Український державний лісотехнічний університет

ЛЯШЕНИК
Андрій Васильович

УДК674:621.928.93

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ФІЛЬТРУВАЛЬНОГО
ЦИКЛОНА ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ АСПІРАЦІЙНОГО ПОВІТРЯ
ВІД ДЕРЕВНОГО ПИЛУ

Спеціальність 05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Львів – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі прикладної механіки Українського державного лісотехнічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Лютий Євген
Михайлович, Український державний лісотехнічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедрою прикладної механіки, м. Львів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Шостак Володимир Васильович, Український державний лісотехнічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри деревообробного обладнання та інструментів, м. Львів

кандидат технічних наук Сірко Зіновій Степанович, Український державний науково-дослідний інститут "Ресурс" Держкомрезерву України, заступник директора з наукової роботи, м. Київ

Провідна установа: | Хмельницький національний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра машинознавства, м. Хмельницький

Захист відбудеться "21" вересня 2005 р. о 1430год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 Українського державного лісотехнічного університету за адресою:

м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103, зал засідань

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного лісотехнічного університету за адресою: Львів-57, вул. Ген. Чупринки, 101

Автореферат розісланий "18" серпня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради П.А. Бехта

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних умовах розвитку суспільства ставляться підвищені екологічні вимоги до промислових підприємств, в тому числі й до підприємств деревообробної галузі. Процес механічного оброблення деревини супроводжується значним виділенням тирси та пилу від високопродуктивного технологічного обладнання. З метою зменшення кількості викидів забрудню-вальних речовин в атмосферу створюються нові більш ефективні установки: фільтрувальні, циклонні, електростатичні і т.п. Як правило, підвищення ступеня очищення повітря від пилу в таких пристроях досягається за рахунок збільшення енергетичних витрат. Проте власне виробництво електроенергії, особливо на теплових станціях, супроводжується виділенням в атмосферу значної кількості шкідливих речовин. Отже, зменшення кількості забруднювальних речовин в одній галузі досягається за рахунок збільшення об'єму шкідливих викидів в іншій, зокрема в енергетиці. Таке протиріччя вимагає ґрунтовного підходу до конструювання повітроочищувальних пристроїв, створення сепараторів із вищим коефіцієнтом очищення і одночасно із нижчими енерговитратами на саме очищення. Теоретичні аспекти розробки конструкцій повітроочищувального обладнання висвітлені у працях А.І. Пірумова, Г.Ф. Козоріза, А.Н. Калашні-ко-ва, В.А. Батлук, В.П. Ку-ца, А.І. Дубиніна, В.А. Ларіонова, В.П. Созінова, О.Н. Александрова, A.A.C.та ін. Беручи до уваги специфіку деревообробного виробництва, де до 50 енергетичних затрат витрачається на аспірацію, а пил деревини, який викидається у довкілля, є збудником алергічних та онкологічних захворювань, проблема підвищення ефективності процесу очищення повітря від пилу і зниження гідравлічного опору повітроочищувальних пристроїв стоїть особливо гостро. Тому необхідними є теоретичні та експериментальні дослідження процесу очищення повітря від деревного пилу.

Обґрунтування параметрів і розроблення високоефективних пристроїв для очищення аспіраційного повітря від деревного пилу, поряд зі зниженням енергетичних витрат на аспірацію, є важливими задачами як практичного, так і теоретичного характеру.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення дисертаційної роботи виконані в рамках держбюдже-тної теми Міністерства промислової політики України "Дослідження, розро-бка і створення аспіраційно-повітроочищувальної установки із автономними вентиляторами з метою економії електроенергії на підприємствах деревооб-робної галузі". Договір №89-99 від 13.05.1999 р.

Мета і завдання дослідження полягають в обґрунтуванні параметрів фільтрувального циклона з урахуванням аналізу руху повітряних потоків у сепараторах циклонного типу та розробленні на цій основі конструкції високо-ефективних повітроочищувальних пристроїв з низькими енергетич-ними витратами на очищення повітря від деревного пилу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі основні завдання.

1. Проаналізувати сучасний стан у галузі очищення аспіраційного повітря від деревного пилу і обґрунтувати необхідність проведення теоретичних і експериментальних досліджень.

2. Побудувати математичну модель руху частинки пилу в циклоні з фільтру-вальною зовнішньою стінкою.

3. Розробити інженерні формули для визначення розмірів найменших частинок деревного пилу, що будуть вловлені в циклоні.

4. Обґрунтувати необхідність заміни зовнішньої металевої стінки циклона на фільтрувальну.

5. Розробити конструкцію циклона з фільтрувальною стінкою і на цій основі створити повітроочищувальну установку та аспраційно-повітроочищу-вальну систему.

Об'єкт дослідження – процес очищення аспіраційного повітря від пилу за допомогою циклона з фільтрувальною зовнішньою стінкою.

Предмет дослідження – пиловловлювачі циклонного типу для очищення аспіраційного повітря від деревного пилу.

Методи дослідження. При проведенні досліджень керувалися єдиною методикою порівняльних досліджень пиловловлювачів для очищення венти-ляційного повітря.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що на основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень у роботі одержані наступні результати.

1. Вперше побудовано математичну модель руху частинки пилу в циклоні з фільтрувальною зовнішньою стінкою та запропоновано метод її числової реалізації.

2. Одержано інженерні формули для визначення розмірів найменших частинок деревного пилу, які будуть вловлені в циклоні та встановлено межі їх застосування.

