Зниження антропогенного навантаження на довкілля від пилових викидів деревообробної промисловості

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

„ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Спеціальність 21. 06. 01 - Екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Зниження антропогенного навантаження на довкілля від пилових викидів деревообробної промисловості

Шелюх Юрій Євгенович

Львів - 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності МНС України

Науковий керівник:

Батлук Вікторія Арсеніївна,

доктор технічних наук, професор,

Львівський державний університет безпеки життєдіяльності МНС України, професор кафедри промислової безпеки та охорони праці

Офіційні опоненти:

Фінкільштейн Зельман Лазаревич,

доктор технічних наук, професор,

Донбаський державний технічний університет,

завідуючий кафедри прикладної гідромеханіки

Куц Віктор Петрович,

кандидат технічних наук, доцент,

Тернопільський державний технічний університет ім.Івана Пулюя, професор кафедри обладнання харчових технологій

Провідна установа: Національний гірничий університет,

Міністерство освіти і науки України, м.Дніпропетровськ.

Захист дисертації відбудеться ” 13 ” квітня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРК 035. 052. 16 в Національному університеті „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, площа Св. Юра, ѕ, 8 корпус (Зал засідань - ауд. 115).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” за адресою: Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий ” 7 ”, березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої радиО.А. Нагурський

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми Захист повітряного басейну від забруднення промисловими та вентиляційними викидами є однією з найсерйозніших проблем сьогодення, яка не визнає міждержавних меж. Об'єми викидів в атмосферу регламентуються, як державними, так і міжнародними конвенціями, для забезпечення яких передбачається впровадження безвідходних технологій, вдосконалення діючих виробництв, ліквідація шкідливих викидів у самому осередку, а при неможливості забезпечення цих заходів - створення нових ефективних методів та апаратів для вловлення шкідливих речовин і пилу з викидів.

Аналіз відомих методів пилоочищення довів, що незважаючи на ефективне вловлення великодисперсних фракцій пилу, вони не можуть забезпечити очищення від фракцій пилу менших за 110-5м більше як на 85%, а спроби підвищення ефективності їх роботи приводять до значного ускладнення схем пилоочищення.

Таким чином можна констатувати важливу науково-практичну проблему - зниження антропогенного навантаження на довкілля, що може бути вирішено шляхом комплексних досліджень в області розроблення методів розрахунку, проектування, виготовлення та експлуатації нових схем пилоочищення, які б здійснювали в одному апараті декілька ступенів розділення, заснованих на використанні відцентрових, інерційних сил та сил тяжіння на базі створення їх математичних моделей, а вирішення цього питання повинно сприяти не тільки підвищенню ефективності роботи пиловловлювачів, але й зниженню енерго- та металоємності, скороченню виробничих площ та зниженню вартості очищення, що і визначає актуальність дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідної роботи Міністерства промислової політики України „Розроблення пиловловлювачів для очистки повітря від пилу у виробничих приміщеннях ”по договору №113 Г від 13.12.2002 року;

Основні положення дисертаційної роботи виконувались відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти та науки України (№ держреєстрації 86029765).

Мета і завдання дослідження Метою роботи є створення принципово нових конструкцій вихрових пиловловлювачів на базі розробленої математичної моделі й аналізу руху повітряних потоків у них, здатних високоефективно вловлювати дрібнодисперсний пил, забезпечуючи при цьому низькі енерго- та металоємнісні параметри.

Для досягнення поставленої мети передбачається вирішення таких задач:

провести оцінку ступеня екологічної небезпеки внаслідок неконтрольованного викиду деревного пилу в атмосферу;

провести порівняльні дослідження у суворо регламентованих умовах найбільш поширених у даний час пиловловлювачів з метою вибору еталону;

провести аналіз сил, що діють на частинки пилу в апаратах їх закрученими потоками;

створити принципово нові конструкції вихрових пиловловлювачів, здатних високоефективно вловлювати дрібнодисперсний пил, створюючи при цьому мінімальні енерго- і металовитрати;

розробити математичну модель робочого процесу руху частинок аерозолю у різних зонах вихрових пиловловлювачів;

на основі проведення математичного аналізу багатофакторного експерименту оцінити вплив геометричних параметрів вихрових пиловловлювачів і технологічних режимів роботи обладнання на ефективність їх роботи; небезпека викид вихровий пиловловлювач

провести експериментальні дослідження запропонованих конструкцій вихрових пиловловлювачів і еталону на стандартних експериментальних стенді та пилу, визначити їх переваги та недоліки;

оптимізувати основні конструктивні характеристики запропонованих вихрових апаратів;

провести порівняння теоретичних розрахунків з результатами експериментальних досліджень;

впровадити у виробництво промислово-дослідний взірець запропонованого автором вихрового пиловловлювача.

Об'єкт дослідження - процес очищення пилогазових потоків від дрібнодисперсного пилу у створених вихрових пиловловлювачах з жалюзійним відокремлювачем.

Предмет дослідження - вплив конструктивних параметрів апаратів та технологічних режимів їх роботи на ефективність очищення повітря від пилу та гідравлічний опір створених вихрових пиловловлювачів з жалюзійним відокремлювачем.

Методи дослідження - в процесі виконання системи теоретичних та експериментальних досліджень застосовувався комплекс основних положень теоретичної механіки, аеродинаміки, математичного аналізу та моделювання. Фізико-хімічні та морфометричні властивості аерозолів визначилися наступними методами: гідродинамічним (для визначення витрат повітря, швидкостей, втрат тиску), ваговий (для визначення ефективності роботи за різницею ваги пилу, вловленого в апараті і того, що в нього поступив), седиментаційний і ситовий (для визначення дисперсного складу пилу).

