Підвищення ефективності пиловловлення в процесах оброблення деревини та деревинних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ЛІСОТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

УДК 674:621.928.93

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПИЛОВЛОВЛЕННЯ В ПРОЦЕСАХ ОБРОБЛЕННЯ ДЕРЕВИНИ ТА ДЕРЕВИННИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.23.06 - технологія деревообробки, виготовлення меблів

та виробів з деревини

ДАДАК ЮРІЙ РОМАНОВИЧ

Львів - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі безпеки життєдіяльності Національного лісотехнічного університету України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Джигирей Віктор Степанович, кандидат технічних наук, доцент, Національний лісотехнічний університет України Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедрою безпеки життєдіяльності, м. Львів.

Офіційні опоненти:

Соколовський Ярослав Іванович, доктор технічних наук, професор, Національний лісотехнічний університет України Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедрою обчислювальної техніки і моделювання технологічних процесів, м. Львів.

Ляшеник Андрій Васильович, кандидат технічних наук, Коломийський політехнічний коледж Міністерства освіти і науки України, завідувач лабораторією комп'ютерних технологій, м. Коломия.

Захист відбудеться "07" жовтня 2008 р. о 14-30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.04 Національного лісотехнічного університету України за адресою: м. Львів, вул. Ген. Чупринки 103, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного лісотехнічного університету України за адресою: Львів-57, вул. Ген. Чупринки, 101.

Автореферат розісланий "28" серпня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради І.М. Озарків.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Деревообробна галузь за забрудненістю атмосфери входить в першу десятку серед всіх галузей промисловості. Концентрація пилу у повітрі, яке викидається в атмосферу деревообробними підприємствами, згідно з чинними нормативними документами, не повинна перевищувати 60…120 мг/м³, що накладає додаткові вимоги до повітроочищувального обладнання.

Проблема створення нових високоефективних апаратів визначається складністю самого процесу сепарації. На процес очищення впливає багато чинників, які пов'язані між собою складною фізичною взаємодією. Тому на даний час не створено досконалої наукової бази, яка ґрунтувалась би на поєднанні практичних та теоретичних досліджень, що в повній мірі описують вищезгадані процеси. Теоретичні основи створення нових конструкцій пиловловлювачів заклали такі вчені, як Коузов П.А., Пірумов А.І., Козоріз Г.Ф., Батлук В.А. та інші. Одним з напрямів вирішення поставленої задачі є створення пиловловлювальних установок нового типу, принцип дії яких ґрунтується на поєднанні різних способів очищення. Також важливо знайти оптимальні співвідношення між економічними та технологічними параметрами пиловловлювальних апаратів, оскільки їхня ефективність за певних умов може не виправдовувати видатки на виготовлення та експлуатацію.

Існуючі в даний час апарати для очищення повітря від деревного пилу не здатні з достатньою ефективністю вловлювати його дрібнодисперсні фракції та одночасно забезпечувати невисокі енергетичні показники, що зумовлено недосконалістю їх конструкції та складністю сепараційних процесів. Тому актуальною є необхідність створення апаратів, які здатні високоефективно вловлювати дрібнодисперсний деревний пил і знизити при цьому енерго- та металоємність конструкції.

Реалізація інженерної конструкції апарата, який відповідав би цим вимогам на основі теоретичного обґрунтування та дослідження процесів пилоочищення в умовах обробки деревини та деревинних матеріалів, визначає актуальність дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в рамках наукового напряму розвитку науки і техніки України та відповідно до плану науково-дослідної роботи технологічного факультету Національного лісотехнічного Університету України: "Розвиток теорії еколого-енергоощадного оброблення деревини та виробництва меблів" (ДБ 08.16-07-2003, державний реєстраційний номер 0103U000083).

Мета роботи. Мета роботи - підвищення ефективності пиловловлення в процесах оброблення деревини та деревинних матеріалів на основі розроблення та впровадження високоефективного повітроочищувального обладнання. Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі завдання дослідження:

· проаналізувати процес утворення пилу в процесах оброблення деревини та деревинних матеріалів і визначити конструктивні та експлуатаційні характеристики існуючих знепилювальних апаратів;

· побудувати математичну модель руху частинок пилу деревини в циклонному пиловловлювачі з жалюзійним відокремлювачем;

· провести експериментальні дослідження циклонного пиловловлювача з жалюзійним відокремлювачем;

· дослідити вплив конструктивних та технологічних параметрів створених пиловловлювачів на їхню ефективність та експлуатаційні характеристики;

· розробити конструкцію циклонного пиловловлювача з жалюзійним відокремлювачем і методику його проектування та розрахунку;

· розробити нові конструкції пересувних пиловловлювачів на основі циклонного апарата з жалюзійним відокремлювачем;

· провести експериментальні дослідження запропонованих конструкцій пересувних пиловловлювачів для порівняння з відомими сепараторами;

· сформулювати рекомендації щодо подальшого вдосконалення конструкцій пиловловлювачів.

Об'єкт дослідження - процес знепилення викидів деревообробних підприємств від деревного пилу за допомогою циклонних пиловловлювачів з жалюзійним відокремлювачем.

