Разработка новой конструкции роторного гидродинамического кавитационного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка новой конструкции роторного гидродинамического кавитационного устройства

Асанов А.А., Кыргызский государственный университет строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова; Шайдуллаев Р.Б., Арзиев Ж.А., Абдыкадыров Т.С., Токтоназаров С.Т., Южное отделение Национальной академии наук Кыргызской республики Институт природных ресурсов им. А.С. Джаманбаева

Аннотация

На базе Института природных ресурсов Южного отделения НАН КР была разработана экспериментальная кавитационная установка, которая используется для приготовления водоугольного топлива и для микропомола отходов угольной мелочи.

В статье представлено устройство и описан принцип работы разработанной кавитационной установки, а также определены основные её параметры. В работе большой интерес представляет качество измельченности угольных отходов, так как после выработки угля в угольных карьерах Кыргызстана остаются неиспользованным до 40% угольной мелочи от общего объема выработки угля. Такие остатки угольной мелочи с одной стороны отрицательно влияют на окружающую среду, а с другой стороны на здоровье человека близ расположенных населенных пунктов.

Кыргызская Республика, располагая большими запасами угля в сравнении с другими видами топлива, как нефть и газ, отстает от стран СНГ в вопросах энергообеспечения. Так, за счет угля вырабатывается всего около 15 % всей электроэнергии. Использование углей как традиционного топлива приводит к весьма существенному загрязнению окружающей среды. Поэтому в данной статье также затронуты вопросы экологии в процессе выработки, выгрузке и транспортировке угля. В этих условиях необходимы новые, экологически чистые технологии преобразования угля в электрическую и тепловую энергию, обеспечивающие минимальное загрязнение окружающей среды.

В текущий момент известны устройства для диспергирования механических примесей в среде масел в процессе эксплуатации машин. Применение диспергаторов, измельчающих примеси за счет образования в жидкости зон активной кавитации (кавитирующие диспергаторы), более предпочтительны, так как при кавитации в момент схлопывания пузырьков газа или пара возникают высокие локальные температуры и давления.

Создание и разработка новой экспериментальной конструкции роторного гидродинамического кавитационного устройства позволяет уменьшить отходы угольной мелочи и обеспечивает экологическую устойчивость при выработке угольных месторождений. Решение таких вопросов для угледобытчиков Кыргызстана является наиболее актуальным на сегодяшний день.

Ключевые слова: конструкция,кавитатор, измельченность угля, окружающая среда, угольная мелочь, крыльчатка, ротор, статор.

Annotation

An experimental cavitation unit was developed on the basis of the Institute of Natural Resources of the Southern branch of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, which is used as a preparation of coal-water fuel and for micro-milled coal waste.

The article defines the main parameters, as well as presents the device and the principle of operation of the developed cavitation unit. The quality of the crushed coal wastes is of great interest in the work, since after coal production in coal mines in Kyrgyzstan, up to 40% of coal fines remain unused, which more affect the total coal production. Such residues of coal fines on the one hand affect the environment and, on the other hand, naturally affect human health in the vicinity of localities. The Kyrgyz Republic, having large reserves of coal in comparison with other types of fuel such as oil or gas, lags behind such countriesas Countries of Independent States. Thus, coal produces only about 15% of all electricity. The use of coal as a traditional fuel leads to a very significant environmental pollution. Therefore, this article also addresses the issue of ecology in the process of coal mining, unloading and transportation. Under these conditions, new, environmentally friendly technologies for the conversion of coal into electrical and thermal energy are required, ensuring minimal environmental pollution.

Currently known device for dispersing mechanical impurities in the environment of oils during operation of machines. The use of dispersants, grinding impurities due to the formation of active cavitation zones in the liquid (cavitating dispersants), is more preferable, since during cavitation, high local temperatures occur during the riveting of gas or vapor bubblesand pressure.

The creation and development of a new experimental design of a rotary hydrodynamic cavitation device allows for the reduction of waste coal fines and ensures environmental sustainability in the development of coal deposits and the solution of such a question for coal miners in Kyrgyzstan is the most pressing issue for today or time.