Робота розроблених вихрових пиловловлювачів досліджувалася на створеній автором дослідно-промисловій установці з використанням математичних методів планування багатофакторного експерименту, варіаційного й дисперсійного аналізів.

У теоретичних розрахунках використані основні рівняння інерційної сепарації в криволінійних каналах; обробка результатів експериментальних досліджень проводилася основними методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

проведений аналіз ступеня екологічної небезпеки внаслідок неконтрольованого викиду деревного пилу в атмосферу;

обґрунтована можливість створення високоефективного пиловловлюючого обладнання на базі вихрового і жалюзійного апаратів;

створена математична модель процесу руху частинок полідисперсного пилу в різних зонах пиловловлювача при різних умовах подачі пилоповітряної суміші в апарат;

на базі тривимірної кінцевої елементної моделі вихрового пиловловлювача визначений вплив сил, які визначають характер руху частинок пилу в них;

методом кінцевих елементів розв'язана система рівнянь Нав'є-Стокса для турбулентного руху повітря;

побудована геометрична модель вихрових пиловловлювачів із урахуванням тих його параметрів, які були визначені експериментально;

проаналізований характер розподілення статичних тисків на різних перетинах апарата і при різних вхідних швидкостях повітряного потоку;

з використанням ПК за математичною моделлю отримані поля швидкостей, лінії потоків повітря і розподіл тисків у вихровому апараті;

на основі багатофакторного експерименту оцінений вплив окремих факторів пилу та пилоповітряного потоку на ефективність пилоочищення, вибрані оптимальні їх значення та визначені основні параметри новостворених вихрових пиловловлювачів;

розроблені основи створення вихрових пиловловлювачів, відмінних від аналогів високою ефективністю пиловловлення, невеликим гідравлічним опором і габаритами;

побудовані статистичні моделі процесів, які виражають залежність ефективності процесу вловлення від параметрів пилоповітряного потоку та режимів роботи установки.

Практичне значення отриманих результатів:

сконструйовані, досліджені та впроваджені у виробництво принципово нові конструкції вихрових пиловловлювачів, новизна яких підтверджена охоронними документами України;

розроблена методика розрахунку технічних характеристик та конструктивних розмірів створених пиловловлювачів, оптимізовані їх конструктивні властивості;

розроблена технічна документація на вихровий пиловловлювач з жалюзійним відокремлювачем продуктивністю 3000 м3/год., яка знайшла практичне застосування на ВАТ „Укртранснафта” філії „Магістральні нафтопроводи „Дружба”, що підтверджено актами впровадження;

на основі результатів експериментальних досліджень розроблені рекомендації щодо практичного застосування створених пиловловлювачів;

розроблена методика техніко-економічної оптимізації системи пиловловлення із застосуванням створеного вихрового пиловловлювача з жалюзійним відокремлювачем.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях за темою дисертації, виконаних зі співавторами, особистий внесок здобувача складається з наступних положень: визначені характеристики дисперсних систем та їх видів [2, 6]; проведений аналіз існуючих конструкцій вихрових пиловловлювачів [1, 12, 13, 15]; визначені принципи конструювання існуючих вихрових пиловловлювачів; проаналізовано та оцінено сили, що діють на частинки пилу в апаратах із закрученими потоками [3, 12, 14]; розроблена математична модель робочого процесу руху частинок аерозолю у різних зонах пиловловлювача; розкрита фізична суть руху пилоповітряної суміші в запроектованому апараті [15]; використовуючи математичну модель процесу, запропонована методика зменшення кількості експериментальних досліджень щодо визначення впливу параметрів апарата на ефективність очистки повітря від пилу [14]; проведено експериментальні дослідження щодо розміщення жалюзійного відокремлювача в корпусі апарата [8, 9, 11]; розроблені принципово нові конструкції вихрових пиловловлювачів на базі розробленої математичної моделі [16, 17, 18]; проведені порівняльні дослідження запроектованих вихрових пиловловлювачів з еталоном [10, 19, 20].

Апробація роботи. Про основні положення роботи та її результати доповідалось й обговорювалось на міжнародних та українських конференціях: III міжнародна наукова конференція „Коллоидная химия и физико-химическая очистка природных систем” (м.Одеса, 2001); науково-технічна конференція „Обработка дисперсных материалов и сред"; (м.Одеса, 2001); 41-й международный семинар по моделированию и оптимизации композитов - МОК'41 „Прогнозирование в материаловедении" (м.Одеса, 2002); VII Міжнародна наукова конференція „Гидроаэромеханика в инженерной практике (м.Черкаси, 2003); Міжнародна науково-технічна конференція „Role of Cement Science in Sustainable Development” (м.Данді, Шотландія, 2003); VI науково-технічна конференція „Пожежна безпека" (м.Харків, 2003); 43-й Международный семинар по моделированию и оптимизации композитов - МОК'43; „Прогнозирование в материаловедении" (м.Одеса, 2004); V Міжнародна наукова конференція „Прогресивна техніка та технологія-2004" (м.Севастополь, 2004); IX Міжнародна конференція „Гидроаэромеханика в инженерной практике” (м.Київ, 2004); Міжнародна конференція „Энергоэффективность крупного промышленного региона". (м.Донецьк, 2004); V Міжнародна науково-практична конференція МНС України (м.Київ, 2004); науково-технічна конференція Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки (м.Львів, 2005).

Публікації. За матеріалами, викладеними в дисертації, опубліковано 15 друкованих праць у провідних спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України, отримано чотири деклараційні патенти України та один патент України.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладені на 196 сторінках машинописного тексту, ілюстрації включають 87 рисунки, 13 таблиці і 20 сторінок додатків. Список використаних джерел складається з 168 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету, визначено об'єкт, предмет, методи досліджень і задачі, які розв'язуються в роботі, сформульована наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи, визначені положення, які мають наукове й практичне значення.