Предмет дослідження - підвищення ефективності пиловловлення в процесах оброблення деревини та деревинних матеріалів за допомогою циклонних пиловловлювачів з жалюзійним відокремлювачем

Методи дослідження. У дисертації використано:

· методи механіки суцільного середовища, аеродинаміки, чисельного аналізу та моделювання для проведення теоретичних досліджень;

· методи зовнішньої фільтрації для визначення концентрації пилу;

· гідродинамічні методи визначення величин інерційної сепарації у закручених потоках;

· методи математичної статистики для оброблення експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі:

· побудовано нову математичну модель руху частинки пилу деревини в циклонному пиловловлювачі з жалюзійним відокремлювачем, яка, на відміну від інших, враховує геометричні параметри жалюзійного відокремлювача;

· встановлено закономірності перенесення частинок пилу в циклонному пиловловлювачі з жалюзійним відокремлювачем;

· теоретично та експериментально обґрунтовано доцільність поєднання відцентрового та інерційного способів уловлення пилу в одному апараті;

· вперше побудовано твердотільну модель сепаратора, дослідження якої здійснено на основі рівнянь Нав'є-Стокса та методів скінченних елементів;

· створено нові конструкції відцентрово-інерційних пиловловлювачів для уловлення деревного пилу.

Практичне значення отриманих результатів полягає у використанні розроблених пиловловлювачів при проектуванні системи технологічної аспірації на ПП "Дизайн" та ВАТ "Людвипіль" м. Костопіль. Результати наукових досліджень використовуються у навчальному процесі і відображено у навчальних програмах дисципліни "Основи охорони праці".

Особистий внесок здобувача. Всі наукові та практичні результати отримані здобувачем самостійно. В роботах [1, 2] здобувачу належить створення дослідної моделі апарата, результати експериментальних досліджень. В роботах [3, 5] автору належить проведення експериментальних досліджень, оброблення даних та формулювання наукових висновків. В роботах [6, 7, 8] автору належить комп'ютерне моделювання досліджуваних процесів, створення та експериментальне дослідження моделей пиловловлювача. В роботах [4, 10] автору належить розроблення математичних моделей та формулювання висновків.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та отримали позитивну оцінку на: ІV комплекс наукових заходів (Одеса, 2005); VI міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП (Львів, НУ "Львівська політехніка", 2005 р.); ІІ міжнародній науково-практичній конференції "Энергоэффективность крупного промышленного региона" (2006 р., Донецьк); VIІ міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП (Вінниця, Вінницький національний аграрний університет, 2006 р.); Науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу НЛТУ України (Львів, 2004-2008 рр.); VІI міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП (Мелітополь, ТДАТУ, 2007 р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в 10 друкованих статтях у фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України. Отримано один патент України на винахід, патент України на корисну модель та три деклараційних патенти України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, основних висновків і додатків. Загальний обсяг роботи становить 187 сторінок, з них - 130 сторінок основного тексту. Містить 68 рисунків, 13 таблиць та 26 сторінок додатків. Список використаних джерел складається з 149 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, поставлена мета та окреслені шляхи її досягнення, сформульовано наукову новизну і практичну значимість роботи. Наведено інформацію про апробацію роботи, публікації, відображено основні результати і положення, що виносяться на захист.

У першому розділі "Аналіз конструктивних та експлуатаційних характеристик апаратів для знепилення" зроблено аналітичний огляд відомих конструкцій механічних пиловловлювачів та чинників, які впливають на роботу таких апаратів. Визначено переваги циклонів над іншими пиловловлювачами та обґрунтовано необхідність створення на їхній основі нових конструкцій апаратів, в яких би поєднувалися різні принципи пиловловлення. Наведено дані про сучасний стан математичного моделювання відцентрової сепарації пилу.

Сформульовані основні напрямки роботи з розроблення нової конструкції пиловловлювача та окреслені основні напрями теоретичних та експериментальних досліджень.

У другому розділі "Математичне моделювання процесу руху частинок пилу у пиловловлювачі" проаналізовано сили, які діють на частинку пилу у відцентрових та інерційних пиловловлювачах та описані закономірності її руху в таких апаратах.

Рух частинки пилу в криволінійному потоці описували, виходячи з диференціального рівняння у векторній формі:

, (1)

де - аеродинамічна сила, яка характеризує стік повітря до центра апарата; - час релаксації частинки, с; m - маса частинки пилу, кг. На основі рівняння (1), перейшовши до полярної системи координат r, и, описано рух частинки пилу системою двох диференціальних рівнянь:

(2)

де r - відстань від осі пиловловлювача до центра маси частинки, що рухається, м; t - час перебування частинки в циклоні, с; k, k₂ - постійні, що характеризують фізико-механічні властивості частинки пилу; V₀ - швидкість руху частинки пилу на початковій ділянці м/с; R₀ - радіус входу частинки в пиловловлювач, м.

Із системи рівнянь (2) визначали радіальну координату частинки пилу в довільний момент часу r=r(t) та її дугову координату. За відомими значеннями координат побудували траєкторію руху частинки в просторі між зовнішньою стінкою апарата і жалюзійним відокремлювачем. Для розв'язку системи рівнянь (2) було задано додаткові умови. Вважали, що частинка пилу влітає в апарат і починає рухатися в напрямку до відокремлювача (початковий етап), потім вдаряється в жалюзі і відбивається від них з деякою швидкістю, або проникає в щілину між жалюзі (рис. 1). У першому випадку рух частинки продовжується далі (наступний етап) до стінки корпуса апарата, а в другому випадку частинка виводиться із чистим повітрям, що є небажаним явищем. Відбившись від жалюзі, частинка пилу повинна рухатися якийсь час в напрямку до зовнішньої стінки апарата, але під дією аеродинамічної сили стоку вона знову повертається до жалюзійного відокремлювача. Час перебування частинки пилу в активній зоні апарата , де

,

Н - висота циліндричної частини циклона, м; g - прискорення земного тяжіння, м/с².

