Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Удосконалення гідродинамічних фільтрів шляхом закрутки потоку в кільцевій області зовні фільтроелемента

05.05.17 - «Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати»

Бревнов Олександр Аркадійович

Суми - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Мочалін Євген Валентинович,

Донбаський державний технічний університет,

завідувач кафедри «Теоретична та будівельна механіка».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Кононенко Анатолій Петрович,

Донецький національний технічний університет,

професор кафедри “Енергомеханічні системи”

кандидат технічних наук, доцент

Неня Віктор Григорович,

Сумський державний університет,

доцент кафедри інформатики.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При роботі підприємств гірничої, металургійної, нафтовидобувної, нафтопереробної, хімічної промисловості, паливно-енергетичного комплексу, сільськогосподарського виробництва, енергетики й комунального господарства потрібне обов'язкове очищення робочих, змащуючих і охолоджуючих рідин, а також технічної й питної води від різних дисперсних забруднень. При недостатнім очищенні рідин у гідросистемах знижується ресурс машини, виникають позапланові простої. При надмірному очищенні рідин значно підвищується вартість техніки, збільшуються матеріальні й трудові витрати на технічне обслуговування. Збільшення чистоти рідин і зменшення вартості очищення шляхом удосконалення очисних пристроїв є актуальним питанням, особливо, сьогодні.

Одним з факторів, що дозволяють поліпшити роботу різних пристроїв очищення рідин, є закрутка потоку в робочій порожнині, що давно відома як фактор, що інтенсифікує процеси тепло й масообміну. Цей фактор уже реалізований у ряді конструкцій систем очищення. Однак тут є великий потенціал, використання якого пов'язане з теоретичним дослідженням впливу закрутки потоку на рух часток домішок. Закрутка потоку за певних умов дає можливість не підпускати до проникної поверхні тверді частки певної гущини, за рахунок чого можна досягти поліпшення умов роботи фільтра. Тому дослідження закрученого потоку й твердих часток, що перебувають у ньому, повинне бути невід'ємною частиною розробки пристроїв очищення. Достовірні кількісні результати в цьому напрямку здатні стати основою для технічних рішень, які можуть бути покладені в основу розробки фільтрів і систем очищення рідин, що використовують закрутку потоку і як основний фактор очищення, і як додатковий інтенсифікуючий фактор.

Застосування комп'ютерних технологій дає можливість із меншими витратами сил, часу й матеріальних засобів розрахувати раціональні параметри й створити найбільш ефективний зразок пристрою очищення. Все це свідчить про актуальність таких досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукових програм кафедри «Теоретична й будівельна механіка» Донбаського державного технічного університету (ДонДТУ) і Науково-дослідного проектно-конструкторського інституту (НДПКІ) «Параметр» ДонДТУ. Наведені в дисертації результати пов'язані з виконанням науково-дослідних робіт (НДР) "Дослідження впливу закручення потоку й ламінаризації на ефективність відділення часток домішок при очищенні рідинних середовищ" (номер державної реєстрації 0102U001676), у якій автор був відповідальним виконавцем й «Розробка пристрою тонкого очищення рідин від дисперсних домішок з малими втратами напору й низьких вимог до вихідного забруднення» (номер державної реєстрації 0103U002540), у якій автор був виконавцем.

Мета і завдання роботи. Метою роботи є обґрунтування можливості підвищення ефективності гідродинамічного очищення рідини шляхом використання закрутки потоку, а також розробка технічних рішень і конструктивних схем пристроїв очищення.

Для реалізації мети дослідження повинні бути вирішені наступні завдання:

- дослідження гідродинамічних характеристик потоку несучої рідини в робочій порожнині гідродинамічного фільтра із закруткою потоку;

- виявлення закономірностей руху зважених часток у зоні відділення домішок гідродинамічного фільтра із закруткою потоку;

- обґрунтування раціональної конструкції фільтра, що використовує закрутку потоку в комбінації із сітчастим фільтроелементом і розробка методів розрахунку його гідродинамічних параметрів;

- проведення експериментальних досліджень, що підтверджують ефективність запропонованого пристрою очищення й адекватність отриманих теоретичних результатів реальним фізичним процесам.

Об'єктом дослідження є рух рідини й зважених часток в кільцевій області зовні фільтроелемента гідродинамічного фільтра, що використовує закрутку потоку.

Предметом дослідження є закономірності руху рідини й зважених часток в кільцевій області зовні фільтроелемента, що визначають ефективність очистки рідин гідродинамічним фільтром, що використовує закрутку потоку.

Методи досліджень. Рішення поставлених завдань проводилося з використанням розрахунково-аналітичних методів із застосуванням математичного й фізичного (на експериментальному стенді) моделювання робочого процесу гідродинамічного фільтра із закруткою потоку.

Зокрема, теоретичні дослідження течії в'язкої нестисливої рідини в кільцевому зазорі із проникною стінкою здійснювались на основі скорочених за методами теорії примежового шару, рівнянь Навье-Стокса в циліндричній системі координат.