3. Вперше теоретично і експериментально обґрунтовано доцільність застосування фільтрувальної зовнішньої стінки в циклоні, описано причини зниження гідравлічного опору та підвищення коефіцієнту корисної дії (ККД) циклона внаслідок такої заміни. На цій основі досліджено вплив частки продуктивності, яка припадає на фільтрацію, на ефективність процесу очищення повітря від деревного пилу, гідравлічний опір фільтрувального циклона, розподіл танген-ціальної складової швидкості потоку повітря та статичного тиску в циклоні.

Обґрунтованість та вірогідність одержаних результатів і висновків дисертаційної роботи забезпечується великим обсягом експериментальних досліджень, виконаних із застосуванням сучасного обладнання, їх узгоджен-ням із загальновизнаними уявленнями про переміщення повітряних потоків у сепараторах циклонного типу та статистичним обробленням отриманих результатів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробленні методу зниження гідравлічного опору циклона та під-вищенні ефективності процесу очищення повітря від деревного пилу, на основі чого розроблені конструкції:

1. Фільтрувального циклона, який має менший гідравлічний опір та підвищену ефективність порівняно з відомими конструкціями циклонів, які застосовуються у деревообробній промисловості (пози-тивний висновок №10503/а на заявку №2002108155 на видачу патенту на винахід).

2. Двоступеневої повітроочищувальної установки на базі фільтрувальних циклонів. Проведено її промислові випробування. Енерговитрати на очи-щення у 1,75 рази менші порівняно з анало-гічною установкою на базі групо-вих циклонів. Ефективність процесу очищення повітря від деревного пилу у даній установці становить 99,3(подано заявку №2003065849 на видачу патенту на винахід).

3. Аспіраційно-повітроочищувальної системи з широким діапа-зоном регулю-вання продуктивності з автономними вентиляторами та очищенням повітря від пилу у фільтрувальних циклонах (конструкція захищена патентом на винахід UA 21148A "Пневмотранспортна установка").

4. Одержані результати дисертаційної роботи знайшли (підтверджено ак-тами впровадження) практичне застосування в Інституті управління природ-ними ресурсами; на ВАТ "Коломийський ДОЗ", ТзОВ "ТЕХЕКО", ТзОВ "Ін-дустрія" в м. Коломия; РБУ ВАТ "Укртранснафта" Придніпровські магіст-ральні нафтопроводи", м. Кременчук; ТзОВ "НЕДЕЯ", м. Івано-Франківськ.

Особистий внесок здобувача:

1. На основі аналізу сучасного стану пиловловлення на деревообробних підприємствах та аналізу руху повітряних потоків у криволінійному каналі запропонував замінити зовнішню металеву стінку в циклоні на фільтрувальну.

2. У співавторстві вивів диференціальне рівняння руху частинки пилу в цик-лоні з фільтрувальною зовнішньою стінкою і провів числовий аналіз побудованої математичної моделі.

3. Провів експериментальні дослідження співвідношення продук-тивностей фільтрації та циклонування, гідравлічного опору та ефективності очищення повітря, розподілу статичного тиску та танген-ціальної складової швидкості потоку повітря в циклоні з фільтрувальною стінкою, на основі чого обґрунту-вав процес пере-міщення повітряних потоків у фільтрувальному циклоні.

4. Здобувачеві належать: у [1, 2] розробка методу розв'язування задачі і встановлення меж застосування; у [3, 11] побудова точних рівнянь руху частинки пилу в криволінійному потоці і проведення їх числового аналізу; у [5, 7] дослідження параметрів фільтрувального циклона та вивчення впливу фільтрувальної стінки на процес очищення повітря від деревного пилу; у [8, 9] формулювання основних проблем у галузі аспірації на деревообробних підприємствах і визначення шляхів їх вирішення.

5. Розробив нові конструкції фільтрувального циклона (позитивний висно-вок №10503/а на заявку №2002108155 на видачу патенту на винахід) та дво-ступеневої повітроочищувальної установки на базі фільтрувального циклона (заявка на видачу патенту №2003065849).

На захист виноситься:

1. Математична модель руху частинки пилу в циклоні з фільтру-вальною зов-нішньою стінкою.

2. Встановлення границь застосування наближеного розв'язку задачі про рух частинки пилу в циклоні з фільтрувальною стінкою.

3. Результати експериментальних досліджень конструктивних і технологіч-них характеристик циклонів з металевою та фільтрувальною зов-нішніми стінками.

4. Обґрунтування параметрів конструкції фільтрувального циклона та розроблення на цій основі конструкцій повітроочищувальної установки та аспіраційно-повітроочищувальної системи.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповіда-лися на науково-технічних конференціях УкрДЛТУ (1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 рр.), міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми природокористування у Прикарпатському регіоні" (Коломия, Інститут управ-ління природними ресурсами, 2000), сьомому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (2005). Дисертаційна робота в цілому доповідалася й обгово-рювалась на розширених семінарах в Українсь-кому державному лісотехнічному університеті та у Хмельницькому національному університеті.

Публікації. Матеріали роботи висвітлені у 11 наукових публікаціях, одержано один патент та одне позитивне рішення про видачу патенту, подано три заявки на видачу патенту на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розді-лів, основних висновків, переліку використаних джерел та додатків. Матері-али дисертаційної роботи викладені на 150 сторінках машинописного тексту, ілюстрації включають 63 рисунки, в бібліографії наведено 125 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована доцільність та актуальність розроблення нової конструкції циклона, поставлена мета та основні завдання, які необхідно розв'язати для досягнення мети, сформульовано наукову новизну та практичну значимість роботи. Наведено основну інформацію про апробацію роботи, публікації, структуру дисертації та результати впровадження досліджень.

