Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории расчета смесителей для сыпучих материалов 8
1.1. Проблемы расчета смесителей для сыпучих материалов 8
1.2. Определение необходимого времени смешивания 9
1.3. Определение мощности на перемешивание сыпучих материалов 26
1.4. Выбор оптимальных параметров смесителя 36
1.5. Выводы 39
2. Оборудование и методика проведения экспериментов...
2.1. Смесители Пж-16 и Пж-130 43
2.2. Материалы, используемые для исследований 46
2.3. Методика определения качества смеси 48
2.4. Методика определения момента сопротивления и мощности на перемешивание сыпучих материалов... 48
2.5. Методика изучения кинетики процесса смешивания 58
3. Исследование кинетики смешивания 61
3.1. Влияние соотношения компонентов и их гранулометрического состава на коэффициент неоднородности смеси 61
3.2. Распределение компонентов в смесителе 65
3.3. Влияние параметров смесителя на интенсивность смешивания 73
3.4. Выводы 77
4. Исследование мощности на перемешивание сыпучих материалов 79
4.1. Вывод формулы момента сопротивления движению рабочих органов 79
4.2. Экспериментальная проверка полученных зависимостей 98
4.2.1.Влияние параметров плужного смесителя на сопротивление движению рабочих органов при смешивании крупнодисперсных материалов 99
4.2.2.Влияние параметров смесителя на сопротивление движению рабочих органов при смешивании мелко дисперсных материалов
4.3. Выводы
5. Выбор оптимальных параметров смесителя
5.1. Методика определения приведенных затрат на смешивание по укрупненным показателям
5.2. Влияние объема смесителя и угловой скорости вращения ротора на приведенные затраты П6
5.3. Влияние коэффициента заполнения и соотношения геометрических размеров корпуса на приведенные затраты 121
5.4. Выводы 126
6. Промышленная реализация 127
6.1. Обоснование постановки исследований 127
6.2. Расчет необходимой мощности двигателя 127
6.3. Техническая характеристика и режим работы смесителя Пж-250 для обмазочных масс электродов...129
6.4. Результаты промышленных испытаний 129
6,5. Вьшоди 131
Общие вьшоды и практические рекомендации 132
Литература 134
Основные обозначения 142
Приложение 144
- Определение необходимого времени смешивания
- Методика определения качества смеси
- Распределение компонентов в смесителе
- Экспериментальная проверка полученных зависимостей
Введение к работе
Главная задача одиннадцатой пятилетки состоит в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы [I] .
Одним из путей решения этой задачи является наиболее полное использование достижений науки и техники, направленных на повышение в оптимальных пределах единичных мощностей машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, металлоемкости, энергопотребления и снижения себестоимости на единицу конечного полезного продукта, на создание многофункциональных машин и оборудования, переналаживаемых при изменении технологических процессов, видов выпускаемых изделий и производимых работ.
Вместе с тем, ставится задача повышения качества, надежности, а также уменьшения шума и вибрации машин.
Всё сказанное в полной мере относится и к оборудованию для переработки сыпучих материалов, к различным типам смесителей.
Среди известных машин для приготовления смесей высокой на-дежностыои экономичностью обладают плужные смесители [2] -[б] . Они относятся к универсальным интенсивным смесителям, пригодным для применения как в непрерывных, так и периодических технологических схемах.
Плужные смесители выгодно отличаются от других типов машин для сыпучих материалов малыми удельными затратами энергии на смешивание. Интенсивное смешивание обеспечивается рациональной формой рабочих органов, выполненных в виде плугов, закрепленных на горизонтальном валу, расположенном по оси цилиндрического корпуса. Установленные с малым зазором относительно корпуса плуги очищают почти всю его внутреннюю поверхность от налипающего материала. Смесители могут снабжаться диспергирующими головками, которые, вращаясь с большой скоростью, измельчают образующиеся агрегаты.
Несмотря на отмеченные достоинства, в отечественной химической промышленности плужные смесители имеют ограниченное применение. Заводом "Красный Октябрь", г. Фастов, в настоящее время серийно выпускается лишь один типоразмер - смеситель Пж-630.
