Обоснование применения численных методов расчета при проектировании вихревых очистителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование применения численных методов расчета при проектировании вихревых очистителей

Исаков С.Н. (УГЛТУ, г. Екатеринбург, РФ)

Вихревые очистители (ВО) широко применяются в деревообрабатывающей промышленности, например для очистки воздуха от технологических выбросов: пыли, стружкой и опилками. В целлюлозно-бумажной промышленности вихревые очистители применяются в массоподводящих системах бумагоделательных и картоноделательных машин для очистки волокнистой суспензии от тяжелых включений. Они относятся к большой группе агрегатов, характерным признаком которых является вращающаяся среда (жидкость, газ) с разделением среды на составляющие (различающиеся по плотности).

Циклоны состоят обычно из цилиндрической и конической частей. Сортируемая среда подается в цилиндрическую часть по касательной к цилиндру, совершает внутри циклона вращательное движение с частотой пропорционально скорости среды и обратно пропорциональной радиусу вращения , частота вращения среды увеличивается от периферии к центру циклона (рис. 1).

При вращении волокнистой суспензии в ВО формируется широкополосная случайная нагрузка, действующая на корпус циклона. На «инородные частицы» и элементарные объёмы волокнистой суспензии (волокна и жидкость) действуют силы инерции, тяжести и трения. Под действием сил инерции частицы включений, с плотностью большей плотности волокна двигаются по наибольшему радиусу, а с плотностью, меньшей плотности волокна, по минимальному радиусу. Под действием силы тяжести и архимедовой силы тяжелые включения опускаются вниз по винтовой линии, а легкие включения - вверх и уходят с восходящим потоком. Силы инерции вращающегося потока, действующие на корпус циклона, оказываются несбалансированными по ряду причин (отклонение от окружности сечений циклона, трение и турбулентные воздействия на стенки цилиндра, косые удары потока волокнистой суспензии, поступающей по трубе о стенки ВО).

Суммарное динамическое воздействие волокнистой суспензии на ВО можно представить в виде «белого шума». А динамическое воздействие в виде «белого шума» возбуждают колебания конструкций на их собственных частотах. Экспериментальные исследования большого количества ВО подтверждают вышесказанную гипотезу.

ВО обычно устанавливаются в батареях различного конструктивного исполнения. Суммарное групповое воздействие ВО возбуждает колебания конструкций блока так же на их собственных частотах.

Вибрация ВО и их блоков является одной из причин пульсации давления волокнистой суспензии и, как следствие, колебаний массы квадратного метра бумаги в продольном направлении.

Рис. 1. Принципиальная схема ВО очистителя: 1-корпус; 2-питающий патрубок; 3-патрубок очищенной массы; 4-патрубок отходов; 5-внешний патрубок; 6-внутренний патрубок; 7-воздушный столб

вихревой очиститель пыль стружка

Для примера приведем результаты экспериментальных исследований вибрации блока ВО типа «форжект» и ВО типа «магноклинер». Диаметры цилиндрической части ВО составляют соответственно 250 и 1100 мм. В первом случае наиболее четко выражена собственная частота 40 Гц. Именно на этой частоте проявляется вынужденная вибрация при работе ВО, СКЗ виброскорости до 23 мм/с (рис. 2). Во втором случае низшие собственные частоты колебаний ВО и поддерживающих конструкций лежат в пределах 8 - 17,5 Гц, а СКЗ виброскорости достигает 5,7 мм/с. Заметим, что допустимое значение вибросворости для этих конструкций 4,5 мм/с. В обоих случаях в спектрах колебаний массы 1 м2 бумаги в продольном направлении проявляются частоты колебаний ВО.

Рис.2. Образец спектра виброскорости конструкции ВО

Уменьшение вибрации конструкций осуществляется воздействием на источник, на путях распространения и на приемник вибраций. Воздействие на источник вибрации при существующих конструкциях ВО исключено, так как источник повышенной вибрации - динамические воздействия ВО, заключаются в принципе их работы. На путях распространения вибрации реализуется установка на трубопроводах упругих вставок-амортизаторов. СКЗ виброскорости трубопроводов до и после вставок-амортизаторов не превышает 4,5 мм/с.

