Устройство для изучения работы гидроциклона

Для изучения гидроциклонных установок в технологических схемах обогащения угля в профильных учебных заведениях используется стенд-планшет «Гидроциклон» [1]. Он представляет собой панель с цветным изображением гидроциклона. Демонстрация принципа его работы осуществляется с помощью светодинамической подсветки. Такое наглядное пособие не обеспечивает наблюдение реальных явлений в гидроциклонах и опытное определение эффективности их работы.

Для основательного изучения работы гидроциклонов в вузах используются комплексы с полномасштабными традиционными установками, оборудованием и измерительными приборами [2]. Такие установки относительно сложны по конструкции, содержат насосы и большие резервуары, занимают значительную площадь в лаборатории, предполагают наличие в помещении внутреннего водопровода и канализации, потребляют электроэнергию. Они имеют высокую стоимость, требуют больших затрат времени (несколько занятий) на проведение эксперимента, анализ проб и обработку результатов. Кроме того, эти установки не позволяют проводить наглядные демонстрации гидравлических явлений в циклоне.

С учебно-методической точки зрения наиболее продуктивным процессом обучения является ознакомление студентов с работой упрощенных прозрачных моделей таких установок и проведение на них простых экспериментов. Такой подход обеспечивает максимальную наглядность изучаемого явления и быстрое проведение эксперимента. При этом предполагается, что полученные таким образом знания студенты могут углубить в период производственных практик на очистных сооружениях и в научно-исследовательских организациях. Поэтому проблема создания и организации выпуска эстетичной, простой, удобной в эксплуатации, универсальной и недорогой учебной демонстрационно-лабораторной техники для изучения работы гидроциклона является актуальной.

В связи с этими обстоятельствами в Томском архитектурно-строительном университете (ТомГАСУ) разработано устройство для изучения работы гидроциклона с вышеуказанными свойствами. Оно вошло в состав учебного гидравлического комплекса «Капелька» [3] под названием «Устройство №11» и позволяет изучить конструкцию напорного гидроциклона, провести увлекательную демонстрацию гидравлических явлений в нем и приобрести навыки по экспериментальному определению эффективности очистки воды в циклоне от взвешенных веществ.

Прототип устройства.

Наиболее близким по техническому решению к разработанному авторами устройству является стенд для испытаний гидроциклона фильтрующего [4]. Этот стенд содержит емкость 1 с загрязненной песком жидкостью (рис. 1), насос 2, который соединен напорным трубопроводом 3 с входным патрубком испытываемого гидроциклона 4. Сливная и разгрузочная линии 5 и 6 циклона связаны со съемными мерными сосудами 7. Для ускорения получения результатов испытаний мерные сосуды 7 снабжены ситами 8. Нижняя часть емкости 1 соединена с напорной линией насоса 2 для создания циркуляции и перемешивания загрязненной жидкости в емкости. Запорно-регулирующие вентили 10, 11 предназначены для изменения режимов работы стенда.

Стенд работает следующим образом. Включают насос 2, обеспечивая подачу очищаемой жидкости на гидроциклон 4 при заданных давлении и подаче. После выхода стенда на установившийся режим работы, устанавливают съемные мерные сосуды 7 и фиксируют время их заполнения, определяя тем самым объемные расходы Q. Затем устанавливают сита 8 и в течение заданного времени (порядка 1 мин) ведут сбор механических примесей в сита «песковое» и «сливное». Взвешивают собранное количество механических примесей и рассчитывают эффект очистки жидкости.

Описание устройства для изучения гидроциклона.

Разработанное авторами устройство (рис. 2) представляет собой упрощенную модель вышеописанного стенда. Оно выполнено из прозрачного материала на основе патента на изобретение [5], содержит баки 1 и 7, соединенные каналами между собой и с гидроциклоном 4. Гидроциклон имеет питающий патрубок 2 для подачи исходной жидкости и сливной патрубок 3 для отвода осветленной жидкости. Под гидроциклоном расположен бункер 5, в котором накапливаются уловленные в циклоне механические примеси (загрязнения) 6.

Устройство заполнено водой, содержащей пластмассовые шарики, имитирующие механические примеси. В воду могут быть добавлены микроскопические частицы алюминия для визуализации течений.

Для запуска устройства в работу его устанавливают на стол баком 1 для его заполнения (рис. 3). Затем медленно вращают устройство в вертикальной плоскости по часовой стрелке до заполнения гидроциклона 4 и бункера 5 жидкостью. Устройство быстро приводится в действие после установки его баком 7 на стол, как показано на рис. 2.

При этом, поступающая через гидроциклон в нижний бак 7 вода, вытесняет воздух в виде пузырей в верхний бак через воздушный канал 8, что обеспечивает перемешивание шарообразных частиц с жидкостью в верхнем баке 1 и поддерживает их во взвешенном состоянии. Жидкость с шарообразными частицами входит самотеком по питающему патрубку 2 в гидроциклон 4, где большая часть частиц отделяется и попадает в бункер 5. Осветленная жидкость с небольшой частью примесей поступает через сливной патрубок 3 в бак 7.

В ходе опыта наблюдают и зарисовывают схему и структуру потоков в гидроциклоне (рис. 4), баках и каналах устройства по меченым частицам алюминия и шарообразным включениям. Особое внимание обращают на процессы взвешивания примесей в баке 1 и их отделения в циклоне 4.

В конце опыта замеряют высоту слоя осадка h_ос в бункере после опорожнения верхнего бака. Опыт повторяют 3 раза. Результаты замеров и параметры устройства заносятся в табл. 1, где проводятся расчеты эффекта осветления жидкости в гидроциклоне.

Примечание. Объем примеси (шариков) в исходной воде V = 17 см3, объем воды в устройстве W = 1,2 л, площадь поперечного сечения бункера ω = 5,5 см2 (указаны на корпусе устройства).

Содержание и порядок выполнения демонстраций и учебных работ на устройстве № 11 подробно описаны в методических указаниях, помещенных в разделе: Устройство 11 - работа напорного гидроциклона.

Конкурентные преимущества учебно-лабораторного устройства.

Достоинства устройства, достигнутые благодаря техническим решениям, повышают культуру и эффективность учебного процесса, так как обеспечивают простоту конструкции устройства, его портативность и автономность относительно водо- и энергопитающих сетей, бесшумность работы, удобство в эксплуатации, наглядность изучаемых процессов, быстрое проведение опытов, позволяют экономить лабораторные площади и индивидуально выполнять демонстрации и работы. Размеры и масса устройства наилучшим образом отвечают эргономическим параметрам при самостоятельной работе обучающихся сидя. Устройство готово к работе в любой момент и в любой аудитории. Для приведения в действие достаточно его перевернуть.

Указанные преимущества обеспечивают эффективность применения устройства в дистанционном обучении. Проводить опыты и демонстрировать работу устройства можно в любом месте и с использованием любых стандартных способов видеосвязи.

Таким образом, при проведении демонстрационного эксперимента устройство имеет неоспоримые преимущества по сравнению с традиционными лабораторными стендами и позволяет также выполнить простую учебную лабораторную работу по определению эффекта очистки жидкости. Однако следует учитывать, что оно проигрывает традиционным стендам по точности измерений и не обеспечивает регулировку параметров. Поэтому при выполнении некоторых работ целесообразно использовать его совместно с традиционными лабораторными стендами. Этот подход наиболее оправдан, если стенды автоматизированы, а запись результатов измерений и их обработка осуществляются с использованием компьютерной техники.

Выпуск устройства.

Простота и высокая технологичность конструкций учебно-демонстрационного устройства при изготовлении формованием из листовой прозрачной пластмассы, отсутствие дефицитных и дорогостоящих материалов и комплектующих деталей и узлов (двигателей, насосов, запорной и регулирующей арматуры) позволили освоить выпуск устройства в ТомГАСУ малыми сериями. Благодаря своим достоинствам устройство имеет спрос и уже используется в учебных заведениях России.

Список рекомендуемой литературы:

1. Стенд-планшет «Гидроциклон» http://labstand.ru.

2. Лабораторный практикум по водоотведению и очистке сточных вод: Учеб. пособие для вузов / Калицун В.И. и др. – М.: Стройиздат, 2001. – 272 с.

3. Слабожанин Г.Д. Гидравлика: практикум (на комплексе «Капелька»)/ Г.Д. Слабожанин. – Томск: Изд-во Том. гос архит.-строит. ун-та, 2017. – 144 с.

4. Патент РФ 104389, МПК H01T 13/58. Стенд для испытаний гидроциклона фильтрующего/ Валюхов С.Г., Веселов В.Н., Бучик В.Н., Запорожец В.П. – Опубл. 10.05.2011, Бюл. №13.

5. Патент РФ 2216050, МКИ G09B 23/12. Учебно-лабораторное устройство для демонстрации работы гидроциклона / Слабожанин Д.Г., Слабожанин Г.Д. – Опубл. 10.11.2003, Бюл. №31.

Разработка устройства для изучения гидроциклона

Обратите внимание на товары из статьи

Устройство 11 - работа напорного гидроциклона