Владимир Аркадьевич Девисилов, к.т.н., доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность»
105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, с. 1
Vladimir A. Devisilov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Ecology and Industrial Safety Department
5, 2nd Baumanskaya St., building 1, Moscow, 105005
Никита Платонович Фролов, аспирант кафедры «Экология и промышленная безопасность»
105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, с. 1
Nikita P. Frolov, Postgraduate Student of the Ecology and Industrial Safety Department
5, 2nd Baumanskaya St., building 1, Moscow, 105005
Введение. В промышленных системах фильтрования одной из ключевых проблем является снижение пропускной способности фильтра вследствие накопления улавливаемых частиц и образования слоя осадка на фильтровальной перегородке. Это ведёт к росту гидравлического сопротивления, увеличению энергопотребления и вынужденным остановкам на обслуживание. Повышение ресурса фильтрующих элементов без потери производительности остаётся актуальной технологической задачей, для решения которой применяются методы регенерации гидродинамических фильтров — в частности, вращение фильтровального элемента и наложение вибрационных воздействий. Однако существующие исследования рассматривают эти методы преимущественно изолированно: отсутствуют теоретические модели, описывающие совместное действие центробежных и вибрационных сил, не получены экспериментальные данные о синергетическом эффекте их комбинирования, а также не разработаны критерии оптимизации такого комбинированного воздействия с учётом режимных параметров и адгезионных свойств осадка. Целью работы являлась разработка расчётного метода оптимизации комбинированного центробежно-вибрационного воздействия на основе аналитического и экспериментального исследования его влияния на эффективность регенерации гидродинамических фильтров.
Материалы и методы. Исследования проводились на экспериментальном стенде с гидродинамическим вибрационным фильтром, оснащённым цилиндрической фильтровальной перегородкой из комбинированного пористого сетчатого металла (тонкость очистки 10 мкм), которой независимо сообщались вращательное и вибрационное движения. Для описания условий отрыва частиц осадка была разработана аналитическая модель на основе баланса сил, действующих на частицу на вращающейся и вибрирующей поверхности. Она позволила оценить эффективность регенерации фильтра в зависимости от режимных параметров. Эксперименты проводились на водных суспензиях электрокорунда (200–250 мкм) и карбида кремния (60–80 мкм) объёмной концентрацией 0,1 %. Режим регенерации включал одновременное увеличение скорости вращения перегородки до 1000 об/мин и наложение вибрации с амплитудой 1 мм при варьируемой частоте 50, 60 и 70 Гц с перекрытием патрубка фильтрата для устранения удерживающего перепада давления.
Результаты исследования. Экспериментально установлены количественные зависимости эффективности регенерации от частоты вращения, амплитуды и частоты вибрации. Разработана аналитическая модель баланса сил, позволяющая прогнозировать степень очистки для произвольных сочетаний указанных параметров. Верификация модели показала, что расхождение расчётных и экспериментальных данных не превышает 15–20 %, что подтверждает её пригодность для инженерных расчётов. На базе модели предложен расчётный метод оптимизации, обеспечивающий выбор комбинации режимных параметров, при которой достигается требуемый уровень очистки при минимальных энергозатратах и допустимых механических нагрузках на конструкцию.
Обсуждение. Низкая эффективность чисто центробежной регенерации (2–20 %) объясняется тем, что для мелкодисперсных частиц отношение адгезионных сил к инерционным существенно выше, чем для крупных, что согласуется с классической теорией адгезии Дерягина. Синергетический эффект комбинированного воздействия обусловлен дополнением радиального центробежного усилия тангенциальными сдвиговыми напряжениями, генерируемыми вибрацией, что обеспечивает более полное разрушение адгезионных связей в слое осадка. Расхождение модели с экспериментом в пределах 15–20 % связано главным образом с неопределённостью в определении адгезионных характеристик пары «частица – фильтровальная перегородка», однако такая точность является приемлемой для инженерного подбора режимных параметров. Полученные закономерности качественно согласуются с известными литературными данными о раздельном влиянии вращения и вибрации на удаление осадков, но впервые количественно описывают их совместное действие. Ограничением работы является валидация модели только для водных суспензий, что требует дополнительных исследований при переходе к вязким и неньютоновским средам.
