автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса энергосберегающего высокоэффективного центробежного пылеулавливания в пищевой промышленности

На правах рукописи

КАРГАШИЛОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ( НА ПРИМЕРЕ МУКОМОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА)

Специальность: 05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

2 8 НОЯ 2т

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540704

Воронеж 2013

005540704

Работа выполнена на кафедре инженерной экологии и техногенной безопасности ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Гаврнлснков Александр Михайлович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологии»)

Официальные оппоненты Заслуженный деятель науки РФ, доктор

технических наук, профессор Полосин Иван Иванович (ФГБОУ ВГЮ «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»), заведующий кафедрой отопления и вентиляции

Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Тарасснко Александр Павлович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет»), профессор кафедры сельскохозяйственные машины

Ведущая организация

ЗАО институт "ЦЧР Агропромпроект", г. Воронеж

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 11 на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, пр. Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации https://valc2.ed.gov.ru и ВГУИТ http://www.vsuet.ru 18 ноября 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «18» ноября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора/ /

наук Д.212.035.01, д.т.н., профессор \ Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Практически на каждом предприятии пищевой промышленности используются циклоны-пылеуловители, однако они недостаточно эффективны, так как в основном улавливают пыль размером более 10 мкм, поэтому возникает необходимость установки второй ступени очистки, что удорожает систему и ведет к росту энергозатрат на обеспыливания.

Несмотря на то, что циклоны имеют достаточно простую конструкцию, в них происходят сложные аэродинамические процессы, которые изучены недостаточно. Существующие теоретические методы расчета не дают исчерпывающего объяснения на вопросы рационального с точки зрения аэродинамики проектирования циклонов и определения оптимальных параметров работы. Поэтому дальнейшее развития теории циклонирования и совершенствование конструкции циклонов актуальны и в настоящее время.

Значительный вклад в теоретические исследования в данной области был внесен такими отечественными и зарубежными учеными как А.И. Пирумов, В. Страус, Г.Ю. Степанов, АЛО. Вальберг, И.И. Полосин, С.А. Воловик, М.И. Шиляев, Н.И. Ватин, Ван Тонгерен.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры инженерной экологии и техногенной безопасности «Исследование и разработка природоохранных процессов, утилизации отходов нефтехимических и пищевых производств, обеспечение экологической и техногенной безопасности» (коды ГРНТИ: 87.35.91) на 2011-2015 гг.

Для проведения исследований было выбрано мукомольное производство, занимающее особое место в пищевой промышленности, так как его объекты (мельницы, элеваторы и т.п.) находятся практически в каждом населенном пункте и негативно влияют на экологическую обстановку.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышения эффективности и снижения удельной энергоемкости центробежного пылеулавливания путем дальнейшего развития теории процесса, модернизации конструкции аппарата и совершенствование режимов его работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

-анализ существующих циклонов с целью выявления перспективных направлений повышения эффективности очистки и энергосбережения;

-создание математических моделей, описывающих движение частиц пыли в циклонах с учетом возможности их повторного уноса;

— совершенствование конструкции циклона на основе разработанной математической модели;

-разработка методики экспериментальных исследований процесса, создание экспериментальной установки;

— экспериментальное исследование процесса циклонирования с целью проверки адекватности полученных математических моделей и определения зависимостей эффективности и общего перепада давлений в циклоне от наиболее значимых параметров процесса (скорость потока, концентрация пыли, дисперсность пыли, конструктивные параметры циклона);

-выбор и обоснование эффективного режима функционирования циклона;

-разработка методики расчета конической вставки для усовершенствования существующих циклонов;

-промышленная апробация предложенной инновационной конструкции циклона и режимов его работы;

-определение экономического эффекта от внедрения инновационной конструкции циклона в промышленность.

Методы исследования и достоверность результатов. Методы исследования основаны на использовании математического моделирования, физического эксперимента и математической статистики.

Достоверность результатов обеспечивается совместным использованием классических закономерностей механики аэрозолей, теории инерционного пылеулавливания и аэродинамики двухфазных потоков в циклонных аппаратах, которые в сочетании со статистическими методами обработки экспериментальных данных обеспечили получение устойчиво воспроизводимых результатов. При проведении экспериментов в лабораторных и производственных условиях использованы апробированные методики НИИОГАЗ, ГИНЦВЕТМЕТ и НИФХИ им. Л. Я. Карпова. При этом максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 16% с доверительной вероятностью 0.95.

Научная новизна состоит в следующем:

- Установлены теоретически и экспериментально подтверждены основные закономерности движения частиц пыли в циклоне.

- Получены математические модели движения частицы пыли по внутренней поверхности стенки цилиндрической и конической частей циклона с учетом наиболее значимых сил, в том числе подъемной силы, обусловленной эффектом Магнуса. На этой основе выведены уравнения для расчета основных параметров циклона и конической вставки (половина угла при вершине конуса, размеры щелевых улавливающих отверстий).

- Экспериментально определена область параметров, оптимальных для проведения процесса центробежного осаждения в модернизированных циклонах (с конической вставкой): входная скорость пылегазового потока, половина угла при вершине конуса вставки, размер щелевых улавливающих отверстий.

- Разработана конструкция циклона с конической вставкой с щелевыми улавливающими отверстиями, обеспечивающая высокую эффективность и энергосбережение процесса центробежного пылеулавливания.

- Разработана методика расчета конической вставки для модернизации циклонов, широко применяемых в производстве.

Практическая ценность работы заключается в том, что

- разработаны конструкции высокоэффективных циклонов-пылеуловителей, новизна которых подтверждена патентами №№ 2323784, 2366515, 2480294, 2496584;

- разработаны режимы работы для циклона с конической вставкой в условиях мукомольного производства, способствующие повышению эффективности работы систем аспирации. Режимы апробированы на ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и ОАО «Воронежская хлебная база»;

- определена экономическая эффективность использования циклонов с конической вставкой, показывающая целесообразность их внедрения в производство;

- разработанные циклоны приняты к внедрению в цехах ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и ОАО «Воронежская хлебная база», что подтверждено соответствующими актами предприятий;

- разработаны рекомендации по внедрению предложенных инновационных решений в типовые циклоны промышленных систем пылеулавливания.

