Вентилятор для подачи в турбофильтр запыленного воздуха лучше всего расположить где-нибудь поблизости, соединив его с входным патрубком диффузором. Номер подающего вентилятора должен быть, конечно, меньше того, из которого сделан турбофильтр. Подберите его по "Справочнику по вентиляторам" с учетом сопротивления сети воздуховодов и сопротивления турбофильтра. Коэффициент сопротивления турбофильтра, отнесенный к скорости воздуха на входе, равен 2-2,5.
После того как турбофильтр будет установлен и соединен с вентилятором, нужно надеть на его воронку мешок и включить подающий вентилятор. Только не забудьте как следует закрепить мешок на воронке, а то его сорвет потоком воздуха.
. Воздух, входя в корпус турбофильтра по касательной, проходит сквозь сетку и ударяет в плоскости лопастей. Турбина под действием его напора начинает вращаться, а частицы взвешенной пыли задерживаются на сетке. В отличие от сетчатых пылеуловителей других конструкций большого слоя пыли на сетке турбофильтра не собирается. Благодаря центробежной силе она тут же слетает с сетки и попадает в мешок. А очищенный воздух через патрубок выходит наружу. Его можно увлажнить в оросительной камере и опять подать в цех.
РОЖДЕННЫЕ ВИХРЕМ
Вихревые пылеуловители были изобретены сравнительно недавно. Первые публикации о них относятся к 60-м годам нашего века. На первый взгляд эти аппараты мало отличаются от циклонов с водяной пленкой и центробежных скрубберов ВТИ: завихривающая газ насадка на входном патрубке, конический бункер с пылевыпускным штуцером и выходная труба вверху. Разница лишь в том, что в циклонах с водяной пленкой и центробежных скрубберах ВТИ пыль, отброшенная к стенкам вниз, смывается водой, а в вихревых пылеуловителях -воздухом. Наиболее простой вихревой пылеуловитель -- соплового типа. Поток загрязненного газа входит в его корпус через патрубок, закручивается в лопаточном завихрителе и устремляется вверх. Навстречу ему из сопл поступает вторичный воздух. Частицы пыли из газа, поступающего снизу, отбрасываются к стенкам, откуда сдуваются вторичным воздухом вниз, в зазор между входным патрубком и внутренними стенками корпуса. Далее пыль высыпается через штуцер в транспортер. Недостаток этого вихревого пылеуловителя состоит в том, что в его бункере, ниже патрубка, образуется избыточное давление и, следовательно, перетекание наиболее тонкой пыли в восходящий поток воздуха.
Вихревой пылеуловитель (авторское свидетельство No 956027), изобретенный сотрудником Научно-исследовательского и проектного института по газоочистным сооружениям, технике безопасности и охране труда в промышленности строительных материалов А. Б. Лапшиным, от описанного ранее отличается тем, что входной патрубок для запыленного газа у него выполнен в виде улитки с осевым отверстием, через которое избыток давления из бункера эжектируется выходящим вихрем. Вторым отличием изобретения признано то, что поток вторичного воздуха (газа) подается на закрутку не через сопла, а, как в обычном циклоне, через тангенциально установленный патрубок. Вторичный газ, поступая в вихревой пылеуловитель, создает и кольцевую воздушную завесу, которая частично перекрывает выходной патрубок, установленный по центру корпуса. Чем надежней это перекрытие, тем выше степень очистки в вихревом пылеуловителе.
Для вихревых пылеуловителей небольшого диаметра подачи вторичного воздуха (газа) с периферии корпуса достаточно, но, когда вихревой пылеуловитель имеет большой диаметр, боковые струи воздушной завесы быстро затухают, и в центре корпуса образуется как бы "глаз торнадо" -- зона низкого давления, в которую засасывается мелкодисперсная пыль.
Сотрудники Гипроникеля М. О. Райнус и А. И. Баранчеев предложили вихревой пылеуловитель (авторское свидетельство No 957974), в котором с целью предотвращения вторичного уноса дополнительно к боковым соплам установлен и центральный участок газохода, создающий завесу путем дутья на вершину специально подвешенного конуса. Воздушный поток в данном случае образует полное перекрытие восходящему потоку очищенного газа.
Однако и эта конструкция не лишена недостатков. Большой расход вторичного, неорганизованного воздуха удорожает эксплуатацию пылеуловителя. Кроме того, устранить присос неорганизованного воздуха в систему пылеулавливания предписывают инструкции.
Как же "организовать" этого "неорганизованного" нарушителя? Прежде всего получше приглядеться к его поведению. Как мы уже знаем, во время проведения исследований на прозрачной модели случайно было замечено, что неорганизованный присос наружного воздуха через отверстие в газоходе вызвал налипание пыли на его противоположной стенке. Выходит, даже небольшая воздушная струйка способна отклонить поток пыли. А если отверстия сделать по всей окружности корпуса пылеуловителя?
На Лиепайском заводе сельскохозяйственного машиностроения был впервые поставлен эксперимент по умышленному присосу воздуха в корпус пылеуловителя. Модель циклона с кольцевой щелью вокруг входного патрубка для запыленного потока была подключена к источнику особо тонкой пыли. Сначала мы перекрыли кольцевую щель полностью и циклон работал, как обычно, пропуская наиболее тонкие фракции на выброс, но, как только щель открыли, пылевой поток словно отрезало. Воздушная струя создала своеобразный фильтр, отбивший даже самые мельчайшие пылинки к стенке. Новый вихревой пылеуловитель сделали с расчетом на большой расход газа. В отличие от ранее описанного, загрязненный газ подавали в него не снизу, а сверху. На конце входного патрубка укрепили завихривающую насадку с изогнутыми лопастями, а на окружности корпуса расположили кольцевую щель. Запыленный поток на выходе делился на две части. Одна сразу опускалась в бункер, там из нее выделялась крупная пыль, другая выходила через изогнутые лопасти и создавала вихревой поток с воздушно-пылевым поясом, препятствующим выходу из бункера уже уловленных фракций. Самые же тонкие фракций пыли улавливались верхней завесой вторичного воздуха, ставшего таким образом "организованным".
ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ СЕТКА ПОМОГАЕТ ВИХРЮ
На заводах цементной промышленности для очистки воздуха до сих пор использовались циклонные пылеуловители. Популярность их объясняется простотой конструкции и дешевизной. В самом деле, если стоимость электрофильтра доходит до 250--300 тыс. руб., то циклонный пылеуловитель в несколько раз дешевле.
Но беда в том, что очистка в нем не всегда составляет даже 80%. Оставшиеся 20% пыли вылетают в трубу. При современных масштабах производства это чересчур много, и потому в ближайшее время намечено заменить все циклонные агрегаты электрофильтрами. Предстоят многомиллионные затраты. Как это часто бывает, помощь пришла из другой отрасли промышленности.
Харьковские изобретатели В. С. Гурьев, В. И. Соловьев и В. А. Успенский из института ВНИПИчермет-энергоочистка предложили простое и дешевое решение, избавляющее народное хозяйство от этих расходов. Чтобы разъяснить суть изобретения, напомним: основной недостаток циклонного пылеуловителя заключается в незначительной центробежной силе, действующей на пылинки, которые попадают в центральную часть аппарата и крутятся близ его оси. В результате две, а то и три пылинки из десяти выносятся вместе с очищенным потоком воздуха наружу и не улавливаются.
Для повышения коэффициента полезного действия аппарата металлурги установили в нижней части его рабочей полости коронирующий электрод в виде сетки с остриями, а в верхней части симметрично оси -- электростатическую сетку. Так что теперь газ после закрутки в лопаточном завихрителе проходит сквозь сетчатый электрод, где частички пыли заряжаются электричеством одного знака, после чего залетают в рабочую полость аппарата. Если пылинка волею законов аэродинамики попала в центральную зону, то при своем дальнейшем движении вверх она неминуемо приблизится к электростатической сетке, вытянутой вниз, как сачок для ловли бабочек. Поскольку сетка заряжена одноименным электрическим зарядом, то пылинка от нее оттолкнется к периферии аппарата, а затем под действием электростатических и центробежных сил будет брошена на его стенку. Потоки вторичного газа, подаваемого через стоящие наискосок тангенциальные сопла, непрерывно сдувают в бункер густо пропыленные пристеночные слои. Осевшая в бункере пыль затем удаляется через отводящий патрубок.
Испытания, проведенные на моделях, позволяют ожидать коэффициент полезного действия пылеулавливания 98%--не хуже, чем у электрофильтров. То есть вынос пыли в атмосферу снижается в несколько раз, причем достигается это буквально грошовыми средствами. В существующие агрегаты лишь нужно встроить коронирующие электроды и электростатические сетки и подвести к ним напряжение.
На комбинированные электромеханические фильтры во всех странах выдано множество патентов, но ни одна конструкция до сих пор не показала результатов, которые были получены на опытных установках харьковчанами.
УЛИТКА ПИЛИТ КАМЕНЬ
Пилить бетонные плиты алмазными дисками научились давно, вот только от пыли избавиться никак не могли. Что за работа, когда после каждого реза и рабочие, и все вокруг покрываются серой пылью. Да и на дыхательные пути такая пыль действует пагубно.
Не проще дело обстоит и с пилением ракушечника, известняка, инкерманского камня и других строительных материалов, которые мать-природа предоставила нам в готовом виде. Бери, пили на кирпичики или блоки, возводи дворцы на многие лета, но... большая запыленность возле машины портит все дело. Конечно, можно пилить камень и по мокрому способу, пыли при этом будет значительно меньше, но вот что пишут И. Демченко и Ф. Спиваков в книге "Повышение эффективности и безопасности подземной разработки пильных известняков", изданной в Кишиневе в 1982 г.: "Исследования взаимосвязи между влажностью и прочностью показали, что основное снижение прочности, примерно на 22--25%, происходит в интервале влажности от 0 до 6%. Министерство промышленности строительных материалов Молдавской ССР все же провело серию опытов по пылеподавлению на рабочем месте у камнерезной машины. Очаги пылеобразования и призабойное пространство обильно орошались водой, различными растворами поверхностно-активных веществ, активной пеной, но положительного эффекта так и не получили. Вопрос обеспыливания добычи камня остается открытым".
Месторождения, расположенные на территории Молдавии, обладают запасами пильных известняков в объеме 500 млн. м 3. Разработки же ведутся в шахтах, охватывающих менее чем половину этого огромного массива, хотя потребность в красивом и прочном местном камне далеко не удовлетворена.
Мне довелось побывать в одной из таких шахт, расположенных под Кишиневом. В яркий солнечный день мы на видавшем виды "уазике" въехали в узкий тоннель, уходящий в сумрачную глубину. Под кровлей тускло светили запыленные лампочки. Но наш шофер, проделывающий этот путь чуть ли не ежедневно, уверенно гнал машину вперед. Стали появляться боковые ответвления от основного ствола и использованные выработки.
Вскоре послышался мерный шум, издаваемый камнерезной машиной. Я приготовил к съемке аппарат, но его тут же пришлось спрятать в футляр. Пыль сплошным серым облаком закрывала забой. Надев каску и респиратор, подошел поближе. Алмазный диск вращался сравнительно медленно, но шлейф известняковой крошки отбрасывался из-под него так сильно, что, попадая на руку, причинял весьма ощутимую боль. Машинист объяснил, что эти крупные частицы диаметром 1 мм и более, называемые штыбом, составляют большую часть отходов известняка, но самая вредная часть отходов -- это мелочь. Она витает в воздухе даже после остановки машины. Эта тончайшая пыль проникает повсюду, мешая дышать рабочим, находящимся в карьере.
Ознакомившись с результатами исследований состояния воздушной среды на рабочем месте машиниста, я был поражен устойчивым пылесодержанием на всем призабойном участке. Каждый зуб дисковой пилы как бы откалывает частицы камня, образуя при этом микровзрывчики аэрозоля, из которого и состоит в основном серое марево, заполняющее рабочее место. Незадолго до моего приезда в карьер была завезена опытная установка, состоящая из вентилятора и рукавного фильтра. По размерам она значительно превосходила саму камнерезную машину, но справиться с пылевым факелом она так и не смогла. В короткое время забились воздуховоды, рукава и пылеприемники. Пыль, которая так плохо оседает на пол забоя в почти неподвижной атмосфере, почему-то липнет на детали пылеуловителя, образуя в нем непреодолимые заторы даже при скорости пылевоздушного потока, достигающей 20 м/с.
