CC BY
10thus obtaining significant economic and environmental benefits.
References
1. Yusfin Yu.S., Himmelfarb A.A, Pashkov N.F. New processes of metal production (iron metallurgy). (Novye protsessy polucheniya metalla (metallurgiya zheleza)). M.: Metallurgy, 1994. 320 p. (in Russian)
2. Rovin S.L. Recycling metal wastes in rotary furnaces. (Retsikling metallootkhodov v
rotatsionnykh pechakh) Minsk: BNTU, 2015. 382 p. (in Russian)
3. Tulin N.A., Kudryavtsev V.S. and others. Development of non-coke metallurgy (Razvitiye beskoksovoy metallurgii) / Ed. N.A.Tulina, K.M. Mayer. M.: Metallurgy, 1987. 328 p. (in Russian)
4. Bondarenko B.I., Shapovalov V.A, Garmash N.I. Theory and technology of non-coke metallurgy (Teoriya i tekhnologiya beskoksovoy metallurgii) / Pod.red. B.I.Bondarenko.
K.: Naukova Dumka, 2003. 506 p. (in Russian)
5. Die Reduktion der Eisenerse. L. von Bogdandy, H-J. Engel / - Verlag Stahleisen mbH, Dusseldorf, 1967. 520 p.
Brazhenko V.N.
assistant of the department of gidrogas system, National Aviation University Браженко Владимир Николаевич
асистент кафедры гидрогазовых систем, Национальный авиационный университет
THEORETICAL RESEARCH OF THE EFFICIENCY OF A FLUID MECHANICAL CLEANING
BY A ROTARY FILTER
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧИСТКИ ЖИДКОСТИ РОТАЦИОННЫМ ФИЛЬТРОМ
Summary: The main task of this work is to research the efficiency of the hydraulic fluid cleaning by the rotary filter with a discrete perforated filter element and a storage bin for sediment at various modes of a fluid flow. According to the results of the numerical simulation a analysis of liquid's motion has been performed. The unequal motion of particles at the surface and through holes of a filter element has been noted. The influence of the tangential and radial components of the particle velocity on the filtration efficiency of the rotational filter is has shown. The results of separation efficiency of mechanical particles by discrete perforated filtering baffle on the basis of numerical simulation is has presented.
Key words: rotary filter, mechanical impurities, numerical simulation, discrete perforated filtering baffle, storage bin.
Аннотация: Основная задача данной работы - исследование эффективности очистки гидравлической жидкости с помощью ротационного фильтра с дискретно перфорированным фильтрующим элементом и бункером для осадка при её различных режимах течения. По результатам численного моделирования проведен анализ движения жидкости. Отмечено неравномерное движение механических частиц на поверхности и через отверстия фильтрующего элемента. Показано влияние тангенциальной и радиальной составляющих скорости частицы на эффективность фильтрации ротационного фильтра. Представлены результаты эффективности сепарации механических частиц дискретной перфорированной фильтрующей перегородкой на основе численного моделирования.
Ключевые слова: ротационный фильтр, механические примеси, численное моделирование, дискретная перфорированная фильтрующая перегородка, бункер.
Постановка проблемы.
Перспективным направлением для большинства современных отраслей промышленности является применение фильтров, конструкция которых позволяет выполнять длительное непрерывное восстановление фильтроэлемента без прекращения рабочего процесса в гидросистеме и непосредственно фильтрации. Реализация самовосстановления или самоочистки поверхности фильтроэлеме-нта потенциально реализована в относительно не дорогих гидродинамических полнопоточных фильтрах, а именно ротационных фильтрах. При их эксплуатации осуществляется вращательное движение перфорированного фильтроэлемента относительно жидкости. Таким образом, реализуется её очистка с помощью проницаемой перегородки и наблюдается явление гидродинамической действия инерционных сил потока жидкости на загрязнения, которые непрерывно удаляются с поверхности
этого фильтроэлемента (использование принципа гидродинамической очистки).
Однако, на сегодняшний день применение полнопоточных гидродинамических фильтров, а именно ротационных фильтров, с вращающимся фильтроэлементом ограничено из-за реализации эффекта гидродинамической очистки в неполной мере.
