Моделирование структуры управляемых сегрегированных потоков зернистых материалов в барабанном тепломассообменном аппарате

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

моделирование структуры управляемых сегрегированных потоков зернистых материалов в барабанном тепломассообменном аппарате

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Карев Владимир Иванович

Тамбов

2010

Диссертация выполнена в лаборатории «Механика сдвиговых течений зернистых сред» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ГОУ ВПО ТГТУ) кафедры «Технологическое оборудование и пищевые технологии»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Долгунин Виктор Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гришаев Игорь Григорьевич

доктор технических наук, профессор

Першин Владимир Федорович

Ведущая организация ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов

Защита диссертации состоится «___» декабря 2010 г. в «___» часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 при ГОУ ВПО ТГТУ по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ГОУ ВПО ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО ТГТУ по адресу: 392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112, с авторефератом диссертации дополнительно - на официальном сайте ГОУ ВПО ТГТУ http://www.tstu.ru

Автореферат разослан «____» ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доцент В.М. Нечаев

Подписано в печать 19.11.2010

Формат 60 84/16. 1,05 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 571

Издательско-полиграфический центр ГОУ ВПО ТГТУ

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большинство зернистых материалов, производимых и перерабатываемых в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, являются существенно неоднородными. Технологические процессы, протекающие при взаимном перемещении частиц, неоднородностью которых пренебречь не представляется возможным, сопровождаются эффектами сегрегации (лат. segregatio - отделение), которые признаются специалистами наиболее общим и масштабным негативным фактором в технологии дисперсных материалов. Негативные последствия сегрегации (снижение качества продукции, нарушение норм технологического режима) являются причиной избыточных затрат на производство и нерешенных технологических проблем.

Одним из эффективных способов преодоления негативных последствий сегрегации и многоцелевого технологического использования ее эффектов является управление сегрегированными потоками материала, образующимися в рабочем объеме машин и аппаратов.

Настоящая работа направлена на развитие принципов управления сегрегированными потоками зернистых материалов в барабанном тепломассообменном аппарате с целью расширения его функциональных возможностей и интенсификации организуемых на его базе процессов комплексной переработки материалов.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом Министерства образования РФ МНТП (шифр П.Т. 465, П.Т. 419), включена в Государственную программу «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» по разделу «Высокие технологии межотраслевого применения» и поддержана грантом РФФИ № 09-08-97521.

Целью работы является разработка способов интенсификации тепломассообменных и гидромеханических процессов и совершенствования оборудования для переработки зернистых материалов с высокой склонностью к сегрегации путем управления структурой сегрегированных потоков в барабанном тепломассообменном аппарате.

Достижение поставленной цели связано: с анализом характера движения сегрегированных потоков зернистых материалов, состоящих из частиц, различающихся по размеру и плотности, в барабанном аппарате с периферийной распределительной насадкой; с разработкой технических решений, реализующих различные варианты управления структурой сегрегированных потоков в барабанном аппарате, с целью расширения его функциональных возможностей и интенсификации процессов и комплексным исследованием их эффективности; с разработкой математической модели динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате с периферийной насадкой.

Научная новизна результатов работы. Проведено исследование технологических возможностей управления структурой сегрегированных потоков зернистых материалов, содержащих неоднородные по размеру и плотности частицы, в барабанном аппарате с периферийной распределительной насадкой путем воздействия на частицы падающего слоя импульсами различной величины и направления. В результате исследования установлено:

- наличие у подъемно-лопастной насадки различной задерживающей функции по отдельным компонентам материала, которая может быть причиной существенного (более чем на 20%) различия их среднего времени пребывания в аппарате;

- возможность варьирования соотношением среднего времени пребывания в диапазоне 0,5 … 2,0 для частиц, различающихся по размеру (на примере гранулированного аммофоса товарной фракции) и плотности (на примере зерновой смеси ячмень-овес);

- характеристики импульсного воздействия на частицы падающего слоя при организации процессов сушки, гранулирования, опудривания, объемного перемешивания;

- управление РВП компонентов зернистого материала в аппарате путем использования импульсов, действующих на сегрегированный поток в направлении, обратном направлению технологического потока, достигается при резком возрастании дисперсии РВП частиц, которыми обогащен сегрегированный поток;

- комплексное использование продольных и поперечных импульсов позволяет в два раза сократить время перемешивания и более чем на треть уменьшить коэффициент неоднородности распределения компонентов по сравнению с вариантами ординарного использования соответственно поперечно и продольно ориентированных импульсов.

Разработана математическая модель динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате, которая позволяет прогнозировать функции распределения по времени пребывания (РВП) отдельных компонентов смеси.

Практическая ценность. Предложены способы и устройства для обработки зернистых материалов (защищены патентами РФ на группы изобретений (способы и устройства для их осуществления): патент РФ № 2392042 В01F9/06 от 20.06.2010; положительное решение по заявке № 2009100357/06(000481), принято 22.02.10, обеспечивающие управление структурой сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате с периферийной насадкой за счет воздействия продольными и поперечными импульсами на поток падающих частиц, реализация которых позволяет:

- устанавливать заданное (регламентное) время обработки неоднородных компонентов материала в аппарате;

- повысить однородность объемного распределения неоднородных частиц в аппарате более чем на треть по сравнению с известным вариантом управления потоками.

Разработана программа для ЭВМ, реализующая предложенную математическую модель динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков в барабанном тепломассообменном аппарате, которая позволяет определить параметры импульсного воздействия на поток падающих частиц (по направлению и величине импульса), обеспечивающего:

- подавление эффекта задержки материала подъемно-лопастной насадкой и выравнивание характеристик структуры потоков отдельных компонентов (фракций) материала в аппарате;

- достижение заданного соотношения времени пребывания неоднородных компонентов материала в аппарате.

Разработана методика инженерного расчета барабанного тепломассообменного аппарата с устройством для управления структурой потоков зернистых материалов, обеспечивающего снижение энергозатрат и повышение качества (однородности обработки) материала за счет достижения заданных характеристик структуры потоков по отдельным компонентам смеси.

Рекомендации по управлению структурой технологических потоков неоднородных зернистых материалов в барабанном аппарате с периферийной распределительной насадкой при организации процессов сушки, смешения и опудривания в производствах семян и комбикормов рассмотрены на техническом совете ООО «Оптима-Т» и приняты к внедрению.

Автор защищает: математическую модель динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков в барабанном тепломассообменном аппарате по отдельным компонентам зернистого материала и результаты моделирования различных вариантов управления потоками.

Результаты исследования технологических возможностей предложенных технических решений (способов и устройств) по управлению структурой сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате с периферийной распределительной насадкой с целью: управления временем обработки неоднородных компонентов материала; однородного объемного распределения частиц с высокой склонностью к сегрегации.

Методику инженерного расчета барабанного тепломассообменного аппарата с периферийной насадкой, оснащенного устройством для управления структурой сегрегированных потоков зернистого материала.

Апробация работы. Результаты работы доложены: на V юбилейной школе-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2007); на III Международной научно-технической конф. «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)» (Воронеж, 2009); на Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010); на III Всероссийской науч.-практ. конф. с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из которых одна в рецензируемом журнале из перечня ВАК, патент РФ на изобретения, а также получено положительное решение по заявке на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемых источников (113 работ отечественных и зарубежных авторов) и приложения и документов, подтверждающих практическое использование результатов работы. Содержание диссертации изложено на 115 страницах машинописного текста и включает 31 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

барабанный тепломассообменный поток зернистый

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, её научная новизна и практическая значимость, основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ литературных и патентных источников, который позволил сделать вывод о том, что на фоне глобального негативного характера проявления сегрегации примеры ее технологического использования в процессах переработки зернистых материалов весьма малочисленны.

Одним из эффективных способов преодоления негативных последствий сегрегации и многоцелевого технологического использования ее эффектов является управление сегрегированными потоками материала, образующимися в рабочем объеме машин и аппаратов.

Для непрерывных технологий одной из основных задач является организация рациональной структуры потоков. Решение этой задачи предполагает развитие метода прогнозирования характеристик структуры управляемых сегрегированных потоков, поскольку экспериментальное их определение является чрезвычайно трудоемким.

Завершается глава формулировкой задач исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию структуры сегрегированных потоков зернистых материалов в барабанном аппарате с распределительной (Г-образной) насадкой при управлении и без управления названными потоками.

Исследование проведено на экспериментальной установке (рис. 1), состоящей из установленного на бандажах вращающегося барабана диаметром 0,3 м и длиной 1,2 м. Барабан снабжен приводом, обеспечивающим бесступенчатое регулирование скорости вращения.

На внутренней поверхности барабана закреплены подъемные Г-образные лопасти. По торцам барабана установлены загрузочная и разгрузочная камеры, имеющие необходимые штуцера для загрузки и выгрузки материала. Для подачи материала установка снабжена дозатором.



Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 - барабан; 2 - насадка периферийная; 3 - насадка, управляющая
сегрегированными потоками; 4 - пластина поворотная; 5 - привод;
6, 7 -загрузочная и разгрузочная камеры; 8 - дозатор

В центральной части барабана осесимметрично с ним установлена насадка, предназначенная для управления сегрегированными потоками зернистого материала в падающем слое завесы, образуемой подъемными лопастями. Насадка закреплена неподвижно в торцевых камерах и представляет собой 11 пар отклоняющих элементов, выполненных в виде воронок с наклонными течками. Один из элементов каждой пары расположен в опускной (под опускающимися лопастями), а другой - в подъемной (под поднимающимися лопастями) части барабана. Течки закреплены на воронках с возможностью поворота вокруг вертикальной оси. Для регулирования соотношения сегрегированных потоков в подъемной и опускной частях барабана между параллельными рядами элементов закреплена поворотная пластина.

При движении неоднородного зернистого материала в скатывающемся слое засыпки в нижней части барабана возникает быстрое сдвиговое течение, в котором зарождаются сегрегированные потоки, обогащенные на открытой поверхности одним компонентом, а в глубинных слоях - другим. Это приводит к тому, что компоненты смеси распределяются на лопасти при её заполнении неравномерно и, как следствие, происходит преимущественное ссыпание с лопастей одних компонентов (мелких и плотных частиц) в подъемной, а других (крупных и менее плотных частиц) - в опускной части барабана.

Таким образом, за счет изменения направления течек воронок и регулирования угла наклона поворотной пластины в аппарате обеспечиваются широкие возможности для управления направлением и интенсивностью сегрегированных потоков зернистого материала как в осевом, так и в радиальном направлениях.

Необходимые эффекты управления РВП неоднородных частиц в аппарате достигались путем сообщения соответствующих продольных импульсов сегрегированным потокам частиц падающего слоя либо в подъемной, либо в опускной частях барабана. Для уменьшения времени пребывания частиц какого-либо компонента сегрегированному потоку с повышенным содержанием этого компонента сообщают необходимый избыточный импульс в направлении разгрузочного торца барабана, а для увеличения времени избыточный импульс в том же направлении сообщают потоку, обедненному этим компонентом.

Управление временем обработки неоднородных частиц в барабанном аппарате продемонстрирована ранее с использованием индикатора, который образовывал в сочетании с веществом технологического потока смесь с высокой склонностью к сегрегации. Такой подход не позволяет проанализировать структуру потоков компонентов реальной смеси и поэтому является пригодным только для демонстрации принципиальной возможности управления. В связи с этим, в настоящем исследовании использован метод индикатора с импульсным вводом последнего по отдельным компонентам смеси.

При исследовании вариантов управления структурой потоков в качестве модельных материалов использованы гранулированный аммофос фракции +1,2 - 4,0 мм и зерновая смесь ячмень-овес, в первом из которых частицы различались преимущественно по размеру, а во втором - по плотности. Индикаторами служили окрашенные в разные цвета зерна ячменя и овса в количестве 1000 зерен на дозу каждого из контрольных компонентов (для зерновой смеси), а для аммофоса фракции +1,2 -2,0 и +3,0 -4,0 мм. С целью снижения погрешности и повышения результативности эксперимента осуществлялся одновременный (параллельный) ввод индикаторов контрольных компонентов смеси.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Течки воронок либо в подъемной, либо в опускной части барабана ориентировались таким образом, чтобы сообщить требуемый импульс в направлении выгрузки некоторой части сегрегированного потока. После выхода установки на стационарный режим одновременно с вводом доз индикаторов начинался непрерывный отбор проб материала на выходе из барабана, объем которых формировался полным потоком в течение каждых 10 с для зерновой смеси и 15 с для гранулированного аммофоса. Исследования проведены при производительности 0,18 м3ч-1. Пробы анализировались на содержание в них частиц индикаторов после выделения последних визуальным методом, которое выражалось либо относительной долей в отношении к массе дозы (для аммофоса), либо относительным поштучным содержанием в отношении к их числу в дозе (для зерновой смеси). Каждый опыт повторялся трижды и его результаты после проверки их на статистическую однородность усреднялись. Для оценки погрешности использовалось среднее квадратичное отклонение, выраженное в процентах к средним измеренным значениям.

Размещено на http://www.allbest.ru/

С целью оценки влияния эффектов сегрегации на структуру потоков неоднородных компонентов и сравнительного анализа различных вариантов управления сегрегированными потоками проведено исследование РВП контрольных компонентов модельных материалов в аппарате без воздействия на них импульсами. Результаты исследования, представленные на рис. 2 для гранулированного аммофоса, свидетельствуют о том, что сегрегация может существенно влиять на характеристики РВП неоднородных частиц, поскольку для мелкой и крупной фракций продукта обнаруживается значительное (более чем на 20%) различие по среднему значению времени пребывания в аппарате.

При этом особое внимание обращает на себя тот факт, что с большой задержкой и дисперсией РВП движется в аппарате крупная фракция, которая перемещаясь преимущественно в периферийных слоях засыпки материала в барабане имеет преимущество в скорости продольного перемещения.

Гипотетически наблюдаемый эффект объяснен тем, что вследствие эффектов сегрегации крупная фракция, падая с лопастей преимущественно в опускной части барабана с наибольшей задержкой попадает в нижнюю часть скатывающегося слоя засыпки и подвергается меньшему продольному смещению, чем мелкая фракция. Эта гипотеза будет подтверждена (глава 3) при математическом моделировании про-цесса формирования структуры сегрегированных потоков.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для уменьшения времени пребывания такого рода частиц, которые перемещаются в сегрегированном потоке преимущественно по внешнему циркуляционному контуру через падающий слой в опускной части барабана, расположенные в этой части отклоняющие элементы ориентируются в направлении выгрузки. Такой эффект актуален, например, при сушке и термовлажностной обработке смеси ячмень-овес, поскольку приводит к почти двухкратному уменьшению времени пребывания в аппарате овса, который быстрее сушится и насыщается влагой по сравнению с ячменем (рис. 3).

Кроме того, в этой части работы исследован вариант управления РВП неоднородных частиц путем воздействия на сегрегированный поток импульсами, направленными навстречу технологическому потоку. Результаты исследования обсуждаются в главе 3 в совокупности с результатами математического моделирования.

Третья глава посвящена разработке математической модели динамики процесса формирования структуры управляемых сегрегированных потоков в барабанном аппарате с периферийной насадкой и моделированию различных вариантов управления. С учетом результатов исследований (глава 2), при разработке модели проанализирована задерживающая функция подъемных лопастей в отношении отдельных компонентов смеси.

При разработке модели приняты следующие допущения: влияние отклоняющих элементов на время задержки частиц пренебрежимо мало; время задержки частиц компонента определяется как среднеинтегральная величина по всем фазам их перемещения вне засыпки; продольная транспортирующая способность лопастей пренебрежимо мала.

При анализе схемы движения материала в аппарате (рис. 1) выделены следующие основные стадии: 1) перемещение в скатывающемся слое засыпки в нижней части барабана; 2) заполнение лопастей; 3) перемещение в неподвижном относительно барабана слое засыпки; 4) перемещение лопастями над слоем засыпки; 5) движение по одному из двух рядов отклоняющих элементов; 6) продольное распределение при падении в засыпку.

Поток продольного перемешивания на стадиях 1 - 3 описан диффузионной моделью

(1)

Величина конвекционного продольного потока j-ого компонента в сечении в отсутствие управляемых потоков определяется как

(2)

Интенсивность исчерпывания компонента лопастной насадкой из засыпки учитывается коэффициентом исчерпывания, значения которого определяются как отношение средних его концентраций на лопасти и в
засыпке

(3)

Эффект задержки подъемно-лопастной насадкой идентифицирован совокупным действием отрицательного и положительного источников:

(4)

(5)

В последнем выражении среднее время задержки определяется как

(6)

где , - среднее время задержки и масса контрольного компонента ссыпающегося в i-ом диапазоне угла поворота лопастей.

Подставляя выражения (1), (2), (4) и (5) в общее уравнение переноса субстанции, получим уравнение, описывающее динамику продольного распределения контрольного компонента при отсутствии управляющей насадки:

(7)

Граничные условия у торцов барабана записаны в виде

(8)

Для задачи моделирования РВП в соответствии с методом импульсного ввода индикатора будет действительным начальное условие

(9)

При наличии насадки, управляющей сегрегированными потоками, источник трансформируется в источники, один из которых обусловлен действием отклоняющих элементов , а другой - исключительно действием подъемных лопастей .

Удельная мощность источника выражена в виде

(10)

где gi(z) - аналитически определяемая функция продольного распределения материала, ссыпающегося с i-го отклоняющего элемента насадки.

Удельная мощность источника равна

(11)

где слi - концентрация, вычисляемая как функция средней концентрации компонента на лопасти слjи его концентрации в потоке на отклоняющих элементах с0j

(12)

Поскольку действующий на частицы импульс компенсируется изменением угла наклона барабана, то возникает условный обратный поток, равный

(13)

где - среднее значение величины продольного отклонения массы материала элементами управляющей насадки, которое определяется в зависимости от длины элемента, высоты его расположения и углов наклона течки.

Равенства (10), (11) и (13) при совместном рассмотрении с уравнением (7) позволяют получить уравнение динамики распределения контрольного компонента в аппарате с управляемыми сегрегированными потоками

(14)

Полученное уравнение в совокупности с краевыми условиями (8) и (9) позволяет прогнозировать РВП частиц j-го компонента в аппарате в зависимости от их склонности к сегрегированию.

На базе разработанной математической модели проведено моделирование на ЭВМ РВП контрольных фракций гранулированного аммофоса в аппарате с управлением и без управления сегрегированными потоками. С целью проверки адекватности математической модели проведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.

При моделировании решения уравнений динамики (7) и (14) получены численным методом с использованием разностной схемы Кранк-Николсон.

Моделирование проведено с учетом различных значений времени задержки и интенсивности исчерпывания для частиц крупной и мелкой фракции. Благодаря использованию кинетических характеристик в виде коэффициентов исчерпывания, отражающих склонность к сегрегированию сколь угодно большого числа контрольных компонентов, стало возможным моделирование их РВП параллельно в автономном режиме по каждому компоненту. Для частиц крупной и мелкой фракции величина коэффициента исчерпывания (3) определялась экспериментально и составила соответственно 1,4 и 0,85. Время задержки частиц вычислялось как среднее время пребывания частиц на лопастях с учетом времени падения и скорости вращения барабана (6).

Результаты моделирования, представленные на рис. 4, свидетельствуют об адекватности экспериментальных и расчетных распределений, которая установлена путем сравнения дисперсий воспроизводимости и адекватности при 95%-ной доверительной вероятности. Это позволяет сделать вывод о правомерности принятой гипотезы формирования структуры потоков.



Рис. 4. РВП мелкой (1) и крупной (2) фракций в аппарате без управления (а) и с управлением (б) (точки - эксперимент, линии - расчет)

Эффект задержки мелких частиц (рис. 4, б), актуальный, например, при гранулировании, достигнут при 100%-ной ориентации течек отклоняющих элементов, расположенных в опускной части барабана, в направлении к его разгрузочному торцу. Сравнение результатов, представленных на рис. 4, а и 4, б, позволяет предположить, что при некоторой, отличной от 100%, величине продольного импульса, возможно обеспечить тождественные характеристики структуры потока для крупной и мелкой фракций материала. Это подтверждается результатом компьютерной реализации такого варианта управления структурой потоков (рис. 5, а), который достигается при величине импульса равной 4,5% от максимальной.

Результаты моделирования варианта управления потоками, обеспечивающего задержку в аппарате крупной фракции, что актуально, например, при сушке и термовлажностной обработке материала, представлены на рис. 5, б. Вариант реализован при 100%-ной ориентации отклоняющих элементов подъемной части барабана в направлении выгрузки.



Рис. 5. Результаты моделирования РВП частиц мелкой (1) и крупной (2) фракций в аппарате с управлением сегрегированными потоками для вариантов: а - выравнивание РВП; б - ускоренный вывод мелкой фракции

Рис. 6. РВП мелкой (1) и крупной (2) фракций при 100%-ном импульсе, действующем на поток, обогащенный крупной фракцией, в направлении загрузки (точки - эксперимент, линии - расчет)

Результаты комплексного исследования варианта управления структурой потоков при воздействии на поток в опускной части барабана 100%-ным импульсом в направлении, обратном направлению движения основного потока, представлены на рис. 6. Результаты исследования позволяют заключить, что при таком варианте управления достигается более чем двукратная дифференциация среднего времени пребывания неоднородных компонентов. Однако, достижение эффекта сопровождается чрезвычайно большим увеличением дисперсии РВП частиц, которыми обогащен поток, находящийся под действием обратных импульсов, что делает такого рода варианты управления востребованным при организации иного рода процессов, например опудривания, дражирования и т.п.

Четвертая глава посвящена разработке способа повышения однородности объемного распределения компонентов зернистого материала с высокой склонностью к сегрегации в барабанном аппарате с периферийной насадкой. Такая задача актуальна в том случае, когда технологическому контролю подлежит структура потоков в барабане не только в осевом, но и радиальном направлениях.

Вследствие эффектов сегрегации распределение неоднородных частиц в падающем слое не соответствует таковому для смеси, поскольку даже при условии однородного продольного распределения сегрегированные потоки в поперечном сечении барабана сохраняются. В связи с этим возникает идея воздействия на сегрегированные потоки падающего слоя не только продольными, но и поперечными знакопеременными импульсами с целью подавления эффектов сегрегации.

С целью поиска рационального варианта сопряжения продольных и поперечных импульсов проведено исследование динамики объемного смешения в барабанном аппарате с насадкой, управляющей сегрегированными потоками (рис. 1), при различных вариантах управления. Исследование проведено в периодическом режиме по следующей методике. Компоненты бинарной смеси загружают в барабан, размещая их последовательно вдоль его оси. Периодически процесс перемешивания прерывают с целью оценки коэффициента неоднородности (вариации) распределения компонентов смеси в объеме аппарата, который определяют как выраженное в процентах отношение среднего квадратичного отклонения концентрации к ее среднему значению. Для определения величины коэффициента отбирают пробы материала с использованием пробоотборников, представляющих собой короба, равные по длине рабочей части барабана и разделенные поперечными перегородками на секции. Число секций в коробах соответствует числу ячеек управляющей насадки. Два пробоотборных короба используют для сбора частиц, падающих соответственно в подъемной и опускной частях барабана, и еще один короб применяют для исчерпывания частиц из засыпки материала в нижней части барабана.

После анализа материал проб возвращают в соответствующие секции пробоотборников и выгружают материал в аппарат. С целью снижения случайной погрешности и оценки ее значений каждый опыт повторялся трижды и его результаты после проверки их на статическую однородность при 5%-ном уровне значимости усреднялись.

В качестве модельного материала использована смесь гранул полиэтилена (фракция +4,0 -5,0 мм) и стеклянного бисера (фракция +3,0 -3,5 мм) с концентрацией контрольного компонента (полиэтилена) в смеси 36% массовых. Такое сочетание размеров и плотностей частиц чрезвычайно усиливает их склонность к сегрегации и осложняет процесс приготовления смеси.

В качестве базовых вариантов протестированы варианты продольного, поперечного и смешанного (с организацией циркуляционных контуров) воздействия уравновешенными знакопеременными импульсами на частицы падающего слоя.

Результаты исследования показали, что на всех стадиях процесса наименьшая интенсивность взаимного проникновения компонентов наблюдается при использовании варианта смешанного воздействия. Это является следствием эффекта сепарации частиц при относительно большом масштабе циркуляционных контуров.

Результаты исследования, представленные на рис. 7, свидетельствуют, что на начальном этапе процесса наиболее интенсивное смешение протекает при перемешивании продольными импульсами (кривая 2). Однако с течением времени при этом начинают доминировать эффекты сегрегации, приводящие к повышению неоднородности.



Рис. 7. Изменение коэффициента вариации при перемешивании:

1 - поперечными импульсами; 2 - продольными импульсами; 3 - при комплексном использовании продольных (ф < фГ) и поперечных (ф > фГ) импульсов

При перемешивании поперечными импульсами (кривая 1) смешение на начальном этапе протекает менее интенсивно. Однако, на завершающем этапе процесса, вследствие подавления эффектов сегрегации в поперечном сечении барабана и сепарации - в продольном, достигается более высокая однородность смеси и наблюдается образование плато в распределении концентрации при относительно стабильном значении объемного коэффициента вариации.

Полученные результаты приводят к идее использования продольно ориентированных импульсов на первом этапе организации процесса и поперечно ориентированных импульсов - на завершающей его стадии. Результаты исследования (рис. 7) свидетельствуют, что при двухстадийной организации процесса (кривая 3) коэффициент вариации на 38% ниже, чем при использовании схемы смешения продольно ориентированными импульсами (кривая 2), а равновесная концентрация достигается в два раза быстрее по сравнению со схемой смешения поперечно ориентированными импульсами (кривая 1). Момент перехода возможно прогнозировать методом математического моделирования на базе модели, предложенной в работе Уколова Ал-дра. А. При этом, переход с этапа обработки материала продольными импульсами на его обработку поперечными импульсами целесообразно осуществлять в момент времени, когда скорость протекания процесса при последнем варианте его организации начинает превышать таковую в соответствии с первым вариантом.

Пятая глава содержит информацию по практическому использованию результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы здесь для разработки методики технологического расчета аппарата с управляемыми сегрегированными потоками на базе разработанной математической модели процессов разделения и смешения.

Завершается глава информацией о практической реализации результатов исследований для решения технологических задач АПК

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

c - концентрация контрольного компонента, кг·кг-1; D - диаметр барабана, м;

Dпр - коэффициент продольного перемешивания, м2·с-1; F?л Fл - площадь поперечного сечения засыпки материала на лопасти барабана при выходе из завала и падающего на отклоняющие элементы, соответственно, м2; G - массовая скорость движения материала вдоль барабана, кг·с-1; gi(z) - функция плотности распределения потока частиц вдоль барабана после i-ой ячейки, м-1;

I+л I-л I+vо I+vл - функции источников (стоков) целевого компонента, кг•м-3•с-1;

L - длина барабана, м; l - длина отклоняющей ячейки, м; n - количество подъемных лопастей в барабане; S - площадь поперечного сечения засыпки материала в барабане, м2; Vc- коэффициент вариации, %; w - скорость продольного поступательного движения частицы, м•с-1; z- Декартова координата, м; б0 - угол наклона отклоняющих элементов к горизонту; вбар - коэффициент заполнения барабана, м3•м-3; с - плотность частиц, кг•м-3; ф - время, с; щ - угловая скорость вращения барабана, с-1. Индексы: j - относящийся к контрольному компоненту; о, л - характерный для отклоняющих элементов и лопастной насадки соответственно; i - относящийся к i-й ячейке управляющей насадки или i-му сектору угла поворота подъемной насадки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Проведено исследование технологических возможностей управления структурой сегрегированных потоков зернистых материалов, содержащих неоднородные по размеру и плотности частицы, в барабанном аппарате с периферийной распределительной насадкой путем воздействия на частицы падающего слоя импульсами различной величины и направления и определены характеристики импульсного воздействия при организации процессов сушки, гранулирования, опудривания, объемного перемешивания.

В результате исследования установлено наличие у подъемно-лопастной насадки различной задерживающей функции по отдельным компонентам материала, которая может быть причиной существенного (более чем на 20%) различия их среднего времени пребывания в аппарате.

Разработаны математическая модель динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате и реализующее её программное обеспечение для ЭВМ, позволяющие прогнозировать функции распределения по времени пребывания (РВП) отдельных компонентов смеси и определять параметры импульсного воздействия, обеспечивающие: а) подавление эффекта задержки материала подъемно-лопастной насадкой и выравнивание характеристик структуры потоков отдельных компонентов (фракций) материала в аппарате; б) достижение заданного соотношения средних значений времени пребывания неоднородных компонентов материала в аппарате;

Установлена возможность варьирования соотношением среднего времени пребывания в диапазоне 0,5 … 2,0 для частиц, различающихся по размеру (на примере гранулированного аммофоса товарной фракции) и плотности (на примере зерновой смеси ячмень-овес).

Установлено, что управление временем пребывания неоднородных компонентов зернистого материала в аппарате путем использования импульсов, действующих на сегрегированный поток в направлении, обратном направлению технологического потока, достигается при резком возрастании дисперсии распределения по времени пребывания частиц, которыми обогащен сегрегированный поток, что происходит вследствие скачкообразного увеличения времени задержки указанных частиц по отношению ко времени их задержки лопастной насадкой.

Экспериментально установлено, что комплексное использование продольных и поперечных импульсов, действующих на сегрегированные потоки материала в подъемной и опускной частях барабана, позволяет в два раза сократить время перемешивания и более чем на треть уменьшить коэффициент неоднородности распределения компонентов по сравнению с вариантами ординарного использования соответственно поперечно и продольно ориентированных импульсов.

По результатам исследований разработаны способы и устройства для обработки зернистых материалов (защищены патентами РФ на группы изобретений (способы и устройства для их осуществления): патент РФ № 2392042 В01F9/06 от 20.06.2010; положительное решение по заявке № 2009100357/06(000481), принято 22.02.10, обеспечивающие управление структурой сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате с периферийной насадкой за счет воздействия продольными и поперечными импульсами на поток падающих частиц, использование которых позволяет снизить энергозатраты и повысить качество (однородность) обработки материала.

Разработана методика инженерного расчета барабанного тепломассообменного аппарата, оборудованного устройством для управления структурой сегрегированных потоков зернистых материалов, с использованием предложенной математической модели, позволяющей прогнозировать характеристики структуры потоков по отдельным компонентам смеси.

Рекомендации по управлению структурой технологических потоков неоднородных зернистых материалов в барабанном аппарате с периферийной распределительной насадкой при организации процессов сушки, смешения и опудривания в производствах семян и комбикормов рассмотрены на техническом совете ООО «Оптима-Т» и приняты к внедрению.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Карев, В.И. Развитие принципов управления сегрегированными технологическими потоками зернистых материалов / В.И. Карев, В.Н. Долгунин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2010. - Т. 16, № 3. - С. 588 - 596.

2. Многофункциональный технологический модуль с управляемыми сегрегированными потоками зернистых материалов / О.О. Иванов, В.Н. Долгунин, Е.В. Хабарова, В.И. Карев // Материалы III Междунар. науч.-техн. конф. "Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)". - Воронеж, 2009. - Т. 2. - С. 94 - 97.

3. Управление временем обработки неоднородных частиц сыпучего материала в барабанном тепломассообменном аппарате / О.О. Иванов, А.Н. Куди, В.И. Карев, В.Н. Долгунин, А.А. Уколов // Труды междунар. науч.-техн. семинара «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов». - Воронеж, 2010. - С. 539 - 545.

4. Управление сегрегированными потоками при переработке зернистых материалов / О.О. Иванов, В.Н. Долгунин, В.И. Карев, Ю.В. Шарый, А.А. Уколов, В.А. Пронин // Сб. материалов III Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания». - Челябинск, 2010. -Т. I. - С. 57 - 60.

5. Карев, В.И. Новая технология послеуборочной переработки зерна и подготовки семян / В.И. Карев, О.В. Макарова // Сб. конкурсных работ II Всерос. конкурса науч.-техн. творчества студентов «Эврика-2006». - Новочеркасск, 2006. - С. 207 - 210.

6. Карев, В.И. Пути интенсификации смешения сыпучих материалов склонных к сегрегации / В.И. Карев // Сб. ст. магистрантов. - Тамбов, 2007. - Вып. 10. - С. 75 - 78.

7. Карев, В.И. К решению проблемы послеуборочной переработки зерна и подготовки семян / В.И. Карев, В.Н. Долгунин // Сб. материалов V Юбилейной школы-конф. с междунар. участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». - 2007. - С. 302 - 306.

8. Исследование сегрегированных потоков в барабанном насадочном аппарате / Е.А. Кудрявцева, Д.А. Астафьева, В.И. Карев, Ю.В. Шарый, В.А. Пронин // Проблемы ноосферной безопасности и устойчивого развития : сб. ст. - Тамбов, 2010. - Вып. 1. - С. 104 - 108.

9. Пат. РФ № 2392042, B01F9/06 Способ смешения сыпучих материалов и устройство для его осуществления / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов, А.Н. Куди, В.А. Пронин, В.И. Карев / № 2009109039/15 ; заяв. 11.03.2009 ; опубл. 20.06.2010, бюл. № 17.

10. Положительное решение на заявку № 2009100357/06(000481) Способ обработки зернистых материалов и устройство для его осуществления / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов, А.Н. Куди, В.И. Карев, Ю.В. Шарый. - принято 22.02.10.

Размещено на Allbest.ru

...