CC BY
10
Висновки. Викладено методи дослiдження noBepxHi зразка за допомогою атомно-силового мiкроскопу на основi кантедшера механiчного типу в безкон-тактному режимi. Показано, що шд час дослiдження топологií поверхнi в безкон-тактному режимi зонд не контактуе iз самим зразком, тому не руйнуе його i не спотворюе зображення. Зокрема, це може бути важливим пiд час сканування атомно-силовим мiкроскопом бiологiчних об'ектiв. Для подальших наукових роз-робок вибрано безконтактний метод дослiдження поверхнi зразка за допомогою атомно-силового мжроскопу на основi кантелiвера механiчного типу.
Лггература
1. Нанотехнологии в электронике / под ред. Ю.А. Чаплыгина. - М. : Изд-во "Техносфера". 2005. - 448 с.
2. Binnig G. Scanning tunneling microscopy / G. Binnig, Н. Rohrer // Helvetica Physica Acta. -Vol. 55(1982). - 726 p.
3. Spatz J.P. Forces affecting the substrate in resonant tapping force microscopy / J.P. Spatz, S. Sheiko, M. Moller, R.G. Winkler, P. Reineker, O. Marti // Nanotechnology. - 1995. - Vol. 6. - 44 p.
4. Luthi R. Progress in noncontact dynamic force microscopy / R. Luthi, E. Meyer, L. Howald, H. Haefke, D. Anselmetti, M. Dreier, M. Ruetschi, Т. Bonner, R.M. Overney, J. Frommer, H.-J. Gunthe-rodt // J. Vac. Sci. Technol. - 1994. - Vol. 3 В12. - 1673 p.
Иванцив Р.Д., Дупак Б.П. Методы исследования поверхности образца с помощью атомно-силового микроскопа на основе кантеливера механического типа
Изложены методы исследования поверхности образца с помощью атомно-силово-го микроскопа на основе кантеливера механического типа в бесконтактном режиме. Показано, что при исследовании топологии поверхности образца в бесконтактном режиме зонд не контактирует с самим образцом, поэтому не разрушает его и не искажает изображение. В частности, это может быть важным при сканировании атомно-силовым микроскопом биологических образцов.
Ключевые слова: атомно-силовой микроскоп, кантеливер, зонд, сканирующий зондовый микроскоп, силовая сканирующая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия.
Ivantsiv R.D., Dupak B.P. Methods of investigation sample surface using atomic force microscope based on cantilever of mechanical type
The methods of investigation sample surface using an atomic force microscope -based on cantilever of mechanical type in noncontact mode. It is shown that the study of the topology of the sample surface in noncontact mode, the probe is not in contact with the sample itself, so do not destroy it, and does not distort the image. In particular, it may be important when scanning atomic force microscope biological samples.
Keywords: atomic force microscope, cantilever, probe, scanning probe microscope, scanning force microscopy, scanning tunneling microscopy.
УДК 674:621.928.93 Acnip. Л.М. ДорундяК - НЛТУ Украти, м. Лъв1в
ВСТАНОВЛЕННЯ ВПЛИВУ НЕГЕРМЕТИЧНОСТ1 БУНКЕРА НА ЕКСПЛУАТАЦ1ЙН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИКЛОНА
Представлено огляд ведомостей про вплив негерметичност бункера на гiдравлiч-ний ошр циклона та ефектившсть процесу очищення пилопов^яного потоку в сепаратора За допомогою програмних пакейв Flow Simulation та FlowVision дослщжено
1 Наук. кергвник: проф. €.М. Лютий, д-р техн. наук
вплив притоку та вщтоку повiтря з бункера на гiдравлiчний onip апарата та аеродинамь ку процесу циклонування. Наведено результати експериментальних дoслiджень ефек-тивност процесу пoвiтpooчищення за наявнoстi негерметичност бункера.
Ключовг слова: циклон, бункер, пов^оочищення, аспipацiя.
