Гідроімпульсна інтенсифікація протитечійної регенерації сітчастих фільтрів

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Пупков Володимир Сергійович

УДК 621.227.3 : 66.067.48

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ГідроІмпульсна ІнтенсифІкацІя протитечійної регенерацІЇ сІтчаСтИх фІльтрІв

05.05.17 - “Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати”

Суми - 2005

Размещено на http://www.allbest.ru/

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, доцент, Сьомін Дмитро Олександрович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, професор кафедри “Гідрогазодинаміка”;

кандидат технічних наук, доцент Неня Віктор Григорович, Сумський державний університет, завідувач кафедри “Інформаційні технології проектування”.

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”.

Захист дисертації відбудеться “ 30 ” 03 2006 року о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 при Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету (м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2).

Автореферат розісланий “ 23 ” 02 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савченко Є.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Чистота робочої рідини має вирішальне значення в забезпеченні нормальної працездатності гідравлічного устаткування. Тому пристрій очищення рідини від механічних забруднень є неодмінним компонентом будь-якої гідравлічної системи. Одними з найпоширеніших пристроїв очищення є сітчасті фільтри, до переваг яких слід віднести гарантовану крупність фільтрування, малі конструктивні розміри й відносно низькі експлуатаційні витрати. Боротьба з їх основним недоліком, малою брудоємністю, пов'язана з розвитком конструкцій фільтрів, що саморегенеруються. Широкого поширення набула схема протитечійної регенерації фільтра, в якій підтримка фільтруючої здатності здійснюється за рахунок видалення частинок забруднювача промивною рідиною, що подається в напрямку, протилежному течії суспензії. Однак досвід експлуатації показує недостатню ефективність протитечійної регенерації, яка проявляється в утворенні стійких залишкових забруднень (СЗЗ), що приводить до поступового забруднення всієї поверхні фільтроелемента. Наприклад, обидва фільтри ВСФ-2000 (випускалися
ВАТ “Пензохіммаш”), що встановлені в цеху водопідготовки ВАТ “концерн Стирол”, уже на третю добу після заміни фільтруючої сітки працювали в режимі постійної регенерації (що є ознакою недостатньої промивки сітки), а при нормальній роботі пристрій регенерації має включатися не більше одного разу на годину. Слід відмітити, що заміна сітки в цих фільтрах є дуже складним і ресурсоємким завданням, а лише на “Стиролі” цих фільтрів 15 одиниць. Тому умовою підвищення працездатності фільтрів з протитечійною регенерацією (ФПР) і розширення області їх застосування є інтенсифікація процесу протитечійної регенерації сітки. Серед існуючих у наш час способів інтенсифікації найперспективнішим є гідроімпульсна інтенсифікація протитечійної регенерації (ГІПР), пов'язана зі створенням короткочасних імпульсів підвищеного тиску, що впливають на забруднені ділянки сітки. Однак слабка вивченість процесів, які супроводжують ГІПР сітки, утруднює використання цього способу в конструкціях ФПР. Таким чином, виникає необхідність у теоретичному обґрунтуванні й практичній реалізації ГІПР сітчастих фільтрів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукових програм кафедри “Теоретична і 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) “Чисельний аналіз просторових течій у робочих порожнинах пристроїв очищення рідин” (номер державної реєстрації 0101U003081) і “Розробка пристрою тонкого очищення рідин від дисперсних домішок з малими втратами напору й низькими вимогами до початкової забрудненості” (номер державної реєстрації 0103U002540), у яких автор був виконавцем на посаді молодшого наукового співробітника.

Мета і завдання роботи. Метою роботи є обґрунтування можливості застосування гідроімпульсної інтенсифікації протитечійної регенерації у сітчастих фільтрах і конструкції пристрою гідроімпульсної інтенсифікації, заснованого на явищі гідравлічного удару (ГУ).

Для реалізації поставленої мети дослідження необхідно вирішити такі основні завдання:

ѕ виконати аналіз впливу основних факторів на утворення стійких залишкових забруднень сітчастого фільтра та одержати залежності для визначення сил, що утримують частинку в клітинці сітки;

ѕ теоретично описати процес дії імпульсу підвищеного тиску (ІПТ) на частинку стійких залишкових забруднень і на цій основі визначити значення параметрів імпульсу, достатнього для повної регенерації сітки;

ѕ обґрунтувати й розробити конструкцію пристрою імпульсної інтенсифікації, засновану на використанні явища гідравлічного удару;

ѕ експериментальним шляхом підтвердити працездатність гідроімпульсної інтенсифікації протитечійної регенерації із застосуванням гідравлічного удару й оцінити адекватність одержаних розрахункових результатів реальним фізичним процесам.