У першому розділі наведено огляд літератури, в якому проаналізовано сучасний стан в області пиловловлювання, зроблено критичний огляд відомих конструкцій циклонів та описано процеси, що відбуваються в циклоні при очищенні повітря від пилу. На основі проведеного огляду проаналізовані основні причини високого гідравлічного опору та низької ефективності очищення повітря від дрібнодисперсного деревного пилу. Описано вплив технологічних і конструктивних параметрів на процес очищення повітря в циклонах. Обґрунтовано необхідність проведення теоретичних та експери-ме-нтальних досліджень і розроблення нової конструкції пиловло-влювача для очищення аспіраційного повітря від деревного пилу.

У другому розділі сформульовано основне технічне протиріччя, яке повинно бути розв'язане при розробленні нових конструкцій пиловловлюва-чів. А саме: для того, щоб підвищити ефективність очищення пилогазового потоку в циклоні необхідно збільшити швидкість потоку повітря, що приво-дить до зростання відцентрових сил, які діють на частинку пилу. Одночасно зростання швидкості потоку повітря приводить до підсилення радіального стоку, збільшує кількість вихрових потоків та турбулізації потоку повітря, що знижує ефективність циклона. Крім того, при цьому зростають й енерговит-рати на очищення повітря. Тому спроби мінімізувати спад тиску суперечать намаганням підвищити ефективність вловлювання частинок.

На основі розгляду переміщення потоку повітря у криволінійному каналі та теорії приповерхневого шару висунуто припущення про значний вплив приповерхневого шару потоку повітря поблизу зовнішньої стінки циклона на аеродинаміку процесу переміщення повітря у сепараторах циклонного типу. Запропоновано метод відсмоктування для керування приповерхневим шаром. На основі цього висунуто гіпотезу про доцільність заміни зовнішньої метале-вої стінки в циклоні на фільтрувальну.

а б

Рис.  Зовнішній вигляд циклона ЦН-15
до (а) і після (б) заміни зовнішньої стінки

Для дослідження процесу очищення повітря від деревного пилу обрано циклон ЦН-15 (рис. , а), який спроектовано і ви-готовлено відпо-відно до рекомен-дацій по проекту-ванню, виготов-ленню та монтажу циклонів НИИОГаз. Для зручності прове-дення досліджень всі його еле-менти виконано розбірними. Кон-струкція передбачала можливість швид-кої заміни зовнішньої мета-левої стінки на фільтрувальну (рис. , б).

Експериментальний стенд для випробування циклона (рис. ) роз-роб-лявся відповідно до єдиної ме-тодики порівняльних досліджень пиловловлювачів для очищення вентиляційного повітря. За основу прийнятий стенд для випробу-вання сухих циклонів, що встанов-лені на нагнітальній стороні ме-режі.

У цьому ж розділі описані методики досліджень конструктивних, тех-но-логічних та експлуатаційних характеристик циклонів та статис-тичного оброблення результатів експерименту.

Третій розділ присвячений математичному моделюванню руху частинки деревного пилу в циклоні з фільтрувальною зовнішньою стінкою.

При розробленні математичної моделі припускають, що:

1) частинки пилу не взаємодіють між собою;

2) частинки пилу мають сфероїдальну форму;

3) вловленою в циклоні вважається та частинка, яка за час пере-бування в цик-лоні досягла зовнішньої стінки;

4) рух потоку повітря в циклоні є ламінарним;

5) тангенціальна складова швидкості потоку повітря вважається близькою до постійної й не залежить від радіуса циклона;

6) відношення продуктивності фільтрації (Qф) до загальної продуктивності (Q) циклона (q=Qф/Q) є характеристикою кон-струкції циклона і не зале-жить від навантаження на циклон.

Рис. . Схема стенду для випробування циклонів: 1– сепаратор; 2 – вентилятор ВРП-118_.1_.15.1; 3 – шнековий живильник; 4 –бункер для пилу; 5 – вакуум-на-сос ВН-461; 6 – ротаметр; 7 – вентилі; 8 – фільтрувальні патрони з ковпачками; 9 – місце відбору пилових проб; 10 – шибер; 11 – трубка Піто-Прандтля; 12 – мікрома-но-метр; 13 – прилад TESTOVENT; 14 – мікротермоанемометр; 15 – пристрій К50

Поле швидкостей потоку повітря в циклоні розглядається як накла-дання поля швидкостей джерела та плоского вихору.

Диференціальне рівняння руху частинки пилу у криволінійному потоці має такий вигляд

, (1)

де – швидкість руху частинки пилу; – відносна швидкість руху час-тинки пилу; – аеродинамічна сила, яка діє на частинку внаслідок існу-вання потоку фільтрації; m – маса частинки; и – час релаксації частинки.

Враховуючи те, що переносний рух частинки пилу є обертальним, то, на підставі теореми Кореоліса про абсолютне прискорення точки при складному русі, рівняння (1) переписується наступним чином

, (2)

де – миттєва кутова швидкість частинки пилу, яка співпадає з кутовою швид-кістю обертання повітряного потоку навколо осі циклона.

При проектуванні рівняння (2) на осі координат отримали систему двох звичайних диференціальних рівнянь другого порядку

(3)

де – сталі, що характеризують фізико-механічні властивості частинки пилу.