Моделювання руху твердих часток у потоці рідини виконувалося на базі рівняння Бассе-Буссинеска-Озейна.

При чисельній реалізації розрахункових алгоритмів використовувались метод кінцевих елементів і метод Рунге-Кутта для рішення крайових задач і задач Коші для систем диференціальних рівнянь, відповідно.

Експериментальні дослідження проводилися на базі методів планування експерименту й математичної статистики шляхом стендових випробувань макета гідродинамічного фільтра із закруткою потоку в лабораторії «Гідродинаміки й фільтрувальної техніки» НДПКІ «Параметр» ДонДТУ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Показано, що за рахунок закрутки потоку в кільцевій області зовні сітчастого циліндричного фільтроелементу можна забезпечити достатнє для здійснення гідродинамічного очищення рідини співвідношення дотичної і нормальної до поверхні фільтроелемента компонент швидкості несучої рідини й зважених часток уздовж всієї поверхні фільтроелемента.

2. Вперше встановлено, що закрутка потоку в кільцевій області зовні сітчастого фільтроелемента дозволяє зменшити непродуктивне скидання рідини при роботі неповнопоточного гідродинамічного фільтра в 2-3 рази.

3. Показано, що визначальний вплив на траєкторії руху твердих часток зовні фільтроелемента гідродинамічного фільтру надає сила лобового опору і виштовхуюча сила, обумовлена перепадом тиску в радіальному напрямі. При цьому в розрахунковому аналізі зважені тверді частки допустимо вважати сферичними.

4. Вперше показано, що закрутка потоку зовні циліндричного фільтроелемента, що забезпечує гідродинамічне очищення рідини, дозволяє виключити контакт з фільтруючою поверхнею зважених часток, що мають густину, більшу, ніж густина несучої рідини, і розміри, близькі до розмірів отворів фільтруючої перегородки.

5. Виявлено, що перепад тиску на гідродинамічному фільтрі з закруткою потоку на порядок менше перепаду тиску на гідроциклоні при однаковій витраті рідини.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджуються результатами відомих і власних експериментальних досліджень, достатністю для рішення поставлених задач обсягу матеріалу, отриманого при модельному й обчислювальному експериментах, застосуванням апробованих методів розрахунку (метод скінченних елементів, метод Рунге-Кутта), прийнятним ступенем адекватності розроблених математичних моделей реальним фізичним процесам (розбіжність становить у середньому 8,3 %). Достовірність отриманих експериментальних результатів обумовлена використанням сучасних засобів вимірювання, методів математичного планування експерименту й статистичного аналізу експериментальних даних.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблена конструкція гідродинамічного фільтра із закруткою потоку дозволяє:

- зменшити витрати рідини на скидання до 2-3 разів у порівнянні з гідродинамічним неповнопоточним фільтром;

- знизити на порядок величину перепаду тиску в порівнянні із протиточними гідроциклонами;

- підвищити стійкість закрученої течії в області фільтрування до утворення відриву потоку в пристінних областях.

З використанням методів розрахунку, обґрунтованих у дисертації спроектовано гідродинамічний фільтр, установлений на експлуатаційній ділянці підприємства ЛОКСТП «ЛТКЕ» (м. Ровеньки, Луганська обл., Україна).

Основні теоретичні положення використані в навчальному процесі ДонДТУ.

Експериментальні моделі й засоби вимірювання, розроблені в процесі досліджень знайшли застосування при виконанні лабораторних робіт студентами ДонДТУ.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень, наведені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем. Авторові належать основні ідеї роботи: розробка математичних моделей руху закрученого потоку в кільцевій області фільтрування й руху твердих часток у розрахованому полі швидкостей, розробка методики розрахунку гідродинамічного фільтра із закруткою потоку, підготовка й проведення експериментальних досліджень, а також обробка їх результатів.

У написаних в співавторстві наукових публікаціях, які розкривають результати, отримані в процесі виконання дисертаційної роботи, здобувачеві належать:

[1] - розробка програми розрахунку зваженої твердої частки під дією сил з боку потоку несучої рідини; [3] - чисельне розв'язання задачі про рух твердих часток домішок у закручених потоках; [4] - чисельне розв'язання задачі про рух закрученого потоку в кільцевому зазорі між двома коаксіальними циліндрами с урахуванням відсмоктування через внутрішній проникний циліндр.

Всі ці результати отримані під безпосереднім керівництвом наукового керівника, який спланував основні етапи роботи автора над дисертацією.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень автора доповідалися й обговорювалися на щорічних конференціях професорсько-викладацького составу Донбаського державного технічного університету ДонДТУ (м. Алчевск, 2001-2008 р.); на II конференції молодих вчених ІГТМ ім. Н.С.Полякова НАНУ; на науково-технічній конференції НДПКІ «Параметр» ДонДТУ «Наука. XXI століття. Перспективи й напрямки» (м. Алчевськ, 2004 р.); на VIII-ХIII Міжнародних конференціях «Гідромеханіка в інженерній практиці» (м. Черкаси, 2003 р.; м. Київ, 2004 р.; м. Краматорськ, 2005 р.; м. Київ, 2006 р.; м. Луганськ, 2007 р.; м. Київ, 2008 р.).

