CC BY
30
УДК 621.928.1
Разработка циклона-сепаратора с автоматическим контролем процесса очистки воздуха
Development of cyclone separator with automatic control of the air purification process
Профессор В.Л. Злочевский, доцент А.П. Борисов
(Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова) учебно-исследовательская лаборатория «Автоматизация технологических процессов», тел. 8(3852) 29-07-26 E-mail: boralp@mail.ru
Professor V.L. Zlochevskiy, Associate Professor A.P. Borisov
(Altay state technical university named by I.I. Polzunov) teaching and research laboratory «Automation of technological processes», tel. 8(3852) 29-07-26 E-mail: boralp@mail.ru
Реферат. Рассмотрен экспериментальный циклон-пылеотделнтель ii принцип его работы. Установка состоит из материалопровода, циклона и воздухопровода. Воздух получает движение от вентилятора. Электродвигатель вентилятора подключается к сети через частотный преобразователь. Продукт поступает в материалопровод из приемного бункера шнековым питателем, который питается от электродвигателя. В конце нагнетательной линии установки предусмотрен мешок из фильтровальной ткани, используемый для фильтрации воздуха. Для измерения параметров в воздухопроводах имеются отверстия, в которые вставляются измерительные трубки. Измерение параметров проводятся при помощи датчиков. Данные с датчиков передаются на систему сбора данных, а затем передаются на персональный компьютер. Представлен процесс разработки системы автоматического управления и контроля для него. Описано программное обеспечение для контроля за состоянием системы. Показана эффективность разработанной установки при различных входных параметрах. Был проведен эксперимент. Эксперименты проводились по три раза при различных скоростях движения воздуха, которые регулируются изменением частоты вращения рабочего колеса вентилятора. В каждом эксперименте измерения динамического давления проводились последовательно по двум взаимно перпендикулярным направлениям. С учетом поставленных технических задач посредством изменяемого числа оборотов и конфигурации турбины можно вести разделение частиц продукта по более тонким размерным классам. Система конусов со шнеком, пх конфигурация позволяют выводить частицы размером от 1 до 160 мкм из аэросмеси с расчетной очисткой воздуха до 99,9 %. Наиболее высокая эффективность отделения продукта достигается при входной скорости воздуха 18 м/с, для этого необходимо подавать на частотный преобразователь значение 45 Гц.
Summary. Experimental cyclone dust separator and how it works. The installation consists of a pipeline, and a cyclone air duct. Receives air movement from a fan. The fan motor is connected to the network via a frequency converter. The product enters the pipe hopper of a screw feeder, which is powered by an electric motor. After installation of the discharge line is provided a bag of filter cloth used for air filtration. To measure parameters ducts are holes into which are inserted into the measuring tube. Measurement parameters are held by means of sensors. Data from the sensors are transmitted to the data collection system and then transferred to a personal computer. Presented by the process of developing a system of av-gins of management and control for it. Described software to monitor the system status. The efficiency of the work developed by the installation at various input parameters. Also, the experiment was conducted. The experiments were performed three times at different speeds of movement of air, which are regulated by changes in the working of the fan wheel speed. In each experiment, the dynamic pressure measurement is carried out successively in two mutually perpendicular directions. In view of the technical problems posed by variable-speed turbines and configuration can be carried out the separation of product particles finer size classes. The system with the screw cones, their configuration is able to display a particle size from 1 to 160 microns, with an estimated fuel mixture of air purification to 99.9 %. The highest efficiency of product separation is achieved when the input air velocity of 18 m/s, this must be submitted to the inverter the value of 45 Hz.
© Злочевский В.Л., Борисов А.П., 2016
Ключевые слова: циклон-пылеотделитель, автоматизация, управление, электродвигатель, контроль, датчики, пыль, скорость.
Keywords: cyclone dust separator, automation, control, motor control, sensors, speed dust.
Производственная деятельность элеваторов, мелькомбинатов и комбикормовых заводов в значительной степени определяется эффективностью работы аэротехнологических потоков (пневмотранспорт, аспирация оборудования, аэросепарация). В настоящее время работа пневмотранспортных и вентиляционных установок осуществляется по одной из двух схем. Первая - выброс отработанного и очищенного воздуха в атмосферу, вторая - возврат воздуха после очистки в рабочее помещение. В сочетании с задачами охраны природы и рационального использования зерновых ресурсов в тесной связи следует рассматривать задачи выделения из аэротехнологических потоков как пыли, так и ценных продуктов.
