автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Электромеханические устройства блокирования пылевых выбросов

На правах рукописи

Минкин Максим Сергеевич

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА БЛОКИРОВАНИЯ ПЫЛЕВЫХ ВЫБРОСОВ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005538132

Новочеркасск - 2013

005538132

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова».

Официальные оппоненты:

Бахвалов Юрий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Прикладная математика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова»

Князев Сергей Юрьевич, доктор технических наук, доцент, и. о. заведующего кафедры «Математика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и про-ектно-конструкторский институт электровозостроения (ВЭлНИИ)»

Защита состоится 29 ноября 2013 года в 10:00 в 142_ауд. Главного корпуса на заседании диссертационного совета Д212.304.08 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Автореферат разослан « 26 » октября 2013 года

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент, Володин Григорий Иосифович.

Ученый секретарь диссертационного совета

Скубиенко Сергей Витальевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность представленной диссертационной работы обусловлена тем, что проблема разработки устройств блокирования пылевых выбросов требует к себе внимания, поскольку в развитие многих отраслей производства сочетании с задачами охраны природы и рационального использования ее ресурсов часто оказываются тесно связано с проблемой подавления пылесодержащих потоков. Актуальность ее решения возрастает с повышением территориальной концентрации промышленных предприятий и увеличением их единичных мощностей.

К настоящему времени разработано, изготовлено и применяется большое количество различных устройств блокирования пылевых выбросов в атмосферу. Они отличаются по ряду параметров, однако, большинство устройств, представляют собой системы фильтрации воздуха, причем при этом в них осуществляются фильтрация посредством осаждения пылевых частиц на элементы конструкции. Данный способ очитки оказывает влияние на габариты устройства отчистки и энергопотребления на регенерационные элементы. Устройство, называемое электростатическим затвором (ЭСЗ), осуществляет бесконтактный способ блокирования мелкодисперсной фракции, в котором улавливание и осаждение пылевой фракции на элементах конструкции является не основным, а сопутствующим процессом.

Электростатический затвор - это устройство, в котором производится зарядка мелкодисперсных минеральных пылевых частиц с последующим их возвратом к источнику пыления за счет электромеханических усилий в электрическом поле затвора. Это обстоятельство позволяет применить электростатический затвор в технологиях блокирования пылевых выбросов, кроме того, это же является коренным отличием принципа работы затвора от других средств блокирования.

Область применения электростатического затвора достаточно обширна, ибо основная масса загрязняющих веществ, приходится на газообразные вещества и мелкодисперсные материалы, которые могут перемещаться на большие расстояния и накапливаться. При высоких концентрациях на поверхности земли они способны воздействовать на условия растительной и животной жизни, как в локальном, так и в глобальном масштабе.

Исследования, выполненные соискателем, соответствуют научному направлению ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (ИЛИ) имени М. И. Платова «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» и выполнена в рамках тем государственного бюджетного финансирования.

Цель диссертации: Создание средств математического и компьютерного моделирования для исследования физических процессов в активной зоне, с целью повышение эффективности работы устройств блокирования пылевых выбросов, используемых в различных технологических системах, разработка методики оценки влияния конструктивных параметров на эффективность работы данных устройств и выработка рекомендаций к конструированию данных устройств.

Для достижения цели в работе решены следующие задачи.

1. Выявлены особенности, возникающие при работе ЭСЗ в системах произ-

водства и транспортировки сыпучих материалов, а также выведения запыленного воздуха из технологических устройств.

2. Выбраны методы и средства моделирования физических процессов.

3. Разработаны математическая модель и программные средства для персонального компьютера, обеспечивающие моделирование физических процессов в ЭСЗ.

4. Разработана методика определения конструктивных параметров.

5. Выполнены исследования макетного образца ЭСЗ с целью подтверждения адекватности математической модели.

6. Проведены промышленные испытания экспериментального образца ЭСЗ с целью формирования конструкции опытно-промышленного образца для систем производства и транспортировки сыпучих материалов, а также выведения запыленного воздуха из технологических устройств.