Об'єктом дослідження є процес протитечійної регенерації сітчастих фільтрів.

Предметом дослідження є інтенсифікація процесу протитечійної регенерації сітчастих фільтрів.

Методи досліджень. Дослідження руху частинок забруднювача в рідині ґрунтувалося на чисельному інтегруванні рівняння Бассе - Буссінеска - Озейна методом Рунге-Кутта. Силові фактори, пов'язані з утриманням частинок в клітинці сітки, визначалися на основі методів нелінійної теорії пружності. Хвильові процеси в рідині моделювалися з використанням методу скінчених елементів. Експериментальні дослідження проводилися з урахуванням теорії планування експерименту й математичної статистики шляхом стендових випробувань моделі ФПР у лабораторії гідродинаміки і фільтрувальної техніки НДПКІ “Параметр” ДонДТУ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

ѕ запропоновано нову концепцію утворення стійких залишкових забруднень сітчастого фільтроелемента, яка, базуючись на уявленні про сумісну контактну деформацію частинок забруднювача та дротиків сітки, дає кількісний критерій стійкості забруднень та дозволяє розрахувати величини сил, що утримують частинку забруднювача у клітинці сітки;

ѕ уперше показано, що основним фактором, який визначає стійкість залишкових забруднень, є кінетична енергія зваженої в рідині частинки забруднювача, яку вона має на підході до сітки. Врахування кінетичної енергії при визначенні величини сил, що утримують частинку забруднювача в клітинці сітки, приводить до значного (на порядок) збільшення величини цих сил, відносно до існуючих методик, де враховують тільки вплив перепаду тиску на фільтруючому елементі;

ѕ уперше доведено, що при дослідженні процесу регенерації сітки під дією імпульсів підвищеного тиску найбільш вагомим фактором, який необхідно враховувати, є дифракція хвилі підвищеного тиску при її проходженні крізь забруднену ділянку сітки, що дає можливість достовірно визначити силу, з якою імпульс підвищеного тиску впливає на частинку забруднювача;

ѕ одержані нові аналітичні залежності, що дозволяють визначати амплітудне значення й тривалість імпульсу підвищеного тиску, які потрібні для повної регенерації сітки.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджуються результатами відомих і власних експериментальних досліджень, достатністю для вирішення поставлених завдань об'єму матеріалу, одержаного при модельному та обчислювальному експериментах, застосуванням апробованих методів розрахунку (метод найменших квадратів, метод Рунге-Кутта, метод Гальоркіна), прийнятним ступенем адекватності розроблених математичних моделей реальним фізичним процесам (розбіжність складає в середньому 16,5%). Достовірність одержаних експериментальних результатів обумовлена використанням сучасних засобів вимірювання, методів математичного планування експерименту й статистичного аналізу експериментальних даних.

Практичне значення одержаних результатів полягає у використанні одержаних математичних моделей та інженерних залежностей для проектування і вдосконалення пристроїв гідроімпульсної інтенсифікації протитечійної регенерації. Результати роботи дозволяють:

ѕ визначати величини сил, що утримують частинку стійких залишкових забруднень у клітинці сітки;

ѕ розраховувати необхідні для ефективної регенерації параметри імпульсу підвищеного тиску;

ѕ розробляти пристрої гідроімпульсної інтенсифікації протитечійної регенерації, засновані на гідравлічному ударі.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в конструкції фільтра з протитечійною регенерацією, установленого на підприємстві ЛОКСТП “ЛТКЕ” (м. Ровеньки, Україна), основні теоретичні положення використані в навчальному процесі ДонДТУ.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, наведені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем. Автору належать основні ідеї роботи: розробка математичних моделей засмічення сітки й її очищення за допомогою ІПТ; розробка методики, підготовка й проведення експериментальних досліджень, а також обробка їх результатів; розробка методики створення гідравлічного удару з крутим фронтом ІПТ. У роботах, що опубліковані в співавторстві, здобувачем виконано: виведено нову залежність для визначення перепаду тиску на забрудненому фільтроелементі [2], запропоновано основні розрахункові схеми при моделюванні дифракції ІПТ [4], сформульована основна ідея, що покладена в основу конструкції самоочисних фільтрів [6, 8], розроблена методика проведення та обробки результатів експерименту щодо забруднення сітки [7].

