Совершенствование процесса сепарации корнеклубнеплодов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность проблемы. Наиболее распространенным способом механизированной уборки картофеля является подкапывание клубненосного пласта с последующим его разрушением и выделением клубней из вороха, который содержит в себе растительные примеси, свободную мелкую почву, почвенные комки и камни. Наибольшую трудность представляет отделение от клубней прочных почвенных комков и камней. Предпринимались попытки уйти от этой проблемы путем размещения посадок картофеля на хорошо просеиваемых песчаных почвах, с помощью специальных агротехнических приемов, снижающих, до некоторой степени, количество комков. Однако такие меры носят частный характер, недостаточно надежны и существенно усложняют технологию. Около 20% площадей, занятых под картофелем, сильно засорены камнями, размеры которых близки к размерам клубней, а примерно 40% посадок размещены на почвах, склонных к значительному комкообразованию.

При механизированной уборке почвенные комки и камни отделяются от клубней частично на комбайне, окончательно на сортировально-очистительном пункте. В зависимости от условий уборки на каждый комбайн приходится от 4 до 6 рабочих - переборщиков. В годы засушливой осени почвенных комков в комбайн поступает настолько много, что отделить их от клубней вручную весьма сложно и от применения комбайнов приходится отказываться в пользу ручного подбора клубней за картофелекопателями.

Проблема отделения почвенных комков имеет место также при уборке репчатого лука, корнеплодов, томатов и других культур. Томаты легко повреждаемы, поэтому их нельзя перевозить вместе с твердыми комками на стационарный пункт послеуборочной обработки, комки необходимо отделять на комбайне. При этом применение сложного сепаратора типа рентгеновского неперспективно, что следует из опыта использования аналогичного сепаратора на английском картофелеуборочном комбайне.

Механические сепараторы, применяемые на зарубежных мобильных машинах (щеточные, воздушно-вакуумные и др.), недостаточно эффективны по качеству работы. Поэтому изыскание и создание сепаратора, отличающегося от известных сочетанием высокой эффективности технологического процесса разделения с простотой устройства и эксплуатации остается актуальной проблемой.

В диссертационной работе решена важная народнохозяйственная проблема - снижение затрат при механизированной технологии производства корнеклубнеплодов путем обоснования параметров, разработки нового технологического процесса и конструкции сепаратора для отделения корнеклубнеплодов от прочных почвенных комков и камней в блокированном псевдоожиженном слое (БПС).

Для решения этой проблемы была выдвинута гипотеза: на основе существенного различия корнеклубнеплодов и примесей в плотности и фрикционных свойствах обосновать технологию и технические средства, позволяющие высокоэффективно разделять эти компоненты. Гипотеза подтверждается путем аналитического и экспериментального обоснования рациональных параметров новой сепарирующей системы - БПС, реализующего в своем технологическом процессе различие в плотности и фрикционных свойствах разделяемых компонентов, на основе которого разработаны технологические схемы и определены параметры технических средств для высокоэффективного непрерывного технологического процесса разделения компонентов.

Связь работы с научными программами и планами:

Работа выполнялась c 1979 по 2009 г. по госбюджетной теме „Совершенствование процессов пневмомеханической очистки корнеклубнеплодов” (государственный регистрационный номер 0104U005400) в соответствии с государственными научными и научно-техническими программами развития:

- программой 5.6. „Государственная научно-техническая программа”. „Новые технологические производства хранения и переработки сельскохозяйственной продукции;

- программой 5.7. „Технические средства нового поколения для сельскохозяйственного производства”.

А также по хозяйственным договорам:

с Головным специализированным конструкторским бюро (ГСКБ п.о. «Рязсельмаш», г. Рязань) по теме: «Исследование устройства для отделения клубней картофеля от почвенных комков и камней и обоснование его рабочих параметров», а также по теме:«Разработка пневматического отделителя корнеклубнеплодов от примесей» в 1979-1982 и 1984-1985 гг.;

с ГСКБ по машинам для овощеводства г. Москва по теме:- «Линия послеуборочной обработки лука-репки и лука-севка повышенной производительности: Исследование пневматического сепаратора вороха лука от комков почвы и камней» в 1983 г.;

с совхозом «Индустрия» Станично-Луганского района Луганской области, в 1986 и 1987 г. по теме «Внедрение механизированной уборки и послеуборочной обработки картофеля»;

по договорам о творческом сотрудничестве с ПКБ «Прогресс» г. Николаев в 1993, 1998-2009 гг.;

по международному финансируемому договору с Молдовой в 2004 - 2005 г. по теме „Разработка нового поколения очистителя-отделителя корнеклубнеплодов от примесей”.

Объекты исследований - технологический процесс и технические средства сепарации корнеклубнеплодов от примесей.

Предмет исследований -закономерности технологического процесса сепарации корнеклубнеплодов в (БПС).

Методы исследований. При выполнении теоретических и экспериментальных исследований в диссертации использованы методы: системного анализа, теории подобия, механико-математического моделирования, классической механики, гидравлики, дифференциального исчисления и математической статистики. Расчеты результатов исследований проведены на персональных компьютерах с использованием стандартных и вновь разработанных методик. При изучении эффективной плотности системы БПС - тела, аэродинамических и механических характеристик компонентов (корнеклубнеплодов и примесей ) использованы методы зондирования БПС реальными телами и их моделями на специально разработанном стенде. Скорости перемещения тел в БПС, как в непрозрачной среде, определяли с помощью индуктивных датчиков перемещений по усовершенствованной схеме на разработанном нами лабораторном оборудовании.

Точность и достоверность результатов исследований. Результаты экспериментальных исследований, приведенные в диссертационной работе, были получены с применением стандартных приборов и лабораторного оборудования.

Относительная погрешность определенных величин составляла: эффективной плотности БПС - 0,25% и давления в БПС - 0,3-5%.

При определении плотности почвенных комков, а также эффективности разделения клубней, почвенных комков и камней расчетное число наблюдений равнялось 36. Для повышения достоверности наблюдений плотность определялась у каждого из 200 почвенных комков. При определении эффективности технологического процесса пробы состояли из 100 клубней, 100 почвенных комков и 100 камней.

Цель исследований - повышение эффективности и качества послеуборочной обработки корнеклубнеплодов путем обоснования параметров и разработки сепаратора для отделения корнеклубнеплодов от примесей в БПС.

Задачи исследований:

проанализировать проблему сепарации корнеклубнеплодов от почвенных комков и камней;

определить рациональные параметры сепаратора нового типа для отделения корнеклубнеплодов от почвенных комков и камней в БПС;

изучить эффективность работы опытного образца сепаратора;

провести сравнительную технико-экономическую оценку разработок.

Научная новизна работы. Разработаны механико-математические модели:

- свободного БПС как полустационарной двухфазной среды, обладающей регулируемой статической плотностью, на основе которой получены формулы для определения сопротивления слоя и одиночного диска в «стесненных условиях», что в свою очередь, позволило определять основные механико-технологические свойства материала для твердой фазы БПС в зависимости от его аэродинамических и геометрических параметров;

- системы БПС - погруженное в него тело (загруженный БПС) для обоснования методики расчета геометрических и аэродинамических параметров слоя, обеспечивающих разделение тел различных размеров и плотности;

- движения тела в БПС, с помощью которой обоснованы основные схемы непрерывных процессов разделения тел и предложены показатели оценки разделяющей способности системы БПС - погруженное в него тело;

- обоснованы схемы и параметры систем: ввода смеси, вывода разделенных компонентов и воздухораспределения.

Выполнено обоснование производительности основных схем сепараторов, разрабатываемых на основе БПС как разделяющей системы.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Механико-математические модели свободного и загруженного БПС, как полустационарной двухфазной среды, обладающей эффективной плотностью по отношению к разделяемым компонентам;

2. Механико-математические модели движения тела в БПС, с помощью которых обоснованы основные схемы непрерывных технологических процессов разделения;

3. Методики определения основных компонентов эффективной плотности БПС;

4. Методика комплексной оценки разделяющей способности БПС по коэффициенту равнопадаемости и величине четкости разделения;

5. Схемы непрерывных технологических процессов, а также систем ввода смеси, вывода разделенных компонентов и воздухораспределения, защищенные авторами свидетельствами и патентами на изобретения.

Практическая значимость результатов исследования:

- разработана методика расчета геометрических и аэродинамических параметров БПС, а также новые конструкторско-технологические схемы устройств для непрерывного технологического процесса отделения корнеклубнеплодов от комков почвы и камней, обеспечивающие качественное разделение тел различных размеров и плотности;

- на основе разработанной методики расчета параметров БПС, а также перспективных конструкторско-технологических схем изготовлены опытные образцы сепараторов корнеклубнеплодов от комков почвы и камней в лаборатории ЛНАУ г. Луганск, в ВИМе (г. Москва) и ГСКБ П.О. «Рязсельмаш» (г.Рязань), которые по результатам испытаний в ГСКБ П.О. «Рязсельмаш», совхозе «Индустрия» Станично-Луганского района, в ООО „Керамик” ЛТД Лутугинского района Луганской области показали, что их применение в 2-3 раза снижает затраты ручного труда на операции отделения корнеклубнеплодов от комков почвы и камней.

Реализация результатов исследования:

Перспективная схема устройства для отделения корнеклубнеплодов от почвенных комков и камней (с использованием БПС в качестве сепарирующей системы) и методика расчета его параметров переданы в ГСКБ П.О. «Рязсельмаш» г.Рязань и в ПКБ «Прогресс» г. Николаев для использования при разработке сепараторов корнеклубнеплодов от почвенных комков и камней. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для проектирования опытных образцов сепаратора корнеклубнеплодов, подготовки “Рекомендаций производству”, а также используются при выполнении дипломных проектов, магистерских и кандидатских работ.

Апробация результатов исследования. Результаты аналитических и экспериментальных исследований по теме диссертации докладывались, обсуждались и получили позитивную поддержку на:

конференциях Луганского национального аграрного университета в 1986-2002 гг.;

как завершенные исследования по хоздоговорным темам в ВИМе (г. Москва), в ГСКБ по овощеводству (г. Москва), в ГСКБ по машинам для уборки и послеуборочной обработки картофеля и корнеплодов п.о. «Рязсельмаш» (г. Рязань), ПКБ «Прогресс» (г. Николаев);

международной научно-технической конференции «Перспективы развития механизации и технического сервиса сельскохозяйственного производства» в пгт. Глеваха, в 1996г.;

юбилейной конференции НАУ г. Киев в 1998г.;

- в Сучжуйском техническом университете сельского хозяйства (КНР) в 2005г. (в форме презентации монографии автора).

- на коллегии Главного управления агропромышленного развития, совете-семинаре специалистов Инспекции качества и формирования ресурсов сельскохозяйственной продукции Луганской Областной Государственной Администрации, а также в Ассоциации фермеров и частных землевладельцев Луганской области;

- конкурсной комиссии отборочной государственной экспертизы Министерства образовании и науки Украины.

Личный вклад соискателя.

Разработаны:

Механико-математическая модель БПС и формулы для расчета его параметров, обеспечивающие разделение компонентов различных размеров и плотности.

Методики:

обобщения аэродинамического сопротивления БПС и формулы для расчета его статической плотности как одного из главных факторов сепарирующей способности БПС;

определения аэродинамической компоненты эффективной плотности по интегральной выталкивающей силе от давления по поверхности тела, погруженного в БПС;

определения силы воздействия твердой фазы (гирлянд) на тело, погруженное в БПС;

расчета параметров БПС в области погруженного в него тела и показателей его вместимости по отношению к разделяемым телам;

комплексной оценки разделяющей способности БПС по коэффициенту равнопадаемости и величине четкости разделения компонентов.

Определены возможности отделения клубней от комков и камней в горизонтальном вертикальном, наклонном БПС, а также выполненном на поверхности барабана. Определены рациональные параметры с сепарирующим покрытием, выполненным на наружной поверхности вращающегося барабана.

Обоснованы параметры систем для ввода смеси в сепаратор, вывода из него разделенных компонентов и воздухораспределения.

Проведена производственная проверка сепаратора и выполнена технико-экономическая оценка разработок.

Отдельные работы выполнялись совместно с другими исследователями, результаты их опубликованы в печати с определением доли соавторов.

Публикации. Основные результаты аналитических и экспериментальных исследований освещены в 46 печатных работах, авторских свидетельствах и патентах на изобретения, в т.ч. 19 без соавторов. В числе печатных работ 3 монографии, одна из них в соавторстве (доли авторов равные, по 50%).

1. Проблемы научно-технического обеспечения производства картофеля

Рассмотрено состояние и освещены перспективы развития картофелеводства, а также современные тенденции в области технологии и механизации послеуборочной обработки картофеля в результате которых обозначена проблема, выдвинута гипотеза, разработана концепция, а также сформулированы цель и основные задачи исследований.

Основы теории движения клубней и других сельскохозяйственных материалов по рабочим органам сельскохозяйственных машин разработаны В.П. Горячкиным и П.М. Василенко. Технологические и теоретические основы механизации уборки картофеля и свеклы были описаны в трудах М.Е. Мацепуро и Л.В. Погорелого. Теоретические исследования рабочих органов машин для уборки, послеуборочной обработки и хранения картофеля и овощей проводили Г.Д. Петров, Н.Н. Колчин, А.А.Сорокин, Н.И. Верещагин, К.А. Пшеченков и другие. Исследованиям технологических процессов отделения корнеклубнеплодов от прочных почвенных комков и камней были посвящены работы А.Ф.Ульянова, Ф.И. Батяева, С.Н. Крашенинникова, Р.А. Срапенянца, Н.И. Семкина, Ю.И.Зиновьева, а также зарубежных ученых Баганца, Бера, Харрисона, Глеасона, Виларда, Хелбига, Коха, Мака, Росселя, Шафера, Шлесингера, Шольца, Шпехта, Забельтитза, Эрдмана и других.

В результате этих исследований разработаны и эксплуатируются несколько типов сепараторов. Анализ их технико-эксплуатационных характеристик показал, что все они, кроме рентгеновского, неудовлетворительно отделяют почвенные комки. Качество работы сепаратора зависит от энергозатрат на процесс сепарации, его размеров и массы. В связи с этим имеет значение характер использования сепаратора: на комбайне или стационарном пункте.

В частности, из исследований немецких ученых следует, что на полях, где засоренность убираемого вороха составляет 10%, целесообразно выкапывать картофель копателями-погрузчиками, а отделение комков и камней производить на стационаре. В этом случае целесообразно применять стационарный очистительный пункт с развитой системой устройств для отделения различных примесей. На полях, где засоренность убираемого вороха выше 10%, картофель следует убирать комбайнами, оборудованными простыми механическими сепараторами и транспортерами для ручной доочистки.

Наличие эффективного сепаратора, независимо от места его использования, позволит приблизить технологию уборки картофеля к индустриальной. Анализ проблемы показал, что до настоящего времени еще не создан достаточно эффективный сепаратор, простой по конструкции и не требующий высокой квалификации обслуживающего персонала.

Способы разделения клубней и почвенных комков (камней) основаны на различии их механико-технологических признаков. В большинстве исследованных рабочих органов разделение только по одному признаку не удавалось. Эффект разделения корректируется влиянием дополнительных признаков, которые, в одних случаях способствуют, а в других - ухудшают качество разделения вороха.

Наибольший интерес представляет разделение компонентов по их плотности, в частности, в средах промежуточной плотности (к примеру, в водно-почвенной суспензии), где возможно их полное разделение. Недостатком этого способа разделения является смачивание компонентов, нарушение состава среды и значительный расход воды (примерно 30 % от массы корнеклубнеплодов).

Применение достаточно эффективного способа разделения компонентов картофельного вороха в зернистом псевдоожиженном слое, исследованного Зиновьевым Ю.И, сдерживается из-за нарушения состава зернистого материала, а также его расхода в процессе разделения.

Проведенные нами предварительные исследования позволили установить, что соединение элементов твердой фазы в гибкие нити переменного сечения и фиксация их у воздухораспределительной решетки дает возможность получить блокированный псевдоожиженный слой (БПС), который свободен от ряда недостатков, присущих зернистому слою. Варьированием геометрических и аэродинамических параметров БПС можно создать условия, при которых корнеклубнеплоды, комки и камни разделяются преимущественно по плотности. БПС сохраняет разделяющую способность при изменении угла наклона его к горизонту и не утрачивает заданных механико-технологических свойств в процессе сепарации.

Слой допускает оборачивание, что позволяет выводить компоненты без погружения в него элементов выгрузных устройств.

Динамическое воздействие воздушных струй на разделяемые тела в БПС является нежелательным, т.к.оно приближает условие разделения в БПС к разделению в свободном воздушном потоке, где тела разделяются по парусности, поэтому целесообразно создать слой с высоким аэродинамическим сопротивлением при невысоких скоростях воздушного потока. При этом слой должен оставаться достаточно разреженным, с высокой долей свободного объема, чтобы механическое сопротивление твердой фазы БПС (гирлянд) не препятствовало погружению в него тел. Для выполнения этих условий утолщающие элементы (зерна) гирлянд должны обладать по возможности большим сопротивлением при минимально возможном объеме каждого элемента. Это решается путем выбора размеров и формы отдельных элементов и схемы их расположения в БПС.

Для обеспечения системности планируемых исследований были разработаны концептуальные структурно-логические схемы моделирования блокированного псевдоожиженного слоя, как сепарирующей системы, а также технических средств сепарации создаваемых на его основе, определены цель и задачи исследований.

В качестве основной для исследований нами была принята технологическая схема устройства, включающая вращающийся барабан с БПС на его внешней поверхности.

Выполнение углубленных исследований по уточнению параметров сепарирующей системы и технических средств, выполненных на ее основе, согласно сформулированной выше проблеме, концептуальным и структурно-логическим схемам позволит достичь поставленную цель - повысить эффективность и качество послеуборочной обработки корнеклубнеплодов путем обоснования параметров и разработки сепаратора для отделения корнеклубнеплодов от примесей в БПС.

2. Аналитическое моделирование технологического процесса сепарации корнеклубнеплодов и примесей в блокированном псевдоожиженном слое (БПС)

Проведен сравнительный анализ механико-технологических свойств псевдожиженных слоев, как сепарирующих сред, выполнено моделирование как свободного так и „загруженного” разделяемыми телами БПС, а также непрерывного технологического процесса разделения.

С целью обоснования параметров элемента сопротивлений БПС были проанализированы работы Н.Е.Жуковского, Г.И.Лукьянова, Морея, Эйфеля, Лилиенталя, Ланглея, Кановетти, Решара, Роу и Хенвуда, Эмерслебена, Спарроу и Леффлера, М.Э. Аэрова и О.М. Тодеса, Ю.И. Зиновьева, Л.Т. Свиридова и других, в которых определялось аэродинамическое сопротивление как одиночных элементов различных размеров и формы, так и элементов сопротивлений, находящихся внутри групп из тех же элементов, а также другие важнейшие параметры различных зернистых материалов.

В результате этих, а также наших предыдущих исследований в качестве элемента сопротивления твердой фазы слоя - гирлянд выбран круглый диск со средним диаметром около 8 мм и толщиной до 1,5 мм.

При этом минимальный диаметр диска с учетом результатов предыдущих исследований целесообразно принять не менее 3 мм, а максимальный - не более 12 мм, а рекомендуемое значение шага дисков по длине гирлянды - в пределах 1-2 их диаметров.

Следует отметить, что при моделировании геометрии свободного (не загруженного разделяемыми телами) слоя гибкие нити гирлянд условно считаются как жесткие стержни. Из технологических соображений геометрия слоя должна обеспечивать максимально возможный свободный объем для поступающих в него тел, что достижимо за счет максимального сближения и «взаимопроникновения» гирлянд. Наиболее вероятной является схема расположения дисков гирлянд в воздушном потоке между квадратной и треугольной. Для обеспечения полного «взаимопроникновения» гирлянд минимальный шаг t дисков при квадратной схеме их расположения определяется по формуле:

, (2.1)

где t? - толщина диска; Д - суммарный просвет между дисками различных гирлянд.

С другой стороны шаг гирлянд должен ограничиваться условием предотвращающим взаимное скрещивание гирлянд:

, (2.2)

где d? - диаметр диска гирлянды.

Исходя из уравнения расхода воздуха, скорость обтекания элементов слоя V3 определяется по формуле:

, (2.3)

где V - средняя скорость воздушного потока, входящего в слой; ц0 - доля живого сечения в ярусе дисков (минимальный просвет) относительно площади решетки, на которой размещены гирлянды.

Просвет ц0 в ярусе дисков:

, (2.4)

где fо - площадь просвета в ярусе дисков, приходящаяся на одну гирлянду; F0 - площадь решетки, приходящаяся на одну гирлянду; f?- площадь проекции диска на воздухораспределительную решетку.

Количество дисков в единице объема слоя находится по формуле:

. (2.5)

Плотность расположения гирлянд на решетке q0 и площадь решетки, приходящаяся на одну гирлянду F0, связаны между собой отношением:

. (2.6)

С учетом этого формула (2.4) для определения просвета примет вид:

. (2.7)

Плотность расположения гирлянд на воздухораспределительной решетке:

. (2.8)

Диаметр диска после преобразований формулы (2.8) определится так:

. (2.9)

Теоретический просвет цhc на любой глубине равен:

- для сходящегося слоя - (на внутренней поверхности цилиндра):

, (2.10)

- а для расходящегося слоя (на внешней поверхности цилиндра):

, (2.11)

где R - радиус кривизны решетки; h - расстояние от поверхности слоя до рассматриваемого кругового сечения слоя.

Просвет 0 при размещении гирлянд на решетке по углам прямоугольника, аналогично формуле (2.7), определится по выражению:

, (2.12)

где а0 и b0 - стороны прямоугольника, по углам которого закреплены гирлянды.

Расстояние bh по хорде окружности между осями гирлянд в сходящемся слое:

. (2.13)

Это же расстояние в расходящемся слое:

. (2.14)

Общая длина Н гирлянды составляет:

H = L Г + l н (2.15)

так как:

Lг = (nг - 1)t,

то Н определится выражением:

, (2.16)

где nг - количество дисков на гирлянде, lн - длина от точки фиксации гирлянды на решетке до первого диска.

БПС является в определенной мере упорядоченным ансамблем из отдельных элементов сопротивлений.

Аэродинамическая модель БПС характерна тем, что энергия воздушного потока трансформируется в нем в статическую и динамическую составляющие, а соотношение их величин определяется геометрией твердой фазы БПС.

При большой загущенности твердой фазы в БПС преобладает статическая составляющая, при малой - динамическая.

Технологические соображения приводят к необходимости изучения аэродинамического сопротивления БПС как одного из главных факторов его сепарирующей способности.

Минимальный просвет между дисками, шаг расположения дисков в гирлянде, объем и площадь дисков - это характеристики, необходимые для рассмотрения вопроса об аэродинамическом сопротивлении БПС.

Величиной минимального просвета в БПС определяется скорость обтекания, так же как в зернистом слое порозностью, поэтому пределы значений просвета были приняты такими же, как порозность зернистого псевдоожиженного слоя, т.е. ц0 = 0,07-0,55 в случае использования его в качестве среды для разделения крупного класса тел по плотности.

Соображения большой вместимости слоя по отношению к разделенным телам приводят к необходимости создания ярусно - решетной структуры БПС; требуется определить целесообразную концентрацию его твердой фазы в единице объема.

Получение обобщающей зависимости для сопротивления слоя на всей его высоте усложняется неоднородностью структуры: в результате расталкивающего действия струй между группами гирлянд образуются расширяющиеся кверху каналы. Таким образом, понятие удельного сопротивления (отношение полного сопротивления гомогенной системы к её длине) здесь неприемлемо.

С целью получения обобщающих зависимостей аэродинамического сопротивления блокированного псевдоожиженного слоя в конечном виде по экспериментальным данным было получено сопротивление одной дисковой решетки в зависимости от основных параметров, а также определялась закономерность изменения сопротивления по высоте.

При погружении тел в БПС аэродинамическая обстановка в области погружения изменяется. Твердая фаза БПС - гирлянды перед входящим в него телом расступаются, копируя его форму, и под телом образуется воронка свободная от гирлянд (рис. 2.1). Давление воздушного потока на погруженное тело определялось нами экспериментальным способом.

Рис. 2.1. Схема структурных изменений слоя в окрестности погруженного тела: 1 - каверна; 2 - воздушная прослойка; 3 - воронка; 4 - решетка; 5 - гирлянда

Для определения аэродинамической подъемной силы (Fа) как результирующей от давлений, действующих на тело в БПС и ее удельного показателя - аэродинамической компоненты эффективной плотности предлагается следующая методика (рис. 2.2). Для получения полного значения Fа необходимо определить элементарную силу dFx, действующую на элементарную площадку dS поверхности сферы.

На элементарную площадку dS поверхности сферы действует давление Р(б), определенное экспериментальным путем.

Дифференциал дуги . Площадь поверхности элементарной площадки:

С учетом того, что, , выражение для определения вертикальной силы, действующей на элементарную площадку dS, будет иметь вид:

, (2.17)

откуда:

. (2.18)

Так как объем сферы диаметром d будет , то, разделив выражение (2.18) на объем сферы и ускорение свободного падения, получим зависимость для определения аэродинамической компоненты эффективной плотности блокированного псевдоожиженного слоя:

. (2.19)



Рис 2.2. К определению интегральной выталкивающей силы от давления воздушного потока по поверхности тела, погруженного в слой, где dl - дифференциал длины дуги, P() - среднее давление, действующее на участке дуги dl; dS - элементарная круговая площадка шириной dl

При погружении тела (клубня, комка или камня) в БПС гирлянды расступаются и располагаются вдоль траекторий обтекающего его воздушного потока. При симметричном охвате тела гирляндами относительно вертикальной оси и наличии контакта с ним возникает механическая сила воздействия гирлянд вдоль этой оси.

Было установлено, что осевая сила воздействия гирлянд зависит от коэффициента удельного приращения натяжения гирлянд (К), размеров погруженного тела (d) и углов охвата тела гирляндами (б), которые, в свою очередь, зависят от глубины погружения тела в слой (h) и его размера.

Расчетное значение силы воздействия гирлянд Rг1 на тело (без учета трения) при статической плотности сs=200кг/м3; просвете ц0=0,68; К=0,1Н/м, для сферы диаметром d=50мм, оказалось равным 0,001Н, что свидетельствует о её несущественном значении. Внедрение сферы в БПС сопровождается отклонением гирлянд в стороны и образованием вокруг нее уплотненной области из гирлянд. Аналитическим способом была получена формула для определения диаметра Dу уплотненной области БПС:

, (2.20)

где К - номер уплотненной окружности; л-расстояние между центрами гирлянд л=0,5.(d? + с).Кр; С - толщина нити гирлянды; Кр - коэффициент рыхлости укладки гирлянд или поправка на отклонение степени уплотнения гирлянд от теоретического.

Отношение площади миделева сечения погруженного тела (S) к площади уплотненной области (Sу) характеризует предельно возможную степень использования площади БПС.

(2.21)

Это отношение мы назвали геометрическим коэффициентом сжимаемости БПС, где d - диаметр погруженного в слой тела.

Расчеты показали, что геометрический коэффициент сжимаемости БПС зсж возрастает в зависимости от просвета ц0 по прямолинейной зависимости (рис. 2.3). Теоретические коэффициенты использования площади слоя по условиям геометрии размещения тел на его поверхности меньше приведенных на рис. 2.3 зсж и они определяются по формуле:

, (2.22)

где у - доля невозмущенных участков слоя при укладке тел в горизонтальном сечении, от треугольной укладки (уmin= 0,087) до квадратной (уmax = 0,215).



Рис. 2.3. Зависимость геометрического коэффициента сжимаемости БПС зсж от величины просвета ц0

В загруженном слое происходит перераспределение скоростей воздушного потока: ее увеличение на незагруженных участках и, как следствие, неконтролируемое возрастание эффективной плотности, что накладывает дополнительные ограничения на плотность загрузки БПС, более существенные, чем ограничения, вызванные геометрией размещенных тел.

Следовательно, действительный коэффициент использования площади слоя можно представить в виде:

,

где Кст - коэффициент стеснения слоя.

Коэффициент стеснения БПС получен на основе опытных данных по определению эффективной плотности слоя при изменяющемся отношении диаметра тела к диаметру цилиндрической стенки, ограничивающей участок слоя, в который оно погружалось. Приведенные зависимостиКст=f(ц0) (Рис. 2.4) свидетельствуют о том, что в пределах исследованных геометрических параметров БПС и разделяемых тел вместимость слоя остается достаточно высокой.

Для обоснования одного из способов раздельного вывода компонентов, в котором компоненты низкой плотности скатываются по наклонной поверхности БПС, в то время как компоненты с высокой плотностью погружены в него, возникла необходимость в исследовании влияния угла наклона на разделяющую способность БПС.

Рис. 2.4. Коэффициент стеснения Б.П.С. в зависимости от просвета: 1 и 2 - соответственно квадратная и треугольная укладка тел в БПС; t = 8 мм

Анализ перемещения тел в наклонном БПС позволил получить следующие условия движения тел:

1. Условие бокового смещения тела в направлении уклона:

, (2.23)

где т - плотность тела; мб - составляющая эффективной плотности, препятствующей смещению тела; сэц - эффективная плотность слоя от выталкивающей силы, приложенной к центру тела; б - угол наклона воздухораспределительной решетки к горизонту; г - угол отклонения равнодействующей выталкивающих сил от нормали к решетке.

2. Условие всплывания тела путем качения по стенке воронки из уплотненных наклонных гирлянд:

,

где эк - часть эффективной плотности слоя способствующая смещению тела; n- угол, побуждающий тело к качению; k - угол сопротивления качению тела.

3. Условие начала движения тела качением вдоль отклоненных гирлянд:

, (2.24)

где в - угол наклона относительно решетки верхней части уплотненных гирлянд, по которым катится тело.

С целью поиска простой конструкции сепаратора было выполнено исследование процесса разделения компонентов в стационарном вертикально расположенном БПС. На тело, помещенное в стационарный БПС (воздухораспределительная решетка которого установлена в вертикальной плоскости), действуют силы, приведенные на рис. 2.5.

Дифференциальные уравнения движения тела в стационарном БПС по осям прямоугольных координат будет:

(2.25) и , (2.26)

Принятые допущения:

Fn = x1 · Q; (2.27) и Fф = x2 · Q, (2.28)

где x1 и х2 - соответственно нормальный и тангенциальный коэффициенты взаимодействия тела с гирляндами.

Рис. 2.5. Расчетная схема процесса разделения компонентов в стационарном БПС. Pв - выталкивающая сила; G - вес тела; Fф - сила сопротивления движению тела вдоль гирлянд; Fn - сила сопротивления движению тела поперек гирлянд.

С учетом (2.27) и (2.28) после интегрирования уравнений (2.25) и (2.26) получим скорости (x', y') и перемещение тела (x, y) в стационарном БПС.

; (2.29)

; (2.30)

(2.31)

. (2.32)

На основе полученных уравнений построены расчетные траектории движения тел в стационарном БПС (рис.2.6).

Как следует из графика (рис. 2.6) между граничными линиями перемещения клубней и почвенных комков в вертикальном БПС имеется разрыв (технологический коридор), который свидетельствует о теоретической возможности 100 % разделения компонентов по такой схеме.

Рис. 2.6. Расчетные траектории движения тел в стационарном БПС.

Но наиболее простым по конструкции устройством, которое было определено нами в качестве основного объекта исследований, является вращающийся барабан с БПС, размещенным на его внешней цилиндрической поверхности, расчетная схема которого приведена на рис. 2.7.

Движение тела в БПС, выполненном на поверхности барабана в радиальном направлении (рис.2.7) описывается дифференциальным уравнением:

, (2.33)

где m масса тела;

h ускорение тела;

G = mg вес тела;

Fв эффективная выталкивающая сила, действующая на тело;

Fц = mщ2 (ro + h) центробежная сила, действующая на тело;

Ртр = XQ - сила сопротивления движению тела.; х - коэффициент пропорциональности; Q - объем тела.

Рис. 2.7. Расчетная схема процесса разделения компонентов в БПС на поверхности вращающегося барабана

С достаточной для практических расчетов точностью выталкивающую силу можно считать изменяющейся по прямолинейному закону:

Fв = аh + b,

где h - глубина погружения тела в слой;

а и b - постоянные коэффициенты, зависящие от размеров тела и скорости воздушного потока.

Интегрируя уравнение (2.34), после преобразований, получим скорость (h) и перемещение (h) тела в БПС на поверхности вращающегося барабана:

; (2.34)

; (2.35)

. (2.36).

Граничные расчетные траектории движения клубней и почвенных комков в БПС (рис. 2.8) показывают, что между кривыми движения клубней и комков различных размеров имеется разрыв (технологический коридор), что делает теоретически возможным осуществление 100% разделения и раздельного вывода компонентов из БПС в барабанном сепарирующем устройстве.

Рис. 2.8. Расчетные траектории движения клубней картофеля и почвенных комков в БПС на поверхности вращающегося барабана, где 1 - 3 > щ = 3,0 с - 1 ; 2 - 4 > щ = 3,66 с - v

3. Программа и методика экспериментальных исследований

Определены основные вопросы работы, требующие экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментальных исследований использованы разработанные нами лабораторные установки для изучения физического процесса разделения клубней, комков и камней в БПС, выполненном в стационарных ванных, установленных на вентиляторе, а также лабораторно-производственные установки, включающие рабочие органы на основе БПС для осуществления непрерывного технологического процесса разделения (рис. 2.9).

Рис. 3.1. Схемы и общие виды основных лабораторных установок и оборудования для проведения экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования проводились по известным, а также по разработанным и усовершенствованным нами методикам.

4. Экспериментальное моделирование технологического процесса сепарации тел в БПС, анализ и обобщение результатов исследований

Приведены результаты экспериментальных исследований аэродинамического сопротивления свободного БПС, как сепарирующей среды, сопротивления тел в БПС, как объектов сепарации, а также фрикционных свойств системы: тела - твердая фаза БПС.

Экспериментальным способом установлена сепарирующая способность БПС: горизонтального, наклонного ,вертикального и выполненного на поверхности вращающегося барабана; обоснованы: схемы воздухораспределительной системы и подающего устройства ,а также производительность сепаратора.

Поток, пронизывающий БПС, турболизирован, и через отборники давления фиксируется среднее статическое давление на соответствующем расстоянии от поверхности слоя. Замеры производились в 16 вариантах БПС, различающихся по шагу размещения дисков в гирляндах и по плотности расположения последних на воздухораспределительной решетке. Точки, соответствующие экспериментальным значениям давлений, во всех случаях укладывались в плавные кривые зависимостей Рст = f(h). (Рис. 4.1).

Рис. 4.1. Усредненное статическое давление (Рст) в БПС в зависимости от его глубины (h), при 0 = 0,36; 1 - V = 6,4 м/с; 2 - V = 5,0 м/с; 3 - V = 3,5 м/с, H-полная высота слоя

Это свидетельствует о том, что характер изменения давления по высоте БПС равномерный.

Перепад статического давления на участке между первым и вторым ярусами дисков 1-2 и между вторым и третьим 2-3 определялся на кривых экспериментальных зависимостей РS = f(h) как разность между значениями РS соответствующими уровням расположения ярусов.

Обобщение результатов производилось на основе теории подобия и анализа размерностей. Параметрами процесса движения воздушного потока в БПС являются: - аэродинамическое сопротивление дисковой решетки в составе слоя; dо - гидравлический диаметр решетки; d? - диаметр диска; t - расстояние между дисками в гирляндах или между решетками, образованными дисками; V - скорость воздушного потока; - плотность воздуха; - кинематическая вязкость воздуха. Сопротивление дисковой решетки является функцией остальных указанных выше параметров.

Выбрав в соответствии с теорией подобия и анализа размерностей в качестве основных единиц гидравлический диаметр d0, скорость потока V и плотность воздуха , находим, что количество критериев подобия в данном случае равно (6 - 3). Это критерий Эйлера Еu= P/V2, критерий Рейнольдса Rе = Vd0/ и геометрический критерий t / d д. Критерий Эйлера определяемый.

Следовательно, его зависимость от других критериев можно выразить так:

. (4.1)

Экспериментальные точки сопротивления БПС по отдельным уровням его глубины удовлетворительно обобщаются функцией:

, (4.2)

где .

Аппроксимирующие формулы для сопротивления первого и второго рядов дисков имеют следующий вид:

; (4.3)

(4.4)

При всех геометрических параметрах БПС, в исследованных нами пределах, зависимости его сопротивления удовлетворительно аппроксимируются степенными функциями:

, (4.5)

где

; (4.6)

(4.7)

В связи с неравномерностью изменения аэродинамического сопротивления по глубине БПС статическую плотность его можно определить по формуле:

, (4.8)

где М - показатель изменчивости сопротивления слоя по глубине.

. (4.9)

При М = 1 удельное сопротивление БПС, как в жидкости, постоянно по глубине. Приведенные на рис. 4.2 расчетные зависимости М = f(о) показывают, что сопротивление слоя повышается с увеличением степени насыщения его элементами сопротивлений, т.е. с уменьшением просвета о между дисками в ярусах и расстояний t между ярусами.

Аэродинамическая сила R, действующая на один диск, расположенный в первой дисковой решетке по оси гирлянды равна:

. (4.10)

Плотность материала диска определяется по формуле

, (4.11)

где Q ?- объем диска, а g - ускорение свободного падения.



Рис. 4.2. Показатель изменчивости сопротивления слоя по глубине в зависимости от просвета, при h = 25 мм: 1 - t = 8 мм; 2 - t = 12 мм; 3 - t = 16 мм.

Выталкивающая сила, действующая на тело в БПС, складывается из аэродинамической подъемной силы и силы воздействия гирлянд. Для осуществления процесса сепарации важно знать механизм возникновения этих сил и их зависимости от определяющих факторов процесса. В качестве моделей для экспериментального изучения процесса взаимодействия слоя с разделяемыми телами были выбраны сферы диаметрами 30-110 мм, охватывающие средние размеры реальных тел. Таким образом, из дополнительных признаков исследовалось влияние размеров как наиболее изменчивого признака, влияющего на разделяющую способность БПС. Сравнивая результаты взаимодействия сфер и реальных тел с БПС, проводилась оценка влияния формы и состояния поверхности реальных тел на разделяющую способность слоя. Как показали наблюдения, влияние формы частично сглаживается склонностью тел ориентироваться в БПС площадью миделева сечения нормально к направлению потока. Для детального изучения физического процесса сепарации нами проведено экспериментальное исследование распределения давления воздушного потока на поверхностях сфер различных размеров, помещенных в БПС. Для чего использовались дренированные сферы, отверстия в оболочках которых имели выход на многоканальный микроманометр.

Полученный экспериментальный материал использован для расчета интегральной выталкивающей силы Fa от давлений по поверхности тела, погруженного в слой, по формуле (2.19)

Расчет са выполнен на ЭВМ по формуле Симпсона с использованием опытных данных Р(б) распределения давлений по поверхности сфер погруженных в БПС, полученных на основе аэродинамического зондирования БПС с помощью дренированных сфер.

Сравнение эффективной плотности БПС, полученной экспериментальным путем, с расчетными значениями ее аэродинамической компоненты, позволяет сделать вывод об их практическом совпадении. Исключение составляет зона надрешетной области, где эффективная плотность БПС во всех случаях несколько выше ее аэродинамической компоненты, что объясняется наличием вблизи решетки механического сопротивления гирлянд.

Экспериментальное определение силы трения гирлянд о клубни и почвенные комки показало, что эта сила несколько выше, чем теоретическая сила воздействия гирлянд на тело.

Это объясняется, тем что силы трения клубней и комков о гирлянды при аналитическом рассмотрении силы воздействия гирлянд не учитывались, а учитывалось только воздействие на тело силы натяжения гирлянд.

Зависимости коэффициентов трения клубней и комков, полученные экспериментальным путем в режиме погружения тел в слой гирлянд и в режиме их „всплывания” или выхода из слоя свидетельствуют о том, что процесс разделения целесообразно вести в режиме «всплывания» или выхода тел из слоя, т.к. в этом случае происходит расширение величины „технологического коридора”.

Для оценки разделяющей способности БПС по отношению к телам различных размеров и плотности необходимо, на наш взгляд, использовать коэффициент равнопадаемости E, представляющий собой отношение размеров компонентов низкой и высокой плотности, имеющих в данной сепарирующей системе одинаковые критические скорости витания. Известно, что в восходящем воздушном потоке одновременно витают тела различной плотности, если соблюдается условие:

, (4.12),

где d1 > d2 и с2 > с1, а d1, с1 и d2, с2 - соответственно диаметр и плотность компонентов с низкой и высокой плотностью.

Поскольку БПС является полустационарной системой (твердая фаза с потоком воздуха не перемещается), поэтому в нем происходит зависание тел в слое на определенной глубине. Исходя из этого, условимся считать «равнопадающими» такие тела, которые, несмотря на различие размеров и плотности, располагаются одноименными точками на одной и той же глубине БПС.

В БПС с плоской решеткой Е=3, а с вогнутой решеткой (при R = 600 мм) - Е=5,5 (рис.4.3), что говорит о расширении интервала размеров тел, разделяющихся по плотности в БПС, в сравнении со свободным воздушным потоком в первом случае в 1,73 раза, во втором - в 3,25 раза. Однако определение только одного коэффициента равнопадаемости не дает полной картины четкости разделения (“расслоения”) тел по двум различным уровням высоты БПС. Для оценки этого параметра нами использовался следующий показатель - чёткость разделения тел в слое. Чёткостью разделения тел в слое условимся считать расстояние между одноименными точками разделяемых тел по высоте БПС.

Для наглядного представления величины четкости разделения компонентов был построен график (Рис.4.4) размещения тел (сфер) плотностью 1 = 1100 кг/м3 и 2 =1600 кг/м3 и диаметрами d = 30 - 90 мм, находящихся в слое в состоянии равновесия.

Рис. 4.3. Эффективная плотность БПС (сэ) в зависимости от диаметра сепарируемых тел (d). 1. R = ; H=125мм; t = 8мм; V = 7,3 м/с; hц = 60; Е= =d1/d2 = 3; 2. R = -600; H=125мм; t = 8мм; V = 5,7 м/с; hц = 60; Е= =d1/d2 = 5,5.

Как следует из графика (рис. 4.4), с увеличением диаметров одноименные точки тел различных размеров и плотности сближаются по высоте слоя, хотя и не перекрываются, что говорит о теоретической возможности их 100% разделения в БПС.

Рис. 4.4. График размещения тел различных размеров и плотности в БПС: где h - высота слоя; d - диаметр тела; hв, hц, hн - координаты точек тела соответственно верхней, центра и нижней

Для повышения чёткости разделения компонентов и стабильности их раздельного вывода целесообразно увеличивать общую высоту слоя, а также снижать просвет между дисками в направлении от решетки к поверхности слоя. Исследование такого варианта БПС (рис. 4.5) показало, что четкость разделения в нем тел возрастает по сравнению с вариантом, приведенном на рис. 4.4, кроме того, между погруженными телами возникает разрыв - технологический коридор, который к тому же перемещается ближе к поверхности слоя, что при организации непрерывного процесса позволяет упростить вывод разделенных компонентов и, как следствие этого, повысить эффективность их разделения.

Рис. 4.5. Величина технологического коридора (А) в зависимости от диаметров разделяемых тел (d). Где-hH1(2) и hB1(2) - соответственно высота расположения в БПС нижней точки „легкого” и верхней точки „тяжелого” компонентов; А= hH1(2) - hB1(2); ц0 и цh - соответственно просвет у решетки и у поверхности слоя. Вариант 1: Н = 125 мм; t = dд = 8 мм; ц0 = 0,5; цh = 0,27

Вариант 2: Н = 165 мм; t = 5,8 мм; dд = 6 - 12 мм; ц0 = 0,86; цh = 0,43.

Экспериментальное определение перемещений тел в БПС, как непрозрачной диэлектрической среде, проводилось с помощью индуктивных датчиков и записывалось на ленту самописца. Кривые всплывания сфер и реальных тел и поведение их на поверхности слоя идентичны, что подтверждает правильность выбора сферических моделей для изучения процесса разделения реальных тел.

Как следует из полученных экспериментальных данных наиболее рациональным в технологическом плане является съем клубней, вышедших из слоя по инерции за его пределы, что осуществимо в сепарирующем устройстве в форме барабана. Если же для разделения тел использовать плоский транспортер, то с целью интенсификации процесса разделения необходимо погасить колебания тел, всплывших на поверхность БПС, для чего необходимо использовать специальные догружатели.

Для экспериментального определения разделяющей способности наклонного БПС было использовано барабанное устройство с БПС на его внутренней поверхности.

С помощью этого устройства были определены зависимости скорости воздушного потока, при которой всплывают клубни и комки из БПС, от угла его наклона (рис. 4.6), а также зависимости средней скорости скатывания клубней с поверхности БПС и рабочей скорости воздушного потока от угла наклона слоя (рис. 4.7).

Рис. 4.6. График зависимости скорости воздушного потока V, при которой всплывают клубни и комки из БПС, от угла его наклона б: V k1 и V k2 - соответственно скорости всплывания клубней и комков; - - - - границы разброса экспериментальных точек

Как следует из полученных графиков, экспериментальные исследования подтвердили гипотезу, а также теоретические предпосылки возможности разделения тел в наклонном БПС.

Рис. 4.7. График зависимости средней скорости скатывания клубней с поверхности БПС (Uф) и рабочей скорости потока (V) от угла наклона слоя (). 1-1 - скорость скатывания клубней. 2-2 - рабочая скорость воздушного потока

Для подтверждения данных, полученных аналитическим путем, были проведены экспериментальные исследования по определению разделяющей способности стационарного БПС на установке, схема которой приведена на рис. 4.8.

Границы разброса точек падения тел (рис.4.9) на плоскость при выходе из БПС свидетельствуют о возможности 100% разделения клубней, комков и камней, т.к. при вертикальной установке воздухораспределительной решетки БПС кривые точек падения клубней и примесей не перекрываются.



Рис. 4.8. Схема разделения компонентов в БПС: l1, l2, l3 - соответственно координаты падения камней, комков и клубней картофеля на плоскость

В стационарном БПС с вертикально установленной воздухораспределительной решеткой, для осуществления непрерывного технологического процесса еще необходимо иметь подающее устройство, которое должно осуществлять рассредоточенную подачу компонентов, что может несколько усложнить конструкцию сепаратора в целом. Поэтому нами были продолжены исследования наиболее приемлемой технологической схемы устройства барабанного типа с БПС на его внешней цилиндрической поверхности. Результаты определения показателей эффективности работы барабанного устройства приведены в разделе 5, которыми подтверждаются выполненные (раздел 2) аналитические исследования.



Рис. 4.9. Границы разброса точек падения тел на плоскость при выходе их из БПС: при угле наклона поверхности слоя б: а = 30?; б = 15?; в = 0?. 1-3 - клубни; 2-4 - комки; 5-6 - камни

Одним из основных факторов качественного протекания процесса разделения является равномерное распределение воздушного потока по площади рабочей поверхности БПС, т.к. равномерный воздушный поток будет создавать равноценные по всей площади условия для разделения компонентов.

Были исследованы три варианта системы воздухораспределения: с односторонней и двусторонней подачами воздушного потока в барабан воздуховодом постоянного сечения, а также с диффузором-конфузором в области поворота воздуховода.

Лучшее распределение воздушного потока создают системы с двусторонней подачей воздуха и диффузором-конфузором в области поворота воздуховода.

5. Оценка эффективности работы экспериментальных сепарирующих устройств

Приведены результаты экспериментальной проверки сепарирующих устройств с непрерывным технологическим процессом разделения, проведена оценка эффективности их работы, а также показаны варианты развития конструкции сепаратора.

...