JUSTIFICATION AND DEVELOPMENT OF A ROTARY DUST COLLECTOR FOR AIR PURIFICATION DURING POST-HARVEST PROCESSING OF GRAIN AND SEEDS

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РОТАЦИОННОГО ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ПРИ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКЕ ЗЕРНА И СЕМЯН

Научная статья

Ильичева Ю.В.¹, Лизункова О.В.², Холоденина Т.С.^3, *

^{1, 2, 3} Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия

* Корреспондирующий автор (servis20172017[at]yandex.ru)

Аннотация

На территории России имеется огромный опыт разработки и эксплуатации пылеулавливающего оборудования. Базируясь на фундаментальных научных исследования учёных научно-исследовательского института сельского хозяйства Северо-востока им. Н. В. Рудницкого, Вятской государственной сельскохозяйственной академии и множества других учебных заведений разработаны и запущены в производство множество пылеулавливающих устройств, применяемых в послеуборочной обработке зерна и семян. Несмотря на вышесказанное данная отрасль требует более детального рассмотрения и совершенствования. Целью данной работы является разработка высокоэффективного ротационного пылеуловителя для очистки воздуха в процессах обработки зерна и семян.

Ключевые слова: очистка воздуха, пылеотделение, пылеуловитель, ротационный пылеуловитель, технологическая схема, устройства для улавливания пыли.

JUSTIFICATION AND DEVELOPMENT OF A ROTARY DUST COLLECTOR FOR AIR PURIFICATION DURING POST-HARVEST PROCESSING OF GRAIN AND SEEDS

Research article

Ilyicheva Yu.V.¹, Lizunkova O.V.², Kholodenina T.S.^3, *

^{1, 2, 3} Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russia

* Corresponding author (servis20172017[at]yandex.ru)

Abstract

Russia has a huge experience in the development and operation of dust-collecting equipment. The Scientific Research Institute of Agriculture N. V. Rudnitsky North-East, Vyatka State Agricultural Academy and many other educational institutions have developed and put into production many dust-collecting devices used in post-harvest processing of grain and seeds. Despite the aforementioned results, this industry requires more detailed consideration and improvement. The purpose of this study is to develop a highly efficient rotary dust collector for air purification in grain and seed processing processes.

Keywords: air purification, dust separation, dust collector, rotary dust collector, technological scheme, devices for dust capture.

Введение

Загрязнение воздуха рабочей зоны, внутри и снаружи производственных помещений является следствием послеуборочных процессов при обработке зерна. В роли «загрязнителей» воздуха выступает сельскохозяйственная техника, предназначенная для обработки, транспортировки и перемещения зерновых культур (зерноочистительные машины, сушильные установки, зернопроводы и т.д.), установки для вентилирования и др [1], [2].

Для предотвращения загрязнения воздуха в помещениях до предельно-допустимых концентраций предназначена вентиляционная и пылеулавливающая техника. Требования к воздуху в производственных помещениях изложены в СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» и в ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» [3], [4].

В настоящее время на рынке существует огромное множество пылеулавливающей техники различных типов. На основании проведённого анализа и классификации конструкций существующих типов пылеуловителей, используемых в агропромышленном комплексе, предпочтение было отдано ротационному пылеуловителю. Основанием для этого послужило то, что ротационные пылеуловители компактны, потребляют мало электроэнергии (до 1000 Вт/(м³/с)), обладают высокой степенью очистки воздуха от пыли и лёгких примесей (эффективность очистки до 0,1 мм), отличаются высокой компонуемостью [5], [6], [10], [11]. Несмотря на вышесказанное, данные устройства всё-таки нуждаются в более детальном рассмотрении и совершенствовании.

Цель работы – разработать высокоэффективный ротационный пылеуловитель для очистки воздуха в процессах обработки зерна и семян.

Методы и принципы исследования

При разработке технологической схемы ротационного пылеуловителя проводился анализ существующих конструкций, определение степени влияния отдельных факторов на функционирование установки и как следствие, обоснование конструкции самой установки [6], [8], [12], [13]. Теоретические исследования выполнены с использованием положений и законов классической механики и основ математического анализа.

Экспериментальные исследования проводились по стандартным и разработанным методикам. При проведении исследований применена методика планирования эксперимента.

Основные результаты

Основываясь на данных, полученных в результате рассмотрения ротационного поперечно-поточного пылеуловителя [2], принятого за прототип, была предложена усовершенствованная схема ротационного пылеуловителя и разработана патентная схема (см. рисунок 1).