У першому розділі викладені результати інформаційно-аналітичного огляду сучасного стану проблеми антропогенного навантаження на довкілля від пилових викидів деревообробної промисловості та перспективи подальших досліджень у напрямку створення високоефективних апаратів для вловлення дрібнодисперсного пилу.

Аналізується екологічна безпека у деревообробній галузі, визначені основні характеристики дисперсних систем, які довели, що для зменшення небезпеки деревних матеріалів необхідно довести концентрацію пилу, який утворюється в технологічних процесах, до певних величин, обмежених межами гранично допустимих концентрацій.

Розділ включає основні наукові та практичні результати з цієї проблеми, вихідні дані, основні поняття і співвідношення з відповідними посиланнями на апробовані наукові дослідження Коузова П.А., Ізмоденова Ю.А.. Пірумова О.І., Мечнікова Є.П., Кафарова В.В., Фукса П.А., Абрамовича Г.Н., Якуби О.Р., Яхно О.М., Фінкільштейна З.Л., а також теоретичні основи процесів розділення аерозолів в апаратах із закрученими потоками.

У розділі приводиться критичний аналіз існуючих схем сухого пилоочищення, детально розглянуті етапи розвитку і вдосконалення найбільш поширених апаратів „сухої” відцентрової очистки, приведені їх основні характеристики, проаналізовані шляхи вдосконалення і обґрунтовано необхідність розробки нових конструкцій вихрових пиловловлювачів з підвищеною ефективністю роботи для очистки повітря від дрібнодисперсних фракцій пилу. Визначено місце та області раціонального застосування вихрових пиловловлювачів у їх класифікаційній схемі. Проведений детальний аналіз стану досліджень осесиметричних закручених потоків.

Отримані висновки лягли в основу для вибору теми дисертації, визначення її мети та задачі, обґрунтування суті проблеми, можливих шляхів і методів її вирішення, що і складає зміст наступних розділів дисертації.

У другому розділі викладена програма експериментальних досліджень, охарактеризоване устаткування, експериментальні установки для визначення дисперсного складу, визначені основні напрямки вдосконалення конструкцій циклонів, а також сформульоване основне технічне протиріччя, яке повинно бути вирішене при створенні нових конструкцій пиловловлювачів, а саме: будь-який критерій, спрямований на підвищення ефективності, пов'язаний зі зростанням енергетичних витрат.

В якості еталону був вибраний циклон ЦН_11, який одержав широке застосування на підприємствах деревообробної галузі, в якому для зменшення витрат і підвищення ефективності роботи, передусім, необхідно усунути турбулізацію потоку, зменшити інтенсивності вторинних потоків і шукати засоби зменшення сил тертя.

Апаратом, у якому можуть бути реалізовані ці застави, був визначений вихровий пиловловлювач, всередині циліндричної частини корпуса якого коаксійно встановлений жалюзійний відокремлювач певної конструкції.

У розділі описані методики дослідження: ефективності роботи апарата методом зовнішньої фільтрації, швидкостей і витрат повітря, дисперсного складу пилу седиментаційним і ситовим методом; умови створення експериментального пилу з певним стандартним медіанним діаметром.

Для вивчення процесів, які протікають у пиловловлювачах, створений лабораторний стандартний експериментальний стенд, який відповідає всім вимогам, прийнятим для таких випробувань „Єдиною методикою”, у Національному університеті “Львівська політехніка” (рис. 1).

Відповідно до вимог загальноприйнятих для такого класу обладнання з метою визначення впливу конструктивних та технологічних параметрів запропонованих апаратів на ефективність їх роботи були виготовлені розбірні експериментальні зразки пиловловлювачів і заплановано проведення багатофакторних експериментів за планом Коно 2 (КО2). Розрахунки проводилися з використанням стандартного пакета Office (Excel).

У третьому розділі проведена оцінка ступеня екологічної небезпеки внаслідок неконтрольованого викиду пилу деревини в атмосферу шляхом моніторінга деревообробних підприємств України. Для проведення моніторингу використовувалась база даних “Независимые производители товаров и услуг-2005”. Візуалізувались на карті України підприємства з такими видами діяльності: виробництво пиломатеріалів, виробництво деревостружкових плит, виробництво паркету, виробництво меблів.

Моніторинг деревообробних підприємств України показав, що впровадження апаратів для вловлювання деревного пилу треба в першу чергу планувати в місцях максимальної локалізації підприємств - потенційних джерел утворення деревного пилу, які зосереджені в Україні в основному на території Львівської, Волинської, Закарпатської, Івано-Франківської, Київської, Вінницької, Харківської та Дніпропетровської областей. Експериментальними дослідженнями встановлено, що найбільш пилоутворюючими операціями є шліфування та фугування, найбільшу здатність до утворення дрібнодисперсного пилу спостерігається з таких порід дерева, як червоне дерево та ясень.

Проведений аналіз шкідливої дії пилу у випадку попадання пилу деревини на органи дихання людей та тварин. Ефективність самоочищення легенів залежить від властивості пилу: пил з порід дерев, які створюють виражену пошкоджуючу дію на механізми самоочищення, виводяться найгірше та затримуються найдовше.