Пiд час очищения пилопов^яного потоку в циклонi вщбуваються складнi аеродииамiчиi процеси, якi повнктю ще не дослiджеиi. У чисельних публшащях на тему циклошв описано залежшсть мiж коиструктивижми параметрами циклона та технолопчними показниками процесу пов^оочищення. Проте е питання, ят висвiтленi не достатньо й однобiчно. На нашу думку, передуем до таких питань вiдноситься вплив негерметичносп бункера на процес пов^оочищення у циклонi. Вiдомо [1, 2], що внаслiдок iнтенсивного обертан-ня повiтряного потоку в корпусi циклона статичний тиск знижуеться вiд його периферп до центру. Така ж картина спостертаеться в бункерi. На основi цього у роботi [2] доходять до висновку, що герметичнкть бункера повинна бути повнктю забезпечена не тшьки пiд час встановлення циклона на всмоктуючiй, але й на нагнiтальнiй сторонi вентилятора. Недотримання тако1 умови призводить до рiзкого зниження ефективностi процесу пиловловлення [2]. У роботах [3, 4] зазначено, що недолшами ввдомих конструкцш циклонiв е недостатнiй ступiнь очищения потоку ввд дрiбнодисперсного пилу, який рiзко знижуеться через ви-никнення явища пiдсмоктувания у мiсцi з'еднання бункера та циклона i в прис-тро1 для вивантаження вiдходiв. При швидкостi потоку повiтря на входi в циклон бшьшш за 15 м/с обов'язково порушуеться герметичнiсть бункера [4]. Пд-равлiчний опiр циклона пiдвищуеться, а ефективнкть знижуеться, що призводить до звуження сфери застосування циклошв.
У вах оглянутих публiкацiях негерметичнiсть бункера розглядають, як негативне явище, якого допускати не можна. Ми зробили спробу описати вплив негерметичностi бункера на аеродинамшу процесу циклонування та встановити залежшсть експлуатащйно1 характеристики апарата внаслщок впливу негерме-тичностi бункера.
Основш дослiджения проводили за допомогою програмних пакетiв Flow Simulation та FlowVision. Лiцензiя була надана фiрмою-розробником у рамках програми пiдтримки студентов та асшратт Дослiджували вплив негерметич-ностi бункера на аеродинамiку процесу циклонування, значення гiдравлiчного опору циклона, розподал складових швидкостi потоку повиря в апаратi. Пiд час руху всередиш корпусу циклона швидкiсть потоку повггря розбивають на три складовг осьову, тангенцiальну та радiальну. Осьова складова сприяе руху потоку та частинок пилу до дна циклона. Зменшення значення Voc приводить до шдвищення ступеня ризику забивання пиловловлювача, а пiдвищення - призводить до надто малого часу перебування частинки пилу в циклош. Тангенцiальна складова швидкосп потоку визначае значення вiдцентровоí сили, яка буде дГяти на частинку пилу. Тому шдвищення значення VmaHZ сприяе зростанню ефектив-носп процесу повiтроочищения. Радаальна складова визначае значення сили Стокса, яка протидiе руху частинки пилу до стшки апарата у випадку, коли Vpad напрямлена до ос циклона (явище радiального стоку) i сприяе руховГ частинки пилу до стшки у випадку, коли вона напрямлена до периферп.
Циклон було подшено чотирма пло-щинами (П1-П4), перпендикулярними до ош циклона, що перетинали апарат у ха-рактерних перерiзах (рис. 1), а саме: на се-рединi глибини занурення вихлопно'1 труби, на нижньому крш вихлопно'1 труби, нижче вихлопно'1 труби та в мiсцi з'еднання цилiндричноí та конiчноí частини сепаратора. Розмiри циклона були такими: дь аметр - 400 мм; дiаметр вихлопно'1 труби -220 мм; висота цилшдрично'1 частини -700 мм; висота кошчно'1 частини - 800 мм; дiаметр бункера - 600 мм; висота бункера - 450 мм; дiаметр пиловипускного патрубку - 150 мм.