Після перетворень системи (3) одержимо рівняння руху частинки пилу в циклоні з фільтрувальною зовнішньою стінкою у полярній системі координат:

на початковій ділянці руху

, (4)

та за її межами: , (5)

, (6)

де ; R – відстань від осі циклона до центра мас частинки пилу;
Vф – танген-ціа-льна складова швидкості потоку повітря в циклоні; Vф0 – тангенціа-льна складова швидкості потоку повітря в момент входу частинки пилу в циклон; R0 – відстань від осі циклона до центра мас частинки пилу в момент входу частинки пилу в циклон.

Для розв'язання диференціального рівняння (5) застосовується числовий метод Рунге-Кутта четвертого порядку, внаслідок чого одержується залежність радіуса орбіти руху частинки пилу від часу перебування в циклоні. Далі з рівняння (6) за допомогою числового інтегрування методом Ньютона-Котеса одержується залежність кута ? повороту частинки пилу відносно осі циклона від часу перебування частинки в циклоні.

За відомими значен-нями R i ? встановлюється траєкторія руху частинок деревного пилу в циклоні (рис. ).

Оскільки для того, щоб бути вловленою, частинка пилу діаметром 6•10-6 м повинна зробити чотири оберти у звичайному циклоні (рис. , крива 3) і 0,8 обер-ту в цик-лоні з фільтрувальною зовнішньою стінкою (кри-ва 1), то можна вважати, що ККД циклона внаслідок за-міни зовнішньої металевої стінки на фільтрувальну значно зростає.

а б

Рис. . Траєкторії руху частинок у циклонах для частинок пилу d=6·10-6 м (а)
і 10·10-6 м (б): 1 – циклон з фільтрувальною стінкою; 2 – циклон з металевою стінкою без врахування явища радіального стоку; 3 – циклон з металевою стінкою з врахуванням радіального стоку

Недосконалість рівнянь (5) для інженерних розрахунків полягає в тому, що не можна записати аналітичної формули для обчислення діаметра частинки, яка буде вловлена в циклоні. Тому паралельно використовувався інший підхід до моделювання, при якому виходять з того, що частинка пилу знаходиться у стані миттєвої рівноваги під дією відцентрової сили, сили опору середовища та сили захоплення частинки потоком фільтрації. Тоді рівняння руху частинки має вигляд.

. (7)

З рівняння (7) визначається діаметр частинки, яка буде вловленою в циклоні з фільтрувальною зовнішньою стінкою.

, (8)

де a, b – відповідно висота та ширина вхідного патрубка циклона; nоб – кількість обертів, що здійснює частинка в циклоні; м – динамічна в'язкість повітря; с – гу-стина частинки пилу; R1 – радіус вихлопної труби циклона; R2 – радіус зовніш-ньої стінки циклона; Н – висота цилін-дричної частини циклона; q – частка про-дук-тив-ності, що припадає на фільтрацію.

Спрощене рівняння (7) можна одержати з рівняння (5), нехтуючи його пер-шим доданком. У дисертації вивчалася правомірність такого нехтування. Для цього за допомогою обох підходів будувалися траєкторії руху частинок дерев-ного пилу в циклоні з фільтрувальною зовнішньою стінкою (рис. ).

а | б | в

Рис. . Траєкторії руху частинок у циклонах побудовані по спрощеній фор-мулі (7) (крива 1) та при розв'язуванні точного диференціального рівняння (5) (крива 2) для частинок пилу діаметром 5·10-6 м (а), 10·10-6 м (б), 20·10-6 м (в)

Для частинки пилу діаметром 20•10-6 м ці траєкторії різняться значно (рис. , в). Рух частинки, який описаний за допомогою спрощеного рівняння (7), є неприродним. Отже, вплив першого члена рівняння (5) на рух такої частинки є істотним і його не можна відкидати. Це значить, що спрощене рівняння (7) є непридатним для опису руху частинок пилу в циклоні. Проте зі зменшенням діаметра частинки різниця між траєкторіями зменшується (рис. , а, б). Вже для частинок пилу діаметром 10•10-6 м рух описується практично однаково обома рівняннями. Якщо ввести припущення, що вловленою буде частинка, яка за два оберти в циклоні досягне зовнішньої стінки, то з точного та спрощеного рівняння визначимо критичний діаметр частинок пилу близько 4,3•10-6 м. Рух таких частинок деревного пилу обома рівняннями описується однаково. Тому для фракцій пилу та режимів роботи циклона, що трапляються у деревооброб-ній промисловості для інже-нерних роз-ра-хунків критичного діаметру частинки пилу, яка вловлюється в циклоні, може бути використане спрощене рівняння руху частинок пилу (7) та формула (8).

На основі вищенаведеного було зроблено висновок про позитивний вплив на коефіцієнт корисної дії циклона заміни його зовнішньої стінки фільтруваль-ною. У цьому ж розділі наведено обґрунтування зниження гідравлічного опору циклона внаслідок використання фільтрувальної зовнішньої стінки.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню процесу очищення повітря в циклоні ЦН-15 та вивченню впливу фільтрувальної стінки на характеристики циклона.

Для виготовлення зовнішньої фільтрувальної стінки циклона використову-вали наступні матеріали:

– тканину фільтрувальну поліефірну 3В4КТ. Поверхнева густина становить 450 г/м2 (ТУ242__);

– тканину фільтрувальну поліефір-поліамід 4В23КТ. Поверхнева густина становить 735 г/м2 (ТУ242__);

– полотно неткане ФА5 (7В203–Н);

– полотно неткане ФА4 (7В203–Н6/6);

– сітку ткану саржевого переплетення діаметром дротин 0,09 мм з квадратними отворами мікронних розмірів (ТУ У .290.005_).