Публікації. Основні положення й результати роботи опубліковані в 9 наукових працях, у тому числі: 7 - у спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України, 1 - у вигляді деклараційного патенту України на корисну модель, 1 - у збірнику наукових праць НДПКІ «Параметр» ДГМІ.

Структура дисертації. Дисертація складається з 5 розділів, містить 144 стор. основного тексту, 52 рис., 6 таблиць й 4 додатка. У списку літератури - 67 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність тими, сформульовані мета й завдання дослідження, визначені основні положення, які мають наукове й практичне значення, наведена загальна характеристика роботи.

У першому розділі дисертації проаналізовані сучасні тенденції розвитку пристроїв очищення рідини від механічних забруднень, показані шляхи удосконалення гідродинамічних неповнопоточних фільтрів.

Сітчасті фільтри використаються дуже давно, але низька грязеємкість істотно обмежує термін служби таких фільтрів. Цей недолік вирішується за допомогою гідродинамічних фільтрів. В одній з конструкцій таких фільтрів для забезпечення осьової складової швидкості частина рідини скидається в лінію зливу, що робить їх неповнопоточними. Крім того, гідродинамічні фільтри чутливі до коливань витрати й тиску, що врешті решт викликає їх засмічення. гідродинамічний фільтр закрутка потік

Закрутка потоку давно відома як фактор, що інтенсифікує тепло- і масообмін. Щодо цього найбільш часто використовуваними пристроями очищення рідин є гідроциклони й центрифуги. По дослідженнях Поварова А.І., Акопова М.Г., Іофи М.Б. й ін. гідроциклони викликають великий опір. Крім того, гіроциклони ефективні лише при розділі фаз із концентрацією зважених часток більше 1 г/л. Причому, ефект очищення наближається до 100% при змісті твердого в живленні 7 г/л і більше. А центрифуги вимагають великих енерговитрат і мають високу ціну.

У роботі Журби М.Г. сказано, що ефективне комбінування сітчастих і гідроциклонних установок можливо із застосуванням сітчастих полотен з розміром отворів не більше 0,1 мм і вимагає детального вивчення гідродинамічних умов закрутки потоку.

Відомі результати показують, що закрутка потоку в кільцевій області згасає повільніше, ніж у трубі. Крім того, у кільцевій області за певних умов не виникає великих втрат напору у закрученому потоці рідини. Аналіз відомих пристроїв очищення рідин від механічних домішок показує, що перспективу в діапазоні тонкості очищення 15-50 мкм із витратою рідини до 100 м³/год можуть мати фільтри, що поєднують закрутку потоку з наявністю сітчастих перегородок з використанням гідродинамічного ефекту.

Принцип роботи такого пристрою очищення (рис.1) полягає в тому, що шляхом тангенціального підведення неочищеної рідини, досягається закрутка потоку. Після цього закручений потік попадає в область фільтрування, де тверді частки, порівнянні з отворами сітки відкидаються від її поверхні за рахунок відцентрових сил, а більш дрібні частки, що визначають тонкість очищення рідини відокремлюються від сітки за рахунок гідродинамічного ефекту. Очищений потік подається на вихід, а частина неочищеної рідини (біля 5 %) іде на скидання.

Рис. 1 Гідродинамічний фільтр з закруткою потоку

Основною ідеєю гідродинамічного ефекту є непроходження твердої частки меншого розміру, ніж отвір фільтрувальної сітки за рахунок більшої дотичної швидкості частки відносно радіальної швидкості. Умовою непроходження твердої частки крізь отвір фільтроелемента є розташування лінії дії сумарного вектора швидкості вище точки А по рис. 2.

, (1)

де - розмір отвору сітки, - швидкість рідини в отворі фільтрувальної сітки,

- дотична до поверхні фільтроелемента швидкість потоку рідини.

Рис. 2 Схема гідродинамічного фільтрування

Таким чином, сполучення закрутки потоку і сітчастого фільтроелемента є перспективним через можливість створення гідродинамічного фільтра з поліпшеними технічними характеристиками в порівнянні з існуючими фільтрами. Для розрахунку фільтру запропонованої конструкції необхідне теоретичне обґрунтування його працездатності. Отримані при цьому теоретичні результати можуть бути покладені в основу методів розрахунку гідродинамічних фільтрів з закруткою потоку.

В другому розділі розглядається задача про течію в'язкої нестисливої рідини в кільцевому каналі між двома коаксіальними циліндричними поверхнями з відсмоктуванням рідини через внутрішній проникний циліндр при наявності закрутки потоку на вході (рис. 3).



Рис.3 Розрахункова схема задачі

Виходячи з повних рівнянь Нав'е-Стокса для осесиметричної течії в циліндричних координатах, спрощених за методикою, запропонованою Прандтлем у теорії примежового шару, а також із застосуванням прийому розщеплення тиску, було одержано систему рівнянь, що описують течію рідини в досліджуваній області.

