close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение эффективности инерционного пылеотделителя в очистке пылевоздушных потоков для обеспечения экологической безопасности в деревообрабатывающих производствах

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КОНЦЕВАЯ Валентина Александровна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНЕРЦИОННОГО
ПЫЛЕОТДЕЛИТЕЛЯ В ОЧИСТКЕ ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ
ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВАХ
05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург 2018
2
Работа
выполнена
в
федеральном
государственном
бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Сибирский
государственный университет науки и технологий имени академика
М.Ф. Решетнева» (ФГБОУ ВО СибГУ им. М.Ф. Решетнева)
Научный руководитель:
Рогов Вадим Алексеевич
доктор технических наук, профессор, профессор
кафедры
безопасности
жизнедеятельности
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный
университет науки и технологий имени
академика М.Ф. Решетнева»
Официальные оппоненты:
Боровков Дмитрий Павлович
доктор технических наук, профессор кафедры
безопасности
жизнедеятельности
в
строительстве и городском хозяйстве ФГБОУ
ВО
«Волгоградский
государственный
технический университет»
Трофимов Сергей Петрович
кандидат технических наук, доцент, доцент
кафедры технологии и дизайна изделий из
древесины УО «Белорусский государственный
технологический университет»
Ведущая организация:
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
образования
«Донской
государственный
технический университет»
Защита состоится «28» июня 2018 г. в 10.00 на заседании
диссертационного совета Д.212.281.02 при ФГБОУ ВО «Уральский
государственный
лесотехнический университет» по адресу: 620100,
г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37, к. 401.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО
«Уральский государственный лесотехнический университет» (www.usfeu.ru).
Автореферат разослан «____» мая 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, доцент
Шишкина Елена Евгеньевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Производственные процессы
деревообрабатывающих
производств
характеризуются
повышенным
пылеобразованием и пылевыделением. Современные природоохранные
требования к выбросам загрязняющих веществ в атмосферу заставляют
руководителей предприятий устанавливать эффективные системы очистки
воздуха от загрязнителей, образующихся в процессе производства продукции.
Одной из важнейших проблем производственного процесса является очистка
запыленных газовых потоков, выбрасываемых в атмосферу промышленными
предприятиями. Циклоны, электрофильтры и другие аппараты, применяемые
сегодня в деревообрабатывающей промышленности, к сожалению, не
обеспечивают требуемую степень улавливания аэрозолей тонких фракций.
В связи с этим научные исследования, направленные на повышение
эффективности инерционного пылеотделителя в очистке пылевоздушных
потоков
для
обеспечения
экологической
безопасности
в
деревообрабатывающих производствах при различных технологических
процессах переработки сырья, являются актуальными. Прежде всего, они
направлены на исполнение Указа Президента РФ № 899 по реализации
приоритетных направлений развития науки, в частности, в области
энергоэффективности и энергосбережения.
Степень разработанности темы исследования. В 40-х годах XX века
теоретические основы описания процесса пылеулавливания в циклонных
аппаратах были заложены такими исследователями, как А.Ю. Вальдберг,
Б. Барс, П.А. Коузов, А.И. Пирумов, В.А. Дрозов, Е. Лепл, В.Н. Ужов,
Б.С. Федоров, С. Шеферд. В 1970–1980-е годы проблемами борьбы с пылью на
деревообрабатывающих предприятиях занимались О.Н. Русак, В.В. Милохов.
Научные достижения в описании движения частиц в закрученных потоках
жидкости и газа были получены А.В. Тананаевым, А.И. Буровым,
Н.И. Ватиным, Е.В. Сугак, Н.А. Войновым, Н.А. Николаевым. В исследованиях
ряда ученых, таких, как В.А. Рогов, О.Н Русак, А.Г. Лапкаев, В.В. Милохов,
А.И. Пирумов, X. Грин, В. Кноп, В. Лейн, В. Теске, рассматривались проблемы
запыленности воздуха и физико-химические свойства древесной пыли.
Большое значение имеют научные и технические результаты деятельности,
посвященные вопросам очистки воздуха, таких исследователей, как
Г.А. Смирнова, Г.Я. Крупкин, Н.З. Битколов, А.М. Гримитлин. Особый интерес
представляют результаты, полученные Б. Барсом, Е.А. Штокманом,
М.И. Шиляевым, В.А. Дроздовым, К. Риетемой, К.М. Розиным, Д. Стейтоном,
по созданию методик расчета эффективности пылеудаления в циклонах. В
области осаждения частиц пыли в электроциклоне на деревообрабатывающем и
целлюлозно-бумажном производстве отмечены исследования И.И. Василишина
и В.А. Рогова.
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является
повышение коэффициента эффективности очистки пылевоздушных потоков от
тонкодисперсной пыли с помощью инерционного пылеотделителя с
применением электростатического поля и предварительной зарядкой частиц,
4
позволяющего уменьшить воздействие на окружающую среду выбросов пыли
от деревообрабатывающих предприятий.
Для достижения цели сформулированы следующие задачи:
1. Провести обзор технологических процессов производственной зоны
помещений деревообрабатывающего производства с целью выявления
использования оборудования для очистки воздуха с анализом свойств
древесной пыли.
2. Провести теоретический анализ траектории движения заряженных
частиц в пылевоздушном потоке при воздействии электростатического поля
инерционного пылеотделителя.
3. Разработать
опытно-промышленную
установку
для
экспериментального исследования повышения коэффициента очистки
