Введение к работе
Актуальность проблемы. Практически на каждом предприятии пищевой промышленности используются циклоны-пылеуловители, однако они недостаточно эффективны, так как в основном улавливают пыль размером более 10 мкм, поэтому возникает необходимость установки второй ступени очистки, что удорожает систему и ведет к росту энергозатрат на обеспыливания.
Несмотря на то, что циклоны имеют достаточно простую конструкцию, в них происходят сложные аэродинамические процессы, которые изучены недостаточно. Существующие теоретические методы расчета не дают исчерпывающего объяснения на вопросы рационального с точки зрения аэродинамики проектирования циклонов и определения оптимальных параметров работы. Поэтому дальнейшее развития теории циклонирования и совершенствование конструкции циклонов актуальны и в настоящее время.
Значительный вклад в теоретические исследования в данной области был внесен такими отечественными и зарубежными учеными как А.И. Пирумов, В. Страус, Г.Ю. Степанов, А.Ю. Вальберг, И.И. Полосин, С.А. Воловик, М.И. Шиляев, Н.И. Ватин, Ван Тонгерен.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры инженерной экологии и техногенной безопасности «Исследование и разработка природоохранных процессов, утилизации отходов нефтехимических и пищевых производств, обеспечение экологической и техногенной безопасности» (коды ГРНТИ: 87.35.91) на 2011-2015 гг.
Для проведения исследований было выбрано мукомольное производство, занимающее особое место в пищевой промышленности, так как его объекты (мельницы, элеваторы и т.п.) находятся практически в каждом населенном пункте и негативно влияют на экологическую обстановку.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышения эффективности и снижения удельной энергоемкости центробежного пылеулавливания путем дальнейшего развития теории процесса, модернизации конструкции аппарата и совершенствование режимов его работы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-анализ существующих циклонов с целью выявления перспективных направлений повышения эффективности очистки и энергосбережения;
создание математических моделей, описывающих движение частиц пыли в циклонах с учетом возможности их повторного уноса;
совершенствование конструкции циклона на основе разработанной математической модели;
-разработка методики экспериментальных исследований процесса, создание экспериментальной установки;
- экспериментальное исследование процесса циклонирования с целью про
верки адекватности полученных математических моделей и определения зависи
мостей эффективности и общего перепада давлений в циклоне от наиболее зна
чимых параметров процесса (скорость потока, концентрация пыли, дисперсность
пыли, конструктивные параметры циклона);
- выбор и обоснование эффективного режима функционирования циклона;
-разработка методики расчета конической вставки для усовершенствова
ния существующих циклонов;
-промышленная апробация предложенной инновационной конструкции циклона и режимов его работы;
-определение экономического эффекта от внедрения инновационной конструкции циклона в промышленность.
Методы исследования и достоверность результатов. Методы исследования основаны на использовании математического моделирования, физического эксперимента и математической статистики.
Достоверность результатов обеспечивается совместным использованием классических закономерностей механики аэрозолей, теории инерционного пылеулавливания и аэродинамики двухфазных потоков в циклонных аппаратах, которые в сочетании со статистическими методами обработки экспериментальных данных обеспечили получение устойчиво воспроизводимых результатов. При проведении экспериментов в лабораторных и производственных условиях использованы апробированные методики НИИОГАЗ, ГИНЦВЕТМЕТ и НИФХИ им. Л. Я. Карпова. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 16% с доверительной вероятностью 0.95.
Научная новизна состоит в следующем:
Установлены теоретически и экспериментально подтверждены основные закономерности движения частиц пыли в циклоне.
Получены математические модели движения частицы пыли по внутренней поверхности стенки цилиндрической и конической частей циклона с учетом наиболее значимых сил, в том числе подъемной силы, обусловленной эффектом Магнуса. На этой основе выведены уравнения для расчета основных параметров циклона и конической вставки (половина угла при вершине конуса, размеры щелевых улавливающих отверстий).
Экспериментально определена область параметров, оптимальных для проведения процесса центробежного осаждения в модернизированных циклонах (с конической вставкой): входная скорость пылегазового потока, половина угла при вершине конуса вставки, размер щелевых улавливающих отверстий.
Разработана конструкция циклона с конической вставкой с щелевыми улавливающими отверстиями, обеспечивающая высокую эффективность и энергосбережение процесса центробежного пылеулавливания.
Разработана методика расчета конической вставки для модернизации циклонов, широко применяемых в производстве.
Практическая ценность работы заключается в том, что
разработаны конструкции высокоэффективных циклонов-пылеуловителей, новизна которых подтверждена патентами №№ 2323784, 2366515, 2480294, 2496584;
разработаны режимы работы для циклона с конической вставкой в условиях мукомольного производства, способствующие повышению эффективности работы систем аспирации. Режимы апробированы на ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и ОАО «Воронежская хлебная база»;
определена экономическая эффективность использования циклонов с конической вставкой, показывающая целесообразность их внедрения в производство;
разработанные циклоны приняты к внедрению в цехах ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и ОАО «Воронежская хлебная база», что подтверждено соответствующими актами предприятий;
разработаны рекомендации по внедрению предложенных инновационных решений в типовые циклоны промышленных систем пылеулавливания.
Результаты работы используются систематически в практике высших учебных заведений: Воронежском государственном университете инженерных технологий, Воронежском институте ГПС МЧС России при выполнении НИР, КП, КР, при изложении отдельных разделов дисциплин «Защита окружающей среды», «Процессы и аппараты пищевой технологии», «Пожарная безопасность технологических процессов» и подготовке аспирантов и магистров.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на 10-ти научных конференциях: отчетных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (XLX, L-й); II Всероссийской научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в АПК» (г. Пенза, 2007); VII Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии» (г. Пенза, 2007); I Всероссийской научно-практической Интернет-конференции с международным участием «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий ЧС» (г. Воронеж, 2011); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в АПК: теория и практика» (г. Пенза, 2013); 6-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (г. Саратов, 2013); IX Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая безопасность нашего будущего» (г. Воронеж, 2013); XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Нижний Новгород: НГТУ, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из которых 4 - в журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки РФ, получено 4 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 139 наименований.
