ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РОТОРНО-ФИЛЬТРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследуются гидродинамические режимы, возникающие в роторно-фильтрационных устройствах. Анализируется влияние таких факторов, как скорость вращения ротора, расход рабочего тела и расход газа, на движение потока внутри устройства. Также изучаются процессы гидравлического сопротивления, образования жидкостного слоя и газожидкостного взаимодействия в устройстве. Результаты исследования позволяют повысить эффективность роторно-фильтрационного устройства, снизить энергопотребление и оптимизировать процесс очистки газов от пылевых частиц. Полученные научные результаты имеют большое значение для совершенствования процессов очистки пылевых газов на промышленных предприятиях.

ABSTRACT

This article studies the hydrodynamic regimes that occur in rotor-filter devices. The influence of factors such as the rotor rotation speed, working fluid consumption, and gas flow rate on the flow movement inside the device is analyzed. The processes of hydraulic resistance, liquid layer formation, and gas-liquid interaction in the device are also studied. The results of the research allow increasing the efficiency of the rotor-filter device, reducing energy consumption, and optimizing the process of cleaning gases from dust particles. The obtained scientific results are of great importance in improving the processes of cleaning dusty gases in industrial enterprises.

Ключевые слова: роторный фильтр, диффузор, орошение, контактная поверхность, конфузор, фильтрующий сетчатый материал, осадок.

Keywords: rotor-filter, diffuser, irrigation, contact surface, confusor, filter mesh material, sludge.

Введение. Природа и общество образуют единое, взаимосвязанное целое. По мере развития производительных сил возрастает воздействие человека на природу, и масштабы взаимодействия между природой и обществом расширяются. Научно-технические достижения производительных сил играют ведущую роль в развитии общества, облегчая использование природных ресурсов человеком. В результате, труд человека напрямую усиливает его воздействие на окружающую среду. Такие факторы, как рост промышленных предприятий, использование химических веществ в сельском хозяйстве и развитие автомобилестроения, приводят к масштабному выбросу в окружающую среду различных пылевых и газовых выбросов, сточных вод и твердых отходов. Поэтому на практике доказано, что превышение нормы взаимодействия человека и общества приводит к негативным последствиям [1-4].

Объект исследования. На кафедре «Технологические машины и оборудование» Ферганского государственного технического университета была подготовлена опытная модель роторно-фильтрационного устройства для очистки запыленных газов влажным методом. На рисунке 1 показан общий вид устройства, а экспериментальные исследования проводились на учебном полигоне кафедры. На рисунке 2 показано экспериментальное устройство в рабочем состоянии [3,4,5,6].

Теория и методы исследования.

Вращающийся ротор пылесборника снабжен шатунами (4), в которые вставлены шатуны (5) в специальные отверстия. Шатуны закреплены на валу ротора (8). Стальная сетка (6) и фильтрующий материал (3) покрыты сеткой в качестве опоры по окружности диаметра ротора. Ротор-фильтр установлен на корпусе устройства (1) посредством подшипников (16). Привод (17) обеспечивает его вращательное движение.

Для орошения контактной поверхности ротор-фильтр используются жидкостной насос (9), труба для перекачки жидкости (10) и распылительные форсунки (11).

Для обеспечения прохождения запыленного газа только через рабочие поверхности роторного фильтра и равномерного распределения распыляемой жидкости по поверхности установлен разделительный зонд (12). Устройство имеет трубу регулировки уровня (15), обеспечивающую погружение определенной части роторного фильтра в жидкость. Для удаления образующейся суспензии используются отстойник (13) и труба для суспензии (14). Для определения эффективности очистки устройства установлен шнековый питатель (17) для дозирования образца пыли.

Рисунок 1. Общий вид экспериментальной установки

Для вращения ротора использовался щеточный электродвигатель (21), а для регулирования частоты вращения — тахометр (23) и LATR (22). Для обеспечения коррозионной стойкости ударного воздействия использовалось эмалевое покрытие S1-A.

Запыленный газ передается через диффузор (2) к вращающемуся ротору-фильтру, расположенному внутри корпуса устройства (1). Вращательное движение ротора-фильтра обеспечивается приводом (17). Частота его вращения выбирается в зависимости от диаметра ротора, исходя из условия, что жидкая пленка, образующаяся на поверхности фильтра, не рассеивается под действием центробежной силы.

