Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 11
1.1. Промышленные сточные воды, как источник вторичных материальных и энергетических ресурсов 11
1.2. Особенности водоснабжения предприятий с замкнутым водо-оборотом 16
1.3. Локальные методы очистки сточных вод 18
1.4. Выбор метода локальной очистки сточных вод 19
1.5. Центрифуги и закономерности центробежного фильтрования 21
1.6. Классификация центрифуг для фильтрования суспензий 26
1.7. Цели исследования 35
2. Компьютерный анализ роторной системы для механической очистки технологической воды 37
2.1. Синтез компьютерной модели движения пленочного потока в поле действия центробежных сил 41
2.2. Синтез и анализ передаточной функции процесса вихревого движения потока жидкости 48
2.3. Компьютерное исследование вихревого движения жидкости в поле действия центробежных сил 52
2.4. Разработка и компьютерный анализ имитационной модели процесса центробежного фильтрования б2
2.5. Разработка методики проектирования роторной фильтрационной системы 7б
2.6. Идентификация и верификация динамической модели вихревого движения пленочного потока жидкости 80
3. Экспериментальные исследования процессов разделения отработанных технологических растворов в поле действия центробежных сил 89
3.1. Методика проведения исследований и обработки результатов эксперимента 94
3.2. Анализ масштабного перехода от физической модели к промышленному образцу 98
3.3. Экспериментальное исследование микрофильтрационной очистки растворов суспензий в поле действия центробежных сил і03
3.4. Ультрафильтрационное разделение раствора в поле действия центробежных сил 109
4. Разработка и производственные исгтьггания эксперимен тального образца центробежного мембранного аппарата І 16
1. Разработка двухступенчатого мембранного разделительного аппарата 116
2. Производственная апробация экспериментального образца центробежного двухступенчатого мембранного аппарата 121
3. Разработка локальной системы оборотного технологического водопользования для оборудования отделочного производства 126
4. Результаты производственных испытаний экспериментального образца центробежного двухступенчатого мембранного аппарата 129
Общие выводы и предложения 136
Литература 139
Приложение 147
- Особенности водоснабжения предприятий с замкнутым водо-оборотом
- Синтез и анализ передаточной функции процесса вихревого движения потока жидкости
- Анализ масштабного перехода от физической модели к промышленному образцу
- Производственная апробация экспериментального образца центробежного двухступенчатого мембранного аппарата
Введение к работе
В условиях рыночных отношений основной задачей текстильных предприятий является выпуск конкурентоспособной продукции. Решение данной задачи непосредственно связано с техническим перевооружением предприятий, которое должно осуществляться в направлении разработки, создания нового и модернизации действующего ресурсосберегающего оборудования и технологий.
Развитие красильно-отделочного производства текстильной промышленности непосредственно связано с совершенствованием как основных технологических процессов и оборудования, так и вспомогательных. Отличительной особенностью красильно-отделочного производства является наличие физико-химических процессов обработки текстильных материалов, протекающих при заданных температуре и концентрации технологических сред. От эффективности организации в технологическом оборудовании процессов тепло- и массопереноса зависят ресурсосберегающие показатели, в частности продолжительность цикла обработки материалов, удельный расход энергии, химических реагентов, и в конечном итоге качество обрабатываемого текстильного материала.
Для отделочного производства характерно большое разнообразие химических и массообменных процессов с тканью и оборудования для их осуществления. Особое место занимают процессы обработки материалов в жидкости: мерсеризация, отварка, беление, крашение и другие операции.
Различные текстильные материалы после процессов обработки их в приготовительном отделе ткацкого производства требуют разных способов компенсации технологического воздействия на волокнистую структуру с целью обеспечения восприятия ими физико-химического воздействия со стороны рабочих жидкостей, которые, в свою очередь, утрачивают свои технологические показатели в результате взаимодействия с обрабатываемым материалом. Для решения этой задачи используют оборудование для повышения концентрации технологических растворов, использующее технологию мембранного разделения.