Методы исследования. В работе использован численный метод расчета электростатического поля — метод конечных элементов (МКЭ). Для решения систем уравнений математической модели использован итерационный метод. Реализация алгоритмов компьютерной программы выполнена в среде Borland Turbo Delphi 2006 Explorer.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:

— разработанная математическая модель физических процессов, в отличие от известных, учитывает динамику набора заряда частицей мелкодисперсной фракции, а также усилия, действующие на частицу в активной зоне ЭСЗ.

— предложен алгоритм компьютерной программы, который отличается от существующих возможностью получения на выходе характеристик процессов, протекающих в активной зоне в различных типах конструкций ЭСЗ.

— разработана новая методика оценки влияния конструктивных параметров на эффективность работы устройства блокирования пылевых выбросов.

— получены несколько конструкций ЭСЗ, отличающиеся от ранее существовавших конструктивным расположением системы электродов относительно движения пылевоздушной смеси. Конструкции защищены 2 патентами РФ.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

-создан инструментарий, предназначенный для определения физических характеристик ЭСЗ при его использовании в процессах, связанных с производством и транспортировкой сыпучих материалов, а также выведением запыленного воздуха из технологических устройств;

— получены характеристики процесса зарядки частицы и нарастания усилия действующего на частицу со стороны электрического поля, в межэлектродном пространства устройства. Анализа данных зависимостей позволяет определить эффективные конструктивные параметры ЭСЗ;

— разработаны два варианта конструкций электростатических затворов (Вариант конструкции «гребенка - сетка» защищен патентом РФ на полезную модель, вариант «жалюзи - сетка» защищен патентом РФ на изобретение)

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением фундаментальных законов, описывающих физические явления и процессы, протекающие в ЭСЗ, приемлемой для данного типа устройств сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами промышленных испытаний созданных экспериментальных образ-

цов ЭСЗ. Используемые допущения не противоречат физике рассматриваемых процессов и являются общепринятыми при решении подобных задач.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем ЮРГПУ (НПИ) (г.б. 3.10, г.б. 3.12) и имею большое значение для цементной и металлургической отраслей промышленности страны. Результаты внедрены на: ОАО «Новоросцемент» (г. Новороссийск) при разработке и изготовлении ЭСЗ на посту отгрузки цемента; ОАО «ПО «НЭВЗ» (г. Новочеркасск) на разработку и изготовление ЭСЗ на выходе из дробеструйных камер сталелитейного цеха.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель физических процессов, протекающих в активной зоне ЭСЗ.

2. Алгоритм компьютерной программы позволяющий получить на выходе необходимые характеристики для различных типов конструкций ЭСЗ.

3. Методика расчета динамики зарядки и усилий, действующих со стороны электрического поля в активной зоне ЭСЗ.

4. Рекомендации по проектированию устройств блокирования пылевых выбросов «электростатический затвор».

5. Зависимости динамики зарядки частицы и усилий, действующих на частицу, от главных геометрических параметров ЭСЗ и размеров частиц мелкодисперсной фракции.

Апробация. Основные научные и технические результаты были представлены на: VIII Международная научно-практическая конференция, (Новочеркасск, 2007 г.); Межрегиональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа (Новочеркасск 2008); 57-й научно-технической конференции сотрудников, студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2008 г.); 59-й научно-технической конференции сотрудников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2010 г.); 60-й научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2011 г.); 61-й научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах. Из них две работы в журналах, рекомендованных ВАК, одного патента на полезную модель и одного патента на изобретение

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и 8 приложений. Полный объем работы составляет 144 страницы текста, иллюстрированного рисунками и таблицами на 36 страницах. Список использованной литературы включает 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены области применения устройств блокирования пылевых выбросов.