инерционного пылеотделителя с помощью наложения на его центробежное
поле электростатического, в том числе с предварительной зарядкой
пылевоздушного потока.
4. Определить основные геометрические и режимные показатели работы
циклона и выявить зависимость этих показателей от количества выброса пыли.
5. Определить экономическую и экологическую эффективность
использования
инерционного
пылеотделителя
с
применением
электростатического поля.
Объект исследования. Инерционный пылеотделитель.
Предмет исследования. Закономерности процессов, протекающих в
инерционном пылеотделителе с применением электростатического поля, и
поиск методов для повышения коэффициента эффективности очистки
пылевоздушных потоков.
Научная новизна исследований заключается:
– в математическом описании движения частиц древесной пыли в
инерционном
пылеотделителе,
учитывающем
центробежные
и
электростатические силы;
– теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении
эффективности
пылеулавливания
инерционного
пылеотделителя
с
применением электростатического поля и предварительной зарядкой частиц;
– установлении влияния геометрических и режимных параметров работы
инерционного пылеотделителя на коэффициент эффективности очистки с
учетом свойств древесной тонкодисперсной пыли;
– разработке варианта конструкции инерционного пылеотделителя с
применением электростатического поля и предварительной зарядкой частиц.
Теоретическая значимость работы заключается в получении
математического описания движения частиц древесной пыли в инерционном
пылеотделителе, учитывающем центробежные и электростатические силы, а
также установлении закономерностей процессов работы инерционного
пылеотделителя.
Практическая ценность исследований состоит в том, что на основе
теоретических и экспериментальных данных разработан инерционный
пылеотделитель с усовершенствованной конструкцией путем применения
5
электростатического поля и введения дополнительного узла – патрубка с
коронирующими электродами. Патрубок позволяет предварительно зарядить
частицы запыленного газового потока, а электростатическое поле в
инерционном пылеотделителе их осаждение. Наличие патрубка с
коронирующими электродами и электростатического поля инерционного
пылеотделителя позволяет увеличить эффективность очистки за счет
повышения степени улавливания, главным образом частиц размером от 1 до
10 мкм. На устройство для улавливания тонкодисперсной пыли получен патент
РФ № 122960.
Инерционный пылеотделитель с применением электростатического поля
может быть использован для очистки воздуха при различных процессах
обработки древесины, что позволит снизить количество выбросов в атмосферу.
Устройство улавливания пыли может быть успешно внедрено в
технологическое производство деревообработки, а установленные зависимости
и расчеты помогут в обучении по техносферной безопасности студентам
технических вузов.
Методология и методы исследований. Теоретические методы,
основанные на составлении и решении дифференциальных уравнений,
описывающих работу инерционного пылеотделителя с учетом сил, влияющих
на тонкодисперсные частицы древесной пыли; проведение натурных
экспериментальных исследований на разработанной установке; применение
сертифицированных методик определения скорости; статистические методы
обработки результатов экспериментов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическое уравнение описывает траекторию движения частиц в
пылевоздушном потоке при воздействии на частицы электростатического поля
инерционного пылеотделителя.
2. Вариант разработки опытно-промышленной установки позволяет
экспериментально исследовать влияние электростатического поля на
коэффициент эффективности очистки.
3. Результаты экспериментальных исследований показывают повышение
коэффициента эффективности очистки пылевоздушного потока до 99,8 %.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
исследований подтверждается совокупностью проведенных научных
экспериментов, применением методов статистической обработки полученных
результатов измерений, оценкой адекватности разработанных математических
моделей действительным процессам, а также приемлемым совпадением
результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными,
положительными
результатами
промышленной
апробации
опытнопромышленной установки, экономической эффективностью применения
разработанной установки.
Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на
всероссийских научно-практических конференциях: «Лесной и химический
комплексы – проблемы и решения» (Красноярск, 2011, 2015); «Молодые
ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2011, 2015, 2017);
6
«Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2017);
Окружной конференции «Наука и инновации ХХI века» (Сургут, 2011).
Получили одобрение на конкурсе научно-технического творчества молодежи
города Красноярска в номинации «Молодежные научно-исследовательские и
инвестиционные проекты» (Красноярск, 2013).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы и
защищаемые положения изложены в 16 научных работах, из них 4 статьи в
журналах, рекомендованных ВАК РФ. Автором получен 1 патент РФ на
полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация написана на 148 страницах
машинописного текста. Состоит из введения, пяти глав, списка литературы,
приложений. Содержит 18 таблиц, 32 рисунка,125 наименований литературы, в
том числе 2 на иностранном языке, 4 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определена актуальность темы диссертационной работы,
сформулирована цель, научная новизна, практическая и теоретическая
