Удосконалення гідродинамічних фільтрів шляхом закрутки потоку в кільцевій області зовні фільтроелемента (стр. 4 )

У четвертому розділі обґрунтовано конструкцію та розроблено основи розрахунку гідродинамічного фільтру, що використовує закрутку потоку.

Конструкція запропонованого пристрою очищення потоку представлена на рис.9.

A-A

Рис. 9 Схема гідродинамічного фільтра із закруткою потоку

Фільтр працює таким чином. Рідина, що підлягає очищенню, подається тангенціально на вхід фільтра через патрубок 3, за рахунок чого досягається початкова закрутка потоку. Закручений потік попадає в кільцеву область фільтрування між корпусом 1 і фільтроелементом 2, де відбувається поступове відсмоктування рідини. Очищений потік з фільтроелемента 2 подається на вихід через патрубок 4 відводу очищеної рідини, а частина неочищеної рідини, проходячи уздовж поверхні фільтроелемента, попадає в бункер для збору забруднень 5. Видалення осаду з бункера 5 відбувається через зливальний отвір 6.

Закрутка потоку, у результаті якої на частки рідини діє об'ємне поле відцентрових сил, дозволяє, за рахунок відповідного підбора конструктивних параметрів, забезпечити відсутність контакту із сіткою часток домішок, порівнянних з отворами сітки або крупніших. У той же час основна тонкість очищення досягається за рахунок гідродинамічного ефекту, обумовленого тангенціальною складовою швидкості частки на підході до сітки.

Для створення запропонованої конструкції фільтра необхідно було розробити загальну методику розрахунку геометричних та гідродинамічних параметрів створюваного фільтра, основні етапи якої наведено далі:

1.) За допомогою оцінного аналізу сил, що діють з боку потоку на тверду сферичну частку визначаємо розміри фільтроелемента за умови непопадання твердої частки сумірної з розміром отвору фільтрувальної сітки на проникну поверхню.

2.) Шляхом рішення задачі, заснованої на вирішенні спрощених рівнянь Навьє-Стокса в ітераційному циклі визначаємо величину кільцевого зазору за умови відсутності ознак появи зворотних течій. При цьому отримуємо картину розподілу трьох компонент швидкості потоку і розподіл тиску в області фільтрування. За результатами розрахунку течії будуємо функцію відношення дотичної складової швидкості потоку до радіальної складової поблизу проникної стінки, яка показує можливість реалізації гідродинамічного ефекту по всій довжині області фільтрування.

3.) Вирішуємо задачу руху твердої сферичної частки в розрахованому полі швидкостей, тим самим, обчислюючи граничне значення розміру твердої частки, що визначає тонкість фільтрування.

4.) При отриманих в розрахунку геометричних параметрах підраховуємо перепад тиску на фільтрі, що складається з втрат напору у вхідному патрубку, в кільцевому зазорі, на фільтрувальній сітці та у вихідному патрубку.

5.) При необхідності коректуємо геометричні розміри фільтру і повторюємо процедуру розрахунку спочатку.

В результаті проведеного дослідження з визначення області раціональних параметрів і на основі представленої методики розрахунку гідродинамічного фільтра із закруткою потоку можна зробити наступні висновки:

1.) Існує можливість виготовити гідродинамічний фільтр із закруткою потоку для очищення забрудненої рідини від твердих часток домішок, що відрізняється від відомих пристроїв очищення простотою конструкції, невеликим перепадом тиску, зменшеною до 2-5% витратою на скидання, відсутністю обертових частин і додаткових джерел енергії.

2.) На основі попереднього розрахунку можна визначити область раціональних параметрів роботи розроблювального фільтра.

3.) Підбором конструктивних параметрів можна домогтися відкидання твердих часток, порівнянних з розміром отворів фільтрувальної сітки, які є найнебезпечнішими для забивання сітки. До того ж це дозволяє зменшити концентрацію твердих часток біля фільтрувальної сітки. Більш дрібні частки не будуть проходити крізь фільтруючу поверхню за рахунок гідродинамічного ефекту.

4.) Відповідно до розрахунків гідравлічний опір розроблювального фільтра не перевищує 0,01-0,015 МПа, що як мінімум на порядок нижче, ніж у гідроциклонів.