Уменьшение вибрации конструкций осуществляется воздействием на источник, на путях распространения и на приемник вибраций. Воздействие на источник вибрации в данном случае исключено, на путях распространения вибрации реализовано установкой на трубопроводах упругих вставок-амортизаторов. СКЗ виброскорости трубопроводов до и после вставок-амортизаторов не превышает 4,5 мм/с, что меньше допустимых значений.

Уменьшение вибрации ВО, трубопроводов и поддерживающей конструкции обеспечивается виброизоляцией каждого ВО отдельно путем установки упругодемпфирующих вставок-амортизаторов между трубопроводами и патрубками корпусов, а также применением упругодемпфирующих опор корпусов. Виброизоляция понизит собственную частоту колебаний корпусов, уменьшит передачу вибрации трубопроводам и поддерживающим конструкциям, а вибродемфирование позволит уменьшить резонансную вибрацию.

Для поиска путей виброзащиты ВО в источнике, например, для выявления возможности обеспечение равновесного давления на стенки корпуса путем подвода массы не через одну а посредством нескольких трубопроводов, равномерно распределенных по периметру сечения корпуса; а также для выявление оптимального продления внутренней поверхности ВО, автором разработана методика численного анализа поведения массы в ВО с использованием программных средств МКЭ.

Сущность используемого МКЭ широко применяется для инженерных расчетов [3]. Геометрические модели корпуса ВО и жидкости в нем показаны на рис.3.

Рис. 3. Геометрическая модели корпуса (а) и жидкости (б) ВО

На весь объём жидкости наносится конечно-элементная сетка (КЭС) (рис. 4). Детальность в области высоких градиентов накладываемой КЭС принята выше, чем в остальных областях модели.

Исходные данные для расчета: параметры движения жидкости (скорости и давления на входе в вихревой очиститель, давление на выходе очищенной массы и «отходов» и др.). В модели приняты следующие допущения:

корпус принят недеформируемым;

расход «отходов» регулируется давлением на выходе;

все физические параметры волокнистой суспензии приняты для воды при постоянной температуре;

принята одинаковая шероховатость всех частей очистителя и не учтены возможные погрешности изготовления и сборки;

не учтены вибрация корпуса и дефекты монтажа;

давление на входе и выходе приняты постоянными (не учитывается пульсация давления бумажной массы).

Рис. 4. Конечно-элементная сетка объема жидкости

Для расчета приняты следующие параметры давления на входе в ВО - статическое и динамическое 415 и 105 кПа; на выходе очищенной массы и в патрубке для отходов 150 и 101 кПа. Объемное распределение скоростей (м/с) элементарных объёмов жидкости и статическое давление показано на рис. 5, где отчетливо видно формирование восходящего потока, распределение скоростей и давлений.

Рис. 5. Распределение скоростей (а) и давление в осевом направлении(б) и в поперечном (в) в ВО

При динамическом расчете корпуса ВО используется твердотельная модель конечно-элементной сетки (рис. 6). В модели распределённая присоединённая масса воды учтена путём увеличения плотности материала корпуса ВО. Получены следующие частоты колебаний 42,5; 44; 61,6-62,6 Гц.

Рис. 6 Модель корпуса ВО

Расхождение расчетной низшей собственной частоты колебаний корпуса ВО с экспериментальным значением не превышает 5-6%. При помощи МКЭ можно определить оптимальные характеристики ВО, варьировать их параметры.

Технологические агрегаты массоподводящей системы соединены трубопроводами. Эти участки являются волноводами, а так же сами могут быть источниками вибрации и пульсации бумажной массы в случае механического или (и) акустического резонанса. Поэтому, важно знать собственные частоты того или иного участка, чтобы избежать отрицательного воздействия на всю схему МПС.

В работе, выходящие за рамки настоящей публикации, исследованы динамические характеристики трубопроводов и конструкций, поддерживающих ВО с использованием рассмотренного МКЭ.

Библиографический список

1. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли. Бумаго- и картоноделательные машины: Учеб пособие/ Под ред. В.С. Курова, Н.Н. Кокушина, СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2006. - 588 с.

2. Вейц В.Л. Динамика машинных агрегатов/ В.Л. Вейц. - М.-Л.: Машиностроение, 1969. - 383 с.

3. Галлагер Р. Метод конечных элементов/ Р. Галлагер. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 428 с.

4. Программа ANSYS. Краткий курс: учеб. Пособие/Представительство CAD-FEM GmbH в СНГ. - Снежинск, 1996. - 28 с.

Размещено на Allbest.ru