, (2)

, (3)

, (4)

. (5)

де ,, - осьова, радіальна і тангенціальна швидкість рідини, - кінематична в'язкість рідини, - густина рідини, - радіальна добавка тиску.

На проникній і непроникній стінках маємо такі граничні умови:

, , (6)

, , (7)

, . (8)

В основу розв'язання покладено наближений підхід, заснований на зведенні рівнянь у частинних похідних до багаторазового розв'язання звичайних диференціальних рівнянь (ЗДР) в ітераційному циклі. При цьому на кожному кроці зі змінною розв'язується крайова задача для ЗДР.

, (9)

, (10)

. (11)

Отримане розв'язання відрізняється тим, що не вимагає великих обчислювальних ресурсів і може бути задіяне в загальній методиці розрахунку пристрою очищення. У той же час воно дає можливість визначити три компоненти швидкості рідини й розподіл тиску в досліджуваних областях.

Рішення протестовано на прикладі відомих течій і показує гарну збіжність. Найбільш характерні профілі осьової й тангенціальної швидкості у відносних безрозмірних координатах наведені на рис. 4.

, , , , (12)

де - середня осьова швидкість в початковому перерізі.

Рис. 4 Профілі осьової й тангенціальної швидкостей в різних перерізах по осьовій координаті кільцевої робочої порожнини

Із цих графіків видно, що тангенціальна швидкість біля фільтрувальної сітки в кілька разів більша за осьову швидкість, що істотно поліпшує умови гідродинамічного очищення.

Отримані результати дають можливість крім розподілу швидкостей визначити ступень гідродинамічного ефекту очищення рідини, тобто величину відношення дотичної швидкості до радіальної. Це відношення характеризує якість очищення рідини від твердих домішок.

На рис. 5 показані криві зміни величини, що характеризують гідродинамічний ефект по довжині області фільтрування на відстані порядку діаметра твердої частки від проникної поверхні. При цьому розглядалась максимально можлива для даної ширини зазору кутова швидкість закрутки потоку в початковому перерізі. З графіка видно, що відношення дотичної складової швидкості до радіальної зменшується по мірі наближення до вихідного перерізу, але в цьому випадку залишається достатнім, щоб крізь отвір фільтрувальної сітки не проходили частки менші за розміром, ніж отвори у сітці. Цей результат має місце навіть при невеликому скиданні рідини (біля 5%).

Рис. 5 Відношення дотичної швидкості потоку до радіальної:

- на відстані 10 мкм від проникної поверхні;

- на відстані 20 мкм від проникної поверхні.

Крім того, розрахунок характеристик потоку за розробленим методом дає можливість підібрати максимально можливу кутову швидкість закрутки потоку при заданій величині кільцевого зазору для різних витрат через фільтр (рис. 6).

Доказано також, що можливо зменшити витрати на скидання й більш, ніж до 5% від початкової витрати без виникнення областей зі зворотними течіями. Але існує обмеження щодо зменшення висоти кільцевого зазору. Це обмеження пояснюється збільшенням концентрації твердих часток в області фільтрування, збільшенням тертя потоку з підвищенням гідродинамічного опору, обмеженням по розмірам твердих часток, а також підвищеними вимогами до технології вироблення фільтроелемента.



Рис. 6 Залежність граничної кутової швидкості від ширини кільцевого зазору при скиданні 5% від загальної витрати:

(1) - 2 м³/год, =0,048 м, 0,13 м;

(2) - 10 м³/год, =0,115 м, 0,33 м.

На рис. 7 показані залежності максимальної кутової швидкості від величини кільцевого зазору при різних значеннях витрати на скидання, для одержання інформації про мінімально можливу витрату на скидання.

Рис. 7 Залежності максимальної кутової швидкості від величини кільцевого зазору при різних значеннях витрати на скидання:

2 м³/год, =0,048 м, 0,13 м.

Таким чином, отримана модель розрахунку дозволяє визначити поле швидкостей несучої рідини в кільцевому зазорі між двома коаксіальними циліндрами, що дає можливість простежити рух твердих часток домішок у цій області для створення раціональної конструкції пристрою очищення. Розрахунки свідчать, що існують певні сполучення конструктивних параметрів, за яких має місце безвідривний характер профілів швидкості потоку у всій області фільтрування. При цьому достатнім є скидання рідини в обсягах 2-5% від загальної витрати рідини. Закрутка потоку дає можливість зберегти величину дотичної складової швидкості поблизу фільтрувальної перегородки в кілька разів більшою за радіальну швидкість у всій області фільтрування, що дозволяє ефективно використовувати гідродинамічний ефект.

У третьому розділі розглянуто задачу про рух зваженої твердої частки в розрахованому заздалегідь полі швидкостей рідини в умовах кільцевої області фільтрування, характерної для задачі, що розглядається.

У певній постановці задачі про рух зваженої частки розглядається доволі багато діючих на частку сил. Але в практичних розрахунках зазвичай враховують одну-дві. Тому важливим завданням є обґрунтування моделі міжфазної взаємодії для специфічних умов, що розглядаються.