Модель циклона створювалася засо-бами системи автоматизованого проекту-вання SolidWorks, а потiм iмпортована у програмний комплекс для дослщження аеродинамiки процесу повiтроочищення. Застосовували математичну модель руху рiдини, яка грунтуеться на рiвняннях Нав'е-Стокса, рiвняннях нерозривностi, дифу-зiйного переносу скалярно'1 величини, зако-нi збереження енергй та рiвняннях к-в мо-делi турбуленцп, у якiй турбулентна в'яз-кiсть а виражаеться через величини к-в таким чином [6]:
а = Сар — /а,
е
де: к - турбулентна енерпя, в - швидюсть дисипацп, а1 - турбулентна в'язюсть, р - густина.
Модель грунтуеться на таких основних рiвняннях: • рiвняння Нав'е-Стокса
ЭУ + У(У ® V ) = -— + -Р У((а + а )(УУ + (УУ )Т) + 5 УУ = 0
де джерело 5 = I 1 - I g + В + Я, а В - сили обертання, Я - сили опору;
Рис. 1. Схема циклона
Р
Р
ршняння ентальпи
ЭН + У (УН ) = - V Э/ р
1 а1 — + —-
^рГ
\ л
УН
у у
+Я-; р
piBHHH^ для визначення к та е
|+v(№ }=± V ] Vk 1+Г-(e-e)-*;
-e + V(Ve) = 1 v Э/ ! р
a+a | Ve
Se J
\ /
e + —
к
G
Ci--Cf (e-eim)
р
де £imi - початкове значення турбулентно'1 дисипацií; G = aeff -—
ЭХ -
-Vi ЭVi —-+—-
-Xi -Xi
• piB^H^ масопереносу
f+V(VC )=PPv (()VC )•
Застосовували pi3HOMaHiTHi граничнi умови. Пiд час дослiдження роботи циклона, який встановлено на нагштальнш стоpонi вентилятора, задавали швидюсть руху повiтpяного потоку у вхщному патрубку - 20 м/с, температура - 273 К; на виходi з вихлопно' труби використано тип границ "вшьний ви-хiдм• Роботу циклона на всмоктувальнш дiльницi моделювали, задаючи швид-кiсть виходу потоку з вихлопно' труби.
На рис. 2 а зображено рух повiтpяних потокiв у циклош, який встановлено на нагштальнш сторон вентилятора. Бункер - герметичний. Повггряний по-тiк поступае у пиловловлювач через вхiдний патрубок i починае обертатися у корпус апарата навколо його осi, одночасно здшснюючи опускання вниз.
Рис. 2. Рух повШряних потоюв у циклон з герметичним (а) бункером, з витоком (б), або тдсмоктуванням (в) повтря у бункер
/
У цилiндpичнiй чacтинi циклона cпocтеpiгaeмo piвнoмipнi значення швидкocтi пoвiтpянoгo потоку по6лизу зовшшньо!' cтiнки aпapaтa. У кoнiчнiй частит швидкicть потоку пocтyпoвo знижyeтьcя. Частина пoвiтpянoгo потоку пoтpaпляe у бyнкеp, де швидкicть його pyxy знижyeтьcя до 2 м/c. Потш цей по-тiк п^ймае^я, пpиeднyeтьcя до внyтpiшньoгo виxopy i чеpез виетопну тpyбy виxoдить в aтмocфеpy.
Негеpметичнicть бyнкеpa моделювали вcтaнoвлениям на ньому в^^и-того пaтpyбкa. На виxoдi з пaтpyбкa вcтaнoвлювaли гpaничнy умову piвнocтi cтaтичнoгo тиcкy aтмocфеpнoмy. Потш чеpез такий пaтpyбoк може як вxoдити у бyнкеp, так i втодити з нього. Об'ем пов^янж пoтoкiв, якi пpoxoдять чеpез пaтpyбoк, pегyлювaли за допомогою змiни його дiaметpa. Вcтaнoвленo, що не-геpметичнicть бyнкеpa може пpивoдити як до "mдcмoктyвaния" пoвiтpя з ат-мocфеpи вcеpединy бyнкеpa, так i до витжання чacтини потоку. Визначальний вплив пpи цьому мае значення статичного тюку, в бyнкеpi. Коли воно е бшь-шим за значення aтмocфеpнoгo тиcкy виникае явище витоку чacтини пoвiтpя з cепapaтopa, а якщо нижче - то явище "пiдcмoктyвaння" повгфя з aтмocфеpи у бyнкеp. Дocлiджения пpoвoдили для значень частки (kg) загально!' ^o^^m-rocri циклона, яка витiкae з бyнкеpa в aтмocфеpy, що дopiвнюe S %. Пiд чac дocлiджения пдамоктування чacткa (kn) cтaнoвилa 5 %. Pyx пoвiтpяниx пoтoкiв у o6ox випaдкax зoбpaженo на pиc. 2 б-в.