Враховуючи можливі траєкторії руху частинок пилу (рис. 1) знайдено розв'язок системи диференціальних рівнянь (2), який задовольняє наступні початкові чи граничні умови:

t = 0; r = R₀; ; (положення 1);

t = t₂; r = R₁; ; (положення 3); (3)

t = t₁; r = r_сер; ; ; , i=0,…, n-1 (положення 2),

,

де z_p - кількість жалюзі у відокремлювачі, r_сер - уявне коло, що проходить через середину довжини жалюзі, l - ефективна довжина жалюзі тобто та частина кола радіуса r_сер, від якої відбиваються частинки пилу; х_R - радіальна складова швидкості руху частинки. При розрахунках l вважається відомою величиною.

Рис. 1. Можливі траєкторії руху частинок пилу в пиловловлювачі з жалюзійним відокремлювачем.

У формулах (3) положення 1 (рис. 1) характеризує момент введення частинки пилу разом із пилоповітряним потоком в пиловловлювач; положення 2 фіксує момент удару частинки пилу в жалюзі пиловловлювача. При цьому припускається, що радіальні складові швидкості частинки пилу до і після удару є рівними. Час t₂ (а відповідно і ) знаходяться в результаті розв'язування першого рівняння системи (2) з початковими умовами для положення 1; положення 3 характеризує момент відбивання частинки пилу від зовнішньої стінки. Частинка пилу не завжди досягає зовнішньої стінки. Час t₃, (а відповідно і швидкість ) знаходимо в результаті розв'язування першого рівняння (2) з початковими умовами для положення 2.

Розв'язання системи (2) методом Рунге-Кутта четвертого порядку дало змогу описати рух частинок пилу наступним чином. Частинки діаметром d?6,5·10^-6м, потрапляючи у пиловловлювач, рухаються по стаціонарних орбітах (рис. 2) і будуть вловлені в запропонованій конструкції пиловловлювача. Така частинка досягає конічної частини апарата, після чого, внаслідок тертя, втратить швидкість і випаде в бункер. Частинки пилу, діаметр яких є більшим за 6,5•10^-3м, під дією відцентрової сили відкидаються до зовнішньої стінки пиловловлювача і сповзають по ній у бункер. Траєкторія руху такої частинки показана на рис. 3.

Рис. 2. Траєкторія руху частинки 6,5·10^-6, м в пиловловлювачі.

Рис. 3. Траєкторія руху частинки 8·10^-6, м в пиловловлювачі.

Метою зміни конструкції циклона є підвищення його ефективності за рахунок встановлення жалюзійного відокремлювача всередині циклона. Тому більш детально розглядали рух частинок пилу з медіанним діаметром меншим за 6,5·10^-6 м. Траєкторії руху таких частинок, які представлені на рис. 4 а-г, дають змогу описати рух частинки пилу, починаючи з моменту контакту частинки з жалюзійним відокремлювачем.

Рис. 4. Траєкторії руху частинок пилу діаметром 1•10^-6м (а), 2,5•10^-6 м (б), 3,2•10^-6 м (в), 5•10^-6м (г) у жалюзійному пиловловлювачі.

Протягом певного періоду часу траєкторія руху частинки пилу залишається незмінною, що пояснюється інерцією. Далі частинка пилу діаметром 1•10^-6м практично відразу змінює напрям свого руху і, будучи захоплена потоком повітря, потрапляє у середину жалюзійного відокремлювача. Частинки такого діаметру не можуть бути вловлені в апараті. Частинки пилу розміром 2,5•10^-6м вже здатні подолати половину міжжалюзійного простору. Частинки пилу, діаметр яких складає 3,2•10^-6 м, долають простір між жалюзі відбиваються від наступної жалюзі та продовжують свій рух "скачучи" поблизу жалюзійного відокремлювача і будуть вловлені. На частинки пилу, діаметр яких є більшим за 5•10^-6 м, потік повітря між жалюзі відокремлювача практично не має впливу (рис. 4, г).

Виходячи з того, що встановлення жалюзійного відокремлювача зумовлює зменшення критичного діаметра частинки пилу, яка буде вловлена в циклоні, з 6,5 до 3,2•10^-6 м, вважали теоретично обґрунтованим факт доцільності встановлення жалюзійного відокремлювача на осі корпуса пиловловлювача.

У третьому розділі наведені методики досліджень конструктивних, технологічних та експлуатаційних характеристик циклонів та статистичного оброблення результатів експерименту. Розроблено стенд для проведення досліджень.

Метою аеродинамічних досліджень пиловловлювачів є визначення:

· гідравлічного опору апарата;

· впливу елементів конструкції циклона на його характеристики;

· закономірностей розподілу тисків в перерізі сепараційної зони циклона.