Результаты работы используются систематически в практике высших учебных заведений: Воронежском государственном университете инженерных технологий, Воронежском институте ГПС МЧС России при выполнении НИР, КП, КР, при изложении отдельных разделов дисциплин «Защита окружающей среды», «Процессы и аппараты пищевой технологии», «Пожарная безопасность технологических процессов» и подготовке аспирантов и магистров.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на 10-ти научных конференциях: отчетных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (ХЬХ, Ь-й); II Всероссийской научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в АПК» (г. Пенза, 2007); VII Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии» (г. Пенза, 2007); I Всероссийской научно-практической Интернет-конференции с международным участием «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий ЧС» (г. Воронеж, 2011); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в АПК: теория и практика» (г.Пенза, 2013); 6-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (г. Саратов, 2013); IX Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая безопасность нашего будущего» (г. Воронеж, 2013); XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Нижний Новгород: НГТУ, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из которых 4 - в журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и

науки РФ, получено 4 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 139 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследований, рассмотрены объекты исследования, методы проведения экспериментов, научная новизна диссертации и положения, представляемые на защиту, практическая ценность и апробация полученных результатов, личный вклад соискателя в работу.

В первой главе рассмотрены особенности мукомольных производств, определены основные источники пылевыделения при проведении технологических операций, даны характеристика и свойства выделяемых пылей. Здесь же дан краткий обзор пылеулавливающих систем и основные принципы их организации и проектирования, рассмотрены конструкции циклонов различного типа, используемых в произ-

водстве, выделены наиболее перспективные направления повышения эффективности и энергосбережения при циклонировании.

В первой главе дан краткий анализ существующих математических моделей движения частицы пыли в циклоне.

Во втором главе выполнено теоретическое исследование процесса движения осажденной частицы по цилиндрической и конической поверхностям циклона и по конической поверхности вставки со щелевыми улавливающими отверстиями.

При этом приняты следующие допущения: частица пыли имеет форму шара диаметром размеры и форма частиц не изменяются; дробление и коагуляция не учитываются; частицы движутся изолированно, не взаимодействуя друг с другом; адгезионными взаимодействиями частицы со стенками циклона пренебрегаем; при определении подъемной силы учитывается вращательная составляющая движения частицы; движение воздушного потока считается установившимся; не учитываются турбулентные пульсации скорости потока; пренебрегаем силами негидродинамической природы (электростатические и др.).

В результате дифференциальное уравнение движения центра масс частицы учитывает наиболее значимые силы, в том числе подъемную силу, обусловленную эффектом Магнуса и способствующую отрыву частицы от поверхности стенки циклона:

тас=Р+Й + Т + Рс+Рп. (1)

Величина подъемной силы получена в результате интегрирования формулы

? 7 "У

Релея Г = т«}ръ\0 по диаметру (1 частицы: Гц = 0,25лръУд(1 .

В случае движения по цилиндрической поверхности уравнение (1) рассматривается в проекции на оси [/•], [<р\, [г] цилиндрической системы координат:

А' = тгф2 + щг -0,25тгр^сС1, (2)

(3)

т V тг

= = g—f- + A»,-=), (4)

т v т

A/É . i

т л

V2 .7 9

г ф + i - абсолютная скорость частицы;

VQ = tJu^ +{ll(p -ripf + ("- — скорость частицы по отношению к воздушному

потоку в цилиндрической системе координат.

При изучении движения по конической поверхности уравнение (1) записывается в проекции на оси [г], [в], [<¡o] сферической системы координат:

N = тБ'тв^+гф2 eos o)+r¡u0 -0,25np^d1, (5)

r = -gcose-f — -+—(ar -г)+гф2 sin2 в , (6)

m v m

-N Ф 77 <p=-f—-+—

í .. \

rs'md

~<P

;

~-гф, (7)

r

где

> = -Jг1 + (rcpsinef - абсолютная

скорость частицы;

Ч, = у/(иг -¿У + + (»,.-гфятву - скорость частицы по отношению к воздушному

потоку в сферической системе координат.

В результате анализа дифференциальных уравнений установлены следующие особенности движения частиц по поверхностям циклона.

Подъемная сила оказывает наибольшее влияние на реакцию поверхности N в верхней части аппарата. Эффект усиливается с уменьшением диаметра частиц с1. В широком диапазоне значений скорости потока на входе в аппарат ит безотрывное движение частиц обеспечивается для аппарата с параметрами d,JR=0,441; с/„,„,//г=0,552; 0=6,\ 8°; Як/Я=0,552 при Л< 0,075 м.

При движении по конической поверхности реакция N увеличивается для тонкодисперсных частиц и снижается для грубодисперсных. Для каждого размера частиц существует граничное значение 0*. при котором значения N в начале и конце рабочей зоны равны (рис. 1).

Для предотвращения обратного уноса предпочтительнее использование углов в диапазоне 0*<0<в**, где в** - угол, рассчитанный из условия Я*=^вых/2. Выбор в следует производить для наименьшего размера улавливаемых частиц. Для аппарата с Я=0,0725 м 6*=4,63°.

При движении по цилиндрической поверхности частица находится в состоянии близком к квазистационарному: Угол /? наклона к горизонту касательной к траектории определяется выражением

tgP = — =

rep

ij и. + т g

(В)

В случае движения по конусу угол Д длина пройденного частицей пути и время пребывания в аппарате существенно зависят не только от d, но и от и„х. Зависимость усиливается с ростом d. На рис. 2 при и„х= 14 м/с частица с d= 5 мкм совершает 6,08 оборота, а частица с d= 50 мкм - 11,01 оборота, а при и„х=20 м/с (на рисунке не показано) соответственно 6,1 и 18,2 оборота.

