Удосконалення гідродинамічних фільтрів шляхом закрутки потоку в кільцевій області зовні фільтроелемента (стр. 2 )

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

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

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

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

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

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

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1 Гідродинамічний фільтр з закруткою потоку

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

, (1)

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

– дотична до поверхні фільтроелемента швидкість потоку рідини.

Рис. 2 Схема гідродинамічного фільтрування

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

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

Рис.3 Розрахункова схема задачі

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

, (2)

, (3)

, (4)

. (5)

де ,, – осьова, радіальна і тангенціальна швидкість рідини, – кінематична в’язкість рідини, – густина рідини, – радіальна добавка тиску.

На проникній і непроникній стінках маємо такі граничні умови:

, , (6)

, , (7)

, . (8)

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

, (9)

, (10)

. (11)

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

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

, , , , (12)