Обоснование методики определения параметров и режимов работы управляемого трехпродуктового гидроциклона

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

На ремонтных предприятиях для очистки поверхностей ремонтируемых изделий от загрязнений используются моечные воды и водные растворы синтетических моющих средств (СМС). При работе они насыщаются смываемыми твердыми загрязнениями и нефтепродуктами, что приводит к потере моющей способности раствора. В большинстве случаев предприятия сливают загрязненные воды и моющий раствор в канализацию, что наносит значительный ущерб окружающей среде. Основным методом сокращения объемов сточных вод является локальная технологическая очистка, которая подразумевает очистку моющей жидкости непосредственно на месте ее применения с целью повторного использования.

Очистке моющих растворов от твердых загрязнений посвящено достаточно большое количество исследований [1-3], однако в моющем растворе накапливаются и нефтепродукты. Их наличие приводит к тому, что на деталях, смоченных загрязненным раствором, после его испарения остается слой маслянистых загрязнений. Это приводит к повышенной прилипаемости различного рода пыли к очищенной поверхности деталей, что увеличивает интенсивность изнашивания трущихся сопряженных деталей. Помимо этого, в моечных машинах при перемешивании моющего раствора оставшиеся в нем нефтепродукты дробятся. Это приводит к увеличению их свободной поверхности и способствует активной адсорбции компонентов СМС, находящихся в моющем растворе, что ускоряет процесс потери моющей способности жидкости. Поэтому при технологической очистке моющих растворов необходимо удалять не только твердые загрязнения, но и нефтепродукты.

Нами была предложена конструкция трехпродуктового гидроциклона [4, 5] и система управления им [6, 7]. Эти предложения направлены на снижение потерь очищаемой жидкости при ее очистке. В основу автоматизации работы гидроциклона предложенной конструкции положена регистрация отличия в электрическом сопротивлении очищаемой жидкости и выделяемых нефтепродуктов. По мере очистки под крышкой гидроциклона происходит скопление выделенных из очищаемой жидкости нефтепродуктов, которые являются диэлектриками. Поэтому установка под крышкой гидроциклона контактов, связанных с электромагнитным клапаном, управляющим выводом нефтепродуктов, позволяет по электрическому сопротивлению жидкости, находящейся между ними, определять момент накопления масел и выводить их из гидроциклона. Усовершенствована также и схема вывода очищенной жидкости из гидроциклона. Однако для практической реализации предложенной схемы гидроциклона необходимо определить сопротивление, при котором будет срабатывать система управления, а также разработать методику расчета его основных параметров, так как предложенная конструкция существенно отличается от известных конструкций гидроциклонов.

Для определения значения сопротивления, при котором будет срабатывать система управления выводом нефтепродуктов, и установления его взаимосвязи с концентрацией масла в моющем растворе была собрана установка, схема которой была описана ранее [8].

Исследования проводились с моющим раствором КМ-1 ТУ 2149-101-10968286-2000 марки 4 при концентрации 20 г/л, что соответствует рабочей концентрации СМС на ремонтных предприятиях. Для имитации загрязнений в моющем растворе в исследуемую жидкость добавлялось отработанное моторное масло, объемная доля которого изменялась от 0 до 80 %. Измерения электрического сопротивления проводились с использованием контактов площадью поперечного сечения 1,0 см2 при зазоре между ними, равном 4 мм. Температура раствора принималась равной 20, 40 и 60 °С.

По результатам теоретического анализа предложенной схемы работы гидроциклона и на основании рекомендаций [9, 10] по расчету основных параметров гидроциклонов была разработана методика расчета конструктивных параметров управляемого гидроциклона предложенной конструкции.

В результате обработки результатов измерений электрического сопротивления были построены аппроксимирующие кривые для исследованных значений температур моющего раствора и соответствующие уравнения. В связи с тем что сопротивление резко меняется при концентрации нефтепродуктов 65 %, то для получения более достоверных уравнений диапазон концентраций масел разбивался на два интервала: 0-65 и 65-80 %.

Полученные зависимости электрического сопротивления моющего раствора от концентрации масла в нем при температурах 20, 40 и 60 °С представлены в таблице.

Табл. 1. Экспериментально-теоретические уравнения сопротивления моющего раствора от концентрации нефтепродуктов в нем

Данные уравнения позволяют рассчитать значение сопротивления для разных значений концентрации нефтепродуктов в растворе. Это дает возможность настраивать систему управления выведения масел из трехпродуктового гидроциклона на заданную концентрацию нефтепродуктов в зоне их накопления.