Таким образом, актуальной задачей при совершенствовании гидродинамических устройств фильтрации является исследование потока несущей жидкости между корпусом и вращающимся филь-троэлементом и движения в рабочей жидкости механических частиц загрязнений, особенно у вращающейся поверхности и в её отверстиях.
Анализ последних исследований и публикаций.
Обзор теоретических и экспериментальных работ в области исследования ротационных фильтров
дает широкии спектр представлении о процессах и явлениях, происходящих непосредственно в этих устройствах. Анализируя современные работы можно отметить весомый вклад в исследование устойчивости течения жидкости между неподвижным внешним и вращающимся проницаемым внутренним цилиндрами [1], а также влияние конструкции бункера ротационного фильтра на процесс очистки [2,3,4,5]. Стоит упомянуть работу о проведением экспериментов связанных с исследованием эффективности очистки рабочих жидкостей ротационным фильтром с вращающимся дискретно перфорированным фильтроэлементом [6].
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы.
Подытоживая обзор нужно подчеркнуть не указанную в одном источнике проблему движения частиц примеси у поверхности дискретно перфори-
рованного фильтроэлемента с учетом размеров частиц и отверстий в нем. Без исследования этого вопроса нельзя обеспечить эффективную работу фильтра в полнопоточном режиме. В такой постановке важно рассмотреть поведение частиц примеси возле отверстий фильтрующей перегородки в зависимости от режима течения жидкости.
Цель статьи.
Цель данной работы провести численное моделирование движения жидкости и механических частиц примеси в рабочей области ротационного фильтра, а именно у поверхности фильтроэлемента, конструкция которого содержит цилиндрические отверстия. В центре внимания находится вопрос возможности осуществления эффекта гидродинамической очистки [7] для данной конструкции филь-троэлемента и определения режимов течения при которых этот эффект возможен.
Изложение основного материала.
Рисунок 1 - Расчетная схема: Гг - неподвижная стенка, Г и - вращающийся фильтроэлемент, Г2 - выход в бункер, Г2.г - выход фильтрата, Г3 - вход, Г4 -периодическая граница
Для проведения численного моделирования разработана расчетная схема полнопоточного гидродинамического фильтра (рис.1) в трехмерной постановке. На ней изображен сегмент внутреннего вращающегося цилиндр радиусом Я2 с перфориро-
Г1:УГ=У1ф = УЖ =0; Ги:Уг=К = 0,
Г :Г=Г=Г=0;
ванной поверхностью, внешний неподвижной корпус с радиусом Л1, обозначен также бункер для сбора осадка с простой геометрической формой (цилиндрической). Определены граничные условия:
^=П-г
Я
Г, : V =-и -ПЯ—, V = 0;
2.1 г о Ф
Я
Г : V ^
3 • г г у Ф
0, V7
е
П(Я2 -я?)
(1)
Ти = 5%, Ц = 10
Г4 : V(r,%) = V(r,% +
Vv(r,%) = V^^
Г/(Г^Гзu^): V = 0, V,= о к(r,^) = к
^(r ,^о)= o)(r ,ф +Аф),
где У г, VУф - радиальная, осевая та окружная швидшсть р1дини, Ти -интенсивность турбулентности, - относительная динамическая вязкость, Q - объемный расход жидкости, ^ - угловая скорость вращения фильтроэлемента ротационного фильтра.
Численное моделирование движения несущей жидкости базируется на полных уравнениях Рейно-
льдса осредненного турбулентного течения несжимаемой жидкости (2) во вращающейся цилиндрической системе координат (Г2) с добавлением усредненного уравнения неразрывности (3) и применением модели турбулентности SST к-ю:
д(рУ )
dt
+ V • (pUY) = -Vp + УГе - р(П x V),
V-(pV) = 0.
(2)
(3)
При этом обоснованы все основные схемные подходы и способы аппроксимации всех членов в решаемых уравнениях. Подробнее о постановке задачи можно узнать из источника [7].
Моделирование проводилось в диапазоне чи-
М00 < Re„ < 220,
сел
Рейнольдса
5600 < Яег < 15500, где критерии физического подобия Яе и определяются как:
Re =
б
2жЩ0У
Re = . (4)
полей скорости и давления применена усовершенствованная процедура SIMPLEC. Решение систем линейных уравнений выполнялось итерационным методом Гаусса-Зейделя. Для контроля сходимости применено технику нижней релаксации.