значимость, основные положения, выносимые на защиту, структура и объем
работы, а также ее реализация и апробация.
В первой главе приводится обзор технологических процессов в
деревообрабатывающей промышленности с целью выявления использования
оборудования для очистки воздуха, характеризуются существующие методы и
оборудование очистки, а также описываются некоторые свойства древесной
пыли.
Вредное воздействие на состояние окружающей среды, а также на
здоровье населения, оказывает древесная пыль размером менее 20 мкм, поэтому
есть необходимость в эффективном улавливании пыли таких фракций.
В процессах деревообработки наибольшее применение получили
трехступенчатые системы очистки: на первой ступени применяются
пылеосадительные камеры, циклонные сепараторы находят применение на
второй ступени, электрофильтры и рукавные фильтры используются в качестве
третьей ступени.
На
рисунке
1
представлена
схема
пылеулавливания
от
деревообрабатывающих станков. Местными отсосами-пылеприемниками 1
отходы от различных станков и оборудования по воздуховодам 2 подаются в
коллектор 3. По сборным воздуховодам 4 вентиляторами 6 пылевоздушный
поток отсасывается непосредственно из циклонов 5, очищая его.
Для очистки воздушных потоков от взвешенных твердых частиц
применяется разнообразное оборудование, отличающееся как по конструкции,
так и по принципу действия. Из анализа научно-технической и патентной
информации систем очистки воздуха сделан вывод, что сухая очистка
пылевоздушного потока в инерционном пылеотделителе наиболее
перспективна, но требует повышения коэффициента эффективности очистки.
7
1
2
6
3
4
5
6
1
5
Рисунок 1 – Схема пылеулавливания
от деревообрабатывающих
станков:
1 – местные отсосыпылеприемники;
2 – воздуховоды-ответвления
от станков;
3 – коллектор;
4 – сборный воздуховод;
5 – циклон; 6 – вентилятор
Для увеличения эффективности очистки пылевоздушного потока есть
необходимость увеличения размера частиц путем агрегирования и коагуляции
частиц.
На третьей ступени очистки можно использовать инерционные
пылеотделители с применением электростатического поля. Они являются
наиболее эффективными пылеулавливающими аппаратами. В них частицы
древесной пыли удаляются под воздействием центробежных и электрических
сил. Их применение для улавливания взвешенных частиц обусловлено высокой
степенью очистки при относительно низких энергозатратах.
Во второй главе приведено теоретическое описание процесса движения
заряженных частиц в пылевоздушном потоке в электростатическом поле
инерционного пылеотделителя, выполнен теоретический расчет эффективности
очистки, а также зарядка и коагуляция частиц.
Коагуляция аэрозольных частиц является одним из основных механизмов
изменения дисперсных систем и приводит к изменению как дисперсности, так и
морфологии аэрозолей. В результате коагуляции форма образованных
агрегатов отличается от первоначальной формы частиц, что может существенно
отразиться на аэродинамических, оптических, адгезионных свойствах
дисперсной системы.
При воздействии ионного потока на частицы увеличивается средний
размер частиц и значительно изменяется форма образующихся агрегатов. При
малых значениях количества ионов величина коэффициента удлинения K
слабо меняется со временем. Усиление же ионного потока приводит к
существенному увеличению K .
В случае коагуляции двух сферических твердых частиц образуется
агрегат, форму которого можно приближенно считать вытянутым эллипсоидом
(рисунок 2).
Рисунок 2 – Коагуляция твердых
частиц в электрическом поле
E
8
Эллипсоиды обладают свойством ориентироваться вдоль силовых линий
электрического поля. В поле они поляризуются, причем поле поляризации у
вершин эллипсоида значительно превышает поле поляризации в средней части
эллипсоида. При сближении частиц, кроме кулоновских сил притяжения и сил,
обусловленных действием поля Е, на заряженные частицы действуют силы,
обусловленные полями поляризации частиц. Поскольку последние принимают
наибольшее значение у вершин эллипсоидов, то коагуляция происходит в
основном в точках, близких к этим вершинам. В результате получаются еще
более вытянутые частицы, эффект сил поляризации еще более увеличивается,
что, в свою очередь, приводит к удлинению агрегатов из частиц.
После предварительной зарядки частицы коагулируют и попадают в
электростатическое поле инерционного пылеотделителя.
Траектория частиц зависит от массы, формы и материала, а также от
параметров электростатического поля. Направление движения зависит от того,
какой избыточный заряд получили частицы древесной пыли в поле коронного
разряда. Эффект агрегирования зависит от времени нахождения частиц в
электростатическом поле. Крупные частицы увлекают за собой мелкие.
Процесс улавливания частиц пыли определим как совокупность
движения агрегатов в пылевоздушном потоке, направленных в инерционном
пылеотделителе с твердой наружной стенкой по окружности с радиусом
кривизны r.
В электростатическом поле на древесные частицы действует система сил,
которые задают им траекторию движения. В вертикальном восходящем или
нисходящем закрученном потоке в системе координат, связанных с частицей,
на частицу древесной пыли действуют следующие силы (рисунок 3): сила
тяжести – в осевом направлении, сила Кориолиса – в тангенциальном,
центробежная и электростатическая сила – в радиальном направлении.
3
Рисунок 3 – Схема сил, действующих на
частицу пыли в электростатическом поле:
1 – корпус циклона;
2 – внутренний (выходной) патрубок;
3 – трубопровод
2
r
FС
FЦ
FЭ
FТ
1
3
4
Будем считать, что масса частицы определяется как m  d  3 , тогда
система уравнений движения заряженных частицы в закрученном потоке
запишется в следующем виде:
9
duz 3   z
 