Глава 1. «Устройство и принцип действия электростатических затворов». В главе представлено описание различных типов конструкций электроста-

тического затвора, принципа действия и особенностей физических процессов, происходящих в активной части ЭСЗ. Сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Устройства с мелкодисперсной подвижной частью предназначены для блокирования пылевых потоков, которые сопровождают технологические процессы производства и транспортирования сыпучих минеральных материалов. Устройства, разработанные в рамках выполнения настоящей работы, являются новыми. Ранее задачи блокирования пылевых потоков осуществлялось, главным образом, путем аспирации с последующей очисткой воздуха в различных фильтрах. Рассматриваемые устройства блокирования пылевых потоков названы электростатическими затворами и предназначены для блокирования пылевых потоков, выходящих из различных технологических машин, путем возврата пылевых частиц к источнику пыления. Главным отличием затвора от фильтра является отсутствие элементов улавливания и удержания пылевых частиц. В электростатическом затворе пылевые частицы заряжаются во внешней области коронного разряда, тормозятся и перенаправляются назад к источнику пыления. Осаждение пылевых частиц на формообразующих электродах является второстепенным процессом, пылевые частицы во время работы затвора удаляются с формообразующих электродов с помощью обдува.

На рисунке 1 показана схема действия электростатического затвора типа «жалюзи-сетка» на пылевые частицы

В рассматриваемых устройствах мелкодисперсная частица движется в межэлектродном пространстве за счет избыточного давления воздуха, имеющего

место внутри бункера с сыпучим материалом. Тогда усилие действующее на частицу со стороны воздушной среды, определится как произведение избыточного давления воздуха внутри бункера или емкости на поперечное сечение частицы. Этому усилию противодействует комплекс сил, которые воздействуют на неё со стороны электрического поля в межэлектродном пространстве. Причем, по мере перемещения частицы к выходному отверстию ее заряд увеличивается и возрастает тормозящее усилие, в то время как усилие со стороны воздушного потока можно считать неизменным. Затвор будет считаться выполнившим свои функции, если путь, пройденный частицей до остановки, будет меньше расстояния от точки входа частицы во внешнюю область коронного разряда до выходного отверстия бункера.

Главными физическими процессами, обеспечивающими функционирование затвора, являются: 1) создание области дрейфа электрических зарядов в пространстве между коронирующим и формообразующим электродами; 2) адсорбция мелкодисперсными частицами электрических зарядов; 3) торможение заряженных частиц в электрическом поле; 4) перенаправление движения заряженных пылевых частиц. Таким образом, в рабочей зоне устройства можно выделить три области: 1) область заряда частиц; 2) область торможения; 3) область удаления частицы из рабочей зоны. Одной из основных характеристик межэлектродного пространства является величина и конфигурация области дрейфа заряженных частиц от коронирующего электрода к формообразующему. В связи с этим важным показателем является время нахождения пылевой частицы в области дрейфа заряженных частиц. Увеличение времени нахождения пылевой частицы в области дрейфа зарядов достигается рациональным выбором диаметра формообразующих электродов в зависимости от скорости движения пылевого потока, устройством различных дополнительных формообразующих электродов в виде сетки. Таким образом, главным условием функционирования электростатического затвора является эффективная конструкция межэлектродного пространства, в котором при движении пылевой частицы происходят вышеперечисленные процессы.

На основе анализа вышеописанного сформулированы задачи диссертационной работы.

1. Выявление особенностей, возникающих при работе ЭСЗ в системах производства и транспортировки сыпучих материалов, а также выведения запыленного воздуха из технологических устройств.

2. Выбор методов и средств моделирования физических процессов.

3. Разработка математической модели и программных средств, для персонального компьютера, обеспечивающих моделирование физических процессов в ЭСЗ.

4. Получение рабочих характеристик ЭСЗ.

5. Анализ физических процессов в различных типах устройств блокирования пылевых выбросов (электростатических затворах).

6. Разработка и экспериментальные исследования макетного образца ЭСЗ с целью подтверждения адекватности математической модели.

7. Разработка, реализация и промышленные испытания экспериментального образца с целью формирования конструкции опытно-промышленного образца ЭСЗ для систем производства и транспортировки сыпучих материалов, а также выведения запыленного воздуха из технологических устройств.

Глава 2. «Математическая и компьютерная модели физических процессов в электростатическом затворе». В этой главе на основе анализа физических процессов и обзора литературных данных разработана система уравнений, описывающая физические процессы в активной зоне ЭСЗ, а так же компьютерная программа, позволяющая произвести их расчет.