На основе полей давления и скорости жидкости моделировалось движение частиц примеси. Для этого применена модель «пассивной примеси» [7], в которой перемещение частицы в Лагранже-вой постановке определяется дифференциальным уравнением
где /0 - длина фильтроэлемента, v - кинематическая вязкость жидкости.
Один из самых результативных путей, который позволяет выполнить дискретизацию начальных уравнений в задачах о движении жидкой фазы с помощью интегрирования систем дифференциальных уравнений в частных производных, является метод конечных объемов. На основе метода конечных объемов применяются аппроксима-ционные схемы высокого порядка точности с контролем монотонности для предотвращения нефизических осцилляций. В частности, конвективные слагаемые в уравнениях переноса представлены с помощью модифицированной противопоточной схемы QUICK (Леонарда). Аппроксимацию диффузных слагаемых осуществлено на основе центрально-разностной схемы 2-го порядка. Дискретизацию по времени выполнено с применением неявной схемы 2-го порядка с явным трактовкой исходных членов. Для согласованной коррекции
du p dt
(pp-p)
Pp
g + F
(5)
где ир - скорость движения частицы в проекциях ирг, ирг, иРф,; рр, р - плотность частицы и жидкости; § - ускорение силы тяжести; ^ - суммарные силы межфазного взаимодействия, куда входят силы обусловленные градиентом давления, нестационарным обтеканием частицы и лобовым сопротивлением.
Рассматривая эволюцию течения жидкости в зависимости от изменения параметров Reф и Rer (рис. 2) следует отметить уменьшение просвета, через который могла бы пройти частица примеси в фильтрат. Это происходит за счет увеличения угловой скорости, которая вызывает перекрытие отверстия набегающим течением.
Ие. =102 Яе. =129 Яе, =161 Яе, =192 Яе, = 220
Ие^, = 5700 К.е0 = 7750 ^ =10340 Яе. =13030 Кв. =15500
Рисунок 2 - Распределение скоростей жидкости у отверстия вращающегося дискретно перфорированного цилиндра при различных режимах течения
v
Рассматривая рис. 3 особенно интересуют причины прохождения частиц в первые отверстия от входного сечения. Анализируя величину радиальной и тангенциальной скорости вдоль отверстий
дискретно перфорированного фильтроэлемента (рис. 4) следует отметить, что наибольшие значения радиальной скорости, и наименьшие значения тангенциальной скорости
Рис. 3 - Траектории движения частиц примеси антрацита размером 100 мкм у поверхности вращающегося проницаемого цилиндра в трехмерной постановке для режима течения Яег =102,
Яеф=5700
наблюдаются в отверстиях близлежащих ко входному сечения по сравнению с отверстиями в центре и в конце проницаемой перегородки относительно входа. Также на рисунке 3 можно увидеть наличие буферной зоны у дискретно перфориро-
2.0СЮ-01 0.00а+00 -
■г.оое-Р1 -
-6.00 е-01
-елов-01
10 Ьое-01 -12-006-01
ванной поверхности. Ниже этой зоны частицы примеси не опускаются. Присутствие такого эффекта связана с уравновешенностью сил действующих на частицы примеси.
2 2СС+00 : ОСЕ+ии 1 0Ое+ОО 1 6СЦ-Ю0 1 40е+00
1 гие-нОО 1 оов-юо
6 00е-01 {.00е-01 4.003-01 ?.00в-01
-0.0009 -0.0000 -0.0007 -0.0006 -0.0005
-0.0007 -0.0006 -0.0005
Рисунок 4 - Распределение радиальной и тангенциальной скорости вдоль отверстий расположенных относительно входного сечения (1-й, 6-й, 13-й отверстие) в дискретном перфорированной
фильтроэлементе для режима течения Кег=102, Яеф=5700
Исследуемые точки охватывали только зону устойчивости и не задевали зону неустойчивости, где возможно образованием вторичных вихревых включений.