Значит, нужно перешагнуть этот порог или, наоборот, придать диску более медленное вращение... Однако при повышении скорости всасывания пыли резко увеличивается сопротивление пылеуловителя, а при снижении скорости вращения диска снижается производительность добычи камня. Конструктор должен суметь пройти по канату, балансируя между этих двух зол. А что если с самого начала была допущена логическая ошибка. Конструировать нужно было не пылеуловитель к камнерезной машине, а, наоборот, изобретать машину для получения пыли. При этом главным становится орган добычи и транспортирования, вспомогательным -осадитель пыли, а отходы "пылепроизводства" -- каменные блоки. Удалять их из шахты не представляет трудности, поэтому все усилия сосредоточены на первой части задачи: добывании пыли. Наиболее удобна для транспортирования и осаждения монодисперсная пыль, состоядцая из равновеликих частиц. Добыть такую пыль можно при резании камня дисками, режущая кромка которых не имеет крупных зубьев. Но тогда возникает другая трудность -- как быть с производительностью? Выход один -- повышать частоту вращения диска. Измельченные частицы камня при этом увлекаются поверхностью диска, и он начинает работать, как вентилятор. Пылевоздушный поток отбрасывается по спирали, а не летит по касательной, как от пыли.
Рассматривая диск, вращающийся в запыленном воздухе, можно увидеть криволинейные потоки, направленные от центра к периферии. Выходит, диск может сам себя вентилировать? А если поднести к вращающемуся диску стеклянный экран и губной помадой прочертить по стеклу кривую, соответствующую пылевому потоку, можно считать, что половина дела уже сделана. Остается по заданной кривой изготовить несколько стальных лопастей, прикрепить их к ступице, надеть ее на вал диска и закрепить гайкой. Нужно только хорошо отбалансировать всю систему и проследить за тем, чтобы расстояние от лопастей до края диска было достаточным для того, чтобы диск мог пропиливать камень на нужную глубину.
В Москве совместно с конструктором Виктором Григорьевичем Молокановым мы приступили к конструированию пока что небольшой, но вполне работоспособной установки для резки плит. Диск решили закрыть кожухом, напоминающим улитку вентилятора, на одном валу с диском установили крыльчатку, а нагнетательный патрубок улитки ввели в корпус циклона сверху вниз. Первый же опыт показал, что все элементы установки работают. Вентилятор отсасывает воздух с пылью, циклон очищает его от пыли, которую "производит" диск, но... было одно несоответствие -- сопротивление циклона оказалось больше, чем напор вентилятора. Пришлось к тому же мотору подключить еще один вентилятор. Во второй улитке -- улитке циклона создалось разрежение, и система заработала. Сама делает пыль, сама транспортирует и улавливает в антициклоне, ну а "отходы производства" -- разрезанные алмазным диском плиты.
Пока что разработана легкая переносная машина, использовать которую можно непосредственно на строительной площадке, точно на таком же принципе можно сделать труборез, станок для разрезания мраморных плит, наждачный и шлифовальный станки.
Так что многое зависит от того, с какой стороны подойти к проблеме и что считать в ней главным. Если самым важным считать не сохранение здоровья людей, а перевыполнение плана по строительству больниц, то самое важное -- количество нарезанных известняковых плит, идущих на облицовку приемных покоев. Но если в основу любой разработки положить принцип сохранения здоровья людей, то начинать нужно с обеспыливания процесса.
ЦИКЛОН В ТРУБЕ
В патентной литературе все чаще встречаются сообщения о случаях приручения смерча. В авторском свидетельстве No 309211 описывается труба для удаления дыма от котлов ТЭЦ или печей предприятия, которую в принципе и трубой-то не назовешь. Современную дымовую трубу можно сравнить разве что с Никитинской телевизионной башней в Останкине. Уже закончен проект 320-метровой дымовой трубы, которую соорудят в Донбассе. Но стоимость труб-гигантов составляет миллионы рублей. На их сооружение идут высококачественные материалы. Есть трубы целиком из титана. Все это делается для того, чтобы повыше и подальше выбросить вредные газы. Авторы изобретения решили приручить смерч и установить его над заводом! Поток дыма образует вихревую трубку и засосет в себя все вредные выбросы предприятия. Расчеты авторов показывают, что потребуется сравнительно немного энергии для того, чтобы добиться первоначального закручивания вихря. В дальнейшем же наступит равновесие, при котором дымовой вихрь вонзится в небо, как штопор, а холодный воздух, опускаясь сверху вниз, создаст прозрачную рубашку.
А вот описание конструкции, предложенной Д. Варданяном: обычный дымоход оканчивается полым конусом, который лишь немного возвышается над землей. Конус вращается электродвигателем. С внутренней стороны на его стенке -- спиральный канал и лопасти. При достаточно быстром вращении конуса спиральная канавка и лопасти соединенными усилиями заставляют дым закручиваться, и вихревой столб вонзается в атмосферу. "Труба без трубы" готова. Нечего и говорить, что ее стоимость не идет ни в какое сравнение со стоимостью труб-гигантов. Но и это не главное. Ротор, вращающийся от электродвигателя, создает центробежные перегрузки для самых мельчайших пылинок. Под их воздействием пыль отбрасывается на стенки конуса и сползает вниз, в пылесборник.
Подобные же вихревые трубы найдут свое место на особо загазованных перекрестках современных городов, на палубах судов, в глубоких рудодобывающих карьерах и на строительных площадках.
В ЛАБОРАТОРИЯХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ
АССОРТИ ИЗ РОТОРА И УЛИТКИ
Социальная значимость разработок, облегчающих людям жизнь, огромна. Сознание того, что внедрение нового устройства улучшит состояние воздушной среды на рабочих местах, придает изобретателям силы, дает вдохновение.