Коли ввдбувае^я витiкaння частини потоку з бyнкеpa, pyx пов^я у ньому подмяе^я на два потоки: один вводить в aтмocфеpy, а iнший ш-дiймaeтьcя у кошчну чacтинy, де пpиeднyeтьcя до внyтpiшньoгo виxopy. Таким чином, значно зменшyeтьcя об'ем пoвiтpя, яке зaxoпленo внyтpiшнíм виxopoм. Знижyeтьcя його швидккть та iнтенcивнicть oбеpтaния. Звopoтнa оттуащя виникае у випадку пдемоктування пoвiтpя з aтмocфеpи. Об'ем внyтpiшньoгo ви-xopy зpocтae як i швидккть пов^ян^ пoтoкiв на виxoдi з бyнкеpa в кoнiчнy частину. Тaкi потоки будуть зaxoплювaти дpiбнoдиcпеpcний пил, що пpизведе до зниження ефективнocтi очищення пoвiтpяниx пoтoкiв у циклон!
На pиc. З-б пpедcтaвленo гpaфiки poзпoдíлy cтaтичнoгo тиcкy, швидкосп пoвiтpянoгo потоку та ïï о^ово!', тaнгенцiaльнoï та paдiaльнoï cклaдoвиx у пло-щинax П1-П4. На гpaфiкax по oci aбcциc вiдклaденo вдатань вiд oci до точки зaмipy, а по oci opдинaт - значення ввдповщного пapaметpa. Кpивa 1 вiдoбpaжae гpaфiк змiни вiдпoвiдиoгo пapaметpa за нaявнocтi пiдcмoктyвaния пoвiтpя з ат-мocфеpи, кpивa 2 - геpметичний бyнкеp i кpивa З - за нaявнocтi витоку частини пов^я з бyнкеpa. В ycix пеpеpiзax значення cтaтичнoгo тиcкy та його ^адкот за нaявнocтi явища пдемоктування (pиc. З а-б а ^ива 1) е бiльшим, ашж в апа-paтi з геpметичним бyнкеpoм (pиc. З а-б а ^ива 2). За нaявнocтi витоку частини пов^я з бyнкеpa значення статичного тюку та його градкот у кожному з пеpе-piзiв е найнижчими (pиc. З а-б а ^ива З).
Результати ^оведенж дocлiджень cвiдчaть пpo те, що негеpметичнicть бyнкеpa не мае ошбливого впливу на швидкicть pyxy пов^янж пoтoкiв у зов-нiшньoмy виxopi (вiдcтaнь вiд oci в межax вiд 0,11 до 0,2), о^^ки piзниця мiж кpивими 1, 2 та З вдеутня (pиc. З б-б б). На далянщ зовшшнього виxopy вдаут-ня не тшьки piзниця мiж значеннями швидкocтi пов^яного потоку, а й мiж значеннями ïï тaнгенцiaльнoï, paдiaльнoï та ocьoвoï cклaдoвиx (pиc. З-б в-г).
