ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
Рибалко роман іванович
УДК 621.928.6:691.223
ДВОСТАДІЙНИЙ ПОВІТРЯНИЙ СЕПАРАТОР
ДЛЯ СУХОГО ПОДРІБНЕННЯ У ЗАМКНУТОМУ ЦИКЛІ
05.05.02 – машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Баранов Андрій Миколайович, Українська інженерно-педагогічна академія Міністерства освіти і науки України, професор кафедри охорони праці та навколишнього середовища.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Назаренко Іван Іванович, Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри машин та обладнання технологічних процесів;
кандидат технічних наук, доцент Гущин Володимир Михайлович, Донбаська державна машинобудівна академія Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри підйомно-транспортних машин.
Захист відбудеться “29”травня 2008 р. о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (61002, м. Харків, вул. Сумська, 40).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.
Автореферат розісланий “29”квітня 2008 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Т.О. Костюк
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Операція подрібнення, що застосовується з давніх часів, дотепер не отримала наукового обґрунтування, яке зробило б її найбільш економічною. Про важливість цієї проблеми можна говорити, беручи до уваги кількість коштів, що витрачаються у світі на подрібнення різноманітних матеріалів. Наприклад, у цементній промисловості на подрібнення витрачається біля 50% використаної електроенергії. При цьому енергія, витрачена безпосередньо на подрібнення, складає менш 1%, а залишок витрачається у вигляді тепла.
Дотепер не створено машини, яка б забезпечувала подрібнення матеріалу із заданими розмірами часток. Наявність переподрібнених часток у помольному агрегаті не дозволяє досягти заданої тонкості помелу матеріалу. Одним з ефективних методів підвищення тонкості помелу та зниження витрат енергії є своєчасне видалення готового матеріалу з помольного агрегату, тобто здійснення подрібнення у замкнутому циклі.
В наш час повітряне сортування здійснюється у пристроях та машинах різної конструкції, які застосовуються для забезпечення роботи помольних машин при виробництві цементу, гіпсу, вапна та інших матеріалів (у замкнутому циклі) і при поєднанні помелу з сушінням. Головним недоліком існуючих машин є те, що робота повітряних сепараторів характеризується низькою ефективністю сортування та великою засміченістю фракцій. Це пов’язано з тим, що теоретичні основи створення машин повітряного сортування не враховують структуру турбулентного потоку суміші повітря і подрібнювального матеріалу та специфіку руху часток матеріалу різноманітної гранулометрії. Окрім цього, така властивість дрібних часток, як налипання на великі і створювання конгломератів, потребує нових рішень при конструюванні машин для класифікації подрібнених матеріалів.
У зв’язку з цим, теоретичні та експериментальні дослідження робочих процесів машин повітряного сортування, створення на базі результатів таких досліджень нового обладнання є актуальними.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною наукових досліджень держбюджетних науково-дослідних тем: К-4-1-96 “Розробка шляхів підвищення ефективності використання вантажопідйомних, будівельних машин та машин для виробництва будівельних матеріалів в умовах Донбасу”, К-2-15-01 “Основи модернізації будівельних машин та обладнання” (держ. реєстр. № 0102U002846), “Ефективне використання іноземної техніки в умовах Донбасу” (держ. реєстр. № 0107U000100), що виконувалися у відповідності з координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України з пріоритетного напрямку розвитку науки та техніки.
Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка сепаратора із підвищенням ефективності за рахунок регулювання однорідності фракційного складу матеріалу та розмірів турбулентних вихорів в зоні розподілення.
Для досягнення поставленої мети передбачалось вирішення наступних задач: –
дослідити взаємодію робочих органів машини з частками матеріалу та їх конгломератів;–
дослідити механізм еволюції турбулентних структур двофазних потоків;–
визначити залежності взаємодії повітряного потоку з частками подрібнюваль-ного матеріалу;–
знайти розподілення концентрації часток різноманітних фракцій у залежності від аеродинамічних характеристик елементів машин;–
визначити оптимальні конструктивні розміри решітки гасіння великомасштабних вихрових структур, екранів-відбивачів крупних часток та пристрою відділення переподрібнених часток;–
розробити методики розрахунку основних параметрів сепаратора, решітки гасіння великомасштабних вихрових структур і екранів-відбивачів;–
створити обладнання повітряної класифікації на основі теоретичних і експериментальних досліджень та впровадити його у виробництво.
Об'єкт дослідження – процес повітряної сепарації для сортування сухих порошкових матеріалів.
Предмет дослідження – обладнання повітряної сепарації в помольних агрегатах сухого подрібнення.
Методи дослідження. Використано диференційні рівняння, які розкривають:
– механізм еволюції турбулентних структур двофазних потоків;
– механізм взаємодії повітряного потоку з частками подрібнювального матеріалу.
Застосовано загальноприйняті методи теорії удару для розробки екранів-відби-вачів та пристроїв відділення конгломератів переподрібнених часток.
Використано методи аеродинаміки для оптимізації конструктивних розмірів сепаратора та решітки гасіння великомасштабних вихрових структур.
Статистичні методи обробки експериментальних даних.
Наукова новизна отриманих результатів:–
розроблено методи руйнування конгломератів та створення однорідного турбулентного двофазного потоку за фракційним складом матеріалу і за розмірами турбулентних вихорів у зоні розділення;–
розкрито механізм впливу турбулентних структур двофазного потоку на процес повітряної сепарації;–
на основі математичної моделі повітряної сепарації запропоновано принци-пово нові шляхи створення і реконструкції повітряних сепараторів;–
на основі аналізу процесу співударяння часток з екраном запропоновано схему попереднього відділення крупних та дрібних часток на вході в зону розділення сепаратора.
Практичне значення отриманих результатів. На базі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблено методики розрахунку, на основі яких розроблено технічну документацію та виготовлено обладнання.
Виготовлене обладнання пройшло випробування в умовах підприємств – ВАТ “Красногорівський вогнетривкий комбінат”, ВАТ “Часівоярський вогнетривкий комбінат”, ЗАТ “Пересувна механізована колона № 116” та ВАТ “Деконський комбінат стінових матеріалів”.
Результати досліджень впроваджено в навчальний процес Донбаської національної академії будівництва і архітектури та Української інженерно-педагогічної академії при виконанні студентами курсового і дипломного проектування.
Достовірність наукових положень, висновків і отриманих результатів. Наукові дослідження, висновки і пропозиції, подані в дисертаційній роботі, ґрунтуються на фундаментальних законах фізики, гідродинаміки, аеродинаміки та теорії удару, а також коректності використання математичного апарату й обчислювальних методів. Експериментальні дослідження проводились з використанням планування експериментів із високим рівнем відповідності (в межах 10%).
Особистий внесок здобувача. Для створення нового обладнання повітряної сепарації розроблено теоретичні основи:–
впливу турбулентних структур двофазного потоку на процес повітряної сепарації;–
повітряної сепарації з урахуванням динаміки енергетичного спектру турбулентних структур;–
шляхів створення і реконструкції повітряних сепараторів;–
удару часток подрібнювального матеріалу об екран-відбивач.
Розроблено методики розрахунку обладнання.
Розроблено технічну документацію та виготовлено обладнання.
Здійснено експериментальні дослідження.
Проведено промислові випробування на підприємстві.
В опублікованих працях, що виконані в співавторстві, здобувачем виконано: у роботі [1] – розраховано і графічно представлено залежність продуктивності сепаратора від надлишкового тиску псевдорозрідженого шару; у роботі [2] – розроблено математичну модель удару часток матеріалу об лопатку, що регулюється; [3] – розв’язано рівняння руху частки матеріалу в повітряному потоці; [4] – визначено фактори, що варіюються, та експериментально підтверджено їх чисельні значення; [5] – запропоновано можливість керування впливом турбулентного потоку повітря і часток подрібненого матеріалу; [6] – запропоновано і розроблено декілька конструктивних рішень при створенні експериментальної моделі, визначено декілька факторів, що впливають у реальних потоках на рух часток; [8] – запропоновано математичну модель оцінки швидкості руху вихорів турбулентного багатофазного потоку.
Апробація роботи. Основні положення роботи висвітлювались у доповідях, обговорювались й одержали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях ДонНАБА, м. Макіївка (1997-2006 рр.); 37 мiжнародномy семiнарi з проблем моделювання та оптимiзацiї (МОК–37) “Моделирование в материаловедении”, Одеса, 1998р.; 5-й Міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века”, Донецьк–Севастополь, 1998р.; науково-технічних конференціях ХДТУБА (м. Харків, 2000-2003 рр.); міжнародних науково-технічних конференціях “Интерстроймех–2002” (Могильов, 2002р.), "Интерстроймех–2003" (Волгоград-Волжський, 2003р.); Міжнародній науково-практичній конференції „проблеми економії енергії” (Львів, 2003р.); міжнародній науковій конференції „Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд” (Харків, 2003р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Промислова гідравліка і пневматика”, Київ, 2004р.
У повному обсязі дисертація доповідалася на розширеному засіданні кафедри “Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини та обладнання” Донбаської національної академії будівництва та архітектури у лютому 2008 року.
Публікації. Основні положення дисертації опубліковано у 9 наукових статтях в фахових виданнях та отримано патент України.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, 5 додатків і вміщує 161 сторінку, 52 рисунки, 7 таблиць, бібліографічний список зі 131 найменування.
основнИЙ ЗМІсТ рОботИ
У вступі обгрунтовано актуальність дослідження, викладено зв’язок із науковими програмами, мету, наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора, апробацію та зазначено кількість публікацій за темою дослідження.
У першому розділі розглянуто основні етапи розвитку обладнання подрібнення і класифікації. Здрібнення матеріала до невеликих кусків або ж в порошок досягається за допомогою операцій подрібнення й помелу у різноманітних машинах: у шарових та стрижневих млинах, молоткових дробарках та інш. Такі машини працюють за принципом удару, розчавлення або перетирання.
Проведений аналіз показав, що теоретичні основи створення машин повітряного сортування не враховують структуру турбулентного потоку суміші повітря і подрібненого матеріалу та специфіку руху часток матеріалу різної гранулометрії. Існуючі машини розроблені з позицій взаємодії однорідного потоку повітря і окремої частки без урахування пульсаційних складових швидкості повітря й масштабів вихрових структур у потоках транспортуючого середовища; не враховується самоконгломерація дрібної фракції матеріала і вплив турбулентних відбитків руху крупних часток.
Таким чином, можна зробити висновок: існуючі повітряні сепаратори не в повній мірі відповідають вимогам, які впливають на ефективність їх роботи.
Створення обладнання, яке б відповідало сучасним вимогам, можливо за рахунок принципово нових технічних рішень на базі більш адекватних теоретичних розробок.
У другому розділі розроблені теоретичні основи створення обладнання класифікації та на їх базі запропоновано нову конструкцію сепаратора.
У помольних агрегатах замкнутого циклу аеродинамічна класифікація часток здійснюється у газодисперснім потоці, який утворюється у млині (прохідні класифікатори), або у вузлі змішування похідного матеріалу, що завантажується, з несучим газом (класифікатори з механічним завантаженням). Частка у газодисперснім потоці випробовує на собі дію альтернативних сил, що призводять до розділення часток за крупністю. одна з таких сил – аеродинамічний опір. Інша сила – масова, пропорційна об’єму частки.
За взаємною орієнтацією аеродинамічної і масової сил класифікатори розподіляються на протитечійні (рівноважні) та інерційні. Але у всіх випадках визначну роль для процесу класифікації відіграють сили аеродинамічного опору.
Метою моделювання процесу класифікації є отримання залежностей, які пов’язують параметри кривої розділення з конструктивними параметрами апарату.
модель руху частки у стаціонарному потоці газу визначається сукупністю наступних рівнянь:
поля швидкості несучого газа:
;
результатів дії альтернативних сил:
, ; (1)
з початковими умовами: , при t = 0;
де: m – маса частки; – радіус-вектор частки; – швидкість несучого газу; – швидкість частки; Fm – рівнодіюча масових сил; dч – діаметр частки; сг – щільність газу; о – коефіцієнт аеродинамічного опору частки.
Для визначення швидкостей руху часток (відповідно й траєкторій) за рівняннями математичної моделі необхідні наступні дані: –
про вплив параметрів руху на о – коефіцієнт аеродинамічного опору частки потоку несучого газу;–
про реальні значення швидкостей несучого газу у відповідних точках.
Залежність о = f(Re) дається експериментальною кривою Релєя.
рішенням для ефективної класифікації у сепараторі є забезпечення для заданого діаметру рівноважних часток необхідних параметрів однорідності турбулентного потоку. Однак, наявність у потоці часток, які значно перевищують розмір рівноважних часток, призводить до утворення турбулентного відбитку за ними під час руху у потоці, що різко знижує ефективність розділення. Крім того, наявність у потоці часток, значно менших за розмір рівноважних часток, призводить до їх конгломерації або налипання дрібних часток на частки більшого діаметру, що також знижує ефективність розділення.
Створення сепаратора нової конструкції, що дозволить значно підвищити ефективність розділення газодисперсного потоку, пропонується за рахунок використання трьох принципово нових рішень:–
осадження крупної фракції у першому ступені;–
руйнування конгломератів з дрібних часток та відділення їх від загального потоку на вході до другого ступеня;–
підвищення турбулентної однорідності у другому ступені точного розділен-ня.
Тому на першому етапі пропонується з двофазного потоку видалити частки твердої фракції, діаметр яких перевищує рівноважні частки більш ніж у 4-5 рази, і відправити їх на домел. Таке рішення у декілька разів знижує циркуляційне навантаження у другому ступені сепаратора та попереджує виникнення у ньому великих вихорів турбулентного відбитку. Однак створення першого ступеня сепаратора повинно базуватися на принципово нових рішеннях розділення, оскільки в ньому необхідно повністю виключити осадження дрібної фракції і підготувати матеріал до точного розділення у другому ступені. Під час руху великих часток у турбулентному потоці відбувається налипання на них дрібних часток, окрім того, дрібні частки часто об’єднуються у конгломерати і при традиційних методах розділення відходять до великої фракції. Тому у першому ступені пропонується встановити екран під визначеним кутом атаки на шляху двофазного турбулентного потоку, який частково перекриває газохід. Дрібні частки, які мають невеликий час релаксації, будуть огинати екран разом із потоком повітря і відходити до другого ступеня сепаратора на точне розділення. Великі частки і конгломерати будуть вдарятися об екран. В результаті удару об екран конгломератів відбудеться їх руйнування, дрібні частки будуть підхоплені потоком повітря й доставлені до другого ступеня сепаратора. Великі частки після удару об екран відбиваються від нього і потрапляють у зону осадження.
Забезпечення для вихідного діаметру рівноважних часток необхідних параметрів однорідності турбулентного потоку в основному ступені класифікатора здійснюється за рахунок встановлення решіток, які руйнують великомасштабні високоенергетичні структури.
Основними параметрами, що характеризують турбулентну течію, окрім числа Рейнольдса і динамічної швидкості, є інтенсив-ність або ступінь турбулентності, масштаб турбулентності і частота тур-булентних пульсацій та їх розподілення.
Частота пульсацій характеризує кількість змін амплітуд-них значень пульсаційної швидкості за секунду. Чисельне значення її залежить від масштабу вихорів, і, оскільки у турбулентному потоці присутні вихорі усіх масштабів, існує не одна, а цілий спектр частот пульсацій. Враховуючи зв’язок частоти пульсацій з масштабом вихорів, отже, з амплітудою швидкості пульсацій та їх кінетичною енергією, в теорії тур-булентності часто використовується більш загальна характеристика, а саме частотно-енергетичний або краткочастотний спектр пульсацій, що відображає розділення пульсаційної енергії за частотами, а тим самим й за масштабами турбулентних вихорів. Дослідження частотного спектру дає ключ до розуміння механізму передачі енергії від осередненого руху газу до пульсаційного руху різноманітних масштабів та дозволяє адекватно відобразити поле швидкостей несучого газа. При цьому спектр пульсацій розбивається на інтервали:
1) інтервал низьких частот або великих енергоємних вихорів, які можуть впливати на рух як дрібних часток, так і крупних;
2) інтервал середніх частот або інерційний інтервал, у якому відбувається передача енергії вздовж спектру – від низьких частот до високих, та їх вплив на крупні частки незначний;
3) інтервал високих частот або інтервал дисипації турбулентної енергії, де відбувається розсіяння механічної енергії у тепло й на поле швидкостей несучого газа, високочастотні вихорі не впливають.
При стаціонарній турбулентності пульсаційна складова швидкості елементарного об’єму повітря є стаціонарною функцією часу. Таку функцію можна дослідити за допомогою перетворень Фур’є. в статистичній гідромеханіці доведено, що властивості кореляційної функції rl() такі, що можна скористатися звичайним косинус-перетворенням:
; при = 0 .
функція E() має назву енергетичний спектр.
У випадках двофазного струменю рух часток матеріалу, що транспортується, залежить від законів руху транспортуючого середовища, у випадку пневмокласифі-кації – від законів руху повітря. Швидкість w(t) частки описується диференційним рівнянням:
.
де – постійна часу, що характеризує інерцію частки, v(t) – швидкість повітря на траєкторії частки.
Середній квадрат швидкості частки визначається за формулою:
.
Враховуючи, що кореляційна функція Rv апроксимується виразом Rv() = exp(-/Tv), в результаті перетворень Фур’є отримуємо:
.
Аналогічно, перетворення Фур’є для функції (1+22)-1 має вигляд: (/)exp(/). Застосування рівняння Парсеваля дає:
. (2)
Рівняння (2) дозволяє оцінити середній квадрат поперечної (відповідно і пульсаційної) складової швидкості частки у потоці через характеристики струменя повітря і величину , яка залежить від швидкості витання частки, тобто від ії розмірів та щільності.
поперечна складова швидкості частки регламентує довжину і поперечний переріз газоходів, тобто, якщо частка досягає стінки апарата незалежно від розмірів, вона не піддається аеродинамічній класифікації.
В роботі запропоновано здійснювати керування розмірами турбулентних структур за рахунок встановлення решіток на шляху їх прямування. Місце розташування решіток в зоні розділу повинно відповідати умові недосяжності часток стінки класифікатора.
руйнування великомасштабних турбулентних вихорів дозволяє апроксимувати рух потоку макрохарактеристиками. Лінійні масштаби турбулентності, що характеризують переміщення поперек і вздовж потоку великих вихорів (Lv0, Lu0 ), можна отримати з формули Жуковського.
Поперечний зріз шару змішування (c) складається з трьох частин: вихору розміром 2r0, двократного шляху поперечного переміщення вихору 2LV0 та товщиною потоку у, що обтікає вихор. Таким чином,
c = 2r0 + 2LV0 + у.
враховуючи, що товщина шару змішування (c) не може бути більше – характерного розміру комірки решітки, то можна зробити висновок, що радіус вихору (r0) після проходження решітки менший або дорівнює 0,22, тобто:
r0 ? 0,22. (3)
На закони руху часток матеріалу впливають великомасштабні вихорі та розподіл осереднених швидкостей у повітряному потоці. Великомасштабні явища призводять до деформації епюри осереднених швидкостей у потоці. Наша задача полягає в обмеженні розмірів великомасштабних структур, які б не захоплювали великі частки. Захоплення може відбутися за умови, коли діаметр вихору досить великий порівняно із довжиною шляху релаксації частки.
Зв’язок між швидкістю та завихреністю визначається за допомогою інтеграла Біо-Савара:. Великомасштабний вихровий елемент утворює окружність радіуса r0. Індуцирована ним швидкість примушує рухатися сам вихор. Швидкість поступального руху вихору була визначена Прандтлем: , де r0 – радіус вихрового елемента; а – його тороідальний радіус; Щ – завихреність.
Кількісні описання великомасштабних явищ в турбулентних течіях побудовані на двоточкових кореляціях. після трьохмірного перетворення Фур’є рівнянь Нав’є–Стокса для двох довільних точок Р и Р', розташованих в полі турбулентності, можна отримати рівняння у спектральній формі для енергетичного спектра:
, , ,
де Е – енергетичний спектр; н – кінематичний коефіцієнт в’язкості; k – хвильове число; W– член, який характеризує перенесення енергії, обумовлений трійними кореляціями швидкості.
У нашому випадку, вихор виникає без підведення енергії за рахунок нелінійних ефектів, тому переносним членом W можна знехтувати і отримати при заданих вихідних умовах рішення рівняння:
E = C0k4 exp [ -2k2(t – t0)], (4)
де C0 і t0 – постійні, що визначаються з вихідних умов.
Оцінки енергії вихорів, їх розмірів, завихреності дозволяють визначити для заданого діаметра рівноважних часток необхідні параметри однорідності турбулентного потока і граничні розміри вихорів.
Для опису руху великих часток в зоні осадження і визначення витрат повітря в сепараторі необхідно розглядати взаємодію часток з екраном. У загальному випадку екран не обов’язково буде плоским, за рахунок змінення форми екрана можливе керування напрямком руху відбитих часток. З позиції опису руху частки як матеріальної точки отримаємо співвідношення, яке пов’язує проекції швидкості частки на нормаль та дотичну до поверхні до і після удару. За теоремою про змінення кількості руху в проекціях на нормаль і дотичну до поверхні удару отримуємо систему рівнянь:
де Sn і Sф – нормальна і дотична проекція імпульса ударної сили,
“+” і “ – ” – індекси, які відповідають станам частки після і до удару.
Визначення Sn і Sф (нормальної і дотичної проекції імпульса ударної сили) є задачею теорії удару. Під час удару обидва тіла будуть зазнавати відносного вдавлювання в районі точки співударяння разом із великими деформаціями об’єктів в цілому.
теорія місцевих деформацій заснована на схемі, запропонованій Герцем, який розглядав контакт двох тіл як задачу, еквівалент-ну задачам електростатики. Використання закону Герца дає можливість спрогнозувати більшість параметрів удару, які можна перевірити екс-периментально. Однак отримання цих залежностей для часток діаметром 2-3 мм і менше досить важка задача.
Пропонується напівемпіричне рішення, яке засноване на експериментальних оцінках швидкостей часток після їх відбивання від екрана.
В теорії удару використовується поняття коефіцієнта відновлення швидкості частки при нормальному ударянні (б = р/2), який визначається за формулою kу = |w+n|/|w-n|. Величина kу визначається в результаті експериментальних досліджень. Вважаючи, що дотична складова імпульса ударної сили зумовлена тільки силою сухого тертя і пов’язана з нормальною складовою традиційним співвідношенням, що відповідає закону тертя Кулона:
,
де f – коефіцієнт тертя частки о поверхню.
В результаті розв’язання системи рівнянь отримуємо: |
(5)
знаючи витрати повітря, що подається в сепаратор, можливо визначити швидкість часток і спрямування їх руху після удару в зону осадження.
детермінована модель при описанні процесу розділення в однорідному висхідному потоці має вигляд (вісь х спрямована догори):
,
, |
(6)
де – швидкість несучого газа; – швидкість частки; дч – діаметр частки; сг – щільність газа; о – коефіцієнт аеродинамічного опору частки; Q – витрати газу крізь вертикальний газохід; g – прискорення сили тяжіння; F(x) – закон змінення площі перерізу газохода.
Маючи на увазі, що для сферичних часток m=счрд3/6, і використовуючи одночленну апроксимацію залежності о(Reд) у вигляді о = а(Reд)-n, перетворюємо перше рівняння системи (6) до вигляду:
.
Диференційне рівняння у загальному випадку нелінійне, оскільки як величина в є функцією шуканої швидкості частки та її положення. Тільки у випадку закона опору Стокса коефіцієнт в стає постійним.
Одна з важливіших характеристик процесу аеродинамічної класифікації – розмір рівноважної частки, яка знаходиться у відносному врівноваженні в робочому просторі класифікатора під впливом визначальних сил процесу, тобто має нульову швидкість вздовж його визначальної координати. Вважаючи у рівняннях w=0 для загального випадку одночленної залежності о , отримуємо вираз для діаметра рівноважної частки:
. |
(7)
Розмір рівноважної частки є умовним показником співвідношення масових і аеродинамічних сил в даній точці потоку. Стійкість рівноваги можна спостерігати тільки в тому випадку, якщо пульсаційні складові газу для даного розміру часток практично не впливають на її рух.
Детерміновані моделі дозволяють оцінити вплив визначальних факторів на деякі характеристики розділення (розмір рівноважної частки, у деяких випадках граничний розмір), але не дозволяють отримати розрахунковий вираз для кривих розділення. Побудова кривих розділення можлива тільки на основі стохастичних моделей процесів класифікації, які враховують сукупний ефект від випадкових впливів з боку навколишнього середовища на кожну частку. Базовим рівнянням стохастичних моделей є диференційне рівняння збереження маси кожної фракції вихідного продукта шириною [д, д +dд], яке в стаціонарному випадку має вигляд:
, (8)
де с = с(х, д) – лінійна концентрація часток фракції; w – швидкість квазістаціонарного руху фракції; D – коефіцієнт макродифузії часток; qe(x,д) – щільність підведення часток фракції від зовнішнього джерела.
Найбільш загальний розрахунковий вираз для кривої розділення, отриманий для випадку D = const (x,д), має вигляд:
, (9)
де: ,
v1 – характерна (витратна) швидкість газу на зовнішній межі зони розділення.
Параметр s є аналогом критерія Пекле в суто дифу-зійних процесах і відіграє важливу роль в теорії класифікації. При D>0, s > ? рівняння 8 описує рух середовища із часток з нерозсіяними швидкостями, а формула 9 дає криву розділення ідеальної класифікації.
Побудовані математичні моделі процесів класифікації призначені для того, щоб зв’язати криві розділення тих чи інших типів класифі-каторів з їх конструктивними і режимними параметрами. Розглянемо вигляд кривих розділення при різноманітних значеннях стохастичного параметра s. Ці дані наведені на рис.1. Послідовність значень параметра s представлена геометричною прогресією зі знаменником 2. Одночасно на рис.2 наведена залежність критерія ефек-тивності хц=д0,25/д0,75 від величини s. Сім’я кривих розділення, зображена на рис.1, наявно ілюструє деформацію цієї найважливішої характеристики класифікації із зміненням параметра s. При s=1–4 криві розділення відповідають низькій ефективності про-цесу: величина хц не перевищує при цьому значення 0,45. В то й же час, починаючи із значення s>8, спостерігаються криві розділення, які відповідають процесу високої ефективності.
Рис. 1. Криві розділення при різноманітних значеннях параметру s. |
Рис. 2. Залежність параметра хц від s.
В двостадійному класифікаторі нової конструкції розроблено перший ступінь на методах розділення газодисперсного потока за допомогою ударно-відбивальних екранів, які дозволяють різко змінювати напрямок руху великих часток зі значним часом релаксації, в той час як дрібні частки транспортуються до другого ступеня.
У другому ступені класифікатора, створеного на базі циркуляційного сепаратора, для регулювання розмірів вихрових структур в зоні розділення встановлено решітку, що забезпечує однорідну турбулентність. Методика розрахунку решітки викладена в четвертій главі. Завдяки впровадженню нового класифікатора ефективність сортування зросла до 89% ± 3%. Змінився режим роботи млина. Продуктивність помельного агрегата зросла на 12,3%.
У третьому розділі описані експериментальні дослідження:–
взаємодія робочих органів машини з частками матеріалу і їх конгломератами;–
досліджено механізм еволюції турбулентних структур двофазних потоків;–
визначені залежності взаємодії повітряного потоку з частками подрібненого матеріалу;–
визначені оптимальні конструктивні розміри решітки гасіння великомасштабних вихрових структур, екранів-відбивачів великих часток і пристрою відділення переподрібнених часток.
удар часток об екран-відбивач досліджувався для різноманітних умов розділення. Роботи проводились для різноманітних матеріалів, фракційного складу і швидкостей несучого потоку. В результаті досліджень визначені параметри несучих суміш потоків для руйнування конгломератів переподрібнених часток і змінення траекторії великих часток при їх ударі об екран-відбивач. Проведені дослідження підтвердили висновки теоретичних досліджень з позицій теорії удару про раціо-нальний діапазон швидкостей, які забезпечують розділення.
Експериментальні дослідження механізму еволюції турбулентних структур дво-фазних потоків були проведені з метою визначення робочих параметрів обладнання і перевірки адекватності результатів теоретичних досліджень. Для проведення експериментальних досліджень було використано лабораторну установку та технологічний комплект промислового обладнання (рис.3)
Рис. 3. Схема лабораторної установки: 1 – зона розділення; 2 – зона завантаження (розвантажувальна частина млину й подача матеріалу з бункера 7); 3,10 – пневмоустановки; 4 – газохід; 5 – вимірювачі тиску; 6 – регулятори тиску; 7– бункер завантаження; 8 – бункер осадженого матеріалу; 9 – решітка; 11 – екран-відбивач.
Ефективність роботи сепаратора визначалася у залежності від параметрів робочого процесу розділення. Для вирішення задачі використовано центральний композиційний план 2-го порядку. У якості параметрів оптимізації були прийняті: продуктивність по готовому продукту; питома витрата енергії; кількість “великого” матеріалу у готовому продукті (%); кількість кондиційного матеріалу, що потрапляє з сепаратора на домел (%).
Досліджено вплив на вищенаведені показники наступних факторів: швидкості повітря у двох елементах сепаратора (при ударі об екран-відбивач та в зоні розділення), діаметра елементів решітки в зоні розділення, відстані між елементами решітки, гранулометричного складу матеріалу, що розділяється. Дослідження проводились з використанням D–оптимального плана із зірковими точками. Варіювання факторами передбачено на трьох основних рівнях і двох додаткових. Описання поверхні відклику отримано в результаті реалізації, у якості ядра плану, 1/4 репліки повного факторного експерименту типу 26-2.
Для виключення систематичних похибок було проведено рандомізацію дослідів за датчиком випадкових чисел. Однорідність дисперсії перевірялася за критерієм Кохрена, що дозволило зробити висновок про повноту факторів. Перевірка адекватності опису поверхонь відклику поліномом 2-го ступеню робилася за F-критерієм Фішера.
Проведено заміри швидкостей повітряних потоків вздовж екрана на висоті (Н) 0,15 м при початковій осередненій швидкості повітря 17 м/с на виході з газоходу – наведені у таблиці, кут нахилу потоку повітря до екрану 0,5 рад, відстань від виходу з газохода до екрану 0,3 м.
На рис. 4 і 5 наведені графіки змінення швидкостей повітря на відстані 0,15 м від екрана вздовж однієї з координатних осей при фіксованому значенні другої координати.
Таблиця 1
Значення швидкостей повітряного потоку (м/с) над екраном (Н = 0,01м)
Y, м | X, м
-0,15 | -0,125 | -0,10 | -0,075 | -0,05 | 0 | 0,05 | 0,075 | 0,10 | 0,125 | 0,15
-0,20 | 2,5 | 2,7 | 3,2 | 3,8 | 4 | 4,2 | 4 | 4 | 3,7 | 3,5 | 3,12
-0,15 | 4 | 4,3 | 5,1 | 5,5 | 6 | 6,3 | 6 | 5,8 | 5,4 | 5,3 | 5
-0,10 | 5 | 5,3 | 6,2 | 7 | 7,3 | 8,5 | 8 | 7,5 | 7,3 | 6,8 | 5
-0,05 | 6 | 7 | 12 | 12,4 | 12,8 | 13,2 | 13 | 13 | 12,5 | 9 | 5,4
0 | 6,3 | 8,1 | 13 | 13,6 | 14,2 | 15,5 | 15 | 14,2 | 12,6 | 9,1 | 5,6
0,05 | 6,1 | 7,5 | 12,5 | 13,1 | 13,7 | 14,2 | 14 | 14 | 12,4 | 8,8 | 6
0,10 | 6 | 7,3 | 11,3 | 11,7 | 12 | 12,5 | 12,1 | 12 | 11,5 | 8,5 | 5,4
0,15 | 5,7 | 7,1 | 9,4 | 10 | 10,2 | 10,7 | 10,5 | 10 | 9,8 | 8,2 | 5,3
0,20 | 5,6 | 7 | 9 | 9,2 | 9,4 | 9,6 | 9,2 | 9 | 8,4 | 8 | 5
Рис. 4. Розподілення швидкостей повітря на відстані 0,15 м від екрана вздовж осі Y.
Рис. 5. Розподілення швидкостей повітря на відстані 0,15 м від екрана вздовж осі X.
Потік повітря співударяється з екраном під кутом з віссю Y. Як видно з наведеної інформації, розподілення швидкостей симетричне відносно осі Х і має асиметрію по осі Y. Всі частки, діаметром менше 0,5 мм, будуть транспортуватися до другого ступеню класифікатора.
Зіставлення результатів експериментальних і теоретичних досліджень підтвер-дило адекватність розроблених моделей.
Четвертий розділ присвячено розробці методики розрахунку основних параметрів сепаратора, решітки гасіння великомасштабних вихрових структур і екранів-відбивачів, а також розробці принципів створення нового ефективного устаткування повітряної класифікації і реконструкції існуючого.
В основу створення устаткування слід покласти необхідну тонкість помелу, тобто максимальний розмір частинок на виході з агрегату помелу.
Головною характеристикою процесу аеродинамічної класифікації є розмір рівноважної частки, яка знаходиться у відносному врівноваженні в робочому просторі класифікатора під впливом визначальних сил процесу, тобто має нульову швидкість вздовж його визначальної координати (див. ф-лу 7).
оцінка поперечної складової швидкості частинок здійснюється за залежністю (2), оскільки вона регламентує довжину і поперечний перетин зони розділення сепаратора після решіток руйнування великомасштабних турбулентних структур. Якщо частинка досягає стінки апарату, то незалежно від її розмірів вона не піддається аеродинамічній класифікації.
Далі знаходимо час релаксації частинок, що визначається виразом = 2/18.
для визначення параметрів решіток руйнування великомасштабних турбулентних структур необхідно знайти допустимий розмір вихорів, при якому б не відбувалося захоплення крупних частинок. Захоплення може відбутися при умові, коли діаметр вихору досить великий в порівнянні з довжиною шляху релаксації частинки, і енергія вихору перевищуватиме кінетичну енергію частинки.
великомасштабний вихровий елемент утворює коло радіусу r0. Радіус визначається із співвідношення Прандтля .
енергія вихору визначається із співвідношення (4).
характерний розмір комірки решітки повинен не перевищувати діаметру вихору критичного для даної частинки, тобто ? 4,5r0 .
Аналіз результатів експериментів показав, що співвідношення діаметру прута решітки (D) і характерного розміру комірки решітки , тобто відстані між ними (D1), повинно бути 0,025.
діаметр прута решітки складає 0,025 діаметра вихору критичного для даної частинки.
для виключення впливу на процес класифікації турбулентних слідів крупних частинок в зоні розділення і руйнування конгломератів частинок перед зоною розділення на вході встановлюється перший ступінь класифікатора, в якому крупна фракція під дією сил інерції після удару об екран-відбивач поступає в зону осадження крупного продукту, а звідти в бункер продукту для подачі на додаткове подрібнення.
екран-відбивач повинен бути встановлений так, щоб частинка, ударяючись об нього під кутом б–, відображалася від нього під кутом б+ і поступала в зону осадження. Кути б– і б+ зв'язані залежністю
.
Залежно від подрібнюваного матеріалу і конструкції помольного агрегату вищевикладені принципи можуть бути реалізовані як частково, так і повністю при створенні нового устаткування і реконструкції.
Отримані результати дослідження впроваджені в якості розробленого обладнання на підприємствах: ВАТ “Красногорівський вогнетривкий комбінат”, ВАТ “Часівоярський вогнетривкий комбінат”, ЗАТ “Пересувна механізована колона №116” та ВАТ “Деконський комбінат стінових матеріалів”.
ВИСНОВКИ
1. Розроблено теоретичні передумови для створення ефективного устаткування для повітряної сепарації на базі:–
досліджень динаміки енергетичного спектру турбулентних структур двофаз-ного середовища в машинах для повітряної сепарації;–
ліквідації великомасштабних турбулентних структур; –
нового підходу до попередньої класифікації на принципах удару, що дозволяє руйнувати конгломерати частинок.
2. створено нову машину для повітряної сепарації (патент України № 18198 В02С 23/10 (2006.01). Двостадійний класифікатор сипучих матеріалів).
3. Розроблено математичну модель турбулентної міграції частинок подрібнюваного матеріалу і визначені масштаби її впливу на процеси аеродинамічної класифікації газодисперсних потоків.
4. Визначено лінійні масштаби турбулентності в машинах для повітряної сепарації.
5. Побудовано адекватні математичні моделі для визначення параметрів устаткування.
6. Виконана серія експериментальних досліджень, яка показала достатню сходимість результатів теоретичних і експериментальних (розбіжність в межах 10 %).
7. Розроблено алгоритм і методику розрахунку елементів устаткування для класифікації подрібнюваного матеріалу.
8. Результати теоретичних і експериментальних досліджень використано при розробці технічної документації, яку впроваджено при створенні устаткування на ВАТ “Красногорівський вогнетривкий комбінат”, ВАТ “Часівоярський вогнетривкий комбінат”, ЗАТ “Пересувна механізована колона № 116” та ВАТ “Деконський комбінат стінових матеріалів”.
9. Економічний ефект від упровадження нового устаткування склав 250 тис. грн. на рік в умовах ВАТ “Часівоярський вогнетривкий комбінат” та 180 тис. грн. на рік в умовах ЗАТ “Пересувна механізована колона № 116”.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Дворников В.И., Кононыхин С.В., Рыбалко Р.И. Исследование эффективности измельчения молотковой дробилкой с классификацией материала в псевдоожиженном слое // Материалы к 37 международному семинару по проблемам моделирования и оптимизации (МОК-37) “Моделирование в материаловедении”. – Одеcса, 1998. – С. 119-121.
2. Дворников В.И., Кононыхин С.В., Рыбалко Р.И. Совершенствование сепаратора для пневмоклассификации мертелей // Материалы V международной научно-технической конференции “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века”, Том 2. – Донецк-Севастополь, 1998. – С. 88-90.
3. Дворников В.И., Кононыхин С.В., Рыбалко Р.И. Динамика твёрдых частиц пылегазового потока в вертикальной трубе // Вестник ДонГАСА. Выпуск 98-6 (14).– Макеевка, 1998. – С. 189-206.
4. Дворников В.И., Кононыхин С.В., Рыбалко Р.И., Угнивенко В.Н. Эффективность дробильно-помольных линий при переработке хромито-магнезиевых огнеупоров // Вестник ДонГАСА. Выпуск 99-1 (15). – Макеевка, 1999. – С. 105-112.
5. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Рыбалко Р.И., Непорожнев А.С., Саханенко И.В. Интенсификация рабочих процессов оборудования для строительства // Материалы международной научно-технической конференции “Интерстроймех-2003”. – Волгоград-Волжский, 2003. – С. 206-208.
6. Ємельянова І., Баранов А., Рибалко Р. Зменшення енерговитрат на розмелення будівельних матеріалів в замкнутому циклі шляхом використання сепаратора нової конструкції // IV Міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми економії енергії”. – Львів, 2003. – С. 230-236.
7. Рыбалко Р.И. Влияние структуры воздушного потока на эффективность разделения в сепараторах помольных агрегатов // Науковий Вісник будівництва. Матеріали міжнародної конференції “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд”. – Харків, ХДТУБА, ХОТВ АБУ, № 23, 2003. – С. 195-200.
8. Баранов А.Н., Емельянова И.А., Рыбалко Р.И., Постельняк С.В. Основы создания оборудования на базе учета влияния турбулентных структур многофазных потоков // Материалы международной научно-технической конференции “Промышленная гидравлика и пневматика”. – Киев, 2004. – С. 21-24.
9. Рыбалко Р.И. Теоретические основы создания сепараторов новой конструкции // Вестник ДонГАСА. Выпуск 2004-5 (47). – Макеевка, 2004. – С. 113-119.
10. Патент № 18198, Україна МПК В02С 23/10 (2006.01). Двостадійний класифікатор сипучих матеріалів / Рибалко Р.І., Баранов А.М. (Україна); заявник та патентовласник Рибалко Р.І. – № u200609779; заявл. 12.09.06; опубл. 16.10.06, Бюл. № 10.
АНОТАЦІЯ
Рыбалко Р.І. Двостадійний повітряний сепаратор для сухого подрібнення у замкнутому циклі. – Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.02 – Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій. – Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури. Харків, 2008.
Дисертаційна робота присвячена питанням створення устаткування класифіка-ції для сухого подрібнення в замкнутому циклі. Головною характеристикою процесу аеродинамічної класифікації є розмір рівноважної частки, що знаходиться у відносній рівновазі в робочому просторі класифікатора. Стійку рівновагу можна спостерігати тільки в тому випадку, коли складові пульсацій газу для даного розміру часток практично не впливають
