1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Разработка процессов пневмосепарации с классификацией дисперсных материалов в динамическом кольцевом пространстве применительно к мукомольно-крупяному производству

Есеев Евгений Александрович

Москва - 2008

Общая характеристика работы

Актуальность. Значительная часть технологических процессов пищевых и сельскохозяйственных производств, как правило, связана с выделением в атмосферу сухих или капельных частиц. Такие частицы, выброшенные наружу, могут наносить серьезный вред человеку и природной среде.

Пофракционная классификация дисперсного материала (в качестве такового в экспериментальной части работы использован промежуточный продукт измельчения зерновых культур) является важнейшей технологической операцией во многих отраслях агропромышленного комплекса, в частности, пищевой промышленности при получении муки различной сортности: высшей с максимальным содержанием белка, первой, второй и т.д. категорий.

На особую значимость темы указывает и то, что для ряда отраслей, таких как энергетика, металлургия, химическая и пищевая промышленности и др. пневмоклассификация дисперсных материалов имеет и иную цель - продуктовое использование фракционированных порошков.

Тематика диссертации содействует выполнению нормативных требований, предусмотренных «Законом РФ №7 - ФЗ от 10.01.2002 г.», а также «ГОСТ 17.3.02-78 Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями».

Работа выполнялась в соответствии с планом основных направлений научнопрактических исследований АлтГТУ им. И.И.Ползунова по темам НИР №72055240, №79064168, №81071345 и грантам Министерства общего и профессионального образования РФ (2000-2003 г.г.) по заказу Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Цель исследования - разработка процессов пневмосепарации, физических моделей и методов расчёта процессов фракционирования и классификации дисперсных материалов.

Объект исследования -закономерности процессов пневмоклассификации дисперсных материалов и выявление их кинетических характеристик.

Методы исследования. - В работе использованы теоретические и экспериментальные методы.

Теоретические методы включали построение полуэмпирических детерминированной и стохастической (с использованием аппарата процессов Маркова) физических моделей пневмосепарационного процесса в конфузорно-диффузорном кольцевом пространстве и отыскание частных решений дифференциальных уравнений в квадратурах.

Нелинейные дифференциальные уравнения с более полным учетом детерминированных и случайных факторов анализировались численно на ЭВМ-УВТ-ТО по методу Рунге-Кутта-Мерсона с автоматическим изменением шага при заданной ошибке счета (второй этап).

Уравнение Фоккера-Планка-Колмогорова решалось численно «методом прогонки» с применением монотонной неявной схемы 2-го порядка точности.

С помощью расчетно-конструктивного метода на основе результатов математического и экспериментального моделирований были получены оптимальные величины кинетических параметров технического устройства, реализующего процесс пневмоклассификации.

В экспериментальных исследованиях использовались методы физического моделирования с целью проверки адекватности теоретических разработок опытным данным.

Результаты экспериментов обрабатывались с применением известных методов математической статистики, в частности «W-критерия».

Научную новизну представляют:

§ физические модели кинетики пневмосепарационного процесса в виде системы уравнения Навье-Стокса;

§ выявление и вычисление кинетических характеристик процесса пневмоклассификации;

§ алгоритм расчета базовых параметров типовых конструкций пневмоклассификаторов;

§ установленные закономерности влияния на процесс пневмоклассификации детерминированных и случайных факторов;

§ сформулированные понятия: «эффект-образующая микрочастица», «эффективный диаметр микрочастицы», «эффективная длительность процесса», «коэффициент оптимального обращения», «конус набегания», «конус схода» и др., позволяющие разработать методы расчета пневмоклассификации и его аппаратурного оформления.

Практическая значимость работы состоит в улучшении качества пневмоклассификации дисперсной фазы с целью получения многофракционной конечной продукции (например, муки высшего сорта и муки, обогащенной белком (с дисперсностью микрочастиц 17 мкм и менее)), а также в решении задач охраны окружающей среды, особенно от тонкодисперсных частиц (50 мкм и менее), не улавливаемых известными устройствами, а также в повышении технико-экономической эффективности производства.

Реализация результатов исследований. Разработанная «методика расчета пневомцентробежных систем для разделения промежуточных продуктов размола» внедрены (04.02.2003г.) в ГУП ОПК ТБ СибИМЭ СО РАСХН.

Лабораторный образец пневмоклассификатора как учебное пособие используется студентами на кафедре МАПП (машины и аппараты пищевых производств) АлтГТУ им. И.И.Ползунова в дипломном и курсовом проектировании с 2002г.

Впервые в мировой практике разработан и внедрен (ООО «Поликорн», Мукомольное производство, г. Новоалтайск, 2003г.) принципиально новый способ (пат., 2002 г.) и техническое устройство (пат., 2002г.), позволившие решить крупную народнохозяйственную проблему оптимизации пневмоклассификационного процесса по фракционированию дисперсного материла на заданное количество составных частей в конфузорно-диффузорном кольцевом пространстве применительно к мукомольно-крупяному производству.

Апробация работы. Основные материалы диссертации представлялись в докладах на Всесоюзной научной конференции «Пути повышения качества зерна и зернопродуктов, улучшения ассортимента крупы, муки и хлеба» (Москва, 1989 г., октябрь, 19-24, институт Зерна), четвертой научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы техники, технологии хранения и переработки зерна» (Барнаул, АГТУ, 2001г., 12-13, октябрь), шестой республиканской научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна» (Барнаул, АГТУ, 2002, 18-20, декабрь), на межкофедральных семинарах в МГУТУ (декабрь 2003 и февраль 2006гг)

Основные результаты, выносимые на защиту:

необходимые и достаточные признаки процесса пневмоклассификации в кольцевом пространстве;

критерий устойчивости (по Ляпунову) движения взвешенной в ламинарном потоке микрочастицы, используемый в физической модели процесса пневмоклассификации;

установленные закономерности влияния на пневмосепарационный процесс: сил центробежного поля давлений, Жуковского, Кориолиса;

методы расчета кинетических характеристик процесса пневомклассификации;

методы расчета оптимальных параметров процесса пневмоклассификации и устройства для его реализации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе два авторских свидетельства, два патента РФ, две монографии, по списку ВАКа - 9 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций, списка использованных источников (245 наименований) в том числе на иностранных языках 58 наименований, приложений - 9. Работа содержит 193 страницы машинописного текста, 49 рисунков и 10 таблиц.