Усі результати одержані під безпосереднім керівництвом наукового керівника, який координував основні етапи роботи автора над дисертацією.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДонДТУ (м. Алчевськ, 2002-2005 рр.); на ІІ міжнародній науково-технічній студентській конференції “Механіка рідини і газу” (м. Донецьк, 2003 р.); на IX міжнародній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2004 р.); на II конференції молодих учених ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України “Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); на X міжнародній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Краматорськ, 2005 р.).

Публікації. Основні положення й результати роботи опубліковані в 8 наукових роботах, зокрема: 5 - у фахових виданнях ВАК України, 2 - у вигляді деклараційних патентів України та 1 - у збірнику матеріалів студентської конференції.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків і додатків. Робота викладена на 137 сторінках машинописного тексту, включає 93 рисунки, 1 таблицю, список використаних джерел з 84 найменувань, 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі дисертації проаналізовані сучасні тенденції розвитку пристроїв очищення рідини від механічних забруднень, показані переваги й недоліки ФПР. Обґрунтована необхідність використання ГІПР для забезпечення ефективної роботи ФПР.

Критичний аналіз існуючих засобів очищення рідин показав, що найперспективнішими є наступні способи тонкого очищення: центрифугування, гідродинамічні фільтри й ФПР. Кожний із способів має свої достоїнства й недоліки, що визначають сферу їх застосування. При цьому тільки ФПР найменш чутливі до густини домішок. Застосування фільтрів з протитечійною регенерацією можна рекомендувати в тих випадках, коли потрібна гарантована тонкість очищення при незначному перепаді тиску й збереженні повнопотоковості.

Принцип їх роботи полягає в тому, що після досягнення заданого перепаду тиску промивний пристрій, що закриває частину сітки з боку забрудненої рідини, з'єднується з атмосферою, і виникаючий при цьому потік рідини промиває сітку, розташовану під промивним пристроєм, після чого або промивний пристрій, або фільтроелемент переміщається для очищення наступної ділянки (рис. 1 а). При проектуванні ФПР основна увага приділяється забезпеченню мінімальної висоти ущільнюваного зазору між фільтроелементом і промивним пристроєм.

Рис. 1 - Схема ФПР (а) і ФПР з ГІПР на основі ГУ (б).

Проте досвід експлуатації показує, що в багатьох випадках ступінь відновлення фільтруючих властивостей сітки недостатній, що приводить до поступового забруднення фільтроелемента. Тобто, мають місце СЗЗ, які не видаляються звичайною протитечійною регенерацією. Пояснити неякісну регенерацію можна, приймаючи до уваги графік залежності перепаду тиску на фільтроелементі від ступеня його засмічення (рис. 2). Перепад тиску, при якому починається регенерація сітки, визначено в межах 0,03 - 0,07 МПа, при цьому забрудненість сітки дорівнює 90-97%. Але також з графіка на рис. 2 можна бачити, що при забрудненості сітки 80% перепад тиску на ній незначний. Отже, після того, як зворотною промивкою очиститься приблизно 20% сітки, подальша регенерація стає маловірогідною.

Тому на практиці використовують різні способи інтенсифікації процесу регенерації, і в чистому вигляді протитечійна регенерація використовується дуже рідко, в основному, у фільтрах малої продуктивності (фільтри фірм RBM і Honeywel).

Аналіз показує, що можна виділити три основні методи інтенсифікації процесу протитечійної регенерації:

ѕ підвищення перепаду тиску при регенерації за рахунок збільшення швидкості промивної рідини;

ѕ застосування кавітації;

ѕ використання імпульсів підвищеного тиску.

Як більш перспективу вибрано імпульсну інтенсифікацію, оскільки підтримка перепаду тиску при промивці пов'язана із значними витратами промивної рідини, а використовування кавітації ускладнюється наявністю підвищеного тиску всередині фільтра та руйнуючим впливом самої кавітації на елементи конструкції фільтра. Що стосується способу створення імпульсів підвищеного тиску, то доцільно використовувати явище ГУ (рис. 1 б), оскільки в цьому випадку не вимагається використовування додаткових джерел енергії (як при електрогідроударі) і немає проблем з дегазацією рідини (як при використовуванні стислого повітря).

Рис. 2 - Залежність перепаду тиску і швидкості рідини на підході до клітинок сітки від коефіцієнта забруднення (сітка №300, початкова швидкість фільтрування ).

Розробка пристроїв ГІПР вимагає, в першу чергу, визначення параметрів, що характеризують стійкість залишкових забруднень, і визначення сил, необхідних для видалення частинок забруднювача з клітинок сітки, а також визначення амплітудного значення, тривалості й кількості ІПТ і механізму їх створення.

У другому розділі наведений аналіз впливу основних факторів на процес формування СЗЗ з метою визначення зусиль, з якими частинки утримуються в клітинках сітки.

На підставі аналізу раніше відомих даних, очікувалося, що частинки СЗЗ матимуть розмір, близький до розміру клітинки сітки . Спеціально виконані досліди повністю підтвердили очікуване припущення. Крім того, дослідження СЗЗ показують на опуклість форми частинок та на факт, що число точок контакту не перебільшує 4, що є значущим у подальших теоретичних дослідженнях процесу забруднення.

Одним із ключових моментів у виконаній роботі є модель утворення СЗЗ, яка була заснована на припущенні про значний вплив кінетичної енергії частинки на процес закупорки клітинки сітки частинкою забруднювача. Слід зазначити, що донині, без спеціальних обмовок, вважалося, що основним силовим фактором, що викликає закупорку клітинок сітки, є перепад тиску. Як параметр, що дозволяє кількісно порівняти дію факторів засмічення, була запропонована величина сумісної пружної контактної деформації дротиків і частинки. Такий критерій був вибраний на підставі того, що сили тертя , що утримують частинку забруднювача в клітинці сітки, зумовлені пружними контактними деформаціями.

Величина деформації, зумовлена перепадом тиску на сітці , визначається за формулою:

, (1)

де - коефіцієнт, що залежить від властивостей матеріалів тіл і кривизни їх поверхонь, - коефіцієнт тертя, - діаметр частинки забруднювача (тут і далі індексом наголошено на параметрах, що відносяться до частинок забруднювача).

Деформація, зумовлена гальмуванням частинки , визначається з рівняння балансу енергії. При цьому прийнято, що кінетична енергія частинок витрачається на роботу сил тертя і підвищення запасу пружної енергії :

.(2)

Максимальна швидкість частинки на підході до сітки визначалася на основі рівняння Бассе - Буссінеска - Озейна, яке в цьому випадку набувало наступного вигляду:

. (3)

Розрахунки, проведені для сіток з різними розмірами клітинок, показали, що деформація, яка зумовлена кінетичною енергією, завжди більша за ту, яка зумовлена перепадом тиску на фільтроелементі (рис. 3 а).

Рис. 3 - Контактні пружні деформації при забрудненні (а) і відношення залежно від (б).

Відношення максимальної сили тертя , визначеної з урахуванням , до сили , зумовленої максимальним перепадом тиску , має порядок 10¹ і знижується при збільшенні (рис. 3 б):

, (4)

де - площа мідельового перерізу частинки.

Також слід зазначити, що густина частинок практично не впливає на , оскільки важкі частки мають меншу швидкість .

У третьому розділі досліджено процеси, що супроводжують ГІПР, і визначено параметри ІПТ, які потрібні для повної регенерації.

Моделювання виходу частинки забруднювача з клітинки сітки під впливом імпульсів підвищеного тиску проводилося з використанням розрахункової схеми, поданої на рис. 4.

Рис. 4 - Розрахункова схема очищення сітки.

При складанні розрахункової моделі прийняті наступні припущення: на частинку діють результуюча сила імпульсу тиску ; сила тертя і сила опору руху , що складається з сили лобового опору і сили, зумовленої ефектом приєднаної маси ; частинка в початковий момент часу затиснена в клітинці по мідельовому перерізу.

За цих умов рівняння руху твердої сферичної частинки радіусом і густиною можна описати наступним диференціальним рівнянням

, (5)

де - координата центру мас частинки.

Основну складність при розв'язанні рівняння (5) викликає визначення сили , що впливає на частинку. Це зумовлено тим, що тривалість часу наростання ІПТ перевищує час, за який передній фронт хвилі огинає частинку. Для визначення сили, з якою хвиля підвищеного тиску впливає на частинку, використана розрахункова схема, наведена на рис. 5.

Рис. 5 - Розрахункова схема для моделювання впливу ІПТ на частинку.

Рух рідини описано лінеаризованими рівняннями Ейлера в безрозмірній формі. Варіаційна постановка задачі, одержана на їх основі методом Гальоркіна, має наступний вигляд:

. (6)

Розрахунок проводився методом скінчених елементів з використанням поділу області на трикутні елементи й апроксимації в межах елемента: компонент швидкості - кусково-лінійними функціями, а тиску - кусково-постійною функцією. На вхідній границі задавався тиск у вигляді функції

. (7)

Ця функція адекватно апроксимує реальний імпульс тиску (рис. 6).

Рис. 6 - Форма реального ІПТ і вигляд апроксимуючої його функції.

На вихідній границі задавався постійний тиск, на решті границь задана класична для нев'язкої рідини умова непроникності . Зазор визначався із умови рівності прохідного для рідини перетину

. (8)

Отриманий розподіл тиску по границі, що відповідає поверхні частинки , використовувався для розрахунку сили , що діє на частинку.

Шляхом аналізу й обробки результатів чисельних розрахунків (варіювалася амплітуда і тривалість ІПТ) була одержана наступна апроксимуюча залежність для визначення (залежність справедлива щодо відношення розміру клітинки сітки до діаметра дроту ).

,(9)

де - амплітудне значення сили :

,(10)

де - масштабний коефіцієнт; - коефіцієнти: .

Для подальшого аналізу залежність (9) зручно записати в наступному вигляді: гідроімпульсний інтенсифікація фільтр

.(11)

Число показує, яку частку сили , що дорівнює статичній дії тиску на площу проекції частинки , складає амплітудне значення сили . Значення тим більше, чим менше відношення часу наростання ІПТ до часу , за який збурення в рідині пройде відстань, рівну . Велику силову дію на частинку можна одержати тільки при дуже крутих імпульсах підвищеного тиску. Це пояснює результати відомих дослідів з електрогідравлічної регенерації сітки і задовільної регенерації решітки для утримання частинок великих розмірів (листя, сміття).

Отримана залежність для визначення використана при чисельному інтегруванні рівняння (5). Результати двох розрахунків для різних ІПТ подані на рис. 7. В обох розрахунках була взята латунна сітка №300, матеріал частинок - вугілля, СЗЗ сформовані при .

Достатньою умовою зриву частинки є . Необхідне зусилля при коротших імпульсах можна отримати при менших амплітудах тиску, проте при ІПТ з одного імпульсу, для повного виходу частики, може бути не достатньо (рис. 7 б). Ступінчата зміна сили тертя викликана різним значенням коефіцієнта тертя спокою і ковзання.

а) і б) і

Рис. 7 - Результати моделювання ГІПР.

У четвертому розділі виконане обґрунтування конструкції пристрою ГІПР, заснованого на використанні ГУ.

Проектування пристрою ГІПР ґрунтувалося на прямому зв'язку крутизни фронту ІПТ під час гідроудару з швидкістю гальмування рідини. Тому була прийнята схема ударного механізму, що зображена на рис. 8.

Рис. 8 - Конструкція ударного механізму.

Після знімання живлення з електромагніта 1 шток 2 звільняється, і поршень 3 під впливом робочого тиску рідини починає рух. Розгін триває до моменту зупинки поршня 3 ударною плитою 4. При цьому відбувається різка зупинка рідини і виникає ІПТ, що розповсюджується по хвилеводу 5 до ділянки сітки, що регенерується. Для усунення впливу повітряної подушки у підпоршневій порожнині виконані отвори для виходу повітря 6.

Регулювання амплітуди ІПТ здійснюється за рахунок зміни висоти підвісу поршня 3 на штоку 2. Динаміка розгону рідини спільно з поршнем описана залежністю, отриманою як розв'язання рівняння несталого руху нестисливої рідини:

,(12)

,(13)

де - швидкість сталого руху рідини, - константа часу розгону.

Крутизна наростання фронту ІПТ для такої конструкції - величина постійна і визначена часом гальмування поршня . З урахуванням того, що ударна плита виконана масивною , можна вважати, що гальмування поршня відбувається необмеженою плитою, яка потерпає місцеві деформації. При цьому час гальмування визначається тільки масою поршня і жорсткістю системи

. (14)

У реальній конструкції значення часу гальмування у 4,3 рази перевищує розрахункове, це можна пояснити наявністю нерівностей на поверхнях, що контактують. У результаті отримано значення часу наростання ІПТ .

Порівняння амплітудних значень тиску, одержаних при таруванні ударного пристрою, з розрахунковими значеннями наведено на рис. 9.

Рис. 9 - Залежність від величини (1 - теоретично розрахована, 2 - експериментальна).

Вимірювання ІПТ здійснювалося датчиком тиску, що є прямокутною мембраною, яка має початкову кривизну, рівну радіусу хвилеводу. Із зворотної сторони мембрани кріпиться тензорезистор, посилений сигнал якого через АЦП передавався на ПК для подальшої обробки. Тарування датчика здійснено методом динамічного навантаження.

Від ударного механізму до фільтроелемента ІПТ поширюється по хвилеводу, що складається з ударної труби й вставки, яка спрямовує (рис. 10).

Рис. 10 - Схема хвилеводу.

Основна вимога, що пред'являється до конструкції хвилеводу - збереження форми ІПТ за довжиною хвилеводу, а також забезпеченню рівномірного розподілу тиску по перерізу, що регенерується. Моделювання розповсюдження ІПТ у хвилеводі виконано на основі одержаного в роботі чисельного розв'язання, записаного в циліндричних координатах. Воно показало, що при куті конусності хвилеводу , що має значення , крутизна ІПТ практично не змінюється, а амплітудне значення ІПТ знижується в число разів, близьке до значення , яке відоме з класичної теорії гідроудару.

У п'ятому розділі наведена експериментальна перевірка основних теоретичних положень, поданих у роботі.

Для виконання експерименту був створений стенд, що забезпечує наступні режими роботи:

1) Виконання забруднення сітки частинками забруднювача, що мають , при підтримці витрати до досягнення .

2) Здійснення звичайної протитечійної регенерації сітки.

3) Створення гідравлічного удару з можливістю зміни амплітудної величини тиску.

Оскільки при повне відновлення фільтруючої перегородки буде при , на основі (4) і (11) можна записати наступне рівняння:

.(15)

Після перетворення цього рівняння можна записати таку залежність:

.(16)

З урахуванням того, що час наростання ІПТ і залежність можна апроксимувати функцією вигляду , за математичну модель процесу приймемо вираз:

.(17)

Експериментальні дослідження проводилися за наступною методикою: СЗЗ, сформовані за 100 циклів забруднення - регенерація, при , віддалялися ГІПР при поступовому збільшенні амплітуди ІПТ . При визначенні параметра відклику використовувалося значення , при якому залишкова забрудненість сітки складала величину < 1%.

Експеримент проводився на трьох рівнях максимального перепаду тиску при забрудненні . Для забезпечення достовірності проводилися чотири серії паралельних експериментів.

Визначивши методом найменших квадратів коефіцієнти апроксимації , одержуємо наступний вираз для функції відклику:

.(18)

Графік отриманої залежності має нахил, дуже близький до теоретично розрахованого значення, але лежить дещо вище (рис. 11). Розбіжність в середньому дорівнює 16,5 %.

Рис. 11 - Залежність для визначення параметра відклику від максимального перепаду тиску при забрудненні (теоретична 1 і експериментальна 2).

У кожному виконаному експерименті був досягнутий прийнятний ступінь очищення сітки від СЗЗ.

ВИСНОВКИ

У дисертації надано теоретичне обґрунтування й нове рішення актуальної науково-технічної проблеми, що полягає в інтенсифікації протитечійної регенерації сітчастих фільтрів на основі розкриття закономірностей формування стійких залишкових забруднень і механізму дії імпульсів підвищеного тиску на частинки забруднювача при гідроімпульсній інтенсифікації протитечійної регенерації.

Основні висновки, одержані в дисертаційній роботі:

1. Основним чинником, що визначає стійкість залишкових забруднень сітчастого фільтра з протитечійною регенерацією, є кінетична енергія зваженої в рідині частинки на підході до сітки. Як критерій стійкості залишкових забруднень може використовуватися величина сумісної пружної контактної деформації системи частинка - дротики сітки. З урахуванням динаміки частинки на підході до фільтруючої поверхні, одержані розрахункові залежності, що дозволяють визначати сили, які утримують частинку забруднювача в клітинці сітки.

2. Досліджений вплив амплітуди та тривалості імпульсу підвищеного тиску на динаміку частинки забруднювача в режимі інтенсифікації протитечійної регенерації. Показано, що ефективність гідроімпульсної інтенсифікації на вирішальному ступені визначається крутизною фронту імпульсу підвищеного тиску. Одержано вираз, що відбиває залежність результуючої сили впливу імпульсу підвищеного тиску на частинку забруднювача від амплітуди й тривалості імпульсу.

3. Показано, що необхідні для видалення стійких залишкових забруднень параметри імпульсів підвищеного тиску можна забезпечити на основі використання гідравлічного удару. Обґрунтована конструкція пристрою створення гідроударних імпульсів і хвилеводу, що підводить імпульси тиску до ділянки сітки, що регенерується.

4.Проведені експериментальні дослідження підтвердили достатню ефективність пристрою гідроімпульсної інтенсифікації протитечійної регенерації, розробленого на основі одержаних теоретичних результатів. Розбіжність між розрахунковими й експериментальними значеннями порівнюваних параметрів складає в середньому 16,5%.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Пупков В.С. Пути обеспечения интенсификации процесса самоочистки сетчатого фильтроэлемента // Сб. научн. тр. ДГМИ Вып. 15 - Алчевск: ДГМИ, 2002. - С. 123-130.

2. Пупков В.С., Петренко А.В. Гидравлический коэффициент сопротивления для чистых и частично закупоренных сеток // Сб. научн. тр. ДГМИ Вып. 17 - Алчевск: ДГМИ, 2003 -С. 259-266.

3. Пупков В.С. Влияние кинетической энергии частиц как фактора процесса загрязнения сетчатого фильтроэлемента. // Материалы ІІ международ. научн.-техн. студент. кон. “Механика жидкости и газа”. - Донецк.: ДонНТУ, 2003. -- С. 87-88.

4. Мочалин Е.В., Пупков В.С. Моделирование волновых процессов в жидкости на основании метода конечных элементов (МКЭ) // Сб. научн. тр. ДГМИ (ДонГТУ) Вып. 18 - Алчевск: ДонГТУ, 2004. - С. 303-316.

5. Пупков В.С. Влияние наличия кинетической энергии частиц на процесс загрязнения сетчатого фильтроэлемента // Геотехническая механика. Межвед. сб. науч. тр. / Ин-тут геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. Вып. № 50 - Днепропетровск, 2004. -С.212-218.

6. Деклараційний патент України на корисну модель 3456 7 B01D29/00 Самоочисний фільтр /
Пупков В.С., Петренко О.В., Мочалін Є.В., Кривошия П.М., Іванова О.О.

7. Пупков В.С., Иванова Е.О. Анализ остаточных загрязнений сетчатых фильтров //
Сб. научн. тр. ДГМИ (ДонГТУ) Вып. 19 - Алчевск: ДонГТУ, 2005. - С. 302-308.

8. Деклараційний патент України на корисну модель 7301 7 B01D29/00 Самоочисний фільтр / Пупков В.С., Петренко О.В., Мочалін Є.В., Кривошия П.М., Іванова О.О.

АНОТАЦІЯ

Пупков В.С. Гідроімпульсна інтенсифікація протитечійної регенерації сітчастих фільтрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 - “Гідравлічні машини і гідропневмоагрегати”. - Сумський державний університет, 2005.

Дисертація написана на тему гідроімпульсної інтенсифікації процесу протитечійної регенерації сітчастих фільтрів.

Проведений у роботі аналіз показав, що інтенсифікацію протитечійної регенерації доцільно проводити, використовуючи імпульси підвищеного тиску, що виникають у результаті гідравлічного удару. Установлено, що максимальна величина сил тертя, які утримують частинку в клітинці сітки, зумовлена переходом кінетичної енергії частинок у пружні контактні деформації при засміченні. Визначено, що сила, з якою імпульс підвищеного тиску впливає на частинку забруднювача залежить не тільки від амплітудного значення тиску, але й від величини відношення часу наростання імпульсу до часу, за який збурювання в рідині розповсюдиться на відстань, рівну розміру частинки. Розроблено пристрій гідроімпульсної інтенсифікації протитечійної регенерації, заснований на явищі гідравлічного удару. Короткочасове наростання імпульсу підвищеного тиску, в якому досягається за рахунок різкої зупинки поршня, що рухається рідиною, масивною плитою. Дано експериментальне підтвердження ефективності застосування гідроімпульсної інтенсифікації протитечійної регенерації, заснованої на використанні гідравлічного удару, і показана адекватність основних теоретичних положень, наведених у роботі, реальним процесам.

Результати дослідження можуть бути використані при проектуванні нових і модернізації існуючих фільтрів з протитечійною регенерацією.

Ключові слова: інтенсифікація протитечійної регенерації, стійкі залишкові забруднення, імпульс підвищеного тиску, гідравлічний удар.

Annotation

Pupkov V.S. Hydroimpulsive intensification regeneration meshed filters means flow returned liquid

Thesis for а degree technical sciences candidate in specialty 05.05.17 - “Hydraulic machines and hydraulic and pneumatic units”. - Summy State University, Summy, 2005.

Thesis deals with problems hydroimpulsive intensification regeneration process meshed filters means flow returned liquid.

Analysis made in work showed that it is advantageously to intensification regeneration mean flow returned liquid when one uses raised pressure pulses which are result water hammer. It has been found that maximum value frictional forces which keep а particle in mesh is result transformation content kinetic energy particles into elastic contact deformation when bridging happens.

Its determined that force raised pressure pulse that affects impurity particle depends not only amplitude value pressure but on value relations increase pulse time to time during which the wave of the liquid spreads to distance which equals size particle. Unit hydroimpulsive intensification regeneration means flow returned liquid was designed. It is based on phenomenon water hammer, when а short time increasing raised pressure pulse is reached due to sharp stop piston which is moved liquid and is stopped the anvil.

Experimental efficiency using hydroimpulsive intensification regeneration means flow returned liquid which is based on phenomenon water hammer is proved. Adequacy main theoretical statement made in work is shown.

Result research may be used in designing new or improving already deigned filters with regeneration means flow returned liquid.

Key words intensification regeneration means flow returned liquid, raised pressure pulse, water hammer, stable residual pollution.

АННОТАЦИЯ

Пупков В.С. Гидроимпульсная интенсификация противоточной регенерации сетчатых фильтров. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - “Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты”. - Сумской государственный университет, Сумы, 2005.

Диссертация посвящена вопросам гидроимпульсной интенсификации процесса противоточной регенерации сетчатых фильтров.

Проведенный в работе анализ показал, что интенсифицирующее воздействие требуется при удалении загрязнений, соизмеримых с размером ячейки сетки. При этом интенсификацию целесообразно проводить, используя импульсы повышенного давления, возникающие в результате гидравлического удара, так как остальные способы интенсификации, требуют или сложного оборудования, или дополнительных источников энергии, или малоэффективны.

Установлено, что максимальная величина сил трения, удерживающих частицу в ячейке сетки, обусловлена переходом кинетической энергии частиц в упругие контактные деформации при засорении. Величина этих сил на порядок больше силы трения, обусловленной максимальным перепадом давления на сетке. Показана слабая зависимость максимальной силы трения от плотности частиц загрязнителя, так как более тяжелые частицы имеют меньшую скорость движения на подходе к сетке.

Определено, что сила, с которой импульс повышенного давления воздействует на частицу загрязнителя, линейно зависит от амплитудного значения давления и убывает по степенному закону при увеличении отношения времени нарастания импульса к времени, за которое возмущение в жидкости распространится на расстояние, равное размеру частицы.

Разработано устройство гидроимпульсной интенсификации противоточной регенерации, основанное на явлении гидравлического удара, в котором малое время нарастания импульса повышенного давлении достигается за счет резкой остановки поршня, движимого жидкостью, массивной плитой. В полученном устройстве время нарастания постоянно, а амплитуда давления регулируется за счет изменения времени разгона поршня, путем ограничения его хода.

Дано экспериментальное подтверждение эффективности применения гидроимпульсной интенсификации противоточной регенерации, основанной на применении гидравлического удара, и показана адекватность основных теоретических положений, приведенных в работе. Среднее расхождение между расчетными и полученными в результате эксперимента значениями сравниваемых параметров составляет величину 16,5%.

Результаты исследования могут быть использованы при разработке новых и модернизации существующих фильтров с противоточной регенерацией.

Результаты диссертационной работы внедрены в конструкции фильтра
ФГМ-10, установленного на предприятии ЛОКСТП “ЛТКЭ” (г. Ровеньки, Украина), основные теоретические положения использованы в учебном процессе Донбасского государственного технического университета.

Ключевые слова: интенсификация противоточной регенерации, стойкие остаточные загрязнения, импульс повышенного давления, гидравлический удар.

Размещено на Allbest.ru

...