Более всего распространены циклонные аппараты из-за их относительно небольшой стоимости и простоты устройства. Они просты в обслуживании, имеют сравнительно небольшое аэродинамическое сопротивление при высокой производительности. Вместе с тем характеризуются невысокой степенью улавливания частиц размером от 20 мкм и ниже - 70-90 %.
Помимо эффективности очистки воздуха и гидравлического сопротивления пылеулавливающие устройства характеризуются стоимостью очистки. Если принять стоимость очистки объема воздуха в циклоне за 100 %, то стоимость очистки такого же объема в батарейном циклоне составит 120 %, в тканевых фильтрах в зависимости от типа - от 260 до 280 % (при различной эффективности).
Напомним известные принципы работы циклонов и рукавных фильтров. Запыленный воздух поступает в верхнюю часть циклона тангенциально, вовлекаясь во вращательное движение (рис. 1).
При этом возникает центробежная сила, действующая на частицы, в результате которой скорость радиального осаждения может быть значительно больше установившейся скорости гравитационного осаждения. Поэтому намного меньше затрачивается времени на осаждение частиц на стенки циклона, чем на осаждение в осадочной камере. Отброшенные к стенкам частицы непрерывно движутся к выводному устройству в основании циклона (клапану или шлюзовому затвору). Из наблюдений за движением аэросмеси в циклоне установлено, что на стенке образуется нисходящий винтовой поток, а в нижней части циклона он переходит в восходящий по оси винтовой поток, и далее входит в выхлопной патрубок. Именно в нижней части циклона при изменении ускорения потока происходит максимальное отделение твердых частиц. Более тонкие частицы постоянно
очищенныи воздух
У
\
\ и
t
вход
аэросмеси
выход частиц
Рис. 1. Винтовые потоки в циклоне: - восходящий; - - нисходящий
захватываются восходящим винтовым потоком и выводятся через выхлопной патрубок. Эту картину в значительной степени ухудшает подсос воздуха в циклон. Известно, что 1 % подсоса воздуха снижает эффективность воздухоочистки на величину от 1 до 4 %.
Теоретически должны выделяться частицы больше определенного размера, но реальная зависимость эффективности от размеров частиц представляет собой плавную кривую (рис. 2). В зоне А содержатся частицы, которые должны были пройти через циклон, но они улавливаются. В зоне Б находятся частицы, которые должны были улавливаться, но остаются в воздушном потоке из-за его турбулентности. Конструктивно это определяется характером ввода аэросмеси в циклон, расположением выхлопного патрубка, высотой и диаметром циклона, определяющими образование и движение вверх воздушного винтового потока. Циклоны с большей высотой и небольшим диаметром более эффективны. Циклоны малого диаметра, размещаемые в одном корпусе и имеющие общие вход в нагнетательную камеру и выход из нее, а также один бункер для сбора пыли, называют батарейными циклонами.
Расчетная концентрация зерновой пыли, выбрасываемой в атмосферу циклонами ЦОД при входной скорости в него 18 м/с, при концентрации пыли на входе 2 г/м3 составляет 0,075 г/м3. При этих же параметрах концентрация зерновой пыли, выбрасываемой в атмосферу батарейными циклонами 4БЦШ, составляет 0,0514 г/м3. В производственных условиях фактические показатели запыленности воздуха на выходе из циклонов превышают расчетные в 2-3 раза по причине больших подсосов и отличия входной скорости аэросмеси от рекомендуемой, а также меняющейся во времени концентрации пыли в воздушном потоке. Поэтому после циклонов предусматривается очистка удаляемого воздуха тканевыми фильтрами. Основа работы таких фильтров определяется характеристикой фильтрующей ткани. Например, обычная фильтрующая ткань состоит из нитей основы и утка диаметром порядка 500 мкм, расположенных на расстоянии 100-200 мкм друг от друга и образующих сетку с относительно большими отверстиями, которые частично заполнены тонкими отдельными волокнами диаметром 5-15 мкм. Такая ткань недостаточно эффективна до тех пор, пока на ней не образуется пылевой слой пористостью около 80-95 %, после чего фильтр начинает улавливать тонкую мучнистую пыль. При этом важно не допустить уплотнения пылевого слоя, что возможно при определенных условиях и за счет низкой скорости фильтрации до 1,8 м/мин.