Главньми особенностями протекания процессов в ЭСЗ, обусловленными особенностями геометрической формы активной части, являются следующие: в электростатическом затворе мелкодисперсная частица, в отличие от электрофильтра, не осаждается на заземленном электроде, а во внешней области коронного разряда приобретает заряд и кулоновскими силами направляется к источнику пы-ления.

Обобщенная математическая модель физических процессов в устройствах блокирования пылевых выбросов разрабатывалась применительно к двумерной физической модели электростатического затвора. Система уравнений физических процессов для ЭСЗ, в общем случае с произвольной подвижной частью включает в себя следующие уравнения:

Г 52

<Р

<

д2<р

дх ду1

__ л

К =4(0 Ё,

тг —т-1

/и—= 2^

Р

Ж

<7(0 = Ч„

еп0И

Ле0 + еп0Ы'

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

V" ""иЧ" + (8)

В этой системе уравнений: (р - скалярный электрический потенциал в расчетной области, р - объемная плотность заряда, - заряд в выделенном для анализа объеме расчётной области, V - выделенный объем исследуемого

пространства, т- масса пылевой частицы, qm - предельный заряд пылевой частицы, р - давление воздуха в потоке пылевоздушной смеси, г - радиус пылевой частицы.

По этой системе необходимо сделать следующие замечания. В рассматриваемых условиях выноса мелкодисперсных частиц из ёмкости за счет перемещения их потоками воздуха сила сопротивления среды принимается равной 0. Если затвор занимает горизонтальное положение, то сила тяжести также не противодействует движению мелкодисперсной частицы.

Уравнение 3 системы записано с учётом образования объёмного заряда в расчётной области. Величина объемного заряда, образовавшегося в межэлектродном пространстве, определяется по результатам расчета заряда по формулам 7 и 8.

Аналитическое решение уравнений расчета электрического поля вышеприведенных математической модели в вышеописанных условиях затруднено, поэтому остановимся на их численном решении. Для решения полевой задачи выбран метод конечных элементов, так как он позволяет получить решение в областях со сложной конфигурацией и при условии наличия объёмного заряда. Использованы конечные элементы треугольной формы. Программные средства моделирования электрических процессов в ЭСЗ, рассматриваемых в настоящей работе, используют специально разработанную программу триангуляции расчетных областей. Исходными данными для программы являются геометрические размеры расчётной области устройств, выходными данными - координаты вершин треугольников.

Следует отметить, что использование распространенных пакетов программ численного расчета электрических полей (FEMM, MATLAB, ELCUT и др.) для расчета процессов в ЭСЗ не представляется возможным из-за необходимости проведения достаточно сложных вычислений по определению объёмной плотности заряда в межэлектродном пространстве, неопределённости границ объёмного заряда, а также неопределённости величины тока короны. Определение границ объёмного заряда внешней области короны и тока короны требует разработки специальных программных средств. В связи с этим в рамках выполнения настоящей работы были разработаны собственные программные средства для расчета электрического поля в электростатическом затворе.

В рамках выполнения настоящей работы разработан вариант компьютерной программы в среде Borland Delphi. Данная компьютерная программа позволяет получить картины распределения электрического потенциала, напряженности электрического поля в активной зоне ЭСЗ, динамику зарядки частиц и усилия, действующие на эти частицы со стороны электрического поля.

Глава 3. «Методика определения конструктивных параметров ЭСЗ».

В настоящей главе представлены результаты исследований физических процессов на примере двух вариантов конструкции электростатического затвора: «жалюзи-сетка» (рисунок 2. а), «гребенка-сетка» (рисунок 2. б).

а) б)

Рис. 2: 1 - коронирующий электрод; 2 - формообразующий электрод; 3 - источник питания;

4 - пылевоздушная смесь; 5 — чистый воздух; 6 — пыль.

Следует отметить, что при исследовании физических процессов в электростатическом затворе типа «гребенка-сетка» моделирование проводится исходя из допущения о плоскопараллельной картине поля в межэлектродном пространстве.

Для затвора типа «жалюзи-сетка», ввиду особенностей конструкции, имеет смысл рассматривать процессы исключительно в межэлектродном~окне между коронирующими электродами. ~

Исследования физических процессов в затворах выполнены при изменении:

1) расстояния между коронирующими электродами;

2) диаметра частицы мелкодисперсного вещества;

3) положения коронирующей системы относительно формообразующего электрода;

4) величины питающего напряжения от 30 кВ до 50 кВ.