2 3 4 О' 5 6 о°

Рис. 1. Влияние величины угла 0 ня реакцию N

в конусе для <1 5 мкм: ГУ'„ - реакция поверхности на входе в конус; ГЧк -реакция поверхности на выходе из конуса

Комплексной характеристикой особенностей перемещения частицы по конической поверхности является диаграмма на рис. 3. Кривая 1 соответствует минимальному времени пребывания частицы в аппарате, а кривая 2 - состоянию динамического равновесия частицы.

Рис. 2. Траектории движении частиц ныли но конической поверхности (цвх=14 м/с; Г=0,36; р=1100 кг/м3)

— (1= 5 мкм;

- <1= 50 мкм;

Кривые делят диаграмму на три области: I - область малого времени пребывания частицы в конусе (оптимальная область для проведения процесса центробежного осаждения); II - область длительного времени пребывания частицы в конусе (может быть рекомендована для проведения процесса сушки); III - область обратного движения продукта (не используется в циклонах). Выбор и„у при заданных конструктивных параметрах следует проводить, ориентируясь на наиболее крупные частицы полидисперсной смеси.

С учетом специфики процесса циклонирования была поставлена и решена задача определения перемещения частицы в улавливающем щелевом отверстии. Получены дифференциальные уравнения второго порядка, определяющие перемещение частицы в пределах щели в радиальном Ьг и осевом направлении:

т1, +г/Ьг -тф2Ь. =г/иг -0,25лр,у](12, тЬ! =пщ + г/{и1 -1.). (9)

Их решения имеют вид

¿, = —-—^'(¿г|, + Х2{А - ¿,„))+ е;'2'(Д„ + -Ф - 4п))]+ Л, Л, — Л-,

I = Ь „ + — 1]н_)+—\ £-„- — (п^ + щ.ц 1-е "'

' ~ ч ' пУ' 1 "А

где Л, 2 = п ± Л/';2+4'«2^2) '(2т); А = (о,25лруУ1 - г/и, )/{тф2).

Уравнения (10) определяют абсолютное перемещение частицы. Практический интерес представляет перемещение по отношению к поверхности в направлении ее нормали. Для цилиндрической поверхности это I =Л1г=Ьг-1л, а для конической поверхности 1=АЬгс.оъ6+ эт«?.

Начальные условия при решении уравнений имеют вид: для цилиндрической поверхности: Ь,.„ = Я, ¿,о = 0' для конической поверхности: Ьг„ =ГБ1пв , ¡,г„=гь\пО , £г„ =-гсо$в. Время погружения частицы в улавливающую щель I определяется через задаваемую ширину улавливающей щели 1=Ыл'ю.

На рис. 4 представлены результаты расчета для конической вставки (Яп=0,0725 м, Як=0,04 м, Нвст=0,3 м) в виде, удобном для практического применения. Кривые построены по значениям и„х, взятым с рис. 3 для частиц размером 40 мкм и 50 мкм.

В третьей главе рассмотрены цель и методика проведения экспериментальных исследований, описана схема экспериментального стенда (рис.5).

20 30 40 50 60 (/. шм

Рис. 3. Диаграмма состояний частицы пыли на конической поверхности циклона

Рис. 4. Зависимость ширины улавливающей щели от глубины погружения частицы

Сложность движения пылегазовых потоков в циклоне не позволяет на основании выведенных математических моделей определить эффективность пылеулавливания и аэродинамическое сопротивление циклона, которые являются его важнейшими эксплуатационными показателями. ;

Для их определения, а также для проверки адекватности полученной математической модели были проведены экспериментальные исследования процесса центробежного пылеулавливания.

Стенд позволил определить такие параметры работы пылеуловителя, как скорость и температура пылегазового потока, концентрация пыли и ее дисперсный состав, а также перепад давлений в аппарате, который характеризует его аэродинамическое сопротивление, изучить траектории движения пыли внутри циклона, а также определить эффективность очистки.

Разборная конструкция циклона позволила визуально оценивать траектории движения пыли внутри циклона.

В результате проведения опытов было установлено наличие трех областей движения пыли в циклоне: первая - так называемый «большой жгут» - первое состояние, представляющее собой поток с высокой плотностью частиц, движущийся спиралевидно по внутренней стенке циклона под углом а к горизонту (рис.6); для второго состояния характерен угол р наклона траектории к горизонту (рис. 6). Третье состояние - мелкодисперсные частицы, движущиеся в закрученном воздушном потоке с высокой вероятностью захвата и уноса обратным газовым потоком в связи с низкой скоростью осаждения. Выявление трех этих областей пылегазового потока позволило оптимизировать конструкцию циклона путем создания элементов, обеспечивающих раздельное осаждение частиц каждой области их движения. Частицы второй и третьей области, попадая на вставку, формируют «малый жгут» - рис.7 , 1.

Для того, чтобы частицы «малого жгута» не были захвачены и унесены в выхлопную трубу, коническая вставка была снабжена щелевыми улавливающими отверстиями. Благодаря им «малый жгут» попадает в пространство между конической вставкой и корпусом, и частицы его являются уловленными. Проведены эксперименты, на основании которых была определена оптимальная скорость на

- экспериментальный циклон; 2- вентилятор; 3- место забора проб нмпактором; 4- емкость с пылыо; 4я - дозатор пыли;5 - термоанемометр; 6 - модуль для замера концентрации пыли; 7 - датчики замера давления; 8 - коническая вставка со щелевыми улавливающими отверстиями; 9 - улавливающие отверстия; 10 - шиберная заслонка для регулирования скорости пылегазового потока.

входе в циклон для пыли с начальной концентрацией 0,34 -1,8 г/м и дисперсностью от 5 мкм и ниже, она составила 12-20 м/с (рис.8).

В результате поэтапного усовершенствования конструкции и определения оптимальной скорости потока на входе эффективность циклона в области улавливания высокодисперсных частиц увеличилась относительно традиционного циклона.

Рис. 6. Вид треков внутри циклона при следующих параметрах пылегазовою потока: и„=12 м/с, С„=16 г/м2,

(1 т =25 мкм, <т=54.