100
40
Размер частяц, мкм
60
80
Рис. 2. Кривая фракционной эффективности циклона
При больших расходах воздуха требуется большая фильтрующая поверхность, которая в конструкциях промышленных фильтров доведена до 70 м2, с обязательной периодической регенерацией фильтрующей поверхности. В зерно-перерабатывающей промышленности используют фильтры-циклоны РЦИ и РЦИР с регенерацией рукавных фильтров в импульсном режиме. Для их работы необходимо использовать сжатый воздух давлением 45-60 кПа и систему для его распределения [1].
С целью интенсификации выделения из аэротехнологических потоков продуктов размола нами разработана аэромеханическая модель, позволяющая целенаправленно влиять на изменение траекторий частиц, движущихся с воздушным потоком. Преимуществом этой модели является наличие кольцевых зазоров, в которых движется аэросмесь.
Разработанный способ аэроцентробежного разделения [2] продуктов размола осуществляется следующим образом (рис. 3): аэродисперсный поток вводят внутрь корпуса через камеру в кольцевое пространство между ее внутренней поверхностью и пустотелой турбиной, которая заканчивается патрубком и через упругий элемент соединяется с системой конусов. Наличие упругого элемента и равномерно вращающегося с угловой скоростью дисбаланса массой тд, удален-
РНН
ной от оси вращения на расстояние е, определяет центробежную силу :
= ТПД • е • й)2
9
вызывающую ускорение ас колеблющейся системы конусов массой тк:
тд е
ас =-
При движении твердой частицы в воздушной среде колебания поверхностей конусов можно не учитывать, пока частицы не окажутся вблизи поверхности. При небольших расстояниях между усеченными конусами можно считать, что воздушный поток движется между ними как твердое тело при винтовом движении.
вто4
2 одросесм
—
тишмпп} Лои\-1
7
12
Рис. 3. Способ аэроцентробежного разделения: 1 - пустотелая турбина; 2 - камера; 3 - корпус; 4 - патрубок; 5 - коническая часть корпуса; б, 7 - верхние выходные патрубки; 8 - нижний выходной патрубок с бункером; 9 - шнек; 10 - система виброконусов; 11 - дисбаланс; 12 - кольцевые каналы
Это означает, что поток вращается вместе с конусами и поступательно движется вдоль образующей конусов с известной постоянной скоростью на входе, равной V. Сила аэродинамического сопротивления, действующая на частицу, зависит от квадрата относительной скорости у0™ и противоположна ей по направлению:
T^v = -А'ПГтн- —
%Н
у
к
чИ,
где , mч - масса частицы; vy.UT - скорость витания частицы.
Далее обогащенный аэродисперсный поток движется вниз при его дополнительной закрутке во вращающемся патрубке и расположенным в нем неподвижным шнеком. Посредством усеченных вращающихся виброконусов, дисбаланса и неподвижного шнека образуется вихревой поток, который влияет на движение аэросмеси и создает условия для вывода воздушного потока в кольцевые регулируемые каналы. Через них воздушный поток входит внутрь конической части корпуса с верхним и нижним выходами. При необходимости регулировку размеров кольцевых каналов осуществляют изменением расстояния между виброконусами, перемещая их вдоль оси шнека. Следует отметить, что в процессе перемещения аэросмеси вниз поддерживается ее вращательная составляющая, которая может регулироваться и определяется конфигурацией шнека и усеченных конусов. Наиболее легкие частицы затягиваются вихревым потоком и транспортируются вниз по шнеку в бункер. Частицы, прижатые к поверхности усеченных конусов, перемещаются по ним как вниз и далее в бункер, так и вверх по кольцевым каналам. При выходе из кольцевых каналов частицы осаждаются на коническую часть корпуса и выводятся в бункер. Очищенный воздушный поток выводится через верхний патрубок.
Следует обратить внимание, что при таком конструктивном оформлении кольцевые каналы обеспечивают интенсификацию выделения частиц посредством центробежных сил инерции:
Fнн = 1ГЦ ■ - i-4
р
где тпч - масса частицы; со-, - угловая скорость вращения частицы; гч - радиус вращения частицы.