Основными конструктивными параметрами, влияющими на степень очистки загрязненных моющих растворов от нефтепродуктов, являются: внутренний диаметр Dц цилиндрической части гидроциклона, внутренний диаметр dпит питающего патрубка, высота цилиндрической Нц и конической Нк частей гидроциклона, угол конусности бк конической части, угол при вершине крышки гидроциклона бкр, внутренний диаметр dн трубки вывода нефтепродуктов, внутренний диаметр dшл шламовой насадки, внутренний диаметр dсл сливной трубки и высота lсл сливной трубки, находящейся внутри гидроциклона. Перечисленные параметры показаны на рисунке.

Рис. 1. Схема конструктивных параметров управляемого трехпродуктового гидроциклона: 1 - цилиндрическая часть; 2 - коническая часть; 3 - питающий патрубок; 4 - крышка; 5 - трубка; вывода нефтепродуктов; 6 -трубка слива очищенного моющего раствора; 7 - шламовая насадка

гидроциклон центробежный цилиндрический трехпродуктовый

Согласно действующим рекомендациям [9, 10] для гидроциклонов между dпит и Dц существует следующая взаимозависимость:

(1)

Высота цилиндрической части Нц гидроциклона влияет на время нахождения очищаемого моющего раствора в поле центробежных сил. Ее оптимальное значение согласно рекомендациям [9] изменяется в следующем диапазоне:

(2)

Угол конусности бк на основании рекомендаций [9-11] принимается равным 20.

Для определения угла бкр при вершине крышки гидроциклона сравним ее с тарелкой сепаратора. Оптимальный угол наклона образующей тарелки сепаратора согласно рекомендациям [12-14] изменяется в диапазоне 45-60. При данных углах происходит скольжение выделенных нефтепродуктов вверх по крышке. Следовательно, угол при вершине крышки гидроциклона следует принимать в диапазоне:

(3)

Согласно рекомендациям [10] внутренний диаметр dн трубки вывода нефтепродуктов изменяется в следующем диапазоне:

(4)

Однако эти рекомендации относятся к гидроциклонам с неуправляемым выводом нефтепродуктов, т.е. таким, у которых масла выводятся с большим объемом очищаемой жидкости. Поэтому для управляемого гидроциклона внутренний диаметр трубки вывода нефтепродуктов целесообразно принимать из следующего диапазона:

(5)

Для стандартных гидроциклонов внутренний диаметр dс сливной трубки в шламовой насадке согласно рекомендациям [9] согласуется с диаметром цилиндрической части по соотношению:

(6)

При этом обеспечивается площадь поперечного сечения данной трубки Sс:

(7)

Для предлагаемого гидроциклона, у которого шлам выводится через кольцевую щель между трубкой слива очищенного моющего раствора и внутренней стенкой конической части при вершине усеченного конуса (см. рис.), площадь поперечного сечения кольцевой щели Sщ будет равняться:

(8)

где dщ -диаметр кольцевой щели, м; dсл. - внутренний диаметр трубки слива очищенного моющего раствора, м; дсл - толщина стенки трубки слива очищенного моющего раствора, м.

С учетом равенства расходов жидкости через шламовую насадку у стандартного и управляемого гидроциклона приравниваем формулы (7) и (8). Тогда с учетом зависимости (6) оптимальный диаметр кольцевой щели dщ для управляемого гидроциклона будет равен:

(9)

Внутренний диаметр шламовой насадки dшл для управляемого гидроциклона должен быть не меньше диаметра кольцевой щели dщ, определенного по формуле (9). Это можно записать в следующем виде:

Важнейшим элементом, параметры которого предопределяют работу управляемого гидроциклона, является трубка слива очищенного раствора, а именно ее диаметр dсл и высота lсл данной трубки, находящейся внутри гидроциклона.

Диаметр dсл трубки слива должен обеспечивать вывод очищенного моющего раствора. Расход через трубку зависит от производительности гидроциклона Q и способа вывода выделенных загрязнений. Так, для стандартного гидроциклона с непрерывным выводом загрязнений его производительность можно представить как сумму следующих составляющих:

(10)

где Qтв - расход твердых частиц через шламовую насадку, м3/с; Qп.тв - потери моющего раствора, выводимого вместе с твердыми частицами, м3/с; Qн - расход выделенных нефтепродуктов, м3/с; Qп.н - потери моющего раствора, выводимого вместе с выделенными нефтепродуктами, м3/с; Qсл - расход через сливную трубку для очищенного моющего раствора, м3/с.

Для управляемого гидроциклона составляющими Qн и Qп.н можно пренебречь, как очень малыми величинами в связи с периодичностью их вывода. Тогда расход очищенного моющего раствора через сливную трубку Qсл можно определить по следующей зависимости:

 (11)

где Qшл - расход через шламовую насадку, м3/с.

С другой стороны, расход жидкости через трубку слива очищенного моющего раствора можно определить по известной формуле:

(12)

где µ - коэффициент расхода; Sсл - площадь проходного сечения сливной трубки, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; h - напор над верхним краем сливной трубки, м.