Поверхность ротора покрыта фильтрующим сетчатым материалом (3), а контактная поверхность орошается жидкостью, распыляемой через насос (9), трубу (10) и форсунки (11). Зонт (12) обеспечивает прохождение запыленного газа только через рабочие контактные поверхности и равномерное распределение жидкости по всей длине.

В результате подачи жидкости на поверхности роторного фильтра образуется устойчивая жидкая пленка, и запыленный газ перпендикулярно воздействует на внешнюю рабочую поверхность А. Вследствие этого происходит интенсивный контакт газа и жидкости. Воздух, проходящий через внешнюю поверхность, дополнительно очищается в пленке, образованной на внутренней рабочей поверхности В роторного фильтра [1,5,6].

Необходимый расход жидкости для образования стабильной пленки определяется количеством форсунок и диаметром отверстий. Основой является условие достижения высокой эффективности очистки при низком расходе жидкости.

Жидкость, вытекающая из ротора, собирается в резервуаре в нижней части устройства. Трубка регулировки уровня жидкости (15) поддерживает его стабильным. Очищенный воздух выводится в атмосферу через конфузер (7). В результате вращения ротора диспергированные частицы пыли, захваченные на его рабочих поверхностях А и В, непрерывно смываются в жидкую среду. Частицы, попавшие в жидкость, оседают под действием инерционных сил, и контактная поверхность возвращается в рабочее состояние.

В зависимости от состава осадка, собранного в ванне, он периодически удаляется через шламопровод (14) и регулируется клапаном (13). Фильтрующий материал, нанесенный на ротор, был выбран исходя из условия обеспечения высокой эффективности очистки при низком гидравлическом сопротивлении, с учетом физико-химических свойств и температурного режима очищаемого пылевидного газа.

Изучение гидродинамических режимов в роторно-фильтрационном аппарате является ключевым этапом, определяющим эффективную работу устройства. Гидродинамический режим внутри аппарата зависит, прежде всего, от расхода газа, расхода газа, расхода жидкости, количества и геометрических размеров рабочих тел (дугообразных элементов), активной площади поверхности и интенсивности фазового взаимодействия.

Рисунок 2. Общий вид устройства. 1 – корпус устройства; 2 – диффузор; 3 – материал фильтрующей сетки; 5 – стержень; 6 – стальная сетка; 7 – конфузор; 8 – вал; 9 – насос; 10 – труба для жидкости; 11 – сопло; 12 – зонт; 13 – воронка; 14 – труба для суспензии; 15 – труба для регулировки уровня; 16 – вентилятор; 17 – шнековый питатель; 18 – трубка Прандля; 19 – шкив; 20 – ремень; 21 – электродвигатель; 22 – LATR; 23 – тахометр; 24 – ротометр; 25 – электронный монометр JM-510; 26, 27, 28 – болт, гайка и шайба.

Также большое значение имеют плотность газожидкостной смеси, дисперсия капель и равномерность их распределения. В ходе исследования особое внимание следует уделять потерям давления (гидравлическому сопротивлению) вдоль аппарата, степени турбулентности потока, качеству смачивания и эффективности улавливания пыли на фильтрующих поверхностях. Комплексный анализ этих параметров позволяет определить оптимальный режим работы и улучшить конструкцию аппарата.

Определение расхода жидкости, скорости потока и расхода в роторно-фильтрационном аппарате является одним из важнейших этапов исследования, поскольку эффективность очистки пылеобразующих газов в устройстве напрямую зависит от интенсивности распыления жидкости, дисперсии образующихся капель, смачивающей поверхности и времени контакта газа и жидкости.

Прежде всего, определение скорости потока жидкости позволяет определить количество рабочего вещества, подаваемого в устройство. По мере увеличения скорости потока возрастает импульс потока через форсунки, что приводит к образованию мелкодисперсных капель, утолщению водяной пленки и увеличению степени смачивания активной поверхности фильтра. Это повышает эффективность улавливания частиц пыли на основе инерционных, диффузионных и адгезионных механизмов.

На основании вышеизложенного было экспериментально определено потребление жидкости, подаваемой в роторно-фильтрационный аппарат, и оценены соответствующие параметры.