Рис. 7. Картина треков в экспериментальном циклоне с конической вставкой: 1 - жгут на внутренней поверхности конусной вставки - «малый жгут»; 2-жгут на внутренней поверхности корпуса - «большой жгут».

Рис. 8. Вид треков в циклоне с конической вставкой при входной скорости и„=18, 13 и 10 м/с.

Для анализа основных параметров работы циклона в зависимости от геометрических размеров циклона и вставки были введены критерии-симплексы, которые представляют собой следующие безразмерные отношения. Г'= (3„/Бкж.т.)-1000, Г"=5кв„„. 5,,, где - площадь внутренней поверхности циклона, м2; где 5„( - площадь щелевых отверстий вставки, \г; Бквст. - площадь поверхности конусной вставки циклона, м~.

Путем анализа экспериментальных графических зависимостей г] ~ /(и,а) и АР =Дивх) были установлены значения Г' и Г" для ржаной и пшеничной пыли, позволяющие добиться протекания процесса с максимальной эффективностью и представленные в таблице 1.

Таблица 1

Вид пыли Критерий-симплекс Г' Критерий-симплекс Г" Половина угла при вершине конуса вставки в

Ржаная 0,079 0,59 5,7

Пшеничная 0,238 0,59 5.7

На рис. 9 представлены эмпирические зависимости г] - ((и,«) и АР =/(и«х) для циклона с конической вставкой, обычного циклона и циклона с конической вставкой, имеющей щелевые улавливающие отверстия, для ржаной пыли. Аналогичные зависимости были получены для пшеничной пыли и представлены в диссертации. Средняя начальная концентрация ржаной мучной пыли в пылегазовом

потоке на входе в циклон составляла Свх= 500 мг/м3, ¿7,,, = 20 мкм, а=0,56. При проведении процесса центробежного осаждения пыли мукомольного производства в циклоне с конической вставкой и щелевыми улавливающими отверстиями процесс будет протекать с минимальными гидравлическими потерями и достигать максимальной эффективности (до 98%) в диапазоне начальных концентраций от 350 до 1500 мг/м .

12 14 16 18

Скорость лмлаааэоооао потока, к^с

никло« с комической встаакой

обычный чиклом

циклом с комйчаской «ставкои и щиммии отверстиями

циклон с комической вставкой

в с

1'ис.9. Графическая зависимости для разных конструкции циклона для пыли ржаной: а) л =!•( 1*с); б) л =С(и,„); в) ЕиИ^е); ДР =Г(и,„)

По результатам проведения дробно факторного эксперимента были построены уравнения регрессии вида ц = /(и„,С„,Г,Г',с1т) и Д/> = /(Г, Г, и„,С„,2т).

Реплика ДФЭ составляла 2"'р

Получены уравнения для ржаной мучной пыли в кодированном виде т] = 0,78 + 0,421х, +0.036Х,- 0,141х3 + 0490х4-0,052х5 (11)

и в натуральном виде

г, = -0,093 + 0,084и„х + 0,655С„Х - 0,887Г' + 1,225Г"-4160^„, (12)

Общий перепад давлений для ржаной пыли можно выразить в кодированном виде

АР = 357 + 228х, +57х2 -25х3 + 180х4 - 78х5 (13)

в натуральном

Д/' = -2599+45.6Г' + 1036Г"-157г/к( + 4500Св — 62.4-105 (14)

Также были получены уравнения для пшеничной пыли.

В четвертой главе предложены инженерные решения по совершенствованию циклонов. На основании экспериментальных данных были внесены изменения в конструкцию циклона с конической вставкой, запатентованного автором, и представлены образцы конических вставок из нержавеющей стали для циклонов-пылеуловителей и циклонов разгрузителей.

Экспериментальные подтверждения областей движения пылегазовых потоков в циклоне позволили предложить ряд усовершенствованных конструкций циклонов, особенностью которых является разделение и осаждение спиралеобразного пылевого жгута на специальную винтовую вставку (патенты №№ 2323784, 2480294, 2496584). Некоторые циклоны помимо своей основной функции могут использоваться для утилизации теплоты нагретых очищаемых запыленных газов и разделения выделенной пыли на фракции.

Для обеспечения внедрения в производство усовершенствованной конструкции циклона с конической вставкой была разработана методика расчета ее основных конструктивных характеристик. Входными данными для расчета конической вставки являются диаметр циклона Д высота его цилиндрической части //, критерий-симплекс Г', Г".

Был проведен сравнительный технико-экономический анализ на примере аспирационных систем ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» в размольном и подготовительном отделениях, в том числе с применением усовершенствованных циклонов. В таблице 2 представлены результаты расчетов, подтверждающие энерго- и ресурсосберегающий характер аспирационных систем с применением циклонов с конической вставкой в подготовительном отделении мукомольного производства.

Таблица 2

Сравнительный технико-экономический анализ различных аспирационных систем

Статья затрат Капитальные и эксплуатационные затраты, руб.

1 - Циклон 4БЦ-350 11 - циклон 4БЦШ, рукавный фильтр III - рукавный фильтр IV - Вариант 2БЦ с вставкой

Капитальные затраты на пылеулавливающие аппараты, руб. 130 ООО (2 шт) 115 000 60 000 95 000

Капитальные затраты на вентилятор, руб. 56 025 100 400 56 025 45 000

Стоимость потребляемой электроэнергии в год, руб. 158 400 216 100 266 400 83 148

Затраты на обслуживание и замену элементов пылеуловителя, руб. 10000 30 000 30 000 10000

ИТОГО: 354 425 461 500 412 425 223 148

Экономический эффект при модернизации системы аспирации на примере подготовительного отделения ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» составляет 228 352 рублей в год при сравнении традиционной двухступенчатой системы и системы с разработанным циклоном.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Теоретически и экспериментально подтверждено существование трех состояний частиц пылегазового потока в аппаратах циклонного типа, отличающихся характером движения. Установлено влияние каждого из них на эффективность пылеулавливания.