В процессе работы исследовалось влияние конструктивных параметров устройства на величину приобретаемого частицей заряда и усилия, действующего со стороны электрического поля на частицу в межэлектродном пространстве, а следовательно, на эффективность работы устройства. Также было исследовано влияние размера частицы на её поведение в активной области затвора.

Зависимости величины усилия, действующего на частицу вещества вдоль линии гарантированной остановки для затвора типа «гребенка-сетка» с расстоянием между коронирующими электродами 200 мм, 150 мм, 100 мм, представлены на рис 3.

Зависимости величины усилия, действующего на пылевую частицу вещества вдоль линии гарантированной остановки для затвора типа «жалюзи-

сетка» с расстоянием между коронирующими электродами 200 мм, 175 мм, 150 мм, представлены на рис. 4.

Вид представленных на рисунках 3 и 4 зависимостей обусловлена распределением электрического поля в активной зоне ЭСЗ, форма которого обусловлена конструктивными особенностями устройств. При этом, если величина усилия, действующего на частицу со сторону электрического поля больше силы давления со стороны воздушного потока, то, можно утверждать, что частица будет заблокирована в активной зоне ЭСЗ.

На основании полученных результатов можно осуществить подбор расстояния между коронирующими электродами, произвести анализ конструкции электростатического затвора, выявить «слабые» места в конструкции, получить значение эффективности блокирования для ЭСЗ.

Уменьшение межэлектродного расстояния позволяет уменьшить величину «провала» напряженности электрического поля по оси симметрии между коронирующими электродами. Следует отметить, что уменьшение межэлектродного пространства одновременно приведёт к изменению параметров технологической системы, поэтому необходимо тщательно подбирать сочетание данных параметров.

Следующим этапом исследования физических характеристик является изучение эффективности работы электростатического затвора при различных размерах вторичной мелкодисперсной фракции, проходящей через активную зону электростатического затвора. Здесь и в дальнейшем исследования проводились по траектории движения частицы мелкодисперсной фракции, при которой частица будет в наихудших условиях для выполнения затвором своих функций. Данная траектория движения обнаружена на основании проведенного анализа поведения усилия, действующего на частицу вещества вдоль линии гарантированной остановки. В рассматриваемых конструкциях ЭСЗ эта траектория будет совпадать с линией симметрии между коронирующими электродами. Форма зависимостей представленных на рисунках 5 и 6 обусловлена динамикой приобретения заряда частицей и величиной напряженности электрического поля в ак-

О.ООЕчОО

ют 1:о 140 160 ieo :оо го :=: :ео зоо

Fqy.H РИС. 3

3.50E-0S

рис. 4

тивной зоне ЭСЗ. Усилие, действующее на частицы диаметром от 40 мкм до 160 мкм, по мере прохождения активной зоны по заранее выбранной траектории для затвора типа «гребёнка-сетка» представлена на рис. 5, для затвора типа «жалюзи-сетка» - на рис. 6. Момент расчётной остановки обозначен символом

(•).Проведя анализ полученных результатов, можно сделать вывод, что на частицу мелкодисперсной фракции воздействие со стороны электрического поля уравновешивает силу давления со стороны воздушного потока тем быстрее, чем больше ее геометрические размеры. Моделирование физических процессов в данной конструкции проводилось для питающего напряжения обратной полярности 30 кВ и расстояния между корони-рующими электродами 100 мм. Устройство будет считаться выполнившим свои функции в том случае, если частица будет остановлена до того, как покинет активную зону электростатического за-

5СВО«1 Ы -~----_ „

№ оо4 0.1« о.я твора. Для того, чтобы ча-

рис. 6 стица остановилась, на неё

должно воздействовать усилие со стороны электрического поля, превышающее величину усилия, действующего со стороны воздушного потока.

Графики, характеризующие процесс нарастания величины усилия, действующего со стороны электрического поля по мере прохождения частицей активной области электростатического затвора, в зависимости от изменения межэлектродного расстояния между коронирующими и формообразующими электродами для ЭСЗ типа «гребенка-сетка» представлены на рис 7.

