CC BY
15
КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА СНИЖЕНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ЦИКЛОНОВ-ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ
А.В. Некрасов, доцент, к.т.н., доцент Институт ГПС МЧС России, г. Воронеж И.В. Зубков, магистрант Институт ГПС МЧС России, г. Воронеж
К основным факторам пожаровзрывоопасности циклонов относятся [1]:
- наличие взрывоопасной концентрации пыли в циклоне;
- выход взрывоопасной пылевоздушной смеси вследствие уноса частиц из центральной части циклона.
Отсюда в качестве основы для поиска новых конструкций в соответствии с положениями статьи 49 Федерального закона [5] следует выдвинуть технические требования:
- сокращение зоны с концентрацией пыли выше НКПР пламени;
- уменьшение количества пыли, единовременно присутствующей в аппарате;
- предотвращение обратного уноса частиц.
На практике выполнение двух последних требований означает создание условий для образования плотного аэрогеля на поверхности, и его наискорейшего вывода из аппарата.
Контакт между частицами и поверхностью существует до тех пор, пока есть реакция поверхности N. Чем больше N, тем лучше контакт и плотнее аэрогель, в нем меньше воздуха. При движении по вогнутой криволинейной поверхности величина N больше чем при движении по плоскости.
В качестве образующей поверхности циклона предлагается использовать циклоиду. «Перевёрнутая» циклоида является кривой скорейшего спуска (брахистохроной). Более того, она имеет также свойство таутохронности: тяжёлое тело, помещённое в любую точку арки циклоиды, достигает горизонтали за одно и то же время.
В силу конструктивных особенностей аппаратов и наличия силы трения полностью реализовать свойства циклоиды в циклонах не удается. Однако, положительный эффект несомненно будет получен.
Рассмотрим движение материальной точки по поверхности циклона, образующая которой представляет собой циклоиду при принимаемых в таких случаях допущениях [3].
Уравнение циклоиды в параметрическом виде:
d / . ч d
x = — {а-sin а); z = — 2V 7 2
где d - диаметр производящей окружности; а - основной угол, т.е. угол поворота радиуса d/2 производящей окружности.
(1 - cosa),
Рис. Схема сил, действующих на частицу пыли
С учетом принятых допущений движение частицы происходит под действием представленных ниже сил.
• Сила тяжести
Р = ,
где т - масса частицы; g - ускорение свободного падения.
• Нормальная реакция поверхности N (изначально неизвестна по величине);
• Сила трения скольжения, которая в соответствии с гипотезой сухого трения равна
Т = / N,
где/ - коэффициент трения скольжения частицы по поверхности циклона.
Направлена сила трения противоположно направлению возможного перемещения частицы.
• Сила аэродинамического сопротивления воздуха
Ёс = ЗМвЛ й у0,
где ¡Лв - динамическая вязкость воздуха; у0 = и - V - скорость частицы по
отношению к воздушной среде; и - скорость воздушного потока; V - абсолютная скорость движения частицы по поверхности.
В результате дифференциальное уравнение движения центра масс частицы по поверхности в векторной форме имеет вид
тас = Р + N + Т + Рс,
где ас - ускорение центра масс частицы.
Для описания движения частицы удобно воспользоваться цилиндрическими координатами [г], [ф], [2].
В результате проецирования векторного уравнения на координатные оси и некоторых преобразований получим выражение для нормальной реакции поверхности
N =
m{r - гф2)- —(иг - г)]| - cosß- f —
V vJ
и дифференциальные уравнения движения:
g + — {uz -z -k(и— - —))-k
m
. 2 гф + ■
dzz 2
V
2 (dz - z 2 )
J
1 + k
p = — (иф- гф)-ф тг г v
dzz2 + z((2dz2 - 2z3
Л-2 3 dz - z
(dz - z2 У
\-1
2 (dz - z 2 )У
5
+
+ гф2 + —(иг - г) т
Í Л-1
г
cos ß + f -
v J
где Ur, uq>, Uz - проекции вектора скорости воздушного потока на оси; D - диаметр частицы пыли;
v sin В + zf Г2 Г = ЪтЮме; k =-^—J—; v = V г + rq)¿ + z2 •
vcosß+f
a cosa +1 cos ß = cos— =J-
2 V 2
d - z
d
sin ß = y¡ 1 - cos2 ß =
i
z d
При принятых допущениях полученные дифференциальные уравнения могут служить приближенной математической моделью движения частицы по стенке циклона, образующая которой имеет форму циклоиды.
Список использованной литературы
1. ГОСТ 12.1.041 - 83 ССБТ Пожаровзрывобезопасность горючих пылей. Общие требования. - Введ. 01.07.1989. - М.: Издательство стандартов. - 1986.
2. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федер. закон от 22.07.2008 г. № 123-Ф3; принят Гос. Думой 04.07.2008 г. : одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 г. — М. : ФГУ ВНИИПО, 2008. — 157 с.
3. Гавриленков А.М., Некрасов А.В., Каргашилов Д.В. Математическая модель движения частицы пыли у стенки циклона// Безопасность в техносфере. -2009. - №2. - С. 35-37.
5