За основу прийнято рівняння Бассе-Буссинеска-Озейна, узагальнене Ченом на випадок рідини, що рухається зі змінною швидкістю:

, (13)

де - маса частки, - вектор швидкості твердої частки, - зовнішні масові сили, - сила лобового опору, - ефект приєднаної маси, - сила, пов'язана із градієнтом тиску в рідині, що оточує частку, - сила Бассе, що характеризує миттєвий гідродинамічний опір, який виникає при великому прискоренні.

Крім того, у рівняння (13) була включена сила Магнуса, яка обумовлена обертанням частки.

За оцінкою порядків величин діючих сил був зроблений висновок про істотний вплив на траєкторії руху сили ваги частки, сили лобового опору й сили, що обумовлені перепадом тиску в радіальному напрямку. Розрахунками продемонстровано, що вплив інших сил для часток домішок до 50 мкм є несуттєвим.

Рух частки, на яку діють сила лобового опору, сила, що виникає в результаті перепаду тиску в радіальному напрямку й сила ваги частки, описується диференціальними рівняннями руху матеріальної точки в циліндричній системі координат:

, (14)

, (15)

, (16)

, (17)

, (18)

, (19)

де , , - осьова, радіальна і тангенціальна швидкості твердої частки, - число Рейнольдса.

Після розгляду впливу несферичності твердих часток домішок на траєкторії їхнього руху (рис. 8) був зроблений висновок про те, що частки розглянутого діапазону розмірів (50 мкм) в розрахунках можна приймати сферичної форми.

Рис. 8 Траєкторії часток для випадку: :

- сферична частка, - витягнутий сфероїд, - сплюснутий сфероїд.

Завершальним етапом третього розділу була перевірка можливості забезпечення такого розподілу швидкостей та тиску в робочій порожнині фільтру, за яких тверді частки з розмірами, що дорівнюють розмірам отворів у фільтроелементі, або більші за них, не контактують з фільтруючою поверхнею. Шляхом розв'язання рівнянь (14)-(19), було доведено, що така можливість існує.

У четвертому розділі обґрунтовано конструкцію та розроблено основи розрахунку гідродинамічного фільтру, що використовує закрутку потоку.

Конструкція запропонованого пристрою очищення потоку представлена на рис.9.

Рис. 9 Схема гідродинамічного фільтра із закруткою потоку

Фільтр працює таким чином. Рідина, що підлягає очищенню, подається тангенціально на вхід фільтра через патрубок 3, за рахунок чого досягається початкова закрутка потоку. Закручений потік попадає в кільцеву область фільтрування між корпусом 1 і фільтроелементом 2, де відбувається поступове відсмоктування рідини. Очищений потік з фільтроелемента 2 подається на вихід через патрубок 4 відводу очищеної рідини, а частина неочищеної рідини, проходячи уздовж поверхні фільтроелемента, попадає в бункер для збору забруднень 5. Видалення осаду з бункера 5 відбувається через зливальний отвір 6.

Закрутка потоку, у результаті якої на частки рідини діє об'ємне поле відцентрових сил, дозволяє, за рахунок відповідного підбора конструктивних параметрів, забезпечити відсутність контакту із сіткою часток домішок, порівнянних з отворами сітки або крупніших. У той же час основна тонкість очищення досягається за рахунок гідродинамічного ефекту, обумовленого тангенціальною складовою швидкості частки на підході до сітки.

Для створення запропонованої конструкції фільтра необхідно було розробити загальну методику розрахунку геометричних та гідродинамічних параметрів створюваного фільтра, основні етапи якої наведено далі:

1.) За допомогою оцінного аналізу сил, що діють з боку потоку на тверду сферичну частку визначаємо розміри фільтроелемента за умови непопадання твердої частки сумірної з розміром отвору фільтрувальної сітки на проникну поверхню.

2.) Шляхом рішення задачі, заснованої на вирішенні спрощених рівнянь Навьє-Стокса в ітераційному циклі визначаємо величину кільцевого зазору за умови відсутності ознак появи зворотних течій. При цьому отримуємо картину розподілу трьох компонент швидкості потоку і розподіл тиску в області фільтрування. За результатами розрахунку течії будуємо функцію відношення дотичної складової швидкості потоку до радіальної складової поблизу проникної стінки, яка показує можливість реалізації гідродинамічного ефекту по всій довжині області фільтрування.

3.) Вирішуємо задачу руху твердої сферичної частки в розрахованому полі швидкостей, тим самим, обчислюючи граничне значення розміру твердої частки, що визначає тонкість фільтрування.

4.) При отриманих в розрахунку геометричних параметрах підраховуємо перепад тиску на фільтрі, що складається з втрат напору у вхідному патрубку, в кільцевому зазорі, на фільтрувальній сітці та у вихідному патрубку.

5.) При необхідності коректуємо геометричні розміри фільтру і повторюємо процедуру розрахунку спочатку.