Одной из причин ограниченного применения следует считать недостаточную изученность возможностей плужных смесителей, отсутствие надежной методики их расчета. При разработке отраслевого стандарта [б] на смесители периодического действия не была выполнена их унификация и не рассмотрена возможность работы этих смесителей в непрерывном режиме. Исследования мощности на перемешивание, как правило, недостаточно учитывают влияние физико-механических свойств сыпучих материалов. Поэтому актуальной задачей является разработка научно-обоснованной методики расчета плужных смесителей, решению которой посвящена данная работа.
Научная новизна работы заключается в том, что:
I . Решена в общем виде задача определения момента сопротивления движению пластины произвольной формы при ее вращении в горизонтальном цилиндрическом корпусе, частично заполненном сыпучим материалом.
2. Установлена зависимость момента сопротивления перемеще нию рабочих органов смесителя от физико-механических характеристик сыпучих материалов.
3. Определено влияние конструктивных параметров плужного смесителя на кинетику процесса смешивания.
4. Разработана методика расчета удельных затрат на смешивание сыпучих материалов в плужном смесителе по укрупненным показателям.
Практическая значимость полученных результатов состоит, в разработке методики расчета привода плужных смесителей, конструкции смесителя для обмазочных масс электродов, рекомендаций по пересмотру отраслевого стандарта на плужные смесители.
Автор защищает:
- результаты экспериментального определения момента сопротивления среды рабочему органу при движении его в сыпучем материале ;
- решение задачи по определению сопротивления движению рабочего элемента в сыпучей среде ;
- методику расчета необходимого времени смешивания для достижения заданной однородности смеси при работе смесителя в периодическом режиме ;
- методику расчета мощности, потребляемой на смешивание в плужном смесителе ;
- метод расчета удельных затрат на единицу готовой смеси по укрупненным показателям при работе плужного смесителя как в непрерывном, так и в периодическом режимах.
Настоящая работа выполнялась в Северодонецком филиале УкрНИИхиммаша по темам 0153-78-31[7] , 0153-80-26[8] , 0153-82-37[9] .
Определение необходимого времени смешивания
Смесители предназначены для равномерного распределения компонентов в смеси. Для сыпучих компонентов наилучшим будет регулярное распределение компонентов [її, 12] . В принципе, такое распределение возможно, но осуществить его практически, для большого числа частиц, трудно.
Известно также стохастическое распределение, при котором отдельные частицы компонентов расположены случайным образом. Гфи таком расположении может быть достигнута наилучшая возможная для случайного процесса однородность смеси. Близкий к такому распределению процесс может быть осуществлен в интенсивных смесителях при смешивании материалов, не склонных к сегрегации.
Наиболее подробно склонность сыпучих смесей к сегрегации исследована в работе Вильямса и Хана "Смешение и расслоение полидисперсных материалов" [l7J . В ней указывается, что основными причинами сегрегации могут быть различия в размерах, плотности, форме, шероховатости частиц. Практически сегрега - 10 ция чаще всего происходит из-за различия в размерах частиц, поэтому в данной работе изучению этого процесса уделено наибольшее внимание. Влияние разности размеров частиц на сегрегацию авторы определяли с помощью лабораторной установки, представляющей собой наклонный барабан.
Этими исследованиями установлено, что на сегрегацию, кроме физико-механических свойств смеси, влияет также конструкция смесителя и его размер. Для одной и той же смеси, приготавливаемой на трех типах смесителей: барабанном, ленточном и плане-тарно-шнековом, наименьшая сегрегация неизменно получалась в последнем, а наибольшая - в первом.
На основе анализа качества смеси в барабанных смесителях трех размеров был сделан вывод о том, что с увеличением рабочего объема склонность к сегрегации уменьшается.
Практически в каждом смесителе через определенное время устанавливается конечная однородность смеси, всегда худшая, чем при идеальном стохастическом распределении. Это объясняется тем, что в любом реальном смесителе одновременно происходит два процесса - смешивания и сегрегации. Конечную однородность смеси следует понимать как равновесное состояние этих процессов.
Чем больше Ус , тем хуже однородность. Обозначим коэффициент неоднородности при идеальном стохастическом распределении VCR. (индекс R означает рандомальное состояние смеси, то есть максимально возможное в статистическом смысле). После достаточно продолжительного смешивания однородность смеси прини-мает постоянное значение Vc p » которое всегда больше V ?. .
Наибольший коэффициент неоднородности соответствует полному разделению смеси на составляющие компоненты. Это состояние смеси наблюдается до начала процесса смешивания.