|  z  u z | ( z  u z )  g ,
dt
4 d 
du 3  
uu
 

|   u | (  u )   r ,
dt 4 d 
r
(1)
(2)
u2 6  q  E  e t
dur 3   r
 

| r  ur | (r  ur ) 

,
dt
4 d 
r
d     3
(3)
где uz, uτ, ur – осевая, окружная (тангенциальная) и радиальная составляющие
скорости частицы, м/с;
ωz, ωτ, ωr – осевая, окружная (тангенциальная) и радиальная
составляющие скорости среды, м/с;
ψz, ψτ, ψr – коэффициенты сопротивления в осевом, окружном и
радиальном направлении;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
ρ – плотность газа, кг/м3;
ρd – плотность частицы, кг/м3;
δ – диаметр частицы, мкм;
r – радиус циклона, м;
q – заряд частицы, Кл;
E – напряженность электрического поля, В/м;
 – коэффициент, определяемый экспериментальным путем;
t – время, с.
Для расчета траекторий частицы в замкнутом потоке и эффективности
очистки необходимо знать законы изменения осевой окружной и радиальной
составляющих скорости потока по длине и радиусу корпуса инерционного
пылеотделителя. Будем считать, что осевая составляющая скорости потока
одинакова по сечению канала, а в тангенциальном направлении скорость
частицы равна скорости воздушного потока ω.
Уравнение движения заряженных частиц запишется в виде
1 
r (t )  C1e 2
t
 C2
1 
t
e 2

 
где
A
6qE
 d 
C1 
,
3
A
2

e  t ,
(4)
2
 d
,
  1  4 2 2 ,
18 µ – кинематическая вязкость среды,
2




 k2t  B e k 2 t  k2e t
 k1t  B e k1t  k1e t
,
C


, B
2
k1e k 2 t  k2e k1t
k1e k2t  k 2 e k1t
A
.
1 2
2
   

В результате частицы движутся по криволинейной траектории. Из
рисунка 4 видно, что чем меньше размер частицы (траектория 1), тем быстрее
происходит процесс осаждения. Чем больше размер частицы, тем ближе ее
траектория к окружности (траектория 2,3) и тем медленнее она осаждается.
Будем считать зону квазипотенциального течения потока как радиус
выходного патрубка инерционного пылеотделителя и, значит, частицы,
10
вылетевшие за пределы зоны квазипотенциального течения потока, размер
которой определяется радиусом rкр, будут уловлены.
Заряженные
частицы
Рисунок 4 – Траектории
движения частиц
Внутренний
патрубок
1
3
2
Корпус циклона
В предположении равномерного распределения частиц по сечению на
входе эффективность очистки η определяется отношением площади зоны
квазипотенциального течения потока и общей площадью сечения потока:
  1
rкр2
R2
.
(5)
При ε=1-η, где ε – коэффициент относительного выброса, выражение (5)
принимает вид
L