Аналогичные графики для ЭСЗ типа «жалюзи-сетка» представлены на

рис 8.

Анализ полученных результатов, позволяет сделать вывод о том, что оптимальное расстояние между коронирующими и формообразующим электродами определяется на основании характеристик пылевоздушного потока.

Расстояние следует подбирать из расчета, что частица пройдет путь от входа в активную зону электростатического затвора до линии гарантированной остановки время, приблизительно равное 0,1 секунды, так как частица мелкодисперсного вещества за это время приобретет заряд около 90% от максимально возможного.

Моделирование электрического пеля поводилось для напряжения обратной полярности величиной 30 кВ, 40 кВ и 50 кВ. Моделирование

100 150 200 250 300 350 «0(3 450 500

рис. 7

за

5эе-С£ -

рис

'ПУЛ

8Е-С8 -

50 кВ

физических процессов в данных конструкциях выполнялось для величины расстояния между коронирующими электродами 100 мм, размера частицы мелкодисперсной фракции 80 мкм. Влияние величины питающего напряжения на процесс нарастания величины усилия, действующего со стороны электрического поля по мере прохождения активной зоны затвора 7Е-0В- ""типа «гребенка-сетка», пред-

ставлено на рис. 9, для затвора типа «жалюзи-сетка» -на рис. 10. Проведя анализ полученных результатов можно сделать вывод, что на частицу мелкодисперсной фракции воздействие со стороны электрического поля ьс оказывается тем больше, чем выше величина питающего

рис. 9

Рчу-Н

1.60Е-06

О.ООЕ+ОО

4.00Е-07

200Е-07

5.00Е-07

В.00Е-07

1.00Е-06

1.40Е-06

1.20Е-06

0,05 рис. 10

0,1

напряжения. Однако увеличение величины питающего напряжения приводит к возрастанию массогабарит-ных параметров электростатического затвора и стоимости элементов устройства блокирования пылевых выбросов.

Полученные результаты моделирования электрического поля позволили сформулировать рекомендации по конструированию электростатических затворов:

1) наилучшие результаты по величине и характеру изменения продольной составляющей напряженности электрического поля получаются в случае, когда точки острия коронирующего электрода и точки пересечения перпендикуляров из острия к поверхности формообразующего электрода лежат в вершинах равностороннего треугольника;

2) на частицу мелкодисперсной фракции воздействие со стороны электрического поля уравновешивает силу давления со стороны воздушного потока тем быстрее, чем больше геометрические размеры частицы;

3) наличие дополнительного формообразующего электрода на входе в межэлектродное пространство приводит к увеличению времени прохождения пылевыми частицами внешней области короны, что увеличивает заряд, приобретаемый частицей;

4) уменьшение межэлектродного расстояния позволяет снизить величину «провала» напряженности электрического поля по оси симметрии между ко-ронирующими электродами;

5) оптимальное расстояние между коронирующими и формообразующими электродами следует подбирать из расчета, что частица пройдет путь от входа в активную зону электростатического затвора до линии гарантированной остановки за время приблизительно равное 0,1 секунды.

Результаты исследований использовались при разработке затворов для конкретных условий работы.

Глава 4. «Экспериментальные исследования и апробация электростатических затворов в производственных условиях». В главе приведены результаты исследования эффективности устройств с мелкодисперсной подвижной частью.

Экспериментальные исследования различных конструкций затворов производились как в лабораторных условиях, так и условиях производства. На основании результатов математического моделирования были разработаны образцы промышленных установок ЭСЗ.

Для оценки эксплуатационных свойств ЭСЗ, разработке содержания и объема операций по техническому обслуживанию необходимо иметь информацию об эксплуатационных характеристиках ЭСЗ.

Важнейшей эксплуатационной характеристикой ЭСЗ являются зависимость эффективности от скорости потока в активной зоне. Эффективность ЭСЗ обуславливается количеством пылевой фракции блокированной устройством в сравнении с общим числом частиц попадающих в активную зону затвора.

Результаты расчетов сведены в табл. 1. __табл. 1

Скорость потока, м/с 0,5 1 1,5 2

Эффективность, % 100 99 66 49,5

Рис. 11.