Key words: construction, cavitator, coal fineness, environment, coal fines, impeller, rotor, stator.

кавитатор помол угольный вода

Экспертное заключение

В действительности на базе Южного отделения Института природных ресурсов НАН КР был конструирован и изготовлен новый кавитационный смеситель и измельчитель. Предпосылкой к созданию такой установки была необходимость в исследовании основных свойств углей Южного региона Кыргызской республики. Так как для проведения экспериментальных исследований необходимо было сперва произвести измельчение отходов угольных мелочей до порошкового состояния для получения водоугольного топлива. Для подтверждения на рис.1. представлена конструкция изготовленного экспериментального образца кавитатора-измельчителя и на рис.2 ее основные детали (см. выше рис.1 уже был).

Рис.1. Представлена конструкция изготовленного экспериментального образца кавитатора-измельчителя.

Рис.2. Основные детали кавитатора: крыльчатка, ротор и статор (где позиции и названия деталей).

В этой статье представлена предназначенная для измельчения или конструкция созданной и разработанной микропомола угольной мелочи месторождений экспериментальной кавитаторной установки Бел-Алма и Кара-Добо из каменных и бурых углей Юга Кыргызстана, а также описан её принцип работы.

В работе [11] рассмотрены мероприятия, связанные с микропомолом угольного сырья для последующей деминерализации. Там же было отмечено, что процесс микропомола сопровождается выделением угольной пыли, что может служить источником возгарания и взрыва. В этом плане более приемлемо получение измельченного угля или продукта из него, например, полукокса путем использования кавитационных процессов.

В настоящей работе сделана попытка использования ударной волны в воде для тонкого помола угольных частиц с получением водоугольного топлива (ВУТ). Разработанная кавитационная установка имеет ряд преимуществ по сравнению с известными конструкциями: простота конструкции, быстрота получения водоугольного топлива (от 3-5 кг) в течение 5ти минут, решается экологический вопрос при получении водоугольного топлива из отходов угольной мелочи, отсутствуют выбросы в атмосферу угольной мелочи при получении ВУТ. Предлагается получение тонкого помола отходов угольной мелочи с использованием гидродинамического способа для получения ВУТа.

В настоящее время известны устройства для диспергирования механических примесей в среде масел в процессе эксплуатации машин [5, 6, 8]. Применение диспергаторов, измельчающих примеси за счет образования в жидкости зон активной кавитации (кавитирующие диспергаторы), более предпочтительны, так как при кавитации в момент схлопывания пузырьков газа или пара возникают высокие локальные температуры(1273...1773⁰С) и давления (150...200 МПа) [6,11].

Цель исследования - является разработка и создание опытно-экспериментальной кавитационной установки для тонкого помола угля с использованием принципа гидродинамического действия.

Материал и методы исследования

Из литературных источников известны способы приготовления жидко-топливной композиции [1], состоящие из мелкодисперсного твердого топлива, стабилизатора и воды, позволяющие утилизировать навоз, сапропель, продукты ассенизационных выгребных ям, гидролизный лигнин.

Недостатком этих способов является сложность коллоидного раздробления растительных остатков и большие энергозатраты на его осуществление. Обязательный ввод в водотопливную смесь органической жидкости. Необходимость иметь дополнительное оборудование углесос или насос для прокачки смеси или суспензии через статический кавитационный смеситель. Наиболее близкие, к предлагаемому способу являются способы получения водоугольного топлива, изложенные в следующих работах [2, 3].

Недостатками этих способов являются: наличие сухого размола угля в роторно-вихревой мельнице, для устойчивой работы которой требуется предварительное обезвоживание угля; сухое измельчение угля до частиц менее 20 мкм в мельницах-вентиляторах требует наличия пылеулавливающих устройств, а взрывоопасность сухой угольной пыли - наличия особых мер безопасности и т.п.

Вышеперечисленные преобразования углеводородов при кавитационном воздействии с водной средой экспериментально подтверждают идею, выдвинутую в 30-х годах Я.И. Френкелем, что “жидкость - это разупорядоченное твердое тело, в котором продолжает существовать ближний порядок” [4, с. 11-14].