У п'ятому розділі наведена експериментальна перевірка основних теоретичних положень, поданих у роботі, а саме:

- наявність стійкої ламінарної закрученої течії в кільцевій області фільтрування;

- відсутність підсмоктувань рідини з області очищеної рідини в область фільтрування;

- відсутність зворотних течій рідини в області фільтрування;

- можливість зменшення витрати рідини на скидання до 5 % від загальної витрати;

- можливість очищення рідини від твердих часток, менших розміру отвору фільтрувальної сітки.

В результаті аналізу роботи макету гідродинамічного фільтру, що використовує закрутку потоку, підтвердилося припущення про стійкість течії в області фільтрування. Це було помітно по загальному вигляду течії без явних ознак завихореності.

Про збереження інтенсивної закрутки в кінцевих перерізах фільтроелемента можна судити по поведінці ниток, укріплених на поверхні фільтроелемента, які після досить швидкого встановлення режиму поводилися стабільно, без коливань (рис. 10), а також по наявності повітряного стовпа, що обертається, за фільтроелементом в конусній частині фільтру (рис. 11).

Крім того, по поведінці ниток можна було судити про відсутність зворотних течій в осьовому напрямі.

Проте, при нерозрахункових режимах роботи гідродинамічного фільтру із закруткою потоку (рис. 12), які виникають, наприклад, при збільшенні закрутки потоку більш граничного розрахункового значення, можна було спостерігати картину течії, далеку від ламінарного і безвідривного потоку. У таких випадках спостерігалися обширні зони турбулентності, про які можна судити по наявності повітряних міхурів, а також нерівномірність течії, про що свідчила різнонаправленість ниток, укріплених на поверхні фільтроелемента.

Рис. 10 Фільтроелемент Рис. 11 Повітряний стовп Рис. 12 Нерозрахунковий

з укріпленими нитками за фільтроелементом режим

Однією з потенційних небезпек погіршення роботи фільтру є неповна робота фільтрувальної сітки, коли можуть виникати підсмоктування із зони очищеної рідини. Для перевірки цього припущення всередину фільтроелемента поблизу крайніх ділянок сітки подавалася фарба під тиском. При потенційно цікавих режимах роботи фільтру явище підсмоктування в зону фільтрування не спостерігалося, що підтверджує правомірність використаної розрахункової моделі.

Проведені експериментальні дослідження показали, що існує можливість створення гідродинамічного фільтра із закруткою потоку на вході при концентрації забруднень у вхідному середовищі до 2 г/л, що має такі переваги, як невеликий перепад тиску, невисока чутливість до параметрів мережі, огородження фільтрувальної сітки від твердих часток, порівнянних з розміром отворів сітки, а також зменшення скидання рідини до 5% від загальної витрати.

На рис. 13 показана функція зміни параметра закрутки, що визначаться за результатами розрахунків як відношення тангенціальної швидкості до осьової на відстані порядку десятків мікрометрів від проникної поверхні (крива 1) при величині кільцевого зазору h=3 мм.

На цьому ж рисунку крива 2 позначає експериментальні значення кута закрутки , підраховані за положенням ниток й інтерпольована за допомогою інтерполяційної формули Лагранжа.

 

Рис.13 Зміна параметра закрутки по довжині області фільтрування:

- розрахункові значення параметра закрутки ;

- експериментальні значення .

Параметр закрутки , розрахований по довжині області фільтрування, практично збігається з експериментальними значеннями . Розходження спостерігається тільки в кінцевих перерізах області фільтрування. Розбіжність становить 8,3%.

Ефективність очищення рідини від часток розміром 25 мкм при витраті в лінії скидання 5% від загальної витрати становить 94,67%. Аналіз під мікроскопом показав, що в пробах очищеної рідини практично відсутні частки, розмір яких перевищує 25 мкм. При цьому перепад тиску на гідродинамічному фільтрі із закруткою потоку не перевищував 0,015 МПа.

На рис. 14 зображені елементи фільтрувальної сітки при різних значеннях кільцевого зазору, тобто при нерозрахунковому й розрахунковому режимах.

Нерозрахунковий режим Розрахунковий режим

Рис. 14 Елемент фільтрувальної сітки № 000 при різних зазорах h

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі надано нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в обґрунтуванні способу підвищення ефективності очищення рідин від зважених часток гідродинамічним фільтром, з використанням закрутки потоку.