Апробация конструкций ЭСЗ в производственных условиях успешно проводилась ОАО «Новороссцемент», ОАО «ПК «НЭВЗ». На ОАО «Ново-россцемент» сданы в эксплуатацию два затвора для подавления пыления при загрузке бункеров-накопителей клинкера и затвор для подавления пыления из бункера-разгрузителя на посту загрузки автоцементовозов. В условиях ООО «ПК «НЭВЗ» пущены в эксплуатацию электростатические затворы на двух дробеструйных камерах сталелитейного цеха. Получено снижение значения пылевого выброса с 8 ПДВ (предельно допустимый выброс) до 1,06 ПДВ. На конструкции электрических затворов, разработанные в рамках выполнения настоящей работы, получены один патент на изобретение и один патент на полезную модель.

— 9

рис. 12 приведена схема экспериментальных исследований затвора на посту погрузки шлаковой пыли на предприятии ОАО «Новороссцемент»: 1 - датчик скорости потока; 2- датчик концентрации пыли; 3 - выхлопной патрубок; 4 - бункер; 5 - шкаф на выхлопном отверстии бункера; 6 -затвор; 7 — засыпная труба; 8 — сырьё; 9 — пылевоздушная смесь; 10 — погрузочная головка.

Загрязненный воздух *

СЫИЩвЙМЫЙ воздух

рис. 13: технологическая схема блокирования пылевых выбросов из сталелитейного цеха ООО «ПК НЭВЗ»: 1 - дробеструйная камера; 2 — воздухопровод; 3 - циклон; 4 — устройство блокирования пылевых выбросов; 5 — пылесборочный бункер; 6 — вентилятор отсоса пылевоздушной смеси из

дробеструйной камеры.

На рис. 14 приведено фото затвора типа «гребенка - сетка» (а), изготовленного для блокирования пылевых потоков на посту погрузки цемента ОАО «Новоросцемент»; «жалюзи — сетка» (б), изготовленный по заказу ОАО «Ново-росцемент» и ОАО «ПК «НЭВЗ».

На выхлопных отверстиях бункеров-накопителей клинкера установлены и сданы в промышленную эксплуатацию_затворы типа «гребенка-

сетка».

Экспериментальные исследования, проведенные в производственных условиях, показали достаточную адекватность математических и компьютерных моделей, применявшихся в процессе разработки конструкции затворов. Расхождение значения эффективности работы ЭСЗ теоретических и экспериментальных составило не более 5%.

В условиях АО «Новороссцемент» заполнение бункеров-накопителей клинкером производилось с пневмотранспортной системы. При этом из бункера вытесняется воздух, который выпускается через выхлопное отверстие. Вместе с воздухом в атмосферу уходят и пылевые потоки. Для снижения количества пылевых выбросов на крыше бункера устанавливаются либо напорные рукавные фильтры, либо рукавные фильтры с вытяжными вентиляторами. Но эти системы не спасают от пылевых выбросов и, кроме того, являются весьма дорогостоящими и энергоемкими.

Кроме того, напорные фильтры работают только при избыточном давлении внутри бункера, что является причиной пыления через другие отверстия (например, загрузочные) и неплотности конструкции. Немаловажным является наличие безвозвратных потерь сырья через ткани фильтров. В процессе выполнения настоящей работы разработаны, изготовлены и испы-

а)

б)

Рис. 14.

таны в производственных и лабораторных условиях более двадцати вариантов конструкций затворов.

Заключение

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:

1. Предложены два варианта конструкций электромеханических устройств блокирования пылевых выбросов. Показано, что функциональные возможности предложенных вариантов устройств превосходят известные аналоги и обеспечивают высокую эффективность подавления пылевых потоков при значительно сниженных энергозатратах, что приводит, к экономии ценного материала и повышение эффективности транспортировки сырья внутри технологической системы.

2. На основе анализа протекания физических процессов определен состав и форма уравнений для математической модели ЭСЗ позволяющей, в отличии от ранее представленных моделей, оценить характер протекающих процессов заряда частицы и нарастания усилия со стороны электрического поля в активной части устройства.