A


e z
2
rкр
   
2 L z 2 ~
ln   2 ln

tg   2 ln 
2
R
R
R



где



,



(6)
L – высота инерционного пылеотделителя;
~ – угол закрутки воздушного потока;
R – радиус инерционного пылеотделителя;
ω – скорость воздушного потока.
Выражения (5) и (6) дают качественное представление о характере
действия основных параметров процесса на эффективность осаждения частиц в
инерционном пылеотделителе. Эффективность улавливания повышается с
ростом размера и плотности частиц, угла закрутки потока и с уменьшением
диаметра выходного патрубка инерционного пылеотделителя. Необходимо
отметить, что расчетные значения фракционной эффективности бывают
завышенными по сравнению с экспериментальными.
Расчетные значения эффективности очистки при различной скорости и
разном размере частиц представлены на рисунке 5.
В соответствии с выражением (6) повышение скорости потока должно
приводить к высокому коэффициенту эффективности очистки частиц любого
размера.
Эффективность очистки η, %
11
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
V=10 м/с
V=15 м/с
V=20 м/с
0
5
10
15
20
Диаметр частицы δ, мкм
Рисунок 5 – Эффективность очистки при различной скорости и
различном размере частиц
В результате проведенного исследования делаем следующие выводы:
1. Значительным фактором, влияющим на размер образующихся
агрегатов, является предварительная зарядка частиц древесной пыли при
напряжении на электродах 20 кВ. При коагуляции двух сферических твердых
частиц образуется агрегат, форму которого можно примерно считать
вытянутым эллипсоидом.
2. Эффективность очистки растет с повышением размера (до 15 мкм) и
плотности частиц, угла закрутки потока (до 450), скорости воздушного потока
(до 16 м/с) и с понижением диаметра выходного патрубка (до 114 мм)
инерционного пылеотделителя.
3. Высокий коэффициент эффективности очистки (до 99,9 %) воздушного
потока от частиц древесной пыли, достигаемый в инерционном
пылеотделителе, объясняется эффективным взаимодействием центробежной
силы и силы электростатического поля, совпадающих по направлению. Однако,
расчетные значения эффективности очистки бывают завышенными по
сравнению с экспериментальными, поэтому нуждаются в дополнительном
экспериментальном подтверждении.
Третья глава посвящена методике проведения экспериментальных
исследований
инерционного
пылеотделителя
с
применением
электростатического поля.
Для подтверждения достоверности расчетов с использованием описанной
методики оценки эффективности инерционного пылеотделителя нами
разработана установка. Технические данные установки приведены в таблице 1,
схема представлена на рисунке 6.
Таблица 1 – Технические данные установки
Показатель
Значение
1
2
Модель циклона
Производительность циклона по воздуху
Диаметр циклона
Диаметр выходного патрубка
Высота циклона
Диаметр трубопровода
УЦ-38
200-250 м3/ч
300 мм
114 мм
980 мм
140 мм
12
Окончание таб. 1
1
Вентилятор ВР 240-26:
полное давление, развиваемое вентилятором
мощность электродвигателя
частота вращения электродвигателя
Высоковольтный блок питания:
напряжение на коронирующих электродах
Соединительный кабель
2
2200 Па
1,1 кВт
3000 об/мин
до 30 кВ
3КВЭЛ-60
Рисунок 6 – Схема экспериментальной установки:
1 – вентилятор; 2 – регулировочная задвижка; 3 – трубопровод; 4 – дозатор;
5 – патрубок с коронирующими электродами; 6, 7 – высоковольтные блоки
питания; 8 – внутренний (выходной) патрубок; 9 – циклон типа УЦ-38
В качестве коронирующего электрода 5 использовали сетку с иглами из
нихромовой проволоки, размер ячейки 25 мм (рисунок 7).
3
2
1
Рисунок 7 – Коронирующий электрод
(сетка с иглами)
для предварительной зарядки пыли:
1 – основание сетки;
2 – узел сетки;
3 – игла сетки
Забор воздуха осуществляется вентилятором 1 и попадает в трубопровод
3. С целью изменения расхода воздуха установлена регулировочная задвижка 2
на трубопроводе. При помощи дозатора 4 происходит подача пыли в
трубопровод. При прохождении через патрубок с коронирующими электродами
5 пыль заряжается. На коронирующие электроды напряжение подается при
13
помощи высоковольтного блока питания 6. Далее заряженная пыль попадает в
циклон 9. Для создания электростатического поля в инерционном
пылеотделителе применяется высоковольтный блок питания 7, «-» которого
присоединен ко внутреннему (выходному) патрубку 8, а «+» на корпус циклона.
Напряжение для создания электростатического поля внутри циклона меняется
при помощи регулятора на высоковольтном блоке питания 7.
Описана методика определения влияния электростатического поля на
эффективность работы инерционного пылеотделителя.
В процессе исследования проводился ряд экспериментов с
пылевоздушным потоком в электростатическом поле инерционного
пылеотделителя с разной величиной напряжения на электродах (10, 15, 20 кВ) с
предварительно заряженными частицами пыли и различной величиной
скорости движения воздушного потока (10, 15, 20 м/с). Также проводился ряд
экспериментов с изменением таких геометрических параметров инерционного
пылеотделителя, как величина размера диаметра выходного патрубка (114, 133,
152 мм) и погружение его в инерционный пылеотделитель на 20, 30, 40 и 50 мм.
После каждого опыта нами определялись основные параметры очистки
пылевоздушного потока инерционным пылеотделителем:
а) содержание пыли, которая осела на экспериментальном фильтре,
установленном на выходном патрубке, величина выброса П2, г;
б) коэффициент эффективности очистки К, %, определяемый по формуле
K
П1
 100 % ,
G
(7)
где П1 – количество пыли, которое уловлено инерционным пылеотделителем, г,
определяемое как
П1  G  П 2 ,
(8)
где G – начальное пылесодержание, г.
