ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА
Харченко Сергій Олександрович
УДК 631.362.3; 621.928.92
ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ОЧИщення ПОВІТРЯНОГО ПОТОКУ ПИЛООСАДЖУВАЛЬНОЮ КАМЕРОЮ ВІБРОВІДЦЕНТРОВИХ ЗЕРНОВИХ СЕПАРАТОРІВ
05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тіщенко Леонід Миколайович,
Харківський національний технічний університет
сільського господарства імені Петра Василенка,
перший проректор, завідувач кафедри деталей машин і
підйомно-транспортних машин.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Котов Борис Іванович,
ННЦ ІМЕСГ, головний науковий співробітник лабораторії
післязбиральної обробки зерна;
кандидат технічних наук, доцент Бакум Микола Васильович,
Харківський національний технічний університет
сільського господарства імені Петра Василенка,
завідувач кафедри сільськогосподарських машин.
Провідна установа: Кіровоградський національний технічний університет,
кафедра сільськогосподарського машинобудування,
Міністерство освіти і науки України,
м. Кіровоград.
Захист відбудеться ,, 12” червня 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.
Автореферат розісланий ,, 4 ” травня 2007 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради О.Д. Черенков
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Пилоосаджувальні камери вібровідцентрових зернових сепараторів А1-БЦСМ-100, Р8-БЦСМ-50, Р8-БЦСМ-25, СВС-15, СВС-5 призначені для очищення повітряного потоку від частинок легких домішок і пилу. Збільшення засміченості та об’ємів переробки зерна призводять до перевищення нормованої запиленості зони обслуговування, потребують підвищення ефективності процесу очищення повітряного потоку пилоосаджувальними камерами. Подальше збільшення продуктивності сепараторів призводить до зниження якості очищення повітряного потоку пилоосаджувальними камерами і забруднення оточуючого середовища.
Аналізом відомих досліджень, направлених на вдосконалення пиловловлюючих пристроїв, встановлено, що перспективним напрямком підвищення їх ефективності є інтенсифікація процесу очищення повітряного потоку шляхом застосування регульованого проміжного відбору і відведення частинок домішок. Таким чином, обґрунтування параметрів процесу очищення повітряного потоку та розробка пилоосаджувальної камери, яка його інтенсифікує, є актуальною і перспективною задачею для розвитку зернопереробної галузі України.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності: з Державною програмою “Виробництво технологічних комплексів машин і обладнання для агропромислового комплексу на період 1998-2005 р.р. Розділ 3 (п.3.8). Техніка для післязбиральної обробки зерна”; з регіональною програмою “Найважливіші проблеми АПК на період 1996-2005 р.р.”; з розділом комплексної теми 1-4 науково-дослідних робіт ХНТУСГ “Розробка та впровадження елементів вібраційно-відцентрових сепараторів для підвищення ефективності їх використання”, на період 1995-2005 р.р.; з комплексною темою наукових досліджень у співробітництві з ВАТ “Вібросепаратор”(м. Житомир) “Про проведення науково-дослідних робіт по зниженню викиду пилу сепаратором-ворохоочисником самопересувним СВС-15”, на період 2004-2006 р.р.; з науково-дослідною роботою “Обґрунтування параметрів процесу пиловловлення вібровідцентрових зернових сепараторів” (ДР №0103U007278, 2002-2005 р.р.).
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності процесу очищення повітряного потоку пилоосаджувальною камерою шляхом обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів, впровадження її в серійне виробництво вібровідцентрових зернових сепараторів.
Для досягнення поставленої мети визначені наступні завдання дослідження:
- виконати теоретичні дослідження процесу очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою;
- розробити математичні моделі динаміки двофазного потоку з регульованим проміжним відбором і відведенням домішок в робочій зоні розробленої пилоосаджувальної камери;
- виконати комплексне обґрунтування конструктивних параметрів пилоосаджувальної камери з урахуванням фізико-механічних властивостей частинок домішок, запиленості та швидкості повітряного потоку;
- виконати експериментальні дослідження траєкторій і швидкостей повітряного потоку і частинок домішок; визначити: ефективний динамічний коефіцієнт в’язкості запиленого потоку, гідравлічний опір, сепараційну та фракційну ефективність процесу очищення розробленою пилоосаджувальною камерою;
- розробити, виготовити та провести порівняльні з серійною виробничі випробування пилоосаджувальної камери, визначити техніко-економічну ефективність її застосування;
- впровадити в серійне виробництво розроблену пилоосаджувальну камеру.
Об’єкт дослідження: процес очищення повітряного потоку, зв'язок процесу з конструктивно-технологічними параметрами пилоосаджувальної камери, фізико-механічними властивостями домішок.
Предмет дослідження: обґрунтування параметрів процесу очищення повітряного потоку пилоосаджувальною камерою вібровідцентрових зернових сепараторів.
Методи дослідження: теоретичні дослідження виконані із застосуванням основних положень механіки суцільних і гетерогенних середовищ. Розв’язання рівнянь виконані кінцево-різницевим методом за схемою Кранка-Ніколсона і методом розчеплення з використанням обчислювальної техніки. Експериментальні дослідження проведені із застосуванням відеозйомки і тензометрування. Використана методика планування факторного експерименту. Обробка результатів експериментальних досліджень виконана з використанням положень теорії ймовірності та математичної статистики. Виробничі випробування виконані відповідно до методики випробувань зерноочисних машин.