Рабочий день подходил к концу. В принципе все уже сформулировано. Нужен реактор для получения цемента. Не огромная вращающаяся печь длиной в сотни метров, а предельно простой и компактный аппарат, не имеющий ни одной подвижной части. Вообще-то, такие реакторы уже есть, например шахтные печи, в которые сырье поступает сверху, а горячие газы снизу. Поток газа мешает частицам сырья просто упасть и заставляет их плясать в шахте до тех пор, пока в них не произойдут нужные реакции. Однако такой аппарат может работать лишь при условии абсолютного равенства масс всех частиц сырья. Иначе более тяжелые частицы тут же, не пройдя "курса реакций", упадут на дно шахты, а те, которые чуть-чуть легче, вылетят вместе с газом в атмосферу. А поскольку абсолютное равенство частиц -- недостижимый идеал, от шахтного аппарата приходится отказаться.
Транспортер и печь -- вот два очень плохо уживающихся между собой аппарата. Для того чтобы передвигать материал вдоль длинной тоннельной печи, делают подвижные колосниковые решетки из тугоплавких сплавов, по цене близких к золоту, конструируют не боящиеся жары подшипники, изобретают жаропрочные системы уплотнений.
Но оставим на время будничные заботы конструктора цементного машиностроения.
После смерти Архимеда нашли рукопись об улиткообразных линиях, названных благодарными потомками спиралями Архимеда. Он построил насос, представляющий собой трубу со шнеком-винтом внутри. В Африке совсем недавно еще работали такие насосы.
Итак, приоритет изобретения машины, основным рабочим органом которой является спираль, приблизительно можно определить. Архимед погиб за 212 лет до нашей эры. Но были ли прототипы у Архимедовой спирали? Пожалуй, да. Еще в каменном веке умели скручивать волокна и ремни в прочные веревки, а ведь их жилы расположены именно в форме цилиндрической спирали. Бухта каната -- не что иное, как плоская спираль. Ткачество было известно задолго до рождения Архимеда, а ведь уточная нить на шпуле, нити основы на навой и готовое полотно наматываются именно в форме спиралей.
Кто же подсказал нашим предкам совершеннейшую из совершенных структур -спиральную? Эти "подсказки" гуляли по Земле задолго до появления человека. Овцебык с его закрученными рогами и змея, которая любит укладываться в "бухту". Кстати, не потому ли ее считают мудрой? Ведь не исключено, что, именно наблюдая за змеей, человек научился вить канаты, делать лассо и с его помощью ловить животных.
Стоит посмотреть на излом белого известняка и можно увидеть массу спиралевидных раковин. Не осталось следа от множества видов животных, живших в последующие периоды, а моллюски, обладающие спиральными раковинами того самого типа, который в виде отпечатков сохранился в известковых отложениях, живут и по сей день.
Но вернемся к цементу.
Итак, перед конструкторами стояла задача -- и мелкие, и крупные частицы материала нужно заставить двигаться в одном направлении независимо от скорости потока газов. И тут у разработчика возникла мысль создать спираль, чтобы цементная сырьевая мука пошла спиральным тонким слоем, который горячий газ легко нагреет до нужной температуры. Если горячий газ вместе с сырьевой мукой впустить по касательной в реактор, имеющий цилиндрическую форму, он образует вихрь, в котором и крупные и мелкие частицы под действием центробежной силы отбросятся к стенкам реактора и завьются веревочкой.
А чтобы продлить время пребывания частиц во вращающемся потоке, решили сделать реактор по типу "конус в конусе". Спираль в спирали. Циклонный аппарат обрел новое качество -- время пребывания в нем материала удвоилось. Остальное -- дело техники. Проработали несколько эскизов, составили алгоритм, зарядили ЭВМ -- и вот точные данные на любой случай жизни. Огромные аппараты построены на заводе, установлены и уже дают цемент.
Несмотря на то что спирали Архимеда известны более двух тысяч лет, не каждый конструктор сразу сообразит, где и как они могут заменить другие устройства. Всякий раз это муки творчества. Вот пример: многие десятки лет специалисты по холодильной технике считали, что для производства холода как минимум необходим хладагент -- аммиак или фреон. Без промежуточной фазы -теплоносителя -- можно лишь нагреть, допустим, воздух. Взять обычный вентилятор, кстати, тоже своеобразное ассорти из ротора и улитки (и то и другое -- производные от спирали Архимеда), затем от нагнетательного патрубка до всасывающего провести воздуховод и включить мотор. Воздух начнет циркулировать по замкнутому контуру и нагреется. Почти вся мощность, подведенная к электродвигателю, превратится в тепло. Ведь воздух испытывает сильное трение о лопасти ротора, улитку, трубу и сам о себя. Такой способ нагрева воздуха трением в роторе и улитке изобретен в нашей стране и вот уже несколько лет применяется в сушильных камерах и печах. Печи аэродинамического подогрева (ПАП) могут греть и сушить все, что угодно,-- от металлических деталей до валенок.
Итак, спирали могут нагреть воздух. Доктор технических наук заслуженный изобретатель РСФСР профессор М. Г. Дубинский изобрел вакуум-насос, основным рабочим органом которого была улитка с вихревой трубкой. Трубка заменяла вращающийся ротор, ранее применявшийся для подобных целей. В ту пору М. Г. Дубинский был рядовым инженером и проводил эксперименты, что называется, "от" и "до" (довод в пользу того, чтобы молодые специалисты не чурались черновой работы). Вакуум-насос у Дубинского получился замечательный: ни одной вращающейся детали, предельно компактный, производительный и эффективный.
Есть два отряда изобретателей: одни, добившись эффекта, охотно отдают свое детище в чужие руки, с радостью избавляясь от успевшей надоесть темы, и берутся за новые разработки. Другие и после достижения эффекта продолжают исследования. Это изобретатели-ученые. Им важно знать не только, как работает аппарат, но и почему! Приходилось ли вам наблюдать, как при сливе воды из ванны образуется воронка? Это прекрасная модель вихревого эффекта. У края ванны окружная скорость воды равна почти нулю, по мере приближения к центру она возрастает. Это видно по движению мыльной пены. Наконец, скорость воды в центре возрастает настолько, что давление воды начинает заметно падать. Ведь согласно уравнению Д. Бернулли чем выше скорость, тем меньше статическое давление в данной точке. Вот давление упало настолько, что в воде образовалась воронка. Значит, скорость возросла до максимума, а давление упало до минимума. Температура там тоже минимальная. Войдя в улитку, поток воздуха имел большой запас тепловой энергии, а затем по мере продвижения к центру он преобразовался в кинетическую энергию. В вихревом холодильнике температура минус 100--150°, а ведь в обычном холодильнике температуру ниже минус 80° получить невозможно.