Описаны опыты, проводившиеся для установления соотношения между фактически полученными значениями стандартного отклонения Sco и теоретически рассчитанными (Зц При анализе результатов обнаружено, что полного соответствия между Soo и GR нет. Полученные значения Soo были всегда больше теоретических GR [25] - [32].
Методика определения качества смеси
Показателем качества смеси является коэффициент неодно-родности - Vc (I.I). Извлеченные из смесителя пробы рассеивались с помощью вибрационных сит, установленных на приборе 028 М, в течение одной минуты (продолжительность рассева устанавливалась с помощью реле времени) на фракции с диаметрами частиц меньше и больше 0,315 мм. Затем каждая фракция взвешивалась на весах с точ-ностью о Г» 0 кг и вычислялось процентное отношение ключевого компонента (крупной фракции) в каждой пробе.
Преимущество этого метода определения однородности смеси перед другими заключается в том, что после смешивания исходных компонентов их можно разделить путем рассева на фракции и повторно использовать для исследований. Кроме того, сокращается время определения концентрации ключевого компонента в пробах по сравнению, например, с методом титрования.
Метод измерения активной мощности широко известен [46 ] По этому методу потребляемая мощность определяется как разность мощности, замеренной ваттметром под нагрузкой Nu » и мощности холостого хода Nx на тех же оборотах. N=I\L-[\L. (2.2)
Для измерения активной мощности использовался ваттметр Д-566 класса точности 0,2 с пределом измерения до 3 кВт. Если мощность превышала эту величину, применялось шунтирование токовой обмотки прибора.
Преимуществом этого метода измерения мощности является простота его осуществления. Однако его точность невысока, так как в измеренную под нагрузкой мощность входят потери на трение в приводе, в сальниках, на нагревание обмоток двигателя, гистерезис и вихревые токи.
Формула (2.2) предполагает, что все эти потери не зависят от нагрузки на привод и принимаются постоянными для данной скорости вращения рабочих органов. Кроме того, невозможно измерение пускового момента и пусковой мощности, так как привод и электрические приборы обладают инерцией.
Недостатком является также снижение точности измерения при работе двигателя на верхнем и нижнем предельных оборотах электропривода смесителя»
Метод динамического измерения крутящего момента основан на определении момента сопротивления движению одного из рабочих органов. Метод позволяет снять осциллограмму крутящего момента. По оттарированной осциллограмме можно определить работу одной лопасти за оборот. Мощность, потребляемая смесителем, определится как произведение полученной работы на скорость вращения ротора и число рабочих органов.
Преимущества динамического измерения крутящего момента по сравнению с перечисленными электрическими методами следующие: 1. На точность измерений не влияют потери в приводе и уплотнениях смесителя. 2. Выявляется не только усредненная величина потребляемой мощности, но и характер нагрузки на привод и каждый плужок как во время пуска смесителя, так и после выхода его на рабочий режим.
К недостаткам метода следует отнести сравнительно большую трудоемкость и значительные материальные затраты на его осуществление. Система динамического измерения момента сопротивления (рис.2.5) состоит из двух узлов динамического тензометрирова-ния I, токосъемника 2, усилителя 3, осциллографа светолучево-го 4, блоков питания для осциллографа 5 и усилителя 6. Узел динамического тензометрирования укреплен на валу смесителя, токосъемник смонтирован на специальной стойке, а его ротор соединен с валом смесителя.
Специально сконструированный узел динамического тензометрирования изображен на рис.2.6. Он состоит из хомутов I, стягиваемых на валу смесителя двумя болтами. Хомуты удерживаются от проворачивания силами трения, без каких-либо стопоров, поэтому их можно установить в любом месте по длине вала. На хомуте шарнирно установлен на оси 2 рычаг 3. На рычаге укреплен рабочий орган 4. Рычаг давит в центр пластинки 5, опирающейся с двух сторон на края выемки, сделанной в опорном бруске б. При погружении в сыпучий материал рабочий орган испытывает сопротивление. С увеличением момента, действующего на рычаг со стороны рабочего органа, увеличивается прогиб пластинки 5. Толщина ее подобрана таким образом, что деформация находится в пределах упругости. На нижней поверхности пластинки параллельно наклеены три тензорезистора 2ІЖБ-І0-І00ГВ. Провода от этих тензорезисторов через полый вал соединены с токосъемником. Пространство между пластиной 5 и бруском б уплотнено поролоном. Шарнирная конструкция узла тензометрирования позволяет производить более точное измерение крутящего момента по сравнению с применяемым обычно способом наклейки датчиков на стойку. Составляющая от осевых и радиальных сил в первом случае не действует на рабочий орган.
