На правах рукописи

КАРГАШИЛОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ

В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

( НА ПРИМЕРЕ МУКОМОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА)

Специальность: 05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2013 2

Работа выполнена на кафедре инженерной экологии и техногенной безопасности ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Гавриленков Александр Михайлович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппоненты Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Полосин Иван Иванович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»), заведующий кафедрой отопления и вентиляции Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Тарасенко Александр Павлович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет»), профессор кафедры сельскохозяйственные машины

Ведущая организация ЗАО институт "ЦЧР Агропромпроект", г. Воронеж

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 1130 на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г.

Воронеж, пр. Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ВГУИТ http://www.vsuet.ru «18» ноября 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «18» ноября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д.212.035.01, д.т.н., профессор Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Практически на каждом предприятии пищевой промышленности используются циклоны-пылеуловители, однако они недостаточно эффективны, так как в основном улавливают пыль размером более 10 мкм, поэтому возникает необходимость установки второй ступени очистки, что удорожает систему и ведет к росту энергозатрат на обеспыливания.

Несмотря на то, что циклоны имеют достаточно простую конструкцию, в них происходят сложные аэродинамические процессы, которые изучены недостаточно. Существующие теоретические методы расчета не дают исчерпывающего объяснения на вопросы рационального с точки зрения аэродинамики проектирования циклонов и определения оптимальных параметров работы. Поэтому дальнейшее развития теории циклонирования и совершенствование конструкции циклонов актуальны и в настоящее время.

Значительный вклад в теоретические исследования в данной области был внесен такими отечественными и зарубежными учеными как А.И. Пирумов, В. Страус, Г.Ю. Степанов, А.Ю. Вальберг, И.И. Полосин, С.А. Воловик, М.И.

Шиляев, Н.И. Ватин, Ван Тонгерен.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры инженерной экологии и техногенной безопасности «Исследование и разработка природоохранных процессов, утилизации отходов нефтехимических и пищевых производств, обеспечение экологической и техногенной безопасности» (коды ГРНТИ:

87.35.91) на 2011-2015 гг.

Для проведения исследований было выбрано мукомольное производство, занимающее особое место в пищевой промышленности, так как его объекты (мельницы, элеваторы и т.п.) находятся практически в каждом населенном пункте и негативно влияют на экологическую обстановку.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышения эффективности и снижения удельной энергоемкости центробежного пылеулавливания путем дальнейшего развития теории процесса, модернизации конструкции аппарата и совершенствование режимов его работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

анализ существующих циклонов с целью выявления перспективных направлений повышения эффективности очистки и энергосбережения;

создание математических моделей, описывающих движение частиц пыли в циклонах с учетом возможности их повторного уноса;

совершенствование конструкции циклона на основе разработанной математической модели;

разработка методики экспериментальных исследований процесса, создание экспериментальной установки;

экспериментальное исследование процесса циклонирования с целью проверки адекватности полученных математических моделей и определения зависимостей эффективности и общего перепада давлений в циклоне от наиболее значимых параметров процесса (скорость потока, концентрация пыли, дисперсность пыли, конструктивные параметры циклона);

';

выбор и обоснование эффективного режима функционирования циклона;

разработка методики расчета конической вставки для усовершенствования существующих циклонов;

промышленная апробация предложенной инновационной конструкции циклона и режимов его работы;

определение экономического эффекта от внедрения инновационной конструкции циклона в промышленность.

Методы исследования и достоверность результатов. Методы исследования основаны на использовании математического моделирования, физического эксперимента и математической статистики.

Достоверность результатов обеспечивается совместным использованием классических закономерностей механики аэрозолей, теории инерционного пылеулавливания и аэродинамики двухфазных потоков в циклонных аппаратах, которые в сочетании со статистическими методами обработки экспериментальных данных обеспечили получение устойчиво воспроизводимых результатов. При проведении экспериментов в лабораторных и производственных условиях использованы апробированные методики НИИОГАЗ, ГИНЦВЕТМЕТ и НИФХИ им.

Л. Я. Карпова. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 16% с доверительной вероятностью 0.95.

Научная новизна состоит в следующем:

Установлены теоретически и экспериментально подтверждены основные закономерности движения частиц пыли в циклоне.

Получены математические модели движения частицы пыли по внутренней поверхности стенки цилиндрической и конической частей циклона с учетом наиболее значимых сил, в том числе подъемной силы, обусловленной эффектом Магнуса. На этой основе выведены уравнения для расчета основных параметров циклона и конической вставки (половина угла при вершине конуса, размеры щелевых улавливающих отверстий).

Экспериментально определена область параметров, оптимальных для проведения процесса центробежного осаждения в модернизированных циклонах (с конической вставкой): входная скорость пылегазового потока, половина угла при вершине конуса вставки, размер щелевых улавливающих отверстий.

Разработана конструкция циклона с конической вставкой с щелевыми улавливающими отверстиями, обеспечивающая высокую эффективность и энергосбережение процесса центробежного пылеулавливания.