Напор над сливной трубкой примерно равняется высоте столба жидкости над верхним краем этой трубки.

Однако, помимо этого, под крышкой гидроциклона при его работе образуется избыточное давление. С учетом этого формулу (12) можно записать в следующем виде:

(13)

где hж - высота столба жидкости над верхним краем трубки слива очищенного моющего раствора, м; р2 - избыточное давление под крышкой гидроциклона, Па; см.р - плотность моющего раствора, кг/м3.

Коэффициент расхода µ определяется по следующей зависимости:

(14)

где б - коэффициент сжатия струи; ц - коэффициент уменьшения скорости при входе в трубку слива очищенной жидкости.

Для цилиндрической насадки с острыми краями коэффициент уменьшения скорости ц определяется по следующей зависимости [18]:

(15)

Выразив площадь Sсл проходного сечения сливной трубки как площадь круга, с учетом формулы (14) из зависимости (13) получаем:

(16)

Так как сливную трубку можно представить как насадок Борда, то б равняется 0,5 [15]. При этом коэффициент уменьшения скорости ц по формуле (15) будет равен 0,71. Тогда с учетом принятых значений и формулы (11) получаем:

(17)

Однако данная зависимость справедлива при условии истечения жидкости через трубку без вращения жидкости. Так как в гидроциклоне моющий раствор, проходя через сливную трубку, вращается, то необходимо ввести поправочный коэффициент, который будет учитывать это. Тогда получаем:

(18)

где ч - коэффициент, учитывающий вращение жидкости в трубке слива очищенного моющего раствора. На основании рекомендаций [16] ч равняется 1,05.

Проанализировав полученную зависимость, можно сделать вывод, что одним из параметров, влияющих на диаметр сливной трубки, является избыточное давление под крышкой гидроциклона.

Для определения взаимосвязи давления под крышкой гидроциклона с конструктивными и режимными параметрами был спланирован и проведен многофакторный эксперимент, методика проведения которого была описана ранее [17]. По результатам эксперимента было получено следующее уравнение:

(19)

где р - давление на входе в гидроциклон, кПа.

Для определения величины hж и р2 необходимо определить высоту lсл сливной трубки, находящейся внутри гидроциклона.

С этой целью рассмотрели процесс движения жидкости в гидроциклоне. При подаче моющего раствора в гидроциклон образуется внешний нисходящий поток, движущийся по спирали вниз вдоль стенок гидроциклона. По достижении низа конической части внешний поток разворачивается, превращаясь в восходящий.

Данный разворот происходит на расстоянии l от основания конической части.

Взаимосвязь высоты lсл и расстояния l объясняется тем, что в случае расположения сливной трубки ниже данного расстояния вся очищаемая жидкость будет уходить из гидроциклона вместе с нефтепродуктами.

Во избежание этого необходимо, чтобы данная трубка находилась выше, чем расстояние, на котором происходит разворот жидкости.

Для определения расстояния l от основания конической части, на котором происходит разворот внешнего нисходящего потока жидкости, нами была составлена модель движения жидкости внутри гидроциклона.

В результате анализа данной модели была получена зависимость, позволяющая определить данное расстояние:

(20)

где ш - коэффициент, учитывающий падение скорости жидкости при входе в коническую часть гидроциклона.

Согласно рекомендациям [10] коэффициент падения скорости определяется по следующей зависимости:

(21)

Для увеличения высоты столба жидкости над верхним краем трубки слива очищенного моющего раствора необходимо, чтобы данная трубка находилась минимально выше расстояния l, определенного по формуле (20). Выразив это через размеры частей гидроциклона, получаем расстояние, выше которого должна быть установлена трубка слива очищенного моющего раствора:

(22)

где Нк - высота конической части гидроциклона, м; Ншл - высота шламовой насадки гидроциклона, м. Тогда высоту столба жидкости над трубкой слива очищенного моющего раствора, выраженную через размеры частей гидроциклона, можно определить следующим образом:

(23)

где Нкр - высота крышки гидроциклона, м.

Высота крышки гидроциклона определяется по следующей зависимости:

(24)

Основным режимным параметром управляемого трехпродуктового гидроциклона является его производительность. Для определения взаимосвязи данной величины с конструктивными параметрами центробежного аппарата был спланирован и проведен многофакторный эксперимент, методика проведения которого была описана ранее [18]. По результатам данного эксперимента была получена следующая зависимость:

(25)

где kсл - коэффициент, учитывающий отношение длины отводящего патрубка lотв к сумме длин цилиндрической и конической частей. Данный коэффициент определяется по следующей зависимости:

(26)

Полученные уравнения электрического сопротивления моющего раствора от концентрации масла при различных температурах позволяют рассчитать значение сопротивления для разных значений концентрации нефтепродуктов в растворе. Это дает возможность настраивать систему управления трехпродуктовым гидроциклоном на необходимое качество очистки.