На основе представленных данных полей скоростей у отверстия и в нем можно получить более определенную оценку эффективности гидродинамической очистки жидкости, исследуя траектории
движения частиц вблизи поверхности фильтроэле-мента. При этом в первом приближении можно пренебречь скольжением фаз, считая, что частицы движутся вдоль линий тока несущей жидкости. Из анализа движения примесей диаметром 100 мкм, в 5 раз меньше диаметра отверстий в фильтроэлементе (Рис. 5), рассматриваются именно те частицы, которые оказались у поверхности фильтроэлемента и проходят над отверстиями вдоль их диаметра.
Рисунок 5 - Траектории движения частиц диаметром 100 мкм над отверстиями дискретно
перфорированной перегородки
На рисунке 5 изображены линии тока, проходящих через центры частиц, которые касаются поверхности дискретно перфорированного цилиндра в одной из возможных точек и могут быть захвачены потоком в отверстие перегородки.
Анализ представленных данных показывает, что для дискретно перфорированного цилиндра уже при относительно невысоких угловых скоростях исключается попадание в проходные отверстия частиц, размер которых в 5 раз меньше размера этих отверстий, за счет передачи им больших значений касательной составляющей скорости.
Выводы и предложения.
Движение механических частиц примеси в жидкости у поверхности дискретно перфорированного цилиндра является сложным многофакторным процессом. Однако использование современных апробированных подходов и средств вычислительной гидродинамики с учетом допущений принятых на основе модели "пассивной примеси" позволяют максимально приближенно описать этот процесс.
На основе полученных данных можно сделать вывод, что на поверхности дискретно перфорированного фильтроэлемента возможно возникновение гидродинамического эффекта очистки уже при достаточно малых вращательных числах Рейно-льдса. Также показано наличие "буферной зоны", которая не позволяет частицам примеси взаимодействовать с поверхностью фильтроелемента, что положительно влияет на эффективность очистки. Неравномерность распределения жидкости вдоль фи-льтроэлемента положительно сказывается на прохождении частиц в фильтрат в отверстиях расположенных возле входного сечения, где условия для гидродинамической очистки не выполняются. Увеличение угловой скорости вращения филь-троэлемента благоприятно сказывается на эффективности очистки вследствие перекрытия набегающим потоком отверстий цилиндра.
В данной постановке были рассмотрены режимы устойчивого течения жидкости, когда у пове-
рхности фильтроэлемента наблюдается установившееся ламинарное течение, и не охватывались режимы неустойчивости с образование вторичных вихревых включений. В дальнейшем целесообразно рассмотреть влияние вторичных включении на эффективность фильтрации жидкости с помощью ротационного фильтра с дискретно перфорированным вращающимся цилиндром и бункером для осадка.
Список литературы:
1. Mochalin, Ievgen V., and Artem A. Khalatov. "Centrifugal instability and turbulence development in Taylor-Couette flow with forced radial throughflow of high intensity." Physics of Fluids 27.9 (2015): 4102.
2. Мочалш £.В., Браженко В.М. Аналiз руху твердих завислих часток у ротацшному фiльтрi очищения рщин з накопичувальним бункером / Промислова пдравлжа i пневматика. - 2015. - № 1 - С. 3- 9.
3. Мочалш £.В., Браженко В.М. Вплив конс-трукци бункера у повнопотоковому гщродинамч-ному фщк^ на рух частинок домшок / Промислова пдравлжа i пневматика. - 2015. - № 4 - С. 1520.
4. Мочалин Е.В. Браженко В.Н. Влияние вихрей Экмана на гидродинамику несущей жидкости в полнопоточном гидродинамическом фильтре с бункером / Молода наука. Технолопя машинобуду-вання: зб. Наук. Праць. - Краматорськ: ДДМА, 2016. - №1 - С. 50-53
5. Мочалин Е.В. Браженко В.Н. Эффективность оседания частиц в полнопоточном гидродинамическом фильтре при изменении размера бункера / Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal). - 2016. - Том 10. Випуск № 2 - С. 91- 99.
6. Ievgen Mochalin, Vladimir Brazhenko, Olesia Yashchuk An experimental research of the efficiency of a fluid mechanical cleaning by a rotary filter / Proceed-
ings of the 20th Conference for Lithuania Junior Researchers "Science - Future of Lithuania". - Vilnius, Lithuania, 12-13 May 2017. - p. 43-46.
7. Мочалин, Е.В. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил / Е.В.