После того как турбофильтр будет установлен и соединен с вентилятором, нужно надеть на его воронку мешок и включить подающий вентилятор. Только не забудьте как следует закрепить мешок на воронке, а то его сорвет потоком воздуха.
. Воздух, входя в корпус турбофильтра по касательной, проходит сквозь сетку и ударяет в плоскости лопастей. Турбина под действием его напора начинает вращаться, а частицы взвешенной пыли задерживаются на сетке. В отличие от сетчатых пылеуловителей других конструкций большого слоя пыли на сетке турбофильтра не собирается. Благодаря центробежной силе она тут же слетает с сетки и попадает в мешок. А очищенный воздух через патрубок выходит наружу. Его можно увлажнить в оросительной камере и опять подать в цех.
РОЖДЕННЫЕ ВИХРЕМ
Вихревые пылеуловители были изобретены сравнительно недавно. Первые публикации о них относятся к 60-м годам нашего века. На первый взгляд эти аппараты мало отличаются от циклонов с водяной пленкой и центробежных скрубберов ВТИ: завихривающая газ насадка на входном патрубке, конический бункер с пылевыпускным штуцером и выходная труба вверху. Разница лишь в том, что в циклонах с водяной пленкой и центробежных скрубберах ВТИ пыль, отброшенная к стенкам вниз, смывается водой, а в вихревых пылеуловителях -воздухом. Наиболее простой вихревой пылеуловитель -- соплового типа. Поток загрязненного газа входит в его корпус через патрубок, закручивается в лопаточном завихрителе и устремляется вверх. Навстречу ему из сопл поступает вторичный воздух. Частицы пыли из газа, поступающего снизу, отбрасываются к стенкам, откуда сдуваются вторичным воздухом вниз, в зазор между входным патрубком и внутренними стенками корпуса. Далее пыль высыпается через штуцер в транспортер. Недостаток этого вихревого пылеуловителя состоит в том, что в его бункере, ниже патрубка, образуется избыточное давление и, следовательно, перетекание наиболее тонкой пыли в восходящий поток воздуха.
Вихревой пылеуловитель (авторское свидетельство No 956027), изобретенный сотрудником Научно-исследовательского и проектного института по газоочистным сооружениям, технике безопасности и охране труда в промышленности строительных материалов А. Б. Лапшиным, от описанного ранее отличается тем, что входной патрубок для запыленного газа у него выполнен в виде улитки с осевым отверстием, через которое избыток давления из бункера эжектируется выходящим вихрем. Вторым отличием изобретения признано то, что поток вторичного воздуха (газа) подается на закрутку не через сопла, а, как в обычном циклоне, через тангенциально установленный патрубок. Вторичный газ, поступая в вихревой пылеуловитель, создает и кольцевую воздушную завесу, которая частично перекрывает выходной патрубок, установленный по центру корпуса. Чем надежней это перекрытие, тем выше степень очистки в вихревом пылеуловителе.
Для вихревых пылеуловителей небольшого диаметра подачи вторичного воздуха (газа) с периферии корпуса достаточно, но, когда вихревой пылеуловитель имеет большой диаметр, боковые струи воздушной завесы быстро затухают, и в центре корпуса образуется как бы "глаз торнадо" -- зона низкого давления, в которую засасывается мелкодисперсная пыль.
Сотрудники Гипроникеля М. О. Райнус и А. И. Баранчеев предложили вихревой пылеуловитель (авторское свидетельство No 957974), в котором с целью предотвращения вторичного уноса дополнительно к боковым соплам установлен и центральный участок газохода, создающий завесу путем дутья на вершину специально подвешенного конуса. Воздушный поток в данном случае образует полное перекрытие восходящему потоку очищенного газа.
Однако и эта конструкция не лишена недостатков. Большой расход вторичного, неорганизованного воздуха удорожает эксплуатацию пылеуловителя. Кроме того, устранить присос неорганизованного воздуха в систему пылеулавливания предписывают инструкции.
Как же "организовать" этого "неорганизованного" нарушителя? Прежде всего получше приглядеться к его поведению. Как мы уже знаем, во время проведения исследований на прозрачной модели случайно было замечено, что неорганизованный присос наружного воздуха через отверстие в газоходе вызвал налипание пыли на его противоположной стенке. Выходит, даже небольшая воздушная струйка способна отклонить поток пыли. А если отверстия сделать по всей окружности корпуса пылеуловителя?
На Лиепайском заводе сельскохозяйственного машиностроения был впервые поставлен эксперимент по умышленному присосу воздуха в корпус пылеуловителя. Модель циклона с кольцевой щелью вокруг входного патрубка для запыленного потока была подключена к источнику особо тонкой пыли. Сначала мы перекрыли кольцевую щель полностью и циклон работал, как обычно, пропуская наиболее тонкие фракции на выброс, но, как только щель открыли, пылевой поток словно отрезало. Воздушная струя создала своеобразный фильтр, отбивший даже самые мельчайшие пылинки к стенке. Новый вихревой пылеуловитель сделали с расчетом на большой расход газа. В отличие от ранее описанного, загрязненный газ подавали в него не снизу, а сверху. На конце входного патрубка укрепили завихривающую насадку с изогнутыми лопастями, а на окружности корпуса расположили кольцевую щель. Запыленный поток на выходе делился на две части. Одна сразу опускалась в бункер, там из нее выделялась крупная пыль, другая выходила через изогнутые лопасти и создавала вихревой поток с воздушно-пылевым поясом, препятствующим выходу из бункера уже уловленных фракций. Самые же тонкие фракций пыли улавливались верхней завесой вторичного воздуха, ставшего таким образом "организованным".
ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ СЕТКА ПОМОГАЕТ ВИХРЮ
На заводах цементной промышленности для очистки воздуха до сих пор использовались циклонные пылеуловители. Популярность их объясняется простотой конструкции и дешевизной. В самом деле, если стоимость электрофильтра доходит до 250--300 тыс. руб., то циклонный пылеуловитель в несколько раз дешевле.