Анализ способов и оборудования для концентрирования отработанных технологических растворов показывает, что оптимальными технико-экономическими показателями обладают мембранные устройства, имеющие активную гидродинамику, порождающую воздействие силового поля центробежных сил и вихревого безотрывного движения на разделяемый раствор и мембранный элемент.
При разработке и внедрении в производство новых центробежных мембранных аппаратов должны предъявляться повышенные требования к точности и достоверности расчетных методов гидродинамических режимов, протекающих по поверхности мембранного разделения и ее селективных свойств к компонентам разделяемого раствора.
Эффективность современного промышленного оборудования во многом определяется затратами материальных и энергетических ресурсов на выпуск единицы продукции. Например, в оборудовании для проведения процессов отделки ткани полезно используется лишь (10...12)% тепловой энергии, а примерно 70% теряется с горячими сточными водами. Очевидно, что для сокращения энергозатрат необходимо возвращать теряемые теплоту и воду в технологический цикл не только промывного и красильного, ЕГО и любого другого материально- и энергоемкого оборудования.
Проблема, возникающая при разработке систем повторного использования теплового потенциала сточных вод, заключается в разработке эффективного оборудования для их очистки от загрязнений с последующим применением центробежного мембранного аппарата, способного утилизировать отделочные реагенты, очищенный и разделенный раствор как низкотемпературный источник теплоты. Для решения данной задачи необходимо установить основные характеристики сточных вод, как источника вторичных материальных и энергетических ресурсов, рассмотреть существующие типы современного оборудования для очистки жидких технологических сред и возможности их использования в локальных системах оборотного водопользования.
Поэтому широкое использование систем оборотного водопользования промышленных предприятий и отдельных цехов с использованием очищенных сточных вод позволяет решить проблему не только экономии теплоты и водоснабжения в тех районах, которые имеют ограниченные водные ресурсы, но и способствовать предупреждению вреда, наносимого окружающей среде.
Таким образом, научные исследования, направленные на совершенствование процесса очистки, регенерации и повторного использования технологических растворов в процессах жидкостной обработки текстильных материалов, а также развитие теоретических и практических методов проектирования вновь создаваемого технологического оборудования являются в настоящее время актуальными.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом научных исследований Министерства науки и образования РФ по теме «Разработка теоретических основ процессов регенерации отработанных технологических сред средствами активной гидродинамики с использованием методов компьютерного анализа» (2003-2004 г.г.) и тематическим планом научно-исследовательских работ ИГТА.
Цель и задачи исследований.
Целью настоящей работы является повышение экономичности и эффективности процессов промывки текстильных полотен за счет разработки нового эффективного устройства для очистки промывных вод и вторичного использования отделочных реагентов, снижения техногенного давления на экологическую среду.
Для достижения поставленной цели решены следующие научные, технологические и инженерные задачи: проведен теоретический анализ эффективности различных способов интенсификации процесса очистки и регенерации технологических растворов при использовании локальных методов применительно к различным технологическим схемам оборудования;
? создана математическая модель, описывающая процесс движения выделенного объема безотрывного пленочного вихревого потока отработанного технологического раствора по конической фильтрующей поверхности мембранной системы с учетом проницаемости разделяющей перегородки;
? разработаны методика и алгоритм расчета гидравлических, кинематических и геометрических параметров движения разделяемого раствора по фильтрующей перегородке с учетом изменяющихся геометрических и кинематических характеристик аппарата и фактора разделения;
? проведен анализ влияния кинематических параметров и фактора разделения центробежного мембранного аппарата на основные показатели разделенного раствора с возможностью определения диапазона их оптимальных соотношений;
? осуществлены производственные испытания опытного образца центробежного мембранного аппарата, реализующего процесс очистки и регенерации отработанного технологического раствора, движущегося по двухступенчатой фильтрующей поверхности, с использованием в качестве поверхности разделения ступени с микро фильтрующей перегородкой и ультра фильтрационной системой глубокой очистки.
Объекты и методы исследований.
