CC BY
45
УДК 66.067.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНУСООБРАЗНЫХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕВИДНЫХ ВЫБРОСОВ ПРОИЗВОДСТВА ПО РЕМОНТУ И ОБСЛУЖИВАНИЮ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНОВ Е. В. Романюк, Н. В. Пигловский, Ю. В. Красовицкий
Предлагаются новая конструкция фильтра, позволяющая повысить эффективность очистки от пыли, и математическая модель, позволяющая прогнозировать изменения основной рабочей характеристики - общий перепад давлений на конусообразном фильтре. Приведены результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: фильтр, фильтрование, очистка, пыль, пылегазовый поток.
Введение. В соответствии с экологической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2030 года реализация комплекса природоохранных мероприятий, включающих в том числе снижение выбросов вредных веществ в атмосферу от стационарных источников, является одной из приоритетных задач железнодорожной отрасли. Железнодорожный транспорт занимает второе место по доле выбросов в атмосферу из стационарных источников и насчитывает их более 35 970; треть из загрязняющих атмосферу веществ приходится на пылевидные загрязнения различной дисперсности [1].
Понижение объема пылевых выбросов одновременно с увеличением финансирования вопросов экологической политики свидетельствует о необходимости тщательного и взвешенного решения проблемы очистки воздуха от пыли на предприятии, дает новые инструменты в руки руководителя для правильного выбора системы очистки воздуха.
Особым фактором при решении проблем пылеулавливания выступает дисперсность частиц, улавливаемых системами, которая не всегда соответствует растущим требованиям. Наиболее опасная пыль имеет субмикронные размеры, а многие ученые подымают вопрос о влиянии наночастиц пыли на организм человека.
Романюк Елена Васильевна, канд. техн. наук, доц. кафедры пожарной безопасности технологических процессов,
Воронежский институт ГПС МЧС России;
Россия, г. Воронеж, e-mail: scercso@mail.ru Пигловский Николай Викторович, специалист, Воронежский вагоноремонтный завод филиала ОАО «Вагонреммаш»;
Россия, г. Воронеж, e-mail: scercso@mail.ru Красовицкий Юрий Владимирович, д-р техн. наук, проф. кафедры технологии жиров, процессов и аппаратов химических и пищевых производств,
Воронежский государственный университет инженерных технологий;
Россия, г. Воронеж, e-mail: scercso@mail.ru
© Романюк Е. В., Пигловский Н. В.,
Красовицкий Ю.В., 2014
Далеко не все существующие фильтры задерживают такую пыль, тем более могут выдержать перепады давлений, возникающие на фильтровальных перегородках в процессе фильтрования и регенерации. Связанные зернистые фильтровальные структуры позволяют добиться максимальной степени очистки и применимы на многих участках предприятий по обслуживанию железнодорожного транспорта [1].
Целью проводимой работы является научное обоснование и разработка методов проектирования высокоэффективного пылеулавливающего оборудования на основе зернистых фильтровальных структур для решения проблемы охраны атмосферного воздуха в районах расположения предприятий по обслуживанию и ремонту железнодорожного транспорта.
1. Конструкция фильтровального элемента. В рамках работы были рассмотрены особенности производственного процесса на вагоноремонтном заводе с точки зрения образования пылегазовых потоков, осуществлена инвентаризация источников пыли и проведен микроскопический анализ проб пыли на различных участках.
Микроскопический анализ пробы пыли (химический состав: окислы железа, марганца, хрома, цинка, титана, тория, двуокись кремния, медь, алюминий, свинец, кальций, магний, фтористые соединения, окись углерода, аргон) на участке ремонта автосцепного оборудования (рис. 1) показал, что
средний размер пыли составляет dm = 0,01-0,05 мкм.
Для работы с пылью такого размера необходимы фильтры тонкой очистки; как вариант это могут быть пористые металлокерамические перегородки [3].
Особый интерес на этом фоне представляют технологические системы на основе зернистых фильтров для улавливания пыли высокой дисперсности, их рациональное проектирование с учетом представленных исходных данных производственного процесса [4].
На основании проведенного анализа данных по фильтрованию через твердые пористые перего-
Зб
родки была предложена конструкция фильтровального элемента (патент № 105200) [5], совмещающего в себе эффект фильтрования и циклонирования (рис. 2), в котором корпус выполнен в виде усеченного конуса, расширяющегося к низу, а фильтровальный элемент — сужающегося.
АР, Па
Рис. 1. Микрофотография пробы пыли с участка ремонта автосцепки вагоноремонтного завода
В данном элементе центробежная сила Рц, действующая на частицы пыли, направлена нормально по отношению к оси вращения пылегазового потока и в связи с непараллельностью стенки камеры запыленного газа и оси вращения Рц раскладывается на две составляющие: нормальную составляющую Рн (силу давления) и тангенциальную составляющую Рт. Сила давления частицы на стенку Рн уменьшается, что снижает вероятность отскока частицы от стенки. Появление тангенциальной составляющей центробежной сила Рт приводит к росту результирующей силы, обусловливающей ее движение вниз.
Рис. 2. Схема к модулю «фильтр-циклон»
Результаты работы фильтровальных элементов конической и традиционной цилиндрической формы различного типа представлены в виде графических зависимостей АР = /(т) и К = /(т) на рис. 3—4.
\ /
— §- і 1 I э
э / / / / Г А f \
// // // Г" л
S / // у \J ' 1
1— 1 W-
т, С
Рис. 3. Зависимости АР = / (т) для конусообразного и цилиндрического фильтровального элемента при хн = 3,27* 10-6 кг/м3, R’ф, н = 0,18 м, н. = 0,1 м (конусообразный ФМ)
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Цф: кф: э
\\ V \ \\ — э К і
\\ \\ Л :\ 1 У
V ч 1 \ \ \
\ N \ \ / / \ V \ \\
\_ чв>> 1 1 Л
СЧ CN СО СО
X, С
Рис. 4. Зависимости К = / (т) для конусообразного и цилиндрического фильтровального элемента при хн = 3,27* 10-6 кг/м3, R’ф. н = 0,18 м, н. = 0,1 м (конусообразный ФМ)
Использование вместо фильтровальных элементов традиционной цилиндрической формы конических фильтровальных элементов позволяет снизить гидравлическое сопротивление на фильтре и увеличить эффективность. Полученные зависимости позволили сделать вывод о циклах фильтрования и регенерации предложенной модели конусообразного фильтровального элемента.
На основании экспериментов были получены данные, позволяющие выяснить продолжительность обратной продувки т^г для зернистых слоев с сохранением необходимой высоты автофильтра кос и рекомендовать режимы фильтрования и регенерации [4].
2. Изменение общего перепада давлений. Важнейшей характеристикой процесса фильтрования является общий перепад давлений на фильтровальной перегородке, значения которого определяют режим эксплуатации фильтровальной системы.
Предварительные теоретические исследования позволили предположить, что при фильтровании полидисперсных аэрозолей на поверхности образуется осадок, который задерживает наиболее
тонкие фракции, при этом проскок пыли меняется с течением времени ЛК/Лт = 0. Для анализа изменения общего перепада давлений в зависимости от продолжительности фильтрования на конусообразном фильтровальном элементе была предложена зависимость [1]:
АР
общ .кон.
= Гф - (я;.в. + ^\> - 1п
RI + R:
ф.н
ф.н.
ф.в.
К,+ Rф'.в.
+ 2 Гос (^.н. + ^.н> - 1п
2^ХнТ
^ф.н. + Rф.н.
+1
где w — скорость пылегазового потока, м/с; ^ф. т ^'ф. н. — больший и меньший наружные радиусы
фильтровального элемента, м; где V — объем прошедшего газа, м3; Ь — длина конусообразного фильтровального элемента, м; Гос — удельное сопротивление осадка, Н-с/м4; т — продолжительность фильтрования, с; ^ос, ^'ос — больший и меньший радиусы осадка, м (рис. 5).
Результаты теоретических расчетов и экспериментов приведены на рис. 6 в виде графических зависимостей вида
АР = / (т)
и подтверждают адекватный характер предложенного уравнения.
Таблица
+
Параметры пылегазового потока Параметры регенерации
Компоновка МФУ Высота фильтрующего слоя Н, м Концентрация пыли, кг/м3 Дисперсность пыли * й ^ о О * 2 Н ’ ■ 8 8 л га Продолжитель- ность регенерации трег:> с
Цилиндрический фильтровальный элемент = 3,510-5 м, е = 0,5; Л? = 100 мкм 0,005 2,5-10-3 й = 0,5-5 мкм; т " " а = 0,52 2,7 110
Конусообразный фильтровальный элемент Лэ = 3,510-5 м, е = 0,5; = 100 мкм 0,005 2,56-10-3 ~йт = 0,5-5 мкм; а = 0,52 1,8 110
Рис. 5. Схема к выводу уравнения
АР, Па
A * ▲ 1 2=0.9Є 58
✓ s' >
^ / X*
теоретиче кая
/ / / f A экспвримбн ТсЭЛЬН ЭЯ
0 500 1000 1500 2000 2500
Рис. 6. Зависимости общего перепада давлений от продолжительности фильтрования
Библиографический список
1. Пигловский, Н. В. Циклоны-фильтры для тонкой очистки пылегазовых потоков / Н. В. Пигловский, Е. В. Романюк, Ю. В. Красовицкий, А. В. Логинов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2013. — № 1. — С. 22—25.
2. Красовицкий, Ю. В. Обеспыливание газов зернистыми слоями / Ю. В. Красовицкий, В. В. Дуров. — М.: Химия, 1991. — 192 с.
3. Пигловский, Н. В. Перспективные фильтровальные элементы для очистки пылегазовых потоков в сфере обслуживания и ремонта железнодорожного транспорта /
Н. В. Пигловский, Е. В. Романюк, Ю. В. Красовицкий // Актуальные вопросы современной науки: матер. X между-нар. науч.-практ. конф. — Таганрог, 2010. — С. 143—145.
4. Пигловский, Н. В. Конусообразные зернистые фильтровальные элементы для высокоэффективного пылеулавливания / Н. В. Пигловский, Е. В. Романюк, Ю. В. Красовицкий // Экология и безопасность жизнедеятельности: сб. ст. XI междунар. науч.-практ. конф. — Пенза: РИО ПГСХА, 2011. — С. 135—139.
5. Пат. на полезную модель № 105200 Российская Федерация МПК 51. Циклон-фильтр / А. В. Логинов [и др.]; заявитель и патентообладатель ВГТА; заявл. 13.11.2010; опубл. 10.06.2011; Бюл. № 16.
Выводы
1. В работе рассмотрены вопросы внедрения фильтровальных аппаратов на основе зернистых фильтров, предложены схемы включения фильтров в системы вентиляции.
2. Предложена новая конструкция фильтра, позволяющая повысить эффективность очистки от пыли.
3. Рассчитан экономический эффект, получаемый при замене традиционных цилиндрических фильтровальных элементов на конусообразные.
4. Полученные данные свидетельствуют о ресурсосберегающем характере разработки и могут быть рекомендованы для внедрения в системах аспирации для очистки от тонкодисперсной пыли.
References
1. Piglovskij, N. V. Ciklony-fil'try dlya ton-koj ochistki pylegazovyx potokov / N. V. Piglovskij, E. V. Romanyuk, Yu. V. Krasovickij, A. V. Loginov // Ximicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. — 2013. — № 1. — S. 22—25.
2. Krasovickij, Yu. V. Obespylivanie gazov zernistymi sloyami / Yu. V. Krasovickij, V. V. Durov. — M.: Ximiya, 1991. — 192 s.
3. Piglovskij, N. V. Perspektivnye fil'troval'nye e'lementy dlya ochistki pylegazovyx potokov v sfere obsluzhivaniya i remonta zheleznodorozhnogo transporta / N. V. Piglovskij, E. V. Romanyuk, Yu. V. Krasovickij // Aktual'nye voprosy sovremennoj nauki: mater. X mezhdunar. nauch.-prakt. konf. — Taganrog, 2010. — S. 143—145.
4. Piglovskij, N. V. Konusoobraznye zernistye fil'troval'nye e'lementy dlya vysokoe'ffektiv-nogo pyleulavlivaniya / N. V. Piglovskij, E. V. Romanyuk, Yu. V. Krasovickij // E'kologiya i bezopasnost' zhizne-deyatel'nosti: sb. st. XI mezhdunar. nauch.-prakt. konf. — Penza: RIO PGSXA, 2011. — S. 135—139.
5. Pat. na poleznuyu model' № 105200 Rossijskaya Federaciya MPK 51. Ciklon-fil'tr / A. V. Loginov [i dr.]; zayavitel' i patentoobladatel' VGTA; zayavl. 13.11.2010; opubl. 10.06.2011; Byul. № 16.
THE USE OF CONE-SHAPED FILTER ELEMENTS FOR REDUCING DUST EMISSIONS OF PRODUCTION, REPAIR AND MAINTENANCE OF RAILWAY CARS
Romanyuk E. V.,
PhD in Engineering, Assoc. Prof.,
Voronezh Institute of State Fire Service of EMERCOM of Russia;
Russia, Voronezh, e-mail: scercso@mail.ru Piglovskij N. V.,
Expert, Voronezh Car Repair Plant, a Branch of OAO Vagonremmash;
Russia, Voronezh, e-mail: scercso@mail.ru Krasovickij Yu. V.,
D. Sc. in Engineering, Prof.,
Voronezh State University of Engineering Technologies;
Russia, Voronezh, e-mail: scercso@mail.ru
The article offers a new design of the filter, allowing to increase the efficiency of clearing of a dust; mathematical model, which allows forecasting of main operating characteristic — the pressure drop offilter partition. There are the results of experimental studies ofprocess.
Keywords: filter, filtering, purification, dust, duet-gas flow.