В результаті проведеного дослідження з визначення області раціональних параметрів і на основі представленої методики розрахунку гідродинамічного фільтра із закруткою потоку можна зробити наступні висновки:

1.) Існує можливість виготовити гідродинамічний фільтр із закруткою потоку для очищення забрудненої рідини від твердих часток домішок, що відрізняється від відомих пристроїв очищення простотою конструкції, невеликим перепадом тиску, зменшеною до 2-5% витратою на скидання, відсутністю обертових частин і додаткових джерел енергії.

2.) На основі попереднього розрахунку можна визначити область раціональних параметрів роботи розроблювального фільтра.

3.) Підбором конструктивних параметрів можна домогтися відкидання твердих часток, порівнянних з розміром отворів фільтрувальної сітки, які є найнебезпечнішими для забивання сітки. До того ж це дозволяє зменшити концентрацію твердих часток біля фільтрувальної сітки. Більш дрібні частки не будуть проходити крізь фільтруючу поверхню за рахунок гідродинамічного ефекту.

4.) Відповідно до розрахунків гідравлічний опір розроблювального фільтра не перевищує 0,01-0,015 МПа, що як мінімум на порядок нижче, ніж у гідроциклонів.

У п'ятому розділі наведена експериментальна перевірка основних теоретичних положень, поданих у роботі, а саме:

- наявність стійкої ламінарної закрученої течії в кільцевій області фільтрування;

- відсутність підсмоктувань рідини з області очищеної рідини в область фільтрування;

- відсутність зворотних течій рідини в області фільтрування;

- можливість зменшення витрати рідини на скидання до 5 % від загальної витрати;

- можливість очищення рідини від твердих часток, менших розміру отвору фільтрувальної сітки.

В результаті аналізу роботи макету гідродинамічного фільтру, що використовує закрутку потоку, підтвердилося припущення про стійкість течії в області фільтрування. Це було помітно по загальному вигляду течії без явних ознак завихореності.

Про збереження інтенсивної закрутки в кінцевих перерізах фільтроелемента можна судити по поведінці ниток, укріплених на поверхні фільтроелемента, які після досить швидкого встановлення режиму поводилися стабільно, без коливань (рис. 10), а також по наявності повітряного стовпа, що обертається, за фільтроелементом в конусній частині фільтру (рис. 11).

Крім того, по поведінці ниток можна було судити про відсутність зворотних течій в осьовому напрямі.

Проте, при нерозрахункових режимах роботи гідродинамічного фільтру із закруткою потоку (рис. 12), які виникають, наприклад, при збільшенні закрутки потоку більш граничного розрахункового значення, можна було спостерігати картину течії, далеку від ламінарного і безвідривного потоку. У таких випадках спостерігалися обширні зони турбулентності, про які можна судити по наявності повітряних міхурів, а також нерівномірність течії, про що свідчила різнонаправленість ниток, укріплених на поверхні фільтроелемента.



Рис. 10 Фільтроелемент Рис. 11 Повітряний стовп Рис. 12 Нерозрахунковий з укріпленими нитками за фільтроелементом режим

Однією з потенційних небезпек погіршення роботи фільтру є неповна робота фільтрувальної сітки, коли можуть виникати підсмоктування із зони очищеної рідини. Для перевірки цього припущення всередину фільтроелемента поблизу крайніх ділянок сітки подавалася фарба під тиском. При потенційно цікавих режимах роботи фільтру явище підсмоктування в зону фільтрування не спостерігалося, що підтверджує правомірність використаної розрахункової моделі.

Проведені експериментальні дослідження показали, що існує можливість створення гідродинамічного фільтра із закруткою потоку на вході при концентрації забруднень у вхідному середовищі до 2 г/л, що має такі переваги, як невеликий перепад тиску, невисока чутливість до параметрів мережі, огородження фільтрувальної сітки від твердих часток, порівнянних з розміром отворів сітки, а також зменшення скидання рідини до 5% від загальної витрати.

На рис. 13 показана функція зміни параметра закрутки, що визначаться за результатами розрахунків як відношення тангенціальної швидкості до осьової на відстані порядку десятків мікрометрів від проникної поверхні (крива 1) при величині кільцевого зазору h=3 мм.

На цьому ж рисунку крива 2 позначає експериментальні значення кута закрутки , підраховані за положенням ниток й інтерпольована за допомогою інтерполяційної формули Лагранжа.

Рис.13 Зміна параметра закрутки по довжині області фільтрування:

- розрахункові значення параметра закрутки ;

- експериментальні значення .

Параметр закрутки , розрахований по довжині області фільтрування, практично збігається з експериментальними значеннями . Розходження спостерігається тільки в кінцевих перерізах області фільтрування. Розбіжність становить 8,3%.

Ефективність очищення рідини від часток розміром 25 мкм при витраті в лінії скидання 5% від загальної витрати становить 94,67%. Аналіз під мікроскопом показав, що в пробах очищеної рідини практично відсутні частки, розмір яких перевищує 25 мкм. При цьому перепад тиску на гідродинамічному фільтрі із закруткою потоку не перевищував 0,015 МПа.