Объектами исследований являлись отработанные технологические растворы аппретов и поливинилового спирта, их физико-химические характеристики и селективность к мембранам; математическая модель процесса движения выделенного объема и вихревого безотрывного пленочного потока технологического раствора по проницаемой вращающейся поверхности мембранного элемента центробежного аппарата.
При теоретических исследованиях процесса центробежного мембранного разделения использованы математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, технология компьютерного математического моделирования и реализации математических моделей посредством методов и средств компьютерного анализа средствами вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных стендах и экспериментальных промышленных установках. При исследовании параметров массообмена применялись известные методы калориметрии. Оценка показателей качества технологических растворов осуществлена с использованием стандартных методик.
Научная новизна: Разработаны адекватные математические модели движения безотрывного пленочного вихревого потока разделяемого технологического раствора по вращающейся проницаемой поверхности мембраны и методика расчета гидравлических параметров процесса микрофильтрации с учетом изменяющихся геометрических параметров и фактора разделения аппарата, обеспечивающие научно обоснованный выбор гидродинамических характеристик параметров системы на этапах проектирования и создание технологического оборудования с требуемыми эксплуатационными показателями;
? научно обоснованы основные технологические и динамические параметры процесса очистки и повторного использования отработанных технологических растворов, используемых для промывки и отделки хлопчатобумажных тканей на расшлихтовочном, отбельном и варочном оборудовании;
? разработана методика синтеза и анализа роторной фильтрационной системы на основе методов компьютерного моделирования.
Новизна разработок по теме диссертации подтверждена патентом РФ на изобретение.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Практическая ценность выполненной работы состоит в непосредственном использовании полученных теоретических и экспериментальных результатов по совершенствованию процесса и оборудования для регенерации отработанных технологических растворов в поле действия центробежных сил с использованием двухступенчатой системы мембранного разделения с изменяющимися геометрией фильтрующих перегородок и фактором разделения.
Промышленная реализация результатов работы осуществлена на ОАО «Корпорация «Чебоксарский хлопчатобумажный комбинат»» при агрегировании его в составе аппарата для расшлихтовки ткани. Эффективность от новых технологических решений состояла в разработке интенсифицированного процесса очистки и регенерации раствора поливинилового спирта, снижения капитальных и эксплуатационных затрат на обработку ткани.
На основании проведенных технологических испытаний установлено, что при использовании центробежного двухступенчатого мембранного аппарата агрегированного в состав аппарата для расшлихтовки, работающего в производственных условиях ОАО «Корпорация «Чебоксарский хлопчатобумажный комбинат»», экономия тепловой энергии составила до 0,065 Гкал на 1 м очищенной горячей воды при получении за смену работы аппарата до 380 л регенерированного раствора поливинилового спирта.
Апробация работы.
Результаты исследований доложены и получили положительную оценку на:
? Республиканской научно-практической конференции «Перспективы развития хлопкоочистительной, текстильной и легкой промышленности». Ташкент, 2003;
? Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности». По-иск-2003. Иваново, 2003;
? Юбилейной 55-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству». Кострома, 2003;
? Международной научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий (компьютеров) в текстильной и легкой промышленности». Пиктел-2003. Иваново, 2003;
» Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2003). Москва, 2003;
? Международной многоотраслевой выставке «300 лет Санкт-Петербургу: Россия, открытая миру». Минпромнауки РФ. Милан. Италия, 2003.
? III Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления». Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. Российский Национальный Комитет по автоматическому управлению, Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления Российской Академии наук. Москва, 2004;
? научно-техническом совете ОАО «Корпорации «Чебоксарский хлопчатобумажный комбинат», 2004 г.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из четырех глав, имеет выводы и рекомендации, список литературы, включающий 103 наименования, и приложения. Текст работы изложен на 146 страницах, включая 50 рис. и 7 таблиц.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ Технико-экономическая эффективность современного промышленного оборудования во многом определяется затратами материальных и энергетических ресурсов на выпуск единицы продукции. Например, в оборудовании для проведения процессов отделки ткани полезно используется лишь 8% энергозатрат, а примерно 75% теряется с горячими, поле промывки ткани, сточными водами [1,10]. Очевидно, что для сокращения энергозатрат необходимо возвращать теряемые теплоту и воду в технологический цикл не только промывного, но и любого другого материально- и энергоемкого оборудования.