Всі експериментальні аеродинамічні дослідження проводились на експериментальному стенді, схема якого представлена на рис. 5., де 1, 2 - автотрансформатор з випрямлячем змінного струму; 3 - відцентровий вентилятор; 4 - камера статичного тиску; 5 - спиртовий термометр; 6 - витратомірний колектор; 7 - вхідний патрубок пиловловлювача; 8 - вихлопний патрубок пиловловлювача; 9 - циліндрична частина пиловловлювача; 10 - бункер; 11, 12 - спиртові мікроманометри типу ММН - 240; 13 - повітропровід.

Рис. 5. Схема експериментального стенда для аеродинамічних досліджень пиловловлювача.

У четвертому розділі представлено результати досліджень, які проводились з метою вивчення аеродинаміки циклонного апарата з жалюзійним відокремлювачем у двох напрямах. Перший полягав у дослідженні аеродинаміки створеного апарата за допомогою комп'ютерного моделювання, другий - у вивченні характеристик пиловловлювача на експериментальному стенді.

Чисельний аналіз проводили, виходячи з рівнянь Нав'є-Стокса, що описують у нестаціонарній постановці закони збереження маси, імпульсу й енергії середовища. Крім того, використовували рівняння стану потоку, а також емпіричні залежності в'язкості й теплопровідності цих компонентів середовища від температури. Для моделювання турбулентних потоків рівняння Нав'є-Стокса усереднювалися за числом Рейнольдса, а великомасштабні тимчасові зміни усереднених за малим масштабом і часом складових газодинамічних параметрів потоку (тиску, швидкостей, температури) враховувалися введенням відповідних похідних за часом. У результаті рівняння мали додаткові члени - напруження за Рейнольдсом. Для замикання такої системи використовувались рівняння перенесення кінетичної енергії турбулентності та її дисипації в рамках k-e моделі турбулентності.

Вхідними для даного апарата є характеристики повітряного середовища та пилу:

· атмосферний тиск за нормальних умов Р ₀=101325Па;

· температура середовища за нормальних умов Т ₀=293 К;

· густина повітря с_п=1,293 кг/м³;

· густина матеріалу частинок пилу с_ч=720 кг/м³.

Геометричні розміри циклона і жалюзійного відокремлювача є наступними: R₁=0,7; Н=0,7; r₁=0,4; r₂=0,3, де R₁ - радіус циліндричної частини апарата, м; Н - висота циліндричної частини апарата, м; r₁ та r₂ - відповідно внутрішній та зовнішній радіуси жалюзійного відокремлювача, м.

Граничні умови для даної конструкції апарата були наступними:

· швидкість потоку повітря у вхідному патрубку х = 18 м/с.

· вільний вихід повітряного потоку з вихлопної труби сепаратора.

· швидкість потоку повітря на стінці апарата дорівнює нулю.

При проведенні експериментальних досліджень використовували аналогічний за розмірами апарат.

Результати комп'ютерного моделювання та експериментальних досліджень дали змогу описати процес очищення повітряного потоку наступним чином. Потік запиленого повітря надходить до апарата через вхідний патрубок і починає обертатися навколо його осі. Обертаючись, потік рухається до конусної частини циклона, досягнувши якої, здійснює поворот на 180°, переходить у внутрішній потік, який підіймається вгору до жалюзійного відокремлювача, у якому знову змінює напрям свого руху, після чого через вихлопну трубу потрапляє до атмосфери (рис. 6).

Рис. 6. Траєкторії руху повітряних потоків в пиловловлювачі з жалюзійним відокремлювачем та циклоні з традиційною вихлопною трубою: а - пиловловлювач з жалюзійним відокремлювачем; б - циклон з традиційною вихлопною трубою.

По мірі руху в сепараційній зоні частина повітряного потоку через жалюзійний відокремлювач потрапляє в атмосферу, тому швидкість повітря у внутрішньому потоці складає близько 3-4 м/с, в той час як в циклоні з традиційною вихлопною трубою вона є вищою і становить близько 10-12 м/с. Зниження швидкості внутрішнього вихору є чинником, що позитивно впливає на ефективність роботи апарата. Наведені результати дають змогу розглядати циліндричну частину циклона як основний сепараційний простір пиловловлювача, що було враховано в математичній моделі.

Залежність гідравлічного опору циклона з жалюзійним відокремлювачем від швидкості потоку повітря у вхідному патрубку представлена на рис. 7 (крива 1). Опір циклона, а відтак і витрати електроенергії на очищення повітря, зростає з підвищенням швидкості потоку повітря у вхідному патрубку. Характер цієї залежності підпорядкований квадратичному закону зміни. Для порівняння на тому ж рисунку наведені аеродинамічні характеристики апарата з традиційною вихлопною трубою (крива 2) циклона ЦН-15 (крива 4) та результати, одержані при комп'ютерному моделюванні (крива 3). Заміна традиційної вихлопної труби апарата на жалюзійний відокремлювач призводить до підвищення його гідравлічного опору (криві 1 та 2). При комп'ютерному моделюванні руху повітряних потоків у сепараторі (крива 3) при швидкості 18 м/с було одержане значення гідравлічного опору, яке дорівнює 1110 Па. Дещо вищі значення, які були одержані при експериментальних дослідженнях, пояснюються складністю теоретичного опису процесів, які відбуваються у приповерхневому шарі поблизу зовнішньої стінки циклона, наявністю вихрових потоків у сепараційній зоні циклона. Різниця між значеннями гідравлічного опору сепаратора, які були одержані при комп'ютерному моделюванні (крива 3) та експериментальному дослідженні пиловловлювача (крива 1), не перевищувала 15 відсотків. Беручи до уваги складність моделювання турбулентних потоків, можемо зробити висновок про доцільність проведення комп'ютерних досліджень на етапі проектування нових типів повітроочисного обладнання. Стає можливим вибір найбільш вдалої конструкції пиловловлювача з подальшим її експериментальним дослідженням.

