Введение к работе
Актуальность работы. Древесная щепа как результат переработки круглых лесоматериалов производится в больших количествах и потребляется на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК). Так, только три ЦБК в республике Карелия в городах Кондопога, Питкяранта и Сегежа рассчитаны на ежегодную переработку примерно трёх миллионов куб. м круглых лесоматериалов, после очистки от коры поступающих в виде балансов на рубительные машины для получения щепы, определенная фракция которой после сортировки по крупности частиц используется для варки целлюлозы. Щепа используется также в качестве биотоплива и в других целях. Имеет место тенденция к росту объемов производства и потребления щепы в России и в других странах [].
Необходимым звеном в технологии подготовки щепы к дальнейшему использованию является фракционирование (сортировка) по крупности частиц, что осуществляется на ЦБК методом рассева на оборудовании с поэтажной компоновкой сит производительностью, например, от 150 до 950 насыпных куб. м в час с выделением из исходной щепы некондиционных (мелких и крупных) частиц []. Новые требования к качеству продукции, энергосбережению и рациональному природопользованию предопределяют актуальность исследований многоплановой проблемы совершенствования процесса фракционирования щепы.
Данная проблема сводится к ряду задач, предполагающих для своего решения применение экспериментальных методов и методов математического моделирования изменений фракционного состава щепы в процессе рассева. Однако основное внимание в публикациях, включая Интернет-ресурсы, фокусируется на исследованиях фракционирования (сепарирования, сортировки, классификации) других сыпучих материалов (зерно и продукты его переработки, семена, рудные и нерудные материалы). В меньшей степени изучены закономерности фракционирования древесной щепы. Существенные различия технологий переработки и свойств сыпучих материалов неизбежно отражаются на особенностях методик расчета. Поэтому применительно к проблеме фракционирования щепы актуальны задачи обоснования рекомендаций по совершенствованию данного процесса и модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит.
Цель работы: повышение эффективности фракционирования древесной щепы на оборудовании с поэтажной компоновкой сит путём экспериментального исследования и математического моделирования при решении задач по обоснованию конструктивных и технологических параметров.
4 Задачи, решение которых необходимо для достижения данной цели:
Выполнить анализ публикаций по развитию технологии и методов расчета в данной области прикладных исследований.
Разработать методику расчета изменений концентрации кондиционных частиц щепы в процессе фракционирования по критерию крупности.
С применением разработанной методики исследовать влияние соотношения рабочей длины сит на эффективность фракционирования щепы.
Экспериментально исследовать влияние конструктивных и технологических параметров на производительность оборудования и качество технологической щепы (на примере установки СЩ-120).
На основе полученных результатов обосновать выводы и рекомендации по изменению соотношения рабочей длины сит с целью повышения качества технологической щепы и по определению толщины слоя щепы на сите для обеспечения заданной производительности.
Объект исследования: технологический процесс и модель фракционирования щепы методом рассева на системе сит.
Предмет исследования: закономерности влияния технологических и конструктивных параметров на изменение фракционного состава щепы в процессе рассева и возможности повышения эффективности фракционирования с обеспечением заданной производительности оборудования.
Теоретической и методологической работы являются труды отечественных и зарубежных авторов, в которых обосновываются методы расчета, методики экспериментальных исследований и направления совершенствования технологии фракционирования (сортировки) щепы и других близких по свойствам сыпучих материалов.
Методы исследования. При решении комплекса поставленных задач использовались: экспериментальные испытания установок для фракционирования щепы, лабораторные методы определения гранулометрического состава древесной щепы, методы математического моделирования процесса рассева сыпучих материалов. Численные результаты моделирования, решения модельных технологических задач и обработка экспериментальных данных получены с применением Microsoft Excel.
Научная новизна характеризуется тем, что:
Предложена физическая модель фракционируемого сыпучего материала с изменяющейся в процессе рассева концентрацией проходных и непроходных частиц, различающихся крупностью.
На основе данной модели разработана новая методика расчета изменений концентрации частиц кондиционной фракции и эффективности фракционирования, отличающаяся тем, что, с целью упрощения
5 расчета параметров фракционирования на оборудовании с поэтажной компоновкой сит с учетом их рабочей длины, вычисления сведены к решению логистического уравнения, а для оценки эффективности рассева использована относительная концентрации проходных частиц в надре-шётном продукте.
С применением разработанной методики обосновано техническое решение по модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит, в котором путем подбора соотношения рабочей длины и взаимного положения сит достигается повышение эффективности рассева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования.
Экспериментально исследовано влияние толщины слоя фракционируемой щепы и угла наклона прямоугольных сит на производительность оборудования, что позволяет прогнозировать продолжительность и качество технологической щепы на ЦБК.
Полученные результаты могут быть адаптированы к исследованиям по модернизации оборудования для рассева определенного класса сыпучих материалов, частицы которых имеют одинаковую плотность, но различаются крупностью (песок, щебень и т. д.).
Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью постановки задачи с использованием для решения закона сохранения массы и других общепринятых положений. Достоверность результатов работы подтверждена данными расчетов и испытаний, в том числе выполненными в реальных условиях на ЦБК и другими, известными по литературе.
Практическая значимость работы определяется созданием экспериментальной и теоретической методик решения достаточно широкого класса технологических задач фракционирования сыпучих материалов по крупности частиц, которая может быть использована при модернизации существующего и проектировании нового оборудования.
Результаты, выносимые на защиту:
Обоснование физической модели рассева древесной щепы как сыпучего материала с изменяющейся в процессе рассева концентрацией проходных и непроходных частиц.
Методика расчета изменений концентрации частиц кондиционной (некондиционной) фракции щепы и эффективности рассева.
Обоснование технического решения по модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит, в котором путем подбора соотношения рабочей длины сит обеспечивается повышение эффективности рас-
сева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования.
Результаты экспериментов по исследованию влияния толщины слоя фракционируемой щепы и угла наклона сит на производительность оборудования.
Рекомендации, обеспечивающие повышение эффективности рассева и улучшение качества технологической щепы на ЦБК.
Апробация работы осуществлена на следующих конференциях:
Ежегодная научная конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии (2007 г.);
Третья международная научно-практическая Интернет-конференция «Леса России в XXI веке», (, СПбГЛТА, 2010 г.);
VII Всероссийская научная конференция "Математическое моделирование и краевые задачи", (Самарский гос. техн. университет, 2010);
Международная научно-техническая конференция «Наука и образо-вание-2010». (Мурманск, МГТУ, 5-9 апреля 2010 г.).
62-я научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных ПетрГУ (2010 г.);
Семинары кафедры целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств ПетрГУ (2009-2010 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в шести работах, их них две статьи в журнале, указанном в перечне ВАК РФ.
Часть работы, связанная с обоснованием расчетных соотношений, выполнена при поддержке РФФИ (проект 08-08-00979, руководители В.Н. Бакулин, Г. Н. Колесников).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 115 страниц, в том числе 15 таблиц, 19 рисунков. Список литературы включает в себя 107 наименований.