Основная проблема, возникающая при разработке систем повторного использования теплового потенциала сточных вод, заключается в разработке эффективного оборудования для их очистки от загрязнении с последующим применением тештообменного аппарата, способного утилизировать низкотемпературный источник теплоты. Для решения данной задачи необходимо установить основные характеристики сточных вод, как источника вторичных материальных и энергетических ресурсов, рассмотреть существующие типы современного оборудования для очистки жидких технологических сред и возможности их использования в локальных системах оборотного водопользования.
Особенности водоснабжения предприятий с замкнутым водо-оборотом
В практике водопользования предприятий известны следующие схемы [6] - прямоточные, в которых вся подаваемая и отработанная в технологическом цикле вода сбрасывается в канализацию; - схемы с последовательным использованием воды, когда подаваемая и отработанная в производственном процессе вода направляется для вторичного использования в другом производственном процессе без предварительной очистки; - схемы с оборотным использованием воды (оборотное водопользование), когда вся отработанная вода очищается и вновь направляется для употребления в том же технологическом процессе. На промышленном предприятии оборотное водопользование осуществляется по трем основным схемам; - с охлаждением оборотной воды; - с очисткой оборотной воды; - с очисткой и охлаждением оборотной воды. При выборе схемы водопользования необходимо учитывать то, что наиболее эффективным является применение оборотного водопользования с извлечением из сточных вод механических и химических загрязнений.
По данным, полученным во ВНИИВОДГЕО [5, 7], можно заключить, что в среднем при применении оборотного водопользования и повторном использовании очищенных сточных вод объем забираемой воды из природных источников уменьшается в 25 раз; значительно сокращается либо совсем прекращается сброс сточных вод в водоемы. Требуемая степень очистки отработанной воды при повторном использовании в большинстве случаев меньше, чем при прямоточной схеме ее использования. Стоимость одного кубометра оборотной воды и повторного использования очищенной сточной воды в 2,5 раза ниже, чем при прямоточном водоснабжении природной водой, и при этом примерно в 2 раза уменьшаются капитальные вложения [19]. В настоящее время в промышленности используют оборотную воду в среднем количестве 58...60% от общего потребления воды на промышленные цели. Например, доля оборотной воды в теплоэнергетической промышленности составляет 47%, в черной металлургии - 78%, в химической - 77%, в нефтехимической - 87%, угольной - 67%, в целлюлозно-бумажной - 52%, в промышленности строительных материалов - 50%, в пищевой - 54% [56]. При оценке пригодности воды для оборотного водопользования необходимо проведение экспериментальных исследований, устанавливающих влияние оборотной схемы на качество выпускаемого продукта.
При этом в технологических схемах обработки оборотной водой следует максимально учитывать конкретные условия водооборота, состав загрязнений и степень очистки, которые свойственны отдельным отраслям промышленности или отдельным производ ствам. Полностью замкнутые оборотные системы промышленного водоснабжения в настоящее время предусматриваются при проектировании оборотного водоснабжения предприятий химической промышленности. Такие системы наряду с максимальным сокращением водопотребления, позволяют надежно защитить водные ресурсы от загрязнений химическими отходами. Широкое внедрение систем оборотного водопользования промышленных предприятий и отдельных цехов с использованием очищенных сточных вод позволит не только решить проблему водоснабжения тех районов, которые имеют ограниченные водные ресурсы, но и способствовать предупреждению вреда, наносимого экологической среде, (снижению техногенной нагрузки на экологическую среду). Многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов [29, 35...37, 39] показывают, что очистка сточных вод химических и других производств наиболее эффективна при условии их обработки непосредственно в местах образования, до смешивания в канализационных коллекторах сточных вод от отдельных производств и единиц оборудования с различными по составу загрязнениями. Сточные воды технологического оборудования однотипного по назначению, как правило, содержат значительное количество одинаковых по качеству загрязняющих компонентов, очистка от которых может производиться одним способом или комбинированием нескольких способов, что почти всегда экономически эффективней очистки смеси. С другой стороны, присутствие в очищенных сточных водах одного или нескольких компонентов в сравнительно больших количествах не может служить препятствием для повторного применения очищенных вод в технологическом процессе того же производства, т.к. требования к качеству воды для данного оборудования могут отличаться от требований, предъявляемых к воде в других технологических процессах. Количество загрязнений в сточных водах отдельного оборудования может быть настолько велико, что сброс их в канализацию и далее на общезаводские сооружения невозможен без предварительной очистки специальными способами. Для локальной очистки сточных вод применяют различные механические, химические и физико-химические методы. Таким образом, локальные оборотные системы сточных вод в ряде случаев являются составной частью производственного комплекса.
