Міністерство освіти і науки України

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ГУЩИН Олег Володимирович

УДК 621. 928.9: 691.223

СТВОРЕННЯ ПНЕВМОТРАНСПОРТНОЇ УСТАНОВКИ З ПОРЦІЙНИМ
РУХОМ СИПКИХ БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.05.02 – машини для виробництва будівельних
матеріалів і конструкцій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Донбаській державній машинобудівній академії
Міністерства освіти і науки України

доктор технічних наук, професор
Сівко Володимир Йосипович,

Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри машини і обладнання
технологічних процесів

доктор технічних наук, професор
Ємельянова Інга Анатоліївна,

Харківський державний технічний університет
будівництва і архітектури Міністерства освіти і
науки України, професор кафедри механізації
будівельних процесів

доктор технічних наук, професор
Батлук Вікторія Арсеніївна,

Національний університет „Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України,
професор кафедри охорони праці

Захист відбудеться 15.04.2008р. в 14 годин на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.056.08 при Київському національному
університеті будівництва і архітектури за адресою:

03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського
національного університету будівництва і архітектури за адресою:
03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Автореферат розісланий 10.03. 2008р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор М. К. Сукач

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним напрямком розвитку будівельної промисловості в сучасних умовах є прискорення темпів науково - технічного прогресу та його широке впровадження у виробництво. Розробка принципово нових енергозберігаючих технологій з використанням високопродуктивного устаткування з автоматичним керуванням сприяє значному поліпшенню техніко-економічних показників діяльності будівельної галузі. Доставка сипких матеріалів екологічно чистим пневматичним транспортом має велике значення й стосується як великих по об'єму вантажопотоків в будівельній промисловості, так і невеликих у технологічних транспортних системах.

На промислових підприємствах для доставки сипких матеріалів широке поширення одержало високонапорне пневмотранспортне устаткування нагнітального типу, що працює за принципом пилової хмари, продуктивністю 5...30т/год (продуктивність окремих установок досягає 200...300т/год), дальністю подачі до 1000 метрів, швидкістю руху повітря 15...40м/с і надлишковим тиском до 0,6...0,8 МПа. У цілому ряді випадків обладнання даного типу виявилося малоефективним. Задача ефективного й раціонального використання можливостей пневмотранспорту повинна ґрунтуватися на зниженні витрат енергії на процес транспортування будівельних матеріалів, зменшенні експлуатаційних витрат, підвищенні надійності пневмотранспортного обладнання, поліпшенні екології навколишнього середовища. Рішення проблем, пов'язаних з розробкою та впровадженням нових високоефективних засобів пневматичного транспорту сипких матеріалів з різними їх фізико-механічними властивостями є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до планів науково-дослідницьких робіт кафедри ПТМ ДДМА в рамках держбюджетних науково-дослідницьких робіт:

"Розробка науково-методичних основ проектування та експлуатації підйомно-транспортних, будівельних і дорожних машин" (№ державної реєстрації 0197U018309);

"Удосконалення методів розрахунку, проектування та експлуатації підйомно-траспортної та будівельної техніки" (№ державної реєстрації 0104U004043).

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є створення пневмотранспортної установки для сипких будівельних матеріалів, яка працює у порційному режимі руху аеросумішей.

Досягнення поставленої мети передбачає вирішення таких завдань:–

обґрунтування та розробка нової високоефективної установки для пневматичного транспортування сипких матеріалів у будівельній промисловості;–

розробка фізичної та математичної моделі порційного режиму руху сипких матеріалів у пневмотранспортному трубопроводі;–

встановлення закономірностей і особливостей процесів масопереносу пневмотранспортною установкою, яка обладнана додатковим обвідним повітряним каналом;–

експериментальні дослідження процесів масопереносу і оцінка адекватності запропонованої математичної моделі;–

обґрунтування працездатності аераційно-ежекційного живильника нової конструкції;–

встановлення основних технічних параметрів пневмотранспортної установки з порційним режимом руху аеросумішей;–

розробка інженерної методики розрахунку основних параметрів пневмотранспортної установки з порційним рухом аеросумішей, впровадження результатів дослідження у виробництво та оцінка їх техніко - економічної ефективності.

Об'єкт дослідження - установка для пневматичного транспортування сипких матеріалів.

Предмет дослідження - робочі процеси руху аеросумішей порційної структури у пневмотранспортному трубопроводі та їх формування у завантажувальному пристрої.

Методи дослідження. У роботі використано методи математичного та фізичного моделювання процесів, що відбуваються у робочому пневмотранспортному трубопроводі. В основі математичної моделі лежать класичні рівняння аерогідромеханіки (рівняння енергії, нерозривності, збереження маси). Фізична модель побудована на основі методів моделювання (збереження параметрів Фруда, Рейнольдса). При виконанні експериментальних досліджень використовувалися статистичні методи планування й обробки отриманих експериментальних даних. Вірогідність наукових результатів підтверджена адекватністю математичних моделей і результатів експериментальних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблено теоретичні основи створення пневмотранспортної установки для транспортування сипких будівельних матеріалів, що базується на порційному режимові руху аеросумішей у трубопроводі та використанні взаємодіючих повітряних струменів у завантажуючому пристрої;

- вперше визначено і науково обґрунтовано один із напрямків удосконалення пневматичного транспорту сипких матеріалів;

- вперше розроблено фізичну і математичну модель порційного режиму руху аеросумішей у матеріалопроводі пневмотранспортної установки, трубопровід якої обладнано додатковим обвідним повітроводом;

- вперше обґрунтовано можливість транспортування сипких матеріалів, які мають різні фізико-механічні властивості, в аерованому стані у порційному режимі руху;

- вперше встановлено закономірності та особливості масопереносу при порційному режимі руху аеросумішей.

Практичне значення отриманих результатів:

- створення установки для пневматичного транспортування сипких матеріалів, яку обладнано аераційно-ежекційним живильником нового типу;

- обґрунтовано можливості використання порційного режиму руху аеросумішей для розробки нового типу устаткування;

- обґрунтовано використання надтекучості сипких матеріалів при розробці завантажувального пристрою аераційно-ежекційного типу;

- запропоновано, розроблено, випробувано та визначено основні технічні параметри аераційно-ежекційного живильника;

- обґрунтовано технічні параметри пневмотранспортної установки з порційним режимом руху аеросумішей;

- розроблено методику розрахунку і практичні рекомендації, які використано на ВАТ «КЗВВ» для створення промислового зразка для транспортування сухих пісків, а також у навчальному процесі кафедри підйомно-транспортні машини Донбаської державної машинобудівної академії.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі особисто автором отримано найбільш важливі теоретичні та практичні результати, які виносяться на захист:

- обґрунтування одного з напрямків подальшого розвитку й удосконалення пневмотранспорту сипких матеріалів стосовно будівельної промисловості;

- розробка нового типу пневмотранспортної установки, яка працює в порційному режимі руху аеросумішей, для переміщення сипких будівельних матеріалів;

- встановлення закономірностей порційного режиму руху аеросумішей у пневмотранспортному трубопроводі;

- результати теоретичних і експериментальних досліджень процесів масопереносу в пневмотранспортному трубопроводі;

- експериментальна установка, методика і результати експериментальних досліджень порційного режиму руху в пневмотранспортному трубопроводі й завантажувальному пристрої;

- новий тип завантажувального пристрою;

- методика інженерного розрахунку.

В опублікованих в співавторстві роботах авторові належать: експериментальні дослідження втрат напору на горизонтальній ділянці пневмотранспортного трубопроводу [6]; експериментальні дослідження формування стійкої структури руху матеріалів у трубопроводі [8]; розробка алгоритму визначення втрат напору та комп’ютерне дослідження [14]; використання додаткового похило розташованого повітропідводячого патрубка [15,16]; механіка взаємодії повітряних струменів та формування потоку аеросуміші у аераційно-ежекційному живильнику [17]. У патентах особистий внесок визначений установленим образом.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи повідомлені, обговорені й одержали схвалення на міжнародних і республіканських науково-технічних конференціях і семінарах: «Проблеми створення, експлуатації підйомно-транспортних машин» (м. Запоріжжя, 1998 р.); «Интерстроймех-2000» (м. Харків, 2000 р.); « Гидроаэромеханика в инженерной практике » (м. Київ - Харків, 2001 р; м. Київ - Краматорськ, 2005 р; м. Луганськ 2007 р.); « Прогрессивная техника и технология-2001» (м. Київ - Севастополь, 2002 р.); « Проблемы механики горно-металлургического комплекса» (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); «Современные средства автоматизации и компьютерно-интегрированные технологии » (м. Краматорськ, 2003 р.); «Промислова гідравліка й пневматика» (м. Київ, 2004 р.) та семінарах кафедри „Машини і обладнання технологічних процесів” КНУБА м. Київ.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 17 статтях, у тому числі у 14 спеціалізованих виданнях, які входять до переліку ВАК. Отримано один деклараційний патент України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків; включає: 195 стор. машинописного тексту, 85 рисунків, 15 таблиць, список використаних джерел з 147 найменувань і
4-х додатків на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, наукову новизну і практичне значення роботи, дана її загальна характеристика.

Розділ 1 присвячений аналізу літературних джерел і патентних матеріалів по пневмотранспортним установкам з порційним режимом руху сипких матеріалів, використовуваних в них завантажувальних пристроїв і основних фізичних моделей процесів, які протікають у пневмотранспортному трубопроводі. В результаті аналізу встановлено, що для переміщення сипких матеріалів на промислових підприємствах одержали поширення високонапорні пневмотранспортні установки, які працюють у режимі руху поодиноких часток у зваженому стані. Їхня експлуатація виявила наступні недоліки: висока швидкість руху часток сипкого матеріалу, велика енергоємність процесу транспортування, інтенсивне зношування трубопроводів (особливо поворотів, колін, елементів, що рухаються та обертаються у завантажувальних пристроях), руйнування фракційного складу сипких матеріалів, закупорка трубопроводів. Поява навіть незначних руйнувань елементів установки приводить до падіння тиску. При цьому робота установок з високою швидкістю руху аеросумішей супроводжується складністю і трудомісткістю очищення повітря, мають місце великі викиди пилу в атмосферу цеху, що в ряді випадків порушує питання про доцільність їхнього використання.

Питання теорії і практики пневматичного транспортування сипких матеріалів глибоко розглянуто в монографіях Співаковського А.О., Смолдирева А.Е., Калінушкіна М.П., Волошина О.І., Пономарьова Б.В., Потураєва В.Н., Разумова І.М., Островського Г.М., Александрова А.А. та ін. Значний внесок у рішенні проблеми удосконалення пневматичного транспорту у зваженому стані зроблено в роботах Сьоміна А.О., Батлук В.А., Чальцева М.Н., Морозова О. Д., Серякова В.С., Сегаля І.З, Козориса І.Ф., Маліса А.Я., Єпіфанової О.М. та ін.

Смолдиревим А.Е. питання теорії пневматичного транспортування розглянуто на основі підходу до гранулометричного складу насипних вантажів: пилоподібних, тонкодисперсних, грубодисперсних і неоднорідних грубодисперсних. Інженерний розрахунок виконується для кожного класу аеросуміші. У роботах Волошина А.І. і Пономарьова Б.В. на основі механіки гетерогенних середовищ розроблено континуальну математичну модель двофазних потоків «газ - тверді частки» у транспортному трубопроводі. Розглянуто та проаналізовано математичну модель двофазного потоку у пневмотранспортному трубопроводі для режиму руху часток матеріалу в польоті у зваженому стані.

У роботах Александрова А.А., Шваба В.А., Шваба А.В. теоретично обґрунтовується оптимальний принцип пневматичного переміщення контейнерів і диспергованих твердих матеріалів у вигляді строгої форми поршневої структури.

Огляд і аналіз завантажувальних пристроїв для пневмотранспорту сипких матеріалів, дослідні перевірки показали низьку ефективність і неприйнятність традиційних насосів (живильників) камерного, гвинтового, шлюзового й струминного типів, які не забезпечують подачі в транспортний трубопровід, що працює у порційному режимі руху аеросумішей, необхідних об'ємів матеріалів.

Доведено, що найбільш перспективним напрямком подальшого розвитку та удосконалення пневматичного транспорту сипких матеріалів є розробка низько швидкісних установок, які працюють при високій концентрації суміші та невисоких тисках.

В другому розділі представлено дослідження з вибору фізичної і математичної моделі порційного режиму руху сипких матеріалів у пневмотранспортному трубопроводі, який обладнано додатковим повітроводом і повітропідводячими патрубками.

З точки зору оптимізації по масопереносу та енергетичних витрат найбільш перспективною представляється форма переносу матеріалу у вигляді окремих ізольованих порцій аеросуміші, розділених ділянками повітря (порційний режим). Рух аеросуміші розглядається як газодинамічний гетерогенний потік з періодично повторюваними по довжині трубопроводу об'ємними концентраціями двохфазного потоку. Область високої об'ємної концентрації твердої фази характеризується як «порція» сипкого матеріалу, а область її поділяюча – повітряний прошарок. Період чергування цих мас величина постійна. Рух центрів ваги кожного елемента також є постійним, що відповідає сталому режимові руху.

При аналізі руху газоматеріальної суміші у транспортному трубопроводі приймаються наступні основні допущення: кожна фаза замінюється осередненим відповідним чином суцільним середовищем (континуумом); континууми, що відповідають кожній фазі, є взаємо проникаючими; дисперсна фаза складається з часток сферичної форми того самого діаметра; розміри включень і неоднорідностей набагато менше відстаней, на яких осереднені параметри суміші або окремих фаз змінюються істотно; діаметри часток, набагато менші діаметра транспортного трубопроводу; стан потоку квазістаціонарний; гомогенний (однорідний) розподіл несомого компонента по поперечному перетині транспортного трубопроводу в межах окремо взятої порції сипкого матеріалу; швидкості руху у фазах по поперечному перетинові постійні; температура в процесі транспортування не змінюється; обмін масами між окремими порціями і повітряними прошарками відсутній; несуче стисливе газове середовище (повітря) покладається ідеальним середовищем незмінного складу; фільтрація повітря через порційну масу сипкого матеріалу відсутня; при відомому законі розподілу часток по розмірах, останній апроксимується по групах, у кожній з якої утримуються частки одного осередненого діаметра. Фізична модель процесу пояснюється рис. 1 і рис. 2.

Структурування і збереження стабільного порційного режиму руху здійснюється впливом додаткового повітряного потоку, який подається на аеровану газоматеріальну суміш. Енергія додаткового повітряного струменя, спрямованого під кутом , витрачається на аерування сипкого матеріалу і подолання сил опору (рис. 2б):

де Еверт і Егор – вертикальна і горизонтальна складова енергії допоміжного повітряного струменя; Еаер – енергія повітряного потоку, що витрачається на аерування сипкого матеріалу; д – коефіцієнт енергетичних втрат вертикальної складового потоку додаткової енергії; ?Fтиск, ?Fоп – відповідно сумарний тиск на об’єм сипкого матеріалу, що рухається, і сили опору рухові.

Вертикальний струмінь повітря, вдаряючись об нижню стінку трубопроводу турбулізує потік. Частки суміші, захоплені вихровим потоком, починають поводитися подібно молекулам газу: з ростом Uверт середня відстань між частками зростає, щільність суспензії падає, а об’єм суспензії збільшується. У перші ж миті впливу повітряного потоку в обсязі аеросуміші під дією струменів газу, що витікає з патрубків, створюються розриви, тобто формується вихідна порційна структура суспензії з довжиною порції, рівній відстані між повітропідводячими патрубками. Надалі ця структура має тенденцію до самопідтримки, а для досить протяжних ділянок транспортування – і до саморозвитку. Відповідно до рівняння Бернуллі на одній і тій же лінії струму повітря (пунктирна лінія на рис. 3) справедливе співвідношення |

,

де Р – тиск; U – швидкість руху повітря; С1 і С2 – величини, що зберігають постійне значення уздовж лінії струму.

Так якщо у верхній частині хвилі зазор для вільного проходження повітря менше, ніж у западині, то . Відповідно .

Рис. 3. Схема до пояснення механізму підтримки стійкої структури порційного режиму руху аеросумішей у пневмотранспортному трубопроводі

Втрати тиску на переміщення порції аеросуміші довжиною l

де Др – втрата тиску на циліндричній порції аеросуміші довжиною l; Sлів , Sправ - площа бічної поверхні аеросуміші (відповідно ліва і права); Рпарал - тиск; ДS – елементарна площадка.

Розглядається рух деякого i-ого елемента порційної структури (Рис. 4), що складається з маси твердого компонента Мм і маси повітряного потоку Мв, причому l0=lвi+lм , де lвi - довжини повітряного проміжку і lм - довжина порції, сформованої масою матеріалу, що транспортується. Період чергування цих мас є постійною величиною t0. У цьому випадку плин газоматеріального потоку може бути записано наступними рівняннями.

Рівняння руху i-го елемента

, (1)

де Мв і Mм -маса повітря і маса твердого компонента, що входить у i-й елемент довжиною l0; Ui -швидкість центра ваги i-ого елемента; S-площа поперечного перетину матеріалопроводу; D-діаметр матеріалопроводу; Pi+1, P - статичний тиск повітря перед i-ою і за i-ою порційною масою суміші; лв , лм -коефіцієнти опору рухові відповідно несучого середовища і матеріалу, що транспортується.

Рис. 4. Схема розміщення аерованих об’ємів сипкого матеріалу, що чергуються з об’ємами повітряних прошарків

Для монодисперсного складу ізосумішей і одномірного плину рівняння нерозривності мають вигляд:

(2) (3)

де е1 , е2 – об'ємна концентрація повітря і твердого компонента; с1 , с2 – щільності газу і твердого компонента; u, w – швидкість руху повітря і твердого компонента.

Для сталого руху d/dt =0 і рівняння нерозривності (2, 3) приймуть вигляд:

; (4) , (5)

де G1 і G2 – масова витрата відповідно несучого середовища і твердого компонента; S – площа поперечного перетину трубопроводу.

Рівняння стану несучого середовища досконалого газу (рівняння Менделєєва-Клапейрона) для і-го елемента

, (6)

де Рi - статичний тиск; сi - щільність повітряного потоку; R - газова постійна; Ті - температура по Кельвіну.

Ентальпія несучого середовища потоку для і-го елемента (теплова функція)

, (7)

де Cp – коефіцієнт теплоємності несучого середовища при постійному тиску;
Ti – температура по Кельвіну.

Вважаючи, що швидкість розглянутого елемента збігається зі швидкістю центра маси, рівняння витрат несучого середовища і сипкого матеріалу можуть бути записані в наступному вигляді:

; (8) , (9)

де l0 – загальна довжина порції матеріалу і повітряного прошарку; евi , емi – об'ємні концентрації повітря і матеріалу в розглянутому елементі; св , см – щільності повітря і сипкого матеріалу; Gв , Gм – масова витрата компонентів суміші; S – площа поперечного перетину трубопроводу.

Приймається адіабатичний процес розширення, коли теплообмін між несучим середовищем і компонентом, що транспортується, відсутній.

Коефіцієнти опору рухові відповідно до положень гідроаеромеханіки визначаються співвідношеннями для несучого та несомого елемента:

,

де крім зазначених вище значень лв , лм – відповідно коефіцієнти опору при продуванні чистого повітря і переміщенні сипкого матеріалу в аерованому стані.

Плин газоматеріального потоку i -го елемента порційної структури описується системою диференційних рівнянь:

;

; ; (10)

; ; .

Чисельні розрахунки рівнянь (10) виконано при початкових і межових умовах:
t = 0, P = 0; Р(х=0) = Р1; Р(х=L) = Рa

Якщо загальна дальність транспортування L, то вона істотно більше довжини окремо розглянутого елемента L>>l0. Припустивши безперервність руху двохфазного середовища за умови рівності швидкостей несучого середовища і твердого компонента, вважаючи що довжина (lвi + lмi) може бути довільно зменшена, тобто думаючи (lвi + lмi)0, можна записати

.

Ентальпія повітряного потоку може бути записана

(11)

де ш = 1 + мСт /Ср – масова концентрація; Ст – коефіцієнт теплоємності твердої фази; Ср – коефіцієнт теплоємності повітря при постійному тиску; В – постійна рівняння енергії; Ui – швидкість i-ого елемента; Иi,Ti – температури.

За умовою L>>l0 можливе допущення зміни тиску в межах і-го елемента

.

Система рівнянь приводиться до диференційної форми. Виключаючи тиск Р із рівняння (1) за допомогою (6, 7) і (11) для розглянутого граничного випадку рівняння (1) після поділу перемінних і усунення індексів при переході до диференційної форми має наступний вигляд:

(12)

де b = мG/см S = const; k – відношення теплоємностей несучого повітряного потоку.

Після інтегрування рівняння (17) при початковій швидкості руху потоку на вихідній ділянці трубопроводу (U = U0) для значень коефіцієнтів опору рухові повітряного потоку в і сипкого матеріалу м з урахуванням деяких перетворень отримано значення критичної швидкості U*:

.

Дана залежність показує, що при переході до критичного режиму руху швидкість на виході з трубопроводу залежить від масової концентрації суміші.

З графіків зміни критичної швидкості в залежності від масової концентрації суміші (рис. 5) випливає, що критична швидкість руху потоку зменшується зі збільшенням масової концентрації. Граничні значення швидкості потоку в порційному режимі руху аеросумішей на виході з трубопроводу набагато менше швидкостей потоку на виході для пневмотранспорту, що працює у зваженому стані. Вони зменшуються зі збільшенням масової концентрації сумішей, що переміщаються. Так, при масовій концентрації м=125...200 кг/кг, що відповідає стабільному порційному режимові руху аеросуміші, середнє значення швидкості руху знаходиться в межах 3...8 мс-1, що добре узгоджується з результатами експериментальних досліджень.

Трансформація структури течії аеросумішей у пневмотранспортному трубопроводі шляхом керованої генерації вихрових структур дозволяє інтенсифікувати процеси масопереносу. Основою розробки нових типів завантажувальних пристроїв для пневмотранспортних установок, які працюють при порційному режимі руху аеросумішей, є використання надтекучості сипких матеріалів, що спостерігається при впливі повітряних потоків і струменів на сипкий матеріал. У досліджуваному ежекційному живильнику (рис. 6 а) і аераційно-ежекційному живильнику-змішувачі (рис. 6 б) передача енергії додаткових повітряних потоків основному потокові аеросуміші здійснюється шляхом їхнього турбулентного змішування.

На основі розгляду взаємодії повітряних потоків в області камери змішування (рис. 7) (для першого типу живильника) і впливу двох додаткових повітряних струменів (для другого типу живильника) визначені основні параметри камери змішування. |

б)

Рис. 6. Схеми: а - ежекційного живильника, обладнаного додатковим повітряним соплом-побуджувачем: 1 – транспотний трубопровід; 2 – бункер сипкого матеріалу; 3 -основне сопло; 4 – додаткове сопло; 5 – камера змішування; 6,7 – повітропідводячі канали (патрубки); б - схема аераційного живильника, обладнаного додатковими повітряними патрубками: 1 - бункер; 2 - змішувальна камерра; 3 - сопло основне; 4 - регулююче сопло;
5 - повітропідводячі патрубки; 6 - пневмотранспортний трубопровід

Розглядається вхідна ділянка транспортного трубопроводу, на якій аеросуміш рухається суцільним керованим потоком. За контрольний приймається об’єм обмежений вхідним SI та вихідним перетинами SII (рис. 7).

(14)

Сила аераційної дії на сипкий матеріал, який рухається в повітряному потоці

, (15)

Після підстановок (14, 15) в рівняння (13):

. (16)

Звідки приріст швидкості сипкого матеріалу, який викликано аераційною дією при ?P = (PI - PII), розраховується

. (17)

Аналіз рівняння (17) показує, що швидкість розгону часток сипкого матеріалу залежить від фізико-механічних властивостей матеріалу та витрат повітря, величини надлишкового тиску, довжини розбіжної ділянки та інтенсивності дії повітряного потоку.

У третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень апарата для пневматичного транспортування сипких матеріалів: виконано фізичний експеримент, що підтверджує працездатність порційного режиму руху аеросумішей та аераційно-ежекційного живильника нового типу; проведено оцінку адекватності розроблених математичних моделей і визначено основні технічні параметри установки.

Основні параметри експериментальних моделей визначені відповідно до законів фізичного моделювання за критеріями подібності, у якості котрих прийняті безрозмірні одиночні комплекси: числа Ейлера, Рейнольдса, Фруда.

Представлено схеми: експериментальної пневмотранспортної установки з порційним рухом сипкого матеріалу (рис. 8 а), вузла з'єднання матеріалопроводу з додатковим обвідним повітряним каналом за допомогою повітропідводячих патрубків (рис. 8 б), аераційно-ежекційного живильника і загальний вигляд експериментального стенда (рис. 8 в).

Дослідження показали, що в транспортному трубопроводі створюється режим руху матеріалів гомогенної і гетерогенної структури у формі порцій, розділених повітряними прошарками (рис. 9). Порційний режим руху зберігається по всій довжині транспортного трубопроводу при переміщенні всіх перерахованих типів сипких матеріалів. Межі порцій матеріалу і повітряних прошарків обкреслені досить чітко, хоча і змінюються в процесі руху. При формуванні довгих порцій відбувається їхнє саморозчленовування під впливом повітряних імпульсів, що йдуть від повіртопідводячих патрубків. Короткі порції зливаються в більш довгі, зберігаючи довжину порядку (30 ... 50) dт – діаметрів транспортного трубопроводу. Процес стабільний по всій довжині транспортування.

Рис. 8. Експериментальна пневмотранспортна установка з порційним рухом сипкого матеріалу: а – загальна схема: 1 - компресор з ресивером; 2 – повітрозбірник; 3 - повітровід;
4 - розподільник повітря; 5,6,7 - повітропідводячі трубопроводи; 8 - завантажувальний бункер; 9 - матеріалопровід; 10 - додатковий повіропідводячий канал; 11 - повітропідводячі патрубки; 12 - приймальний бункер; 13 - фільтр; 14,15,16,17 - контрольні манометри;
б - загальний вигляд експериментального стенда

Технічна характеристика експериментального стенда: продуктивність
2...5 т*год-1; дальність транспортування 10...30 м; зміна кута похилих ділянок 0…900;висота підйому 0...5 м; діаметр транспортного трубопроводу 26, 36 і 42 мм; максимальний тиск компресорної установки 0,6 МПа.

Дослідження масопереносу виконано з застосуванням методів відео зйомки і фотографування. Статичний і повний тиск вимірявся за допомогою манометрів МК і датчиків тиску ДД-6. Індуктивна апаратура ВИ 6-5 МА – вібровимірювальна з напівпровідниковим блоком живлення призначена для виміру тиску. Запис керованих процесів здійснювався за допомогою осцилографа Н-145. Продуктивність по сипкому матеріалу оцінювалася мірним бункером.

Досліджено процеси масопереносу наступних сипких матеріалів: кварцовий пісок (як модель ідеально сипкого тіла), гранульовані частки поліетилену, капрону, пластмаси, кальцинована сода, ферохром, кам'яне вугілля і порошкові матеріали, які використовуються в будівельній промисловості. Крупність часток знаходиться в межах 0,1...3 мм, насипна щільність 0,4...4,5кг/м3, матеріал різнофракційний з розмірами окремих часток до 0,5...6 мм. При дослідженні різних типів насипних вантажів враховувались досить докладно характеристики їхніх фізико-механічних властивостей: питома щільність, насипна щільність, об'ємна щільність, крупність і гранулометричний склад, форма часток, вологість, вологоємкість, твердість, абразивність, липкість, пористість, взаємна рухливість і кут природного укосу. Особливою характеристикою сипкого матеріалу, властивою тільки пневматичному транспортові, є швидкість „витания” одиночної частки. Експерименти проведено при зміні надлишкового тиску в транспортному трубопроводі та повітроводі в діапазоні 0,01...0,05 МПа. Експериментально досліджено як рух поодинокоої порції в пневмотранспортному трубопроводі, так і безперервний порційний режим руху аеросумішей.

Обробка експериментальних даних виконана за наступною схемою: перевірка відтворюваності експерименту; розрахунок коефіцієнтів регресії за методом найменших квадратів та складання рівняння регресії; перевірка коефіцієнтів регресії за допомогою критерію Стьюдента; перевірка адекватності рівняння регресії за F-критерієм Фішера; перевірка працездатності регресивної моделі за допомогою коефіцієнта детермінованості моделі.

Рис. 9. Порційний режим руху аеросумішей у пневмотранспортному трубопроводі в період номінального режиму роботи: а – будівельна суміш; б – частки поліетилену кульової форми

Зміна швидкості руху порції в залежності від надлишкового тиску (рис. 10), довжини порції (рис. 11), вплив числа Фруда (рис. 12, 13) для різних матеріалів свідчать про вплив параметрів установки і фізико-механічних властивостей сипких матеріалів на процес формування порційного режиму руху аеросумішей.

Осцилограма зміни тиску на горизонтальній ділянці транспортного трубопроводу при транспортуванні часток кварцового піску з розмірами гранул діаметром dЧ ...2 мм має хвильовий характер. Значення тиску, заміряні у верхній частині поперечного перетину матеріалопроводу досягають мінімальних значень у момент проходження порції сипкого матеріалу під точкою виміру і піднімаються до максимуму при проходженні під цією ж точкою повітряного прошарку.

Досліджено вплив на працездатність пневмотранспортної установки: місця розташування повітропідводячих патрубків; кута розташування додаткового повітряного потоку (кута атаки ). Результати дослідження місця розташування повітропідводячих патрубків стосовно матеріалопроводу показали, що схема з верхнім розміщенням цих патрубків переважніше, тому що при номінальному сталому режимі транспортування поступаючий зверху додатковий повітряний потік сприяє стабільній підтримці порційного режиму руху сипких матеріалів.

Графік зміни інтенсивності масопереносу пневмотранспортним трубопроводом, який обладнано додатковим повітроводом і додатковими повітропідводячими патрубками, в залежності від кута їхнього розміщення до подовжньої осі (кута атаки б) (рис. 14 б) свідчить про максимальну несучу здатність матеріалопроводу при розміщенні патрубків з кутом атаки б = 45 ... 60є. Заштриховані ділянки на рис. 14 а, 14 в показують області значень кута атаки б, що рекомендуються, для розглянутої конструкції трубопроводу. Виконані дослідження підтвердили (рис. 16-19) працездатність ежекційно-аераційного живильника з додатковим повітряним збуджувачем, що дозволяє реалізувати ефект надтекучості сипкого матеріалу і здійснити його подачу в пневмотранспортний трубопровід.

Дослідження аераційно-ежекційного живильника дозволили встановити, що в області камери змішування під впливом двох взаємодіючих повітряних струменів відбувається формування суцільного аерованого потоку суміші (рис. 15 а). На початковій вхідній ділянці матеріалопроводу цей суцільний потік трансформується в хвильовий (рис. 15 б) з наступним переходом у порційний режим руху аеросуміші на робочій ділянці матеріалопроводу (рис. 15 в).

Розглянуті два випадки роботи живильника (з подачею повітря у вивільнювану частину бункера і без подачі) показали, що вирівнювання надлишкового тиску в бункері при його спорожнюванні з надлишковим тиском у пневмотранспортному трубопроводі підвищує продуктивність витікання, а, отже, і продуктивність живильника на 15...20%.

У четвертому розділі представлено розроблену методику розрахунку високоефективного апарата для пневматичного транспортування сипких матеріалів, яка базується на результатах теоретичних і експериментальних досліджень.

При проектуванні пневмотранспортних установок задані: продуктивність по твердому компоненту; вид матеріалу, що транспортується; характеристики його фізико-механічних властивостей; схема транспортування. Підлягають визначенню: робоча швидкість руху аеросумішей, тиск повітря в транспортній магістралі, діаметри транспортного трубопроводу та обвідного повітряного каналу, витрата повітря. Робоча швидкість руху аеросумішей у пневмотранспортному трубопроводі визначається за умовою, що швидкість руху аеросуміші повинна перевищувати величину швидкості початку псевдоожиження монодисперсного або полідисперсного шару, але бути меншою за швидкість „витания” поодинокої частки.

Тиск на початковій ділянці трубопроводу постійного перетину залежить від коефіцієнта опору руху аеросуміші, масової концентрації суміші, дальності транспортування, співвідношення швидкостей руху твердого компонента і повітря. Співвідношення діаметрів обвідного повітряного каналу й матеріалопроводу рекомендовано в межах dобв=(0,08...0,12) dтр. Кут атаки повітропідводячих патрубків приймається в межах = 45...60.

Розрахований очікуваний річний економічний ефект від впровадження апарата для пневматичного транспортування сипких матеріалів у порційному режимі руху складе 48500грн на одну установку.

Основні результати роботи впроваджено на ВАТ „КЗВВ”. Матеріали дисертації використано при вивченні розділу «трубопровідний транспорт» дисципліни „КМА ПРТСр” у Донбаській державній машинобудівній академії.

ВИСНОВКИ

1. В дисертаційній роботі вирішено актуальне завдання підвищення техніко-економічної ефективності машин для виготовлення будівельних матеріалів і конструкцій шляхом розробки та використання пневмотранспортної установки з порційним рухом сипких будівельних матеріалів.

2. Доведено, що найбільш перспективним напрямком подальшого розвитку й удосконалення пневматичного транспорту сипких матеріалів є розробка низько швидкісних установок, що працюють із високою концентрацією суміші при відносно невисоких тисках. Максимальної ефективності масопереносу варто очікувати за умови рівності (відносної рівності) швидкостей несучого середовища і несомої твердої компоненти. Така ситуація досягається тільки при порційному режимі руху аеросуміші у пневмотранспортному трубопроводі.

3. Розроблено математичну модель руху аеросуміші порційної структури. Отримано систему диференціальних рівнянь, що відповідають цьому особливому режимові руху. Встановлено критичні параметри плину гетерогенного середовища, знайдено аналітичне рішення для цього граничного випадку, проведено чисельне рішення системи диференційних рівнянь. Показано досить близьку відповідність результатів цих розрахунків з даними експериментальних даних. Встановлено характер зміни плинів при порційному режимі течії аеросумішей.

4. Визначено рекомендовану швидкість руху аеросуміші в транспортному трубопроводі, яка знаходиться в межах 3...5 м·с-1 при надлишковому тиску 0,2...0,3 МПа.

5. Експериментально обґрунтовано можливість створення пневмотранспортної установки з порційним режимом руху аеросумішей при відносно невисоких швидкостях їхнього руху та невеликих надлишкових тисках у пневмотранспортному трубопроводі. Виконані експериментальні дослідження показали гарну працездатність обладнання даного типу при транспортуванні гомогенних і гетерогенних сипких матеріалів будівельної промисловості.

6. Обґрунтовано теоретично та доведено експериментально засіб удосконалення пневмотранспорту сипких матеріалів шляхом використання порційної структури руху аеросуміші у пневмотранспортному трубопроводі, що забезпечує підвищення ефективності роботи систем пневмотранспорту та зниження енергоємності процесу транспортування. Останнє досягається шляхом зниження робочих швидкостей руху аеросумішей у транспортному трубопроводі в 3...5 рази, зниження енергоємності процесу транспортування в 2...2,5 рази, істотним підвищенням зносостійкості матеріалопроводу, зниженням деградації часток переміщуваних сипких матеріалів і зменшенням викиду шкідливих домішок у навколишнє середовище.

7. Запропоновано, розроблено й досліджено конструкцію аераційно-ежекційного живильника з додатковим повітряним побуджувачем аеросумішей.

8. Визначено раціональні параметри пневмотранспортної установки для сипких матеріалів з порційним режимом руху аеросумішей. Розроблено методику інженерного розрахунку. Виконаний розрахунок економічної ефективності застосування пневмотранспорту формовочних пісків показав, що очікуваний річний економічний ефект від впровадження одного апарата складе 48500 грн.

9. Застосування високоефективних пневмотранспортних установок для сипких матеріалів з порційним режимом руху аеросумішей, обладнаних ежекційно-аераційними живильниками, дозволить вирішити завдання подальшого вдосконалення й розвитку пневмотранспорту сипких матеріалів у будівельній промисловості.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць За ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гущин, О. В. Пневмотранспорт сыпучих материалов в порционном режиме движения / О. В. Гущин // Гірн., буд., дор. та меліоративні машини: Всеукр. міжвід. наук.-техн. зб. – К.: КНУБА, 2001. – Вип. 58. – С. 14-17.

2. Гущин, О. В. Экспериментальные исследования массопереноса пневмотранспортной установкой с порционным движением сыпучих материалов / О. В. Гущин // Наук. вісн. будівництва: Зб. наук. праць. – Харків: ХДТУБА-ХОТВ АБУ, 2000. – Вип. 11. – С. 254-260.

3. Гущин, О.В. Потери напора при порционном пневматическом транспортировании сыпучих материалов / О. В. Гущин // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. – Вип. 1. – С. 38-39.

4. Гущин, О. В. Экспериментальные исследования пневмотранспортной установки с порционным движением сыпучих материалов / О. В. Гущин // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. научн. тр. – Краматорск, ДГМА, 1998. - Вып. 4. – С. 154-159.

5. Гущин, О. В. Исследование пневмотранспорта сыпучих материалов в порционном режиме движения / О. В. Гущин // Вісник СУДУ. – Луганськ: Вид. СУДУ, - 2000. – Вип. 6(28). – С. 90-95.

6. Гущин, В. М. Потери напора при порционном режиме движения сыпучих материалов в транспортном трубопроводе / В. М. Гущин, О. В. Гущин // Вісн. Харк. держ політехн. ун-ту. Підйомно-транспортна техніка і технології. – Харків: ХГПУ, 1999. – Вип. 48. – С. 115-118.

7. Гущин, О.В. Исследование пневмотранспортной установки с порционным движением сыпучих материалов / О. В. Гущин // Межвед. сб. научн. тр. Геотехническая механика. – Днепропетровск: «Поліграфіст», 1999. – Вып. 13. – С. 76-80.

8. Гущин, В. М. Формирование устойчивой структуры движения порошковых материалов в трубопроводе / В. М. Гущин, Л. М. Топтунова, О. В. Гущин,
Т. В.Шевцова // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ, 1999. – С. 322-324.

9. Гущин, О. В. Анализ порционного режима движения порошковых материалов в пневмотранспортном трубопроводе / О. В. Гущин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Темат. зб. наук. пр. – Краматорськ-Хмельницький, 2002. – С. 541-546.

10. Гущин, О. В. Пневмотранспорт сыпучих материалов с порционным движением аэросмеси / О. В. Гущин // Сб. научн. тр. Нац. горного ун-та. – Дніпропетровськ, 2004. №13. т.4. – С. 163-170.

11. Гущин, О. В. Некоторые результаты экспериментальных исследований пневмотранспортной установки с порционным движением сыпучих материалов / О. В. Гущин // Удосконалення засобів механізації на транспорті та підвищення зносостійкості елементів машин: Міжвуз. зб. наук. пр. – Харків, 1997. – Вип. 30. – С. 46-49.

12. Гущин, О.В. Исследование процесса движения сыпучих материалов в порционном режиме / О. В. Гущин // Матеріали ІІ Всеукр. наук-мет. конференції. «Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій». – Дніпродзержинськ: 1998. – С. 77-78.

13. Гущин, О.В. Особенности массопереноса пневмотранспортным трубопроводом с дополнительным обводным воздушным каналом / О. В. Гущин // Труды межд. научн-техн. конф. «Горная энергомеханика и автоматика» - Донецк: ДонТУ, 2003. т. 1. – С. 117-122.

14. Сивко, В.И. Определение потерь давления в пневмотранспортном трубопроводе / В. И. Сивко, О. В. Гущин // Техніка будівництва. – К.: КНУБА. – 2006. № 18. – С.50-56.

15. Сивко, В. И. Исследование эжекционного питателя с дополнительным воздушным побудителем / В. И. Сивко, В. М. Гущин, О. В. Гущин // Вісник ДДМА. – Краматорськ, 2006. №3(5). – С. 174-179.

16. Сивко, В. И. Экспериментальные исследования питателя с дополнительным воздушным побудителем / В. И. Сивко, О. В. Гущин // Техніка будівництва. – К.: КНУБА. – 2006. №19. – С. 39-42.

17. Гущин, В. М. Механика движения аэросмесей в загрузочном устройстве пневмотранспортного трубопровода / В. М.Гущин, В. И. Сивко, О. В. Гущин // Вісник СУНУ ім. В. Даля: Наук. журн. – Луганськ, 2007. №3(109), ч. 2. – С. 59-65.

18. Пат. 27571 Україна, МПК7 B65G53/00. Живильний пристрій для пневмотранспорту сипких матеріалів/ В.М. Гущин, В.Й. Сівко, О.В. Гущин, А. М. Українець (Україна); заявник і патентоволодар Донбаська державна машинобудівна академія. – №200706021 заявл. 31.05.2007; опубл. 12.11.2007.

АНОТАЦІЯ

Гущин О.В. Створення пневмотранспортної установки з порційним рухом сипких будівельних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.02 - машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій. Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2008.

У дисертаційній роботі вирішено актуальне наукове завдання підвищення техніко-економічної ефективності машин для виготовлення будівельних матеріалів. Підвищення ефективності роботи систем пневмотранспорту та зниження енергоємності процесів пневматичного транспортування сипких матеріалів здійснено на основі розробки теоретичних основ створення високоефективного обладнання для пневматичного транспортування сипких матеріалів, що базується на використанні порційного режиму руху аеросумішей у пневмотранспортному трубопроводі, та розробки завантажувального пристрою аераційно-ежекційного типу.

Представлено теоретичні дослідження з вибору фізичної та створенню математичної моделей процесу руху аеросуміші порційної структури у пневмотранспортному трубопроводі та у живлячому пристрої аераційно-ежекційного типу. Вперше визначено теоретично й обґрунтовано експериментально основні технічні параметри розробленої установки робочий тиск у транспортній магістралі, номінальна швидкість руху аеросумішей у трубопроводі, співвідношення діаметрів матеріалопроводу та додаткового повітроводу, кут розташування додаткових повітропідводячих патрубків, параметри завантажувального пристрою ежекційно-аераційного типу.

Ключові слова: пневмотранспорт, будівельна суміш, сипкий матеріал, аеросуміш, режими руху аеросумішей, аераційно-ежекційний живильник.

Аннотация

Гущин О.В. Создание пневмотранспортной установки с порционным движением сыпучих строительных материалов. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.02