Рис. 7. Залежність гідравлічного опору апарата від швидкості руху повітря у вхідному патрубку: 1 - пиловловлювач з жалюзійним відокремлювачем; 2 - пиловловлювач з традиційною вихлопною трубою; 3 - результати комп'ютерного моделювання; 4 - циклон ЦН - 15.

Рис. 8. Залежність гідравлічного опору апарата від кількості жалюзі жалюзійного відокремлювача: 1 - комп'ютерне моделювання зміни кроку жалюзі; 2 - експериментальне дослідження зміни кількості жалюзі при незмінному кроці; 3 - комп'ютерне моделювання зміни кількості жалюзі.

Для вивчення впливу кількості жалюзі у жалюзійному відокремлювачі на гідравлічний опір апарата були виготовлені відокремлювачі з кількістю жалюзі n = 13, 20, 25, 30, 32, 35.

На рис. 8 наведено залежність гідравлічного опору циклона від кількості жалюзі у відокремлювачі, яка показує, що зі збільшенням кількості жалюзі (крива 3) у відокремлювачі від 13 до 30 гідравлічний опір циклона загалом зростає, проте у цьому діапазоні спостерігається як зростання, так і деяке спадання гідравлічного опору. Найменший гідравлічний опір ДР пиловловлювача складає 990 Па при кількості жалюзі у відокремлювачі 13. Зі збільшенням кількості жалюзі до 20 опір зростає до 1030 Па, і при кількості 25 становить 1090 Па. При кількості жалюзі 30 опір циклона дещо знижується до значення 1060 Па. Далі зі збільшенням кількості жалюзі гідравлічний опір апарата починає різко зростати. Певне коливання гідравлічного опору пов'язане з виникненням у щілині між жалюзі вихорових потоків. Тому було прийняте рішення про доцільність застосування жалюзійного відокремлювача зі змінним кроком розміщення жалюзі, що підтверджено і результатами комп'ютерного моделювання (крива 1). Значна частина гідравлічного опору апарата припадає на втрати, пов'язані зі зміною напрямків руху повітряного потоку поблизу дна жалюзійного відокремлювача. Для зменшення цих втрат нижню частину жалюзійного відокремлювача виготовили у вигляді конуса та вивчили залежність гідравлічного опору від його геометричних розмірів. Досліджувався вплив відношення висоти h_к конуса до діаметра його основи d_k на гідравлічний опір апарата при швидкості повітря у вхідному патрубку апарата 18 м/с. Результати досліджень подано на рис. 9.

Рис. 9. Вплив форми нижньої частини жалюзійного відокремлювача на гідравлічний опір апарата.

Проведені дослідження дають змогу зробити висновок про доцільність виконання нижньої частини жалюзійного відокремлювача у вигляді конуса для зниження гідравлічного опору апарата, при цьому значення відношення висоти конуса до діаметра його основи слід вибирати в межах 0,06-0,15, оскільки в даному діапазоні значення гідравлічного опору мінімальні.

Дослідження впливу форми захисних зонтів проводили на стенді (рис. 5). Для цього нижню частину захисного зонта додатково обладнували вставкою у вигляді конуса. Змінювалось відношення висоти опірних ніжок зонта h до діаметра вихлопного патрубка, яке визначає висоту встановлення зонта відносно зрізу вихлопного патрубка пиловловлювача та відношення діаметра зонта D до діаметра D₁ основи конічної вставки.

Досліджувались вставки двох розмірів та зонт класичної конструкції без дна. Рекомендується конічна вставка, вершина якої розміщена в площині зрізу вихлопного патрубка, а ширина основи D₁ конічної вставки співвідноситься з шириною основи зонта D як D/D₁=1,1.

Рис. 10. Розподіл статичного тиску у поперечному перерізі апарата: а - H_s = 0,063; б - H_s =0,156; в - H_s = 0,313; г - H_s =0,781.

На рисунку 10 а-г відображено розподіл статичного тиску у поперечному перерізі циклона. Крива 1 відповідає сепаратору з жалюзійним відокремлювачем, а крива 2 - традиційному циклону. Встановлення жалюзійного відокремлювача не знижує перепаду статичного тиску між віссю та периферією циклона. В обох випадках він становить 450 Па, але при цьому змінюється характер розподілу статичного тиску у сепараційній зоні (R_s=0,6-1), тобто в області між жалюзійним відокремлювачем та зовнішньою стінкою циклона. Зменшення градієнта тисків з 270 Па до 30 Па (рис. 10 а, криві 1, 2) призведе до зниження об'ємів вторинних потоків та зменшення сил захоплення частинок пилу.