Синтез и анализ передаточной функции процесса вихревого движения потока жидкости
В настоящей главе ставится задача глубже проникнуть в сущность механизма турбулентного течения по вращающейся поверхности конусообразного ротора, а также исследовать параметры характеризующие ламинарное движение жидкости при ее фильтровании через пористую перегородку в поле действия центробежных сил (центробежного фильтрования) для создания методики проектирования основных технологических процессов, обеспечивающих решение задачи механической очистки отработанной технологической воды методом центробежного фильтрования, а также обеспечивающих синтез роторной системы, функционирование которой основывается на явлениях и свойствах вращающейся конусообразной проницаемой перегородки, работающей в поле действия гравитационных сил, являющихся движущим фактором, создающим условия питания и разделения объекта фильтрования.
Явления турбулентности многосторонне проявляются в самых различных областях техники. В настоящей работе вихревая теория турбулентности рассматривается только применительно к явлениям турбулентности при протекании потока в технически гладких трубах круглого сечения. Ее механизм довольно сложен, причем все его элементы взаимосвязаны между собой. В данной главе предполагается аналитически исследовать лишь качественную сторону процесса турбулентного течения, поэтому и точность проводимых расчетов соответствует лишь поставленной задаче.
Для сопоставления аналитических расчетов по данной теории с данными эксперимента, выраженными формулами или графиками, выбраны такие формулы и графики в которых качественная сторона выражена достаточно точно. В некоторых случаях использованы известные зависимости, в соответствии с которыми получены оригинальные графические зависимости, ранее не встречавшиеся нами в известных публикациях по данной тематике. Это сделано потому, что новые, более точные формулы значительно сложнее, а их точность на качественное изучение исследуемых явлений не влияет.
Существующие теории турбулентного течения представлены достаточно подробно в работах А.Д.Альтшуля [40]5 М.А.Великанова [47] и М.А.Ми-хеева [49]. В настоящее время турбулентное течение изучается при помощи теории турбулентности, предложенной Прандтлем. Эта теория основана на предпосылке существования продольных и поперечных пульсаций. Она имела большое значение при изучении турбулентного течения. При ее помощи В.Толмин [46], Т.Карман [79], Г.Тэйлор [80,81], Г.Н.Абрамович [82], И.А.1Депелев [83], В.Н.Талиев [84], В.М.Коновалов [85] и другие изучали свободную турбулентную струю. А.А.Саткевич [86], А.Д.Альтшуль [40], Г.А.Гуржиенко [87,88], П.К.Конаков [89], Ф.А.Шевелев [90], Л.Г.Лойцианский [91,92], И.Никурадзе [93,94] и другие изучали турбулентное течение в трубопроводах. В.Н.Гончаров [97], М.А.Великанов [47], Е.М.Минский [96] и другие применяли ее при изучении турбулентного потока, управляемого руслом.
В результате этих работ появились так называемые полуэмпирические формулы. Но и эти полуэмпирические формулы не обходятся без коэффициентов экспериментального происхождения. Кроме того, существующая теория турбулентности не может ответить на ряд вопросов тепло-массообмена при турбулентном течении. Например, она не в состоянии рассчитать аналитически длину участка стабилизации при турбулентном течении, определить критическое значение числа Re.
