Удосконалення гідродинамічних фільтрів шляхом закрутки потоку в кільцевій області зовні фільтроелемента (стр. 1 )

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Бревнов Олександр Аркадійович

УДК 628.16.067: 66.067.3

Удосконалення гідродинамічних фільтрів шляхом закрутки потоку в кільцевій області зовні фільтроелемента

05.05.17 – «Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Суми – 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Мочалін Євген Валентинович,

Донбаський державний технічний університет,

завідувач кафедри «Теоретична та будівельна механіка».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Кононенко Анатолій Петрович,

Державний вищий навчальний заклад „Донецький національний технічний університет”,

професор кафедри “Енергомеханічні системи”

кандидат технічних наук, доцент

Неня Віктор Григорович,

Сумской государственный университет,

заведующий кафедрой «Информационные технологии проектирования».

Захист дисертації відбудеться 12 червня 2009 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 при Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, в.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету (м. Суми, в).

Автореферат розісланий 08 травня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Савченко Є. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При роботі підприємств гірничої, металургійної, нафтовидобувної, нафтопереробної, хімічної промисловості, паливно-енергетичного комплексу, сільськогосподарського виробництва, енергетики й комунального господарства потрібне обов'язкове очищення робочих, змащуючих і охолоджуючих рідин, а також технічної й питної води від різних дисперсних забруднень. При недостатнім очищенні рідин у гідросистемах знижується ресурс машини, виникають позапланові простої. При надмірному очищенні рідин значно підвищується вартість техніки, збільшуються матеріальні й трудові витрати на технічне обслуговування. Збільшення чистоти рідин і зменшення вартості очищення шляхом удосконалення очисних пристроїв є актуальним питанням, особливо, сьогодні.

Одним з факторів, що дозволяють поліпшити роботу різних пристроїв очищення рідин, є закрутка потоку в робочій порожнині, що давно відома як фактор, що інтенсифікує процеси тепло й масообміну. Цей фактор уже реалізований у ряді конструкцій систем очищення. Однак тут є великий потенціал, використання якого пов'язане з теоретичним дослідженням впливу закрутки потоку на рух часток домішок. Закрутка потоку за певних умов дає можливість не підпускати до проникної поверхні тверді частки певної гущини, за рахунок чого можна досягти поліпшення умов роботи фільтра. Тому дослідження закрученого потоку й твердих часток, що перебувають у ньому, повинне бути невід'ємною частиною розробки пристроїв очищення. Достовірні кількісні результати в цьому напрямку здатні стати основою для технічних рішень, які можуть бути покладені в основу розробки фільтрів і систем очищення рідин, що використовують закрутку потоку і як основний фактор очищення, і як додатковий інтенсифікуючий фактор.

Застосування комп'ютерних технологій дає можливість із меншими витратами сил, часу й матеріальних засобів розрахувати раціональні параметри й створити найбільш ефективний зразок пристрою очищення. Все це свідчить про актуальність таких досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукових програм кафедри «Теоретична й будівельна механіка» Донбаського державного технічного університету (ДонДТУ) і Науково-дослідного проектно-конструкторського інституту (НДПКІ) «Параметр» ДонДТУ. Наведені в дисертації результати пов'язані з виконанням науково-дослідних робіт (НДР) "Дослідження впливу закручення потоку й ламінаризації на ефективність відділення часток домішок при очищенні рідинних середовищ" (номер державної реєстрації 0102U001676), у якій автор був відповідальним виконавцем й «Розробка пристрою тонкого очищення рідин від дисперсних домішок з малими втратами напору й низьких вимог до вихідного забруднення» (номер державної реєстрації 0103U002540), у якій автор був виконавцем.

Мета і завдання роботи. Метою роботи є обґрунтування можливості підвищення ефективності гідродинамічного очищення рідини шляхом використання закрутки потоку, а також розробка технічних рішень і конструктивних схем пристроїв очищення.

Для реалізації мети дослідження повинні бути вирішені наступні завдання:

- дослідження гідродинамічних характеристик потоку несучої рідини в робочій порожнині гідродинамічного фільтра із закруткою потоку;

- виявлення закономірностей руху зважених часток у зоні відділення домішок гідродинамічного фільтра із закруткою потоку;

- обґрунтування раціональної конструкції фільтра, що використовує закрутку потоку в комбінації із сітчастим фільтроелементом і розробка методів розрахунку його гідродинамічних параметрів;

- проведення експериментальних досліджень, що підтверджують ефективність запропонованого пристрою очищення й адекватність отриманих теоретичних результатів реальним фізичним процесам.

Об'єктом дослідження є рух рідини й зважених часток в кільцевій області зовні фільтроелемента гідродинамічного фільтра, що використовує закрутку потоку.

Предметом дослідження є закономірності руху рідини й зважених часток в кільцевій області зовні фільтроелемента, що визначають ефективність очистки рідин гідродинамічним фільтром, що використовує закрутку потоку.

Методи досліджень. Рішення поставлених завдань проводилося з використанням розрахунково-аналітичних методів із застосуванням математичного й фізичного (на експериментальному стенді) моделювання робочого процесу гідродинамічного фільтра із закруткою потоку.

Зокрема, теоретичні дослідження течії в’язкої нестисливої рідини в кільцевому зазорі із проникною стінкою здійснювались на основі скорочених за методами теорії примежового шару, рівнянь Навье-Стокса в циліндричній системі координат.

Моделювання руху твердих часток у потоці рідини виконувалося на базі рівняння Бассе-Буссинеска-Озейна.

При чисельній реалізації розрахункових алгоритмів використовувались метод кінцевих елементів і метод Рунге-Кутта для рішення крайових задач і задач Коші для систем диференціальних рівнянь, відповідно.

Експериментальні дослідження проводилися на базі методів планування експерименту й математичної статистики шляхом стендових випробувань макета гідродинамічного фільтра із закруткою потоку в лабораторії «Гідродинаміки й фільтрувальної техніки» НДПКІ «Параметр» ДонДТУ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Показано, що за рахунок закрутки потоку в кільцевій області зовні сітчастого циліндричного фільтроелементу можна забезпечити достатнє для здійснення гідродинамічного очищення рідини співвідношення дотичної і нормальної до поверхні фільтроелемента компонент швидкості несучої рідини й зважених часток уздовж всієї поверхні фільтроелемента.

2. Вперше встановлено, що закрутка потоку в кільцевій області зовні сітчастого фільтроелемента дозволяє зменшити непродуктивне скидання рідини при роботі неповнопоточного гідродинамічного фільтра в 2-3 рази.

3. Показано, що визначальний вплив на траєкторії руху твердих часток зовні фільтроелемента гідродинамічного фільтру надає сила лобового опору і виштовхуюча сила, обумовлена перепадом тиску в радіальному напрямі. При цьому в розрахунковому аналізі зважені тверді частки допустимо вважати сферичними.

4. Вперше показано, що закрутка потоку зовні циліндричного фільтроелемента, що забезпечує гідродинамічне очищення рідини, дозволяє виключити контакт з фільтруючою поверхнею зважених часток, що мають густину, більшу, ніж густина несучої рідини, і розміри, близькі до розмірів отворів фільтруючої перегородки.

5. Виявлено, що перепад тиску на гідродинамічному фільтрі з закруткою потоку на порядок менше перепаду тиску на гідроциклоні при однаковій витраті рідини.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджуються результатами відомих і власних експериментальних досліджень, достатністю для рішення поставлених задач обсягу матеріалу, отриманого при модельному й обчислювальному експериментах, застосуванням апробованих методів розрахунку (метод скінченних елементів, метод Рунге-Кутта), прийнятним ступенем адекватності розроблених математичних моделей реальним фізичним процесам (розбіжність становить у середньому 8,3 %). Достовірність отриманих експериментальних результатів обумовлена використанням сучасних засобів вимірювання, методів математичного планування експерименту й статистичного аналізу експериментальних даних.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблена конструкція гідродинамічного фільтра із закруткою потоку дозволяє:

- зменшити витрати рідини на скидання до 2-3 разів у порівнянні з гідродинамічним неповнопоточним фільтром;

- знизити на порядок величину перепаду тиску в порівнянні із протиточними гідроциклонами;

- підвищити стійкість закрученої течії в області фільтрування до утворення відриву потоку в пристінних областях.

З використанням методів розрахунку, обґрунтованих у дисертації спроектовано гідродинамічний фільтр, установлений на експлуатаційній ділянці підприємства ЛОКСТП «ЛТКЕ» (м. Ровеньки, Луганська обл., Україна).

Основні теоретичні положення використані в навчальному процесі ДонДТУ.

Експериментальні моделі й засоби вимірювання, розроблені в процесі досліджень знайшли застосування при виконанні лабораторних робіт студентами ДонДТУ.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень, наведені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем. Авторові належать основні ідеї роботи: розробка математичних моделей руху закрученого потоку в кільцевій області фільтрування й руху твердих часток у розрахованому полі швидкостей, розробка методики розрахунку гідродинамічного фільтра із закруткою потоку, підготовка й проведення експериментальних досліджень, а також обробка їх результатів.