– Для дослідження впливу значення параметра q на характеристики циклона зовнішню стінку виготовляли з матеріалів Parafil R160F, RK280S, RK280SHP, RK280SLF, RK280SOV та Paraskin N70ST (виробник – фірма Lohmann).

Рис. . Графік залежності значення продуктивності, що припадає на фільтра-цію Qф від продуктивності циклона Q:

1 – тканина 4В23КТ; 2 – матеріал ФА5

Процес очищення повітря від пилу в циклоні при застосуванні фільтруваль-ної зовнішньої стінки відбувається наступним чином. Запилене повітря пода-ється через вхідний патрубок у циклон, де за допомогою закручувального пристрою йому надається обертально-поступальний рух. При опусканні потоку повітря до конуса циклона частина очищеного повітря через фільтрувальну стінку попадає в атмосферу, створюючи в циклоні потік фільтрації, продуктив-ністю Qф. Продуктивність фільтрації Qф є прямо пропорційною до витрат загальних повітря в циклоні Q, а значення q не залежить від продуктивності (рис. ). Таким чином після за-міни зовнішньої стінки циклона фільтрувальною формула Qф=qQ має місце для різних значень продуктивності. Це вказує на те, що значення q є характе-ристикою конкретної конструк-ції циклона з фільтрувальною зовнішньою сті-нкою.

Продуктивність фільтрації Qф найбільша на початку процесу очищення повітря, коли матеріал фільтрувальної стінки є чистим. Під час перебігу про-цесу зна-чення Qф зменшується (табл. ), що викликане утворен-ням шару пилу на стінці цик-лона. Після досягнення певного мінімального значення продук-тивність фільтрації дещо збільшується і протягом подальшого періоду експлуатації залишається практи-чно постійною. Після перерви в роботі циклона на стінці залишається нульовий шар пилу та значення q після повторного вмикання вже з перших хвилин роботи є близьким до усталеного значення й залишається практично стабільним протя-гом подальшої експлуатації циклона. Незначні зміни Qф після набуття устале-ного значення q дають змогу зробити висновок про те, що в циклоні проходить саморегенерація фільтрувальної стінки. Отже, немає необхідності у встановленні додаткових пристроїв для її регенерації, як це прийнято в рукавних фільтрах.

У циклоні з металевою стінкою значення тангенціальної складової швидко-сті потоку повітря Vф є найбільшим поблизу вихлопної труби і зменшується з наб-лиженням до зовнішньої стінки циклона (рис. , крива 1). Після заміни мета-левої стінки на фільтрувальну характер танген-ціальної складової швидкості потоку повітря змінюється (кри-ві 2-5) і залежить від відно-шення продуктивності фільтра-ції до загальної продуктивності циклона, тобто від значення q.

Таблиця 1

Значення частки продуктивності циклона, яка припадає на фільтрацію

Тип тканини | На
початку,

qпоч | Мінімальне значення,

qкр | Усталене
значення,

qвст

Тканина фільтрувальна 3В4КТ | 0,239 | 0,075 | 0,101

Тканина фільтрувальна 4В23КТ | 0,232 | 0,072 | 0,089

Полотно неткане ФА5 (7В203-Н) | 0,393 | 0,039 | 0,043

Полотно неткане ФА4 (7В203-Н6/6) | 0,419 | 0,038 | 0,042

Металева сітка ткана (ТУ У .290.005-94) | 0,768 | 0,055 | 0,070

При збільшенні частки повітря, що припадає на фільтрацію, радіальна пози-ція, де тангенціальна складова швидкості потоку повітря набуває свого найбіль-шого значення, зміщується до зовнішньої стінки циклона. У циклоні з фільтру-вальною зовнішньою стінкою значення Vф можна вважати сталим, що не зале-жить від радіуса при значенні q=0,05…0,15 (криві 2,3).

Рис. . Характер розподілу тан-ген-ці-альної складової швидкості в циклоні при різних значеннях q у сепараційній зоні: 1 – q=0 (металева стінка); 2 – q=0,05;
3 – q=0,09; 4 – q=0,21; 5 – q=0,33 |

Рис. . Розподіл статичного тиску у сепараційній зоні циклона при різних зовнішніх стінках: 1– металева зовнішня стінка (q=0); 2 – стінка з тканини 4В23КТ (q=0,15); 3 – стінка з тканини ФА5 (q=0,2)

Застосування фільтрувальної зовнішньої стінки позитивно впливає на роз-поділ статичного тиску у плоскому горизонтальному перерізі циклона. У цикло-нах з металевою зовнішньою стінкою перепад тисків становить близько 1100 Па, а розрідження на осі циклона – 280 Па (рис. , крива 1). Після заміни стінки на фільтрувальну при значенні q=0,15 перепад тиску рівний близько 250 Па, а розрідження – 50 Па (крива 2), при q=0,2 перепад тиску рівний близько 180 Па, а розрідження – 45 Па (крива 3) при аналогічних навантаженнях на циклон. Врахо-вуючи, що перепад статичного тиску та розрідження на осі циклона є причинами зниження ефективності та зростання гідравлічного опору, то заміна зовнішньої стінки на фільтрувальну повинна сприяти покращенню характеристик циклона.

Одержано підтвердження факту зниження гідравлічного опору циклона після заміни зовнішньої металевої стінки на фільтрувальну.