Рис. 1 – Схема ротационного пылеуловителя:

а) 1 – корпус; 2 – ротор; 3, 4 – входной и выходной патрубки; 5 – пылесборник; 6 – устройство для вывода пыли; б) 7 – вал; 8 – тонкие гибкие диски; 9 – сплошные диски; 10 – шайбы

 

Предлагаемый ротационный пылеуловитель, содержит корпус 1, установленный в нём вращающийся ротор 2, входной 3 и выходной 4патрубки, пылесборник 5 с устройством 6 вывода уловленной пыли. Выходной патрубок 4 расположен на корпусе 1 напротив входного патрубка 3 и сообщён с ним посредством каналов ротора 2, причём осевые линии входного 3 и выходного 4 патрубков расположены перпендикулярно оси вращения ротора 2, а ширина патрубков 3, 4 и пылесборника 5 равна ширине корпуса. Ротор 2 выполнен в виде вала 7 с расположенными с боковых сторон сплошными дисками 8, между которыми с зазорами установлены тонкие гибкие диски 9. Зазор между тонкими гибкими дисками 9 обеспечивается с помощью шайб 10.

Ротационный пылеуловитель работает следующим образом.

Вращаясь, тонкие гибкие диски 9 ротора 2 под действием центробежных сил выпрямляются, благодаря чему зазор между ними, образованный за счёт толщины шайб 10, становится одинаковым.

Запылённый воздух, удаляемый, например, из пневмосистемы зерноочистительной машины, нагнетается во входной патрубок 3 пылеуловителя, перемещается к ротору 2 и поступает в каналы для перемещения воздуха между дисками 9, образованные за счёт зазоров между ними.

На частицы пыли в каналах между дисками 9 действуют две основные силы: аэродинамическая сила, направленная по траектории движения потока воздуха, т.е. от периферии ротора 2 к его центру, и центробежная сила, направленная от его центра к периферии и возникающая из-за того, что в пограничном слое частота вращения пылевоздушной смеси достигает частоты вращения дисков 9. Когда значение центробежной силы преобладает над аэродинамической, частицы пыли отбрасываются за пределы ротора 2 и поступают в пылесборник 5, откуда устройством 6 выводятся наружу.

Очищенный воздух из центральной части ротора продолжает движение в поперечном направлении и вновь перемещается по каналам между дисками 9, но уже от центра к периферии – в сторону выходного патрубка 4.

Повышение эффективности пылеулавливания достигается за счёт применения ротора, выполненного в виде тонких гибких дисков, выпрямляющихся под действием центробежных сил при его вращении и установленных с зазорами, причём для повышения эффективности улавливания пыли зазоры между дисками можно уменьшать.

Также были проведены исследования, позволяющие определить зависимость эффективности пылевыделения Е_о (%), от концентрации лёгких примесей μ (г/м³) и зависимость эффективности выделения пыли Е_о(%), от скорости воздуха V (м/с). Исследования проводились на лабораторной установке, изготовленной по предложенной схеме ротационного пылеотделителя.

С целью определения зависимости эффективности пылевыделения Е_о (%), от концентрации лёгких примесей μ(г/м³) применяли однофакторный метод планирования эксперимента. Исследование заключалось в изменении концентрации лёгких примесей μ(г/м³). Диапазон концентрации лёгких примесей в воздушном потоке μ(г/м³) задавался от 10 г/м³ до 40 г/м³ при скорости воздушного потока V=11,15 м/с. Концентрация лёгких примесей регулировалась скоростью вращения рукоятки, расположенной на устройстве для ввода пыли. При вращении рукоятки со скоростью 1 об/с концентрация запылённости μ составляла 10 г/м³, 2 об/с – 20 г/м³, 3 об/с – 30 г/м³ и 4 об/с – 40 г/м³. При заданных условиях эффективность пылеулавливания Е_о (%) варьировалась от 42,17 % до 43, 8%.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что с увеличением скорости V(м/с) на входе в пылеуловитель эффективность выделения пыли Е_о (%) снижается. С увеличением скорости воздушного потока на входе в ротационный пылеуловитель частицы лёгких примесей перемещаются в воздухоподводящем канале с возросшей скоростью, поэтому успевают переместиться на большее расстояние от наружного диаметра к центру ротора, на них позднее начинают оказывать преобладающее влияние центробежная сила, сила Кориолиса и сила тяжести, способствующие отводу частиц в пылеулавливатель. Поэтому с увеличением скорости воздуха на входе в ротационный пылеуловитель уменьшается эффективность пылевыделения.