Разработана методика расчета конической вставки для модернизации циклонов, широко применяемых в производстве.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны конструкции высокоэффективных циклоновпылеуловителей, новизна которых подтверждена патентами №№ 2323784, 2366515, 2480294, 2496584;

разработаны режимы работы для циклона с конической вставкой в условиях мукомольного производства, способствующие повышению эффективности работы систем аспирации. Режимы апробированы на ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и ОАО «Воронежская хлебная база»;

определена экономическая эффективность использования циклонов с конической вставкой, показывающая целесообразность их внедрения в производство;

ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и ОАО «Воронежская хлебная база», что подтверждено соответствующими актами предприятий;

разработаны рекомендации по внедрению предложенных инновационных решений в типовые циклоны промышленных систем пылеулавливания.

Результаты работы используются систематически в практике высших учебных заведений: Воронежском государственном университете инженерных технологий, Воронежском институте ГПС МЧС России при выполнении НИР, КП, КР, при изложении отдельных разделов дисциплин «Защита окружающей среды», «Процессы и аппараты пищевой технологии», «Пожарная безопасность технологических процессов» и подготовке аспирантов и магистров.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на 10-ти научных конференциях: отчетных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (XLX, L-й);

II Всероссийской научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в АПК» (г. Пенза, 2007); VII Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование, обратные задачи, информационновычислительные технологии» (г. Пенза, 2007); I Всероссийской научнопрактической Интернет-конференции с международным участием «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий ЧС»

(г. Воронеж, 2011); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в АПК: теория и практика» (г. Пенза, 2013); 6-й Всероссийской научнопрактической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (г. Саратов, 2013); IX Межрегиональной научнопрактической конференции «Экологическая безопасность нашего будущего»

(г. Воронеж, 2013); XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Нижний Новгород: НГТУ, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из которых 4 - в журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки РФ, получено 4 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 139 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследований, рассмотрены объекты исследования, методы проведения экспериментов, научная новизна диссертации и положения, представляемые на защиту, практическая ценность и апробация полученных результатов, личный вклад соискателя в работу.

В первой главе рассмотрены особенности мукомольных производств, определены основные источники пылевыделения при проведении технологических операций, даны характеристика и свойства выделяемых пылей. Здесь же дан краткий обзор пылеулавливающих систем и основные принципы их организации и проектирования, рассмотрены конструкции циклонов различного типа, используемых в производстве, выделены наиболее перспективные направления повышения эффективности и энергосбережения при циклонировании.

В первой главе дан краткий анализ существующих математических моделей движения частицы пыли в циклоне.

Во второй главе выполнено теоретическое исследование процесса движения осажденной частицы по цилиндрической и конической поверхностям циклона и по конической поверхности вставки со щелевыми улавливающими отверстиями.

При этом приняты следующие допущения: частица пыли имеет форму шара диаметром d; размеры и форма частиц не изменяются; дробление и коагуляция не учитываются; частицы движутся изолированно, не взаимодействуя друг с другом;

адгезионными взаимодействиями частицы со стенками циклона пренебрегаем;

при определении подъемной силы учитывается вращательная составляющая движения частицы; движение воздушного потока считается установившимся; не учитываются турбулентные пульсации скорости потока; пренебрегаем силами негидродинамической природы (электростатические и др.).

В результате дифференциальное уравнение движения центра масс частицы учитывает наиболее значимые силы, в том числе подъемную силу, обусловленную эффектом Магнуса и способствующую отрыву частицы от поверхности стенки циклона:

Величина подъемной силы получена в результате интегрирования формулы Релея F d в v o по диаметру d частицы: Fп 0,25в vo d 2.

В случае движения по цилиндрической поверхности уравнение (1) рассматривается в проекции на оси [r], [], [z] цилиндрической системы координат:

где 3d в ; v r 2 2 z 2 – абсолютная скорость частицы;

потоку в цилиндрической системе координат.

При изучении движения по конической поверхности уравнение (1) записывается в проекции на оси [r], [], [] сферической системы координат:

потоку в сферической системе координат.

В результате анализа дифференциальных уравнений установлены следующие особенности движения частиц по поверхностям циклона.

Подъемная сила оказывает наибольшее влияние на реакцию поверхности N в верхней части аппарата. Эффект усиливается с уменьшением диаметра частиц d. В широком диапазоне значений скорости потока на входе в аппарат uвх безотрывное движение частиц обеспечивается для аппарата с параметрами dвх/R=0,441;

dвых/R=0,552; =6,18; Rк/R=0,552 при R 0,075 м.

При движении по конической поверхности реакция N увеличивается для тонкодисперсных частиц и снижается для грубодисперсных. Для каждого размера частиц существует граничное значение *, при котором значения N в начале и конце рабочей зоны равны (рис. 1).

Для предотвращения обратного уноса предпочтительнее использование