Автореферат (1025508), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Разработана инженерная методика расчета цилиндроконических гидроциклоновклассификаторов малых размеров с инжекцией и прикладное программноеобеспечение, применяемое для решения широкого ряда технических задач,включая задачи обеспечения экологической безопасности.Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работыобсуждались на заседаниях кафедры гидромеханики, гидромашин игидропневмоавтоматики и кафедры экологии и промышленной безопасностиМГТУ им. Н.Э. Баумана, а также на научных семинарах технического факультетаУниверситета Эрланген-Нюрнберг, Германия.

Кроме того, результаты работыдокладывались на следующих конференциях: 7th World Conference on ExperimentalHeat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Krakow, Poland, 2009); WorldConference Series with Virtual Participation: Interdisciplinary Conference on Chemical,Mechanical and Materials Engineering Hosted by Australian Institute of High EnergeticMaterials in Melbourne (Australia, 2009); Bauman’s Russian-French colloquium of youngscientists (Moscow, 2009); Второй Всероссийской конференции молодых ученых испециалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2009); Wissenschaftlich4Seminar der Stipendiaten der Programme «Michail Lomonosov II» und «Immanuil KantII» 2008/2009 (Moskau, 2009) и 2009/2010 (Moskau, 2010); 19th International Congressof Chemical and Process Engineering CHISA 2010 (Prague, Czech Republic, 2010);Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемысовременной механики сплошных сред» 16–19 октября (Томск, 2010); XXIIМеждународном научном симпозиуме «Неделя горняка–2014» (Москва, 2014).Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ(7,01 п.л./4,77 п.л.), в том числе 6 в ведущих научных рецензируемых журналах,рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации дляопубликования результатов диссертационных исследований.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав иобщих выводов. Работа содержит 224 страницы, в том числе 206 страниц основноготекста, 62 рисунка, 8 таблиц и 191 наименование литературных источников.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, определена областьисследований и указана цель работы.

Рассмотрены методы исследований, а такженовизна и практическая ценность работы.В первой главе представлены результаты анализа особенностей практическогоприменения цилиндроконических гидроциклонов в составе гидравлических машин,устройств, аппаратов и гидропневмоагрегатов, используемых при решенииширокого круга производственных, технических и технологических задач, включаязадачи экологии, надежности и безопасности.Установлены основные характеристики цилиндроконических гидроциклоновклассификаторов с инжекцией и рассмотрены особенности их расчета.Представлены основные конструктивные и технологические параметры аппаратов.Показано, что из всего их многообразия наименее изученными следует признатьцилиндроконические гидроциклоны-классификаторы малых размеров, применяемыедля классификации высокодисперсных фракций суспензий.Проанализированы результаты исследований структуры основных потоковдисперсионной среды в цилиндроконических гидроциклонах-классификаторах иособенности движения дисперсной фазы, а также изменение характеристикфракционного разделения в аппаратах циклонного типа при помощи инжекции сучетом «fish-hook» эффекта.

Рассмотрены известные подходы к определениюхарактеристикцилиндроконическихгидроциклоновсучетомвлиянияинтенсивности случайных составляющих процессов.При этом показано, что существующие методики расчета цилиндроконическихгидроциклонов-классификаторов с инжекцией не отвечают современнымпотребностям и требуют своего теоретического и практического завершения.На основании анализа технической литературы и требований практикисформулирована цель и поставлены следующие задачи диссертационной работы:1. Проведение теоретических исследований процесса разделения суспензии вцилиндроконических гидроциклонах-классификаторах малых размеров синжекцией и разработка вероятностно-статистической модели этого процесса с5определением явного вида непрерывной функции эффективности разделениячастиц в аппаратах во всем диапазоне крупности частиц.2.

Проведение модельных и экспериментальных исследований гидродинамических иклассификационных характеристикцилиндроконических гидроциклоновклассификаторов малых размеров с инжекцией с учетом конструктивныхособенностей аппаратов.3. Уточнение механизма возникновения «fish-hook» эффекта и разработка методовустранения его негативного влияния на процессы разделения полидисперсныхсистем в цилиндроконических гидроциклонах-классификаторах малых размеров синжекцией.4.

