В последние годы на предприятиях строительной индустрии в качестве пылеулавливающих средств сухой очистки получили широкое распространение вихревые пылеуловители на встречных закрученных потоках (ВЗП) [1]. Внедрение вихревых пылеуловителей обусловлено рядом преимуществ по сравнению с циклонными пылеуловителями, важнейшим из которых является более высокая степень улавливания мелкодисперсной пыли.
Большинство исследований посвящено оптимизации аэродинамического режима работы пылеуловителей ВЗП [1–5]. Результаты же исследований конструктивных характеристик аппаратов ВЗП отличаются существенно меньшим объемом, и в основном, сводятся к разработке и исследованиям различных компоновочных схем для систем аспирации и обеспыливающей вентиляции.
В ходе анализа типовых размеров различных серий пылеуловителей ВЗП и вихревых инерционных пылеуловителей (ВИП) установлено, что за основу при их проектировании брались типовые пылеуловители циклонного типа. Однако ввиду существенных отличий, обусловленных наличием вторичного закрученного потока, процесс пылеулавливания может происходить в неоптимальном режиме.
Целью работы являлась оптимизация характеристик верхнего ввода пылеуловителей со встречными закрученными потоками на основе исследования распределения скоростей в сепарационной камере пылеуловителей ВЗП, определения оптимальных значений интенсивности начальной закрутки потока, получения зависимостей, описывающих влияние начальной интенсивности закрутки потока на эффективность улавливания и аэродинамическое сопротивление пылеуловителей ВЗП.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Для получения данных о параметрах пристеночного течения в пылеуловителях на встречных закрученных потоках были проведены экспериментальные исследования. Анализ экспериментальных результатов определения окружной и осевой составляющих скоростей газового потока в пристенной зоне сепарационной камеры позволяет сделать предположение об автомодельности кинематической структуры течения в пристенной зоне по отношению к начальному значению интенсивности закрутки потока 
. Уравнения, описывающие затухание интенсивности закрутки, имеют вид
tg(φ)/tg(φ)0 = 0,902(h/D)–0,129; (1)
Uτ/Uτ0 = 0,88(h/D)–0,183. (2)
Основными силами, оказывающими значимое влияние на пылевую частицу, движущуюся в пристенной зоне сепарационной камеры пылеуловителя ВЗП, являются: сила сопротивления обтеканию газовым потоком; центробежная сила; Кориолисова сила; сила тяжести. В радиальном направлении на частицу оказывают воздействие центробежная сила Fц и радиальная проекция силы сопротивления обтеканию газовым потоком Fμ. Для определения последней использована гипотеза об отсутствии радиальной составляющей скорости газового потока в пристенной зоне слабо и умеренно закрученного течения. Таким образом:
(3)
Проекция сил на подвижную касательную ось τ складывается из проекции силы сопротивления обтеканию потоком Fμ и Кориолисовой силы. Заменяя угловую скорость линейной на подвижной оси, получим
(4)
Проекция сил на вертикальную (продольную) ось складывается из силы тяжести Fт и вертикальной проекции силы сопротивления обтеканию частицы газовым потоком Fμ:
(5)
Для упрощения полученных уравнений, характеризующих проекции сил на продольную и подвижную касательную оси, принимается допущение о совпадении окружной и продольной составляющих скорости соответствующим проекциям скорости газового потока. Тогда уравнения, описывающие движение частицы, принимают вид
(6)
Используя соотношение (1) и (2), имеем
(7)
Для оценки влияния, оказываемого на эффективность улавливания аппарата ВЗП интенсивности закрутки, создаваемой верхним вводом, проведены численные эксперименты. Достаточным условием, позволяющим сделать вывод о сепарации пылевидной частицы, является значение радиальной координаты, равное радиусу сепарационной камеры r = R. При этом значение угловой координаты φ не имеет практического значения. В качестве переменных приняты размер пылевой частицы dч, и начальный параметр интенсивности закрутки потока 
.
Как следует из полученных результатов, приведенных на рис. 1, минимальный размер частиц, сепарируемых в результате контакта со стенкой при прохождении сепарационной камеры, составляет 25 мкм. Для улавливания частиц данной фракции необходимо задавать значения 
= 6. Минимальное значение интенсивности начальной закрутки, принятое в ходе эксперимента, позволяющее согласно расчетам улавливать частицы кварцевого песка крупностью 37 мкм, составляет 
= 4. На рис. 2 представлена зависимость начального параметра интенсивности закрутки потока верхним тангенциальным вводом пылеуловителя ВЗП, необходимого для сепарирования частиц кварцевого песка различной крупности 
(dч).