Для определения зависимости эффективности выделения пыли Е_о(%), от скорости воздуха V (м/с) применяли однофакторный метод планирования эксперимента. Суть эксперимента заключалась в измерении скорости воздуха V, м/с в зависимости от различных положений регулятора скорости воздушного потока. Значения скорости воздуха V(м/с) варьировали в диапазоне 1,68 … 2,25 м/с. Для каждого из положений регулятора скорости воздушного потока показания прибора фиксировались 10 раз. Затем алгебраически вычисляли среднее значение скорости воздушного потока, для каждого положения регулятора скорости воздуха. С целью дальнейшего исследования были выбраны 1, 2, 3, 4 и 7 положения регулятора скорости воздуха. Для каждого из положений регулятора скорости воздуха с трёхкратной повторностью фиксировалось значение эффективность выделения пыли Е_о(%), для получения более точного результата.

Зависимость эффективности выделения Е_о (%) лёгких примесей от их концентрации μ(г/м³) описывается уравнением второго порядка:

y = - 0,002x2 + 0,140x + 40,92

(1)

Коэффициент аппроксимации R² в данном случае составляет 0,373, а корреляционное отношение =0,61. Линейная зависимость описывается уравнением, где R² = 0,248, а коэффициент корреляции r = 0, 49:

y=0,028x+42,05,

(2)

Таким образом, корреляция между экспериментальными данными и полученными уравнениями статистически значимой не является [11], поэтому можно сделать вывод, что концентрация запылённости в изученных пределах μ= 10… …40 г/м³ не влияет на эффективность выделения примесей.

Заключение

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований была разработана технологическая схема, а также обоснованы параметры ротационного пылеуловителя. Изготовлена лабораторная установка. На основании разработанной схемы ротационного пылеуловителя была сформирована и отправлена заявка на патент РФ. В ходе проведённых экспериментальных исследований были изучены влияние концентрации лёгких примесей на эффективность пылевыделения, а также влияние скорости воздуха в канале на эффективность пылеулавливания. По полученным данным построены графики, описывающие вышеуказанные зависимости. Исследования показали, что с увеличением скорости V(м/с) на входе эффективность выделения пыли Е_о (%) снижается, а концентрация запылённости воздуха в изученных пределах μ= 10 … 40 г/м³ не влияет на эффективность пылеулавливания Е_о (%).

