Автореферат (Определение характеристик цилиндроконических гидроциклонов-классификаторов малых размеров с инжекцией)

На правах рукописиКрохина Алина ВадимовнаОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИЛИНДРОКОНИЧЕСКИХГИДРОЦИКЛОНОВ-КЛАССИФИКАТОРОВМАЛЫХ РАЗМЕРОВ С ИНЖЕКЦИЕЙ05.04.13 - Гидравлические машины, гидропневмоагрегатыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2015Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждениивысшегопрофессиональногообразования«Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э.

Баумана»Научный руководитель:Павлихин Геннадий Петровичдоктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты: Баранов Дмитрий Анатольевичдоктор технических наук, профессор,ФГБОУВПО«Московскийгосударственныймашиностроительныйуниверситет«МАМИ»,заведующий кафедрой процессов и аппаратовхимической технологииВолшаник Валерий Валентиновичдоктор технических наук, профессор,ФГБОУ ВПО НИУ «Московский государственныйстроительный университет»,профессор кафедры гидравлики и водных ресурсовВедущая организация:Федеральноегосударственноеавтономноеобразовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования«Национальныйисследовательскийтехнологическийуниверситет«МИСиС»Защита диссертации состоится 20 мая 2015г. в 14:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.141.16 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный техническийуниверситет имени Н.Э.

Баумана» по адресу: 105005, г. Москва, Лефортовскаянабережная, д.1.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э. Баумана» и на сайтеуниверситета http://bmstu.ru.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения,просим присылать по адресу: 105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5, ученомусекретарю диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «___» __________ 2015г.Ученый секретарьдиссертационного совета,к.т.н., доцентКолосов М.А.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

Аппараты циклонного типа являются составной частьюмногих гидравлических машин, устройств, аппаратов и гидропневмоагрегатов,используемых при решении большого числа производственных, технических итехнологических задач, включая задачи экологии, надежности и безопасности.Современные технические потребности заставили широкий круг исследователейобратиться к проблеме классификации высокодисперсных фракций суспензий сразмером частиц менее 5 мкм, при решении которой особое место занимаютцилиндроконическиегидроциклоны-классификаторымалыхразмеров,характеризующиеся как малым диаметром цилиндрической части d  50 мм, так ималым углом конусности ϴ  6.Исследования разделяющей способности этих аппаратов выявили рядособенностей и явлений, одним из которых является «fish-hook» эффект,заключающийся в поступлении тонкодисперсных частиц твердой фазы вкрупнодисперсныйпродуктклассификации.Помимоуменьшенияпроизводительности технологического оборудования, данный эффект ухудшаеткачество целевого продукта и снижает эффективность работы последующихступеней очистки, что нередко приводит к загрязнению биосферы.Дляустраненияуказанныхпроблемширокоеприменениенашлицилиндроконические гидроциклоны-классификаторы малых размеров с инжекцией,внедрение которых сдерживается рядом нерешенных вопросов.К ним, в первую очередь, следует отнести отсутствие однозначныхэкспериментальных данных о характеристиках цилиндроконических гидроциклоновмалых размеров, которые определяются параметрами процесса классификации иизменением структуры потоков в аппарате в зависимости от конструктивногооформления гидроциклона и инжектора.Кроме того, имеют место различия в подходах к теоретическому описаниюпротекающих процессов в аппаратах подобного типа, где интенсивность случайныхсоставляющих основных процессов имеет определяющее значение.Более того, для решения современных практических задач требуется нахождениеявного вида непрерывной функции эффективности разделения частиц T=T(dч) вовсем диапазоне размеров частиц.Указанные обстоятельства связаны как с незавершенностью разработки общейтеории процессов переноса в гидроциклонах-классификаторах, так и с отсутствиемуниверсальных методик расчета, выбора и конструктивного оформления аппаратов.Таким образом, определение характеристик цилиндроконических гидроциклоновклассификаторов малых размеров с инжекцией можно отнести к актуальным ипрактически значимым задачам современных гидравлических машин, устройств,аппаратов и гидропневмоагрегатов.Цельюнастоящейработыявляетсяопределениехарактеристикцилиндроконических гидроциклонов-классификаторов малых размеров с инжекциейи разработка методики их расчета на основании комплексного подхода,базирующегося на вероятностно-статистических методах описания процессаэволюции водных полидисперсных систем «жидкость – твердое тело».1Методы исследования.

В работе использовались теоретические иэкспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проведенына кафедре экологии и промышленной безопасности МГТУ им. Н.Э. Баумана.Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях на базетехнического факультета Университета Эрланген-Нюрнберг, Германия. Модельныеисследования проведены на основе вычислительного эксперимента сиспользованием пакета прикладных программ. Обработка экспериментальныхданных проводилась прямым и косвенным способами анализа с применениемметодов математической статистики, корреляционного и регрессионного анализа.Научная новизна:1.Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что поведениечастицдисперснойфазысуспензиивпроцессеклассификациивцилиндроконических гидроциклонах-классификаторах малых размеров с инжекциейможет быть описано на основе стационарных решений кинетического уравненияФоккера–Планка–Колмогорова в пространстве новой обобщенной координаты.Аналитически найден явный вид непрерывной функции эффективности разделениячастиц в аппарате в исследуемом диапазоне размеров частиц с учетом проявления«fish-hook» эффекта.2.Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможностьописания характеристик классификации суспензии в гидроциклоне с инжекцией спомощью семейства трехпараметрических кривых, формально совпадающих суниверсальными эмпирическими формулами Свенсона – Авдеева.3.Установлено,чторазделяющаяспособностьцилиндроконическихгидроциклонов-классификаторов с инжекцией может быть удовлетворительноописана с использованием свойств статистического самоподобия на основе данныхо гранулометрическом составе разделяемой суспензии, а также двух комплексныхпоказателей, характеризующих интенсивность протекающих процессов, дляопределения которых разработано прикладное программное обеспечение.4.Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что высотарабочей зоны в исследуемых аппаратах является переменной величиной и зависитот тангенциальной скорости на входе в аппарат, относительной скоростиинжекционного потока и конструктивных параметров гидроциклона и инжектора.5.Экспериментально установлено, что коэффициент гидравлическогосопротивления цилиндроконических гидроциклонов-классификаторов малыхразмеров с инжекцией может быть принят на основании данных стационарныхиспытаний аппаратов без инжекции.6.Показано, что сплит-параметр аппарата зависит от относительногоинжекционного расхода, а характер его изменения определяется конструктивнымипараметрами инжектора.Практическая значимость и реализация результатов работы:1.Разработана вероятностно-статистическая модель процесса классификациисуспензий в цилиндроконических гидроциклонах-классификаторах малых размеровс инжекцией и определены границы ее применимости.2.Даны количественные оценки влияния инжекции на гидродинамику иклассификационнуюспособностьцилиндроконическихгидроциклонов2классификаторов малых размеров с инжекцией.3.На примере дисперсной системы «вода – полевой шпат» экспериментальноподтверждено наличие «fish-hook» эффекта в процессе разделения суспензий вгидроциклонах-классификаторах малых размеров с инжекцией и установлена еговзаимосвязь с высотой рабочей зоны аппарата.4.Установлен явный вид безразмерных комбинированных комплексов,однозначно определяющих количественные характеристики непрерывной функцииэффективности разделения частиц в аппаратах.5.Определеныхарактеристикицилиндроконическихгидроциклоновклассификаторов малых размеров с инжекцией, разработана инженерная методикаих расчета и прикладное программное обеспечение, применяемое для решенияширокого ряда технических задач.6.Результаты работы внедрены на совместном российско-чешском предприятииООО «Медиа Инжиниринг», г.

Москва (Российская Федерация), г. Либерец(Чешская Республика) при организации основных и вспомогательныхтехнологических и производственных процессов, связанных с классификациейсуспензий и реализуемых при выпуске серийной продукции, а также в составенормативных документов для регламентирования требований, предъявляемых клокальным сооружениям очистки сточных вод, что подтверждено актом овнедрении.Положения, выносимые на защиту:1.Вероятностно-статистическая модель процесса классификации суспензий вцилиндроконических гидроциклонах малых размеров с инжекцией и найденныйявный вид непрерывной функции эффективности разделения частиц в аппарате.2.Результаты исследования асимптотических свойств предложенной модели(при t→∞) с учетом свойств статистического самоподобия непрерывной функцииэффективности разделения частиц в аппарате в интегральной форме.3.Набор показателей процесса классификации суспензии, характеризующихинтенсивность центробежных сил, классификационного воздействия и случайныхсоставляющих процессов и их количественные оценки.4.Явный вид безразмерных комбинированных комплексов, однозначноопределяющихколичественныехарактеристикинепрерывнойфункцииэффективности разделения частиц в аппаратах с инжекцией.5.Результаты экспериментальных и модельных исследований по определениюхарактеристик цилиндроконических гидроциклонов-классификаторов малыхразмеров с инжекцией.6.Уточненный механизм возникновения «fish-hook» эффекта и разработанныеметоды устранения его негативного влияния на процессы классификации.Взаимосвязь «fish-hook» эффекта с переменной высотой рабочей зоны аппарата.7.Положение о том, что коэффициент гидравлического сопротивленияцилиндроконических гидроциклонах малых размеров с инжекцией может бытьпринят на основании данных стационарных испытаний аппаратов без инжекции.8.Методика инженерного расчета цилиндроконических гидроциклоновклассификаторов малых размеров с инжекцией, применяемая для решения широкогоряда производственных, технических и технологических задач.3Личный вклад автора:1.

Изучены, проанализированы и обобщены теоретические и экспериментальныеданные, представленные в научно-технической литературе по рассматриваемойтематике.2. Разработана математическая модель процесса классификации суспензий вцилиндроконических гидроциклонах малых размеров с инжекцией в пространственовой обобщенной координаты и аналитически найден явный вид непрерывнойфункции эффективности разделения частиц в аппарате во всем диапазонеразмеров частиц с учетом проявления «fish-hook» эффекта.3. Определен набор комплексных безразмерных показателей, характеризующихинтенсивность классификационного воздействия и центробежных сил поотношению к интенсивности случайных составляющих процессов и однозначноопределяющих количественные характеристики непрерывной функцииэффективности разделения частиц.4. При нахождении аналитического вида непрерывной функции эффективностиразделения частиц экспериментально подтверждена возможность использованиясвойств ее статистического самоподобия в интегральной форме.5.

Проведены экспериментальные исследования и определены количественныехарактеристики работы цилиндроконических гидроциклонов-классификаторовмалых размеров с инжекцией, включая уточнение механизма возникновения «fishhook» эффекта и методы устранения его негативного влияния на процессыклассификации, в том числе при решении экологических задач.6. Установлена взаимосвязь между «fish-hook» эффектом и высотой рабочей зоныаппарата, которая для гидроциклонов-классификаторов малых размеров являетсяпеременной величиной.7. Установлено,чтокоэффициентгидравлическогосопротивленияцилиндроконических гидроциклонов-классификаторов малых размеров синжекцией может быть принят на основании данных стационарных испытанийаппаратов без инжекции.8.