Расчеты проб производились весовым методом, а также счетным при
помощи кониметра-10.
Описана методика математической обработки результатов эксперимента.
В четвертой главе приведены результаты исследования режимных и
геометрических параметров работы инерционного пылеотделителя с
применением электростатического поля.
Для изучения совместного влияния параметров на процесс очистки был
поставлен двухфакторный эксперимент. В качестве переменных факторов
приняты: скорость воздушного потока – V, м/с, напряжение на электродах –
U, кВ. Выходной величиной являлся коэффициент эффективности очистки.
Исследования проводились при разном начальном пылесодержании аэросмеси
и различной величине диаметра выходного патрубка.
В результате обработки экспериментальных данных получены
следующие уравнения регрессии с натуральными обозначениями факторов:
– для начального количества пылесодержания G=50 г
K  0,73  0,03 V  0,005 U  0,001 V 2  0,0005 VU  0,00009 U 2 ;
– для начального количества пылесодержания G=100 г
(9)
14
K  0,6  0,03 V  0,008 U  0,001 V 2  0,0002 VU  0,0002 U 2 ;
(10)
– для начального количества пылесодержания G=150 г
K  0,5  0,04 V  0,006 U  0,001 V 2  0,0002 VU  0,00003 U 2 ;
(11)
– для диаметра выходного патрубка d=114 мм
K  0,72  0,03 V  0,006 U  0,0011 V 2  0,0005 VU  0,0001 U 2 ;
(12)
– для диаметра выходного патрубка d=133 мм
K  0,7  0,02 V  0,007 U  0,0007 V 2  0,0001 U 2 ;
(13)
– для диаметра выходного патрубка d=152 мм
K  0,66  0,02 V  0,007 U  0,0007 V 2  0,0001 U 2 .
(14)
Анализ
регрессионной
зависимости
эффективности
очистки
инерционного пылеотделителя от скорости движения воздуха и напряжения,
подаваемого на электроды, показал, что наибольшее влияние на выходной
параметр К из переменных факторов оказывает напряжение, подаваемое на
электроды.
Для поиска оптимальных значений факторов была проведена
оптимизация. Коэффициент эффективности очистки выбран в качестве целевой
функции (К→ max) при соблюдении следующих ограничений:
10 м/с ≥ V ≥ 20 м/с; 10 кВ ≥ U ≥ 20 кВ; 50 г ≥ G ≥ 150 г; 0,114 м ≥ d ≥ 0,152 м.
В результате решения поставленной задачи были определены
оптимальные значения варьируемых переменных для работы инерционного
пылеотделителя с применением электростатического поля: скорость
воздушного потока V = 16 м/с; напряжение на коронирующих электродах
инерционного пылеотделителя U = 20 кВ; начальное пылесодержание
аэросмеси G = 50 г; диаметр выходного патрубка d = 114 мм.
При этом выходной параметр коэффициент эффективности очистки К
принимает следующие значения: К = 99,45 % (при переменных факторах V, U,
G); К = 99,84 % (при переменных факторах V, U, d).
Коэффициент эффективности очистки, полученный при оптимальных
условиях процесса очистки пылевоздушного потока в инерционном
пылеотделителе с применением электростатического поля, имеет следующие
значения: К = 99,15 % (при переменных факторах V, U, G); К = 99,68 % (при
переменных факторах V, U, d).
Следовательно, теоретические данные показателей, рассчитанные по
уравнениям регрессии, хорошо сходятся с экспериментальными, что
подтверждает адекватность полученной математической модели работы
инерционного пылеотделителя с применением электростатического поля.
При определении влияния электростатического поля на эффективность
работы инерционного пылеотделителя выявлен характер действия отдельных
геометрических и режимных параметров (рисунок 8).
14
12
10
8
6
4
2
0
0,114 0,133 0,152
Диаметр внутреннего патрубка d, м
Величина выброcа, мг
Величина выброса, мг
15
20
15
10
d=0,114 м
5
0
50
75
150
175
б
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
5
10
15
20
25
30
Напряжение на электродах, кВ
в
Величина выброcа, мг
d=0,114 м
Величина выброcа, мг
125
Количество начальной аэросмеси, г
а
Величина выброcа, мг
100
20
d=0,114 м
15
10
5
0
5
10
15
20
25
Скорость воздушного потока, м/с
г
14
12
10
8
6
4
2
0
d=0,114 м
0,2 0,3 0,4 0,5
Погружение внутреннего патрубка, м
д
Рисунок 8 – Зависимость основных показателей работы инерционного
пылеотделителя от геометрических и режимных параметров:
а – зависимость величины выброса от размера диаметра выходного патрубка;
б – зависимость величины выброса от начального количества пылесодержания
аэросмеси; в – зависимость величины выброса от напряжения, подаваемого на
электроды инерционного пылеотделителя; г – зависимость величины выброса от
глубины погружения выходного патрубка; д – зависимость величины выброса от
скорости воздушного потока
Установлено повышение эффективности очистки при уменьшении
диаметра выходного патрубка, заглублении его в определенных пределах,
увеличении до определенных значений скорости воздушного потока, величины
напряжения на электродах, образующих
электростатическое поле
16
Коэффициент эффективности
очистки k, %
инерционного пылеотделителя, уменьшении начального содержания аэросмеси.
По данным экспериментальных исследований (рисунок 8, а), было выяснено,
что наименьшая величина выброса происходит при диаметре выходного
патрубка размером d=114 мм, поэтому другие параметры работы инерционного
пылеотделителя определялись при диаметре размером d=114 мм.
В результате установлено, что на величину выброса наиболее
существенное влияние оказывают диаметр выходного патрубка, начальное
пылесодержание аэросмеси, скорость воздушного потока и напряжение на
электродах.
На основе данных экспериментальных исследований была выявлена
зависимость коэффициента эффективности очистки от величины напряжения
на электродах и скорости движения воздушного потока (рисунок 9).
100
98
96
94
92
90
88
86
84
82
U=10кВ
U=15кВ
U=20 кВ
10
15
20
25
Скорость воздушного потока V, м/с