При проведении экспериментов расчеты для воды (t≈20 °C) производились на основе следующих данных: ρ_в = 1000 кг/м³, μ_в = 1,0×10⁻³ Па·с. Предполагалось, что насос работает на максимальном расходе (Q_n = 40 л/мин = 0,000667 м³/с, N_en = 0,37 кВт; h_max = 38 м; B = 220 В; n_r = 3000 об/мин согласно ГОСТ-2757030-91). В аппаратуру был установлен ротометр (шкала РС-5, показания в диапазоне 0÷100 согласно ГОСТ-13045-81). Расход жидкости, скорость, режим течения и угол распространения воды, а также диаметр образующейся водяной завесы определялись для диаметра отверстия сопла d_sh = 2 и 3 мм. В данном случае количество форсунок, установленных в аппарате, составляет 3. Было учтено, что сопротивление отверстия форсунки составляет 1,41 при диаметре отверстия 2 мм и 1,32 при диаметре 3 мм.

Расход жидкости в ротометре увеличивается пропорционально шкале. Обычно в эксперименте берут 3–5 точек. Поскольку расход жидкости в исследуемом процессе должен составлять не менее 0,15 литра на 1 м³ запыленного газа, для определения расхода воды были выбраны следующие точки на дисплее ротаметра: Rc = 25; 50; 75 и 100, которые рассчитывались по следующей формуле: м³/час;

                                                         (1)

где, Q_um = 40 л/мин; Rc — индикатор шкалы.

Расход одной форсунки определяется по следующей формуле: м³/час;

                                                              (2)

Площадь поперечного сечения грудной полости определяется по следующей формуле: м²;

                                                             (3)

для расчета площади поперечного сечения d_sh = 2 мм. Расчет площади поперечного сечения для F₂ = 3,14×10⁻⁶ м² и d_sh = 3 мм дает F₂ = 3,14×10⁻⁶ м². Экспериментальные результаты представлены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. Изменение скорости рабочей жидкости в зависимости от диаметра сопла

Рисунок 4. Изменение режима течения рабочей жидкости в зависимости от диаметра сопла

На следующем этапе исследования был экспериментально определен механизм диспергирования жидкости. Угол диспергирования струи воды, образующейся при распылении жидкости через форсунки устройства, формируется главным образом в зависимости от геометрии форсунки, диаметра выходного отверстия и динамического давления потока. Экспериментальный и расчетный анализ показал, что при условии постоянного значения локального коэффициента гидравлического сопротивления ζ, принятого для отверстия форсунки, угол распыления не изменяется резко в прямой пропорции к переменным значениям расхода, измеренным по шкале ротометра.

Это объясняется тем, что при изменении шкалы ротометра от 0 до 100 расход увеличивается в определенном диапазоне, но гидродинамическая структура потока остается неизменной из-за постоянного локального коэффициента сопротивления, влияющего на формирование потока в сопле. В результате геометрия распыляемой струи воды, включая угол рассеивания, остается относительно стабильной.

Для расчета экспериментальной зависимости между углом дисперсии (α) центробежного насоса и конического рабочего колеса было рекомендовано и использовано следующее уравнение:

                                                        (4)

где, ξ_sh — коэффициент сопротивления.

При определении диаметра водяной завесы используется роторно-фильтрующее устройство. Расстояние от сопла до стенки принималось приблизительно равным ≈ 25 мм = 0,025 м и определялось по следующему уравнению, м; Был построен график зависимости диаметра водяной завесы от диаметра отверстия сопла [7,8,9]. Рисунок 5.

                                                        (5)

Проведенные вычислительные и экспериментальные анализы показали, что диаметр отверстия сопла оказывает существенное влияние на гидродинамику процесса распыления. При увеличении диаметра отверстия с 2 мм до 3 мм площадь поперечного сечения выходного отверстия увеличилась примерно в 2,25 раза. Увеличение площади поперечного сечения привело к уменьшению расхода при тех же условиях потребления, и, согласно расчетам, скорость на выходе уменьшилась примерно в 2,2 раза. Это объясняется уменьшением кинетической энергии распыляемой струи воды.

Согласно результатам гидродинамического анализа, в обоих случаях число Рейнольдса превышало 4000, и наблюдалось формирование потока на выходе из сопла в сильно турбулентном режиме. Формирование турбулентной струи воды способствует интенсивному измельчению капель, их равномерному распределению в газовой среде и, как следствие, увеличению вероятности контакта с частицами пыли. В этом отношении турбулентный режим распыления был оценен как важный фактор, повышающий эффективность улавливания пыли.