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. Справочное издание / Г.М.-А. Алиев. – М.: Металлургия, 1986. – С.129-130.
2. Бурков А.И. Патент РФ, № 2122462 МПК6 B 01 D45/14. Поперечно-поточный ротационный пылеуловитель / А.И. Бурков, В.Л. Андреев, В.А. Казаков. Заявлено 21.04.97 Опубликовано -19.02. Бюллетень № 33
3. ГОСТ 10921-2017. Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний – Введ. 30. 11.2017. - М.: Стандартинформ,2017. - 45 с.
4. ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» - М.: Изд-во стандартов, 1988.- 8 с.
5. ГОСТ 122043-90. Оборудование пылеулавливающее. Классификация. -Введ. 01. 80. - М.: Изд-во стандартов,1980. - 8 с.
6. Ильичёв В.В. Выбор устройств для улавливания пыли в зависимости от условий их функционирования / В.В. Ильичёв // Вестник НГИЭИ. -2014. - №10. – С. 73-81
7. Казаков В.А. Обоснование технологической схемы и параметров ротационного поперечно-поточного пылеуловителя для очистки воздуха в процессах обработки зерна и семян / В.А. Казаков: Дис. … канд. техн. наук. – Киров, 1999.155 с.
8. Лянденбурский В.В. Основы научных исследований / В.В. Лянденбурский, В.В. Коновалов, А.В. Баженов. Учебное пособие. Пенза, 2013.
9. Овчинников Д.Н. Повышение эффективности зерноочистительных систем / Д.Н. Овчинников, Ю.И. Овчинникова // Вестник Курганской ГСХА.2018. № 4. С. 68 – 71.
10. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха / А.И. Пирумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1981. – С. 188-189.
11. Понамарев А.Б. Методология научных исследований / А.Б. Понамарев, Э.А. Пикулева. Учебное пособие. Пермь, 2014.
12. Попов И.П. Решетный стан зерноочистительной машины / И.П. Попов, В.Г. Чумаков, Д.П. Попов и др. // Сельский механизатор. 2015. № 4. С.8-9.
13. Холоденина Т.С. Анализ и классификация пылеуловителей, используемых в агропромышленном комплексе / Т.С. Холоденина // Современная наука: актуальные проблемы и перспективы развития: материалы и доклады Международной научно-практической конференции, 8–14 мая 2019 г. Том 2. С. 204-215.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Aliev G.M.-A. Tekhnika pyleulavlivanija i ochistki promyshlennykh gazov. Spravochnoe izdanie [The technique of dust extraction and purification of industrial gases. Reference edition] / G. M.-A. Aliev. - M.: Metallurgiya, 1986. - p.129-130 [in Russian]
2. Burkov A.I. Patent of the Russian Federation, No. 2122462 MPK6 B 01 D45/14. Poperechno-potochnyjj rotacionnyjj pyleulovitel' [Cross-flow rotary dust collector] / A. I. Burkov, V. L. Andreev, V. A. Kazakov. Date of appilcation: 21.04.97 Published: 19.02. 1998. Bulletin No. 33 [in Russian]
3. GOST 10921-2017. Ventiljatory radial'nye i osevye. Metody aehrodinamicheskikh ispytanijj [Radial and axial fans. Methods of aerodynamic tests ]. Introduced 30. 11.2017. - Moscow: Standartinform, 2017. - 45 p. [in Russian]
4. GOST 12.1.005-88 Obshhie sanitarno-gigienicheskie trebovanija k vozdukhu rabochejj zony [General sanitary and hygienic requirements for the air of the working area] - Moscow: Publishing house standartov, 1988.- 8 p. [in Russian]
5. GOST 122043-90. Oborudovanie pyleulavlivajushhee. Klassifikacija [Dust-collecting equipment. Classification]. -Introduced 01. 01.80. - Moscow: Publishing House of Standards, 1980. - 8 p. [in Russian]
6. Ilyichev V.V. Vybor ustrojjstv dlja ulavlivanija pyli v zavisimosti ot uslovijj ikh funkcionirovanija [Selection of devices for dust collection depending on the conditions of their operation] / V.V. Ilyichev // Vestnik NGIEI [Bulletin NGIEI]. -2014. - No. 10. - pp. 73-81 [in Russian]
7. Kazakov V.A. Obosnovanie tekhnologicheskojj skhemy i parametrov rotacionnogo poperechno-potochnogo pyleulovitelja dlja ochistki vozdukha v processakh obrabotki zerna i semjan [Substantiation of the technological scheme and parameters of a rotary cross-flow dust collector for air purification in grain and seed processing] / V. A. Kazakov: Candidate's thesis. Engineering. - Kirov, 1999.155 p. [in Russian]
8. Lyandenbursky V.V. Osnovy nauchnykh issledovanijj. Uchebnoe posobie [Fundamentals of scientific research. A Manual] / V. V. Lyandenbursky, V. V. Konovalov, A. V. Bazhenov. Penza, 2013 [in Russian]
9. Ovchinnikov D.N. Povyshenie ehffektivnosti zernoochistitel'nykh sistem [Improving the efficiency of grain cleaning systems] / D. N. Ovchinnikov, Yu. I. Ovchnnikova // Bulletin of the Kurgan State Agricultural Academy.2018. No. 4, pp. 68-71 [in Russian]
10. Pirumov A.I. Obespylivanie vozdukha [Dedusting of air] / A. I. Pirumov. - 2nd edition., Revised and Expanded - M.: Stroyizdat, 1981. - pp. 188-189 [in Russian]
11. Ponamarev A.B. Metodologija nauchnykh issledovanijj. Uchebnoe posobie [Methodology of scientific research. A Manual] / A. B. Ponamarev, E. A. Pukuleva. Perm, 2014 [in Russian]
12. Popov I.P. Reshetnyjj stan zernoochistitel'nojj mashiny [The sieve mill of a grain cleaning machine] / I. P. Popov, G. Chmakov, D. P. Popov, et al. // Selsky mekhanizator [Rural mechanizer]. 2015. No. 4, pp.8-9 [in Russian]
13. Kholodenina T.S. Analiz i klassifikacija pyleulovitelejj, ispol'zuemykh v agropromyshlennom komplekse [Analysis and classification of dust collectors used in the agro-industrial complex] / T. S. Kholodenina // Sovremennaja nauka: aktual'nye problemy i perspektivy razvitija: materialy i doklady Mezhdunarodnojj nauchno-prakticheskojj konferencii [Modern science: actual problems and prospects of development: materials and reports of the International Scientific and Practical Conference], May 8-14, 2019 Volume 2, pp. 204-215 [in Russian]