На рис. 14 зображені елементи фільтрувальної сітки при різних значеннях кільцевого зазору, тобто при нерозрахунковому й розрахунковому режимах.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі надано нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в обґрунтуванні способу підвищення ефективності очищення рідин від зважених часток гідродинамічним фільтром, з використанням закрутки потоку.

Основні висновки, одержані в дисертаційній роботі:

1. Закрутка потоку в кільцевій області із проникною перегородкою дозволяє використати гідродинамічний ефект для очищення рідин від твердих часток домішок з розміром, меншим за розмір отворів фільтрувальної сітки.

2. За рахунок закрутки потоку в робочій області гідродинамічного фільтра в умовах ламінарної течії можна виключити контакт зважених часток певної густини з фільтруючою поверхнею при розмірах зважених часток рівних і більших розміру отворів фільтруючої перегородки, що дозволяє збільшити термін служби фільтрувальної сітки.

3. Закрутка потоку в кільцевій області дозволяє зменшити скидання рідини в 2-3 рази від загальної витрати через фільтр.

4. Перепад тиску при витраті через фільтр до 100 м³/год й при величині закрутки потоку, достатньої для гідродинамічного очищення, не збільшується більш ніж до 0,015 МПа, що на порядок менше, ніж у гідроциклонах.

5. Траєкторії руху твердих часток розміром до 50 мкм у потоці закрученої рідини в кільцевій області визначаються в основному силою лобового опору й силою, що виникає в результаті перепаду тиску в радіальному напрямку.

6. Результати дисертаційного дослідження впроваджені на виробництві ЛОКСТП «ЛТКЕ» та у навчальному процесі ДонДТУ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мочалин Е.В. Исследование влияния закрутки потока на движение взвешенных частиц в рабочих полостях устройств очистки жидких сред / Е.В.Мочалин, А.А.Бревнов // - Сборник научных трудов НИПКИ "Параметр" при ДГМИ. - Алчевск: ДГМИ, 1999. Т.1, вып.2. - С.20-26.

2. Бревнов А.А. Влияние несферичности твердых частиц примесей на их движение в потоке жидкости между двумя коаксиальными цилиндрами / А.А.Бревнов //. Сборник научных трудов.- Алчевск: ДГМИ, 2000. Вып. 12, - С. 232-237.

3. Мочалин Е.В. К постановке задачи о движении взвешенной частицы в закрученном потоке несущей жидкости между двумя соосными цилиндрами с учетом отсоса жидкости через внутренний цилиндр / Е.В.Мочалин, А.А.Бревнов // Сб. научн. трудов ДГМИ.- Алчевск: ДГМИ, 2001. Вып. 13, - С.210-218.

4. Бревнов А.А. Расчет поля скоростей закрученного потока в кольцевой области с проницаемой стенкой / А.А.Бревнов, Е.В.Мочалин // Вісник Сумського державного університету. - 2003. - №12(58).- С.65-69.

5. Бревнов А.А. Конструкция и расчет полнопоточного гидродинамического фильтра, использующего закрутку потока / А.А.Бревнов // Всеукраинский научно-технический журнал «Промышленная гидравлика и пневматика». - 2005. -№2 (8). - С.66-68.

6. Бревнов А.А. Исследование влияния закрутки потока на работу гидродинамического фильтра с неподвижным фильтроэлементом / А.А.Бревнов // Технологія і техніка друкарства. 2006. - № 4(14), C.64-72.

7. Бревнов А.А. Обоснование конструкции гидродинамического неполнопоточного фильтра с закруткой потока / А.А.Бревнов // Сб. научн. трудов ДонГТУ. - Алчевск: ДонГТУ, 2006. Вып. 25. - С.208-218.

8. Бревнов А.А. Экспериментальное исследование работоспособности гидродинамического неполнопоточного фильтра с закруткой потока / А.А.Бревнов // Сб. научн. трудов ДонГТУ. - Алчевск: ДонГТУ, 2008. - Вып. 26, С.231-240.

9. Пат. 4859 Україна, МПК (2004) В01D27/08. Фільтр для очищення рідини. / О.А. Бревнов, Є.В.Мочалін (Україна). - № u20040503434; заявл.06.05.2004; опубл. 15.02.2005, Бюл. №2

АНОТАЦІЯ

Бревнов О.А. Удосконалення гідродинамічних фільтрів шляхом закрутки потоку в кільцевій області зовні фільтроелемента. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 - «Гідравлічні машини й гідропневмоагрегати». - Сумський державний університет, 2009.

Для підвищення ефективності гідродинамічного очищення рідини шляхом використання закрутки потоку проведено дослідження гідродинамічних характеристик потоку несучої рідини в робочій порожнині гідродинамічного фільтра із закруткою потоку. Виявлено закономірності руху зважених часток у зоні відділення домішок гідродинамічного фільтра із закруткою потоку. Обґрунтувано раціональну конструкцію фільтра, що використовує закрутку потоку в комбінації із сітчастим фільтроелементом і розроблено методику розрахунку його гідродинамічних параметрів. Проведено експериментальні дослідження, що підтвердили ефективність запропонованого пристрою очищення й адекватність отриманих теоретичних результатів реальним фізичним процесам. Середня розбіжність між розрахунковими й отриманими в результаті експерименту значеннями порівнюваних параметрів склало 8,3%.