Представлены результаты, которые в совокупности являются методикой расчета параметров и режимов работы управляемого трехпродуктового гидроциклона предложенной конструктивной схемы.

Литература

1. Тельнов Н.Ф. Технология очистки сельскохозяйственной техники / Н.Ф. Тельнов. - М.: Колос, 1973. - 296с.

2. Мажугин Е.И. Тонкослойное сепарирование моющих растворов, используемых при ремонте машин: дис. ...канд. техн. наук: 05.20.03 / Е.И. Мажугин. - М.: ГОСНИТИ, 1987. - 220с.

3. Казаков А.Л. Интенсификация гидроциклонной очистки моющих растворов электромагнитной обработкой: дис. … канд. техн. наук: 05.20.03 / А.Л. Казаков - Минск: БГАТУ, 2012. - 150с.

4. Трехпродуктовый гидроциклон: пат. 5479 Респ. Беларусь, МПК B 04C5/00 / Е.И. Мажугин, А.В. Пашкевич, А.Л. Казаков, М. В. Левкин; заявитель Бел. гос. с.-х. акад. - № u20080838; заявл. 11.11.2008; опубл. 30.08.2009 // Афіцыйны бюл. / Нац. Центр iнтэлектуал. уласнасцi. - 2009. - № 4. - С. 187.

5. Мажугин Е.И. Автоматизированный трехпродуктовый гидроциклон для очистки моющих вод ремонтных предприятий / Е.И. Мажугин, А.В. Пашкевич, Ю.Н. Бушуев, Е.В. Самосюк // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сб. науч. работ междунар. науч.-техн. конф., Брянск, 22-23 марта 2011г. / Брянская гос. с.-х. акад.; ред. совет: А.А. Тюрева, Р.Н. Куприенко. - Брянск, 2011. - С. 25-30.

6. Мажугин Е.И. Система автоматизации работы трехпродуктового гидроциклона / Е.И. Мажугин, А.В. Пашкевич, Ю.Н. Бушуев // Вестник БГСХА. - 2011. - № 2. - С. 134-138.

7. Система управления трехпродуктовым гидроциклоном: пат. 8105 Респ. Беларусь, МПК В 04С 5/00 / Е.И. Мажугин, А.В. Пашкевич, Ю.Н. Бушуев; заявитель Бел. гос. с.-х. акад. - № u 20110561; заявл. 11.07.2011; опубл. 03.01.2012 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. - 2012. - № 2. - С. 212.

8. Пашкевич А.В. Обоснование возможности автоматизации работы трехпродуктового гидроциклона / А.В. Пашкевич // Вестник БГСХА. - 2011. - № 4. - С. 167-171.

9. Скирдов И.В. Очистка сточных вод в гидроциклонах / И.В. Скирдов, В.Г. Пономарев. - М.: Стройиздат, 1975. - 176с.

10. Терновский И.Г. Гидроциклонирование / И.Г. Терновский, А.М. Кутепов. - М.: Наука, 1994. - 350с.

11. Липатов Н.Н. Саморазгружающиеся сепараторы / Н.Н. Липатов, О.П. Новиков - М.: «Машиностроение», 1975. - 248с.

12. Сорокопуд А.Ф. Технологическое оборудование. Традиционное и специальное технологическое оборудование предприятий пищевых производств: учеб. пособие: в 2 ч. / А.Ф. Сорокопуд. - Кемерово: Технол. ин-т пищ. промышленности, 2009. - Ч. 1. - 220с.

13. Березин М.А. Практикум по расчетам технологического оборудования пищевых производств: учеб. пособие / М.А. Березин, С.В. Истихин, В. В. Кузнецов. - Саранск: ОАО «Мордовия-Экспо», 2009. - 64с.

14. Прандтль Л. Гидроаэромеханика / Л. Прандтль. - 2-е изд. - М.: Из-во иностранной литературы, 1951. - 575с.

15. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик / Под. ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672с.

16. Мажугин Е.И. Определение рациональных режимов работы трехпродуктового гидроциклона / Е.И. Мажугин, А.В. Пашкевич // Вестник БГСХА. - 2011. - № 4. - С. 139-143.

18. Мажугин Е.И. Лабораторные исследования по определению производительности трехпродуктового гидроциклона / Е.И. Мажугин, А.В. Пашкевич // Тракторы и автомобили: материалы Междунар. науч.-практ. конф., Горки, 24-25 сентября 2009г. / Белорус. гос. с.-х. акад.; редкол: А.Н. Карташевич [ и др.]. - Горки, 2009. - С. 149-156.

Размещено на Allbest.ru