Распределение компонентов в смесителе
Смешивание является суммой двух происходящих одновременно процессов: гомогенизации и сегрегации, Цроцесс гомогенизации через некоторое время должен был бы привести смешиваемые компоненты в состояние, близкое к стохастическому распределению. Такое распределение можно наблюдать в случае, когда компоненты совершенно не отличаются физико-механическими свойствами, например, одинаковые по форме и размеру гранулы полиэтилена, имеющие различную окраску.
Однако, смешиваемые компоненты, как правило, имеют отличающиеся физико-механические характеристики (размер частиц, их масса, фактура поверхности и т.п.). Поэтому возникает вопрос, можно ли пренебрегать сегрегацией в реальных процессах смешивания?
Для изучения направления, в котором происходит сегрегация, проанализируем результаты смешивания двух фракций фенопласта: 0,315 - 1,25 ; 1,25 - 2,5 мм (фракции 2 и 3 в табл.2.3). В смеситель загружали по 23,6 кг фракции 2 и 3, Масса от-бираемых из смесителей проб была равна 5,5 10 кг, В процессе смешивания через определенные промежутки времени в указанных на рис,2,4. точках пробоотборником брали по одной пробе, В каждой выборке было по 20 проб. Ротору смесителя задавалась угловая скорость вращения 15,7 рад/с. Пробы рассеивали на сите с размерами ячеек I мм. Длитель ность рассева задавалась с помощью реле времени и была равна одной минуте. Рассеянные фракции взвешивались. Полученные дан ные обрабатывались на ЭЦВМ "Проминь-2", для определения Х\ , /\ X и Vc Результаты обработки приведены в табл. 3.1 и расположены в соответствии с номером места, из которого отобрана проба (см. рис.2.4), в следующем порядке 12 3 4 5 10 9 8 7 6 11 12 13 14 15 20 19 18 17 16 Для оценки полученных результатов определим коэффициент неоднородности при стохастическом распределении по уравнению (3.3) - VCR = 2,821. Анализ полученных результатов с помощью критерия Романовского [52J позволил выявить грубые ошибки. Из единовременной выборки выделялась проба, имеющая наибольшее отклонение содержания ключевого компонента от выборочного среднего. Определялось выборочное среднее Xі И исправленное среднеквадратическое отклонение 5 по оставшимся пробам. Для этого сначала подсчитывалась сумма концентраций ключевого ком п понента в отдельных пробах X; и сумма квадратов этих вели кі а /в/ чин X; . Из первой суммы вычиталось значение выделенной про-бы Хк а из ВТ0Р0Й " квадрат этой величины Хк Заменим в табл.3.I пробы, содержащие грубые ошибки, на среднеарифметические концентрации ключевого компонента от соседних с ними проб. Для 25,3 из выборки 5 секунд это значение равно 58.6 + 46.4 + 44.3 + 37.8 = 4б 8 4 для 66,4 из выборки 5 минут - 56,6 + 50,9 + 55t4 + 61,7 = 5б,15. В табл.3.2 приведены средние концентрации ключевого компонента по четырем пробам, взятым на одинаковых осевых координатах, в табл.3.3 - по десяти пробам, отобранным сверху и снизу, а так же справа и слева. Средние концентрации в пробах, содержащих грубые ошибки, были заменены на средние арифметические соседних проб. В правой крайней графе дана оценка значимости различий групповых средних концентраций ключевых компонентов в пробах.
Сравнение групповых средних концентраций производилось методом дисперсионного анализа, а выборочных средних-по десяти пробам с помощью критерия Стыодента [34, 35, 36J . Как следует из таблиц 3.2 и 3.3, смешивание в осевом направлении заканчивается через 10 секунд после включения смесителя. В поперечном направлении перемешивание тоже весьма интенсивно и заканчивается примерно через 10 секунд. В вертикальном направлении смешивание происходит менее интенсивно, чем в двух вышеупомянутых направлениях. Этим объясняется различие средних концентраций ключевого компонента в пробах верхнего и нижнего слоя. Значительная неоднородность в результате сегрегации в вер - 71 тикальном направлении сохраняется даже через пять минут после начала смешивания.