Но беда в том, что очистка в нем не всегда составляет даже 80%. Оставшиеся 20% пыли вылетают в трубу. При современных масштабах производства это чересчур много, и потому в ближайшее время намечено заменить все циклонные агрегаты электрофильтрами. Предстоят многомиллионные затраты. Как это часто бывает, помощь пришла из другой отрасли промышленности.
Харьковские изобретатели В. С. Гурьев, В. И. Соловьев и В. А. Успенский из института ВНИПИчермет-энергоочистка предложили простое и дешевое решение, избавляющее народное хозяйство от этих расходов. Чтобы разъяснить суть изобретения, напомним: основной недостаток циклонного пылеуловителя заключается в незначительной центробежной силе, действующей на пылинки, которые попадают в центральную часть аппарата и крутятся близ его оси. В результате две, а то и три пылинки из десяти выносятся вместе с очищенным потоком воздуха наружу и не улавливаются.
Для повышения коэффициента полезного действия аппарата металлурги установили в нижней части его рабочей полости коронирующий электрод в виде сетки с остриями, а в верхней части симметрично оси -- электростатическую сетку. Так что теперь газ после закрутки в лопаточном завихрителе проходит сквозь сетчатый электрод, где частички пыли заряжаются электричеством одного знака, после чего залетают в рабочую полость аппарата. Если пылинка волею законов аэродинамики попала в центральную зону, то при своем дальнейшем движении вверх она неминуемо приблизится к электростатической сетке, вытянутой вниз, как сачок для ловли бабочек. Поскольку сетка заряжена одноименным электрическим зарядом, то пылинка от нее оттолкнется к периферии аппарата, а затем под действием электростатических и центробежных сил будет брошена на его стенку. Потоки вторичного газа, подаваемого через стоящие наискосок тангенциальные сопла, непрерывно сдувают в бункер густо пропыленные пристеночные слои. Осевшая в бункере пыль затем удаляется через отводящий патрубок.
Испытания, проведенные на моделях, позволяют ожидать коэффициент полезного действия пылеулавливания 98%--не хуже, чем у электрофильтров. То есть вынос пыли в атмосферу снижается в несколько раз, причем достигается это буквально грошовыми средствами. В существующие агрегаты лишь нужно встроить коронирующие электроды и электростатические сетки и подвести к ним напряжение.
На комбинированные электромеханические фильтры во всех странах выдано множество патентов, но ни одна конструкция до сих пор не показала результатов, которые были получены на опытных установках харьковчанами.
УЛИТКА ПИЛИТ КАМЕНЬ
Пилить бетонные плиты алмазными дисками научились давно, вот только от пыли избавиться никак не могли. Что за работа, когда после каждого реза и рабочие, и все вокруг покрываются серой пылью. Да и на дыхательные пути такая пыль действует пагубно.
Не проще дело обстоит и с пилением ракушечника, известняка, инкерманского камня и других строительных материалов, которые мать-природа предоставила нам в готовом виде. Бери, пили на кирпичики или блоки, возводи дворцы на многие лета, но... большая запыленность возле машины портит все дело. Конечно, можно пилить камень и по мокрому способу, пыли при этом будет значительно меньше, но вот что пишут И. Демченко и Ф. Спиваков в книге "Повышение эффективности и безопасности подземной разработки пильных известняков", изданной в Кишиневе в 1982 г.: "Исследования взаимосвязи между влажностью и прочностью показали, что основное снижение прочности, примерно на 22--25%, происходит в интервале влажности от 0 до 6%. Министерство промышленности строительных материалов Молдавской ССР все же провело серию опытов по пылеподавлению на рабочем месте у камнерезной машины. Очаги пылеобразования и призабойное пространство обильно орошались водой, различными растворами поверхностно-активных веществ, активной пеной, но положительного эффекта так и не получили. Вопрос обеспыливания добычи камня остается открытым".
Месторождения, расположенные на территории Молдавии, обладают запасами пильных известняков в объеме 500 млн. м 3. Разработки же ведутся в шахтах, охватывающих менее чем половину этого огромного массива, хотя потребность в красивом и прочном местном камне далеко не удовлетворена.
Мне довелось побывать в одной из таких шахт, расположенных под Кишиневом. В яркий солнечный день мы на видавшем виды "уазике" въехали в узкий тоннель, уходящий в сумрачную глубину. Под кровлей тускло светили запыленные лампочки. Но наш шофер, проделывающий этот путь чуть ли не ежедневно, уверенно гнал машину вперед. Стали появляться боковые ответвления от основного ствола и использованные выработки.
Вскоре послышался мерный шум, издаваемый камнерезной машиной. Я приготовил к съемке аппарат, но его тут же пришлось спрятать в футляр. Пыль сплошным серым облаком закрывала забой. Надев каску и респиратор, подошел поближе. Алмазный диск вращался сравнительно медленно, но шлейф известняковой крошки отбрасывался из-под него так сильно, что, попадая на руку, причинял весьма ощутимую боль. Машинист объяснил, что эти крупные частицы диаметром 1 мм и более, называемые штыбом, составляют большую часть отходов известняка, но самая вредная часть отходов -- это мелочь. Она витает в воздухе даже после остановки машины. Эта тончайшая пыль проникает повсюду, мешая дышать рабочим, находящимся в карьере.
Ознакомившись с результатами исследований состояния воздушной среды на рабочем месте машиниста, я был поражен устойчивым пылесодержанием на всем призабойном участке. Каждый зуб дисковой пилы как бы откалывает частицы камня, образуя при этом микровзрывчики аэрозоля, из которого и состоит в основном серое марево, заполняющее рабочее место. Незадолго до моего приезда в карьер была завезена опытная установка, состоящая из вентилятора и рукавного фильтра. По размерам она значительно превосходила саму камнерезную машину, но справиться с пылевым факелом она так и не смогла. В короткое время забились воздуховоды, рукава и пылеприемники. Пыль, которая так плохо оседает на пол забоя в почти неподвижной атмосфере, почему-то липнет на детали пылеуловителя, образуя в нем непреодолимые заторы даже при скорости пылевоздушного потока, достигающей 20 м/с.
