Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективная очистка воздуха от пыли, выбрасываемой предприятиями народного хозяйства, представляет собой важную задачу для экономики страны. Предприятиями только строительной отрасли ежегодно выбрасывается в атмосферный воздух около 2,4 млн т пыли. В отечественной промышленности для очистки газа от пыли в основном используются низкоэффективные, малопроизводительные противоточные циклоны, в которых осаждается более 80 % всей промышленной пыли, и в справочниках по пылеулавливанию приведены конструкции только противоточных циклонов. В тоже время более высокую эффективность очистки могут обеспечить высокопроизводительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО), основными преимуществами которых являются: возможность стабильного и эффективного разделения в широком диапазоне варьирования расхода газа и концентрации пыли при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении.
На предварительном этапе очистки воздуха для отделения крупных частиц и разгрузки циклонов используются пылеосадительные камеры (ПОК), которые конструктивно не сложны и обладают небольшим гидравлическим сопротивлением.
Возможность внедрения ПОК и ПЦПО на промышленных предприятиях затруднена отсутствием автоматизированных средств для моделирования и технологического расчета рассматриваемого оборудования. При проектировании прямоточных циклонов и пылеосадительных камер рассчитываются параметры технологических процессов, в зависимости от которых аппарат может иметь различные габаритные и конструктивные размеры. Зная эти размеры, необходимо детально просчитать каждый элемент конструкции и подготовить документацию для производства пылеуловителя. Для сокращения сроков проектирования могут служить различные программные комплексы, ориентированные на решение поставленных задач. В настоящее время нет разработок в области программного обеспечения для проектирования ПОК и ПЦПО, поэтому разработка автоматизированной системы моделирования и технологического расчета элементов инерционных пылеуловителей, таких как пылеосади-тельная камера и прямоточный циклон, является актуальной и практически значимой.
Существенный вклад в моделирование и совершенствование пылеочистного оборудования внесли отечественные ученые: А.Ю. Вальдберг, М.В. Василевский, М. Г. Зинганшин, И.Е. Идельчик, Д.Т. Карпухович, В.А. Лазарев, В.Н. Приходько, Б.С. Сажин, Е.П. Смирнов, М.И. Шиляев и др., а также зарубежные ученые В. Барт, Ж. Касал, СЕ. Лейпл, Ф. Ментер, В. Страус и др.
Цель работы - разработка автоматизированной системы моделирования и технологического расчета элементов инерционных пылеуловителей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать математические модели расчета осевых направляющих аппаратов для закручивания потока и его раскручивания.
Разработать информационное, алгоритмическое и математическое обеспечение для автоматизации моделирования и технологического расчета элементов прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли и пылеосадительной камеры.
Спроектировать алгоритмическую часть и реализовать программно автоматизированную систему моделирования и технологического расчета элементов ПОК и ПЦПО на основе современных средств программирования и проектирования.
По полученным чертежам изготовить прозрачную лабораторную установку прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли для визуальных исследований запыленного закрученного потока.
Произвести экспериментальные исследования процесса сепарации в ПЦПО для проверки адекватности математических моделей осевого направляющего аппарата (ОНА) и раскручивающего лопастного аппарата (РЛА).
Объекты исследований: процесс пылеулавливания в инерционных пылеуловителях в гравитационном и центробежных полях.
Методы исследований: моделирование, теория гидрогазодинамики, теория проектирования автоматизированных систем, инженерная графика, начертательная геометрия, численные методы. Использовано следующее программное обеспечение: интегрированная среда разработки CodeGear RAD Studio 2007, AutoCAD 2004.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
Впервые разработаны математические модели расчета геометрических параметров цилиндрических и бицилиндрических осевых направляющих аппаратов для кольцевых закрученных потоков. Установлено, что рассчитанный по теоретической модели угол установки лопаток РЛА ftp = 13,75 хорошо согласуется с экспериментально определенным углом /fo = 15,5, погрешность расчета не превышает 12 %.
Разработано алгоритмическое, информационное, математическое, проектное и программное обеспечение новой автоматизированной системы моделирования и технологического расчета элементов инерционных пылеуловителей.
Установлен оптимальный угол у = 28 - 32 расположения лопаток ОНА, обеспечивающий наибольшую эффективность пылеулавливания в ПЦПО.
Практическая значимость заключается в разработке программного обеспечения автоматизированной системы моделирования и технологического расчета элементов ПОК (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615670) и ПЦПО, позволяющей снизить трудоемкость обработки данных за счет автоматического расчета оптимальных размеров элементов циклона и пылеосади-тельной камеры, сократить сроки проектирования и выдавать на печать готовые технические чертежи. По полученным чертежам была изготовлена лабораторная модель прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли для экспериментальных исследований процесса сепарации пыли в ПЦПО.
Реализация результатов работы: основные результаты работы используются при подготовке студентов ФГБОУ ВПО: «Ангарская государственная техническая академия», «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» и «Иркутский государственный университет путей сообщения». Акты внедрения в учебный процесс приведены в приложении 1.
Достоверность полученных научных результатов подтверждается адекватностью модели расчета угла установки лопаток РЛА и повышением эффективности пылеулавливания цемента марки М400 в ПЦПО до 81 - 82 % по сравнению с предыдущей моделью ПЦПО (75 - 77 %) за счет проведенного моделирования и геометриче-
ского профилирования ОНА и РЛА при изготовлении ПЦПО. Положения, выносимые на защиту:
математические модели расчета ОНА и РЛА прямоточного циклона;
информационное, алгоритмическое, математическое и программное обеспечение автоматизированной системы моделирования и технологического расчета элементов ПОК и ПЦПО;
результаты экспериментальной проверки адекватности моделей.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсужда
лись на ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и
научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии
(2009 - 2011), Международной научной конференции «Математические методы в тех
нике и технологии» (Саратов, 2010, Киев, 2011), Всероссийской научной конферен
ции с международным участием «Винеровские чтения» (Иркутск, 2011), Всероссий
ском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области
информатики и информационных технологий в рамках Всероссийского фестиваля
науки (Белгород, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, 2 тезиса докладов, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и руководство пользователя. Без соавторов опубликована 1 работа. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в разработке автоматизированной системы, а также активном участии в процессе моделирования, изготовления лабораторной установки ПЦПО и проведении исследований на всех этапах.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 4 главы, выводы, список использованной литературы (117 наименований), условные обозначения и 3 приложения. Объем работы составляет 187 станиц, в том числе 43 рисунка и 9 таблиц.
