физического экспериментов, даёт сходимость результатов с достаточной степенью точности. Следовательно, зависимость (5) можно использовать при инженерных расчётах.
Зависимость относительной концентрации пыли в рабочей зоне от различных режимах совместной работы вентиляционных зонтов и осевых вентиляторов показана на рис. 7.
| Рис. 7. | Относительная концентрация пыли в воздухе рабочей зоне в зависимости от скорости воздуха в рабочем сечении вентиляционного зонта: 1 – при средней скорости струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения 7,5 м/с; 2 – при средней скорости струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения 10 м/с; 3 – при средней скорости струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения 12,5 м/с |
Результаты экспериментальных исследований показывают, что наиболее эффективными режимно-контруктивными параметрами совместной работы вентиляционного зонта и осевых вентиляторов для локализации выделения вредностей от дуговой электросталеплавильной печи, при которых концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны не превышает норм ПДК, являются: скорость воздуха в рабочем сечении вентиляционного зонта 3,5 м/с, средняя скорость струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения 12,5 м/с при расстоянии по вертикали 8,800 м и по горизонтали 16,1 м между центром источника вредных выделений и вентиляционного зонта, угол наклона осевых вентиляторов по 25 горизонтали.
Глава 5 посвящена практическому применению полученных теоретических и экспериментальных результатов. На основании данных исследований разработаны конструкции вентиляционных зонтов, на которые получены патенты на изобретение.
Проведен сравнительный анализ эколого-экономического эффекта двух вариантов конструкций вентиляционных зонтов: накатного зонта конструкции аналогичной рассмотренной во второй главе и разработанной автором конструкции бокового надвижного вентиляционного зонта с осевыми вентиляторами (рис. 8). В качестве источника выделения вредностей принята дуговая электросталеплавильная печь ДСП-200-МО1 электросталеплавильного цеха.
Согласно расчетам, эколого-экономический эффект от внедрения предлагаемой конструкции вентиляционного зонта составит 475 281 руб/год.
| Рис. 8. | Опытно-промышленная установка внедрена в систему местной вытяжной вентиляции дуговой электросталеплавильной ДСП-200-МО1 печи на ЗАО «ВМЗ Красный Октябрь» |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано решение актуальной задачи совершенствования вентиляционных зонтов систем местной вытяжной вентиляции электросталеплавильных цехов. На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные
выводы по работе:
1. Определены необходимые объемы воздуха, удаляемого установками местной вытяжной вентиляции от дуговых электросталеплавильных печей, при которых в электросталеплавильных цехах достигаются нормы ПДК пыли в воздухе рабочей зоны.
2. Определены, уточнены и систематизированы данные об аэродинамических характеристиках и дисперсном составе пыли, поступающей в систему вентиляции от дуговой электросталеплавильной печи на различных стадиях процесса плавки. Построены интегральные функции распределения массы частиц по диаметрам. Распределение является усечённым логарифмически-нормальным.
3. Предложена расчетная модель движения воздушных потоков вблизи вентиляционного зонта с учетом восходящих конвективных потоков печи и сносящего потока от осевых вентиляторов.
4. Исследована зависимость эффективности вентиляционного зонта при совместном действии и осевых вентиляторов со специальными насадками при локализации выбросов от дуговой электросталеплавильной печи от площади рабочего сечения и скорости воздуха в рабочем сечении вентиляционного зонта, скорости сносящего потока и угла направления потока осевых вентиляторов.
5. Характерной особенностью моделируемого течения является нестационарный характер поля скоростей воздуха. Причина отмеченной нестационарности течения связана с развитием неустойчивости Кельвина-Гельмгольца на существенно нелинейной стадии.
6. Проведенные экспериментальные исследования на опытно-промышленной установке подтвердили высокую точность расчетной модели. Теоретические и экспериментальные исследования показали расхождение моделей не более 5%.
7. Разработаны и запатентованы модели вентиляционных зонтов для систем вентиляции от дуговых электросталеплавильных печей. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают действенность работы осевых вентиляторов по увеличению эффективности работы предложенного вентиляционного зонта.
8. Эколого-экономический эффект от внедрения результатов исследований составит 475 281 руб/год.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
– плотность воздуха, кг/м; t – время, с; p – давление; 
={ux, uz} – вектор скорости; – показатель адиабаты; 
– дифференциальный оператор набла; Q, QU, QE – функции источников; k – волновое число вдоль поверхности разрыва; l – ширина конечной переходной зоны, м; VMO – средняя скорость во всасывающем сечении вентиляционного зонта, м/с; VП – средняя скорость струи сносящего потока на оси факела пылегазовыделения, м/с; 
– угол направления потока осевых вентиляторов, град; FMO – площадь рабочего сечения вентиляционного зонта, м, 
– эффективность действия вентиляционного зонта, %; Ми – интенсивность пылевыделений, кг/ч; Мул – количество пыли уловленной вентиляционным зонтом, кг/ч.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ,
ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
| Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях | |
| 1. | Коротков Е. А., Долгалёв А. В. Совершенствование систем местной вытяжной вентиляции от бункеров сыпучих и установок печь-ковш // Вестн. ВолгГАСУ Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. Вып 15(34). С. 120-123. (3/1,5 с.). |
| Патенты | |
| 2. | Установка для улавливания и очистки газовых выбросов от технологического оборудования: пат. 2420342 Рос. Федерация. №2009132228/05 ; заявл. 26.08.09 ; опубл. 10.06.2011, Бюл. №16. 8 с. |
| 3. | Аспирационная установка: пат. 2414952 Рос. Федерация. №2009132226/15 ; заявл. 09.10.09 ; опубл. 27.03.2011, Бюл. №9. 9 с. |
| 4. | Установка для улавливания и очистки газовых выбросов от технологического оборудования: пат. 2416651 Рос. Федерация. №2009132227/02 ; заявл. 26.08.09 ; опубл. 20.04.2011, Бюл. №11. 9 с. |
| Отраслевые издания и материалы конференций | |
| 5. | Коротков Е. А., Лукьянсков А. С., Фомичев В. Т. О минимальных расходах воздуха удаляемого из технологического оборудования системами местной вытяжной вентиляции // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : материалы V Междунар. конф. 2010 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2010. С. 172-174.(4/1,3 с.). |
| 6. | Коротков Е. А., Шапалин С. С. О программе проведения пуско-наладочных испытаний местного отсоса системы местной вытяжной вентиляции дуговой сталеплавильной печи // Проблемы охраны производственной и окружающей среды : сб. материалов и науч. тр. инж.-эколог. / Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т. Волгоград, 2010. Вып. 2. С. 55-59. (3/1,5 с.). |
| 7. | Коротков Е. А., Азаров В. Н., Хоперсков С. А. О возникновении неустойчивости Кельвина – Гельмгольца при моделировании течений, возникающих под действием местных отсосов и аэраторов // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : материалы IX Междунар. конф., г. Волгоград : ВолгГАСУ, 2010. С. 347-352. (6/2 с.). |
| 8. | Формирование нестационарных режимов при моделировании аспирационных течений: неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. / Е. А. Коротков [и др.] // Вестн. ВолГУ; Сер.: 1, Математика. Физика. Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2011. Вып. 1 (14). С 151-155. (5/1 с.). |
КОРОТКОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Совершенствование систем местной вытяжной
вентиляции в электросталеплавильных цехах
| 05.23.03 | Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 28.12.11 г. Заказ № 2 Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0
Формат 60 х 84 1/16
Бумага писчая. Печать плоская.
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
400074, Волгоград, ул. Академическая, 1.
Отдел оперативной полиграфии.