в) Г) д)
Рис. 3. РозподЫ статичного тиску (а), швидкостi потоку повшря (б), тангенщальног (в), осьово'1 (г) та радiальноi (д) складових швидкостiу площит П1
Рис. 4. РозподЫ статичного тиску (а), швидкостi потоку повтря (б), тангенщальног (в), осьово'1 (г) та радiальноi (д) складових швидкостiу площит П2
Негерметичшсть бункера мае значний вплив на дш внутршнього потоку, який зароджуеться у котчнш частит апарата, тдсилюеться потоками, яю виходять з бункера, пщймаеться i через вихлопну трубу виходить в атмосферу. Вважаемо, що дiаметр цього вихору дорiвнюе дiаметра вихлопно'1 труби. На графжах 3-6 межам вихлопно'1 труби вiдповiдае дтянка 0-0,11. За наявноси ви-току частини повггря (рис. 3 б-6 б крива 1) з бункера швидюсть повггряного потоку у вихлопнiй трубi е нижчою, порiвняно з аналопчними швидкостями в апаратi з герметичним бункером (крива 2) та за наявносп "тдсмоктування" (крива 3). Позитивний вплив витоку частини очищеного повггря з бункера про-
являеться й при аналш складових швидкост1 повггряного потоку у вихлопн1й труб1. Значения тангенщально'* складово' швидкост1 потоку повггря, пор1вняно з апаратом з герметичним бункером (рис. 3 в-6 в крива 2), знижуеться за наяв-ност1 витоку (крива 3) та зростае за наявност1 тдсмоктування (крива 1). Анало-ичним чином змшюеться й осьова складова (рис. 3 г-6 г). Зниження значення осьово'' складово' швидкост1 потоку у вихлопнш труб1 приведе до зниження си-ли захоплення др1бнодисперсного пилу внутр1шшм вихором. Рад1альш складов1 швидкост1 повггряного потоку при р1зних негерметичностях бункера е близьки-ми (крив1 1,3 рис. 3 д-6 д).
6 2 С
Рис. 5. РозподЫ статичного тиску (а), швидкостЬ потоку повШря (б), таигешфшыип (в), осъовог (г) та радишыип (д) складових швидкоспйу площитПЗ
трот -----------------22 1-1-1-1-1-1-1-1-1
Вщстань епд ос\, м
а
Вщстань в¡д оЫ, м Вщстань вщ ос\, м
г а
Рис. 6. РозподЫ статичного тиску (а), швидкостЬ потоку повШря (б), тангенщальног (в), осьово'1 (г) та радЬальног (д) складових швидкостЬу площим П4
Зниження швидкостi потоку повiтря у вихлопнш трубi (рис. 3 б-6 б кривi 1-3), покращення характеру змши складових швидкостi потоку, одночасно зi зниженням статичного тиску та його градieнта (рис. 3 а-6 а кривi 1-3) у плоскому перерiзi циклона створюе бшьш сприятливi умови для пiдвищення ефектив-ностч процесу повироочшцення.
Негерметичнiсть бункера мае вплив на значення гiдравлiчного опору апарата. У разi витiкання частини повiтря з бункера зменшуеться об'ем повiтря внутрiшнього вихору, зни-жуеться перепад статичного тиску у плоскому перерiзi циклона. Щ факто-ри призводять до зниження значення гiдравлiчного опору циклона. На рис. 7 представлено залежшсть зна-
А п ,, . .. Часка повггря, яке виходить через бункер,
чення АР В1Д часкти (кв) загально1 _ _
Рис. 7. Залежшсть гюравлтного опору
пPодуктивностi апарата, яка витiкае циклона в1д частки пов1тря,
через негерметичнють бункера. яке виходить з бункера
Внаслщок зростання значення кв вщ 0 до 10 % гiдравлiчний опiр циклона знижуеться вщ 533 до 461 Па. Подальше збшьшення частки витоку не мае впливу на гiдравлiчний опiр апарата, а школи може навiть приводити до його пiдвищення, що може бути пояснене явищами перемшування потоюв [5]. За умови пiдсмоктування пов^ря з атмосфери маемо зворотнi наслщки. Гiдравлiч-ний опiр циклона буде зростати зi збiльшенням об,емiв засмоктаного повиря.