Рис. 1. Результаты расчета зависимости радиальной координаты пылевой частицы от вертикальной при движении в сепарационной камере пылеуловителя ВЗП: 1 – dч = 37, 
= 4; 2 – dч = 35, 
= 4,4; 3 – dч = 33, 
= 4,8; 4 – dч = 25, 
= 6
Рис. 2. Расчетная зависимость формпараметра закрутки потока верхнего ввода пылеуловителя ВЗП от размера пылевой частицы 
(dч)
Для проверки выводов, полученных теоретическим путем, проведены экспериментальные исследования, целью которых являлась оптимизация интенсивности закрутки потока, создаваемой верхним тангенциальным вводом пылеуловителя ВЗП и относительного заглубления аксиального выходного патрубка в сепарационную камеру. При проведении исследований в качестве определяющих факторов были выбраны: Recp – среднерасходовое число Рейнольдса в сепарационной камере; 
– формпараметр закрутки, создаваемый сменным верхним тангенциальным вводом; h/D – заглубление выходного аксиального патрубка в сепарационную камеру, отнесенное к диаметру аппарата; Lн/Lобщ – отношение расхода, поступающего на нижний ввод, к общему подаваемому в пылеуловитель.
В результате аппроксимации экспериментальных данных полиномом второй степени получены уравнения, характеризующие зависимость эффективности улавливания и коэффициента местного сопротивления от экспериментальных факторов. Для режима работы пылеуловителя, характеризующегося значением Recp = 50000, уравнения имеют вид
(8)
(9)
Рис. 3. Зависимость эффективности пылеулавливания аппарата ВИП от геометрического параметра эффективности закрутки верхнего ввода η(
) при Recp = 50000: 1 – Lн /Lобщ = 0,3, h/d = 1,4; 2 – Lн/Lобщ = 0,3, h/d = 1,8; 3 – Lн/Lобщ = 0,3, h/d = 2,2; 4 – Lн /Lобщ = 0,2, h/d = 1,4; 5 – Lн/Lобщ = 0,2, h/d = 1,8; 6 – Lн/Lобщ = 0,2, h/d = 2,2; 7 – Lн /Lобщ = 0,4, h/d = 1,4; 8 – Lн/Lобщ = 0,4, h/d = 1,8; 9 – Lн/Lобщ = 0,4, h/d = 2,2
На рис. 3 приведена зависимость эффективности пылеулавливания аппарата ВИП от геометрического параметра эффективности закрутки верхнего ввода. Как следует из приведенных результатов, эффективность улавливания существенно возрастает при увеличении интенсивности закрутки потока в верхнем вводе во всем диапазоне варьирования экспериментальных факторов. На практике повышение величины 
до величин выше 5,5 нежелательно ввиду существенного повышения аэродинамического сопротивления пылеуловителя, о чем свидетельствуют данные, приведенные на рис. 4. Так, например, при увеличении интенсивности закрутки с 
= 5 до 
= 6 происходит увеличение коэффициента местного сопротивления пылеуловителя на величину 48…52 % в зависимости от режима работы. Совместный анализ экспериментальных данных по эффективности пылеулавливания и аэродинамическому сопротивлению позволяет считать оптимальными значения интенсивности закрутки верхнего ввода аппаратов ВИП лежащими в пределах 
= 5,2…5,4.
Выводы
1. Установлено, что наиболее существенное влияние на эффективность улавливания пылеуловителей ВЗП оказывает интенсивность закрутки потока, создаваемая верхним тангенциальным вводом.
2. Проведены экспериментальные исследования по оптимизации конструктивных параметров верхнего ввода пылеуловителя типа ВИП. Экспериментально установлено повышение эффективности пылеулавливания аппарата ВИП при увеличении параметра закрутки потока верхнего ввода.
Рис. 4. Зависимость коэффициента местного сопротивления аппарата ВИП от геометрического параметра эффективности закрутки верхнего ввода ζ(
): 1 – Re = 50000, Lн/Lобщ = 0,3; 2 – Re = 50000, Lн/Lобщ = 0,2; 3 – Re = 50000, Lн/Lобщ = 0,4; 4 – Re = 60000, Lн/Lобщ = 0,3; 5 – Re = 60000, Lн/Lобщ = 0,2; 6 – Re = 60000, Lн/Lобщ = 0,4; 7 – Re = 40000, Lн/Lобщ = 0,3; 8 – Re = 40000, Lн/Lобщ = 0,2; 9 – Re = 40000, Lн/Lобщ = 0,4
3. Анализ экспериментальных данных позволяет считать оптимальными значения интенсивности закрутки верхнего ввода аппаратов ВИП лежащими в пределах 
= 5,2…5,4.
Условные обозначения
L – расход аспирационного газа, м3/ч; V – скорость пылевой частицы, м/с; r – радиальная координата, м; tgφ – локальный параметр интенсивности закрутки потока; Ф* – интегральный параметр закрутки потока; 
– интегральный параметр закрутки потока, создаваемый закручивателем; ξ – коэффициент местного сопротивления; м2/с; r – плотность воздуха, кг/м3; rч – плотность частицы, кг/м3; dч – эквивалентный диаметр частицы, м; uτ, uх – соответственно окружная и осевая составляющие скорости движения газа.
Рецензенты:
Курков С.Н., д.т.н., профессор кафедры Пензенского артиллерийского инженерного института, (филиал) ФГКУ ВПО «Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева» Министерства обороны Российской Федерации, г. Пенза;
Першин И.М., д.т.н., профессор, заместитель директора филиала Северо-Кавказского федерального университета по научной работе, заведующий кафедрой управления в технических и биомедицинских системах, г. Пятигорск.
Работа поступила в редакцию 19.12.2013.