Вышеизложенные соображения доказывают, что существующая теория турбулентности имеет ряд недостатков. М.А.Великанов [47] в свое время отметил, что несомненная заслуга полуэмпирических теорий заключается в разработке вопросов сопротивления. В вопросах же структуры потока эти теории совершенно бессильны. Модель перемешивания, предложенная Л.Прандтлем, очень далека от действительности.
Ряд отечественных и зарубежных исследователей подошли очень близко к действительности. Большой интерес представляют следующие описания турбулентного течения в трубопроводах и потоках, управляемых руслом.
Полуэмпирическая теория турбулентного течения жидкости в трубах,, разработанная Л.Прандтлем [95], турбулентный поток разделяет на турбулентное ядро и ламинарный подслой. А.Эйнштейн (младший) и Ли [99] исследовали пограничный слой при турбулентном течении в непосредственной близости к стенке флюида. В соответствии с результатами новейших исследований они предложили модель вязкого подслоя, который периодически возникает и разрушается, в результате чего имеет место непрерывный обмен жидкими частицами между этим подслоем и остальной частью потока. Анализируя эту модель А.Д.Альтшуль [40] подчеркивает, что преимущество этой модели состоит в том, что она позволяет дать объяснение возникновению турбулентности вблизи твердых стенок.
В. Н. Гончаров [97] отмечает, что в равномерном потоке большой длины источником турбулентных возмущений является стенка потока. Опытами Дель-Нунцио [99] установлено, что эти возмущения зарождаются непосредственно у стенки даже весьма гладкой поверхности и имеют регулярный характер.
Маттиоли и Г.А.Гуржиенко пограничный слой считают состоящим из двух подслоев: ламинарного или вязкого и переходного со смешанным режимом - временами ламинарным, временами турбулентным с явно обнаруживаемым срывом вихрей [87].
М.АМихеев [98] турбулентное течение представляет в следующем: при турбулентном течении весь поток насыщен беспорядочно движущимися вихрями, которые непрерывно возникают и исчезают. В точности механизм вихреобразования еще не установлен,
М.А.Великанов [47] указывает, что только низкочастотная часть спектра турбулентных пульсаций, иначе говоря, крупные вихри, играют основную роль в механизме движения наносов, т. е, определяют всю структуру руслового процесса.
В связи с этим М.А.Великанов стремился максимально использовать то, что получили современные теоретики турбулентности в вопросах низких частот. Но сделано здесь, к сожалению, еще очень мало, так как главные усилия теоретиков были направлены на вопросы, связанные с анализом высоких частот.
Большой интерес представляют снимки, проведенные Л.Прандтлем [66] с помощью равномерно движущегося над лотком фотоаппарата. На зарисовках, сделанных с этих фотоснимков, явственно выступают контуры больших вихревых образований, заснятых при скорости аппарата приблизительно равной средней скорости ядра потока, а также контуры вторичных меньшего размера образований вдоль стенок, выявленных при скорости движения аппарата, несколько меньшей, чем предыдущая.
Анализ масштабного перехода от физической модели к промышленному образцу
Результатами численного эксперимента, реализованного с использованием возможностей разработанной нами модели являются визуализированные графические зависимости (рис.2.4...2.6), характеризующие взаимосвязь между внутренними характеристиками роторной системы, варьирование которыми возможно на этапе проектирования системы, с длительностью переходного процесса, определяемого, в основном, как период затухания колебаний ее элементов, а также влияние внешнего возмущения, обусловленного динамической неуравновешенностью вращающихся элементов роторной системы, на период затухания колебаний, которые определяют допустимые значения динамических нагрузок на опорные элементы привода, элементы уплотнений, обеспечить выбор оптимального режима эксплуатации системы применительно к различным кинематическим условиям и физическим свойствам обрабатываемой жидкости.
