CC BY
17
ВЕСТНИК БЕЛОРУССКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ _АКАДЕМИИ № 2 2015_
МЕХАНИЗАЦИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 631.3.004.67:621.928.37
Е. И. МАЖУГИН, А. В. ПАШКЕВИЧ
МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ МОЮЩЕГО РАСТВОРА В УПРАВЛЯЕМОМ ТРЕХПРОДУКТОВОМ ГИДРОЦИКЛОНЕ
(Поступила в редакцию 09.03.2015)
В статье обоснована модель процесса очистки моюще- The article bases a model of the process of purification of
го раствора в управляемом трехпродуктовом гидроцик- cleaning solution in a controlled three-product hydro-cyclone.
лоне. В результате анализа данной модели получены зако- The analysis of the model provided the regularity and area of
номерность и область выделения нефтепродуктов в гидро- petrochemicals extraction in hydro-cyclone, taking into account
циклоне с учетом особенностей его конструктивной схемы. the structural features of its schemes. We have obtained depend-
Получена зависимость для определения максимального ence to determine the maximum diameter of petrochemicals
диаметра невыделяемых гидроциклоном частиц нефтепро- particles, not extracted by hydro-cyclone. We have established
дуктов. Установлены закономерности изменения величины regularities of changes in the value of the maximum diameter of
максимального диаметра невыделяемых частиц нефтепро- non-extracted petrochemicals particles depending on the design
дуктов в зависимости от конструктивных и режимных and operational parameters of the hydro-cyclone. The value of
параметров гидроциклона. Величина данного диаметра this diameter allows to predict the degree of purification of
позволяет прогнозировать степень очистки моющего рас- cleaning solution from petrochemicals. твора от нефтепродуктов.
Введение
При ремонте сельскохозяйственных машин и оборудования одной из основных операций является очистка машин, агрегатов и деталей от загрязнений, на долю которой приходится 3...3,5 % от общей трудоемкости ремонта машин [1].
Подавляющее большинство моечных операций на ремонтных предприятиях проводят в машинах погружного или струйного типа с применением водных растворов синтетических моющих средств (СМС), в состав которых в основном входят щелочные соли и поверхностно-активные вещества (ПАВ). По мере использования моющие растворы насыщаются твердыми загрязнениями и нефтепродуктами, смываемыми с поверхностей очищаемых объектов, что приводит к потере их моющей способности и необходимости их смены. Образующиеся при этом сточные воды трудно поддаются очистке в обычных канализационных системах и представляют существенную экологическую опасность. Одним из основных способов снижения объемов производственных сточных вод, позволяющих сэкономить воду и моющие средства, является технологическая очистка моющих растворов с целью их повторного использования.
Анализ источников
Наиболее простыми и высокопроизводительными устройствами, позволяющими выполнять технологическую очистку моющего раствора, являются гидроциклоны. Первые достаточно глубокие исследования по гидроциклонной очистке моющих растворов выполнялись в ГОСНИТИ А. Ф. Тельновым и Б. Б. Нефедовым [2, 3]. Исследования по очистке моющих растворов проводились А. Л. Казаковым [4], который использовал двухпродуктовый гидроциклон с регулируемыми параметрами. Однако в указанных исследованиях рассмотрена очистка растворов только от твердых загрязнений, в то время как по мере использования в моющих растворах накапливаются и нефтепродукты. Их наличие приводит к снижению качества очистки за счет образования на отмываемых поверхностях масляной пленки и к повышенной прилипаемости различного рода пыли к очищенной поверхности деталей, что увеличивает интенсивность изнашивания трущихся сопряженных деталей. Помимо этого, в моечных машинах при
перемешивании моющего раствора оставшиеся в нем нефтепродукты дробятся. Это приводит к увеличению их свободной поверхности и способствует активной адсорбции компонентов СМС, что ускоряет процесс потери моющей способности раствора. Поэтому при технологической очистке моющих растворов необходимо удалять не только твердые загрязнения, но и нефтепродукты.