3.Впервые разработаны средства компьютерного моделирования физических процессов в электростатических затворах. Использование данных средств обеспечивает степень подавления потока пылевой фракции не менее 90%.

4. С помощью разработанной компьютерной модели, получены зависимости, динамики зарядки частицы и усилий, действующих на частицу, от главных геометрических параметров электромеханических устройств блокирования пылевых выбросов и размеров частиц мелкодисперсной фракции. Подбор эффективных геометрических параметров позволяет снизить габариты устройствами блокирования пылевых выбросов в 3—4 раза и снизить потребление энергии в 5 раз.

5.Сформулирована методика конструирования электростатических затворов, обеспечивающая повышение эффективности их работы. Параметр, называемый эффективностью ЭСЗ, показывает количество пылевой фракции, блокированной устройством, в сравнении с общим числом частиц попадающих в активную зону затвора, что для данных устройств является основным критерием работы.

6.Высокая степень эффективности подавления пылевых потоков позволяет использовать данные устройства в промышленном масштабе. В процессе опытной эксплуатации электромеханических устройств блокирования пылевых выбросов определены варианты конструкции с наиболее высокими параметрами, которые защищены одним патентом РФ на изобретение и одним патентом РФ на полезную модель. Результаты диссертационной работы внедрены в опытно-промышленную эксплуатацию в условиях ОАО «Новоросце-мент» и ОАО «ПК «НЭВЗ»».

Перечень опубликованных работ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Электростатичесий затвор в технологии блокирования пылевых выбросов / М.С. Минкин // Изв. вузов. Электромеханика - 2010. - № 5. - С. 61-65.

2. Исследование влияния конструктивных параметров электростатического затвора на физические процессы в активной части / М.С. Минкин, В.Г. Володин // Изв. вузов. Электромеханика - 2013. - № 5. - С. 33-40.

Патент РФ на изобретение.

3. Устройство блокирования пылевых выбросов / Володин Г.И.; Надто-ка В.И., Надтока И.И., Хлудеев В.И., Сидоренко П.Ф., Бреславец В.П., Бахвалов А.Ю., Минкин М.С.; ГОУ ВПО Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НИИ). -2012.

Патент РФ на полезную модель.

4. Устройство защиты технологических объектов от пыли / Володин Г.И.; Надтока В.И., Надтока И.И., Бреславец В.П., Нис Я.З., Сидоренко П.Ф., Минкин М.С.; ООО НЛП "Внико". - 2011. -

Публикации в других изданиях.

5. Исследование эффективности электростатического затвора / В.В. Колосов, М.С. Минкин, И.В. Новохацкий // Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы : материалы VIII Междунар. науч,-практ. конф., г. Новочеркасск, 19 окт. 2007 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НИИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2007. - С. 43-46.

6. Электростатический затвор - фильтр. Электростатический двигатель / Д.С. Ревва, М.С. Минкин, И.В. Новохацкий // Студенческая научная весна - 2007 : сб. науч. тр. асп. и студ. ЮРГТУ (НИИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2007. - С. 238 - 240.

7. Электростатический затвор / Е.А. Климов, В.В. Колосов, М.С. Минкин, И.В. Новохацкий // Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы : материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 19 окт. 2007 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2007. - С. 46-54.

8. Разработка экспериментальных макетов устройств блокирования пылевых выбросов из технологических машин / М.С. Минкин, В.В. Колосов, В.Е. Сапрыкин // Студенческая научная весна - 2008 : материалы Межрегион. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЛИК, 2008. - С. 403-404.

Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в: предложенной методике оценки влияния конструктивных параметров на физические процессы в активной зоне ЭСЗ, а также получении зависимостей нарастания усилий, по средствам компьютерного моделирования (2); проведении и экспериментальных исследований и обработке данных (6); математического моделирования процессов в активной зоне электростатического затвора (5,7), постановке задач исследований (8).

Минкин Максим Сергеевич

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА БЛОКИРОВАНИЯ ПЫЛЕВЫХ ВЫБРОСОВ

Автореферат

Подписано в печать 11.10.2013 Формат 60x84 '/)<;. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ № 46-1116.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru