Введение к работе
Актуальность представленной диссертационной работы обусловлена тем, что проблема разработки устройств блокирования пылевых выбросов требует к себе внимания, поскольку в развитие многих отраслей производства сочетании с задачами охраны природы и рационального использования ее ресурсов часто оказываются тесно связано с проблемой подавления пылесодержащих потоков. Актуальность ее решения возрастает с повышением территориальной концентрации промышленных предприятий и увеличением их единичных мощностей.
К настоящему времени разработано, изготовлено и применяется большое количество различных устройств блокирования пылевых выбросов в атмосферу. Они отличаются по ряду параметров, однако, большинство устройств, представляют собой системы фильтрации воздуха, причем при этом в них осуществляются фильтрация посредством осаждения пылевых частиц на элементы конструкции. Данный способ очитки оказывает влияние на габариты устройства отчистки и энергопотребления на регенерационные элементы. Устройство, называемое электростатическим затвором (ЭСЗ), осуществляет бесконтактный способ блокирования мелкодисперсной фракции, в котором улавливание и осаждение пылевой фракции на элементах конструкции является не основным, а сопутствующим процессом.
Электростатический затвор - это устройство, в котором производится зарядка мелкодисперсных минеральных пылевых частиц с последующим их возвратом к источнику пыления за счет электромеханических усилий в электрическом поле затвора. Это обстоятельство позволяет применить электростатический затвор в технологиях блокирования пылевых выбросов, кроме того, это же является коренным отличием принципа работы затвора от других средств блокирования.
Область применения электростатического затвора достаточно обширна, ибо основная масса загрязняющих веществ, приходится на газообразные вещества и мелкодисперсные материалы, которые могут перемещаться на большие расстояния и накапливаться. При высоких концентрациях на поверхности земли они способны воздействовать на условия растительной и животной жизни, как в локальном, так и в глобальном масштабе.
Исследования, выполненные соискателем, соответствуют научному направлению ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) имени М. И. Платова «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» и выполнена в рамках тем государственного бюджетного финансирования.
Цель диссертации: Создание средств математического и компьютерного моделирования для исследования физических процессов в активной зоне, с целью повышение эффективности работы устройств блокирования пылевых выбросов, используемых в различных технологических системах, разработка методики оценки влияния конструктивных параметров на эффективность работы данных устройств и выработка рекомендаций к конструированию данных устройств.
Для достижения цели в работе решены следующие задачи.
1. Выявлены особенности, возникающие при работе ЭСЗ в системах произ-
водства и транспортировки сыпучих материалов, а также выведения запыленного воздуха из технологических устройств.
-
Выбраны методы и средства моделирования физических процессов.
-
Разработаны математическая модель и программные средства для персонального компьютера, обеспечивающие моделирование физических процессов в ЭСЗ.
-
Разработана методика определения конструктивных параметров.
-
Выполнены исследования макетного образца ЭСЗ с целью подтверждения адекватности математической модели.
-
Проведены промышленные испытания экспериментального образца ЭСЗ с целью формирования конструкции опытно-промышленного образца для систем производства и транспортировки сыпучих материалов, а также выведения запыленного воздуха из технологических устройств.
Методы исследования. В работе использован численный метод расчета электростатического поля - метод конечных элементов (МКЭ). Для решения систем уравнений математической модели использован итерационный метод. Реализация алгоритмов компьютерной программы выполнена в среде Borland Turbo Delphi 2006 Explorer.
Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:
разработанная математическая модель физических процессов, в отличие от известных, учитывает динамику набора заряда частицей мелкодисперсной фракции, а также усилия, действующие на частицу в активной зоне ЭСЗ.
предложен алгоритм компьютерной программы, который отличается от существующих возможностью получения на выходе характеристик процессов, протекающих в активной зоне в различных типах конструкций ЭСЗ.
разработана новая методика оценки влияния конструктивных параметров на эффективность работы устройства блокирования пылевых выбросов.
получены несколько конструкций ЭСЗ, отличающиеся от ранее существовавших конструктивным расположением системы электродов относительно движения пылевоздушной смеси. Конструкции защищены 2 патентами РФ.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
создан инструментарий, предназначенный для определения физических характеристик ЭСЗ при его использовании в процессах, связанных с производством и транспортировкой сыпучих материалов, а также выведением запыленного воздуха из технологических устройств;
получены характеристики процесса зарядки частицы и нарастания усилия действующего на частицу со стороны электрического поля, в межэлектродном пространства устройства. Анализа данных зависимостей позволяет определить эффективные конструктивные параметры ЭСЗ;
разработаны два варианта конструкций электростатических затворов (Вариант конструкции «гребенка - сетка» защищен патентом РФ на полезную модель, вариант «жалюзи - сетка» защищен патентом РФ на изобретение)
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением фундаментальных законов, описывающих физические явления и процессы, протекающие в ЭСЗ, приемлемой для данного типа устройств сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами промышленных испытаний созданных экспериментальных образ-
цов ЭСЗ. Используемые допущения не противоречат физике рассматриваемых процессов и являются общепринятыми при решении подобных задач.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем ЮРГПУ (НПИ) (г.б. 3.10, г.б. 3.12) и имею большое значение для цементной и металлургической отраслей промышленности страны. Результаты внедрены на: ОАО «Новоросцемент» (г. Новороссийск) при разработке и изготовлении ЭСЗ на посту отгрузки цемента; ОАО «ПО «НЭВЗ» (г. Новочеркасск) на разработку и изготовление ЭСЗ на выходе из дробеструйных камер сталелитейного цеха.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Математическая модель физических процессов, протекающих в активной зоне ЭСЗ.
-
Алгоритм компьютерной программы позволяющий получить на выходе необходимые характеристики для различных типов конструкций ЭСЗ.
-
Методика расчета динамики зарядки и усилий, действующих со стороны электрического поля в активной зоне ЭСЗ.
-
Рекомендации по проектированию устройств блокирования пылевых выбросов «электростатический затвор».
-
Зависимости динамики зарядки частицы и усилий, действующих на частицу, от главных геометрических параметров ЭСЗ и размеров частиц мелкодисперсной фракции.
Апробация. Основные научные и технические результаты были представлены на: VIII Международная научно-практическая конференция, (Новочеркасск, 2007 г.); Межрегиональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа (Новочеркасск 2008); 57-й научно-технической конференции сотрудников, студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2008 г.); 59-й научно-технической конференции сотрудников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2010 г.); 60-й научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2011 г.); 61-й научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2012 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах. Из них две работы в журналах, рекомендованных ВАК, одного патента на полезную модель и одного патента на изобретение
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и 8 приложений. Полный объем работы составляет 144 страницы текста, иллюстрированного рисунками и таблицами на 36 страницах. Список использованной литературы включает 100 наименований.