Таким образом, экспериментируя с компьютерной моделью роторной системы, мы имеем возможность прогноза как ее динамических параметров, исключающих попадания в резонанс для высокоскоростных режимов эксплуатации (рис.2.4), так и определить пути, позволяющие: дать научно-обоснованные рекомендации по выбору безрезонансного диапазона рабочих скоростей роторной системы в зависимости от его диаметра и длины; на стадии проектирования системы определить динамическую жесткость вала и разделяющих перегородки, соответствующую скоростному режиму с гарантией, исключающей возникновения резонансных явлений при ее эксплуатации.
В результате формирования ТТ -модели линейной стационарной системы на основе передаточной функции, график амплитудно-фазовой характеристики (АФХ) разомкнутой системы, построенный в декартовых координатах (карта Николса системы) приведен на рис.2.5 и позволяет дать прогноз основных параметров колебательного процесса системы, вызванного общей ее неуравновешенностью.
Полученные результаты исследований являются первичной информацией для расчета виброзащитных характеристик роторной системы и предпосылкой к анализу и синтезу гидравлических параметров, обеспечивающих безотрывность и сплошность течения вихревого пленочного потока в поле действия центробежных сил на проницаемой перегородке, оптимальные условия эксплуатации системы.
С целью обеспечения возможности определения оптимального соотношения технических параметров устройства, реализующего технологический процесс механической очистки отработанного технологического раствора, проведем вычислительный эксперимент, основанный на полученных нами математических зависимостях (2.1...2.6), представленных в виде компьютерной модели.
Для оценки режима движения жидкости по поверхности вращающегося конуса ис ользован модифицированный критерий Рейнольдса [67] где п - частота вращения ротора, с-1; (isin р)2- радиус основания конуса, м; ц - динамическая вязкость раствора, Н с/м2.
Представление о важной геометрической характеристике потока раствора на вращающейся конической поверхности устройства дает картина изменения толщины Д пленки раствора, изменяющейся по радиусу вращения R (рис.2.7). Имея в виду соблюдение условий неразрывности потока, безотрывное его перемещение по поверхности ротора, а также учитывая транзитный расход потока в результате его фильтрации через разделяющую перегородку, меняющаяся толщина Л является одним из важнейших параметров, к тому же экспериментально сложно определяемых параметров, определяющих техни ко-экономические показатели, в частности, расчет производительности фильтрующего устройства центробежного типа.
Как видно из полученных графически представленных зависимостей толщина А пленки, уменьшается по мере роста значения текущего радиуса R пропорционально частоте п вращения ротора. При этом учтен характер изменения плотности фильтруемого раствора по текущему радиусу ротора. Изменение степени турбулизации потока, характеризуемой числом Рейнольдса Re=f(R) (рис.2.8) по мере удаления его частиц выделенного объема жидкости от оси вращения, т.е. от источника питания роторной системы, позволяет определить численные значения гидравлических характеристик, влияющих на сложный процесс вихревого движения потока. Условия течения жидкости зависят от реологических свойств очищаемого раствора, которые определяют оптимальные размеры устройства. По результатам вычислительного эксперимента можно сделать заключение о том, что развитая турбулентность потока имеет место практически с начальных значений радиуса ротора и максимальные значения на его периферии (рис.2.8).
Производственная апробация экспериментального образца центробежного двухступенчатого мембранного аппарата
Подобие процессов фильтрации при ламинарном режиме в случае выбора в качестве геометрического параметра, входящего в критерии подобия, коэффициента проницаемости является неполным, так как в этом случае границы применения линейного закона фильтрации зависят от индивидуальных свойств фильтрующей пористой перегородки и нет возможности определить единое критическое число Рейнольдса, принимающее соответствующие значения для различных типов перегородок. Поэтому предложено [52] границы применимости линейного закона фильтрации рассматривать на модели фиктивной пористой перегородки, учитывающей взаимодействие вязких и инерционных сил, действующих в реальной пористой среде, а в качестве определяющего линейного параметра применять диаметр сферических частиц, составляющих фиктивную пористую перегородку, толщина и проницаемость которой равны аналогичным показателям реальной перегородки.