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее целесообразно применение гидродинамических кавитаторов-диспергаторов, измельчающих частицы за счет удара их о твердую поверхность. При сравнительно простой конструкции и технологичности гидродинамические диспергаторы не вызывают деструкции воды.

В настоящее время разработано несколько модификаций гидравлических диспергаторов, позволяющих использовать их в различных вариантах гидравлических схем мобильных машин [5, 6, 7].

Однако такие устройства из-за малой производительности не могут быть использованы для измельчения частиц угля. Поиск приемлемой схемы привел к созданию гидродинамического кавитационного аппарата, принципиальная схема которой, приведена на рис. 1, б, которая выполнена в виде центробежного насоса с диспергаторами, размещенными по периферии окружности, куда подается предварительно приготовленная водоугольная суспензия.

а б

Рис. 1. а - Общий вид экспериментального образца кавитационного аппарата, б - принципиальная схемаустановки для гидродинамического измельчения частиц угля: 1- корпус кавитатора, 2 - крыльчатка, 3 - ротор, 4 - статор, 5 - электродвигатель, 6 - бак, 7 - выходной патрубок, 8 - горловина бака, 9 - сливной кран, 10 - входной патрубок, 11 - рама для бака, 12 - фланец входного патрубка, 13 - рама кавитатора.

Выполнено теоретическое решение задачи об ударе диспергируемой угольной частицы о твердую преграду при некоторых ограничительных условиях. При этом сделано допущение, что процесс волнообразования, возникающий вследствие удара частицы о преграду, является одномерным, частица представляет собой линейно-деформируемый стержень, а преграда абсолютно не деформируема. Такое решение задачи позволило дать возможность к созданию кавитационной установки [9, с. 52.60].

Исходя из выше изложенного подхода, была разработана методика расчета параметров кавитационного аппарата.

Тогда для определения одного из основных параметров разработанного кавитатора является скорость истечения струи из конического сопла, которая определяется [13, с. 107]:

С использованием вышеизложенного подхода расчета параметров кавитацинного аппарата разработана лабораторная конструкция, описание которого дается ниже.

Устройство для получения водоугольного топлива. Современные роторные гидродинамические кавитационные аппараты широко используются для образования потоков кавитации с схлопыванием кавитационных пузырьков в обрабатываемой жидкости, эмульсии, суспензии и могут применятся для смешивания несмешиваемых жидкостей, приготовления водоугольного топлива (ВУТ), тонкодисперсного измельчения горных пород, обеззараживания и стерилизации обрабатываемых продуктов и т.д.

Известный роторный кавитационный аппарат [10] включает в себя корпус, приводной вал с закрепленным на нем ротором, в радиальных отверстиях которого от лопаток ротора до его периферии установлены гидродинамические кавитаторы. В них последовательно расположены круглоцилиндрические насадки Вентури, резонирующие камеры, внезапно расширяющие насадки Борда, образующие четыре участка образования кавитационных пузырьков. Это устройство обеспечивает повышение эффективности процесса за счет непрерывного образования кавитационных пузырьков с их захлопыванием в обрабатываемой жидкости, чтобы защитить детали аппарата от жесткого воздействия при их схлопывании. Однако, этому аппарату присущи следующие недостатки:

- конструктивная сложность устройства;

- возможность обрабатывать только системы «жидкость - жидкость».

Как известно при приготовлении ВУТ в процесс вступает твердая фаза, подлежащая к измельчению. При высокой зольности исходного угольного сырья насадки из-за износа быстро выходят из строя, что снижает надежность аппарата. С учетом вышеизложенного, предложена новая конструкция устройства для получения водоугольного топлива, общий вид, которой приведен на рис. 1.