При работе насоса с максимальной скоростью потока 40 л/мин расход жидкости через каждое сопло составлял приблизительно 0,000222 м³/с. Скорость на выходе через отверстие диаметром 2 мм достигала 70 м/с, создавая мощную турбулентную струю с высокой энергией.

Рисунок 5. Изменение диаметра рабочей жидкостной завесы в зависимости от диаметра отверстия сопла

При отверстии диаметром 3 мм скорость на выходе составляла около 31 м/с, что обеспечивало более широкое распространение струи воды, но с меньшей кинетической энергией.

В результате расчетов было установлено, что в обоих случаях углы рассеяния находились в диапазоне 80–82°, а диаметр образующейся водяной завесы — в диапазоне 42–44 мм. С технологической точки зрения, использование форсунки диаметром 2 мм для высокоэффективной очистки пылеобразных газов дает благоприятный результат. Для повышения эффективности промывки стен и общего увлажнения приемлемым считается использование форсунки диаметром 3 мм. Поэтому на следующем этапе исследований было решено использовать форсунку диаметром dsh=3 мм и расходом воды Q_в=0,2÷0,8 м³/ч с интервалом 0,2 м³/ч [9].

Заключение

В результате проведенных исследований было установлено, что гидродинамические режимы в роторно-фильтрационном аппарате являются одним из важных факторов, определяющих эффективную работу устройства. Было показано, что гидродинамическое состояние в аппарате напрямую зависит от расхода газа, расхода газа и жидкости, количества рабочих тел и их геометрических размеров, а также от площади активной поверхности и интенсивности взаимодействия между фазами. В ходе исследований были проанализированы такие показатели, как потери давления, степень турбулентности потока, качество смачивания фильтрующих поверхностей и эффективность удержания пылевых частиц.

Результаты показывают, что комплексный анализ этих параметров позволяет определить оптимальный режим работы роторно-фильтрационного аппарата, снижая гидравлическое сопротивление и повышая эффективность очистки пылеобразующих газов. Кроме того, на основе полученных результатов можно усовершенствовать конструкцию аппарата и более эффективно организовать процессы очистки газов на промышленных предприятиях.

Список литературы:

1. Архипов В.А., Березиков А.П. Основы теории инженерно-физического эксперимента. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. 206 с.
2. Вальдберг А.Ю., Николаевина Н.Е. «Процесс и аппаратура обеспечения экологической среды». Москва: «Дрофа», 2008. – ул. 239.Исомиддинов, А. С., & Давронбеков, А. А. (2021). Исследование гидродинамических режимов сферической углубленной трубы. Universum: технические науки, (7-1 (88)), 53-58.
3. Rasuljon, T., Azizbek, I., Abdurakhmon, S., & Shoiraxon, T. Y. (2021). Research of the hydraulic resistance of the inertial scrubber. Universum: технические науки, (7-3 (88)), 44-51.
4. Abdurakhmon, S., Azizbek, I., & Mahfuza, Z. (2022). Hydrodynamics of a galvanized plate scrubber. Universum: технические науки, (11-7 (104)), 10-16.
5. Akhmadjonovich, E. N., Salomidinovich, I. A., Uktamovich, S. R., & Bektoshevich, U. R. (2022). Liquid Gases Transmission Medium Tozalovchi Inertial Hydrodynamic Scrubber. American Journal of Business Management, Economics, and Banking, 7, 1-7.
6. Azizjon, I., & Abdusamad, M. (2025). DETERMINATION OF LOAD RANGE FOR GAS AND LIQUID PHASES IN ROTOR-FILTER APPARATUS. Universum: технические науки, 11(5 (134)), 44-50.
7. Тожиев Р.Ж., Каримов И.Т., Исомидинов А.С. «Роторный мокрый пылеуловитель», ФерПИ, научно-технический журнал, выпуск №1, 2018, стр. 195-198:
8. Тожиев, Р.Ж., Исомиддинов, А.С., Ахроров, А.А.У., & Сулаймонов, А.М. (2021). Выбор оптимального абсорбента для очистки водородно-фтористого газа в роторно-фильтровальном аппарате и исследование эффективности аппарата. Universum: технические науки, (3-4 (84)), 44-51.
9. Rasuljon, T., Akmaljon, A., & Ilkhomjon, M. (2021). Selection of filter material and analysis of calculation equations of mass exchange process in rotary filter apparatus. Universum: технические науки, (5-6 (86)), 22-25.