Наукова новизна одержаних результатів:
- вперше за допомогою побудованих рівнянь динаміки двофазного потоку визначені закономірності змінень складових швидкостей частинок домішок і повітряного потоку в робочій зоні розробленої пилоосаджувальної камери [1, 3];
- для керування та розрахунку технологічних показників продуктивності і якості створені математичні моделі нелінійної динаміки етапів процесу очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою. В моделях вперше враховані: регулювання проміжного відбору і відведення домішок, залежності ефективного динамічного коефіцієнта в’язкості запиленого потоку від форми частинок домішок, вплив конструктивно-технологічних параметрів пиловловлюючого пристрою [2, 3];
- для оцінки впливу розробленої пилоосаджувальної камери на ефективність процесу очищення повітряного потоку вперше виконане комплексне обґрунтування її конструктивних параметрів з урахуванням технологічних показників (швидкості та запиленості повітряного потоку) і фізико-механічних властивостей домішок [5, 6].
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки і рекомендації достатньо обґрунтовані та достовірні, виконані на базі положень механіки суцільних і гетерогенних середовищ з використанням комп’ютерних технологій, підтверджені результатами експериментальних досліджень і виробничих випробувань.
Наукове значення роботи. Одержані нові наукові результати мають значення для розвитку наукових знань нелінійної динаміки процесу очищення повітряного потоку від домішок. Теоретично визначені можливості керування відбором та відведенням домішок для підвищення якості та продуктивності процесу очищення повітряного потоку. Визначені закономірності процесу дозволяють прогнозувати перерозподіл дисперсної фази в робочих зонах пиловловлювачів.
Практичне значення одержаних результатів.
Запропонована і обґрунтована нова конструктивно-технологічна схема пилоосаджувальної камери, яка підвищує ефективність процесу очищення повітряного потоку до 91% і збільшує продуктивність вібровідцентрових сепараторів СВС-15 на 15-17%.
На підставі проведених досліджень створена та випробувана у виробничих умовах державної станції по випробуванням та охороні сортів рослин (с. Високе Черняхівського р-ну Житомирської обл.) на сепараторі СВС-15 розроблена пилоосаджувальна камера з економічним ефектом 5100 грн.
ВАТ “Вібросепаратор” з 2003 р. впровадив у серійне виробництво вібровідцентрових сепараторів СВС-15, СВС-5 і А1-БЦСМ розроблену пилоосаджувальну камеру. Її використання на СВС-15 дає економічний ефект 7500 грн, а при річній програмі випуску 100 шт - 750 тис. грн.
Розроблено експериментальний метод визначення ефективного динамічного коефіцієнта в’язкості запиленого потоку.
Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем одержані особисто. У наукових працях, які виконані у співавторстві, особистий внесок наступний: [1, , ] – розроблені математичні моделі динаміки двохфазного потоку, складені граничні умови, одержано розв’язок; [4, , ] – проведені випробування з обробкою результатів.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались: на міжнародних науково-практичних конференціях (МНПК) “Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв” (ХДТУСГ, Харків, 2000р., 2005р.); на V, VЙ, VЙЙ МНПК “Вібрації в техніці та технологіях” (ВДАУ, Вінниця, 2004р.; ПНТУ, Полтава, 2005р.; НТУ „Львівська політехніка”, Львів, 2006р.); на МНПК “Технічний прогрес в АПК” (ХНТУСГ, Харків, 2004р.); на МНПК “Сучасні проблеми землеробської механіки” (ТДАА, Мелітополь, 2006р.).
Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 7 наукових статтях фахових видань, у тому числі 1 – самостійно. Одержано патент України.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 145 найменувань і 4 додатків. Повний обсяг дисертації викладено на 230 сторінках комп’ютерного тексту (основна частина 185 сторінок), містить 102 рисунка, 22 таблиці і додатків на 32 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, викладений зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовані мета, завдання досліджень, наведено наукову новизну та значення одержаних результатів.
У першому розділі наведено аналіз відомих досліджень процесу очищення повітряного потоку пиловловлювачами, виконано порівняння конструкцій пристроїв для інтенсифікації процесу.
Дослідження процесів очищення повітряного потоку виконували В.В. Батурін, Є.І. Ідельчик, Г.А. Васильєва, Я.Д. Ярош, В.П. Куц, О.В. Шушляков, В.І. Мулявко, В.В. Майструк, А.І. Бурков, Н.П. Сичугов та ін. Взаємодію суці-льних середовищ з робочими органами сільськогосподарських машин дослід-жували П.М. Заїка, П.С. Берник, Б.І. Котов, Р.М. Рогатинський, В.О. Дубровін, Д.І. Мазоренко, О.І. Завгородній, Л.М. Тіщенко, М.В. Бакум та ін.
Перспективним напрямком підвищення ефективності процесу очищення повітряного потоку пилоосаджувальною камерою є використання регульованого відбору частинок домішок з їх подальшим відведенням до вивантажувального пристрою. Для цього в камері встановлено пило-вловлюючий пристрій (рис.1), який складається з поперечної щілини 4, регульованого додаткового клапану 5 та відвідних рукавів 6. Пиловловлюючий пристрій здійснює проміжний відбір і відведення частинок домішок. При цьому пилоосадження залишається без змін, що і дозволяє інтенсифікувати процес очищення повітряного потоку.
Таким чином, необхідно вирішити наукове завдання з обґрунтування параметрів процесу очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою з регульованим відбором і відведенням домішок.
У другому розділі досліджено закономірності змінювання коефіцієнта очищення, складових швидкостей повітряного потоку і частинок дисперсної фази, побудовані математичні моделі нелінійної динаміки частинок дисперсної фази з регульованим проміжним їх відбором та відведенням в робочій зоні пиловловлюючого пристрою, обґрунтовані його конструктивно-технологічні параметри.
Для розв’язання задач проміжного регульованого відбору та відведення частинок дисперсної фази розрахункові схеми робочого каналу розробленого пиловловлюючого пристрою представлені на рис.2, а, б.
Процес очищення запиленого повітряного потоку належить до динаміки дво або багатофазних середовищ (несучої фази - повітряного потоку і дисперсної - частинок пилу та легких домішок), які описуються моделлю багатошвидкісних взаємопроникнених континуумів.
З урахуванням нелінійності динаміки такого потоку, основна система рівнянь має вигляд:
, (1)
, (2)
, (3)
, (4)
де 1- густина повітряного потоку;- тиск потоку; - динамічні коефіцієнти об’ємної і зсувної в’язкості повітряного потоку; u, U - швидкості повітряного потоку і дисперсних частинок, відповідно; - відносна швидкість руху дисперсних частинок; - кількість частинок дисперсної фази у одиниці об’єму повітря (запиленість); - інтенсивність зовнішніх масових сил (сила тяжіння); *- фізичний параметр:
,
де 10, 20- дійсні густини повітря і дисперсних частинок; С- коефіцієнт опору; а- середній лінійний розмір частинки.
Для розв’язання рівнянь (1-4) задані початкові та граничні умови:
- при полярному куті =00 (рис.2,а):
де 1, u1, v1- густина, трансверсальна і радіальна складові швидкості повітряного потоку на вході до каналу, відповідно;
- умова прилипання повітряного потоку (=0) і непроникнення для дисперсних частинок (- одинична нормаль) на твердій стінці (крива KS);
- на відрізкові OT прийнято умову вільного витікання – для нормальної складової швидкості руху середовища ;
- на відрізкові TS - умову, що враховує наявність пристрою, який розділяє потік: , де - радіуси, які визначають площу вхідного отвору пиловловлюючого пристрою, - емпіричний параметр, - атмосферний тиск;
- при , 0<<R1: ;
-
, ,
де - максимальна швидкість и на ST, - густина повітря в атмосфері зовні каналу, - кут відкриття додаткового клапану, С - квадрат швидкості звуку;
- для густини повітряного потоку і кількості частинок на вході прийняті задані розподілення характеристик потоку по об’єму каналу при t=0.
Математична модель нелінійної динаміки запиленого повітряного потоку з регульованим проміжним відбором дисперсних частинок з урахуванням допущень має вигляд:
, (5)
, (6)
, (7)
, (8)
(9)
, (10)
де ; - ефективний динамічний коефіцієнт в’язкості потоку; ,- відповідно трансверсальні та радіальні складові швидкостей повітряного потоку і дисперсних частинок.
Числовим розв’язком рівнянь (5-10) і аналізом результатів на етапі регульованого відбору одержані залежності коефіцієнта очищення від конструктивних і технологічних параметрів розробленого пиловловлюючого пристрою, складові швидкості дисперсних частинок за радіусом робочого каналу.
Математична модель нелінійної динаміки етапу відведення дисперсної фази П – подібними рукавами розроблена в тримірному вигляді. З урахуванням симетрії конструкції пиловловлюючого пристрою відносно площини XOY (рис.2, б), використана половина робочої зони. Введено циліндричну систему координат (r, и, z, t), а через u(и, r, z, t), U(и, r, z, t), v(и, r, z, t), V(и, r, z, t), w(и, r, z, t), W(и, r, z, t) відповідно позначено трансверсальні, радіальні та осьові складові швидкостей повітряного потоку та дисперсних частинок.
Задані початкові та граничні умови:
- на отворі DEKL, стінках CBFL, ABF - умова прилипання і непроникнення;
- на отворі OAGD задано u, v, w у вигляді:
- на отворі EGFK у вигляді:
де , ,
де – коефіцієнт витрати, що дорівнює відношенню витрат повітря через отвір OAGD до витрат через EGFK; ucp- середня швидкість повітряного потоку у вхідному патрубку;
- при и = 00:
де сo, no - відповідно початкові густина потоку та кількість дисперсних частинок;
- умова симетрії потоку: ;
- при t=0 прийняті задані розподілення по об’єму: с(и, r, z, 0), u(и, r, z, 0), v(и, r, z, 0), w(и, r, z, 0), U(и, r, z, 0), V(и, r, z, 0), W(и, r, z, 0), n(и, r, z, 0) у вигляді:
Математична модель динаміки, що моделює відведення частинок дисперсної фази з урахуванням вищезазначених умов, в циліндричній системі координат має вигляд:
, (11)
, (12)
(13)
(14)
, (15)
, (16)
, (17)
. (18)
Коефіцієнт очищення пиловловлюючого пристрою визначено за формулою:
,
де УO, УS - відповідно площі отворів OAGD і EGFK.
Для розв’язання рівнянь (11-18) використаний кінцево-різницевий метод розчеплення рішення рівнянь Нав’є-Стокса з використанням схеми Кранка-Ніколсона.
Аналізом результатів математичного моделювання визначені: середня швидкість повітряного потоку на вході uср=2,0-2,2м/с, ширина щілини b=0,1м, кут відкриття додаткового клапану =300-320, при яких забезпечується найбільша ефективність очищення повітряного потоку розробленим пиловловлюючим пристроєм у=30-35%. Одержані значення складових швидкості дисперсних частинок (рис.3) підтверджують їх перерозподіл в робочому каналі до перегородки, П- подібне відведення і відділення пиловловлюючим пристроєм. Визначено, що завдяки дії криволінійної перегородки та витраті повітря через пиловловлюючий пристрій, спостерігається перерозподіл дисперсних частинок в робочій зоні: при наближенні до рукавів густина повітряного потоку збільшується на 0,4-5%, концентрація дисперсних частинок - на 0,5-1%; а при наближенні до вихідного перетину робочої зони – густина на 0,1-4,5%, концентрація - на 0,1-1%. Одержаний діапазон змінення z- складової швидкості (-0,047)-0,001м/с свідчить про несуттєве переміщення дисперсних частинок відносно осі z.
У третьому розділі наведено програму та методику проведення експериментальних досліджень.
Для дослідження динаміки двофазного потоку ділянка бокової стінки корпусу пилоосаджувальної камери виготовлена з оргскла. Визначення складових швидкостей повітряного потоку виконано з застосуванням п’яти-канального зонду з мікроманометрами, домішок - за допомогою відеозйомки крізь оргскло.
Запропоновано експериментальний метод визначення ефективного динамічного коефіцієнта в’язкості запиленого потоку для частинок домішок різної форми. Для цього виготовлений тензодатчик занурювався у запилений повітряний потік, і визначалося дотичне зусилля в’язкого тертя в шарах потоку. За одержаною величиною дотичного зусилля визначався ефективний динамічний коефіцієнт в’язкості запиленого потоку.
Для визначення закономірностей ефективного динамічного коефіцієнта в’язкості запиленого потоку, фракційної ефективності запропоновано моделювання суміші дисперсних частинок шляхом процентного компонування частинками легких домішок сферичної, плоскої і сигароподібної форми.
У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень та їх аналіз.
Дослідженням закономірностей руху повітряного потоку визначено, що ефективність пиловловлюючого пристрою залежить від величин складових швидкості в секторі робочої зони R2=0,075-0,15м. Причому при наближенні до вхідного отвору П- подібних відвідних рукавів (z=L/20) в основному каналі їхні значення знижуються, а в допоміжному - зростають. Встановлені складові швидкості повітряного потоку: трансверсальна (радіальна) при и=340 до 0,8,1)м/с; и=450 до 1,3,3)м/с; и=560 до 2,2,4)м/с; и=900 до 4,2,8)м/с.
Дослідженням закономірностей руху частинок домішок підтверджено, що під дією радіальної складової швидкості повітряного потоку, яка від вхідного до вихідного перетину на секторі робочої зони R2=0,075-0,15м збільшується в 7 - 8 разів, частинки домішок переміщаються до криволінійної поверхні перегородки і відділяються пиловловлюючим пристроєм. Визначені складові швидкості частинок домішок в секторі робочої зони становлять: трансверсальна (радіальна) при и=340 до 1,5,2)м/с; и=450 до 1,65,4)м/с; и=560 до 2,3,55)м/с; и=900 до 2,8,0)м/с. Одержані швидкості та траєкторії руху повітряного потоку і частинок домішок узгоджуються з результатами теоретичного дослідження з розбіжністю 3-5%. Це підтверджує адекватність математичних моделей регульованого проміжного відбору та відведення частинок домішок розробленим пиловловлюючим пристроєм.
Дослідженням якості процесу встановлено, що сепараційна ефективність розробленої пилоосаджувальної камери перевищує на 30-35% ефективність серійної та складає о=90-91% (рис.4, а, б). Одержані значення середньої швидкості повітряного потоку на вході uср=2-2,2 м/с, кута відкриття додаткового клапану =30-320 та ширини щілини b=0,1-0,11 м узгоджуються з даними математичного моделювання: при розв’язанні задачі проміжного регульованого відбору =30-350, uср=2-2,2 м/с; відведення =30-320, uср=2-2,2 м/с, b=0,1 м.
Визначено гідравлічний опір розробленої пилоосаджувальної камери ?р=355-365Па, який перевищує на 10-12% опір серійної. Встановлено, що змінювання ширини додаткового клапану та радіуса заокруглення перегородки в діапазонах що досліджуються, змінюють гідравлічний опір на 1-2%, а при збільшенні витрати повітря на 20% - підвищує на 2-4%. Оптимальна витрата повітря становить 80% від максимального, при цьому коефіцієнт витрати K0=2,2-2,4.
Дослідженням закономірностей фракційної ефективності встановлені значення відповідного коефіцієнта очищення розробленої пилоосаджувальної камери: при частинках домішок сигароподібної форми ф=95-97%, плоскої ф=73-76%, сферичної ф=52-57%. Для серійної камери, відповідно: ф=87-89%, - ф=55-58%, ф=36-40%. Визначено, що збільшення швидкості повітряного потоку на вході підвищує фракційну ефективність очищення розробленої камери на 8-15% і знижує на 5-10% серійної в залежності від форми частинок домішок.
Дослідженням закономірностей ефективного динамічного коефіцієнта в’язкості запиленого потоку визначене його перевищення на 0,6-4% динамічного коефіцієнта в’язкості повітря, в залежності від кількості, форми та розмірів дисперсних частинок. При характерній для зернових сепараторів запиленості n=5Ч104 шт/м3 з частинками сферичної форми ефективний динамічний коефіцієнт в’язкості складає 1=(18,002-18,025)Ч10-6 Па·с, плоскої 1=(18,02-18,21)Ч10-6 Па·с, сигароподібної форми 1=(18,31-18,51)Ч10-6 Па·с, а в залежності від їх процентного співвідношення 1=(18,02-18,12)Ч10-6 Па·с. Одержані експериментальні залежності узгоджуються з теоретичними.
Плануванням багатофакторного експерименту з критерієм оптимізації - коефіцієнтом очищення, встановлені оптимальні конструктивні параметри пиловловлюючого пристрою: відстань до щілини А=150,1-150,9мм; ширина D=115,3-116,2мм та кут відкриття =31,2-31,50 додаткового клапану; ширина щілини b=98,9-99,2мм; радіус заокруглення перегородки R2=150,9-151,4мм. Встановлено, що ефективність процесу очищення розробленою камерою складає 90,4-90,6%.
У п’ятому розділі наведено результати спільних з ВАТ „Вібросепаратор” виробничих випробувань і техніко-економічна ефективність застосування розробленої пилоосаджувальної камери. Випробування проведені на Черняхівській державній станції по випробуванням та охороні сортів рослин (с. Високе Черняхівського р-ну Житомирської обл.) на вібровідцентровому сепараторі СВС-15 при очищенні озимої та ярової пшениці, жита, вівса. Встановлено, що ефективність очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою збільшилась на 30-35% і складає 0=90-91%. При цьому, нормована запиленість обслуговуючої зони 3,6мг/м3 забезпечується, і спостерігається збільшення продуктивності сепаратора на 15-17% до 17т/год. Витрати потужності на інтенсифікацію процесу очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою складають 0,08 кВт, що становить 6% від витрати серійної. Питомі енергоємність і металомісткість процесу очищення повітряного потоку відповідно знижені з 0,092 кВт?год/т до 0,085 кВт?год/т (на 8%), з 7,333 кг/т·год до 6,941 кг/т·год (на 5,4%). Річний економічний ефект від впровадження розробленої пилоосаджувальної камери склав 5,1 тис. грн.
На підставі проведених спільних виробничих випробувань розроблена пилоосаджувальна камера впроваджена з 2003 р. у серійне виробництво вібровідцентрових сепараторів ВАТ „Вібросепаратор” (м. Житомир) з річним економічним ефектом 750 тис. грн при програмі випуску сепараторів СВС-15 - 100 штук.
ВИСНОВКИ
В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється в створеному математичному моделюванні процесу очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою зернових сепараторів як процесу нелінійної динаміки двофазного середовища з регульованим проміжним відбором та відведенням дисперсної фази. Це дозволило підвищити ефективність процесу очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою, впровадити її в серійне виробництво найбільш високопродуктивних вібровідцентрових зернових сепараторів ВАТ „Вібросепаратор” (м. Житомир).
Головними підсумками виконаної роботи є наступні результати:
1. Проведеним аналізом результатів відомих досліджень встановлено, що існуючі пилоосаджувальні камери зернових сепараторів не повністю задовольняють зростаючі вимоги виробництва. Збільшення засміченості зерна і продуктивності сепараторів призводять до перевищення нормованої запиленості повітря обслуговуючої зони. Для інтенсифікації процесу очищення повітряного потоку необхідно застосувати регульований проміжний відбір та відведення домішок. Для цього в пилоосаджувальних камерах потрібно встановлювати пиловловлюючий пристрій, який складається з додаткового клапану, поперечної щілини та відвідних рукавів. Для визначення конструктивних параметрів розробленої пилоосаджувальної камери необхідно виконати теоретичні та експериментальні дослідження, які б дозволили керувати і розраховувати технологічні показники процесу очищення повітряного потоку.
2. Для визначення закономірностей коефіцієнта очищення та середньої швидкості повітряного потоку на вході побудовані рівняння динаміки двофазного середовища. Одержані залежності траєкторій та складових швидкостей повітряного потоку та частинок дисперсної фази від радіуса вхідного каналу. Встановлено, що завдяки дії криволінійної перегородки та витраті повітря через пиловловлюючий пристрій спостерігається перерозподіл частинок домішок в робочій зоні: при наближенні до відвідних рукавів густина повітряного потоку збільшується на 0,4-5%, концентрація дисперсних частинок - на 0,5-1,0%; а при наближенні до вихідного перетину робочої зони густина - на 0,1-4,5%, концентрація - на 0,1-1,0%. При цьому, на секторі R2=0,075-0,15м радіальні складові швидкості повітряного потоку збільшуються у 7- 8 разів. Одержаний діапазон зміни z- складової швидкості (-0,047) - 0,001м/с свідчить про несуттєве переміщення дисперсних частинок відносно осі z.
3. Для розрахунку і керування якістю та продуктивністю побудовані математичні моделі процесу очищення запиленого повітряного потоку з регульованим відбором та відведенням домішок розробленою пилоосаджувальною камерою вібровідцентрових зернових сепараторів. Одержані залежності коефіцієнта очищення від конструктивних параметрів пиловловлюючого пристрою, запиленості і середньої швидкості повітряного потоку на вході. Визначено, що коефіцієнт очищення пиловловлюючого пристрою розробленої пилоосаджувальної камери становить у=30-35%. При цьому, на нього суттєво впливає коефіцієнт витрати повітря, визначення якого можливе експериментально. Початкова запиленість повітряного потоку впливає на ефективність очищення несуттєво (1-2%).
4. Відеозйомкою процесу очищення повітряного потоку з застосуванням пятиканального зонда і мікроманометрів визначені складові швидкостей повітряного потоку та частинок домішок. Підтверджено, що частинки домішок під дією радіальної складової швидкості переміщуються до перегородки і відділяються пиловловлюючим пристроєм. Ефективність пиловловлюючого пристрою залежить від складових швидкості в секторі робочої зони R2=0,075-0,15м: для повітряного потоку трансверсальна (радіальна) в перетині и=340 до 0,8,1)м/с; и=450 до 1,3,3)м/с, и=560 до 2,2,4)м/с, и=900 до 4,2,8)м/с; для частинок домішок трансверсальна (радіальна) и=340 до 1,5,2)м/с, и=450 до 1,65,4)м/с, и=560 до 2,3,55)м/с, - и=900 до 2,8,0)м/с. Одержані значення швидкостей та траєкторій руху повітряного потоку і частинок домішок узгоджуються з результатами теоретичних досліджень з розбіжністю 3-5%. Це підтверджує адекватність математичних моделей етапів процесу очищення з регульованим проміжним відбором та відведенням домішок розробленою пилоосаджувальною камерою.
5. Запропонованим експериментальним методом встановлені значення ефективного динамічного коефіцієнта в’язкості запиленого повітряного потоку зернових сепараторів при концентрації n=5Ч104шт/м3: для частинок домішок сферичної форми 1=(18,002-18,025)Ч10-6 Па·с; плоскої 1=(18,02-18,21)Ч10-6 Па·с; сигароподібної 1=(18,31-18,51)Ч10-6 Па·с, а в залежності від їх процентного співвідношення 1=(18,02-18,12)Ч10-6 Па·с. Визначено, що ефективний динамічний коефіцієнт в’язкості запиленого повітряного потоку перевищує на 0,6-4% динамічний коефіцієнт в’язкості повітря і залежить від кількості, форми та розмірів дисперсних частинок. Одержані експериментальні залежності узгоджуються з теоретичними.
6. Гідравлічний опір розробленої пилоосаджувальної камери складає ?р=355-365 Па і перевищує на 10-12% опір серійної. Визначено, що змінювання витрати повітря, ширини додаткового клапана і радіуса закруглення перегородки в діапазонах що досліджуються, змінюють гідравлічний опір камери несуттєво (на 1-4%). Оптимальна витрата повітря складає 80% від максимального, при цьому коефіцієнт витрати K0=2,2-2,4.
7. Аналізом результатів експериментальних досліджень якості процесу визначено, що сепараційна ефективність очищення розробленої пилоосаджувальної камери перевищує на 30-35% ефективність серійної та становить о=90-91%. Одержані значення середньої швидкості повітряного потоку на вході, кута відкриття додаткового клапана і ширини щілини uср=2-2,2м/с, =30-320 и b=0,1-0,11м узгоджуються з даними теоретичних досліджень (при розв’язанні задачі проміжного відбору - =30-350, uср=2-2,2м/с; відводу - =30-320, b=0,1м, uср=2-2,2м/с). Одержані закономірності фракційної ефективності процесу при очищенні повітряного потоку від частинок різної форми легких домішок зернового вороху. Збільшення швидкості повітряного потоку на вході підвищує фракційну ефективність очищення розробленої камери на 8-15% і знижує на 5-10% ефективність серійної в залежності від форми частинок домішок. Встановлені значення фракційних коефіцієнтів очищення розробленої камери: при частинках домішок сигароподібної форми ф=95-97%; плоскої ф=73-76%; сферичної ф=52-57%; та серійної, відповідно: ф=87-89%; ф=55-58%; ф=36-40%. Це також підтверджує адекватність побудованих математичних моделей нелінійної динаміки процесу очищення в розробленій пилоосаджувальній камері.
8. Комплексним аналізом результатів теоретичних і експериментальних досліджень, виконаного факторного експерименту рекомендовані оптимальні значення конструктивних параметрів пиловловлюючого пристрою: відстань до щілини А=150,1-150,9мм; ширина D=115,3-116,2мм і кут відкриття =31,2-31,50 додаткового клапану; ширина щілини b=98,9-99,2мм; радіус заокруглення перегородки R2=150,9-151,4мм.
9. Виробничими випробуваннями розробленої пилоосаджувальної камери встановлено, що нормована запиленість повітря обслуговуючої зони 3,6 мг/м3 забезпечується, а продуктивність сепаратора СВС-15 підвищується на 15-17% до 17,0т/год. Витрати потужності на інтенсифікацію процесу очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою складають 0,08кВт, що становить 6% від потужності, яка витрачається на робочий режим вентилятора при серійній камері. При цьому, питомі енергоємність і металомісткість процесу очищення повітряного потоку знижені відповідно з 0,092 кВт?год/т до 0,085 кВт?год/т (на 8%), з 7,333 кг/т·год до 6,941 кг/т·год (на 5,4%). Економічний ефект від застосування модернізованого сепаратора СВС-15 в Черняхівській державній станції по випробуванням та охороні сортів рослин (с. Високе Черняхівського р-ну Житомирської обл.) склав 5100 грн. Розроблена пилоосаджувальна камера впроваджена в серійне виробництво вібровідцентрових сепараторів ВАТ “Вібросепаратор” (м. Житомир) з річним економічним ефектом 750 тис. грн при програмі випуску 100 штук.
СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Тищенко Л.Н., Харченко С.А. К исследованию процесса очистки воздушного потока в модернизированной пылеосадочной камере виброцентробежных зерновых сепараторов // Вибрации в технике и технологиях. -2004. - №4(36). - С. 60 – 70 (Здобувачем розроблена математична модель нелінійної динаміки регульованого відбору дисперсної фази пиловловлюючим пристроєм).
2. Тищенко Л.Н., Харченко С.А., Бредихин В.В. К определению эффективного динамического коэффициента вязкости воздушного потока в пылеосадочных камерах виброцентробежных зерновых сепараторов // Механізація с.г. виробництва: Вісник ХДТУСГ. – Харків: ХДТУСГ, 2004. – Вип.29. – С. – (Здобувачем встановлені залежності динамічного коефіцієнта в’язкості від форми частинок дисперсної фази).
3. Тищенко Л.Н., Харченко С.А. Исследование динамики воздушного потока в модернизированной пылеосадочной камере виброцентробежных зерновых сепараторов // Вибра-ции в технике и технологиях. - 2005. - №1(43). - С. 126 - 137 (Здобувачем розроблена математична модель нелінійної динаміки відведення дисперсної фази пиловловлюючим пристроєм).
4. Тищенко Л.Н., Харченко С.А. Экспериментальные исследования процесса очистки воздушного потока модернизированной пылеосадочной камерой виброцентробежных зерновых сепараторов // Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв: Вісник ХНТУСГ. – Харків: ХНТУСГ, 2005. – Вип.38. – С.27 – 31 (Здобувачем взято участь у проведенні експерименту і обробці експериментальних даних).
5.Тіщенко Л.М., Харченко С.О., Бредихин В.В. Обґрунтування оптимальних параметрів модернізованої пилоосаджувальної камери вібровідцентрових сепараторів Праці ТДАА. – Мелітополь: ТДАА, 2006. – Вип.41. – С.45 – 49 (Здобувачем експериментально визначені конструктивні параметри пиловловлюючого пристрою).
6. Тищенко Л.Н., Харченко С.А. Определение сепарационной и фракционной эффективности процесса очистки воздушного потока разработанной пылеосадочной камерой виброцентробежных зерновых сепараторов // Вибрации в технике и технологиях. - 2006. - №2(44). - С. 67 – 74 (Здобувачем експериментально визначена якість процесу, шляхом встановлення сепараційної та фракційної ефективності очищення розробленою пилоосаджувальною камерою).
7. Харченко С.А. Экспериментальные исследования скоростей воздушного потока и дисперсных частиц в разработанной пылеосадочной камере виброцентробежных зерновых сепараторов // Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв: Вісник ХНТУСГ. – Харків: ХНТУСГ, 2006.– Вип.45. – С.21–28.
8. Пиловловлювач: Д.п. А Україна, МКИ В /04/ Л.М. Тіщенко, C.О. Харченко, М.Г. Пастушенко, В.Г. Породін (Україна). – 20031110655; Заявл. 25.11.2003; Опубл. 15.09.2004, Бюл.№9. – 4с.
АНОТАЦІЇ
Харченко С.О. Обґрунтування параметрів процесу очищення повітряного потоку пилоосаджувальною камерою вібровідцентрових зернових сепараторів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.11 машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка. Харків, 2007.
У дисертації вирішене наукове завдання, яке направлене на підвищення ефективності процесу очищення повітряного потоку пилоосаджувальною камерою шляхом регульованого проміжного відбору і відведення домішок за допомогою розробленого пиловловлюючого пристрою. Побудовані математичні моделі нелінійної динаміки процесу очищення з регульованим проміжним відбором та відведенням домішок. Визначені закономірності змінювання складових швидкостей і траєкторій повітряного потоку та частинок домішок. Обґрунтовані конструктивні параметри пиловловлюючого пристрою. Ефективність очищення повітряного потоку розробленою пилоосаджувальною камерою збільшена на 30-35% і становить 90-91%. Розроблена пилоосаджувальна камера впроваджена в серійне виробництво вібровідцентрових сепараторів.
Ключові слова: процес очищення, пилоосаджувальна камера, вібровідцентрові зернові сепаратори, інтенсифікація, ефективність.
Харченко С.А. Обоснование параметров процесса очистки воздушного потока пылеосадочной камерой виброцентробежных зерновых сепараторов.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко. Харьков, 2007.
В диссертации решено научное задание, направленное на повышение эффективности процесса очистки воздушного потока пылеосадочной камерой путем регулируемого промежуточного отбора и отвода примесей. Это осуществляется разработанным пылеулавливающим устройством, состоящим из дополнительного клапана, щели и отводных П - образных рукавов. При работе под воздействием криволинейной перегородки частицы примесей перераспределяются в потоке. Образованный частицами примесей слой отсекается дополнительным клапаном и через щель по отводным рукавам направляется к выгрузному устройству. При этом пылеосаждение остается без изменений, что и позволяет интенсифицировать процесс очистки воздушного потока.
Объектом исследования является процесс очистки воздушного потока, связь процесса с конструктивно-технологическими параметрами пылеосадочной камеры, физико-механическими свойствами частиц примесей.
Получены уравнения динамики двухфазного потока, согласно которым определены закономерности изменений составляющих скоростей частиц примесей и воздушного потока в рабочей зоне разработанной пылеосадочной камеры. Установлены закономерности изменения составляющих скоростей воздушного потока и частиц примесей по радиусу канала в зависимости от конструктивно-технологических параметров пылеулавливающего устройства, физико-механических характеристик примесей. Для управления и расчета технологических показателей производительности и качества построены математические модели нелинейной динамики этапов процесса очистки воздушного потока разработанной пылеосадочной камерой.
Предложен экспериментальный метод определения эффективного динамического коэффициента вязкости запыленного воздушного потока при различной форме и концентрации частиц примесей.
Эффективность очистки разработанной пылеосадочной камеры повышается на 30-35% и составляет 90-91%. Определены фракционные коэффициенты очистки разработанной пылеосадочной камеры: при частицах примесей сигарообразной формы 95-97%, плоской 73-76%, сферической 52-57%; и серийной соответственно: 87-89%, 55-58%, 36-40%.
Комплексным анализом результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенного факторного эксперимента установлены конструктивные параметры разработанного пылеулавливающего устройства: расстояние до щели 150,1-150,9мм и ее ширина 98,9-99,2мм; угол открытия 31,2-31,50 и ширина 115,3-116,2мм дополнительного клапана; радиус закругления перегородки 150,9-151,4мм.
Производственными испытаниями разработанной пылеосадочной камеры установлено, что нормированная запыленность воздуха обслуживающей зоны 3,6мг/м3 обеспечивается, а производительность сепаратора СВС-15 повышается на 15-17% до 17,0т/час. Затраты мощности на интенсификацию процесса очистки воздушного потока разработанной пылеосадочной камерой составляют 0,08кВт. При этом удельные энерго и металлоемкость снижены соответственно с 0,092кВт час/т до 0,085кВт час/т (на 8%), с 7,33кг/т час до 6,94кг/т час (на 5,4%). Экономический эффект от применения модернизированного сепаратора СВС-15 в хозяйстве Черняховской государственной станции по испытаниям и охране сортов растений (пос.Высокое Черняховского р-на Житомирской обл.) составил 5100 грн. Разработанная пылеосадочная камера внедрена в серийное производство виброцентробежных сепараторов ОАО “Вибросепаратор” (г. Житомир) с годовым экономическим эффектом 750 тыс.грн при программе выпуска 100 штук.
Ключевые слова: процесс очистки, пылеосадочная камера, виброцентробежные зерновые сепараторы, интенсификация, эффективность.
Kharchenko S.A. Substantiation of the process parameters of air flow purification of the dust-settling chamber used by the vibrocentrifugal grain separators.-Manuscript.
Dissertation for the Kandidate of technical sciences degree. Speciality 05.05.11.- Machines and means of farm production mechanization.- Petro Vasilenko Kharkov National technical university of agriculture. Kharkov, 2007.
In a thesis the scientific job, directional on a heightening of efficiency of process of clearing of an airflow purification of the dust-settling chamber is resolved by intermediate selection and tap of admixtures, through designed dust-catching device. The constructed mathematical models of non-linear dynamic of process of clearing with governed intermediate selection and tap of admixtures. The regularities of change of component velocities both trajectories of an airflow and particles of admixtures are defined. The design parameters of the dust-catching device are justified. The efficiency of clearing of an airflow designed by the dust-settling chamber is increased on 30-35 of % and makes 90-91 %. The designed dust-settling chamber is introduced into series production of vibrocentrifugal grain separators.
Key words: process of purification, dust-settling the chamber, vibrocentrifugal grain separators, intensification, efficiency.