Заключение. Экспериментально доказано, что комбинирование центробежного и вибрационного воздействий позволяет повысить эффективность регенерации фильтровальной перегородки гидродинамического фильтра до 60–80 % по сравнению с 2–20 % при использовании только вращения. Разработана аналитическая модель на основе баланса сил, верифицированная экспериментально с погрешностью не более 20 %, пригодная для инженерного расчёта оптимальных режимов регенерации. Показано, что ключевым параметром, определяющим точность прогноза, являются адгезионные свойства частиц, требующие экспериментального определения для каждой конкретной системы. Результаты создают научную основу для проектирования самоочищающихся фильтровальных аппаратов непрерывного действия. Перспективным направлением является адаптация предложенной методики для реологически сложных промышленных сред и оптимизация энергопотребления вибросистемы.
Introduction. In industrial filtration systems, one of the main challenges is reducing the filter capacity due to the accumulation of retained particles and the formation of sediment layer on the filter baffle. This results in increased hydraulic resistance, increased energy consumption, and forced service stops. Extending the lifespan of filter elements while maintaining productivity is a crucial technological challenge. This involves methods such as the regeneration of hydrodynamic filters, including the rotation of the filter element and the use of vibration effects. However, current research focuses on these methods individually, with no theoretical models for the combined effect of centrifugal and vibrational forces. Experimental data on the synergy between these forces has not been collected, and criteria for optimizing this combined effect have not been established considering operating parameters and the adhesive properties of sediment. The aim of this research was to develop a computational method for optimizing the combined centrifugal-vibration effect, based on an analytical and experimental study of its impact on the regeneration efficiency of hydrodynamic filters.
Materials and Methods. The research was conducted on a laboratory test bench with a hydrodynamic vibrating filter equipped with a cylindrical filter baffle made of a combined porous mesh metal (fineness of 10 µm), which could perform independent rotational and vibrational movements. To describe the condition for sediment particle detachment, an analytical model was developed based on the balance of forces acting on a particle on a rotating and vibrating surface. This allowed us to evaluate the effectiveness of filter regeneration based on operating parameters. The experiments were conducted using aqueous suspensions of electrocorundum (200–250 µm) and silicon carbide (60–80 µm) with a volume concentration of 0.1%. The regeneration mode involved a simultaneous increase in the rotational speed of the baffle to 1000 rpm and vibration with an amplitude of 1 mm at a variable frequency of 50, 60 and 70 Hz with the filtrate outlet closed to eliminate the change of pressure.
Results. Quantitative dependencies of the regeneration efficiency on rotational speed, vibration amplitude and frequency were experimentally determined. An analytical model of force balance was developed, which allowed predicting the degree of purification for any combination of these parameters. Verification of the model showed that the discrepancy between the calculated and experimental data did not exceed 15–20%, confirming its suitability for engineering calculations. Based on the model, a computational optimization method was proposed that provided a choice of a combination of operating parameters at which the required level of cleaning was achieved with minimal energy consumption and permissible mechanical loads on the structure.
Discussion. The low efficiency of purely centrifugal regeneration (2–20%) was explained by the fact that for fine particles, the ratio of adhesive forces to inertial forces was significantly higher than for coarse particles. This was consistent with the Derjaguin classical theory of adhesion. The synergistic effect of the combined effect was due to the addition of radial centrifugal force by tangential shear stresses generated by vibration, which ensured a more complete destruction of adhesive bonds in the sediment layer. The discrepancy between the model and the experiment in the range of 15–20% was mainly due to uncertainty in determining the adhesion characteristics of the particle –filter baffle pair. However, this level of accuracy was acceptable for the engineering selection of operating parameters. The obtained patterns were qualitatively consistent with the known literature data on the individual effects of rotation and vibration on sediment removal, but for the first time, they quantitatively describe their combined effect. One limitation of the study was the validation of the model for aqueous suspensions only, which required additional research to extend it to viscous and non-Newtonian media.
Conclusion. It has been experimentally proven that the combination of centrifugal and vibrational effects can increase the regeneration efficiency of the hydrodynamic filter baffle by 60–80%, compared to 2–20% with rotation alone. An analytical model has been developed based on the balance of forces, and verified experimentally with an error of no more than 20%. This model is suitable for engineering calculations of optimal regeneration modes. It is demonstrated that the key parameter determining the accuracy of the forecast is the adhesion properties of particles, which require experimental determination for each system. The results provide a scientific basis for designing continuous self-cleaning filtration devices. A promising direction for future research is the adaptation of this technique to rheologically complex industrial environments, as well as optimizing energy consumption in the vibration system.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.