Наиболее эффективную защиту окружающей среды от любых типов пылевидных загрязнений, с наименьшими затратами, обеспечивают циклонные фильтры. Они просты в производстве, не содержат дорогостоящих компонентов, просты в эксплуатации, дёшевы и, в тоже время обеспечивают хорошую очистку. Однако эксплуатация очистных сооружений на основе циклонов показывает, что в процессе их работы, некоторая часть улавливаемых частиц оседает на стенках фильтра и удерживается на них. Нарастающий слой отложений снижает эффективность очистки, так как сужает проточную область циклона и создает условия для возврата уже отловленных отходов в очищенный поток.
Для изучения характеристик потока и движения частиц внутри фильтра можно воспользоваться компьютерным анализом. Современные программы автоматического проектирования позволяют воссоздавать сложные физические процессы с большим количеством параметров и проводить их симуляцию. Точность результатов напрямую зависит от того насколько точно будет описан объект. Одним из главных плюсов такого метода является наглядность, что значительно упрощает восприятие достаточно сложных физических процессов.
В качестве средства автоматического проектирования используется программа Solidworks, а для проведения расчета модуль Flow Simulation. Эта программа использует метод конечных объемов, это математический подход, используемый для проведения газо- и гидродинамического анализа. Он основан на разбиении исследуемой области на дискретные ячейки (конечные объёмы), в которых определяются значения параметров потока (давление, скорость, температура и т.д.). Затем с помощью специальных алгоритмов вычисляются интегралы уравнений Навье-Стокса, описывающих движение жидкости или газа, и находятся искомые величины.
Была создана трехмерная модель типового циклонного фильтра диаметром в 1м. Для расчета потоков газа и частиц необходима только геометрия внутренней проточной области, поэтому модель имеет низкую детализацию, без опорных креплений, вентилятора и т.д.
Для упрощения конфигурирования расчета используется метод граничных условий. Он позволяет не использовать сложную геометрию вентилятора для создания потока, или не создавать большой внешний объем с атмосферным давлением, что значительно увеличивало бы время расчета. На входном и выходном патрубках создаются «заглушки», а на их внутренней поверхности задается необходимое граничное условие, то есть характеристики среды, которая будет за этой условной стенкой. Таким образом в расчетном проекте на входном патрубке указано давление окружающей среды, оно же атмосферное давление. На выходном патрубке задан объемный расход воздуха 0.5м3/с. В циклонных фильтрах в основном используются центробежные вентиляторы, их особенностью является свойство раскручивать входящий поток вокруг оси патрубка, для имитации этого процесса был включен параметр «вращающаяся система координат», благодаря чему поток будет закручиваться как в реальности.
Следующий этап конфигурации - задание «целей». Это условия, при достижении которых расчет считается законченным. В данной ситуации необходимо добиться установившейся работы циклонного фильтра, поэтому в качестве целей выбраны значения средней скорости на входе и на выходе циклона, как только они примут постоянное значения можно полагать, что циклон вышел на рабочий режим и считать поток дальше не имеет смысла. Остается задать размерность расчетной сетки, это определяет величину конечных объемов, на которые разделится проточная область. Чем меньше сетка, тем точнее результат, но время расчета значительно больше, и наоборот. Была создана сетка с минимальным размером конечного объема в 20мм, по сравнению с размерами циклонного фильтра это крайне малое значение, а значит точность расчета будет относительно высокой.
После проведения симуляции рассмотрим интересующие эпюры. На рисунке 1 представлена эпюра распределения давления в поперечном сечении фильтра.
По эпюре давления на поверхности (рисунок 2) можно сделать вывод, что зона наибольшего давления создается на стыке цилиндрической части и конуса, из чего следует что в этом месте скорость потока вблизи поверхности будет минимальной, а оседание пыли на стенки будет происходить с большей вероятностью.
Чтобы посмотреть, как изменятся характеристики потока внутри фильтра с учетом налипания пыли на стенки, был создан второй расчетный случай. Геометрия вокруг основания конуса была изменена, тем самым имитируя налипшую на стенки пыль. После чего симуляция проведена заново.
На рисунке 3 представлена эпюра давления в поперечном сечении во втором расчетном случае. Давление между входным и выходным патрубками изменилось на 10Па, что крайне незначительно. Также, были построены эпюры скорости потока в сечении для наглядного сравнения двух расчетных случаев (рисунки 4, 5). Уже на их основе можно заключить, что при незначительном изменении геометрии, скорость поток внутри фильтра сильно меняется, что может пагубно влиять на эффективность очистки.
Что бы дополнить результаты исследования был произведен расчет движения частиц. Когда анализ потока проведен, и в программе сформировались основные характеристики потоков газа в заданной геометрии, можно провести анализ частиц, а конкретно каким образом будут себя вести те или иные частицы внутри проточной области. В качестве входных свойств задается материал, диаметр частицы, их количество и начальная поверхность откуда они будут поступать в расчетную область.
Описанные параметры будут зависеть от производственного процесса, выбросы которого очищает циклонный фильтр. В данной статье не рассматривается какой конкретный тип загрязнения будет очищаться, но в качестве примера проведения такого расчета были взяты частицы бетонной пыли диаметром 30мкм. Чтобы легче оценивать результат, во входной патрубок будет подаваться 100 частиц, благодаря чему можно измерить эффективность очистки сразу в процентах.
Такая конфигурация была применена к двум расчетным случаям, в первом случае чистый циклон, а во втором циклон с налипанием на стенках.
По картинам распределения частиц в циклонном фильтре (Рисунок 5,6) видно, что в первом случае частицы задерживаются в нижней части фильтра и скорости потока не хватает для подъема пыли наверх к выходному патрубку. Стоит отметить, что частицы не оседают на самое дно так как в расчете применяется только геометрия циклона, как будто отверстие для сброса отходов в бункер запаяно, в связи с этим частицы не выпадают из циклона. Во втором расчетном случае скорость потока в нижней части циклона заметно выше, и часть пыли поднимается наверх к выходному патрубку.
Из проведенного исследования можно сделать следующие выводы: при налипании отложений на стенки циклонного фильтра разница давлений между входным и выходным патрубками меняется крайне незначительно, в то же время изменение скорости потока внутри фильтра достаточно чтобы сильно снизить эффективность очистки.