Условие схода частицы с вращающихся поверхностей турбины и конусов происходит при N=F"H, где N - нормальная реакция. При этом частота колебаний поверхностей конусов, их фрикционные свойства, регулируемая скорость и характеристика воздушного потока при оптимальных конструктивных параметрах обеспечивают целенаправленное движение частиц в воздушной среде, которое определяется их устойчивым осаждением на коническую поверхность корпуса и транспортированием в бункер. При частоте оборотов турбины 1100 мин 1 наблю-дется устойчивый вывод частиц размером 390-560 мкм при их отделении от частиц размером меньше 160 мкм.
С учетом поставленных технических задач посредством изменяемого числа оборотов и конфигурации турбины можно вести разделение частиц продукта по более тонким размерным классам. Система конусов со шнеком, их конфигурация позволяет выводить частицы размером от 1 до 160 мкм из аэросмеси с расчетной очисткой воздуха до 99,9 %.
Понимая, что данная модель является перспективной и высокотехнологичной, на первом этапе разрабатываются более простые в конструктивном отношении схемы, в которых используется взаимодействие неподвижных конусов со шнеком, апробированных в лабораторных условиях. Эффект очистки воздушного
потока при этом доведен до 99,4 %, при гидравлическом сопротивлении устройства 540 Па. Разработка проточных аэросистем, включающих в себя виброцентробежные вставки, позволит при поэтапном конструировании и изготовлении быть конкурентными в повышении эффективности работы аэротехнологических систем. При дальнейшем развитии представляется возможным разработать конструкции, которые по эффективности не уступят работе фильтров-циклонов.
Современное мукомольное производство не может обойтись без автоматизации технологических процессов. Системы автоматического управления повышают производительность труда, безопасность производства, увеличивают выход продукции, снижают брак, экономят ресурсы. Используя современные средства автоматизации, можно на 10-15 лет продлить срок службы технологического оборудования. Но главное - без современных автоматических систем управления невозможно гарантировать качество выпускаемой продукции, а качество - это приоритетный критерий конкурентоспособности товара на рынке.
Экспериментальный циклон-сепаратор, разработанный в учебно-научной лаборатории «Автоматизации технологических процессов» АлтГТУ, имеет коэффициент очистки более 99 %, а также может применяться не только для очистки воздуха, но и для очистки муки от посторонних веществ, а также для разделения ее на фракции. Схема установки данного циклона приведена на рис. 4.
Установка состоит из материалопровода 1, циклона 5 и воздухопровода 15. Воздух получает движение от вентилятора 10. Электродвигатель вентилятора 11 подключается к сети через частотный преобразователь 7. Продукт поступает в материалопровод из приемного бункера 2 шнековым питателем 3, который питается от электродвигателя 4. В конце нагнетательной линии установки предусмотрен мешок 13, используемый для фильтрации воздуха. Для измерения параметров в воздухопроводах имеются отверстия 8, в которые вставляются измерительные трубки. Измерение параметров проводятся при помощи датчиков 14. Данные с датчиков передаются на систему сбора данных 20, а затем передаются на персональный компьютер 19 [3]. Схема системы с учетом выбранных компонентов приведена на рис. 5.
Рис. 4. Схема экспериментального циклона-сепаратора: 1 - материалопровод; 2 - фланцевое соединение; 3 - питатель; 4 - отвод; 5 - пылеотделителъ; 6 - выпускной бункер; 7 - частотный преобразователь; 8 - отверстия для измерений; 9 - вентиль; 10 - вентилятор; 11 - двигатель; 12 - шкаф управления; 13 - фильтр; 14 - датчики для измерений; 15 - прокладка; 16 - электродвигатель питателя; 17 - электродвигатель шлюзового затвора; 18 - блок питания; 19 - персональный компьютер; 20 - система управление датчиками
а 15
Ц. м
Рис. 5. Схема системы
Общий вид программы управления представлен на рис. 6. После разработки и тестирования системы управления был проведен эксперимент. Эксперименты проводились по три раза при различных скоростях движения воздуха, которые регулируются изменением частоты вращения рабочего колеса вентилятора. В каждом эксперименте измерение динамического давления проводились последовательно по двум взаимно перпендикулярным направлениям [4]. Для взвешивания продукта использовались лабораторные весы.
