Новый подход к конструированию центробежных аппаратов для очистки жидкостей

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Новый подход к конструированию центробежных аппаратов для очистки жидкостей

Высоцкий Л.И.

Аннотация

В недавних публикациях было показано, что применяемая конфигурация широко распространённых аппаратов для выделения взвеси из суспензий, а именно, гидроциклонов, противоречит самой идее принципа их работы. Поскольку они находят применение и в области дорожного строительства, в докладе обращается дополнительное внимание и специалистов в этой области строительства.

Ключевые слова: гидроциклон, суспензия, взвесь, центробежные силы.

A NEW APPROACH TO THE DESIGN OF CENTRIFUGAL DEVICES FOR PURIFICATION OF LIQUIDS

Vysotsky L.I.1, Viktorov I.V.2, Butenko P.N.3

The Federal State Educational Institutional of Higher Education «Saratov state technical (SSTU)1

The Federal State Educational Institutional of Higher Education «Saratov state technical (SSTU)2

The Federal State Educational Institutional of Higher Education «Saratov state technical (SSTU)3

Аnnotation. In recent publications it was shown that the applied configuration of the common apparatus for the separation of suspended matter from suspensions, namely, hydrocyclones, contrary to the very idea of how they work. Since they find application in the field of road construction, the report pays additional attention to specialists in this field of construction.

Keywords: hydrocyclone, slurry, suspension and the centrifugal force.

Выброс промышленных и бытовых сточных вод в открытые водоемы является негативным фактором, приводящим к ухудшению их состояния. Проблемы загрязнения водоемов вызывают, в свою очередь, негативные последствия для экологии и окружающей среды. Масштабы загрязнения уже превысили существующие нормы и границы, обусловленные способностью водоемов к самоочищению. Вследствие этого значительно увеличилась концентрация общего содержания органических веществ и других токсичных компонентов. Актуальность проблематики загрязнения поверхностных водоемов сточными водами связана со сложностями в процессе водоподготовки для питьевого и промышленного водоснабжения и дороговизной этого процесса. Существует необходимость применения энергосберегающих технологий и аппаратов в области очистки сточных вод, которые не требуют существенных затрат при реконструкции очистных сооружений и позволяют значительно улучшить процессы механической и биологической очистки сточных вод. Таким образом, разработка высокоэффективных и экономичных технологий, используемых в канализационных очистных сооружениях, сама по себе является весьма актуальной проблемой, но в её составе выделим проблему удаления мелких абразивных частиц, приводящих помимо прочего к абразивному износу оборудования, дополнительным ремонтным работам и т.п. С этой целью при большой разнице в плотностях взвеси и жидкости часто используют для их разделения центробежные поля (далее полагаем, что

>> ).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Весьма эффективными, малогабаритными аппаратами считаются гидроциклоны [1]. Они имеют коническую форму (смотри, например, рис. 1а). Смесь вводится с большой скоростью через патрубок 3 в гидроциклон по касательной (то есть тангенциально). Это приводит к закрутке потока и развитию мощного поля центробежных сил. Поток имеет возможность покинуть гидроциклон через два отверстия, - нижнее - 5 и верхнее - 4 и 1. В результате в гидроциклоне развивается сложное течение, состоящее из двух вихрей, вращающихся в одну и ту же сторону. В месте впуска потока корпусу гидроциклона часто придают цилиндрическую форму - 2. Из-за наличия осевых скоростей движения к верхнему и нижнему отверстиям, течения во внешнем и внутреннем вихрях имеют спиралевидную форму (рис. 1б). Обычно напряжённость центробежного поля такова, что оно приводит к нарушению сплошности жидкости и образованию в приосевой зоне гидроциклона воздушного столба (с тем же направлением вращения). Вращательное движение сохраняется в гидроциклоне на всём его протяжении, что легко установить визуально из-за конусообразного разбрызгивания части потока, насыщенной взвесью, при выходе его из пескового насадка (рис. 2). Твёрдые частицы в таком потоке под действием центробежных сил мигрируют к стенке гидроциклона. По самой стенке они перемещаются в осевом направлении под влиянием компонент центробежной силы и силы тяжести, параллельных образующей конической поверхности. Поскольку осевые скорости в направлении пескового отверстия малы, то центробежные силы, действующие на частицы, почти нормальны оси гидроциклона. Примем их (для простоты) в первом приближении направленными к оси гидроциклона по нормали. Тогда на частицу, достигнувшую стенку будут действовать силы (рис. 3):

- центробежная = , где m - масса частицы с учётом действия архимедовых сил; u - скорость частицы; r - радиус сечения гидроциклона;

- сила тяжести G = mg.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Частица будет двигаться в направлении образующей конической части гидроциклона под действием суммы проекций на это направление указанных сил (рис. 3в). Она равна

Рис. 3 Схема сил, действующих на тяжелую частицу а) у боковой стенки гидроциклона; б) компоненты центробежной силы; в) суммарная сила, действующая на частицу

R = . (1)

За положительное направление здесь выбрано направление к песковому отверстию. Из приведённой схемы с очевидностью следует вывод, что для продвижения частицы к песковому отверстию, необходимо выполнение условия

R > 0 или или .

Отсюда

. (2)

где - число Фруда.

Итак, установлено, что для того, чтобы тяжёлые частицы двигались к выходному отверстию в существующих конструкциях конических гидроциклонов, необходимо, чтобы угол конусности удовлетворял условию:

. (3)

Например, если u = 5 м/с; ; , то получится, что

, ,

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

то есть, угол конусности должен быть менее 20. Изложенное в известной мере подтверждается формой конструкций выпускаемых промышленностью гидроциклонов. Примером может служить гидроциклон ГЦ - 170 (рис. 4).

Проанализируем изложенное несколько подробнее. Так как центробежная сила направлена по главной нормали к траектории в сторону её выпуклости, рассмотрим вид развёртки спиралеобразной траектории движения частицы по поверхности конической части гидроциклона. Её гипотетический вид представлен на рис. 5. Выпуклость развёртки этой кривой направлена вверх, так как осевая компонента скорости возрастает в сторону пескового отверстия из - за сужения сечения конуса, Это означает, что в данном случае указанный факт приводит к усугублению сделанного вывода.

аппарат очистка гидроциклон канализационный

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Конечно, реальное движение взвешенной частицы в гидроциклоне будет во многом отличаться от рассмотренной схемы из-за влияния турбулентности потока, из-за соотношения размеров частицы и толщины пограничного слоя, концентрации взвеси и других осложняющих факторов. Но это не может помешать сделать заключение о неправильном подходе к конструктивному оформлению существующих конструкций конической части гидроциклонов из-за неэффективности использования в них главной действующей центробежной силы. Вопреки существующему мнению её целесообразно делать не сужающейся, а, наоборот, - расширяющейся. В этом случае компонента центробежной силы направленная по образующей конуса будет складываться с компонентой силы тяжести и не тормозить частицу, а способствовать продвижению её к выходу (рис. 6).

Рис. 6. Схема сил, действующих на частицу в расширяющемся гидроциклоне

Выводы

1. Для повышения эффективности гидроциклонов поверхность их конической части целесообразно делать расширяющейся.

2.Это положение полностью расходится с практикой производства гидроциклонов, но представляется трудноопровержимым.

Библиографический список

1. Башаров М.М., Сергеева О.А. Устройство и расчет гидроциклонов. Казань: Издательство ООО «Вестфалика». 2012г.- 92 с.

Размещено на Allbest.ru