2. Разработаны математические модели движения частицы пыли по внутренней поверхности стенки цилиндрической и конической частей циклона, учитывающие наиболее значимые силы, в том числе подъемную силу, обусловленную эффектом Магнуса. Установлено, что подъемная сила, способствуя отрыву частицы от поверхности, уменьшает эффективность осаждения в верхней части аппарата. При уменьшении размеров частиц данный эффект увеличивается. Адекватность полученных моделей подтверждена совпадением расчетных и полученных эксперементапьно значений угла Р наклона к горизонту касательной траектории движения частиц.

3. Экспериментальные данные и математические модели указывают на целесообразность разделения и осаждения потока с помощью конической вставки с улавливающими щелевыми отверстиями.

4. Определены граничные значения конструктивных и режимных параметров циклона, обеспечивающие увеличение эффективности очистки. Определен наименьший угол конической вставки, при котором частицы будут осаждаться на ее поверхности, обеспечивая повышение эффективности очистки от высокодисперсной пыли (в частности, 0*=4,63° при Я=0,0725 м). Получены уравнения для расчета ширины улавливающих щелей в зависимости от параметров частицы и пылегазового потока.

5. Увеличение эффективности улавливания мелкодисперсной пыли при использовании данной вставки подтверждено экспериментально. По результатам эксперимента построены уравнения регрессии для расчета эффективности очистки и общего перепада давления в циклоне в зависимости от скорости потока и начальной концентрации.

6. Определена область параметров, оптимальная для проведения эффективного процесса центробежного осаждения в циклоне с конической вставкой, снабженной щелевыми улавливающими отверстиями: скорость пылегазового потока на входе в аппарат - 14-20 м/с; концентрация пыли 0,34 -1,8 г/м ; дисперсность частиц 5 мкм и ниже. Выявлены оптимальные конструктивные характеристики циклона: Г'=0,079, Г"=0,59 (для ржаной пыли) и Г'=0238 Г"= 0,59 (для пшеничной). При данных параметрах эффективность очистки достигает 98% для частиц дисперсностью ниже 5 мкм, а общий перепад давлений составляет от 220 до 300 Па в интервале входной скорости и„х 14-20 м/с, что на 17 % ниже перепада давлений аналогичного циклона без конической вставки. Данный факт позволяет считать циклоны разработанной конструкции энергосберегающими.

7. Предложена методика расчета конической вставки для различных типоразмеров циклонов.

8. Проведен общий технико-экономический анализ различных вариантов пылеулавливающих систем, в том числе с использованием усовершенствованного циклона с конической вставкой, подтверждающий экономический и ресурсосберегающий эффекты от его применения.

9. Усовершенствованные конструкции циклонов и полученные для них в лабораторных условиях технологические режимы успешно апробированы и приняты к внедрению в аспирационных системах подготовительного и размольного отделений ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и элеваторного отделения ОАО «Воронежская хлебная база».

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки РФ:

1. Математическая модель движения частицы пыли у стенки циклона [Текст]/ A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, А.В.Некрасов // Безопасность в техносфере. - 2009. - № 2 - С. 35-37.

2. Математическая модель движения частицы пыли у стенки конической части циклона [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, А.В.Некрасов // Безопасность в техносфере. - 2010. - № 6 - С. 23-25.

3. Научное обоснование очистки газов в циклонах [Текст] / Д.В. Каргашилов//Вестник ВГТА — 2011. - № 1-С. 50-53.

4. Разработка циклона-пылеуловителя в мукомольном производстве [Текст] / Д.В. Каргашилов, A.M. Гавриленков, A.B. Некрасов, Е.В. Романюк // Вестник ВГУИТ - 2013. - № 3 — С. 13-17.

Патенты:

5. Патент на изобретение № 2323784 Российская Федерация, МПК В04С5/20 (2006.01). Устройство для пылеулавливания, утилизации тепла и разделения пыли на фракции [Текст]/ Гавриленков A.M., Каргашилов Д.В., Рудыка Е.А., Козин В.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ВГТА; заявл. 02.06.2007; опубл. 10.05.2008; Бюл. № 13.

6. Патент на изобретение № 2366515 Российская Федерация, МПК В04С5/12 (2006.01). Устройство для пылеулавливания [Текст]/ Гавриленков A.M., Каргашилов Д.В., Некрасов A.A., Козин В.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ВГТА; заявл. 09.07.2008; опубл. 10.09.2009; Бюл. № 25.

7. Патент на изобретение № 2480294 Российская Федерация, МПК В04С5/107 (2006.01). Устройство для пылеулавливания [Текст]/ Гавриленков A.M., Каргашилов Д.В., Некрасов A.A.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ВГТА; заявл. 17.08.2011; опубл. 27.04.2013; Бюл. № 12.

8. Патент на изобретение № 2496584 Российская Федерация, МПК В04С5/103 (2006.01). Центробежный пылеулавливатель [Текст]/ Гавриленков

A.M., Каргашилов Д.В., Некрасов A.A.; заявитель и патентообладатель Каргашилов Дмитирий Валентинович; заявл. 26.03.2012; опубл. 27.10.2013; Бюл. № 30.

Статьи в прочих научных журналах и сборниках конференций:

9. Экспериментальная установка для исследования эффективности работы циклона [Текст]/ Е.А. Рудыка, Д.В. Каргашилов, В.В. Козин// Материалы XLV отчетной научной конференции за 2006 год /Ворон.гос.технол.акад. - Воронеж. -2007.-Ч. 1.-С. 200-201.

10. Анализ путей улучшения основных показателей эффективности работы циклона и выбор рационального из них [Текст]: / Е.А. Рудыка, Д.В. Каргашилов,

B.В. Козин// Материалы XLV отчетной научной конференции за 2006 год /Ворон.гос.технол.акад. - Воронеж. - 2007. - Ч. 1. - С. 201-202.

11. Устройство для пылеулавливания и утилизации теплоты отработанного воздуха [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, А.В.Некрасов // Энергосберегающие технологии в АПК. II Всероссийская научно - практическая конференция /Сборник статей. - г. Пенза. - 2007 - С. 14-16.