Проверка разработанной вероятностно-статистической модели на основерезультатов модельных и экспериментальных исследований и выявлениеособенностей ее практического применения, включая определение характеристик,нахождение границ применимости модели, определяющих величин, комплексныхпараметров протекающих процессов и взаимосвязи между ними.5. Разработка инженерной методики расчета цилиндроконических гидроциклоновклассификаторов малых размеров с инжекцией, используемой при решенииширокого ряда технических задач.Во второй главе диссертации проведено теоретическое исследование процессаразделения дисперсных систем «жидкость-твердое тело» в цилиндроконическихгидроциклонах-классификаторах малых размеров с инжекцией.

Представленавероятностно-статистическая модель гидродинамической стадии эволюции процессаклассификации в аппаратах [1] и изучены ее асимптотические свойства [2].Предложено описывать поведение дисперсной фазы суспензии с помощьюфункции плотности распределения f(x,t)dx, где x  S S 0  R n1 R0n1 – обобщеннаябезразмерная координата, определяемая с помощью отношения текущего радиуса Rк радиусу цилиндрической части аппарата R0 и показателем степени n, входящим взакон распределения окружных скоростей в гидроциклоне: w0 R0n  w R n  сonst , вкотором w0 ' и w' – тангенциальные компоненты скоростей на входе в гидроциклони на текущем радиусе R соответственно.Для частиц с размером d ч  40 мкм было получено уравнение для среднейскорости движения в радиальном направлении W в виде:n 1C~~nW  W   W  ( A S 1   )  W ,(1)S~где W  – детерминированная составляющая скорости; W – случайная составляющаяскорости; S  R n1 – обобщенная координата; A  (n  1)( A0  Ain ) – постоянныйкоэффициент, в котором: A0 –величина, характеризующая радиальный эффективныйрасход суспензии; Ain – величина, характеризующая инжектируемый эффективныйрасход дисперсионной среды; С  – коэффициент, характеризующий свойстваразделяемой дисперсной системы.На основании кинетического уравнения Фоккера–Планка–Колмогорова с учетомуравнения (1) получено выражение для гидродинамической стадии эволюции6процесса классификации в цилиндроконических гидроциклонах с инжектором ввиде:n 1f ( x, t ) c 2 f ( x, t )n 1(kx)f(x,t)b,2tx xx(2)где k  A S 02 /( n1) , c  C / S 02 , b  b0 / S 02 – коэффициенты, характеризующиесоответственно интенсивность классификационного воздействия, центробежных сили случайных возмущений; S 0  R0n1 ; b0  B 2 ; B – коэффициент, определяющий впространстве обобщенной координаты x интенсивность случайных составляющих,обусловленных турбулентными пульсациями, вероятностью перехода частиц изнисходящего в восходящий поток и обратно, вероятностью взаимодействия частицразличных фракций, наличием зоны циркуляции и другими факторами.В предельном случае при n=1 получено аналитическое решение уравнения (2) дляфункции распределения f(x,t) в виде:  mx i m k 2 (  i ) 2  2    m  2  2( 2i ) x ( 1)   mf ( x, t )   x e  x  eCi Li (x) exp  i  t  i = 0,1,2..., (3)2(2i)(2i)b(2i)i0где   c b и m  k b – определяющие безразмерные комплексы, характеризующиесоответственно относительные интенсивности классификационного воздействия ицентробежных сил по сравнению с интенсивностью случайных возмущений,Ci – постоянные, которые определяются из условий нормировки и начальныхусловий, Li – обобщенный многочлен Лагерра.В результате исследования асимптотических свойств модели при t→∞ полученостационарное распределение частиц размером dч по безразмерной координате xвнутри аппарата при n [0,5, 1] в виде: m(n  1) ( n2n1) f ,n ( x)  C0,n  x exp   x   C 0,n  x  e  m ' x,(4)2n 1 / / Г   1 /   , Г – гамма функция,   2n /( n  1) , m  m /  .где C0,n    m'Это позволило определить непрерывную функцию эффективности разделенияполидисперсной суспензии в гидроциклоне следующим образом:T  T (d ч )   f , n ( x, d ч )dx .(5)1В результате исследования свойств статистического самоподобия непрерывнойфункции эффективности разделения частиц (5) было получено упрощенноевыражение, удобное для проведения инженерных расчетов, в виде:T  T (d ч )   f  (r , d ч )dr ,1(6)где f  (r )  2C0  r 2 1 exp  mr 2  , C0  m 1 / Г   1 , r=R/R0 – безразмерный радиус.В рамках феноменологического подхода установлено выражение длякоэффициента bdч, характеризующего интенсивность случайных составляющихклассификационного процесса в виде:7dbdч  b exp  ч dч d ч  l  , d ч  l (7)здесь b – некоторый постоянный коэффициент интенсивности случайныхсоставляющих частиц всех фракций, l – изменение эффективного диаметравзаимодействия частиц размером dч, l – постоянное осредненное изменениеэффективного диаметра взаимодействия частиц размера dч при их «рассеянии» начастицах всех фракций, d ч – средний диаметр частиц, которые постоянноприсутствуют в рабочей части гидроциклона в стационарном режиме его работы.По результатам теоретических исследований представлены основныетеоретические выводы, сформулированы задачи экспериментальных и модельныхисследований настоящей работы.В третьей главе работы представлены результаты экспериментальных имодельных исследований характеристик цилиндроконических гидроциклоновклассификаторов малых размеров с инжекцией и величин, входящих впредложеннуювероятностно-статистическую модель.

Выполненаоценкапогрешностей результатов измерений.Экспериментальные исследования проведены на универсальном стенде (Рис.1,а),который позволяет исследовать образцы гидроциклонов с диаметромцилиндрической части dц=50мм (d50) и dц=25мм (d25) при одинаковым углеконусности, равным ϴ =5° (Рис.1,б) в диапазоне изменения расходов суспензииQ=1,7∙10-4...1,7∙10-3 м3/с при избыточном давлении на входе в гидроциклон p<0,6МПас расходом инжекционного потока Qin=0…1,7∙10-3 м3/с при конструкциях инжекторас радиальным вводом воды через два (R2) и четыре (R4) отверстия, а также стангенциальным вводом через одно (T1), два (T2) и четыре (T4) отверстия.Образецdца)б)5гидроциклонаQВQ1Qin 6dвх Ql4dвhцϴhк23насосhinQindindнQНdцdвхdвdнhцhкlhindinϴd50, м0,0500,0160,01440,00720,27700,41000,04550,1400,0025°d25, м0,0250,00560,00800,00350,06000,19500,02550,0050,0025°Рис.

1. а) экспериментальный стенд: 1 – гидроциклон; 2 – инжектор; 3 – бак; 4 –вентиль; 5 – манометр; 6 – цифровой расходомер воды; б) схема и размерыобразцов цилиндроконических гидроциклонов со встроенным инжекторомВ качестве материала для приготовления рабочей суспензии в диапазонеконцентраций 50...100 кг/м3 был использован полевой шпат с размером частиц0,4...100 мкм и плотностью 2640...2670 кг/м3.Определение фракционного состава частиц дисперсной фазы производилосьанализатором Malvern Mastersizer 2000 в диапазоне размеров 0,05...100 мкм.82345670200p0,5,400Па0,56000,300,20426579S'/S'0-11,51,20,90,60,30S'/S'0-1Q 10-3, м3/сРезультаты исследований технологических характеристик гидроциклоновклассификаторов с инжекцией показали [3], что инжекция практически не влияет наобщую производительность аппаратов, которая может быть описана с помощьюизвестной зависимости вида Q  k ' d вх 2 p , где Q – общий расход основного потокана входе в аппарат, p – давление подаваемой суспензии на входе в аппарат, k’ –эмпирический коэффициент (Рис.2,а).

Характеристики

Список файлов диссертации