У міжжалюзійному просторі відокремлювача (рис. 10, а-в) спостерігається різке зниження статичного тиску від значення близько 400 Па до 100 Па залежно від положення перерізу заміру (рис. 10, крива 1). В просторі всередині жалюзійного відокремлювача градієнт тиску складає близько 150 Па. відокремлювач уловлення пил деревина

На рис. 11 наведено графік залежності ефективності роботи різних циклонів від швидкості потоку повітря у вхідному патрубку. Для всіх конструкцій циклонів характерним є зростання їхньої ефективності при збільшенні швидкості потоку повітря у вхідному патрубку. Дослідження проводилися для деревного пилу, отриманого в результаті пиляння деревини берези на верстаті Ц-2.

Рис. 11. Залежність ефективності роботи циклонів з від швидкості потоку повітря у вхідному патрубку: 1 - пиловловлювач з жалюзійним відокремлювачем; 2 - СК-ЦН-40; 3 - ЦН-15.

При швидкостях потоку повітря х в межах 17-25 м/с ефективність роботи пиловловлювача з жалюзійним відокремлювачем близька до значення ефективності циклона СК-ЦН-40, тобто влаштування жалюзійного відокремлювача коаксіально корпусу апарата за таких швидкостей повітря призводить до зростання ефективності апарата лише на 0,5-1,5 %, але за швидкостей потоку повітря х = 8-16 м/с встановлення жалюзійного відокремлювача дає змогу підвищити ефективність уловлення пилу на 2-7 %.

Характерним є те, що за швидкості потоку повітря у вхідному патрубку апарата 10 м/с його ефективність є вищою 90 %, коли такої ж ефективності у циклоні СК-ЦН-40 досягають за швидкості потоку повітря х = 16 м/с. Гідравлічний опір пиловловлювача при ефективності 90 % складає 445 Па для нової конструкції апарата та, відповідно, 857 Па для циклона СК-ЦН-40 (рис. 11).

Рис. 12. Схема циклонного апарата з жалюзійним відокремлювачем.

Одержані результати дали змогу розробити конструкцію циклонного апарата з жалюзійним відокремлювачем (ЦАЖВ), описати рекомендовані співвідношення його геометричних розмірів та технологічні параметри процесу очищення потоку повітря. Розроблений апарат (рис. 12) містить циліндричний корпус 1, конічну частину 2, вихлопну трубу 3, жалюзійний відокремлювач 4. Вхідний патрубок 5 виготовлений спіральним і призначений для надання потоку обертального руху. Жалюзійний відокремлювач застосовується як друга ступінь очищення. Його нижній край закінчується конічною вставкою 6.

Розроблена конструкція пиловловлювача призначена для вловлювання твердих частинок з повітряного потоку. ЦАЖВ можуть використовуватись як самостійні пиловловлювачі, проте у випадку жорстких вимог до ступеня очищення повітряного потоку після них можуть бути встановлені рукавні фільтри. Для очищення значної кількості повітря ЦАЖВ можуть об'єднуватися у групи. В дисертаційній роботі описані співвідношення розмірів циклонного апарата з жалюзійним відокремлювачем відносно внутрішнього діаметра апарата, які були описані на основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень, а також рекомендацій з проектування циклонів НИИОГаз.

У п'ятому розділі описано чотири конструкції пересувних пиловловлювачів. Проведено дослідження їхньої ефективності та гідравлічного опору. Відповідно до "Єдиної методики порівняльних випробувань пиловловлювачів" дослідження ефективності проводили на стандартному пилу - кварцовому піску. Результати випробувань підтвердили покращення експлуатаційних характеристик розроблених апаратів у порівнянні з відомими конструкціями пересувних пиловловлювачів.

ВИСНОВКИ

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень у дисертації вирішене важливе наукове завдання розроблення ефективних пиловловлювачів з жалюзійним відокремлювачем з покращеними аеродинамічними характеристиками та зниженим рівнем енергоспоживання для процесів оброблення деревини та деревинних матеріалів.

1. На основі проведеного огляду літературних джерел доведено необхідність проведення досліджень (теоретичних та експериментальних) в процесах очищення аспіраційного повітря від деревного пилу шляхом створення нових конструкцій пиловловлювального обладнання. Перспективним напрямком вдосконалення існуючих конструкцій пиловловлювачів є поєднання відцентрового та інерційного способів очищення.

2. Побудовано нову математичну модель руху частинки пилу в циклонному апараті з жалюзійним відокремлювачем, на основі якої теоретично обґрунтовано доцільність встановлення жалюзійного відокремлювача на осі циклона.

3. Вперше побудована тривимірна модель циклонного апарата з жалюзійним відокремлювачем, аналіз якої, на основі методів скінченних елементів та рівнянь Нав'є-Стокса, дав змогу розкрити фізичну суть руху повітряних потоків у новій конструкції пиловловлювача та знизити кількість експериментальних досліджень.

4. Досліджено вплив жалюзійного відокремлювача на характеристики циклонного апарата. Перепад статичного тиску в сепараційній зоні пиловловлювача з жалюзійним відокремлювачем в 4-12 разів менший у порівнянні з аналогічним циклоном з традиційною вихлопною трубою. Визнано доцільним нижню частину жалюзійного відокремлювача виготовляти у вигляді конуса з відношенням його висоти до діаметра основи в межах 0,06-0,17.

5. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень експлуатаційних і технологічних характеристик циклонів обґрунтовано доцільність встановлення жалюзійного відокремлювача. Встановлення жалюзійного відокремлювача підвищує ефективність роботи пиловловлювача на 5-7 % при зниженні швидкості руху потоку повітря у вхідному патрубку від 18-20 м/с до 11-16 м/с, а гідравлічний опір апарата при цьому знижується порівняно з прототипом у 1,7-2,4 рази.

6. На основі конструкції циклона з жалюзійним відокремлювачем створено чотири конструкції пересувних пиловловлювачів, у кращого з яких гідравлічний опір становить 865 Па, а ефективність досягає 99 %.

ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Прогресивна техніка для очистки повітря від пилу / В.А. Батлук, В.С. Джигирей, Ю.Р. Дадак [та ін.]// Вестник НТУУ "КПИ":Машиностроение. Київ: - 2004. - № 45. - С. 51-53.

2. Дослідження процесу вловлення пилу в системах пневмотранспорту / В.А. Батлук, Ю.Р. Дадак, Я.В. Мота [та ін.] // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. - Краматорськ - 2005. - №2. - С. 163-167.

3. Дадак Ю.Р. Вирішення питання уловлення дрібнодисперсного деревного пилу для створення економних та перспективних відновлювальних джерел енергії для АПК / В.А. Батлук, В.С. Джигирей, Ю.Р. Дадак // Аграрний вісник Причорномор'я. - Одеса - 2005. - випуск 28 - С. 108-113.

4. Моделювання процесу очищення повітря в пиловловлювачі з жалюзійним відокремлювачем / В.А. Батлук, В.С. Джигирей, Ю.Р. Дадак [та ін.]// Всеукраїнський науково-технічний журнал "Промислова гідравліка і пневматика". - Вінниця: - 2006. - № 1(11) - С. 38-42.

5. Дадак Ю.Р. Визначення гідравлічного опору пиловловлювача з жалюзійним відокремлювачем // В.А. Батлук, В.С. Джигирей, Ю.Р. Дадак // Науково-технічний збірник "Наукові записки". - Львів: - 2007. - №2 (10). - С. 103-107.

6. Дадак Ю.Р. Дослідження гідравлічного опору пиловловлювача з жалюзійним відокремлювачем / В.А. Батлук, В.С. Джигирей, Ю.Р. Дадак // Науково-технічний збірник "Наукові записки". - Львів: - 2007. - №1 (11). - С. 113-116.

7. Дадак Ю.Р. Дослідження впливу кількості жалюзі відокремлювача на гідравлічний опір апарата / В.А. Батлук, В.С. Джигирей, Ю.Р. Дадак // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - Мелітополь: - 2007. - №3 (109), ч.2. - С. 25-28.

8. Дадак Ю.Р. Вплив вібрації на процес розділення аерозолів / В.А. Батлук, Н.В. Ступницька, Ю.Р. Дадак // Український міжвідомчий наук. - техн. збірник "Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні, № 41, - Львів - 2007. - С. 3-5.

9. Дадак Ю.Р. Числова реалізація математичної моделі руху частинки пилу у пиловловлювачі з жалюзійним відокремлювачем / Ю.Р. Дадак // Науковий вісник Національного лісотехнічного університету України. - Львів: - 2007. Вип. 17.4. - С. 254-258.

10. Дадак Ю.Р. Дослідження розподілу статичного тиску в сепараційній зоні пиловловлювача з жалюзійним відокремлювачем / В.А. Батлук, В.С. Джигирей, Ю.Р. Дадак // Всеукраїнський науково-технічний журнал "Промислова гідравліка і пневматика". № 4(18). - Вінниця - 2007. - С. 27-30.

Патенти:

11. Деклараційний патент на винахід № 71275А Пересувний пиловловлювач / Батлук В.А., Батлук В. К, Джигирей В.С., Дадак Ю.Р., від 16.12. 2003. В 01D45/00, опубл. 15.11.2004 бюл. № 11.

12. Патент на винахід №71275. Пересувний пиловловлювач / Батлук В. А, Батлук В. К, Джигирей В. С, Дадак Ю.Р., В 01D45/00, Бюл №11.

13. Деклараційний патент на корисну модель № 8489 Пересувний пиловловлювач з зміною кута атаки жалюзі / Батлук В.А., Дадак Ю.Р., від 16.12.2004. В 01D45/00. опубл. 15.08.2005. бюл. №8.

14. Деклараційний патент на корисну модель № 8491 Пересувний пиловловлювач з зміною крока жалюзі / Батлук В. А, Дадак Ю.Р., від 16.12.2004. В 01D45/00. опубл. 15.08.2005. бюл. №8.

15. Патент на корисну модель № 19833 Пересувний пиловловлювач з універсальним віддільником / Батлук В. А, Дадак Ю.Р. від 18.02.2005. В 01D45/00. опубл. 15.01.2007. бюл. №1.

АНОТАЦІЯ

Дадак Ю.Р. Підвищення ефективності пиловловлення в процесах оброблення деревини та деревинних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.06 - технологія деревообробки, виготовлення меблів та виробів з деревини - Національний лісотехнічний університет України Міністерства освіти і науки України, м. Львів, 2008.

В дисертації досліджено процеси пилоочищення в циклонах та обґрунтовано доцільність застосування жалюзійного відокремлювача для підвищення ефективності уловлення пилу деревини. Побудовано нову математичну модель руху частинки пилу деревини в пиловловлювачі з жалюзійним відокремлювачем. Досліджено гідравлічний опір, ефективність очищення потоку повітря від пилу, розподіл статичного тиску в сепараційній зоні досліджуваного пиловловлювача експериментальним шляхом, та за допомогою комп'ютерного моделювання. Вперше побудована тривимірна модель циклонного апарата з жалюзійним відокремлювачем та проведено її числовий аналіз. Розроблено конструкції пересувних пиловловлювачів з жалюзійним відокремлювачем та циклонного апарата з жалюзійним відокремлювачем, описано рекомендовані співвідношення його геометричних розмірів та технологічні параметри процесу очищення потоку повітря. Результати дисертаційної роботи впроваджено на двох підприємствах деревообробної галузі. Матеріали дисертації викладені в одинадцяти наукових публікаціях.

Ключові слова: ефективність пиловловлення, оброблення деревини, циклон, жалюзійний відокремлювач, гідравлічний опір.

АННОТАЦИЯ

Дадак Ю.Р. Повышение эффективности пылеочистки в процессах обработки древесины и древесинных материалов. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.23.06 - технология деревообработки, изготовления мебели и изделий из древесины - Национальный лесотехнический университет Украины Министерства образования и науки Украины, г. Львов, 2008.

В диссертации исследованы процессы пылеочистки в циклонах и обосновано целесообразность применения жалюзионного отделителя для повышения эффективности улавливания пыли древесины. Построена новая математическая модель движения частицы пыли древесины в пылеуловителе с жалюзионным отделителем. Посредством реализации математической модели построены траектории движения частиц пыли в пылеуловителе в зависимости от их медианного диаметра. Установлено, что критический диаметр улавливаемых пылевых частиц снижается с 6,5 до 3,2 микрометра, что позволяет повысить степень очистки воздуха. Исследовано гидравлическое сопротивление, эффективность очистки потока воздуха от пыли, распределение статического давления в сепарационной зоне исследуемого пылеуловителя экспериментальным путем, и с помощью компьютерного моделирования. Проведен сравнительный анализ искомых параметров с аппаратом-прототипом, обоснованы преимущества использования жалюзионного отделителя с точки зрения аэродинамических особенностей такой конструкции. Впервые построена трехмерная модель циклонного аппарата с жалюзионным отделителем и проведен ее числовой анализ с помощью уравнений Навье-Стокса и методов конечных элементов. Установлено, что в результате монтирования жалюзионного пылеотделителя коаксиально корпусу аппарата скорость воздушного потока во внутреннем вверхнаправленом вихре значительно снижается, что приводит к более благоприятным условиям пылеочистки за счёт избегания излишней турбулизации потока. Результаты математического моделирования, задействованные при компьютерном анализе трехмерной модели продублированы на стандартном экспериментальном стенде для сравнительных испытаний пылеуловителей в соответствии с "Единой методикой сравнительных испытаний пылеуловителей". Установлено, что использование жалюзионного пылеотделителя не снижает перепада статического давления между осью и периферией аппарата, но влияет на его распределение в сепарационном пространстве, снижая перепад давления между стенкой аппарата и жалюзионным пылеотделителем, что позитивно влияет на процесс сепарации. Проведены сравнительные испытания полупромышленного образца пылеуловителя на древесной пыли. Установлены высокие показатели эффективности и невысокое гидравлическое сопротивление при использовании пылеуловителя с жалюзионным отделителем для очистки воздуха от древесной пыли на небольших скоростях подачи пылевоздушной смеси.

Разработаны конструкции передвижных пылеуловителей с жалюзионным отделителем и циклонного аппарата с жалюзионным отделителем, описано рекомендуемые соотношения его геометрических размеров и технологические параметры процесса очистки потока воздуха. Результаты диссертационной работы внедрены на двух предприятиях деревообрабатывающей отрасли. Материалы диссертации изложены в десяти научных публикациях.

Ключевые слова: эффективность пылеочистки, обработка древесины, циклон, жалюзионный отделитель, гидравлическое сопротивление.

ANNOTATION

Dadak Y.R. Efficiency of dust-collection in the processes of wood and wood materials treatment increasing. Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences after specialty 05.23.06 - technology of wood processing, making the furniture and wares from wood. The National wood university of Ukraine of Department of education and science of Ukraine, Lvov, 2008.

The processes of dust collection in cyclones have been studied and application of jalousie separator for efficiency of dust of wood increasing have been justified. The mathematical model of particle of dust motion in dust-collector with a jalousie have been constructed. Hydraulic resistance, efficiency cleaning of blast, distributing of static pressure in the separation area of studied dust-collector by an experimental way, and by the computer design considered. Three-dimensional model of cyclone with a jalousie separator and its numerical analysis have been conducted for a firs time. Constructions of movable dust-collectors with a jalousie separator and cyclone apparatus with a jalousie separator have been designed, the recommended correlations of its geometrical sizes and technological parameters of process blast cleaning described. Dissertation job performances are inculcated on two enterprises of woodworking industry. Materials of thesis are laid out in the eleven scientific publications.

Keywords: cleaning efficiency, treatment of wood, cyclone, a jalousie separator, hydraulic resistance.

Размещено на Allbest.ru

...