Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров (стр. 6 )

генерирования и переноса осадков воздушно‑газовыми струями

карьерных вентиляторов

Значительные объемы выработанного пространства карьеров (>108 м3) потребовали разработки мощных средств подавления вредных примесей, выделяющихся в атмосферу при работе технологического комплекса.

При гидрообеспыливании загрязненной атмосферы карьеров необходимо применение эффективных способов распыления воды или водных растворов для обеспечения достаточной дальности переноса осадков.

Большая кинетическая энергия газов реактивной струи ТВД позволила отказаться от существующих способов распыления жидкости (дисковые, электростатические, акустические, центробежно‑форсуночные), отличающиеся конструктивной сложностью и низкой производительностью.

В основу устройств для генерирования и переноса осадков карьерными вентиляторами был положен пневматический способ распыления воды и водных растворов. При этом распыление (дробление) жидкости производится за счет энергии газов высокоскоростной реактивной струи, а перенос спутной воздушногазовой струей.

Процесс пневматического распыления жидкости достаточно сложен, и его механизм еще полностью не исследован. Ряд исследователей, занимавшихся изучением этого процесса, отмечает, что в ходе дробления жидкой струи под действием газового потока можно выделить три стадии.

В первый момент на поверхности жидкости возникают небольшие возму­щения в виде местных пульсаций. Под действием аэродинамических сил эти по­верхности возмущения развиваются далее, и из жидкости начинают вытягивать­ся отдельные нити, которые распадаются затем под действием поверхностного натяжения.

Исследования производились путем измерения отпечатков при осаждении на пластинку, покрытую сажей по методике Стокера.

Промышленные испытания карьерных вентиляторов выявили несовершенство конструкций гидравличеких устройств, в связи с этим были разработаны новые водораспылительные гидравлические сопла. При относительных массовых расходах жидкости следует учитывать силы гравитационного оседания. В связи с этим при переносе струями карьерных вентиляторов жидких или твердых осадков, можно использовать законы баллистики. В частности, траекторию оси струи можно описать системой параметрических уравнений: (21)

где: х – абсцисса траектории оси, м; у – ордината траектории оси, м; g – ускорение свободного падения, м/с2; α – угол наклона струи, в вертикальной плоскости, град.; t – время, с; hУ – высота расположения генератора осадков от дна карьера, м; Vo – скорость в начальном сечении струи, м/с.

После исключения параметра получим уравнение траектории оси струи: (22)

Абсцисса оси струи, при которой высота подъема (ордината) максимальна, определяется после дифференцирования уравнения 22:

(23)

После подстановки 23 в 22 получим максимальную высоту подъема струи относительно дна карьера: . (24)

Максимальная дальность переноса осадков из уравнения 22 при у = 0:

(25)

Площадь карьера, обрабатываемая одним генератором осадков, определится по условию: .

В результате расчетов установлено, что при α=20о, b = 45о, hy = 100 м, Vo= 60 м/с максимальная высота подъема осадков от уровня дна карьера составляет 120 м, Хmax = 370 м, объем обрабатываемой зоны V3 = 15×106 м3, площадь обрабатываемой зоны 107000 м2. При тех же условиях, но при угле наклона генератора осадков α = 45о дальность переноса возрастает на 20 %, высота подъема осадков и площадь обрабатываемой зоны увеличиваются на 60 %, а объем обрабатываемой зоны достигает 32×106 м3.

Анализ экспериментальных и теоретических данных о процессах естественного образования осадков, а также выполненных ранее экспериментов и визуальных наблюдений по искусственному генерированию и переносу осадков с помощью газовоздушных струй карьерных вентиляторов НК‑12КВ и АИ‑20КВ, позволяет предложить следующую теоретическую модель процессов искусственного образования и переноса осадков.

На начальном участке струи вентилятора перенос образующейся в процессе распыления капельной смеси осуществляется за счет кинетической энергии реактивной составляющей струи, при этом смесь движется в четко локализованном конусе реактивных газов. Для этого участка струи характерны очень большие, недостижимые в обычных природных условиях скорости тепло‑ и массообмена. Граница начального участка зависит от секундного массового расхода и температуры нагнетаемой жидкости. Для вентиляторов на базе ТВД размеры активной, начальной части струи составляют примерно 5‑6 калибров. При движении капель жидкости в струе реактивных газов интенсивность теплообмена, в частности процесса испарения и насыщения смеси паром, на один-два порядка больше, чем на основном участке. Связано это с тем, что взаимодействие жидкости с высокотемпературной (tR ³ 320°C) высокоскоростной струей газов вызывает весьма интенсивное нагревание и испарение образовавшихся капель жидкости. Если расход жидкости достаточно велик, то смесь жидких капель и пара уже в конце начального участка оказывается в состоянии перенасыщения водяным паром. Температура перенасыщенной смеси определяется секундным расходом и температурой подаваемой жидкости. При этом температура капельной смеси будет всегда выше температуры жидкости, но меньше температуры кипения воды при данном давлении.

Из уравнения тепломассообмена между нагнетаемой жидкостью и водо‑газовоздушными компонентами струи на основном участке переноса определится температура жидкости, обеспечивающая работу вентилятора в режиме генерирования твердых осадков:

. (26)

где: - соответственно секундный массовый расход реактивных газов, жидкости, образующегося водяного пара, вовлекаемого в водяной конус струи воздуха, (кг/с); - соответственно удельные теплоемкости газа, жидкости пара и воздуха (Дж/кг К);  -  удельная теплота парообразования воды (Дж/К);  - температура газов, жидкости, воздуха и равновесной насыщенной паром капельной смеси (°С); – зависимость упругости насыщения пара от температуры и атмосферного давления.

Экспериментальные наблюдения показали, что угол раскрытия газо-водяного конуса зависит в основном от массового расхода и температуры вводимой в струю жидкости. Угол раскрытия конуса в спутном воздушном потоке составляет 10-12°, а масса вовлекаемого в него воздуха – 35-40% от массового расхода воздуха в начальном сечении струи.

Таким образом .

Из условия, что максимальный секундный расход воды составляет 100 кг/с, , а , по формуле 26 находим: . Это соотношение определяет предельно допустимую температуру жидкости при ее максимальном расходе и заданной температуре окружающего воздуха, когда вентилятор может эффективно работать в режиме генерирования твердых осадков: температура капельной смеси в конусе струи вентилятора . В этом случае подавляющая часть капель, выпадающая из струи, будет охлаждена до 0°С, а мелкие капли будут выпадать в виде ледяных частиц. Для того, чтобы процессы кристаллизации, формирования и роста снежинок полностью завершились, необходимо, чтобы время свободного падения переохлажденных капель превышало время их кристаллизации. На основании расчетов установлено, что повышение температуры воздуха на 1,5-2oC в объеме интенсивного выпадения твердых осадков порождает восходящий поток, выносящий связанные и нейтрализованные вредные примеси из атмосферы карьера. Кроме того, встречный восходящий поток уменьшает среднюю скорость падения осадков, т. е. увеличивает время контакта, а значит и вероятность захвата вредностей.

Из общего выражения 26 получаем:

Это соотношение определяет секундный массовый расход жидкости для заданной температуры воздуха (tw) и жидкости (tg), обеспечивающий работу вентиляторов в режиме генерирования твердых осадков. Подставляя численные значения постоянных параметров системы, находим условия:

.

Наблюдения показали, что в ряде случаев даже при неработающем оборудовании происходит загрязнение атмосферы карьеров пылью, которое увеличивается по мере возрастания скорости ветра.