Мочалин, А.А. Халатов.- Киев: Ин-т техн. теплофизики НАН Украины, 2010.- Т.8: Гидродинамика закрученного потока в ротационных фильтрах.-428 с.
Лопатин В.Ю, Еремеева Ж.В, Панов В.С., Мякишева Л.В., Воротыло С., Ковалев А.Ю, Морозова Е.В.,
ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРА И СВОЙСТВ ЗАГОТОВОК ИЗ МЕХАНОСИНТЕЗИРОВАННОГО ПОРОШКА ТИТАНАТА ДИСПРОЗИЯ
Лопатин В.Ю. - к.т.н, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ « МИСиС» (Ленинский проспект, д.4, 119991, г. Москва. Т.: (495)638-44-09) Специалист в области порошковой металлургии.
Еремеева Ж.В. - докт. техн. наук, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ «МИСиС» (Ленинский проспект, д.4, 119991, г. Москва. Т.: (495)638-44-09.). Специалист в области механохимического синтеза и порошковой металлургии.
Панов В.С. - профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ « МИСиС» (Ленинский проспект, д.4, 119991, г. Москва. Т.: (495)638-44-09). Специалист в области механо-химического синтеза.
Мякишева Л.В. - инженер кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ « МИСиС» (Ленинский проспект, д.4, 119991, г. Москва. Т.: (495)638-44-09). Специалист в области механо-химического синтеза.
Воротыло Степан - инженер, аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ « МИСиС» (Ленинский проспект, д.4, 119991, г. Москва. Т.: (495)638-44-09). Специалист в области механохимического синтеза и порошковой металлургии.
Ковалев А.Ю - к.т.н, заведующий лабораторией рентгено-структурных исследований Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН. Тел. (49652) 46210. Специалист в области рентгеноструктурного фазового анализа.
Морозова Е.В. - аспирант кафедры «Металлургия» Московского государственного политехнического университета «Московский политех» (ул.Б.Семеновская, д.38 107023 г.Москва)
Целью данной работы было получение и исследование однофазных кристаллических нанопорошков титаната дипрозия Dy2TiO5 и спеченных образцов на их основе.
Нанопорошки кристаллического титаната диспрозия были получены методом механохимического синтеза с использованием анатаза и оксида диспрозия в качестве исходных реагентов. Продолжительность механохимической обработки составляла 180 мин. Кристаллическая структура механохимически синтезированного Dy2TiO5 соответствует высокотемпературной кубической модификации. Размеры частиц механохимически синтезированного титаната диспрозия составляли 20-30 нм.
Исследованы свойства полученных нанопорошков и консолидированных из них объемных образцов. Для сравнения использовались промышленные порошки Dy2TiO5, получаемые сплавлением оксидов.
Обнаружен распад фазы Dy2TiO5 и образование метастабильной фазы DyTiO3 при спекании механо-синтезирвоанных нанопорошков, что противоречит классической фазовой диаграмме Dy2O3-TiO2. В случае спекания промышленных порошков Dy2TiO5 подобный распад не наблюдался.
Ключевые слова: механохимический синтез, нанопрошки, титанат диспрозия
MECHANOCHEMICAL SYNTHESIS AND INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF DY2TIO5 SINGLE-PHASE CRYSTALLIMNE NANOPOWDERS
Eremeeva Z. V, Vorotilo S., Kovalev A. Y, Gofman A.A., Lopatin V. Y
Eremeeva Z.V - full Dr.Sci., professor at the Department of powder metallurgy and functional coatings NUST MISIS (Leninsky Prospect str, 4, 119991, Moscow, T.: (495)638-44-09). Specialist in the field of mechanochem-ical synthesis and powder metallurgy.
Vorotilo S. - Ph.D. student, engineer at the Department of powder metallurgy and functional NUST MISIS (Leninsky Prospect str, 4, 119991, Moscow, T.: (495)638-44-09). Specialist in the field of mechanochemical synthesis and powder metallurgy
Lopatin V.Y. - Ph.D., assistant professor at the Department of powder metallurgy and functional NUST MISIS (Leninsky Prospect str, 4, 119991, Moscow, T.: (495)638-44-09). Specialist in the field of powder metallurgy.