Устройство и принцип работы кавитационного аппарата. Кавитационный аппарат включает в себя корпус 1, приводной вал с закрепленным на нем крыльчаткой 2 и ротором 3, а также статор 4. Ротор 3 представляет собой кольцо с радиальными коническими отверстиями. Концентрично к ротору размещен кольцеобразный статор 3 с зазором между корпусом и его поверхностью для образования кавитационных процессов, в теле кольца статора последовательно расположены круглоцилиндрические насадки Вентури. Кавитационный аппарат вместе с приводным электродвигателем 5 смонтирован на единой раме 13, где также установлена емкость (бак) 6 для водоугольной жидкости, сообщенная при помощи входного 10 и выходного 7 патрубков с соответствующими отверстиями кавитационного аппарата 12. Емкость 6 также снабжена краном 9 для слива готовой продукции. Работа кавитационного аппарата заключается в следующем. При включении электродвигателя, приводной вал с закрепленным на нем крыльчаткой и ротором получив от двигателя энергию вращения, по аналогии с центробежным насосом, закачивает водоугольную жидкость из емкости опять в емкость. Движение жидкости происходит за счет кинетической энергии частиц, которые при вращении крыльчатки отбрасываются в радиальном направлении к входным отверстиям гидродинамических кавитаторов. При циркулировании водоугольной жидкости между ротором и статором аппарата из-за сужений и внезапных расширений отверстий в роторе и статоре происходит кавитационный процесс, приводящий к измельчению частиц угля в водной среде.

Выводы по статье

Предлагаемая установка, по сравнению с известными прототипами менее энергоемкая и проста по конструкции. Для повышения процесса измельчения угольной мелочи предусмотрена трех стадийная измельчение смеси. Первая стадия измельчения угольной смеси происходит между крыльчаткой и ротором, далее вторая стадия измельчения происходит между ротором и неподвижным статором и третья стадия измельчения угольной смеси осуществляются между неподвижным статором и корпусом кавитатора. Все это, в конечном счете, повышает эффективность процесса получения водоугольной эмульции из мелкодисперсного угля или продуктов переработкиугля.

Список литературы

1. Горлов Е.Г., Лурий В.Г. Жидкая топливная композиция и способ ее получения. // Патент РФ №2183658. Патентообладатель (и): Горлов Е.Г., Лурий В. Г.2002. Бюл.№45

2. Артемьев В.К., Данченков Н.И., Титов А.Н. Способ получения водоугольного топлива // Патент РФ № 2167189.Патентообладатель (и): Данченков Н.И., Титов А.Н. 2001. Блю. №43

3. Данилов А.П., Данилов И.А, Данилов С.А. Способ обработки угля с высоким содержанием серы // Патент РФ № 2405026. Патентообладатель (и): Данилов И.А. 2010. Блю. №33.

4. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. М.:, Л.: Изд-во АН СССР, 1945. 424 с.

5. Фатхиев Н.М., Каравайченко М.Г., Васильев А.В., Богатырев В.М., Белозеров А.Г. Гидродинамический кавитатор // Патент РФ № 0002472075. Патентообладатель (и): Закрытое акционерное общество «Нефтемонтаждиагностика». 2013. Блю. №5.

6. Кавитар Инновейтивтекнолоджиз ЛТД (вБ)., Сивожелезов П.П. Гидродинамический диспергатор // Патент РФ № 0002586562. Патентообладатели: Сивожелезов П.П., Кавитар Инновейтивтекнолоджиз ЛТД (вБ). 2016. Блю. №17.

7. 3агрутдинов Р.Ш., Нагорнов А.Н., Сеначин П.К. Технологии газификации глей и производства моторных топлив: учебное пособие. Барнаул: Алтайский Дом печати, 2008. 96 с.

8. Исламов С.Р. Энерготехнологическая переработка угля. Красноярск: Поликор, 2010. 224 с.

9. Отчетпо НИР. Разработка и создание ресурсосберегающей технологии когенерации энергии на основе продуктов переработки ископаемых углей. Б.: КГУСТА. 2018. 94 с.

10. Отчет по НИР. Рациональное использование низкосортных углей Кыргызстана путем их переработки в облагороженное топливо. Б.: КГУСТА. 2017. 64 с.

11. Бурдуков А.П., Попов В.И., Фалеев В.А., Юсупов Т.С. Использование механоактивированных углей микропомола в энергетике // Ползуновский вестник. 2010. №1. 93-98 с.

12. Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: Учебное пособие. Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. 145 с.

13. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - 4-е изд., стереотипное, перепечатка со второго издания 1982 г. М: «Издательский дом Альянс», 2010. 423 с.

Размещено на Allbest.ru