Нами была предложена конструкция трехпродуктового гидроциклона [5, 6] и система управления им [7, 8]. Эти предложения направлены на снижение потерь очищаемой жидкости при ее очистке. В основу автоматизации работы гидроциклона предложенной конструкции положена регистрация отличия в электрическом сопротивлении очищаемой жидкости и выделяемых нефтепродуктов.
Однако предложенная конструкция трехпродуктового гидроциклона существенно отличается от ранее известных. В связи с этим необходимо описать процесс очистки моющих растворов в предложенном гидроциклоне, которая позволит определить его рациональные параметры и установить их взаимосвязь с максимальным диаметром частиц нефтепродуктов, не выделенных из моющего раствора в процессе очистки.
Методы исследования
Для проверки работоспособности предложенного управляемого трехпродуктового гидроциклона и подтверждения модели движения компонентов моющего раствора при очистке в нем были проведены исследования по очистке моющего раствора КМ-1 ТУ 2149-101-10968286-2000 марки 4, искусственно загрязненным отработанными маслами. Методика проведения исследований и полученные результаты очистки были описаны ранее [9].
Основная часть
Для получения модели процесса очистки моющего раствора и определения конструктивных параметров управляемого трехпродуктового гидроциклона нами была предложена модель движения в нем потоков жидкости, которая представлена на рис. 1.
а) б)
Рис. 1. Модель движения жидкости и зоны выделения компонентов внутри гидроциклона: а) модель движения жидкости в гидроциклоне; б) зоны выделения компонентов загрязненного моющего раствора: 1 - внешний нисходящий поток; 2 - внутренний восходящий поток; 3 - зона коалесценции выделенных нефтепродуктов; 4 - зона выделения нефтепродуктов; 5 - зона выделенных твердых загрязнений; 6 - твердые загрязнения с частью моющего раствора; 7 - зона невыделенных нефтепродуктов; 8 - зона вывода очищенного
моющего раствора; 9 - выделенные нефтепродукты В соответствии с предлагаемой моделью очищаемая жидкость под давлением поступает в гидроциклон через тангенциально установленный питающий патрубок (рис. 1, а). В результате образуется внешний вращающийся относительно оси и поступательно движущийся сверху вниз нисходящий поток 1. В этом потоке происходит движение взвешенных твердых частиц к стенкам гидроциклона, а эмульгированных нефтепродуктов - к оси гидроциклона. В нижней конической части поток разворачивается и преобразуется во внутренний восходящий спиральный поток 2, из которого также происходит выделение взвешенных твердых частиц и эмульгированных капель нефтепродуктов.
Для выполнения анализа процесса очистки в предлагаемом гидроциклоне его внутренний объем был разбит на характерные зоны (рис. 1, б).
На движущуюся жидкость в цилиндрической части аппарата действуют центробежные силы. При этом частицы твердых загрязнений, имеющие большую плотность по сравнению с плотностью моющего раствора, будут перемещаться к стенке гидроциклона, образуя зону выделения твердых загрязнений 5, а частицы нефтепродуктов, имеющие меньшую плотность, чем плотность дисперсионной среды, будут перемещаться к оси гидроциклона, образуя зону их выделения 4. В результате этого выделенные твердые загрязнения будут перемещаться к стенкам гидроциклона, образуя пристенный слой, а частицы нефтепродуктов будут перемещаться к внутренней стороне внешнего нисходящего потока 1.
После образования внутреннего восходящего потока 2 выделенные твердые загрязнения из зоны 5 перемещаются вместе с частью моющего раствора в шламовую насадку, образуя зону выделенных твердых загрязнений с частью моющего раствора 6. Выделенные нефтепродукты перемещаются вдоль оси центробежного аппарата вместе с внутренним восходящим потоком 2, образуя зону выделенных нефтепродуктов 9, и попадают под крышку гидроциклона в зону их коалесценции 3.