У результаті розкладу деревного пилу утворюється значна кількість парникових газів, які створюють додаткове напруження для збільшення екологічної небезпеки від цього фактору. Тому актуальним є запровадження міроприємств з уловлення пилу, зменшення кількості відходів, які збільшують кількість парникових газів. Адже дрібнодисперсний характер пилу, який викидається в атмосферу, велика сумарна поверхня цього пилу, приводить до того, що процеси деструкції та розкладу пилу із виділенням парникових газів проходить особливо інтенсивно. Уловлений же пил може з успіхом використовуватись для створення ефективного біопалива, актуальність створення якого підсилюється у міру поглиблення енергетичної кризи та вичерпання викопних видів палива.

Таким чином, в результаті проведених досліджень встановлено, що в результаті обробки деревини утворюється значна кількість відходів, які представляють значну екологічну загрозу внаслідок:додаткового створення парникових газів в результаті розкладу відходів;загрози здоров'ю людей та тварин в результаті потрапляння тонко дисперсного пилу на їх органи дихання.

Четвертий розділ присвячений розробці теоретичних основ створення вихрових пиловловлювачів принципово нового типу (рис. 2).

Визначення характеру руху частинок, що транспортуються потоком у закручених пилоповітряних потоках, та осадження їх на твердій поверхні вимагає вирішення зв'язаних динамічних рівнянь для турбулентного потоку і частинки. Точного вирішення цієї задачі немає й, в основному, використовуються розрахункові схеми різного порядку точності. У даній роботі запропонована одна модель з цього ряду, яка заснована на емпіричних передумовах і теоретичних співвідношеннях однофазних турбулентних потоків. Мотивацією для такого підходу є занадто малий вплив частинок на динаміку пилогазового потоку. Складена система диференційних рівнянь газодинаміки для осесиметричного потоку Ейлера і наведені методи її розв'язання.

Ми використали метод розрахунку газодинамічних потоків, який комбінує властивості ейлеревого і лагранжевого підходів, і дозволяє у певній мірі виключити недоліки кожного. Це є метод „частинок у комірці”, запропонований Ф. Харлой, який використовує нерухому ейлереву сітку, та розглядає ще і лагранжеву сітку, яка представляє елементи, що рухаються по ейлеревій сітці. Розрахунок нестаціонарного руху проводиться кроками за часом. Перехід від одного часового шару t на інший, t + , в методі „частинок у комірці” здійснюється у два етапи. На першому - частинки нерухомі (не враховується рух). На другому етапі за допомогою моделювання руху частинок враховуються процеси їх перенесення. Потоки визначаються дискретним чином: щойно частинка перетинає межу ейлеревої комірки, переходячи з комірки 1 в комірку 2, маса, імпульс і енергія частинки віднімаються від маси, імпульсу і енергії комірки 1 і додаються до маси, імпульсу і енергії комірки 2.

Для запропонованого апарата виведено рівняння балансу та руху аерозолю в газовому потоці і балансова схема транспортування й осадження частинок з нього.

Для розв'язання системи отриманих диференціальних рівнянь на ПК використовували конкретний випадок методу Гіра - удосконалений метод Адамса, що можливо через нелінійність задачі і стрибкоподібність розв'язків, але при цьому було враховане рикошетування частинок.

Для цього весь об'єм циклону був розбитий на нижню (рис.3а) та верхню (рис.3б) частини, що дало змогу провести математичне моделювання процесу руху та сепарації частинок аерозолю у різних робочих зонах вихрового пиловловлювача і визначені коефіцієнти опору, які залежать від розмірів, форми та стану поверхні частинок.

Частинки, що рухаються біля жалюзійного відокремлювача, зона 8-9, рухаються по траєкторіях, близьких до вихідної щілини, потрапляють під дію поперечних потоків повітря. Якщо маса частинки невелика і швидкість її руху незначна, то відхилення частинки від початкової траєкторії може бути таким значним, що вона втягнеться в цю щілину разом з очищеним повітрям (рис.4). Якщо траєкторія руху частинки досить віддалена від входу в щілину між жалюзі відокремлювача, рухається із значною швидкістю і має достатню масу, то відхилення її від початкової траєкторії руху буде незначним (рис.5). Залежно від величини відхилення частинки буде мінятися кут атаки (кут між площиною кожної жалюзі і напрямком руху потоку), тобто, величина втрат енергії при кривому потраплянні на жалюзі і подальша траєкторія їх руху.

Таким чином створена апроксимаційна модель руху частинок пилу в апараті, за допомогою якої ми зможемо для кожного типу аерозолю побудувати траєкторії його руху в апараті теоретично, маючи різні конструктивні параметри пиловловлювача, а в подальшому підібрати найбільш ефективний пиловловлювач для кожного конкретного виду технологічного виробництва.

На характер руху частинок значний вплив мають умови їх контакту при ударі з поверхнею корпуса пиловловлювача, а при достатньо великих швидкостях руху можливе явище рикошету (відбиття) частинок, яке впливає не лише на локальну поведінку частинки, а навіть на якісний характер захоплення частинки в робочих зонах, тому у розділі наведена блок схема алгоритму розрахунку для кожної зони апарата і розглянуті приклади розрахунку деяких зон з врахуванням пружності удару.

Для вивчення фізичного змісту процесів, які відбуваються у вихровому апараті, та для обґрунтування вибору параметрів для експериментальних досліджень побудована 3-х мірна кінцево-елементна модель вихрового пиловловлювача, який представлено на рис.2, для якої методом кінцевих елементів (МКЕ) вирішена система рівнянь Нав'є-Стокса для турбулентної течії повітря, у результаті розв'язку якої отримані поля швидкостей і тисків для різних його зон, які підтвердили припущення про падіння статичного тиску від периферії до осі апарата і довели, що найбільш ефективне очищення повітря від пилу можливе в нижній циліндричній частині апарата при виході забрудненого повітря із вхідного патрубка через завихрювач, а також у верхній зоні в місці розташування жалюзійного відокремлювача, тому що перепад тисків у цих поперечних перерізах найбільший.