Залежність опору цик-лона від продуктивності пред-ставлена на рис. . Зі збільшен-ням частки повітря, що припадає на фільтрування, гідравлічний опір циклона зменшується (рис. ). У межах значень q від 0 до 0,04 спостерігається порів-няно повільне зниження гідрав-лічного опору циклона з 1300 до 1230 Па. Після 0,04 гідравлічний опір починає стрімко падати, що можна пояснити тільки зміною турбулентного режиму руху повітря в циклоні на ламінарний.

Рис. . Залежність гідравлічного опору циклона від продуктивності: 1– ци-клон ЦН-15 з металевою зовнішньою стінкою;
2 – після заміни стінки, q=0,1; 3 – q=0,2 | Рис. . Залежність гідравлічного опору циклона від частки продуктивності, що припадає на фільтрацію

Рис. 10. Залежність ефективності циклонів від швидкості потоку повітря у вхідному патрубку: 1 – металева стінка; 2 – фільтрувальна | Рис. 1. Ефективність циклона при різних значеннях q при очищенні повітря від пилу А (крива 1) та С (крива 2)

Ефективність очищення повітря від пилу в циклоні підвищується зі зрос-танням швидкості потоку повітря у вхідному патрубку циклона (рис. ) та зі збільшенням розміру частинок пилу (табл.2). При застосуванні фільтрувальної зовнішньої стінки найвищий ККД циклона досягається вже при швидкості 18 м/с (рис. , крива 2), в той час як у циклоні з металевою стінкою – тільки при 20-21 м/с (крива 1). Характерним є те, що вже при швидкості повітря, що дорівнює 15 м/с ефективність циклона з фільтрувальною зовнішньою стінкою є значно вищою за ефективність циклона з металевою стінкою при його оптимальній швидкості. Різницю між ефективністю циклонів з металевою та фільтрувальною зовнішньою стінкою від пилу різноманітного за дисперсністю складу представ-лено в табл. .

Таблиця 

Діапазон фракцій пилу, який був відібраний для проведення досліджень

Пил | Фракції пилу, 10-6 м | Ефективність процесу очищення повітря в циклоні зі стінкою, | Різниця,

металевою | фільтрувальною

200_ | 100_ | 75_ | 53_ | <40

A | 2,8 | 10,71 | 14,11 | 12,81 | 59,66 | 61 | 79 | 18

B | 16,42 | 68,31 | 10,44 | 2,67 | 2,16 | 83,8 | 91,3 | 7,5

C | 40,77 | 52,40 | 4,10 | 2,13 | 0,6 | 90,1 | 96,2 | 6,1

D | 48,92 | 44,57 | 3,23 | 2,00 | 1,28 | 92,2 | 97 | 4,8

E | 56,04 | 36,66 | 3,93 | 1,96 | 1,41 | 93,6 | 98,5 | 4,9

Вплив значення q на коефіцієнт корисної дії циклона представлено на рис. 1.

Рекомендованими слід вважати значення q в межах 0,07-0,20. Оскільки значення q залежить від дисперсного складу пилу, концентрації пилоповітряної суміші, режиму протікання потоку повітря та характеристик тканини, то впли-вати на вказаний параметр можна правильним підбором матеріалу для виготовлення зовнішньої стінки циклона. Аналіз перерахованих факторів свідчить, що найбільш оптимальними матеріалами для виготовлення стінки циклона є: тканина 3В4КТ, тканина 4В23КТ та сітка металева саржевого переплетення.

У п'ятому розділі на основі аналізу проведених теоретичних та експериме-нтальних досліджень обґрунтовано необхідність заміни зовнішньої металевої стінки в циклоні на фільтрувальну. Введено термін "фільтрувальний циклон", під яким розуміють циклон з фільтрувальною зовнішньою стінкою в якому на фільтрацію припадає від 5 до 20 загальної продуктивності. Виходячи з прове-деного дослідження впливу частки продуктивності q, що припадає на фільтра-цію, на гідравлічний опір та ефективність циклона, впливу глибини занурення вихлопної труби на процес очищення повітря від пилу, а також з результатів теоретичних досліджень, описані співвідношення основних геометричних розмі-рів фільтрувального циклона, розроблено його конструкцію (табл. ) та наведено послідовність розрахунку. Наведено результати порівняння техніко-економічних характеристик розробленого циклона з відомими промисловими конструкціями, які засвідчують підвищення ефек-тивності процесу очищення повітря від пилу в розробленому сепараторі при нижчих витратах електричної енергії.

На базі фільтрувального циклона розроблено повітроочищувальну устано-вку продуктивністю 20 тис. м3/год та аспіраційно-повітроочищувальну систему з автономними вентиляторами, яка характеризується значною економією електро-енергії порівняно з традиційними універсальними аспіраційними системами.

Таблиця 3

Співвідношення геометричних розмірів фільтрувального циклона

Найменування | Значення

Внутрішній діаметр вихлопної труби | 0,59D

Внутрішній діаметр отвору для видалення пилу | 0,3-0,4D

Висота вхідного патрубка (внутрішній розмір) | 0,66D

Ширина вхідного патрубка в циклоні | 0,2D

Кут нахилу кришки і вхідного патрубка циклона | 15 °

Висота вихлопної труби | 1,7D

Висота циліндричної частини циклона | 1,6D

Висота конуса циклона | 2D

Глибина занурення вихлопної труби | 0,8-1D

Загальна висота циклона | 4,56D

ВИСНОВКИ

У результаті проведених досліджень у даній дисертаційній роботі одержано наступні основні результати:

1. На основі проведеного огляду літературних джерел доведено необхідність проведення досліджень (теоретичних та експериментальних) в галузі очищення аспіраційного повітря від деревного пилу шляхом створення нових конструкцій пиловловлюючого обладнання.

2. Вперше побудовано математичну модель руху частинки пилу в циклоні з фільтрувальною зовнішньою стінкою, що дало змогу дослідити процеси переміщення пилоповітряних потоків у сепараторах такого типу.

3. Отримано, виходячи з моделі руху частинки пилу, аналітичну залежність для визначення розмірів найменших частинок деревного пилу, що будуть вловлені в циклоні та встановлені межі її застосування.

4. Обґрунтовано, на основі проведених теоретичних і експериментальних дослі-джень експлуатаційних і технологічних характеристик циклонів, необ-хідність заміни зовнішньої металевої стінки на фільтрувальну, що дало змогу підвищити ефективність процесу очищення повітря від пилу й одно-часно знизити гідравлічний опір пиловловлювача.

5. Досліджено вплив параметрів фільтрувальної стінки на характеристики циклона. Встановлено залежність між співвідношенням частки, що припа-дає на фільтрацію, загальної продуктивності циклона і типом матеріалу з якого виготовлена його стінка. На цій підставі для виготовлення зовнішньої стінки рекомендовано матеріали: тканина 3В4КТ, тканина 4В23КТ (ТУ242-37-96); сітка металева саржевого переплетення діаметром дротин 0,09 мм (ТУ У12.290.005-94).

6. Розроблено конструкції циклону з фільтрувальною стінкою, який має низький гідравлічний опір та підвищену ефективність порівняно з відомими конструкціями циклонів, які застосовуються у деревообробній промислово-сті та двоступеневої повітроочищувальної установки, яка зменшує енерго-витрати на очищення повітря у 1,75 рази, порівняно з аналогічною установ-кою на базі групових циклонів. Розроблена аспіраційно-повітроочищува-льна система з широким діапазоном регулювання продуктивності з автоно-мними вентиляторами (конструкція захищена патентом на винахід UA21148A).

7. Впровадження результатів дисертаційної роботи дало змогу знизити енергети-чні витрати на аспірацію, підвищивши при цьому ефективність процесу очищення повітря від деревного пилу на таких підприємствах: ВАТ "Коломийський ДОЗ", ТзОВ "ТЕХЕКО", ТзОВ "Індустрія" м. Коломия, РБУ ВАТ "Укртранснафта" Придніпровські магістральні нафтопроводи" м. Кременчук; ТзОВ "НЕДЕЯ" м. Івано-Франківськ.

ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лютий Є.М., Тисовський Л.О, Ляшеник А.В. До питання моделювання руху частинки деревного пилу в фільтрувальних циклонах// Наук. вісник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. – Львів: УкрДЛТУ. – 2004, вип. .4. – С. 7_.

2. Лю-тий Є.М., Ти-совсь-кий Л.О., На-хаєв П.П., Ля-ше-ник А.В. Мо--де--лю-ван-ня ру-ху час-тин-ки в фільтру-валь-но-му цик-ло-ні// На-ук. віс-ник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. – Львів: УкрДЛТУ. – 2002, вип. .8. – С. 31_.

3. Лю-тий Є.М., Ти-совсь-кий Л.О, Кон-дур О.С., Ля-ше-ник А.В. До ви-ве-ден-ня рів-нян-ня ру-ху час-тин-ки пи-лу у фільтру-валь-но-му цик-ло-ні// На-ук. віс-ник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. – Львів: УкрДЛТУ. – 2003, вип. .2. – С. 41_.

4. Ля-ше-ник А.В. До пи-тан-ня ефек-тив-нос-ті очис-тки по-віт-ря в фільтру-валь-них цик-ло-нах// На-ук. віс-ник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. – Львів: УкрДЛТУ. – 2003, вип. .4. – С. 02_.

5. Лю-тий Є.М., На-хаєв П.П., Ля-ше-ник А.В. Ефек-тив-ність зас-то-су-ван-ня цик-ло-нів із фільтру-ючи-ми зов-ніш-ні-ми стін-ка-ми// На-ук. віс-ник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. – Львів: УкрДЛТУ. – 2002, вип. .2. – С. 21_.

6. Ля-ше-ник А.В. Пер-спек-тив-ний нап-рям вдос-ко-на-лен-ня конструк-ції цик-ло-на// На-ук. віс-ник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. – Львів: УкрДЛТУ. – 2004, вип. .7. – С. 03_.

7. Лю-тий Є.М., На-хаєв П.П., Ля-ше-ник А.В. До роз-по-ді-лу тан-ген-ці-аль-ної скла-до-вої швид-кос-ті по-то-ку в цик-ло-ні ЦН-15 і фільтру-ючо-му цик-ло-ні// На-ук. віс-ник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. – Львів: УкрДЛТУ. – 2001, вип. 11.4. – С. 90_.

8. Ко-но-нен-ко В.А., Кли-маш Р.Ф., Ля-ше-ник А.В., Ля-ше-ник В.Й. Проб-ле-ми ас-пі-ра-ції і газоочис-тки// Віс-ник ін-ж. ака-д. Ук-ра-їни. – 1996, № . – С. 8_.

9. Климаш Р.Ф., Ляшеник В.Й., Ляшеник А.В. Энергосберегающие аспирационно-воздухоочистительные системы// Деревообрабат. пром-сть. – Москва, – 1999, вип. № . – С. 0_.

10. Пат. 21148А Україна, МПК6 И65G53/28. Пневмотранспортна установка/ Климаш Р.Ф., Ляшеник А.В., Ляшеник В.Й. N97030909; Заявл. 04.03.1997; Опубл. 04.11.1997.

11. Лютий Є., Тисовський Л., Ляшеник А. Моделювання руху частинки дерев-ного пилу в циклонах з фільтрувальною зовнішньою стінкою// Матеріали 7-го міжнародного симпозіуму українських інженерів механіків у Львові "МСУІМЛ – 7". – Львів: КІНПАРТІ ЛТД. – 2005. – С. .

АНОТАЦІЯ

Ляшеник А.В. Обґрунтування параметрів фільтрувального циклона для очищення аспіраційного повітря від деревного пилу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу. – Український державний лісотехнічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Львів, 2005.

В дисертації досліджено процеси очищення аспіраційного повітря в циклонах та обґрунтовано необхідність заміни суцільної металевої зовнішньої стінки на фільтрувальну. Побудовано та проведено числовий аналіз математичної моделі руху частинки пилу в циклоні в точній і наближеній постановці. Встановлено межі застосування спрощеної моделі. Експеримента-льно досліджено гідравлічний опір, ефективність очищення потоку повітря від пилу, розподілу тангенціальної складової швидкості потоку повітря та статич-ного тиску в сепараційній зоні циклона з металевою та фільтрувальною стінками. Розроблено конструкції фільтрувального циклона, двоступеневої газоочисної установки на базі фільтрувальних циклонів та аспіраційно-повітроочищувальної системи з автономними вентиляторами. Результати дисертаційної роботи впроваджено на п'яти підприємствах деревообробної галузі. Матеріали дисертації викладені в одинадцяти наукових публікаціях.

Ключові слова: циклон, приповерхневий шар, фільтрувальна стінка, гідравлічний опір, ефективність очищення.

ANNOTATION

Lyashenyk Substantiation of filter cyclone parameters for clearing air from wood dust.

Thesis on obtaining a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality: 05.05.07 – Machines and processes of the forest complex. – Ukrainian State University of Forestry and Wood technology of Ministry of education and science of Ukraine, Lviv, 2005. –Manuscript.

In the thesis processes of air purification in cyclone separators are proved and necessity of substitution of the metal external wall on filter external cylinder is investigated. Numerical analysis of the mathematical model of driving of the dust particle in the cyclone separator in the exact and simplified statement is conducted. Boundaries of use of the simplified model are established. The hydraulic resistance, efficiency of clearing the stream of air from dust, distributions of tangential speed of an air stream and static pressure in the cyclone separator with metal wall and filter outside cylinder are experimentally investigated. The designs of filter-cyclone separator, two-stage clearing installation with filter-cyclone separators, systems with autonomous ventilators are developed. Results of the thesis are introduced at five factories of wood-working branch. Materials of the thesis presented in eleven scientific publications.

Keywords: cyclone separator, boundary sphere, hydraulic resistance, efficiency of clearing.

АННОТАЦИЯ

Ляшеник А.В. Обоснование параметров фильтрующего циклона для очистки аспирационного воздуха от древесной пили. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук за специальностью 05.05.07 – машины и процессы лессового комплекса. – Украинский государственный лесотехнический университет Министерства образования и науки Украины, г.Львов, 2005.

В диссертации исследован процесс очистки аспирационного воздуха в циклонах. Проанализирован вопрос аспирации на современных деревообрабаты-вающих предприятиях.

На основании анализа движения воздушных потоков в криволинейном канале сделано предположение о значительном влиянии пограничного слоя воздушного потока вблизи внешней стенки на характеристики циклона. Предложен метод отсасывания для управления пограничным слоем. Выдвинуто гипотезу о целесообразности замены внешней металлической стенки циклона фильтрующей.

Проведены теоретические исследования движения частицы древесной пыли в циклоне с фильтрующей внешней стенкой. Предложены математические модели такого движения в точной и приближенной постановке. Установлены пределы применения упрощенной модели. Доказана возможность её использования для проведения инженерных расчетов. Теоретически обоснована целесообразность замены внешней металлической стенки циклона фильтрующей. Проанализированы причины повышения эффективности и снижения гидравлического сопротивления циклона вследствие такой замены.

Проведено экспериментальное исследование эффективности циклона. Результаты экспериментов показали увеличение эффективности процесса очистки воздуха от древесной пыли, по сравнению с базовым циклоном, в зависимости от дисперсного состава пыли, на 4,8-18,0. Гидравлическое сопротивление циклона после замены стенки уменьшается в 1,2-2,16 раза. Таким образом, достигнуто повышения эффективности циклона с одновременным уменьшением энергетических затрат на очистку. Исследовано распределение тангенциальной составляющей скорости потока воздуха и статического давления в сепарационной зоне циклона. Проанализировано влияние соотношения производительности фильтрации к общей производительности на характеристики циклона.

На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснованы параметры фильтрующего циклона и разработана его конструкция. Разработаны конструкции двухступенчатой воздухоочистительной установки, аспирационно-воздухоочистительной системы с автономными вентиляторами.

Результаты диссертационной роботы использованы на пяти деревообраба-тывающих предприятиях, что позволило повысить степень очистки аспирацион-ного воздуха от древесной пыли при одновременном снижении расхода электроэнергии на сам процесс очистки.

Материалы диссертации представлены в одиннадцати научных публикациях.

Ключевые слова: циклон, пограничный слой, фильтрующая стенка, гидрав-лическое сопротивление, эффективность очистки.