Значит, нужно перешагнуть этот порог или, наоборот, придать диску более медленное вращение... Однако при повышении скорости всасывания пыли резко увеличивается сопротивление пылеуловителя, а при снижении скорости вращения диска снижается производительность добычи камня. Конструктор должен суметь пройти по канату, балансируя между этих двух зол. А что если с самого начала была допущена логическая ошибка. Конструировать нужно было не пылеуловитель к камнерезной машине, а, наоборот, изобретать машину для получения пыли. При этом главным становится орган добычи и транспортирования, вспомогательным -осадитель пыли, а отходы "пылепроизводства" -- каменные блоки. Удалять их из шахты не представляет трудности, поэтому все усилия сосредоточены на первой части задачи: добывании пыли. Наиболее удобна для транспортирования и осаждения монодисперсная пыль, состоядцая из равновеликих частиц. Добыть такую пыль можно при резании камня дисками, режущая кромка которых не имеет крупных зубьев. Но тогда возникает другая трудность -- как быть с производительностью? Выход один -- повышать частоту вращения диска. Измельченные частицы камня при этом увлекаются поверхностью диска, и он начинает работать, как вентилятор. Пылевоздушный поток отбрасывается по спирали, а не летит по касательной, как от пыли.
Рассматривая диск, вращающийся в запыленном воздухе, можно увидеть криволинейные потоки, направленные от центра к периферии. Выходит, диск может сам себя вентилировать? А если поднести к вращающемуся диску стеклянный экран и губной помадой прочертить по стеклу кривую, соответствующую пылевому потоку, можно считать, что половина дела уже сделана. Остается по заданной кривой изготовить несколько стальных лопастей, прикрепить их к ступице, надеть ее на вал диска и закрепить гайкой. Нужно только хорошо отбалансировать всю систему и проследить за тем, чтобы расстояние от лопастей до края диска было достаточным для того, чтобы диск мог пропиливать камень на нужную глубину.
В Москве совместно с конструктором Виктором Григорьевичем Молокановым мы приступили к конструированию пока что небольшой, но вполне работоспособной установки для резки плит. Диск решили закрыть кожухом, напоминающим улитку вентилятора, на одном валу с диском установили крыльчатку, а нагнетательный патрубок улитки ввели в корпус циклона сверху вниз. Первый же опыт показал, что все элементы установки работают. Вентилятор отсасывает воздух с пылью, циклон очищает его от пыли, которую "производит" диск, но... было одно несоответствие -- сопротивление циклона оказалось больше, чем напор вентилятора. Пришлось к тому же мотору подключить еще один вентилятор. Во второй улитке -- улитке циклона создалось разрежение, и система заработала. Сама делает пыль, сама транспортирует и улавливает в антициклоне, ну а "отходы производства" -- разрезанные алмазным диском плиты.
Пока что разработана легкая переносная машина, использовать которую можно непосредственно на строительной площадке, точно на таком же принципе можно сделать труборез, станок для разрезания мраморных плит, наждачный и шлифовальный станки.
Так что многое зависит от того, с какой стороны подойти к проблеме и что считать в ней главным. Если самым важным считать не сохранение здоровья людей, а перевыполнение плана по строительству больниц, то самое важное -- количество нарезанных известняковых плит, идущих на облицовку приемных покоев. Но если в основу любой разработки положить принцип сохранения здоровья людей, то начинать нужно с обеспыливания процесса.
ЦИКЛОН В ТРУБЕ
В патентной литературе все чаще встречаются сообщения о случаях приручения смерча. В авторском свидетельстве No 309211 описывается труба для удаления дыма от котлов ТЭЦ или печей предприятия, которую в принципе и трубой-то не назовешь. Современную дымовую трубу можно сравнить разве что с Никитинской телевизионной башней в Останкине. Уже закончен проект 320-метровой дымовой трубы, которую соорудят в Донбассе. Но стоимость труб-гигантов составляет миллионы рублей. На их сооружение идут высококачественные материалы. Есть трубы целиком из титана. Все это делается для того, чтобы повыше и подальше выбросить вредные газы. Авторы изобретения решили приручить смерч и установить его над заводом! Поток дыма образует вихревую трубку и засосет в себя все вредные выбросы предприятия. Расчеты авторов показывают, что потребуется сравнительно немного энергии для того, чтобы добиться первоначального закручивания вихря. В дальнейшем же наступит равновесие, при котором дымовой вихрь вонзится в небо, как штопор, а холодный воздух, опускаясь сверху вниз, создаст прозрачную рубашку.
А вот описание конструкции, предложенной Д. Варданяном: обычный дымоход оканчивается полым конусом, который лишь немного возвышается над землей. Конус вращается электродвигателем. С внутренней стороны на его стенке -- спиральный канал и лопасти. При достаточно быстром вращении конуса спиральная канавка и лопасти соединенными усилиями заставляют дым закручиваться, и вихревой столб вонзается в атмосферу. "Труба без трубы" готова. Нечего и говорить, что ее стоимость не идет ни в какое сравнение со стоимостью труб-гигантов. Но и это не главное. Ротор, вращающийся от электродвигателя, создает центробежные перегрузки для самых мельчайших пылинок. Под их воздействием пыль отбрасывается на стенки конуса и сползает вниз, в пылесборник.
Подобные же вихревые трубы найдут свое место на особо загазованных перекрестках современных городов, на палубах судов, в глубоких рудодобывающих карьерах и на строительных площадках.
В ЛАБОРАТОРИЯХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ
АССОРТИ ИЗ РОТОРА И УЛИТКИ
Социальная значимость разработок, облегчающих людям жизнь, огромна. Сознание того, что внедрение нового устройства улучшит состояние воздушной среды на рабочих местах, придает изобретателям силы, дает вдохновение.
Рабочий день подходил к концу. В принципе все уже сформулировано. Нужен реактор для получения цемента. Не огромная вращающаяся печь длиной в сотни метров, а предельно простой и компактный аппарат, не имеющий ни одной подвижной части. Вообще-то, такие реакторы уже есть, например шахтные печи, в которые сырье поступает сверху, а горячие газы снизу. Поток газа мешает частицам сырья просто упасть и заставляет их плясать в шахте до тех пор, пока в них не произойдут нужные реакции. Однако такой аппарат может работать лишь при условии абсолютного равенства масс всех частиц сырья. Иначе более тяжелые частицы тут же, не пройдя "курса реакций", упадут на дно шахты, а те, которые чуть-чуть легче, вылетят вместе с газом в атмосферу. А поскольку абсолютное равенство частиц -- недостижимый идеал, от шахтного аппарата приходится отказаться.