Моющий раствор, очищенный от твердых загрязнений и нефтепродуктов, попадает в зону 8, откуда выводится через трубку слива очищенной жидкости.
В зоне коалесценции нефтепродуктов 3 установлены электрические контакты, при помощи которых регистрируется электрическое сопротивление жидкости, находящейся между ними. Это позволяет управлять выводом выделенных нефтепродуктов из гидроциклона при очистке моющего раствора.
Процесс очистки моющего раствора от твердых загрязнений в предложенном гидроциклоне происходит аналогично ранее известным конструкциям цилиндроконических гидроциклонов. В свою очередь процесс выделения нефтепродуктов в предложенном гидроциклоне и область их выделения существенно отличается от выделения масел в конструкции гидроциклона, описанной Н. Ф. Тельновым [10].
Для определения области внутри гидроциклона, в которой будет происходить выделение нефтепродуктов, рассмотрим процесс движения частицы масла в гидроциклоне. При этом рассмотрим частицу масла, находящуюся в самом неблагоприятном для выделения положении.
При образовании нисходящего потока 1 жидкости (рис. 2) в гидроциклоне (границы потока обозначены белой линией) частица масла находится в точке А, наиболее удаленной от оси гидроциклона. При движении данного потока вниз частица под действием центробежных сил и за счет разности плотностей нефтепродуктов и моющего раствора перемещается к внутренней стороне нисходящего потока 1 и перед его разворотом достигает точки В. После разворота жидкости частица нефтепродуктов под действием тех же факторов начинает перемещаться к оси гидроциклона и достигает точки С.
Рис. 2. Схема движения нефтепродуктов внутри гидроциклона: 1 - нисходящий поток; 2 -выделенные нефтепродукты; 3 - зона интенсивного захвата раствора;
4 - трубка слива очищенного моющего раствора; 5 - выделенные твердые загрязнения; 6 - восходящий поток
Если при вводе жидкости в гидроциклон частица масла попала ближе к его оси, чем положение точки А, указанное на рис. 2, то она раньше выделится из нисходящего потока и попадет в зону выделенных нефтепродуктов 2, не доходя до точки С. Таким образом, область АВС является зоной выделения нефтепродуктов 2 из моющего раствора.
При подходе восходящего потока 6 жидкости к вершине трубки 4 часть жидкости начинает вытекать через нее из гидроциклона, благодаря чему вокруг трубки слива образуется зона интенсивного захвата раствора из восходящего потока 6. Поэтому при более высоком положении трубки 4 слива очищенного раствора, чем положение, которое показано на рис. 2, зона 3 интенсивного захвата раствора начинает перекрывать область АВС, при этом часть выделенных нефтепродуктов выводится из гидроциклона вместе с очищаемой жидкостью. Следовательно, необходимо устанавливать трубку 4 слива очищенной жидкости так, чтобы зона 2 выделения нефтепродуктов проходила мимо зоны 3 интенсивного захвата
раствора. Для обеспечения возможности прогнозирования степени очистки моющего раствора гидроциклоном необходимо определить максимальный диаметр частиц нефтепродуктов, т. е. те частицы, которые не способны попасть под крышку гидроциклона, не будут выделены им. Для этого рассмотрим
силы, действующие на частицу масла в восходящем потоке жидкости (рис. 3).
Рис. 3. Схема сил, действующих на частицу нефтепродуктов в восходящем потоке жидкости: 1 - цилиндрическая часть; 2 - нисходящий поток; 3 - восходящий поток; 4 - коническая часть; 5 - трубка слива очищенного моющего раствора; 6 - частица нефтепродуктов
Из рис. 3 следует, что силой, под действием которой частица нефтепродуктов движется вверх в данном гидроциклоне, является динамическая. Она состоит из двух составляющих:
р -V
р = р + р = - мр
дин под
2
'8 + р -Е- V
м Нм.р Ь ¥ м
(1)
где Fдин - динамическая сила, Н; FпoД - подъёмная сила (сила динамического давления), Н; Fв - выталкивающая (Архимедова) сила, Н; рмр - плотность моющего раствора, кг/м3; v - осевая составляющая абсолютной скорости движения жидкости в гидроциклоне, м/с; Sм - площадь проекции частицы масла на плоскость, перпендикулярную к направлению движения, м2; Vм - объём частицы масла, м3.
С другой стороны, на частицу нефтепродуктов, находящуюся в восходящем потоке, действуют сила сопротивления среды и сила тяжести, препятствующие её перемещению вверх. Сила сопротивления среды определяется по следующей зависимости:
Р = сх - Бм -р2, (2)
где Fс - сила сопротивления среды, Н; сх - коэффициент сопротивления среды; р2 - избыточное давление под крышкой гидроциклона, Па.
Коэффициент сопротивления среды при движении частиц в потоке жидкости согласно рекомендациям [11] определяется по следующей зависимости:
24и- (3)
- V
(4)
где имр - кинематическая вязкость моющего раствора, м /с; dм - максимальный диаметр невыделя-емых частиц нефтепродуктов, м.
Силу тяжести частицы нефтепродуктов можно определить следующим образом:
С = рм • X, • Б, где рм - плотность масла, кг/м3.
Максимальный диаметр частицы нефтепродуктов, при котором она еще не будет иметь осевого движения, т.е. не попадет под крышку гидроциклона и не будет выделена, можно найти из следующего уравнения:
(5)
рдин = Р + С.
Расписав Sм и Vм в формулах (1), (2), и (4) через площадь круга и объем шара соответственно и подставив формулы (1-4) в уравнение (5), решаем полученную зависимость относительно максимального диаметра невыделяемых частиц нефтепродуктов dм. В результате получаем:
-3Рм.р - ^ +<
л/9рм р - V6 + 4608Е - V - им.р - р2 - (рм.р - рм)
(Рм.р -Рм )
(6)
Согласно рекомендациям [12], осевая составляющая абсолютной скорости v движения жидкости в цилиндроконическом гидроциклоне определяется по следующей зависимости:
V = 0,3^-
4д
0,81 ^
-1
(7)
где у - коэффициент падения скорости в цилиндрической части гидроциклона по сравнению с конической частью; Q - производительность гидроциклона, м3/с; ¿пит - внутренний диаметр питающего патрубка гидроциклона, м; Яц - внутренний радиус цилиндрической части гидроциклона, м; г - расстояние до оси гидроциклона, на котором определяется осевая составляющая скорости в гидроциклоне, м.
Приняв, согласно рекомендациям [13], кинематическую вязкость моющего раствора и его плотность при температуре 60 °С 0,508-10-6 м2/с и 996 кг/м3 соответственно, плотность масла при температуре 60 °С, равной 890 кг/м3 [14], расстояние до оси гидроциклона г, равным 0,1Яц, получаем зависимости изменения максимального диаметра невыделяемых частиц нефтепродуктов от давления под крышкой гидроциклона (рис. 4, а) и от расстояния до оси гидроциклона (рис. 4, б).
Ьдй^/мкм
0= 0,5 м3/ч
¿пит 6
а) б)
Рис. 4. Зависимости изменения максимального диаметра невыделяемых частиц нефтепродуктов от режимных и конструктивных параметров гидроциклона: а) - зависимость изменения максимального диаметра невыделяемых частиц нефтепродуктов от давления р2 под крышкой гидроциклона; б) - зависимость изменения максимального диаметра невыделяемых частиц нефтепродуктов от расстояния г до оси гидроциклона
На основании анализа полученных графических зависимостей можно сделать вывод, что при увеличении производительности гидроциклона при прочих равных условиях величина диаметра невыде-ляемых частиц нефтепродуктов уменьшается, а увеличение диаметра питающего патрубка и удаление частицы от оси гидроциклона приводит к увеличению максимального диаметра невыделяемых частиц нефтепродуктов.
Заключение
В результате анализа литературных источников по очистке моющих растворов гидроциклонами и закономерностей движения компонентов раствора в поле центробежных сил и силы тяжести была обоснована модель процесса очистки моющего раствора от загрязнений в управляемом трехпродук-товом гидроциклоне. Данная модель позволила установить закономерность движения и область выделения частиц нефтепродуктов в гидроциклоне с учетом особенностей предложенной конструктивной схемы.
Анализ сил, действующих на частицу нефтепродуктов, находящуюся в восходящем потоке гидроциклона, позволил получить зависимость для определения максимального диаметра невыделяемых гидроциклоном частиц нефтепродуктов. Данная зависимость позволила установить, что с увеличением производительности гидроциклона с 0,5 м3/ч до 1,0 м3/ч при прочих равных условиях максимальный диаметр невыделенных частиц нефтепродуктов на расстоянии г от его оси, равном 0,1Яц, уменьшится с 12,7 до 1,5 мкм, а при увеличении диаметра питающего патрубка с 6 до 7 мм диаметр частиц масла увеличится до 23,1 мкм.
Увеличение расстояния, на котором находится капля масла, от оси гидроциклона приводит к увеличению максимального диаметра невыделяемых частиц нефтепродуктов. Так, при увеличении расстояния от оси гидроциклона с 0,1 Яц до 0,2Яц при производительности, равной 0,5 м3/ч, внутреннем диаметре питающего патрубка - 6 мм и давлении под крышкой гидроциклона - 1 кПа данный диаметр увеличится с 12,7 до 104,7 мкм.
Определение данного диаметра позволяет определить размер частиц нефтепродуктов, которые останутся в моющем растворе после очистки, что дает возможность прогнозировать степень очистки раствора от нефтепродуктов с учетом характеристик очищаемой жидкости, режимных и конструктивных параметров гидроциклона.
ЛИТЕРАТУРА
1.Техническое обслуживание и ремонт машин в сельском хозяйстве: учеб. пособие / В. И. Черноиванов [и др.]; под общ. ред. В.И. Черноиванова. - 2-е изд. - Москва-Челябинск: ГОСНИТИ, ЧГАУ, 2003. - 992 с.
2. Тельнов, А. Ф. Исследование процесса очистки щелочных моющих растворов, применяемых на сельскохозяйственных ремонтных предприятиях: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / А. Ф. Тельнов. - М.: ГОСНИТИ, 1972. - 148 л.
3.Нефедов, Б. Б. Гидроциклонная очистка моющих растворов / Б. Б. Нефедов, А. Ф. Тельнов // Опыт применения новых моющих средств: сб. докладов семинара / ГОСНИТИ, - М., 1973. - С 101 - 108.
4.Казаков, А. Л. Интенсификация гидроциклонной очистки моющих растворов электромагнитной обработкой: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / А.Л. Казаков - Минск: БГСХА, 2012. - 150 с.
5. Трехпродуктовый гидроциклон: пат. 5479 Респ. Беларусь, МПК В 04С5/00. / Е. И. Мажугин, А. В. Пашкевич, А. Л. Казаков, М. В. Левкин; заявитель Бел. гос. с/х акад. - № и20080838; заявл. 11.11.2008; опубл. 30.08.2009 // Афщыйны бюл. / Нац. Центр штэлектуал. уласнасщ. - 2009. - №4. - С. 187.
6.Мажугин, Е. И. Автоматизация управления выведением масел из трехпродуктового гидроциклона / Е. И. Мажугин, А. В. Пашкевич // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - Вып. 9. - С. 13-15.
7.Мажугин, Е. И. Система автоматизации работы трёхпродуктового гидроциклона / Е. И. Мажугин, А. В. Пашкевич, Ю. Н. Бушуев // Вестник Белорус. гос. с.-х. акад. - 2011. - №2. - С. 134-138.
8. Система управления трёхпродуктовым гидроциклоном: пат. 8105 Респ. Беларусь, МПК В 04С 5/00, / Е. И. Мажугин, А. В. Пашкевич, Ю. Н. Бушуев; заявитель Бел. гос. с/х акад. - № и 20110561; заявл. 11.07.2011; опубл. 03.01.2012 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2012. - № 2. - С. 212.
9.Мажугин, Е. И. Результаты лабораторных исследований очистки моющих растворов от нефтепродуктов трехпро-дуктовым гидроциклоном / Е. И. Мажугин, А. В. Пашкевич // Вестник Белорус. гос. с.-х. акад. - 2012. - № 2. - С. 143-147.
10. Тельнов, Н. Ф. Технология очистки сельскохозяйственной техники / Н. Ф. Тельнов. - М.: Колос,1973. - 296 с.
11. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик; под ред. М. О. Штейнберга. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.
12. Терновский, И. Г. Гидроциклонирование / И. Г. Терновский, А. М. Кутепов. - М.: Наука, 1994. - 350 с.
13. Мажугин, Е. И. Тонкослойное сепарирование моющих растворов, используемых при ремонте машин: дис. ...канд. техн. наук: 05.20.03 / Е. И. Мажугин. - М.: ГОСНИТИ, 1987. - 220 с.
14. Любые нефтепродукты // Плотность нефтепродуктов [Электронный ресурс] - 2013 - Режим доступа: http://www.petrolmarket.ru/1.htm - Дата доступа: 13.12.2013.
УДК 631.361.42
В. А. ШАРШУНОВ, В. Е. КРУГЛЕНЯ, А. С. АЛЕКСЕЕНКО, В. И. КОЦУБА
АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РЫХЛЯЩЕ-ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА СУШИЛКИ СО СЛОЕМ ЛЬНОВОРОХА
(Поступила в редакцию 12.03.2015)
В статье приведено обоснование необходимости пере- The article bases the necessity for mixing flax heap in the
мешивания льновороха в сушильной камере карусельной drying chamber of rotary dryer. We have conducted theoretical
сушилки. Проведен теоретический анализ взаимодействия analysis of the interaction of the working surface of the ripper of
рабочей поверхности рыхлителя карусельной сушилки со rotary dryer with a layer of flax heap during final drying. We
слоем льновороха при досушивании. Получены формулы для have obtained formulas for determining the length of the ripper
определения длины рыхлителя и допустимого значения угла and allowable value of the angle of slope of ripping surface. We
наклона рыхлящей поверхности. Определен максимальный have determined the maximum angle of inclination of the work-
угол наклона рабочей поверхности, при котором не проис- ing surface, which does not lead to flax heap tumbling. ходит сгруживание льновороха.
Введение
В технологической схеме послеуборочной обработки льновороха важным звеном является досушивание, так как от влажности зависят сохранность и изменение семенных свойств досушиваемого материала. Высокая влажность приводит к большим энергозатратам на досушивание. Это связано как с энергоемкостью самого процесса, так и с несовершенством технологии и конструкции значительной части действующих сушилок. Поэтому проблема экономии топливно-энергетических ресурсов в процессе досушивания льновороха (они составляют около 90 % всех энергетических затрат) и получение высококачественных семян за счет изыскания новых рабочих органов для сушильных установок очень важны [1].
При досушивании льновороха в сушильной камере средний и особенно нижний слои вороха подвергаются действию более высокой температуры, чем верхний. Поэтому, если влажность в верхнем слое - 12 %, в нижнем слое она составляет всего 7,3 %, т. е. ворох пересушивается. При переработке пересушенного вороха из нижнего слоя увеличивается травмирование семян, что является одной из причин повышения их зараженности и снижения всхожести. Фитопаталогическая проверка травмированных семян в лаборатории подтверждает, что около 85 % их являлись носителем инфекции [2].
Анализ источников
В процессе эксплуатации карусельной сушилки выявлен существенный недостаток в конструкции загрузочного устройства: материал неравномерно распределяется по площади вращающейся плат-