Рисунок 9 – График зависимости коэффициента эффективности очистки от
напряжения на коронирующих электродах и скорости воздушного потока
Рисунок 10 – Сопоставление
величины эффективности очистки,
вычисленной теоретическим путем 1,
с величиной эффективности очистки,
полученной экспериментально 2
Эффективность очистки η, %
Из рисунка 9 видно, что при увеличении напряжения на электродах
эффективность работы инерционного пылеотделителя возрастает и достигает
почти 100 %, а при скорости более 20 м/с агрегация частиц пыли уменьшается,
тем самым снижается эффективность работы инерционного пылеотделителя.
Результаты сравнения величины эффективности очистки, вычисленной
теоретическим путем и полученной экспериментально, представлены на
рисунке 10.
1
100
2
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
Диаметр частицы δ, мкм
17
Таким
образом,
теоретические
данные
согласуются
с
экспериментальными, что подтверждает возможность использования методики
расчета эффективности пылеулавливания инерционного пылеотделителя с
применением электростатического поля.
Выводы:
1. Электростатическое поле, создаваемое электродами, вмонтированными
в инерционный пылеотделитель, способствует увеличению коэффициента
эффективности очистки от тонкодисперсных частиц древесной пыли на 8–10 %
по сравнению с инерционным пылеотделителем.
2. По результатам проведенных экспериментов при увеличении
напряжения до 20 кВ на электродах эффективность работы инерционного
пылеотделителя возрастает, а количество пыли, выбрасываемое через выходной
патрубок, уменьшается.
3. Расчетный метод подтвержден экспериментально, и установлена
высокая степень очистки воздуха (99,5–99,8 %) от тонкодисперсных частиц
древесной пыли в инерционном пылеотделителе с применением
электростатического поля. Это объясняется оптимальными геометрическими и
режимными параметрами работы инерционного пылеотделителя с
применением электростатического поля.
В пятой главе приведен анализ экономической эффективности от
внедрения инерционного пылеотделителя с применением электростатического
поля.
Экономический эффект может быть получен за счет экологической
эффективности и экономии на энергетических затратах.
Анализ экспериментальных данных показал, что при напряжении, равном
20 кВ, эффективность пылеулавливания достигает максимального значения.
Экологическую эффективность улавливания пыли в инерционном
пылеотделителе можно оценить, сравнивая дисперсный состав уловленных
частиц при наличии и отсутствии воздействия электростатических сил. Как
следует из экспериментальных данных, предварительная зарядка частиц и
наложение на центробежные силы электростатических приводит к увеличению
улавливания (по сравнению с инерционным пылеотделителем) частиц размером
δ = 5 мкм в 4 раза; 5–10 мкм – в 3,5 раза; 10–15 мкм – в 2 раза.
В диссертационной работе сравнительный анализ эффективности
пылеулавливания выполнен для одной и той же конструкции инерционного
пылеотделителя, но с предварительной зарядкой частиц и электростатическим
полем. При данных условиях в подсчете экономической эффективности
инерционных пылеотделителей можно исключить капитальные затраты, а
затраты на их эксплуатацию определить как сумму энергетических затрат З эн и
стоимость платы за загрязнение природной среды Зэк. По итогам расчетов,
полные годовые затраты инерционного пылеотделителя с применением
электростатического поля снизились в 7,2 раза, экономия составила 165 000
руб.
Выводы:
18
1. Пылевые выбросы деревообрабатывающих производств, очищенные
инерционным пылеотделителем с применением электростатического поля, на
21 % снижают экологическое воздействие на окружающую среду по сравнению
с таким же воздействием выбросов пыли инерционного пылеотделителя.
2. При использовании инерционного пылеотделителя с применением
электростатического поля получен существенный экономический эффект
(165000 руб.).
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Рассмотрены конструкции основных типов пылеуловителей и
выполнен анализ их достоинств и недостатков, в результате которого
установлено, что одним из перспективных способов повышения эффективности
очистки является применение электростатических сил в инерционном
пылеотделителе.
2. Приведено описание движения частиц в электростатическом поле
инерционного пылеотделителя.
Выполненный
теоретический расчет
показывает, что частицы разных размеров при воздействии электростатической
и центробежной силы осаждаются с высокой эффективностью. Это
способствует тому, что коэффициент степени очистки в инерционном
пылеотделителе достигает 99,8 %.
3. Предварительная зарядка частиц и влияние электростатического поля
способствует коагуляции и укрупнению частиц, тем самым повышает
эффективность очистки от тонкодисперсных частиц древесной пыли до 99,8 %.
4. Экспериментально исследованы зависимости основных показателей
работы циклона от количества выбросов пыли через внутренний патрубок.
Установлено, что на величину выброса наиболее существенное влияние
оказывают диаметр выходного патрубка, начальное пылесодержание
аэросмеси, скорость воздушного потока и напряжение на электродах.
5. Экспериментальные исследования показали, что применение
электростатических сил инерционного пылеотделителя с предварительной
зарядкой частиц оказывают наибольшее влияние на коэффициент очистки
пылевоздушного потока. Определено, что при увеличении напряжения на
электродах эффективность работы инерционного пылеотделителя возрастает и
достигает почти 100 %, а при скорости более 20 м/с коагуляция частиц пыли
уменьшается, тем самым снижается эффективность работы инерционного
пылеотделителя.
Показаны