Основное содержание

пневмосепарация дисперсный центробежный давление

В первой главе дается краткий обзор и анализ современного состояния процессов массопереноса и, в частности, пневмосепарации.

Пневмосепарационный процесс и технические средства его реализации развиваются на протяжении многих столетий и в настоящее время продолжают оставаться важнейшей составной частью в технологии послеуборочной обработки зерновых материалов.

Большой вклад в развитие теории и конструкции пневмосепарационной техники внесли ученые и конструкторы: М.Д.Барский, К.М.Барков, Б.Л.Бабуха, И.П.Безручкин, Г.И.Боровик, С.А.Бредихин, О.Ф.Васильев, В.Ф.Веденьев, М.Г.Григорьев, В.П.Горячкин, М.М.Гернет, В.В.Гортинский, В.Я.Гиршсон, Н.И.Грабельковский, К.И.Дебу, А.Б.Демский, А.М.Дзядзио, В.И.Ильченко, Г.Д.Кавецкий, В.А.Кубышев, И.Е.Кожуховский, В.Д.Косой, М.Н.Летошнев, Г.Е.Лимонов, Э.И.Липкович, П.В.Ляшенко, А.Я.Малис, А.С.Матвеев, Е.А.Непомнящий, В.Д.Олейников, Г.Т.Павловский, И.Ф.Пикуза, Ю.М.Плаксин, И.А.Рогов, К.И.Тарасов, З.Л.Тиц, Ю.В.Терентьев, Г.Д.Терсков, Н.Н.Ульрих, В.М.Цециновский, В.Ф.Юдаев, Brenner.S.Bernotat, P.L.Differmor, A.Weining, E.W.Mayer, P.Schmidt, K.E.Schhaus и др.

Совершенствование технологических процессов, базирующихся на концепции безотходного производства, с внедрением более прогрессивных очистных устройств рассматривается как одно из важнейших направлений на предприятиях сельскохозяйственных отраслей, использующих в качестве рабочего сырья продукты помола зерна, порошки, аэрозоли.

Имеющиеся по пневмосепарационным процессам исследования охватывают в той или иной мере лишь отдельные аспекты явления и по преимуществу ориентированы на решение частных задач. Встречаются существенные несоответствия в оценках влияния на процесс отдельных силовых факторов. Нет единого подхода, позволяющего на основе физико-механических свойств дисперсного материала и кинетических характеристик пневмосепарационного процесса наперед рассчитывать его показатели. Наблюдается несоответствие между теоретическими выводами и экспериментальными результатами. В известных физических моделях отсутствуют сравнительно простые по виду и вместе с тем аналитически безупречные критерии оптимизации определяющих пневмосепарационный процесс характеристик, пригодных для инженерных разработок сепарирующих устройств нового поколения.

Сложная физика процессов сепарации и классификации побуждает исследователей прибегать к упрощающим моделям. Оправданными можно признать: аппроксимацию тангенциальной компоненты скорости потока показательной функцией, представление движения дисперсной системы вблизи пограничного слоя как ламинарного континуума. К числу спорных допущений следует отнести неучет вторичных уносов (М.А.Гольдштик), отрыва микрочастиц от границ осаждения (Н.Е.Авдеев), влияния аэродинамического эффекта (Магнуса) как внутри области сепарации, так и на ее границах (М.А.Гольдштик).

Все это свидетельствует о наличии в сфере изучения пневмосепарационных процессов проблемной ситуации, когда нет достаточных знаний для решения комплекса задач по оптимизации технологии разделения дисперсных систем, проектирования аппаратов нового поколения.

Модельные задачи - важнейшая составляющая в исследовании любых технологических процессов - должны решаться на основе достаточно полного учета функциональных соотношений, опирающихся на общие фундаментальные законы.

В плане раскрытия сформулированной проблемы и достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач.

1. Изучение характеристических свойств дисперсного материала, выявление отличительных признаков фракционного состава и корреляционной зависимости между ним и качественными показателями конечного продукта.

2. Обоснование применяемых методов разделения, классификации дисперсного материала с учетом флуктуаций определяющих характеристик процесса.

3. Поиск объективных критериев технико-экономической эффективности сепарирующих устройств, отражающих влияние качества разделения на конечный результат, объемы потребления сырья, энергоемкость и т.д.

4. Изыскание рациональных методов и технических средств контроля параметров процесса.

5. Развитие технологических схем сепарирования в общем производственном процессе и отдельных очистных аппаратах.

Во второй главе построена базовая физическая модель процесса пневмоклассификации дисперсной фазы из завихренного запыленного потока (воздух со взвешенными в нем микрочастицами) в конфузорно-диффузорном кольцевом пространстве.

На основе анализа уравнений математической физики решены следующие задачи по оптимизации основных кинетических характеристик процесса пневмоклассификации, а также геометрических параметров технического устройства, реализующего этот процесс:

1. Найдено условие (в виде неравенства) критерия устойчивости движения взвешенной в ламинарном потоке микрочастицы.

Так как базовая модель строилась в предположении, что движение дисперсной системы имеет ламинарный характер, возникла необходимость в установлении критерия, позволяющего априори выносить суждение о принадлежности рассматриваемого потока к тому или иному режимам течения, т.е. ламинарный, переходный или турбулентный.

Уравнения движения микрочастицы в проекциях на абсолютные полярные оси R и Ф имеют вид:

(1)

где ₁ - плотность микрочастицы, кг/м³; V_R, V_Ф - абсолютные радиальная и тангенциальная составляющие скорости микрочастицы, м/с; k₁ - коэффициент сопротивления (по Стоксу) движению микрочастицы относительно дисперсионной среды для случая Rе<1, 0, кг/ м³с; - плотность среды, кг/м³; - частота вращения ротора, с^-1; k₂ - безразмерный коэффициент, с помощью которого приближенно учитываются поправки на допущения, связанные с распространением теоремы Жуковского для плоско-параллельного обтекания бесконечного цилиндра на рассматриваемый случай микрочастицы произвольной формы в конфузорно-диффузорном кольцевом пространстве; g - ускорение свободного падения, м/с²; t - время, с.

Введя новую переменную U=U_Ф - V_Ф, для предельного случая, когда ₁ = , системе (1) можно придать более простой вид:

(2)

Перейдя в (2) к относительным переменным:

запишем:

(3)

где - время релаксации микрочастицы, с; - характерная скорость, м/с.

Записав для (3) характеристическое уравнение:

(4)

и сообразуясь с размерностью коэффициента k₁ в (4), введем для основного потока число Тейлора:

(5)

где н - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Имея в виду (4) и (5) и то, что ранее было положено с₁=с, получим оценку:

(6)

Неравенство (6) устанавливает критическое число Тейлора, превышение которого приводит к неустойчивому движению микрочастицы.

Чтобы сделать окончательные заключения об условиях устойчивости движения взвешенной в ламинарном потоке микрочастицы, необходимо по методу Ляпунова провести дополнительное исследование в отношении нулевого корня соотношения (4) с учетом нелинейных слагаемых системы (2). При этом по смыслу неравенства (6) для обеспечения устойчивости движения микрочастицы знак (6) следует сменить на противоположный, т.е.

(7)

На основании (7) критическое число Тейлора, за пределами которого можно ожидать неустойчивость движения микрочастицы и всего потока в целом, будет предопределяться следующими относительными показателями:

1) третьей степенью отношения кольцевого зазора к диаметру микрочастицы;

2) отношением величины внутреннего радиуса кольцевого пространства к диаметру микрочастицы;

3) отношением величины внутреннего радиуса кольцевого пространства к сумме величин внутреннего и внешнего радиусов кольцевого пространства;

4) геометрической формой микрочастицы, влияние которой характеризуется значениями коэффициентов сопротивления k₁ и подъемной силы k₂.

2. Установлена фракционная длительность как определяющая характеристика процесса.

Уравнения движения микрочастицы в проекциях на относительные полярные координаты r, ц:

(8)

где r, , R, Ф, Z - относительные полярные и абсолютные цилиндрические координаты соответственно; - вектор местной скорости потока и его (вектора) тангенциальная составляющая соответственно, м/с; , с^-1; ₁, ₂ - угловые скорости внутренней и внешней границ соответственно, с^-1; (рис.1).



При написании уравнений (8) были учтены следующие силы: - стоксовское аэродинамическое сопротивление движению микрочастицы со стороны потока; - боковая сила Жуковского; - поля давлений в токе (Р - давление); - веса микрочастицы за вычетом архимедовой составляющей. Все силы отнесены к единице объема микрочастицы.

На рис.2 представлена схема векторов сил (их модули условны), действующих на отдельно взятую микрочастицу М в ее относительном движении. Вследствие того, что в рассматриваемом плоском кольце сила (сила тяжести) имеет нулевую проекцию (она перпендикулярна плоскости кольца), на схеме не показана; , - центробежная и кориолисова силы соответственно.

Система (8) получена при следующих допущениях:

- траектории частиц несущей среды (воздух) - в среднем дуги концентрических окружностей;

- движение среды установившееся;

- число Фруда < 40, т.е. не учитываются массовые силы. Это позволило существенно упростить уравнения Навье-Стокса и свести задачу о движении среды в трехмерном пространстве к двумерному случаю (рис.1).

Система (8) рассматривалась совместно с начальными условиями:

r(0) = 0, (0) = 0, (9)

Дифференциальные уравнения движения микрочастицы в проекциях на абсолютные оси R, Ф:

(10)

при начальных условиях:

R(0) = 0, Ф(0) = 0, (11)

где k₃ - безразмерный эмпирический коэффициент.

Заметим, что модель (8) с условиями (9) удобна при исследовании кинематической стороны процесса, а модель (10) с условиями (11) - его кинетики.

Отказ от условия нестационарности позволяет записать для системы (8) с учетом (9) одно важное частное решение в конечном виде:

(12)

где T - фракционная длительность процесса, с.

Представив фракционную длительность T в виде:

(13)

и положив ₁= ₂ = > // 1, r[0, R₂-R₁], в работе показано, что

(14)

т.е. интеграл (13) приобретает свой минимум в одном случае, когда =1. Последнее и означает, что оптимальным кинематическим условием, доставляющим фракционной длительности минимальное значение (14), будет то, когда внутренняя и внешняя границы области сепарации имеют одинаковые угловые скорости, именно: .

3. Установлены необходимые и достаточные кинематические условия для эволюции процесса, позволяющие еще до опыта ответить на принципиальный вопрос: возможна ли вообще реализация процесса при данных численных значениях кинематических параметров и дисперсном материале с известным гранулометрическим составом?

В предположении равенства тангенциальных компонент скоростей микрочастицы и частицы дисперсионной среды, с которой она (микрочастица) совпадает на текущий момент времени, система (8) приобретет следующий вид:

(15)

Если время релаксации существенно меньше (на порядок и более) длительности процесса (характерно для микрочастиц с диаметрами 20 мкм и менее), то во втором уравнении системы (15) следует сохранить только

(16)

поскольку в этом случае вторым слагаемым левой части, а также вторым и третьим слагаемыми правой части можно пренебречь.

Уравнение (16) с учетом (9) имеет частное решение:

(17)

Анализ выражения (17) показывает, что относительный угловой сдвиг микрочастицы включает две составляющие: нестационарный и стационарный _t- сдвиги, а их отношение /_t- равно примерно двум.

Кинематическим условием входа микрочастицы в процесс является:

(18)

где = Т - переносный угол (переносная угловая координата микрочастицы).

Условие выхода микрочастицы из процесса:

(19)

Из первого уравнения системы (15), если ограничиться первым приближением, можно записать для относительного полярного радиуса микрочастицы выражение:

(20)

Заменив в (17) и (20) переменную t на длительность T_Э, время релаксации - его функциональной характеристикой:

и подставив их соответственно в (18) и (19), после несложных преобразований, получим окончательно:



Из записи (21) и (22) видно, что первое из них не зависит явно от параметра , второе же, напротив, имеет квадратичную зависимость от .

Найденные условия (21) и (22), являющиеся соответственно необходимыми и достаточными критериями для реализации пневмоклассификационного процесса справедливы, как было отмечено, для сравнительно узкого интервала (1… 20 мкм) дисперсности сепарируемого материала, т.е. для весьма малых значений времени релаксации. Между тем на практике, как известно, формула сопротивления по Стоксу используется для микрочастиц с диаметрами до 50 мкм.

Поэтому представляет интерес отыскание условий, аналогичных (21) и (22), для микрочастиц, время релаксации которых соизмеримо по крайней мере с длительностью процесса.

С учетом того, что в системе (15) отличное от нуля значение всегда отрицательно, а время релаксации микрочастицы одного порядка, что и длительность процесса, то второе уравнении с учетом сказанного сведется к следующему соотношению:

(23)

Частным решением для (23) с условиями (9) будет:

(24)

где _нс - нестационарный относительный угловой сдвиг микрочастицы; - параметры, с^-1.

Необходимым условием вступления микрочастицы в процесс на основании (24) будет:

(25)

Неравенство (25) следует интерпретировать как необходимое условие существования процесса для случая, когда по крайней мере не меньше фракционной длительности, в обратном признаку (21) смысле: микрочастицы, для которых удовлетворяется условие (25), в процесс не вступают, соответственно и наоборот.

Признаки (21), (22), (25) можно использовать в качестве численных критериев для предварительной (до опыта) качественной оценки реализуемости пневмосепарационного процесса в условиях заданных кинематических (R₁, R₂, , T_Э, и т.п.) и физико-механических (, ₁, , и т.п.) параметров.

Актуальные комбинации критериев (21), (22):

- удовлетворяются оба признака - процесс реализуется;

- удовлетворяется (21) и не удовлетворяется (22), т.е. микрочастица вошла в процесс, но выйти из него не в состоянии (это может произойти или из-за недостаточного энергетического потенциала потока, когда микрочастица, выйдя на стационарную орбиту, в дальнейшем не покидает ее, либо вследствие крайне медленного движения микрочастицы к периферии, и длительность процесса оказывается недостаточной для выхода ее (микрочастицы) к границе осаждения - процесс не реализуется;

- безотносительно к условию (22) не удовлетворяется (21) - процесс не реализуется.

4. Сформулировано понятие эффект-образующей микрочастицы; построен интервал диаметров эффект-образующих микрочастиц:

( _Н, _В - соответственно нижняя и верхняя граница интервала, выраженные в виде функциональных комплексов), с помощью которого на основе планируемой общей эффективности определяются рабочие значения кинематических характеристик и _р, управляющих интенсивностью пневмосепарационного процесса.

5. Средствами математического анализа установлена оптимальная функциональная связь между и _р:

,

позволяющая вовлекать в пневмосепарационный процесс микрочастицы наиболее тонких фракций и тем самым способствовать росту общей эффективности процесса.

6. Получены выражения аналитических характеристик, позволившие выявить тенденцию влияния на процесс детерминированных и случайных факторов. Анализ выражения (12) фракционной длительности процесса свидетельствует о следующем: силы поля давлений потока и кориолисова - всегда препятствуют процессу (способствуют росту величины T); центробежная сила и Жуковского, напротив, - способствуют его развитию.

Силу Кориолиса следует учитывать в тех случаях, когда >>1/2.

Кориолисова составляющая длительности процесса:

(*)

характеризуется временем релаксации и «кольцевым зазором» ln(R₂/R₁) и не зависит от параметра . Сама же сила Кориолиса, вызывающая изменение (*) длительности, находится в прямой зависимости от этого параметра.

В координатах , на рис. 3 показаны области учета (А) и неучета (В) кориолисовой силы для пшеничных микрочастиц (₁=1, 4 10³ кг/м³).

Попытки всеобъемлющего учета детерминированных факторов, влияющих на пневмосепарационный процесс в очень немногих случаях (малозначимых как правило для практики) дают удовлетворительное согласие расчетных показателей с опытными.

Тепловая и турбулентная диффузии, столкновения и как следствие коагуляция и дезагрегация микрочастиц, ряд других случайных явлений могут существенно исказить детерминированные характеристики процесса.

Учет же эмпирических поправок на форму, степень концентрации микрочастиц в рабочем пространстве, упругий отскок от границ осаждения и т.п., к сожалению, не позволяют получать устойчивые функциональные зависимости и - главное - устранить качественного противоречия в свойствах наблюдаемого процесса и его теоретической модели. Так, расчетная стационарная длительность всякий раз оказывается меньше соответствующей величины экспериментальной модели, а исчисленная по теоретической длительности эффективность, напротив, - больше того же показателя опыта.

Поэтому интерпретация пневмосепарации как случайного процесса является, возможно, более естественной, чем чисто детерминированный подход.

Стохастическое дифференциальное уравнение движения микрочастицы:

(26)

где Ф - абсолютная угловая координата микрочастицы; ₂ - кинематический параметр с размерностью угловой скорости; (t), ₁ - случайная функция со свойствами «белого шума» и ее интенсивность соответственно.

Соотношению (26) отвечает «уравнение достижения границ»:

(27)

где a, b - коэффициенты диффузии и сноса соответственно, определяемые из (26) согласно определению марковского диффузионного процесса; при этом коэффициент a характеризует среднеквадратическое отклонение процесса Т(Ф₀) от его среднего (по вероятности) значения (Ф₀); коэффициент b - среднюю тенденцию в эволюции случайного процесса; Ф₀ - начальное распределение абсолютной угловой координаты микрочастицы.

Краевыми условиями для (27) положим:

Здесь (28) по аналогии с (21) является необходимым условием вступления микрочастицы в процесс; (29) - достаточным признаком выхода микрочастицы из процесса.

Решив уравнение (27) совместно с условиями (28), (29), получим для средней по вероятности длительности выражение:

(30)

Как видно из (30), предельными значениями для будут:

(31)

(32)

В отсутствии флуктуаций, т.е. когда коэффициент диффузии а=0 (31) устанавливает детерминированную длительность, (32) --выход из процесса микрочастицы в первый же момент времени.

Но, пожалуй, более важным следствием, вытекающим из (30), является следующее: при выполнении необходимого (28) и достаточного (29) условий случайные воздействия типа «белого шума» по крайней мере не препятствуют эволюции пневмосепарационного процесса.

7. Выявлены геометрические характеристики устройства, реализующего пневмосепарационный процесс.

Конструктивное приспособление, имеющее предназначение поддерживать необходимые аэродинамические условия для протекания пневмосепарационного процесса, классификации и выхода отдельных фракций дисперсного материала из процесса, назовем его внешним (образует внешнюю границу кольцевого пространства) завихривающим роторным элементом.

Какую геометрическую форму следует придать этому элементу, чтобы он наилучшим образом мог реализовать свое назначение?

Очевидно, что геометрическое тело, обладающее наибольшей контактной поверхностью (при прочих равных условиях), способно при вращении вокруг соответствующей оси создать вихревое поле наибольшей интенсивности.

Согласно этому критерию была решена обратная изопериметрическая задача: из множества прямых круговых усеченных конусов данной высоты и объема найти тот, чья боковая поверхность была бы наименьшей. Таким геометрическим телом оказался прямой круговой цилиндр, и, следовательно, всякий роторный элемент с геометрической формой прямого кругового усеченного полого конуса (диффузора) будет иметь заведомо большую боковую (контактную) поверхность, нежели круговой цилиндр того же объема и высоты.

Можно указать и на другую поверхность, именно на поверхность однополостного гиперболоида, который, превосходя усеченный конус по критерию максимума контактной поверхности, имел бы перед ним, кроме того, важное преимущество плавности перехода линий тока дисперсной системы.

Тем не менее из соображений простоты и, главное, дешевизны изготовления предпочтение было отдано геометрическому телу, имеющему форму полого усеченного конуса.

Конус, на который набегает дисперсная система (конус набегания), имеет своим предназначением решение следующей аэродинамической задачи: предварительная закрутка и перевод дисперсной системы в зону активной сепарации.

Исходя из этой задачи, угол раствора конуса набегания определялся по критерию минимума профильного сопротивления, пропорционального, как известно, величине поверхности обтекания.

С этой целью была решена прямая изопериметрическая задача: из множества прямых круговых конусов данного объема выделить тот, который имел бы наименьшую боковую поверхность.

Решение задачи вывело на конус с углом раствора, равного .

Определена граница учета фактора нестационарности процесса.

Показано, что для случая линейного сопротивления, когда фракционная длительность пневмосепарационного процесса намного (на порядок и более) больше времени релаксации, влиянием фактора нестационарности можно пренебречь, а сам процесс интерпретировать как стационарный.

Действительно, первое уравнение системы (15) сведется в этом случае к соотношению:

(33)

Решение (33) с начальными условиями (9):

(34)

где

На основе (34) можно записать в первом приближении выражение для нестационарной длительности процесса:

(35)

где - нестационарная длительность, с.

Заметим, что второе, третье и т.д. приближения (35) могут лишь уменьшить величину .

Сравнительный анализ нестационарной (35) и стационарной (12) длительностей процесса приводит к заключению, что во всех случаях, когда

(36)

стационарная длительность более чем в 2 раза превосходит длительность нестационарную.

Таким образом, если длительность процесса заметно превосходит время релаксации микрочастицы и удовлетворяется неравенство (36), неучет фактора нестационарности не вносит существенных погрешностей в расчетные показатели процесса, и для описания последнего рациональнее пользоваться стационарной моделью, которая имеет перед нестационарной очевидные преимущества в части аналитического исследования.

9. Разработан метод расчета основных параметров процесса и устройства его реализации.

В качестве основных параметров приняты показатели:

(37)

(выражение (37) получено из (12) после отбрасывания несущественных слагаемых) и угловая скорость роторного элемента (рис.4).

Роторный элемент 4 представляет жестко соединенные между собой с закруглением в местах стыка конус набегания 5 и конус схода 6, охваченные цилиндрическими конфузорно-диффузорными обечайками 8 так, что между последними и конусами набегания и схода образуется кольцевое пространство 9 (конфузорная часть) и 10 (диффузорная часть), где осуществляется процесс пневмоклассификации.

Стационарным значением для времени релаксации , доставляющим для (37) тотальный минимум, будет:

(38)

где _с - стационарное значение времени релаксации.

Исходя из предельной динамической нагрузки на роторный элемент, устанавливаем допустимый порог угловой скорости _р.

Заменив время релаксации его выражением, определяем для (38) оптимальные характеристики:

(39)

где - эффективный диаметр микрочастицы и эффективная длительность соответственно.

Задавшись значением внутреннего (или внешнего) радиуса R₁* кольцевого пространства, вводим число Рейнольдса:

(40)

где - усредненная (по протяженности подводного канала) аксиальная составляющая скорости потока.

Так как математическая модель изначально строилась для ламинарного течения, то в качестве рейнольдсова числа можно взять так называемый нижний критический порог, т.е. 2, 0 10³. Тогда из (40) определится значение для R₂, что позволит установить допустимый кольцевой зазор R₂ - R₁^*.

Располагая T_Э и значением потока, вычисляем протяженность (осевую ) кольцевого канала 4:

(41)

Вычтя из (41) длину образующей конуса набегания, получим величину образующей конуса схода 2:

(42)

где - образующая конуса схода.

Установленные основные параметры _р, _Э, Т_Э, R₂-R₁*, а также геометрические характеристики внешней обечайки роторного элемента, конуса набегания (угол раствора) и конуса схода (длина образующей (42)), протяженность сепарационного канала (41) могут быть использованы при инженерной разработке конкретного технического устройства пневмосепаратора-классификатора.

Данная методика была применена при создании экспериментального варианта пневмоклассификатора.



Как видно из выражений уравнений (8) и (10) общее решение в силу их нелинейности не может быть записано в квадратурах. Поэтому эти системы с начальными условиями (9), (11) были решены численно на ЭВМ-УВТ-ТС с помощью метода Рунге-Кутта-Мерсона с автоматическим изменением шага и заданной погрешностью.

Показательные зависимости в виде графиков как результаты решений дифференциальных уравнений с помощью пакета Matlab, а также абсолютные траектории микрочастиц внутри кольцевого пространства представлены на рис. 5…7.

В третьей главе определены цель и задачи теоретического экспериментального исследования, сформулированы методы экспериментов, приводятся их результаты и анализ.

Ключевой целью была проверка состоятельности гипотезы, положенной в основу всего исследования и состоящей в представлении пневмосепарационной области как оптимального конструктивного решения в виде сопряженно соединенных конфузорно-диффузорных кольцевых пространств с подвижными границами, причем, внешняя диффузорная часть границы образована набором цилиндрических обечаек, каскадно состыкованных между собой и имеющих в местах стыка кольцевые зазоры для выхода микрочастиц из процесса. Кроме того, попутно с ключевой целью, необходимо было качественно оценить достоверность основных положений теоретической части (глава 2).

Испытания (3…5 пропусков одной из трех фракций крупки через пневмоклассификатор) завершались взвешиванием на технических весах отсепарированного материала, накопленного в специальных емкостях при кольцевых зазорах 3, именуемыми выходными ярусами «А», «В», «С» (отсчет ведется снизу вверх).

Эффективность пневмоклассификатора для обоих вариантов (50, 100 с^-1) испытаний составила 96, 0±1, 7%.

Показатели по четкости разделения крупки: четвертая фракция (680, 0 мкм): «А» - 81, 0±2, 3%, «В» - 14, 0±2, 3%, «С» - 0%; пятая фракция (475, 0 мкм): «А»-68, 0±1, 4%, «В» - 18, 0±1, 6%, «С» - 6, 0±2, 4%; шестая фракция (327, 5 мкм): «А» - 53, 0±1, 2%, «В» - 30, 0±2, 0%, «С» - 20, 0±2, 3%.

Выявленные показатели по четкости разделения крупки можно признать удовлетворительными, особенно с учетом того, что опытная проба крупки была близка однородному материалу.

Пневмосепаратор-классификатор (рис.4) содержит вращающийся корпус 1 с входным 2 патрубком и выходными кольцевыми щелями 3, вращающимся роторным рабочим элементом 4, соосным и концентричным корпусу 1. Вращение корпуса 1 и роторного рабочего элемента 4 осуществляется в одном направлении посредством приводов (на чертеже не показаны). Вращающийся роторный рабочий элемент 4 выполнен в виде плавно сопрягаемых по окружностям наибольших диметров оппозитных конических поверхностей конусов набегания 5 и схода 6. Вращающийся корпус 1 образован участком 7 и сменными участками 8, коаксиально охватывающими роторный рабочий элемент 4. Между участком 7 корпуса 1 и конической поверхностью конуса набегания 5 имеется конфузорный кольцевой канал 9, а между сменными участками 8 и конической поверхностью схода 6 имеются диффузорный кольцевой канал 10. Зона сепарации образована кольцевыми каналами 9 и 10. Сменные участки 8 корпуса 1 расположены каскадно и примыкают друг к другу своими кромками с созданием между участками 8 выходных кольцевых щелей 3 для выхода отдельных фракций дисперсного материала. Выход одинаковых по крупности фракций осуществляется через выходные кольцевые щели 3 между смежными участками 8. Первая выходная щель относительно входного 2 патрубка предназначена для выхода наиболее крупных фракций дисперсного материала. Количество сменных участков 8 и их размеры определяются необходимым количеством выходных фракций.

Конфузорный кольцевой канал 9 выполнен сужающимся от области входного 2 патрубка к области диффузорного кольцевого канала 10.

Таблица 1. Характеристика классов крупности крупки

Классы крупности	Совокупность классов крупности
№ п/п класса	Размерная характеристика	Средний размер частиц в остатке, мкм	Выход	Порядковый номер совокупности	Суммарный выход, %	Средний размер частиц, мкм
	проход через сито	сход с сита		г	%		по "+"	по "-"
	с размером стороны ячейки, мкм
0		+2257		0	0	0	0
1	-2257	+1614	1935, 5	1, 3	0, 3	1	0, 3	100	1935, 5
2	-1614	+1114	1364	46, 3	9, 7	1+2	10, 6	99, 7	1399, 1
3	-1114	+800	957	70, 7	14, 8	1+...+3	26, 0	89, 4	1144, 0
4	-800	+560	680	158, 7	33, 2	1+...+4	60, 5	74, 0	900, 7
5	-560	+390	475	95, 6	20, 0	1+...+5	81, 3	39, 5	800, 7
6	-390	+265	327, 5	84, 6	17, 7	1+...+6	99, 6	18, 7	719, 4
7	-265	+180	222, 5	14, 3	3, 0	1+...+7	100, 0	0, 4	717, 6
8	-180	+118	149	2, 9	0, 6	1+...+8	100, 0	0
9	-118	< 49	49	1, 4	0, 3	1+...+9	100, 0	0

Пневмосепаратор-классификатор является аппаратом замкнутого действия, поэтому он снабжен эжекционным устройством 11, размещенным у входного 2 патрубка. Кольцевая щель 12 предназначена для выхода очищенного воздуха наружу.

На чертеже дополнительно обозначено стрелками направление движения аэродисперсного материала и очищенной среды.

Для экспериментов предварительно с помощью ситового анализа был определен дисперсный состав отобранной для испытания навески в 450, 7 г крупки.

На рис.8 отражены результаты ситового анализа использованной в экспериментах навески крупки в виде гистограммы.

В таблице 1 представлена характеристика классов крупности фракций крупки.

Рис.8. Гистограмма плотности функции распределения микрочастиц крупки по размерам

Данные некоторых испытаний с результатами статистической обработки в виде абсолютных поправок к измеренным средним величинам приводятся на рис.9…11.

Рис.9. Выходы фракций по размерам. Ярус "А": 6(327, 5 мкм) - 53 1, 2; 5(475, 0 мкм)- 68 1, 4; 4(680, 0 мкм) - 81 2, 3

Рис.10.Выходы фракций по размерам. Ярус "В": 6(327, 5 мкм) - 30 2, 0; 5(475, 0 мкм)- 18 1, 6; 4(680, 0 мкм) - 14 2, 3



Рис.11. Выходы (%) фракций по массе. Ярус "С": 6(327, 5 мкм) - 20 2, 3; 5(475, 0 мкм)- 6 2, 4; 4(680, 0 мкм) - 0

Общие выводы и результаты

Впервые проведено теоретическое обобщение в виде математических моделейпроцесса пневмоклассификации аэрозолей в широком спектре физико-механических свойств дисперсного материала в конфузорно-диффузорном неоднородном поле тангенциального компонента скорости потока в кольцевом пространстве, которое позволяет сделать следующие выводы:

1. На основе анализа уравнений математической физики, описывающих модели процесса пневмоклассификации: выявлены особенности влияния на пневмосепарационный процесс детерминированных и случайных факторов - сил Кориолиса, Жуковского, поля центробежных давлений и «белого шума»; выведены необходимые и достаточные аэродинамические условия существования процесса; установлен критерий устойчивости (по Ляпунову) движения микрочастицы в ламинарном потоке; найдена функциональная связь между угловой скоростью роторного элемента пневмоклассификатора и скоростью потока на входе в аппарат, обеспечивающая возможность вовлечения в сепарационный процесс микрочастиц наиболее тонких фракций (10 мкм и менее).

2. Разработаны физическая модель пневмосепарационного процесса в кольцевом пространстве и методы расчета основных параметров пневмоклассификационного процесса и устройства его реализации («эффективный диаметр» микрочастицы, «эффективная длительность» процесса, угол раствора «конуса набегания», протяженность рабочей зоны сепарации и др.); указаны границы учета нестационарной и перехода к стационарной модели процесса, имеющей перед первой преимущества в части качественного анализа процесса.

3. Разработаны алгоритмы и управляющие программы для пневмосепарационного процесса в конфузорно-диффузорном кольцевом пространстве, реализующие:

- вычисление оптимального соотношения между азимутальными компонентами скорости ротора и скоростью потока на входе в аппарат (патент №2193459);

- обеспечение замкнутости и устойчивости процесса за счет организации рециркуляции части потока (пат. 2193459);

- вращательное движение внутренней и внешней границам кольцевой области с одинаковыми по модулю и направлению частотами вращения (патент №2193459).

4. Разработанная физическая модель использована при конструировании нового пневмосепаратора-классификатора (патент №2193458).

Состоятельность разработанных моделей, примененных при расчетах процессов сепарации в конфузорно-диффузорном кольцевом пространстве подтверждена результатами экспериментов с 96 %-ой эффективностью сепарации твердой фазы и приемлемыми показателями по эффективности разделения сепарируемого материала.

5. На основании внедрения одного аппарата на ООО «Поликорн» для фракционирования и классификации дисперсных материалов, созданного с использованием диссертационных результатов показало, что срок окупаемости одного пневмоклассификатора с годовым экономическим эффектом 11250 руб. (в ценах 2002 г.) в четыре раза ниже нормативного срока, установленного методами расчета, что говорит о высокой эффективности и целесообразности практической реализации результатов исследований.

Основные положения диссертации отражены в работах

Есеев Е.А. О влиянии «белого шума» на процесс инерционной сепарации. - ИФЖ, Т.37, №3, 1979. - С.519-521.

А.С. 980849 SU, В 04 С 1/100. Способ сепарации дисперсной фазы от потока газа/ Буров А.И., Ессеев Е.А. - 3264433/ 23-26; опубл. в Б.И., 1982, №46.

Есеев Е.А. К оптимизации процесса инерционной сепарации //Алт.техн.университет им. И.И.Ползунова.- Барнаул, 1984.-7с. Деп., ВИНИТИ, №4600-84.

Есеев Е.А. Тонкая сепарация и расчет ее эффективности //Межвузовский сборник, - Вып. 14.- Барнаул, 1985. - С.35-41.

Есеев Е.А. К расчету эффективности сепарации микрочастиц /Алт.техн.университет им. И.И.Ползунова.- Барнаул, 1986.- 5с.Деп., ВИНИТИ, №4705-86.

Есеев Е.А., Злочевский В.Л. Пофракционная пневмоклассификация промежуточных продуктов размола зерна в кольцевом пространстве вращающихся цилиндров //Всесоюзная научная конференция “Пути повышения качества зерна и зернопродуктов, улучшения ассортимента крупы, муки и хлеба”. - Москва:1989. - С.144-146.

А.с. 1518017 SU, В 04 С 1/100. Способ пневмосепарации зерновых материалов // Злочевский В.Л., Ессеев Е.А. - 4283181/31-13; заявлено 14.07.87; опубл. в Б.И., 1989, №40.

Злочевский В.Л., Есеев Е.А. К разработке аэропленочной технологии разделения зерновых материалов //Всесоюзная научная конференция “ Пути повышения качества зерна и зернопродуктов, улучшения ассортимента крупы, муки и хлеба”. - Москва, 1989. - С.78-80.

Есеев Е.А., Злочевский В.Л. Об управлении пневмосепарационным процессом в кольцевом пространстве вращающихся цилиндров. - Сиб.вестн.с.-х. науки, Н-к, №6, 1989. - С.102-105.

Есеев Е.А., Лев Г.Ш. Влияние кинематических параметров на характеристики процесса пневмосепарации в кольцевом пространстве с вращающимися границами //

Сиб. вестн. с.-х. науки, Н-к, 1993. - №1. - С.72-74.

11. Есеев Е.А., Лев Г.Ш. Об устойчивости движения взвешенной в ламинарном потоке микрочастицы // Сиб. вестн. с.-х. науки, Н-к, 2000. №1. - С.105-107.

12. В.Л.Злочевский, Е.А.Есеев. О необходимых и достаточных условиях пневмосепарационного процесса в кольцевом пространстве с подвижными границами //Научно-практическая конференция с международным участием «Современные проблемы техники, технологии хранения и переработки зерна» - Барнаул, 2000. - С.21-26.

13. Злочевский В.Л., Есеев Е.А. Влияние фактора нестационарности на длительность процесса пневмосепарации тонкодисперсных частиц в кольцевом пространстве с подвижными границами // Научно-практическая конференция с международным участием «Современные проблемы техники, технологии хранения и переработки зерна». - Барнаул, 2000. - С.18-21.

14. Злочевский В.Л., Есеев Е.А. К методике расчета основных параметров процесса пневмосепарации-классификации дисперсного материала в кольцевом пространстве с подвижными границами // Научно-практическая конференция с международным участием «Современные проблемы техники, технологии хранения и переработки зерна».- Барнаул, АГТУ, 2000. - С.14-17.

15. Есеев Е.А., Злочевский В.Л. О влиянии на процесс тонкой пневмосепарации детерминированных силовых факторов// Сиб. вестн. с.-х. науки, Н-к, 2001. -№1-№2. - С.98-100.

16. Есеев Е.А., Злочевский В.Л. О воздействии «белого шума» на длительность процесса пневмосепарации тонкодисперсных частиц // Сиб.вестн. с.-х. науки, Н-к, 2002. -№4. - С.107-109.

17. Пат. 2193459 RU, С2 7 ВО 7В 7/08. Способ пневмосепарации дисперсного материала// Злочевский В.Л., Ессеев Е.А. - №20011011702/03; заявлено 17.01.2001; опубл. в Б.И., 2002, №33.

18. Пат. №2193458 RU, С2 7ВО 7В 7/08. Пневмосепаратор-классификатор / Злочевский В.Л., Ессеев Е.А. - №2001101701/03; заявлено 17.01.2001; опубл. в Б.И., 2002, №33.

19. Злочевский В.Л., Есеев Е.А. Разработка пневмоцентробежных систем для разделения промежуточных продуктов размола /Шестая республиканская научно-практическая конференция «Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна».-Барнаул, АГТУ, 18-20, декабрь, 2002. - С.177-187.

20. Есеев Е.А. Критерии реализации пневмосепарационного процесса в кольцевом пространстве с подвижными границами //Сиб.вестн.с.-х. науки. - 2003.- №3-4. - С. 86-88

21. Есеев Е.А. Полуэмпирические алгоритмы расчета оптимальных значений параметров пневмосепарационного процесса в кольцевом пространстве с подвижными границами //Сиб. вестн. с.-х. науки. - 2004.-№1. - С.101-103.

22. Ессеев Е.А., Юдаев В.Ф. Динамические признаки начала, эволюции и окончания пневмосепарационного процесса в кольцевом пространстве // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2005. - №6. - С. 14-16.

23. Ессеев Е.А., Юдаев В.Ф. Оптимизация функциональной связи между кинематическими характеристиками пневмосепарационного процесса в кольцевом пространстве // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2005. - №7. - С. 17-20.

24. Ессеев Е.А. К проблеме оптимизации пневмосепарационного процесса в кольцевом пространстве: монография. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. - 125 с.

25. Ессеев Е.А. Физическое и математическое моделирования процесса пневмоклассификации дисперсной фазы в конфузорно-диффузном кольцевом канале: монография. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. - 111 с.

Размещено на Allbest.ru

...