12. Математическая модель движения частицы пыли по стенке циклона в потоке воздуха [Текст] / A.M. Гаврилснков, Д.В. Каргашилов, А.В.Некрасов // Сборник статей VII Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии» / Пенза. - 2007,- С. 56-57.

13. Системный анализ методов и средств совершенствования режимов работы и конструкции циклонов [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, В.В. Шумилин // Материалы V Межрегиональной научно-практической конференции 28 мая 2009 года / Воронеж. - 2009.- С. 222-225.

14. Совершенствование конструкции циклонов на основе математической модели движения частицы пыли в аппарате [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, А.В.Некрасов // Сборник материалов L Отчетной научной конференции за 2011 год / ВГУИТ. - г. Воронеж. - 2012. - С. 194-196.

15. Совершенствование системы пожарной безопасности пылеуловителей [Текст] / Д.В. Каргашнлов, А.В.Некрасов // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы: материалы III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. В 2 Ч. / ВИ ГПС МЧС России. - г. Воронеж. - 2012. -Ч. 1.-С. 52-54.

16. Способы обеспечения взрывобезопасностн оборудования с горючей пылью [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, А.В.Некрасов // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2012. - № 2. - С. 29-30.

17. Анализ основных рабочих характеристик циклона с конической вставкой [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, А.В.Некрасов, Е.В. Романюк // Инновационные технологии в АПК: теория и практика Всероссийская научно-практическая конференция. / Сборник статей. - г. Пенза. - 2013. - С.100-103.

18. Решение проблемы обратного уноса пыли в центробежных пылеулавливателях [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, A.B.Некрасов, Е.В. Романюк // Экологические проблемы промышленных городов Сборник научных трудов по материалам 6-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. / г.Саратов. — 2013. - Ч. 2. - С.46-49.

19. Решение проблем инерционного пылеулавливания и утилизации тепла, применительно к пищевой технологии [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, Е.А. Рудыка // IX Межрегиональная научно-практическая конференция «Экологическая безопасность нашего будущего». / Сборник статей. - г. Воронеж. - 2013. - С. 31-34.

20. Математическое моделирование движения частицы осажденной пыли по стенке противоточного циклона [Текст] / A.M. Гавриленков, Д.В. Каргашилов, A.B. Некрасов, Е.В. Романюк // Сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологии» : в 10 т. Т.4. Секция 4 / под общ. ред. A.A. Большакова. - Нижний Новгород: НГТУ, 2013. - С.26-28.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Г- циркуляция линейной скорости вихря на поверхности тела по контуру тела, м2/с; Г, Г" - критерии симплексы геометрического вида, характеризующие коническую вставку; С - поправка Кенингема-Милликена; ц/ - коэффициент аэродинамического сопротивления; р - плотность частиц пыли, кг/м3;0 - половины угла при вершине конуса, ц - динамическая вязкость пылегазового потока, Па с; /<? а

- среднее квадратичное отклонение в функции данного распределения; р„ - плотность пылегазового потока, кг/м3; Ст - концентрация пыли на входе в пылеуловитель, кг/м3; Си - концентрация пыли на выходе из пылеуловителя, кг/м ; О' -верхний диаметр вставки, м; £>" - нижний диаметр вставки, м; - (/-диаметр частицы, мкм; - средний медианный диаметр, мкм; /- коэффициент трения скольжения частицы по поверхности циклона; - подъемная сила, Н; т - масса частицы, кг; Ык - реакция поверхности на выходе из конуса, Н; А*,, - реакция поверхности на входе в конус, Н; АР - общий перепад давлений на циклоне, Па; Рю

- статическое давление на входном воздуховоде, Па; Рвых - статическое давление на выходном воздуховоде аппарата, Па; £> - объемный расход запыленного газа, м3/ч; <2 - расход газа через прибор, м3/с; Я - значение радиуса исследуемой точки поверхности, м; Яе - критерий Рейнольдса; Я„ - радиус цилиндрического корпуса циклона или начальный радиус конической вставки, м; - радиус выходного патрубка, м; Я„ - верхний радиус вставки, м; Як - меньший радиус вставки, м; 5 -площадь миделевого сечения частицы, м2; - площадь конусной вставки циклона, м2; Бч - внутренняя площадь циклона, м2; 6'„, - площадь щелевых отверстий вставки, м2; П - скорость воздушного потока, м/с; и«, - скорость потока на бесконечности, м/с; инх - скорость воздуха во входном патрубке, м/с; у0 - скорость частицы по отношению к воздушной среде, м/с; у - абсолютная скорость движения частицы по поверхности, м/с; У„, Ув - расход воздуха на входе в пылеуловитель и на выходе из него соответственно (приведенный к стандартным условиям по температуре и давлению)м3/с; г - высота цилиндра, м.

Подписано в печать 15.11.2013. Формат60 х 84 1/20 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 203 ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

04201453658

На правах рукописи

(Г

КАРГАШИЛОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ( НА ПРИМЕРЕ МУКОМОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА)

Специальность: 05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Гавриленков А.М.

Воронеж-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..............................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ. ЦИКЛОНЫ В СИСТЕМАХ

ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...........!.......10

1.1. Технологические особенности производства на зерноперерабатывающих предприятиях и характеристика аспирируемых пылегазовых выбросов........10

1.2. Обзор и оценка существующих систем пылеулавливания........................18

1.3. Обзор и анализ современных конструкций и режимов работы циклонов22

1.4. Системный анализ методов и средств совершенствования режимов работы и конструкции циклонов..........................................................................33

1.5. Анализ существующих математических моделей движения частицы пыли в циклоне......................................................................................................35

Выводы по первой главе и постановка цели и задач исследования.................38

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ...................................................41

2.1. Математическое моделирование движения частицы пыли по поверхности циклона...................................................................................................................41

2.1.1. Предварительные замечания. Условия и допущения при составлении моделей...................................................................................................................41

2.1.2. Модель движения частицы пыли по цилиндрической поверхности......45

2.1.3. Модель движения частицы пыли по конической поверхности..............48

2.2. Анализ математических моделей..................................................................51