Наведений розподіл радіальних і тангенційних швидкостей у різних зонах апарата доводить, що значення радіальних швидкостей вище в центральній частині апарата, а значення тангенційних швидкостей вище біля його стінок.

На основі врахування сил, що діють на частинку в апараті складено рівняння її руху в радіальному напрямку у векторній формі:

,(1)

де - сила руху, що діє на частинку в апараті, в радіальному напрямку і визначає рух частинки до стінки або осі, Н; - відцентрова сила, Н; - сила опору середовища, Н; - сила гідравлічного опору апарата, Н.

Припустимо, що частинка рухається від осі апарата до його стінки, тоді, з урахуванням напрямків сил, рівняння (1) у скалярних величинах прийме вигляд:

.(2)

Тоді диференціальне рівняння руху частинки в радіальному напрямку можна записати наступним чином:

,(3)

де - щільність механічних домішок, кг/м3; - діаметр частинки, м; - радіус обертання частинки, м; - кутова швидкість обертання частинки, с-1; - коефіцієнт, що залежить від форми тіла, для кулі ; - щільність середовища, кг/м3; - коефіцієнт кінематичної в'язкості, м2/с;

Як видно з цього рівняння, характер руху може мати три варіанти:

якщо відцентрова сила більша за модулем суми сил опору середовища й гідравлічного опору, то частинка рухається до стінок апарата і через нижній патрубок виходу пилу видаляється з нього;

якщо сума сил опору середовища й гідравлічного опору більша за модулем відцентрової сили, то частинка рухатиметься до осі апарата і далі, разом з висхідним потоком повітря до жалюзійного відокремлювача й випускного патрубка очищеного повітря;

якщо відцентрова сила дорівнює за модулем сумі сил опору середовища й гідравлічного опору, то частинка рухається в рівноважному стані на певній орбіті і випадає в малий бункер, а її розмір визначає граничний діаметр частинок, які вловлюються в апараті.

П'ятий розділ присвячений експериментальним дослідженням процесу пиловловлення у розроблених вихрових апаратах, проведеним, виходячи з теорії планування експерименту; способам обробки результатів дослідів із застосуванням теорії ймовірності; підтвердженню адекватності розроблених теорій розрахунку, математичних моделей, розрахункових програм.

Через відсутність у даний час пиловловлювачів здатних високоефективно вловлювати дрібнодисперсний пил, автором запропоновані три конструкції вихрових апаратів, захищених охоронними документами України, відмінною особливістю яких є розміщення коаксійно корпусу апарата жалюзійного відокремлювача певної конструкції: у першій та другій конструкціях жалюзійний відокремлювач розташований нижче патрубка подачі вторинного повітряного потоку і для них визначаючими є відношення висоти патрубка виходу пилу до його діаметра і кута його нахилу до горизонтальної осі.

Друга конструкція апарату (рис.6) була досліджена спільно з політехнічним інститутом м. Вроцлава (Республіка Польща) на кафедрі теплотехніки і механіки очистки на стандартному стенді аналогічному стенду, представленому на рис.1, для якої було досліджено 8 типів жалюзійних відокремлювачів: І - А - конічний; ІІ - В - циліндричний; ІІІ - С - конічний з вкороченими жалюзі; IV - D - конічний з найкоротшими жалюзі; V - В + С; VI - В + D; VII - В + Е - конус без жалюзі; VIII - звичайний апарат (без жалюзійного відокремлювача).

Експериментальні порівняльні дослідження запропонованих конструкцій жалюзійних відокремлювачів (рис.7) довели недоцільність введення їх у вихрові пиловловлювачі нижче патрубка подачі вторинного потоку для підвищення ефективності вловлення дрібнодисперсного пилу, тому що це турбулізує потік, вводить в дію небажані сили інерції, змішує потоки, що рухаються знизу вверх і зверху вниз, послабляє позитивну дію допоміжного газу. Тому необхідно шукати інші шляхи вдосконалення вихрових пиловловлювачів, що ми і провели, запропонувавши пиловловлювач третьої конструкції (рис.2)

У запропонованій конструкції розташування жалюзійного відокремлювача поза корпусом апарата 3 і конструюванням його таким, що він є продовженням вихідного патрубка очищеного повітря 6 з корпуса 3, дозволяє уникнути турбулізації потоку і виділити його окремим елементом - другою ступінню очистки.

Принципово нове виконання жалюзі відокремлювача, запропоноване нами, дозволяє створити мінімальний кут атаки , а це створює найсприятливіші умови для обтікання їх потоком і виходу очищеного повітря через додаткові корпус і патрубок назовні. Тверді частинки дрібнодисперсного пилу, які несе з собою цей потік, мають таким чином найсприятливіші умови для сепарації з цього потоку за рахунок відбиття від жалюзі, тобто зростає ймовірність їх стикання з жалюзі і відбиття в його середину, що в свою чергу підвищує ефективність його роботи. Виконання патрубка виходу очищеного повітря з першого корпуса 6 у вигляді двох циліндрів з певним співвідношенням діаметрів дозволяє запобігти змішуванню частинок пилу, виділених з потоку, з пилоповітряним потоком, який виходить з корпуса 3, що також веде до збільшення ефективності роботи апарата.

Для того, щоб зрозуміти, яке місце займуть створені нами пиловловлювачі у загальному колосальному ряді існуючих сьогодні апаратів, проведено їх дослідження, які дозволили звести їх кількість шляхом порівняльних випробовувань до невеликого конкретного ряду за ефективністю, гідравлічним опором і металоємністю, при однакових енергетичних витратах.

Експериментальним шляхом визначені залежності ефективності пиловловлення у запропонованих апаратах від: продуктивності установки по запиленому газу, кількості допоміжного газу, конструкції жалюзійного відокремлювача, дисперсних характеристик пилу.

Для кожного апарата теоретично розраховані величини ефективності їх роботи за формулами, отриманими шляхом апроксимації експериментальних даних за методом найменших квадратів.

На рис.8-14 наведені результати порівняльних досліджень всіх трьох запропонованих конструкцій пиловловлювачів і циклона ЦН-11 (еталона), на яких зберігається спільне значення тенденції збільшення ефективності пиловловлення: з переходом від циклона ЦН-11 до першого апарата, потім до другого і, нарешті, до третього апарата, зі збільшенням медіанного діаметра пилу незалежно від конструктивного виконання пиловловлювача, а також зі збільшенням витрат повітря в стенді.

Всі ці закономірності можна пояснити наступним чином. Збільшення медіанного діаметра пилу призводить до збільшення відцентрової та інерційної сил, а також сили ваги, які визначають процес виділення аерозолів з пилогазового потоку в усіх без винятку апаратах, які ми досліджували. Збільшення витрат повітря в стенді приводить до збільшення швидкості руху пилогазової суміші, як в корпусі апарата, так і при проходженні через щілини між жалюзі відокремлювача, що, в свою чергу, збільшує величину відцентрових, інерційних сил і сил тяжіння та призводить до збільшення ефективності пиловловлення.

Порівняльні дослідження запропонованих трьох конструкцій вихрових пиловловлювачів і циклона ЦН-11 довели, що найгірший з них, виконаний за варіантом 1, перевищує ефективність циклона ЦН-11 на 0,8-1,2%; аппарат, виконаний за варіантом 2 - на 2-3%, а апарат, виконаний за варіантом 3 - на 3-5%, що пояснюється конструктивними особливостями кожного з них.

Таким чином, встановлення всередині корпуса апарата другого ступеня відокремлення - жалюзійного відокремлювача дозволяє зразу ж підвищити ефективність пиловловлення, а винесення другого ступеня відокремлення в окремий корпус, розташований вище патрубка вводу вторинного газу, дозволило значно підвищити ефективність пиловловлення, що на рівні таких значень ефективності пиловловлення є досить вагомим.

На рис. 15 наведені залежності гідравлічного опору порівнювальних апаратів від витрат повітря в стенді, з яких легко зробити висновок про зростання гідравлічного опору апарата з ростом витрат повітря в стенді, що пояснюється збільшенням швидкості руху пилогазового потоку в трубопроводах, корпусі апарата, при проходженні в щілини між жалюзі відокремлювача і виході

очищеного повітря з апарата, а це, в свою чергу, призводить до збільшення гідравлічного опору. Слід зауважити, що гідравлічний опір зменшується при переході від циклона ЦН-11 до апаратів першого, другого і третього виконання, що пояснюється конструктивними особливостями кожного з апаратів.

У шостому розділі подано практичне застосування результатів досліджень. Охарактеризований стан питання вловлення пилу деревини, експериментально визначені інтенсивності пиловиділення при роботі деревообробного обладнання і дисперсний склад пилу, який при цьому утворюється. Представлена схема обезпилювання з використанням запропонованого вихрового пиловловлювача третьої конструкції при роботі деревообробного комбінованого верстата К40М, встановленого в столярному відділенні ВАТ „Укртранснафта” філії „Магістральні нафтопроводи „Дружба” в с. Куровичі Львівської області, яка дозволила значно підвищити (до 18 %) ефективність вловлення дрібнодисперсного пилу (тип А), знизивши викиди столярного відділення до норм ГДК та ГДВ, енерго- та металоємність, а це відкриває широкі перспективи для її впровадження в аналогічних виробництвах.

ВИСНОВКИ

Проведений інформаційно-аналітичний огляд сучасного стану проблеми антропогенного навантаження на довкілля від пилових викидів деревообробної промисловості та перспективи подальших досліджень у напрямку створення високоефективних апаратів для вловлення дрібнодисперсного пилу.

Розроблено математичну модель робочого процесу руху частинок аерозолю у різних зонах вихрового пиловловлювача, яка комбінує властивості ейлеревого та лагранжевого підходів, для якої методом “частинок у комірці” розрахований рух пилогазового потоку в апараті і побудована розрахункова схема руху й осадження частинок аерозолю для різних зон апарата, що дозволило теоретично обґрунтувати умови сепарації у цих зонах частинок аерозолю з апарата. Балансова схема транспортування та осадження частинок у вихровому пиловловлювачі комбінованого типу із закрученими потоками дозволила математично змоделювати рух частинок у різних робочих зонах апарата.

Математичне моделювання процесу сепарації відображає взаємозв'язок процесу руху твердих частинок в апараті з його ефективністю, що дозволило отримати траєкторії руху частинок на різних ділянках апарата, за якою розрахована ефективність апарата для кожного типу пилу, а це дає змогу для кожного типу аерозолю теоретично, маючи різні конструктивні параметри пиловловлювачів, підібрати найбільш ефективну конструкцію для кожного конкретного типу технологічного виробництва.

Вперше побудована трьохмірна кінцево-елементна модель вихрового пиловловлювача, для якої методом кінцевих елементів (МКЕ) вирішена система рівнянь Нав'є-Стокса для турбулентної течії, дозволила:

розкрити фізичну сутність руху повітря, що очищується у проектованому апараті;

визначити вплив сил, які діють на частинку у радіальному осьовому та тангенціальному напрямках, на характер її руху і розподіл тисків в апараті;

значно знизити кількість експериментальних досліджень щодо вивчення впливу параметрів апарата на ефективність очищення й провести їх цілеспрямовано

Експериментальні дослідження, проведені у Вроцлавському політехнічному інституті (республіка Польща), довели недоцільність розміщення другого ступеня відокремлення - жалюзійного відокремлювача в корпусі апарата нижче рівня вводу вторинного допоміжного газу, що полегшило задачу створення апарата для високоефективного вловлення дрібнодисперсного пилу.

Порівняльні дослідження на стандартному стенді та пилу довели переваги запропонованих вихрових пиловловлювачів перед циклоном ЦН-11.

Третій варіант конструктивного виконання пиловловлювача дозволив на 2_4 % підвищити ефективність його роботи завдяки розміщенню жалюзійного відокремлювача в окремому корпусі, розташованого над патрубком вводу вторинного газового потоку, зменшивши при цьому гідравлічний опір його на 80 - 100 Па, а габаритні розміри - в 1,2 рази.

Впровадження результатів дисертаційної роботи дало змогу підвищити ефективність процесу очищення повітря від деревного пилу та довести концентрацію аерозолю до норм граничнодопустимих концентрацій на ВАТ „Укртранснафта”, філія „Магістральні трубопроводи „Дружба” в с. Куровичі Львівської області.

ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Вихрові пиловловлювачі нового типу. // Лібкх НАНУ НПО „Вотум”. - Одеса. - 2001. - №11. - с.59-61.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Сучасні методи очистки повітря від пилу. // Лібкх НАНУ НПО „Вотум”. - Одеса. - 2001. - №11. - с.20.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Математична модель системи :пиловловлювач - пилоповітряна суміш будівельних матеріалів// Матеріали 41-го міжнародного семінару по моделюванню і оптимізації композитів (МОК '41). - Одеса. - 2001. с.190-191.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Методи зниження пожежовибунебезпечних факторів промислових видів пилу // Матеріали VI науково-практичної конференції „Пожежна безпека”. - Харків. - 2001. - с.60-61.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Створення високоефективного обладнання для вловлення пожежо-вибухонебезпечного пилу. // ЗНП Пожежна безпека. - Львів. - 2002. - №2. - с.126-130.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Дослідження вихрових пиловловлювачів. // Науковий вісник львівської Державної академії ветеринарної медицини ім.С.Гжицького. - Львів. - 2002. - №4. - с.230-235.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Role of Cement Science in Sustainable Development, The problem of highly effective purification from pust. (Проблема високоефективного очищення повітря від пилу)// Матеріали міжнародної конференції. - Шотландія, м. Данді. - 2003. - с.506-508.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Визначення оптимальних конструктивних розмірів відцентрово-інерційних пиловловлювачів // Вісник Сумського державного університету (машинобудування). - 2003. - №12(58). - с.54-58.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Оптимізація роботи вихрових пиловловлювачів // Матеріали 43-го міжнародного семінару по моделюванню і оптимізації композитів (МОК '43). - Одеса. - 2004. - №11. - с.198-199.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Високоефективне вловлення дрібнодисперсного пилу у вихрових апаратах // Науково-технічній журнал „Экотехнологии и ресурсосбережение”. - Київ. - 2004. - №6 - с.71-74.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Експериментальні дослідження апаратів для очистки повітря від пилу в радіоелектронній промисловості. // Науково-практична конференція інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки НУ „Львівська політехніка”. - Львів. - 2005. -с.5.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Математичне моделювання процесів пиловловлення у вихрових апаратах. // Всеукраїнський науково-технічній журнал „Промислова гідравліка і пневматика”. - Вінниця. - 2005. - с.41-46.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Прогресивна техніка для очистки повітря від пилу. // Вісник Національно технічного університету України „Київський політехнічний інститут”. - Київ. - 2004. №45 - с.51-53.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Використання статистичного моделювання для оптимізації процесів очистки. // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції „1-й всеукраїнський з'їзд екологів”, Тези доповідей. - Вінниця. - 2006. - с.100.

Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Тривимірна кінцево-елементна модель вихрових пиловловлювачів. // Всеукраїнський науково-технічній журнал. - Вінниця. - 2006. №2 (12) - с.35-39.

Деклараційний патент 54119А Україна В01Д45/00. Вихровий пиловловлювач. /Батлук В.А., Шелюх Ю.Є., Батлук В.К. Опубл. від 17.02.03, Бюл. №2.

Деклараційний патент 53864А Україна В01Д45/00.Вихровий пиловловлювач. /Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Батлук В.К. .Опубл. 17.02.03, Бюл. №2.

Деклараційний патент 62071А Україна В01Д45/00. Високоефективний пиловловлювач. /Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Опубл.15.02.2003, Бюл №12.

Деклараційний патент 55787 Україна В01Д45/00. Прямотечійний пиловловлювач. /Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Опубл.15.04.03, Бюл. №4.

Патент 62071А Україна В01Д45/00. Високоефективний пиловловлювач. /Батлук В.А., Шелюх Ю.Є. Опубл.17.01.2005, Бюл №1.

АНОТАЦІЇ

Шелюх Ю.Є. Зниження антропогенного навантаження на довкілля від пилових викидів деревообробної промисловості, - рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - „Екологічна безпека”. - Національний університет „Львівська політехніка”,м. Львів, 2007.

Дисертація присвячена питанням зниження антропогенного навантаження на довкілля від пилових викидів деревообробної промисловості шляхом вдосконаленню існуючих схем очистки повітря від промислових видів пилу з метою доведення шкідливих викидів до граничнодопустимих концентрацій (ГДК) та граничнодопустимих викидів (ГДВ).

В роботі досліджено характер руху частинок, що транспортуються потоком у вихрових пиловловлювачах та обґрунтовано необхідність розташування в корпусі апарата жалюзійного відокремлювача і введення паралельно з основним струменя допоміжного газового потоку.

Побудована математична модель дозволила отримати траєкторію руху частинок на різних ділянках апарата, за якою розрахована ефективність його роботи.

Створено трьохмірну кінцево-елементну модель вихрового пиловловлювача, яка дала можливість розкрити фізичний зміст процесів, які в ньому відбуваються, та обґрунтувати вибір параметрів для експериментальних досліджень.

Запропоновано три варіанти принципово нових конструкцій вихрових пиловловлювачів, спільною відзнакою яких є розташування коаксійно корпусу апарата другого ступеня очищення - жалюзійного відокремлювача, причому найкращим є апарат, у якому жалюзійний відокремлювач розташований вище патрубка подачі вторинного газу.

Порівняльні дослідження запропонованих апаратів довели їх переваги перед циклоном ЦН-11.

Результати роботи впроваджені у виробництво.

Ключові слова: вихровий пиловловлювач, жалюзійний відокремлювач, гідравлічний опір, ефективність пиловловлення, пилогазовий потік, дрібнодисперсний пил.

Шелюх Ю.Е. Снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду от пылевых выбросов деревообрабатывающей промышленности. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - Экологическая безопасность. - Национальный университет “Львовская политехника” , г. Львов, 2007.

Диссертация посвящена вопросам снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду от пылевых выбросов деревообрабатывающей промышленности путём усовершенствованию существующих схем очистки воздуха от промышленных видов пыли с целью уменьшения вредных выбросов и снижения их концентрации до необходимых величин, ограниченных нормами допустимых концентраций.

Проведенный анализ и оценка сил, действующих на твердые частицы в аппаратах с завихренными потоками, показал, что инерционные силы сепарации на участке нестационарного движения выше центробежных, но, вследствие их непродолжительного действия, они способны вызывать только неблагоприятное смещение частиц к патрубку выхода воздуха.

В работе разработана математическая модель рабочих процессов движения частиц в разных зонах пылеуловителей, описывающая характер осаждения и движения частиц, которые транспортируются потоком, основанная на эмпирических предпосылках и теоретических соотношениях турбулентных потоков. Предложен метод расчета газодинамических потоков, который комбинирует свойства Эйлерового и Лагранжевого подходов - метод “частиц в ячейке”, в результате чего скорости частиц определены путем линейных интерполяций, обозначенных величин соседних ячеек, что эквивалентно интерпретации скорости по плоскостям.

Высокие скорости прохождения процесса пылевыделения и кратковременное пребывание материала в аппарате сужают возможность экспериментальных исследований, протекающие в нем, поэтому особенное значение имеет математическое моделирование процесса сепарации, отображающее взаимосвязь процесса движения твердых частиц в аппарате и его эффективность. Разработанная модель позволила получить траектории движения частиц на разных участках аппарата, для которых рассчитана эффективность работы аппарата для каждого типа пыли, что дает возможность для каждого типа аэрозоля теоретически, имея разные конструкции пылеуловителей, подобрать наиболее эффективную для конкретного вида технологического производства.

Проведенный теоретический анализ дал возможность раскрыть физическую сущность процесса движения потока, который очищается в аппарате, и определить характер воздействия на частицу всех сил.

Математическая модель позволила значительно снизить объем экспериментальных исследований по изучению влияния параметров аппарата на эффективность его работы.

В результате анализа теоретических исследований предложены три варианта принципиально новых конструкций вихревых пылеуловителей, отличительным признаком которых является размещение в корпусе аппарата второй ступени очистки - жалюзийного отделителя, причем наилучшим вариантом является вариант, когда жалюзийный разделитель размещен выше патрубка входа вторичного потока.

Сравнительные исследования доказали преимущества предложенных конструкций вихревых пылеуловителей перед известным циклоном ЦН-11.

Результаты работы внедрены в производство.

Ключевые слова: вихревой пылеуловитель, жалюзийный отделитель, гидравлическое сопротивление, эффективность пылеулавливания, пылегазовый поток, мелкодисперсная пыль.

Shelyuh Y.E. Anthropogenic loading decline on an environment from the woodworking industry dust - manuscript.

The thesis of obtaining of science degree of the candidate of engineering sciences the specialist 21.06.01 - „Ecological safety”, National university “Lvov polytechnica” of Department of education and science of Ukraine, Lvov, 2006.

The thesis is devoted to perfection of existent charts of cleaning of air from the industrial types of dust with the purpose of leading of the harmful emission landing to limit-admissible concentrations (GDC) and limit-admissible emission landing (GDV) cleaning of environment from a small dispersion dust.

The character of precipitating of motion of particles which is transported by a stream in vertical dust-catchers is investigated in the thesis. The necessity of disposing in the frame of apparatus of jalousie separator and introduction parallel with basic stream of auxiliary gas stream is well-founded.

The constructed mathematical model allowed to get the trajectory of moth ion of particles on different areas of apparatus where efficiency of work of dust-catcher is calculated.

The three-dimensional eventual-element model of vertical dust-catcher is constructed. It gave possibility to expose physical maintenance of processes which took place in it. The choice of parameters for experimental researches is well-founded.

As a result of analysis of experimental researches three variants are offered of principle new constructions of vertical dust-catchers and the outline difference of which is disposition of coaxial emission of the apparatus of second degree of cleaning jalousie separator.

The results of work are applied in industry.

Keywords: vertical dust-catcher, jalousie separator, hydraulic resistance, efficiency of dust catching, dust gas stream, small dispersion dust.

Размещено на Allbest.ru

...