На рис. 8 представлено залежшсть ефективносп (п) процесу повироочи-щення вiд частки продуктивностi, яка витшае з бункера. За умови зростання значення к вщ 0 до 12 % п зростае вщ значення 94,6 % до 98,3 %. У дiапазонi значень кв е [94,6;98,3] значення п залишаеться сталим, пiсля чого починае знижуватися.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Частка повггря, яка виходить з бункера через фшьтр, %
Рис. 8. Вплив частки повШря, яка виходить в атмосферу через фтьтрувальний рукав, який встановлено на бункер1 на ефективтсть процесу повШроочищення
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 Частка шдсмоктування у бункер, %
Рис. 9. Вплив частки повШря, яка "тдсмоктуеться " з атмосфери через фтьтрувальний рукав, який встановлено на бункер1 на ефективтсть процесу повШроочищення
На рис. 9 показано залежнкть ефективностi процесу повiтроочищення вiд частки (кп) продуктивности яка "пiдсмоктуeться" з атмосфери у бункер [7]. Результати досл!джень дають пiдстави стверджувати, що пiдсмоктування пов!т-ря з бункера " тдсмоктування" повiтря з атмосфери у бункер негативно впливае на гiдравлiчний ошр апарата (вiн зростае) i на ефективнкть процесу пов!тро-очищення, яка знижуеться.
Висновки. На основi представлених результатiв вважаемо, що негерме-тичшсть бункера не завжди негативно впливае на аеродинашку процесу цикло-нування. У деревообробнiй промисловост!, де традицшно циклони встановлю-ються на нагштальнш сторон! вентилятора, вдаедення частини очищеного по-в!тря з бункера в атмосферу покращуе експлуатацшш показники пиловловлю-вача. Важливим е значения частки загально! продуктивной апарата, яка через негерметичнкть бункера виходить в атмосферу.
Лггература
1. Лютий G.M. Циклони в деревообробнш промисловост : монографш / G.M. Лютий, Л.О. Тисовський, Ю.Р. Дадак, А.В. Ляшеник. - Львш : Редакцш журналу "Украшський паачник", 2009. - 148 с.
2. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. - В 3-х т. - Калуга : МГУ, Изд-во Н. Бочкаревой, 2003. - 236 с.
3. Эрлихман С.Я. Справочник по специальным работам: наладка, регулировка и эксплуатация систем промышленной вентиляции / С.Я. Эрлихман. - М. : Госстройиздат, 1962. - 560 с.
4. Ватин Н.И. Очистка воздуха при помощи аппаратов типа циклон / Н.И. Ватин, К.И. Стрелец. - СПб., 2003. - 236 с.
5. Дорундяк Л .М. Результати дослщження ефективност процесу пиловловлення у цпклош для системи перекачування деревних вщходш / Л.М. Дорундяк // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Льв1в : РВВ НЛТУ Украши. - 2012. - Вип. 22.14. - С. 152-157.
6. [Електронний ресурс]. - Доступний з http://www.tesis.com.ru/infocenter/downloads/flow vi-sion/fv_mei_07.pdf
7. Экотехника. Защита атмосферного воздуха от выбросов пыли, аэрозолей и туманов / под ред. Л.В. Чекалова. - Ярославль : Изд-во "Русь", 2004. - С. 424.
Дорундяк Л.М. Выяснение влияния негерметичности бункера на эксплуатационные характеристики циклона
Представлен обзор сведений о влиянии негерметичности бункера на гидравлическое сопротивление циклона и эффективность процесса очистки пылевоздушного потока в сепараторе. При помощи программных пакетов Flow Simulation и FlowVision исследовано влияние притока и оттока воздуха из бункера на гидравлическое сопротивление аппарата и аэродинамику процесса циклонирования. Приведены результаты экспериментальных исследований эффективности процесса воздухоочистки при наличии негерметичности бункера.
Ключевые слова: циклон, бункер, воздухоочистка, аспирация.
Dorundyak L.M. Elucidate the influence of not leak bunker on cyclone performance
This paper describes the effect of air leakage from the bunker on the characteristics of the cyclone. We study the hydraulic resistance and efficiency of the machine. We used the software package FlowVision for analysis of aerodynamics process. The results of experimental studies of the effectiveness of the cleaning process in the presence of air leaks bunker.
Keywords: cyclone, bunker, clearing of the air, aspiration.