2.2.1. Качественный анализ дифференциальных уравнений и условия их численного решения..............................................................................................51

2.2.2. Исследование реакции поверхности..........................................................55

2.2.3. Исследование траектории и скорости.......................................................59

2.2.4. Определение параметров щелевых улавливающих отверстий...............65

Основные выводы по второй главе......................................................................68

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ...................................................70

3.1. Конструкция и принцип работы экспериментального стенда...................70

3.2. Исследование механизмов движения частиц в циклоне............................79

3.3. Определение основных рабочих характеристик процесса.........................86

3.3.1. Определение дисперсного состава пыли..................................................86

3.3.2. Определение дисперсного состава пыли с помощью импактора...........88

3.3.3. Определение эффективности работы и общего перепада давлений в циклоне при различных геометрических характеристиках вставки................90

3.4. Построение интерполяционных зависимостей по результатами дробно факторного эксперимента для определения эффективности пылеулавливания и общего перепада давлений в циклоне............................................................102

Итоги третьей главы............................................................................................107

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ЦИКЛОНОВ.......................................................110

4.1. Устройство и работа инновационных конструкций. Методика расчета конической вставки циклона..............................................................................110

4.2. Инженерные рекомендации по внедрению циклонов с конической вставкой на производстве...................................................................................119

4.3. Анализ экономической эффективности пылеулавливания при использовании инновационных конструкций циклонов.................................130

Выводы по четвертой главе................................................................................136

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.......................................................138

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ..................................................................................140

ПРИЛ ОЖЕНИ 1...................................................................................................155

ПРИЛОЖЕНИ 2...................................................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЗ...................................................................................................162

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Г — циркуляция линейной скорости вихря на поверхности тела по контуру тела, м /с; Г', Г" - критерии симплексы геометрического вида, характеризующие коническую вставку; С - поправка Кенингема-Милликена; у - коэффициент аэродинамического сопротивления; р - плотность частиц пыли, кг/м3;0 - половины угла при вершине конуса, /л - динамическая вязкость пылегазового потока, Па-с; сг - среднее квадратичное отклонение в функции данного распределения; рв — плотность пылегазового потока, кг/м3; Свх - концентрация пыли на входе в пылеуловитель, кг/м3; Св -

л

концентрация пыли на выходе из пылеуловителя, кг/м ; И' - верхний диаметр вставки, м; £>" - нижний диаметр вставки, м; - с1- диаметр частицы, мкм; 2т -средний медианный диаметр, мкм; / - коэффициент трения скольжения частицы по поверхности циклона; - подъемная сила, Н; т - масса частицы, кг; Л^ ~ реакция поверхности на выходе из конуса, Н; Ып — реакция поверхности на входе в конус, Н; АР - общий перепад давлений на циклоне, Па; Рш - статическое давление на входном воздуховоде, Па; Рвых -статическое давление на выходном воздуховоде аппарата, Па; Q - объемный расход запыленного газа, м /ч; () - расход газа через прибор, м/с; К -значение радиуса исследуемой точки поверхности, м; Яе — критерий Рейнольдса; Яп - радиус цилиндрического корпуса циклона или начальный радиус конической вставки, м; Явых - радиус выходного патрубка, м; Ян — верхний радиус вставки, м; - меньший радиус вставки, м; £ - площадь миделевого сечения частицы, м ; 8кмст. - площадь конусной вставки циклона, м ; — внутренняя площадь циклона, м ; - площадь щелевых отверстий вставки, м2; а- скорость воздушного потока, м/с; и^ - скорость потока на бесконечности, м/с; ивх - скорость воздуха во входном патрубке, м/с; у„ -скорость частицы по отношению к воздушной среде, м/с; V- абсолютная скорость движения частицы по поверхности, м/с; У„, Ув - расход воздуха на входе в пылеуловитель и на выходе из него соответственно (приведенный к стандартным условиям по температуре и давлению)м3/с; ъ - высота цилиндра, м.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Многие технологические процессы в пищевом производстве, связанные с измельчением, сушкой, транспортировкой и сортировкой продукта, приводят к интенсивному образованию и выделению пыли. Пыль оказывает негативное воздействие на работников производства (например, мучная и зерновая пыль мукомольного производства может стать причиной таких заболеваний дыхательного тракта как ринит, фарингит, ларингит, бронхит), вызывает износ оборудования, загрязняет окружающую среду. Большинство пылей, основной составляющей которых является органическое вещество, при смешивании с воздухом образует взрывоопасную смесь. Кроме того при их уносе происходят значительные потери сырья, ведущие к увеличению производственных затрат.

Проектирование и установка систем пылеулавливания становятся обязательными условиями для безопасного функционирования производства. Практически на каждом пищевом предприятии в системах аспирации используются циклоны-пылеуловители, однако сами по себе они недостаточно эффективны, т.к. улавливают лишь крупную пыль размером от 10 мкм, поэтому возникает необходимость установки второй ступени очистки. В последнем случае неэффективная работа циклонов приводит к быстрому выводу из строя аппарата второй ступени очистки (например фильтров).

Несмотря на то что циклоны имеют достаточно простую конструкцию в них происходят сложные аэродинамические процессы, которые изучены недостаточно. Существующие теоретические методы расчета не дают исчерпывающего объяснения на вопросы рационального с точки зрения аэродинамики проектирования циклонов и определения оптимальных параметров работы. Именно поэтому во многих отраслях распространены конструкции циклонов, разработанных на основании только экспериментальных исследований. Таким образом, дальнейшее развитие

теоретических знаний в области циклонирования, которое влечет за собой усовершенствование конструкций циклонов с целью повышения их эффективности несмотря на свою столетнюю историю остается актуальным и главное востребованным для производства.

Значительный вклад в теоретические исследования в данной области был внесен такими учеными как А.Ю. Вальберг, И.И. Полосин, С.А. Воловик, М.И. Шиляев, Н.И. Ватин.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры инженерной экологии и техногенной безопасности «Исследование и разработка природоохранных процессов, утилизации отходов нефтехимических и пищевых производств, обеспечение экологической и техногенной безопасности» (коды ГРНТИ: 87.35.91) на 2011-2015 гг.