При длительном смешивании происходит ухудшение однородности смеси (см. табл.3.3), однако различие между средними групповыми концентрациями становится незначимым. Наблюдаемое явление можно объяснить тем, что в процессе смешивания происходит измельчение частиц фенопласта, сопровождающееся изменением направления их сегрегации. Поле сегрегации имеет пространственную форму. Крупные частицы перераспределяются по углам смесителя. Ни для одной выборки не получена однородность смеси лучше теоретически рассчитанной для идеального смешивания.
Экспериментальная проверка полученных зависимостей
Полученные в предыдущем разделе формулы для определения мощности были затем проверены экспериментально на смесителе Пж-130. Измерения момента сопротивления проводились методом динамического тензометрирования. В процессе исследования изменялись степень заполнения смесителя - и угловая скорость вращения ротора - Сд . Исследования проводились на следующих материалах: сухом песке, каолине и двух фракциях фенопласта.
Испытаниями было установлено, что характер изменения момента сопротивления для сыпучих материалов с размерами частиц более 50 мкм (будем в дальнейшем условно называть их крупнодисперсными) соответствует принятой модели.
Осциллограмма момента сопротивления движению рабочего органа за один оборот показана на рис.4.9.
Для мелкодисперсных материалов с размерами частиц менее 50 мкм результаты расчетов получаются более чем на порядок завышенными по сравнению с экспериментальными данными.
Рассмотрим отдельно экспериментальные данные, полученные для этих двух групп материалов. На рис.4.10 приведены экспериментальные значения максимальных моментов сопротивления Мета » полученные при испытании смесителя Пж-130 на крупнодисперсном фенопласте при различных сочетаниях коэффициента загрузки -я и угловой скорости вращения ротора - со .
Провести исследования на крупнодисперсном фенопласте при больших коэффициентах загрузки смесителя не удалось, так как пусковой момент двигателя оказался недостаточным. Ротор смесителя заклинивало.
Аналогичная картина изменения пиковых значений сопротивления была получена при работе смесителя на песке (рис.4.II), с той лишь разницей, что максимальный коэффициент загрузки в этом случае составлял 0,45.
Итак, можно отметить, что момент сопротивления зависит от скорости вращения ротора, причем эта зависимость различна при малых и больших загрузках. Чем можно объяснить эти различия?
В литературе [ю] описано движение материала в плужном смесителе в виде кольца, вращающегося в корпусе в том же направлении, что и ротор. Возрастание момента сопротивления перемещению плужков по мере увеличения скорости объясняется действием на материал центробежных сил. Снижение момента сопротивления с увеличением скорости вращения ротора при больших загрузках - следствие дилатансии материала.
Полученные в данной работе осциллограммы момента сопротивления и визуальные наблюдения опровергают эти предположения и дают основание утверждать, что в плужном смесителе при обычно применяемых угловых скоростях до 20 рад/с центробежные силы не играют существенной роли. Так, например, в смесителе Пж-130 при скорости 10 рад/с материал не выбрасывался через открытый люк.
Следовательно, влияние центробежных сил на материал ничтожно и их действием нельзя объяснить увеличение момента сопротивления перемещению плуга. Объяснение снижения момента сопротивления проявлением ди-латансии с увеличением скорости вращения также неубедительно, если рассмотреть осциллограмму для крупнодисперсного фенопласта или песка. При загрузке J = 0,5 и более с увеличением скорости осциллограмма становится зубчатой, что скорее характерно для жестких, а не псевдоожиженных материалов.
Интересно, что при определенных условиях может происходить увеличение работы, совершаемой одним рабочим органом за оборот, несмотря на снижение пиковых значений момента сопротивления. Это явление наблюдается, например, при смешивании крупнодисперсного фенопласта, если коэффициент заполнения корпуса смесителя равен 0,4 (рис.4.12).
Из осциллограмм моментов сопротивления, полученных для вышеназванных условий, можно заметить (рис.4.13), что с увеличением угловой скорости вращения ротора происходит снижение пиковых значений момента сопротивления и одновременное увеличение рабочего угла. Следовательно, поверхность сыпучего материала становится вогнутой, максимальная глубина сыпучего материала над плугом уменьшается, а его путь под нагрузкой увеличивается. Однако увеличение работы за оборот не может быть вызвано искривлением поверхности материала, так как сопротивление плуга зависит от глубины его погружения в сыпучий материал в степени больше единицы.