Транспортер и печь -- вот два очень плохо уживающихся между собой аппарата. Для того чтобы передвигать материал вдоль длинной тоннельной печи, делают подвижные колосниковые решетки из тугоплавких сплавов, по цене близких к золоту, конструируют не боящиеся жары подшипники, изобретают жаропрочные системы уплотнений.
Но оставим на время будничные заботы конструктора цементного машиностроения.
После смерти Архимеда нашли рукопись об улиткообразных линиях, названных благодарными потомками спиралями Архимеда. Он построил насос, представляющий собой трубу со шнеком-винтом внутри. В Африке совсем недавно еще работали такие насосы.
Итак, приоритет изобретения машины, основным рабочим органом которой является спираль, приблизительно можно определить. Архимед погиб за 212 лет до нашей эры. Но были ли прототипы у Архимедовой спирали? Пожалуй, да. Еще в каменном веке умели скручивать волокна и ремни в прочные веревки, а ведь их жилы расположены именно в форме цилиндрической спирали. Бухта каната -- не что иное, как плоская спираль. Ткачество было известно задолго до рождения Архимеда, а ведь уточная нить на шпуле, нити основы на навой и готовое полотно наматываются именно в форме спиралей.
Кто же подсказал нашим предкам совершеннейшую из совершенных структур -спиральную? Эти "подсказки" гуляли по Земле задолго до появления человека. Овцебык с его закрученными рогами и змея, которая любит укладываться в "бухту". Кстати, не потому ли ее считают мудрой? Ведь не исключено, что, именно наблюдая за змеей, человек научился вить канаты, делать лассо и с его помощью ловить животных.
Стоит посмотреть на излом белого известняка и можно увидеть массу спиралевидных раковин. Не осталось следа от множества видов животных, живших в последующие периоды, а моллюски, обладающие спиральными раковинами того самого типа, который в виде отпечатков сохранился в известковых отложениях, живут и по сей день.
Но вернемся к цементу.
Итак, перед конструкторами стояла задача -- и мелкие, и крупные частицы материала нужно заставить двигаться в одном направлении независимо от скорости потока газов. И тут у разработчика возникла мысль создать спираль, чтобы цементная сырьевая мука пошла спиральным тонким слоем, который горячий газ легко нагреет до нужной температуры. Если горячий газ вместе с сырьевой мукой впустить по касательной в реактор, имеющий цилиндрическую форму, он образует вихрь, в котором и крупные и мелкие частицы под действием центробежной силы отбросятся к стенкам реактора и завьются веревочкой.
А чтобы продлить время пребывания частиц во вращающемся потоке, решили сделать реактор по типу "конус в конусе". Спираль в спирали. Циклонный аппарат обрел новое качество -- время пребывания в нем материала удвоилось. Остальное -- дело техники. Проработали несколько эскизов, составили алгоритм, зарядили ЭВМ -- и вот точные данные на любой случай жизни. Огромные аппараты построены на заводе, установлены и уже дают цемент.
Несмотря на то что спирали Архимеда известны более двух тысяч лет, не каждый конструктор сразу сообразит, где и как они могут заменить другие устройства. Всякий раз это муки творчества. Вот пример: многие десятки лет специалисты по холодильной технике считали, что для производства холода как минимум необходим хладагент -- аммиак или фреон. Без промежуточной фазы -теплоносителя -- можно лишь нагреть, допустим, воздух. Взять обычный вентилятор, кстати, тоже своеобразное ассорти из ротора и улитки (и то и другое -- производные от спирали Архимеда), затем от нагнетательного патрубка до всасывающего провести воздуховод и включить мотор. Воздух начнет циркулировать по замкнутому контуру и нагреется. Почти вся мощность, подведенная к электродвигателю, превратится в тепло. Ведь воздух испытывает сильное трение о лопасти ротора, улитку, трубу и сам о себя. Такой способ нагрева воздуха трением в роторе и улитке изобретен в нашей стране и вот уже несколько лет применяется в сушильных камерах и печах. Печи аэродинамического подогрева (ПАП) могут греть и сушить все, что угодно,-- от металлических деталей до валенок.
Итак, спирали могут нагреть воздух. Доктор технических наук заслуженный изобретатель РСФСР профессор М. Г. Дубинский изобрел вакуум-насос, основным рабочим органом которого была улитка с вихревой трубкой. Трубка заменяла вращающийся ротор, ранее применявшийся для подобных целей. В ту пору М. Г. Дубинский был рядовым инженером и проводил эксперименты, что называется, "от" и "до" (довод в пользу того, чтобы молодые специалисты не чурались черновой работы). Вакуум-насос у Дубинского получился замечательный: ни одной вращающейся детали, предельно компактный, производительный и эффективный.
Есть два отряда изобретателей: одни, добившись эффекта, охотно отдают свое детище в чужие руки, с радостью избавляясь от успевшей надоесть темы, и берутся за новые разработки. Другие и после достижения эффекта продолжают исследования. Это изобретатели-ученые. Им важно знать не только, как работает аппарат, но и почему! Приходилось ли вам наблюдать, как при сливе воды из ванны образуется воронка? Это прекрасная модель вихревого эффекта. У края ванны окружная скорость воды равна почти нулю, по мере приближения к центру она возрастает. Это видно по движению мыльной пены. Наконец, скорость воды в центре возрастает настолько, что давление воды начинает заметно падать. Ведь согласно уравнению Д. Бернулли чем выше скорость, тем меньше статическое давление в данной точке. Вот давление упало настолько, что в воде образовалась воронка. Значит, скорость возросла до максимума, а давление упало до минимума. Температура там тоже минимальная. Войдя в улитку, поток воздуха имел большой запас тепловой энергии, а затем по мере продвижения к центру он преобразовался в кинетическую энергию. В вихревом холодильнике температура минус 100--150°, а ведь в обычном холодильнике температуру ниже минус 80° получить невозможно.