Изложенное справедливо для течения через пористую перегородку жидкости, в которой отсутствуют загрязнения, т. е. для процесса фильтрации. Поскольку в реальных условиях в жидкостях содержатся твердые частицы, удаление которых является конечной целью процесса фильтрования, накопление этих частиц в порах фильтрующей перегородки и на ее поверхности приводит к уменьшению пористости и тем самим к изменению режима течения жидкости. Загрязнения в жидкостях, применяемых в технике, имеют полидисперсный характер, поэтому фильтрование может сопровождаться полным или частичным закупориванием пор, образованием над входом в поры рыхлых структур или образованием осадка на поверхности перегородки.
В нашем случае происходит процесс самоочищения фильтрующей поверхности за счет создания условий для возникновения движущих сил, направленных по касательной к траектории движения отдельных струй вихревого потока на вращающейся конической поверхности, а также вполне развитая турбулизация течения, характеризуемая числом Re (рис.2.8).
Жидкость может протекать через фильтрующую перегородку при различных условиях; при постоянных перепадах давления и скоростях фильтрации. В нашем случае фильтрование при постоянном перепаде давления на перегородке происходит при постоянных перепадах давления, изменяющегося по высоте перегородки в зависимости от ее геометрии (рис.2Л4.. .2.16).
Целесообразно основные зависимости, характеризующие процесс фильтрования, т.е. прохождение содержащей механические загрязнения жидкости (суспензии) через пористую перегородку, выразить в критериальной форме, как это было сделано выше для случая фильтрации чистой жидкости.
При фильтровании жидкости через пористую перегородку изменение скорости фильтрования будет характеризоваться критерием гомохронности [41] где г время фильтрования, с.
Его значения, характеризующие изменяемость средней скорости фильтрования по текущему радиусу при заданной частоте вращения приведены на рис.2,23.
Так как движущей силой процесса фильтрования является перепад давлений на пористой перегородке, то очевидно, что процесс фильтрования определяется зависимостью вида [50] где в модифицированном критерии Эйлера показатель средней скорости фильтрации заменен численно равным ему показателем удельной пропускной способности пористой перегородки при соответствующем перепаде давления, т.е,
Функциональную зависимость (2.13), представленную в критериальной форме и выражающую связь между основными параметрами, влияющими на процесс фильтрования жидкости с содержащимися в ней механическими загрязнениями, невозможно определить аналитически, поэтому указанную зависимость находят экспериментально. Применительно к процессу фильтрования с самоочищающейся поверхностью фильтра эта зависимость получена нами и представлена на рис.2.24.
Она позволяет установить величины тех параметров процесса фильтрования, которые необходимы при расчете соответствующего фильтра. Решение обратной задачи, ориентированной на синтез пористой структуры фильтрующей перегородки, дает возможность определить диаметр капилляров и их количество на единицу площади перегородки. Входными параметрами синтеза являются заданные пропускная способность фильтра, частота вращения ротора системы, его геометрические характеристики, физико механические свойства фильтруемой жидкости. Пример синтеза пористой структуры фильтрующей перегородки приведен на рис.2.25, 2,26.
Приведенные графические зависимости дают возможность проектирования фильтрующих роторных перегородок с переменной плотностью пористой структуры по высоте конического фильтрующего ротора в соответствии с рис.2.26, обеспечивающего заданные значения коэффициента проницаемости Кп в соответствии с визуализированными результатами компьютерного эксперимента, представленными на рис.2.25.
Приведенные результаты компьютерного исследования математических компьютерных моделей процессов вихревого пленочного движения потока жидкости по вращающейся конической поверхности фильтрующей перегородки с учетом ее проницаемости (транзитного расхода) и движения жидкости через пористую структуру с учетом гомохронности ламинарного потока дают возможность системного подхода в решении задачи анализа технологических параметров процесса механической очистки отработанной технологической воды в системах локального оборотного водопользования, а также обеспечить реализацию технологии синтеза роторной системы по заданным технологическим характеристикам на основе методов компьютерного объектно-ориентированного моделирования.