оптимальные
параметры
для
очистки
пылевоздушного потока: скорость пылевоздушного потока V = 16 м/с,
напряжение на осадительных электродах U = 20 кВ.
6. Фракционный анализ показал, что в инерционном пылеотделителе с
применением электростатического поля и предварительной зарядкой частиц
увеличилось улавливание частиц пыли размером δ = 5 мкм в 4 раза; 5–10 мкм –
в 3,5 раза; 10–15 мкм – в 2 раза, что приводит к уменьшению выбросов в
атмосферу. Использование разработанной конструкции инерционного
пылеотделителя при очистке выбросов деревообрабатывающих производств
19
позволяет уменьшить техногенную нагрузку на окружающую среду и снизить
годовые затраты в 7,2 раза.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ
1. Рогов, В.А. Повышение эффективности работы аппаратов циклонной
очистки / В.А. Рогов, Ю.С. Баранов, В.А. Прусакова // Вестник КрасГАУ. –
2011.– №5 – С. 154–158.
2. Хилюк, А.В. Воздействие электростатического поля на адсорбцию в
процессе очистки природной воды / А.В. Хилюк, В.А. Рогов, В.А. Прусакова //
Вестник КрасГАУ. – 2013. – №12 – С.134–137.
3. Рогов, В.А. Разработка инерционного пылеотделителя для очистки
пылевоздушных потоков с применением электростатического поля / В.А. Рогов,
Ю.С. Баранов, В.А. Прусакова // Хвойные бореальной зоны. – 2016. – Вып. 3–4
– С. 204–207.
4. Прусакова, В.А. К вопросу осаждения частиц древесной пыли в
электроциклоне / В.А. Прусакова, В.П. Кривоколеско, В.А. Рогов // Известия
Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2017. – Вып. 218. – С. 164–
173.
Патенты
5. Пат. 122906 Российская Федерация, МПК В01D 50/00, B01D 45/12.
Устройство для улавливания тонкодисперсной пыли /Баранов Ю.С., Рогов В.А.,
Елистратов Ю.П., Рогов А.В., Елистратов П.Г., Прусакова В.А., Стрикун В.В. ;
заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский
государственный
технологический
университет».
–
№ 2012129870/05 ; заявл. 13.07.12 ; опубл. 20.12.12, Бюл. № 35. – 2 с. : 1 ил.
В статьях и материалах конференций
6. Прусакова, В.А. Применение ионно-электронной технологии для
повышения эффективности очистки воздуха / В.А. Прусакова // Наука и
инновации ХХI века: мат-лы ХII Окружной конференция молодых ученых
Ханты-Мансийского автономного округа – Югры. – Сургут, 2011. – Т. 3. –
С. 88–90.
7. Прусакова, В.А. Регулируемый высоковольтный источник питания /
В.А. Прускова, В.В. Меньшиков // Молодые ученые в решении актуальных
проблем науки: сб. ст. по материалам Всероссийской научно-практической
конференции студентов и молодых ученых с международным участием. –
Красноярск, 2011. – Т. 2. – С. 210–212.
8. Рогов, В.А. Применение высокого напряжения в аппаратах циклонной
очистки / В.А. Рогов, В.А. Прусакова // Лесной и химические комплексы –
проблемы и решения: сб. ст. по материалам Всероссийской научнопрактической конференции. – Красноярск, 2011. – С. 91–94.
9. Прусакова, В.А. Современные системы обеспечения экологической
безопасности на деревообрабатывающих и мебельных предприятиях /
В.А. Прусакова // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб.
20
ст. по материалам Всероссийской научно-практической конференции студентов
и молодых ученых с международным участием. – Красноярск, 2015. – Т. 2. –
С. 86–89.
10. Прусакова, В.А. Влияние электростатического поля на свойства
древесной пыли / В.А. Прусакова, В.А. Рогов, В.В Кулак // Лесной и
химический комплексы – проблемы и решения: сб. ст. по материалам
Всероссийской
научно-практической конференции с международным
участием. – Красноярск, 2015. – Т. 1. – С. 206–208.
11. Прусакова, В.А. Влияние электростатических сил на эффективность
очистки пылевоздушного потока в инерционных пылеотделителях / В.А.
Прусакова, В.А. Рогов // Вестник КрасГАУ. – 2015. – №12. – С.49-52.
12. Рогов, В.А. Применение электроциклона на деревообрабатывающих
предприятиях / В.А. Рогов, В.А. Прусакова // Вестник НЦ БЖД. – 2016. – № 4.
– С. 119–122.
13. Прусакова, В. А. Обеспечение безопасных условий труда на
предприятиях химико-лесного комплекса / В.А. Прусакова // Актуальные
проблемы авиации и космонавтики: сб. ст. по материалам Всероссийской
научно-практической конференции с международным участием. – Красноярск,
2017. – С. 739–742.
14. Карлова, О.В. Экологические аспекты деревообрабатывающих
производств / О.В. Карлова, В.А. Прусакова // Молодые ученые в решении
актуальных проблем науки: сб. ст. по материалам Всероссийской научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с
международным участием. – Красноярск, 2017. – С. 330–333.
15. Прусакова, В.А. Применение электростатического поля в аппаратах
циклонной очистки деревообрабатывающих производств / В.А. Прусакова //
Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. по материалам
Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых с международным участием. – Красноярск, 2017. – С. 272–275.
16. Концевая, В.А. Агрегирование частиц древесной пыли при
воздействии электростатического поля / В.А. Концевая, В.А. Рогов //
Международные научные исследования. – 2017. – С. 69–73.
Просим принять участие в работе диссертационного совета или
прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными
подписями по адресу: 620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37,
УГЛТУ, диссертационный совет Д.212.281.02, e-mail: d21228102@yandex.ru.
Подписано в печать _____________ Формат 60х84 1/16.
Изд. № 12/2 Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,25. Заказ № ____
Отпечатано в РИЦ СибГУ им. М.Ф. Решетнева 660049, г. Красноярск,
ул. Ленина, 69. Тел. (391) 227-69-90, факс (391) 211-97-25
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа