Теоретические исследования процессов потокового виброударного фильтрования влажных дисперсных сред в пищевой промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические исследования процессов потокового виброударного фильтрования влажных дисперсных сред в пищевой промышленности

Иван Севостьянов,

Ярослав Иванчук

Аннотация

В статье представлены основные результаты теоретических исследований процессов потокового виброударного фильтрования влажных дисперсных сред в пищевой промышленности. В частности, приводится схема установки с гидроимпульсным приводом для реализации исследуемых процессов, рассматриваются закономерности их протекания и эффективности, уравнения для расчета основных рабочих параметров процессов, расчетные зависимости данных параметров и их анализ.

Ключевые слова: потоковое виброударное фильтрование, влажный дисперсный материал, гидроимпульсный привод.

Постановка проблемы

Одной из серьезных экологических проблем пищевой промышленности ряда стран Европы и СНГ является утилизация влажных дисперсных отходов, к которым относятся спиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, кофейный и ячменный шлам и другие подобные среды [1]. В большинстве случаев данные отходы выливаются на грунт, что приводит к загрязнению окружающей среды, кроме того, требует дополнительных затрат на их транспортировку. Однако при разделении отходов на жидкую фазу (фильтрат) и твердую фазу (концентрат) последний может использоваться в качестве ценной добавки к сельскохозяйственным кормам или как топливо. Фильтрат же после достаточно качественной очистки можно возвращать в природу без негативных последствий для нее или повторно использовать на производстве. фильтрование виброударный дисперсный

Таким образом, при реализации описанных процессов разделения и очистки комплексно решаются проблемы утилизации отходов, уменьшения негативного воздействия на окружающую среду и получения ценного сельскохозяйственного корма или топлива [1].

Анализ последних исследований и публикаций

Известно достаточно много различных способов очистки влажных дисперсных материалов [2, 3, 4, 5], в том числе и сравнительно новых [6]. Одним из наиболее эффективных и широко используемых на Западе способов очистки фильтрата влажных дисперсных пищевых сред является их тангенциальное потоковое фильтрование через трубчатые керамические мембраны [7]. Однако при его реализации поры в стенках мембраны постепенно засоряются твердыми частицами среды, что негативно сказывается на производительности Qф рабочего процесса. Кроме того, для обеспечения достаточно высоких значений Qф хотя бы на начальном этапе процесса фильтрования необходимо создавать в среде, проходящей по каналам мембраны одновременно высокое давление (до 10,5 МПа) и значительную скорость потока (до 2 м/с) [7]. В условиях потокового производства, при значительных объемах отходов на предприятии это приводит к большим затратам энергии.

Постановка задачи

В связи с вышеизложенным, нами предлагается более эффективный способ потокового виброударного фильтрования на оборудовании с гидроимпульсным приводом (ГИП) [8, 9]. Однако для обеспечения высоких показателей эффективности процессов потокового виброударного фильтрования необходимо выполнить их теоретические исследования, в частности, установить зависимости основных рабочих параметров процесса от конструктивных параметров используемого оборудования с ГИП и физико-механических характеристик фильтруемой среды.

Изложение основного материала

На рис. 1 представлена принципиальная гидрокинематическая схема установки с ГИП для реализации предлагаемого способа [10]. Поток фильтрата беспрерывно подается центробежным насосом 4 с бака 12, через обратный клапан 5, кран 6, полость 9, по каналам фильтровальной мембраны 3, кран 1, по гидролинии 13 и обратно в бак 12. С помощью кранов 1, 6 в среде фильтрата, проходящего по каналам мембраны 3, создаются необходимые минимальные сопротивление и давление рс.н [9]. Жидкая фаза вытесняется через поры в стенках мембраны, отфильтровывается, стекает в корпус 2, а далее по отводам 7 - в бак 8. Твердые частицы задерживаются стенками мембраны. Поршень гидроцилиндра 10 ГИП, при периодическом изменении давления рабочей жидкости в его штоковой полости от рг 2 = 2 МПа до рг 1 = 10 МПа, осуществляет вертикальные возвратно-поступательные перемещения с частотой н до 150 Гц и амплитудой zIa до 2,5 мм (величину рг 1, рг 2, н и zIa можно бесступенчато и в широких пределах регулировать [8]). Так как поршневая полость гидроцилиндра 10 связана через полость 9 с каналами мембраны 3, при перемещениях поршня, в среде фильтрата будут генерироваться волны повышенных напряжений и деформаций. Последнее приводит к периодическому увеличению давления рс и скорости vс в потоке фильтрата, уменьшению толщины слоя осадка с твердых частиц на внутренних поверхностях мембраны и засорения ее пор. Для обоснования высокой эффективности предлагаемого способа на базе вибропресса с ГИП ИМЗГК-5 [8] был создан стенд-прототип [11] рассматриваемой установки (см. рис. 1). В соответствии с результатами проведенных на стенде экспериментов [11] по сравнению производительности потокового виброударного и потокового безударного фильтрования (Qф.в-у и Qф) спиртовой барды с начальной влажностью Uн = 96%, установлено, что Qф.в-у на 22% выше [11]. К тому же, Qф.в-у остается стабильной во времени, тогда как Qф падает через каждые полчаса работы стенда на 1%.

В процессе реализации предлагаемого способа давление рс будет достигать максимальных значений на этапах увеличения давления в штоковой полости гидроцилиндра 10 от рг 2 до рг 1 и перемещения его поршня вверх. На данном этапе длительностью tн.д величину рс можно определить с помощью уравнения

(1)

где рс.г(t) - текущее давление в среде фильтрата, создаваемое гидроцилиндром 10; Дртр(t) - потери давления в среде на трение по длине мембраны 3 [12]; Дрвх.п 9(t), Дрр.п 9(t), Дрвх.м(t), - местные потери давления на входе в полость 9, при прохождении разветвления в полости 9 и на входе в каналы мембраны 3.

Значения рс.г(t) рассчитываем по формуле

(2)

в которой Sп - площадь поперечного сечения поршня 10; Fг(t) - усилие, создаваемое на поршне, которое можно определить как

(3)

где рг(t) - текущее давление в штоковой полости гидроцилиндра 10; Sш - эффективная площадь его поршня со стороны штоковой полости; zI, zт, zр - перемещения поршня 10, частиц твердой фазы, а также жидкой фазы фильтрата в каналах мембраны относительно вертикальной оси z; бI, бтz, брz - коэффициенты вязкого демпфирования при перемещении поршня 10, частиц твердой фазы и жидкой фазы фильтрата относительно оси z; су - коэффициент жесткости пружины 14 возврата поршня 10 на этапах падения давления в штоковой полости гидроцилиндра; стz, срz - коэффициенты жесткости частиц твердой фазы и жидкой фазы фильтрата относительно оси z; z0у - предварительное сжатие пружины 14; у0z - сжимающее напряжение текучести твердых частиц относительно оси z; mУ - подвижная масса установки, определяемая как сумма массы тп поршня со штоком и приведенной к сечению Sш массы mс.пр среды в фильтровальной подсистеме установки (включает поршневую полость гидроцилиндра 10, полость 9, каналы мембраны 3 и гидролинию 13). Таким образом

(4)

Давление рг(t) и перемещение zI можно определить по эмпирическим формулам, полученным с помощью осциллограмм данных параметров (рис. 2), снятых на экспериментальном стенде-прототипе, в процессе фильтрования на нем спиртовой барды [9, 11, 14]. Во время экспериментов со стендом для измерения рг и zI использовались тензометрические датчики давления и перемещения (соответственно, моделей ADZ-SML-10.0 и TURСK Ni8-M18-LiU), АЦП модели Е 14-140, персональный компьютер и стандартное программное обеспечение для АЦП - пакет LGraph2. Принимаем допущение, что зависимости zІ(t) и рг(t) на рассматриваемом этапе могут быть с достаточно высокой точностью линеаризованы (линеаризованные участки графиков zІ(t), рг(t) показаны на рис. 2 пунктирными линиями). Все это позволит существенно сократить и упростить расчеты, без заметного снижения их точности.

Полученные с помощью осциллограмм формулы имеют вид

(5)

Массу mс.пр определяем как [13]

(6)

где lп, Sп, lп 9, fп 9, lм, fм, l13 f13, - длины и площади поперечных сечений поршневой полости гидроцилиндра 10 (см. рис. 1), полости 9, каналов мембраны 3 и гидролинии 13; сс.t - плотность фильтрата с учетом среднего повышения в процессе фильтрования его температуры - Дtс [12]

, (7)

где сс - плотность фильтрата при температуре t = 20 °С.

Уравнение движения жидкой фазы по каналам мембраны имеет вид

(8)

где тр - масса жидкой фазы фильтрата в промежутке между двумя ближайшими твердыми частицами в его среде. С учетом периодического равномерного перераспределения по фильтровальной подсистеме твердых частиц среды в процессе ее потокового виброударного фильтрования, величина тр может быть принята приблизительно стабильной по всему объему подсистемы [15]. Текущее значение тр можно рассчитать, исходя из начальной влажности Uн и массы mс среды в фильтровальной подсистеме, плотности ее твердой ст и жидкой сс фаз, среднего диаметра dт и массы тт твердой частицы (dт и тт определяют методом ситового анализа, а также с допущением того, что все частицы имеют сферическую форму) [16, 17].

Потери давления в уравнении (1) определяем по формулам [12]

(9)

где лм - коэффициент гидравлического трения в каналах мембраны 3 [12], lм, dм, nк - длина, гидравлический диаметр и число ее каналов; жвх.п 9, жр.п 9, жвх.м - коэффициенты местных сопротивлений на входе в полость 9, на разветвлении в полости 9 и на входе в мембрану [18].

Уравнение движение твердой частицы записывается таким образом

(10)

Подставляем в формулы (1 - 10) численные значения экспериментально определенных физико-механических характеристик среды (спиртовой барды с Uн= 96%), а также значения конструктивных и рабочих параметров стенда-прототипа [11] рассматриваемой установки (см. рис. 1), после преобразований получаем

(11)

С использованием уравнений (11) в среде Matlab Simulink R2007a составляем программу, блок схема которой представлена на рис. 3. На рис. 4 приведены рассчитанные с помощью программы графики zI(t), pc(t). Резкое увеличение pc до величины pc.тах в начале рабочего цикла ГИП обусловлено достаточно быстрым перемещением поршня 10 вверх (см. рис. 1) с ускорением (8…10)·g [19] и возникновением в следствии этого, в среде проходящей по каналам мембраны 3, ударной волны повышенного давления Дpc.тах [9, 12].

Кроме того, на рис. 5 представлена расчетная зависимость pc.тах от pг 1. Падение pc.тах при увеличении pг 1 можно объяснить тем, что с pг прямо пропорциональной зависимостью связана длительность tн.д перемещения поршня 10 вверх (см. также рис. 2, б). В тоже время величина ударного приращения давления pc в начале движения поршня может быть определена по формуле [9, 12]

(12)

в которой vІср - средняя скорость перемещения поршня 10 в верхнее положение. Таким образом, в соответствии с формулой (12), при увеличении pг 1 и tн.д значения Дpc.тах и pc.тах - уменьшаются.

Представленная на рис. 5 зависимость сопоставлялась с соответствующей экспериментальной зависимостью, полученной с помощью стенда-прототипа [11] на адекватных режимах, в процессе фильтрования аналогичной среды. При этом максимальная относительная величина расхождений расчетной и экспериментальной зависимостей не превышала 4,2%, что доказывает корректность предложенных в данной статье уравнений и формул.

Выводы

1. Одним из наиболее эффективных способов очистки влажных дисперсных материалов является способ потокового виброударного фильтрования на оборудовании с ГИП. В частности, по сравнению с потоковым безударным фильтрованием предлагаемый способ обеспечивает на 22% более высокую и стабильную производительность рабочего процесса.

2. Высокая эффективность предлагаемого способа обусловлена созданием в фильтруемой среде при его реализации волн напряжений и деформаций, обуславливающих периодическое повышение давления pc в среде (в 3 - 4 раза) и увеличение скорости vс ее перемещения. Последнее приводит к периодическому высокочастотному разрушению структурных образований с твердых частиц среды на внутренних поверхностях фильтровальной мембраны, уменьшения толщина слоя осадка на них, засорения пор мембраны, увеличению и стабилизации во времени производительности рабочего процесса.

3. Для обеспечения высокой производительности потокового виброударного фильтрования предложены экспериментально проверенные уравнения и зависимости, связывающие рабочие параметры исследуемых процессов с конструктивными параметрами оборудования с ГИП для их реализации и с физико-механическими характеристиками фильтруемой среды.

Библиографический список

1. Co fermentation of sugar by-products with typical agricultural substrates/ [V. Kryvoruchko, T. Amon, B. Amon, V. Dubrovin, M. Melnychuk, E. Krasowski]// MOTROL commission of motorization and energetics in agriculture. - Lublin - Kiev - Simferopol - Mykolayiv - Lviv - Rzeszow, 2012. - Vol. 14/ - No. 3. - P. 32 - 39.

2. Turovsky I. S. Obrabotka osadkov stochnyh vod/ Turovsky I. S. - M.: Stroyizdat, 1985. - 256 s.

3. Vetoshkin A. G. Tehnologiya zashity okruzhaushey sredy (teoreticheskie osnovy). Uchebnoe posobie/ A. G. Vetoshkin, K. R. Taranceva. - Penza: Izdatelstvo Penzenskogo tehnologicheskogo instituta, 2004. - 249 s.

4. Efendiev O. F. Elektroochistka zhidkostey v pishevoy promyshlennosti/ O. F. Efendiev, V. I. Chizhikov. - M.: Pishevaya promyshlennost, 1977. - 150 s.

5. Atkinson B. Biohimicheskie reaktory/ Atkinson B. - M.: Pishevaya promyshlennost, 1979. - 280 s.

6. Kulalaeva N. Issledovanie osobennostey primeneniya nano-tehnologii dlya ochistki neftesoderzhashih stochnyh vod/ N. Kulalaeva, V. Mihaylyuk, I. Petrov // MOTROL Motoryzacja i energetika rolnictwa. - Lublin, 2012. - Tom 14. - No 2. P. 74 - 83.

7. Valentas K. J. Pishevaya injeneriya: spravochnik s primerami raschetov/ Valentas K. J., Rotshtain E., Singh R. P. - SPb.: Professiya, 2004. - 848 s.

8. Iskovich-Lototsky R. D. Processy ta mashiny vibraciynyh i vibroudarnyh tehnologiy. Monografiya/ Iskovich-Lototsky R. D., Obertyuh R. R., Sevostyanov I. V. - Vinnycya: Universum, 2006. - 291 s.

9. Sevostyanov I. V. Teoretychni osnovy processiv filtruvannya vologih dispersnyh materialiv pid vplyvom udarnyh hvyl naprug ta deformaciy/ Sevostyanov I. V., Iskovich-Lototsky R. D., Obertyuh R. R. // Promyslova gidravlika ta pnevmatika, 2008. - No 2. - S. 40 - 43.

10. Pat. 60694 U, Ukraina, MPK B21J 9/06: Vibraciyna gidroimpulsna ustanovka/ Sevostyanov I. V., Iskovich-Lototsky R. D., Lyubin S. V. (Ukraina). - №u201014687; Zayavleno 07.12.2010; Opublikovano 25.06.2011. Byuleten No 12, 2011 r.

11. Sevostyanov I. V. Eksperimentalni doslidjennya processiv potokovogo vibroudarnogo filtruvannya vologih dispersnyh materialiv / Sevostyanov I. V., Iskovich-Lototsky R. D., Lyubin S. V. // Promyslova gidravlika ta pnevmatika, 2010.-No 4.-S.89-92.

12. Bashta Т.М. Gidravlika, gidromashiny i gidroprivody/ Т.М. Bashta, B. B. Nekrasov. - М.: Мashinostroeniye, 1982. - 423 s.

13. Iskovich-Lototsky R. D. Osnovy teorii rozrahunku ta rozrobka prozessiv i obladnannya dlya vibroudarnogo presuvannya/ Iskovich-Lototsky R. D. Monografiya. - Vinnycya: Universum, 2006. - 338 s.

14. Krutov V. I. Osnovy nauchnyh issledovaniy: Uchebnoe posobie dlya techn. vuzov/ Krutov V. I., Grushko I. M., Popov V. V. - M.: Vysshaya shkola, 1989. - 400 s.

15. Sevostyanov I. V. Vyznachennya robochih parametriv processiv vibroudarnogo separuvannya vologih dispersnyn materialiv / Sevostyanov I. V., Iskovich-Lototsky R. D. // Naukovi Notatki. Mezhvuzivskiy zbirnyk (za napryamom "Inzhenerna mechanika"), 2008. - Vyp. 23. - S. 282 - 292.

16. Fedotkin I. M. Fiziko-tehnicheskie osnovy vlagometrii v pishevoy promyshlennosty/ I. M. Fedotkin, V. P. Klochkov. - K.: Technika, 1974. - 320 s.

17. Goncharevich I. F. Vibrazionnaya tehnika v pishevoy promyshlennosty/ Goncharevich I. F., Uryev I. B., Taleysnik M. A. - M. Pishevaya promyshlenost, 1977.-279 s.

18. Chugayev R. R. Gidravlika: Uchebnik dlya vuzov/ Chugayev R. R. - L.: Energoizdat. Leningradskoye otdelenie, 1982. - 672 s.

19. Iskovich-Lototsky R. D. Mashiny vibracionnogo I vibroudarnogo deystviya/ Iskovich-Lototsky R. D., Matveev I. B., Krat V. A. - K.: Tehnika, 1982. - 208 s.

Размещено на Allbest.ru