Ключові слова: гідродинамічний фільтр, закрутка потоку, зважені частки перепад тиску, рівняння Нав'е-Стокса, циліндричний фільтроелемент.

Бревнов А.А. Совершенствование гидродинамических фильтров за счет закрутки потока в кольцевой области снаружи фильтроэлемента. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты». - Сумской государственный университет, Сумы, 2009.

Представленный в работе анализ показал, что для улучшения технических характеристик устройств очистки жидкостей от твердых частиц примесей, сочетание сетчатого фильтроэлемента, в рамках гидродинамического неполнопоточного фильтра, и закрутки потока на входе в область фильтрования, возможно, при условии детального изучения гидродинамических свойств закрученного потока в этой области и поведения взвешенных частиц в несущем потоке.

Установлено, что уменьшение сброса жидкости возможно при определенном сочетании закрутки потока и геометрических размеров области фильтрования, основным из которых является ширина кольцевого зазора. Эффективная очистка может быть реализована при условии сохранения ламинарного характера течения по всей длине области фильтрования и обязательном отсутствии обратных токов.

Установлено, что при моделировании поведения твердых частиц размером до 50 мкм в условиях рассматриваемой задачи необходимо учитывать силу лобового сопротивления и силу, возникающую в результате перепада давления в радиальном направлении. Показано, что при расчете траекторий твердых частиц таких размеров нужно принимать сферической формы.

Разработан гидродинамический фильтр с закруткой потока, который обладает преимуществами в сравнении с аналогичными устройствами очистки, такими как: уменьшение сброса жидкости; возможность не подпускать к фильтровальной сетке твердые частицы наиболее опасные с точки зрения забивания сетки; на порядок меньший, чем у гидроциклонов, перепад давления.

Выполнено экспериментальное подтверждение эффективности разработанного гидродинамического фильтра, использующего закрутку потока. Среднее расхождение между расчетными и полученными в результате эксперимента значениями сравниваемых параметров составило 8,3%.

Результаты диссертационной работы внедрены в конструкции фильтра
ГДЗ-10, установленного на предприятии ЛОКСТП «ЛТКЭ» (г. Ровеньки, Украина), основные теоретические положения использованы в учебном процессе Донбасского государственного технического университета.

Результаты исследования могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих гидродинамических фильтров.

Ключевые слова: гидродинамический фильтр, закрутка потока, взвешенные частицы, перепад давления, уравнения Навье-Стокса, цилиндрический фильтроэлемент.

Brevnov O.A. Improvement of hydrodynamic filters by the swirl of stream in circular area outside filtеrelement.

Thesis for а degree technical sciences candidate in specialty 05.05.17 - «Hydraulic machines and hydraulic and pneumatic units». - Sumy State University, Sumy, 2009.

The analysis presented in-process rotined that for the improvement of technical descriptions of devices of cleaning of liquids from the particulate matters of admixtures, combination of reticulated filter element, within the framework of hydrodynamic nonfullflowing filter, and rollup of stream on included in the area of filtration, possibly, on condition of the detailed study of hydrodynamic properties of involute stream in this area and conduct of the self-weighted particles in a bearing stream.

It is set that diminishing of upcast of liquid is possible at certain combination of rollup of stream and geometrical sizes of area filtrations basic from which is a width of circular gap. The effective cleaning can be realized on condition of maintainance of laminar character of flow on all length of area of filtration and obligatory absence of reverse currents.

It is set that at the design of conduct of particulate matters a size to 50 mkm in the conditions of the examined task it is necessary to use force of head-resistance and force, arising up as a result of overfall of pressure in radial direction. It is rotined that at the calculation of trajectories of particulate matters of such sizes it is needed to accept spherical form.

A hydrodynamic filter is developed with the rollup of stream which possesses advantages by comparison to the analogical devices of cleaning, such as: diminishing of upcast of liquid; possibility not to allow to approach to the filtration net particulate matters the most dangerous from point of hammering nets; on an order less, than at hydrociklones, overfall of pressure.

Experimental confirmation of efficiency of the developed hydrodynamic filter, using the rollup of stream is given. Middle divergence between a calculation and got 8,3% made as a result of experiment of value of the compared parameters.

Dissertation job performances are inculcated in the constructions of filter of GDZ-10, set on the enterprise of LOKSTP «LTKE» (Ukraine Roven'ki), substantive theoretical provisions are used in the educational process of the Donbass state technical university.

Result research may be used in designing new or improving already deigned of hydrodynamic filters.

Key words: hydrodynamic filter, rollup of stream, self-weighted particles, overfall of pressure, equations of Navier-Stokes, cylindrical filtеrelement.

Размещено на Allbest.ru