Для проведения исследований было выбрано производство по хранению и переработке зерна, занимающее особое место в пищевой промышленности, так как его объекты (мельницы, элеваторы и т.п.), а также технологические схемы и оборудование (пневмотранспорт, системы аспирации, аппараты измельчения) имеются практически в каждом населенном пункте, в связи с чем представляют потенциальную опасность для жителей городов.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является совершенствование центробежного пылеулавливания путем модернизации конструкции аппарата и режимов его работы с целью повышения эффективности и энергосбережения.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ существующих циклонов с целью выявления направлений повышения эффективности очистки и энергосбережения;

- создание математических моделей, описывающих движение частиц пыли в циклонах с учетом возможности их повторного уноса;

- совершенствование конструкции циклона на основе разработанной математической модели;

- разработка методики экспериментальных исследований процесса, создание экспериментальной установки;

- экспериментальное исследование процесса циклонирования с целью проверки адекватности полученных математических моделей и определения зависимостей эффективности и общего перепада давлений в циклоне от наиболее значимых параметров процесса (скорость потока, концентрация пыли, дисперсность пыли, конструктивные параметры циклона);

- выбор и обоснование эффективного режима функционирования циклона;

- разработка методики расчета конической вставки для усовершенствования существующих циклонов;

- промышленная апробация предложенных инновационных конструкций циклонов и режимов его работы;

- определение экономического эффекта от внедрения инновационной конструкции циклона в промышленность.

Научная новизна состоит в следующем:

- Установлены теоретически и экспериментально подтверждены основные закономерности движения частиц пыли в циклоне.

- Получены математические модели движения частицы пыли по внутренней поверхности стенки цилиндрической и конической частей циклона с учетом наиболее значимых сил, в том числе подъемной силы, обусловленной эффектом Магнуса. На этой основе выведены уравнения для расчета основных параметров циклона и конической вставки (половина угла при вершине конуса, размеры щелевых улавливающих отверстий).

- Экспериментально определена область параметров, оптимальных для проведения процесса центробежного осаждения в модернизированных циклонах (с конической вставкой): входная скорость пылегазового потока, половина угла при вершине конуса вставки, размер щелевых улавливающих отверстий.

- Разработана конструкция циклона с конической вставкой с щелевыми улавливающими отверстиями, обеспечивающая высокую эффективность и энергосбережение процесса центробежного пылеулавливания.

- Разработана методика расчета конической вставки для модернизации циклонов, широко применяемых в производстве.

Практическая ценность работы заключается в том, что

- разработаны конструкции высокоэффективных циклонов-пылеуловителей, новизна которых подтверждена патентами №№ 2323784, 2366515,2480294, 2496584;

- разработаны режимы работы для циклона с конической вставкой в условиях мукомольного производства, способствующие повышению эффективности работы систем аспирации, режимы апробированы на ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и ОАО «Воронежская хлебная база»;

- определена экономическая эффективность использования циклона с конической вставкой, показывающая целесообразность их внедрения в производство;

- разработанные циклоны приняты к внедрению в цехах ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский» и ОАО «Воронежская хлебная база», что подтверждено соответствующими актами предприятий.

- разработаны рекомендации по внедрению предложенных инновационных решений в типовые циклоны промышленных систем пылеулавливания

Результаты работы используются систематически в практике высших учебных заведений: Воронежском государственном университете инженерных технологий, Воронежском институте ГПС МЧС России при выполнении НИР, КП, КР, при изложении отдельных разделов дисциплин «Защита окружающей среды», «Процессы и аппараты пищевой технологии», «Пожарная безопасность технологических процессов» и подготовке

аспирантов.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на 10-ти научных конференциях: отчетных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (ХЬХ, Ь-й); II Всероссийской научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в АПК» (г. Пенза, 2007); VII Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии» (г. Пенза, 2007); I Всероссийской научно-практической Интернет-конференции с международным участием «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий ЧС» (г. Воронеж, 2011); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в АПК: теория и практика» (г. Пенза, 2013); 6-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (г. Саратов, 2013); IX Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая безопасность нашего будущего» (г. Воронеж, 2013); XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Нижний Новгород: НГТУ, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из которых 4 - в журналах, рекомендованных ВАК, получено 4 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 139 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ. ЦИКЛОНЫ В СИСТЕМАХ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Технологические особенности производства на зерноперерабатывающих предприятиях и характеристика аспирируемых пылегазовых выбросов

Негативное влияние пылевых выбросов проявляется во всех сферах жизнедеятельности человека и других организмов. Пыль и токсичные реагенты, сорбированные на ее поверхности, наносят вред здоровью людей, вызывают ряд серьезных профессиональных заболеваний (пневмокониоз, пылевой бронхит, бронхиальная астма, пневмония и др.), ухудшают общее состояние здоровья всего населения, провоцируют взрывопожароопасные ситуации на производстве, вызывают коррозию материалов и преждевременный выход из строя оборудования [81, 135]. Диаграмма на рис. 1.1 показывает, что пищевая промышленность занимает третье место по выбросам в атмосферный воздух, причем как свидетельствуют статистика и данные экологического мониторинга [97, 132, 134] доля пылевидных загрязнений составляет около 30 % от общего количества всех загрязняющих веществ.

■ Коммунальное хозяйство

■ сельское хозяйство

■ Химическая и нефтегазовая

промышленность

■ Пищевая промышленность

■ Все виды транспорта

■ Другие отрасли

■ Промышленность сгрошельных материалов

■ Электроэнергетика

Рис.1.1 Вклад различных отраслей хозяйства в загрязнение атмосферы [81)

На предприятиях пищевой промышленности пыль имеет сложный химический состав и различные физико-химические свойства - это связанно с разнообразными видами и стадиями переработки сырья и готовой продукции. Однако общим для всех пищевых пылей является �