•У Датчики
Монитор штчиков
Pod opened ai D1.DG.2D16 16:59:41
Rxd/шой ддт»«к гжоростм. м/cr О ОО Вкплной /¡лгис шш. ии-/м""3- € ОС Вмхслиоб дат«« скорости. «*/с D Выкидной датч* iuim. О 03
ЕЬшдеой датчик скорости, м/с: 0.00 Вкшичой датчик пыди мт/м^: -0 04 ВыкоопоЯ датч»* скорости, м/с: О Вью/нов датчн< пьим. мг/м^З: -0.07
Входной датчик скорости, м/с: 0.00 Вкодцой датчик пыли. мг/м^З: -0 05 Е^кодной датчик скорости, м/с: О &>кодноЙ датчик пьим, мг/мл3 -0 0S
Вкодной дапмк скорости, к/с О ОО Входной далшк пыш, мг/м^З: -0.05 Выходной датчик скорости, м/с: 0 Выходной да гшк пьим. мг/м^З: -0 07
Настройки Выберите порт
Отключение датчиков
Сохранить данные
Рис. 6. Общий вид программы управления
Рис. 7. Зависимость эффективности Рис. 8. Зависимость эффективности отде-отделения продукта от входной скорости ления от концентрации продукта на входе воздуха для муки
«жгасжмсьгш
На рис.9 представлена зависимость эффективности отделения от концентрации продукта на входе.
99.73 99.'О
м
f99.CS
9
!<*«
99J5
Н 16 18 & Л .V
¿Ьсфчм скорость. ч/с
Рис. 9. Зависимость эффективности отделения продукта от входной скорости воздуха
Из рис. 7-9 видно, что разработанная установка позволяет при различных входных скоростях получать высокую эффективность отделения продукта (< 99 %). Наиболее высокая эффективность отделения продукта достигается при входной скорости воздуха 18 м/с, для этого необходимо подавать на частотный преобразо ватель значение 45 Гц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Злочевский, В.Л. К обоснованию способа фракционирования зерновых материалов [Текст] / В.Л. Злочевский / / Техника и технология пищевых производств. - 2016. -№ 1. - С. 75-80.
2. Злочевский, В.Л. Анализ формирования аэропотока в циклоне [Текст] / В.Л. Злочевский, К.А. Мухопад // Южно-Сибирский научный вестник,- 2015. - № 4 (12). - С. 5-13.
3. Ермошин, Т.А. Разработка системы автоматического управления дозированием циклона-пылеотделителя на базе промышленного контроллера SMH2010C [Текст] / Т.А. Ермошин, А.П. Борисов // Матер. XV Междунар. науч.-техн. конф. «Измерение, контроль, информатизация»,- 2014. - С. 217-220.
4. Ермошин, Т.А. Разработка системы автоматического управления процессом очистки воздуха и дозирования для циклона-пылеотделителя [Текст] / Т.А. Ермошин, А.П. Борисов / / Ползуновский вестник. - 2014,- № 2. - С. 159-163.
REFERENCES
1. Zlochevskij V.L. К obosnovaniju sposoba frakcionirovanija zernovyh materialov [On the justification of methods of fractionation of cereal materials] Tehnika i tehnologi-ja pishhevyh proizvodstv, 2016, No 1. - pp. 75-80 (Russian).
2. Zlochevskij V.L., Muhopad K.A. Analiz formirovanija ajeropotoka v ciklone [Analysis of forming aerial flow in the cyclone] Juzhno-Sibirskij nauchnyj vestnik, 2015, No 4 (12), pp. 5-13 (Russian).
3. Ermoshin T.A., Borisov A.P. Razrabotka sistemy avtomaticheskogo upravlenija dozirovaniem ciklona-pyleotdelitelja na baze promyshlennogo kontrollera SMH2010C [Development of automatic control system of dosing cyclone-dust separator on the basis of the Industrial SMH2010C controller] Materialy XV Mezhdunar. nauch.-tehn. konf «Izmerenie, kontrol', in-formatizacija», 2014, pp. 217-220 (Russian).
4. Ermoshin T.A., Borisov A.P. Razrabotka sistemy avtomaticheskogo upravlenija processom ochistki vozduha i dozirovanija dlja ciklona-pyleotdelitelja [Development of the system of automatic control of the air cleaning process and dosing cyclone-dust separator] Polzunovskij vestnik, 2014, No, pp. 159-163 (Russian).
■A
i
