Введение к работе
Актуальность темы. Современная промышленность ежегодно производи! і перерабатывает миллионы тонн сыпучих продуктов, что непосредственно связано с транспортными операциями. Во многих технологических процессах наиболее эффективным, а порой и единственно возможным :пособом перемещения дисперсного материала является трубопроводный пневмотранспорт. Необходимость перемещения материалов на значительные расстояния по трассам сложно/1 пространственной геометрии, грзнспортирование с высокой производительностью при малой скорости івижеиия дисперсной смеси выдвигают на передний план прогрессивный и :равнительно новый способ перемещении - пневмотранспорт в импульсном режиме. Импульсный пневмотранспорт с поршневой структурой перемещаемой среды существенно расширяет область применения традиционных пневматических методов переработки дисперсних материалов. Он характеризуется, в частности, повышенной дальностью перемещения но сравнению с транспортом в виде взвеси, отсутствием измельчения частиц, высокой степенью взрывобезопасностн при значительно меньших удельных энергозатратах.
Вместе с тем, широкое использование способа сдерживается недостаточной изученностью дисперсных потоков поршневой структуры, особенно вопросов стабильности процесса при наличии большого числа возмущающих факторов.
Основополагающим вопросом использования поршневых потоков в практических целях является вопрос о надежности работы транспортной системы. В этой связи особый интерес представляет детальное исследование физических процессов, протекающих в транспортом трубопроводе, учет выявленных закономерностей при построении методов расчета установок, выдача обоснованных рекомендаций по их проектированию к эксплуатации.
Цель работы — исследование стабильности дисперсных потоков поршневой структуры, классификация дестабилизирующих факторов и определение условий наиболее эффективного перемещения сыпучего материала'по трубопроводу с помощью сжатого газа.
Методы исследования. Ввиду сложности практического применения достаточно полных и адекватных математических моделей, учитывающих сильное взаимное влияние параметров потока, основное внимание в работе уделено экспериментальным методам исследования.
Достоверность результатов обеспечивается применением отработанных методик экспериментов, использованием современных высокоточных регистрирующих приборов, сравнением результатов теоретического анализа и численных расчетов с экспериментальными данными, успешным использованием полученных в работе выводов при решении конкретных практических залач.
Научная иовизпа
1. В работе впервые обобщены и классифицированы дестабилизирующие
факторы, под действием которых появляются флуктуации параметров
потока поршневой структуры. Экспериментально установлена
определяющая роль возникающей при этом нестационарной фильтрации
транспортирующего газа на деформацию структурных элементов и, как
следствие, на динамику потока. Разработан и экспериментально проверен
метод количественной оценки стабильности процесса по амплитуде
отклонения давления транспортирующего газа от его среднего значения.
-
Показано, что при взаимодействии плотного слоя материала с транспортирующим газом эффективные напряжения, в том числе нормальное давление -материала' на стенку трубопровода, определяются производной от градиента давленая газа по координате перемещения. Получена зависимость, связывающая градиент давления, необходимый для преодоления сопротивления трения, с интенсивностью изменения давления на границе слоя и газопроницаемостью дисперсного материала. На основе представлении Мора-Кулона описаны условия, необходимые для образования в слое дисперсного материала сводовой структуры, и получено выражение для критического градиента давления, разрушающего свод.
-
Экспериментальными исследованиями процессов нестационарной фильтрации установлена связь уплотнения и разрушения поршня сыпучего материала с интенсивностью накладываемых возмущений и с его газопроницаемостью.
4. Экспериментальными исследованиями на крупномасштабных
установках с дальностью до 240 м получены зависимости между основиылш
параметрами потока. Область стабильности потока поршневой структуры
предложено интерпретировать в виде поверхности второго порядка в
координатах: начальное давление газа - периодичность ввода материала -
массовая расходная концентрация. Впервые получены принципиальные
ограничения на удельный расход твердой фазы, обусловленные как
сравнительно узкой областью существования устойчивых режимов, так и
ограниченными демпфирующими возможностями межпоршневых газовых
4 ''
промежутком. Получены эмпирические зависимости предельной загрузки трубопровода от дальности транспортирования, зависимость оптимальной длины порции от физико-механических свойств перемещаемою материала и диаметра трубопровода.
5. Построен метод расчета поршневых пневмотранспоргпых установок, впервые доведенный до замкнутой процедуры, достаточной для целей проектирования. Достоверность получаемых результатов' расчета подтверждена сравнением с опытными данными. Разработаны новые методы стабилизации дисперсных потоков поршневой структуры и приведены результаты их испытаний на практике.
Практлческая ценность. Результаты проведенных исследований являются основой для разработки принципиально новых способов и устройств для стабилизации потоков поршневой структуры. Разработанный способ оценки стабильности по величине флуктуации давления транспортирующего газа позволяет автоматизировать процесс контроля и корректировки параметров. Методику экспериментального исследования процесса нестационарной фильтрации предложено использовать для определения степени транспортабельности дисперсного материала при выборе способа его перемещения по трубопроводу.
Реализация работы. Результаты работы внедрены на Нонополоцком ПО "Полимер" (Белоруссия), на Пермском кабельном комбинате "Камкабель", в отраслевой лаборатории пневмотранспорта НИИ ПММ. Метод расчета режимных параметров включен в Руководящие технические материалы (РТМ) "Пневмотранспорт сыпучих материалов" для предприятий химической промышленности и реализован при проектировании системы пневмотранспорта для Охтинского химкомбината (г. С-Петербург). Ряд технических решений использован в учебном пособии проф. В.А. Шваба "Аэромеханическне методы в технологии производства порошковой продукции".
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и были одобрены на объединенном научном семинаре отдела прикладной аэромеханики и тепломассобмена НИИ ПММ и кафедры прикладной аэродинамики ТГУ, на IV Всесоюзной конференции "Механика сыпучих материалов" (Одесса, 1980), Уральской зональной конференции "Механика сплошных сред" (Пермь, 1980), Республиканской конференции "Методы аэромеханики и тепломассообмена двухфазных потоков применительно к технологическим процессам" (Томск, 1981), Республиканской конференции по прикладной математике и механике (Томск, 1983), II Республиканском
семинаре "Применение методов и аппаратов порошковой технологии" (Томск, І983), Всесоюзной конференции "Новые методы в технологии производства, переработки, транспортирования и хранения лишсоых продуктов" (Москва, 19S4), Всесоюзной конференции "Применение аппаратов порошковой технологии и процессов термосинтеза в народном хозяйстве" (Томск, 1987), Всесоюзной конференции "Фундаментальные исследовании и новые технологии в строительном материаловедении" (Белгород, 1989), Международной конференции "Охрана окружающей среды" (Томск, 1995).
Публикации, . Основное содержание диссертационной работы опубликовано п 22 печатных работах и 4 авторских свидетельствах на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и двух приложений (таблицы, 7 актов внедрения). Работа изложена на 190 страницах печатного текста и содержит 52 отдельных листа с 75 рисунками Список цитированной литературы включает 138 наименований.
Основные научные результаты и положения, выносимые ил защиту.
1. Методика выяатения и классификации дестабилизирующих факторов
на основе регистрации флуктуации термодинамических параметров потока и
сравнения с кваэистацнонарнбй моделью. Экспериментальное
доказательство определяющей роли нестационарной фильтрации па
деформацию структурных элементов и, как следствие, на динамику потока.
2. Результаты экспериментального исследования параметрической
области стабильности потока путем варьирования входных параметров
(принцип дефицита или избытка потенциальной энергии
транспоргирующего газа). Предложенную интерпретацию области
стабильности потока поршневой струюуры в виде двумерной поверхности п
координатах Р0 (начальное давление) - 0 (периодичность ввода дисперсного
материала) - и (массовая расходная концентрация). Результаты обобщения
полученных результатов методом качественного анализа физических
процессов, протекающих в трубопроводе на границе области стабильного
транспортирования.
3. Полученные автором принципиальные ограничения на удельный
расход твердой фазы, обусловленные ограниченными демпфирующими
возможностями межпоршневых газовых промежутков. Полученные
эмпирические зависимости предельной загрузки трубопровода от дальности
транспортирования, зависимости оптимальной длины порций от физико-
...''*'
механических свойств перемещаемого материала и диаметра трубопровода. Построенную на лоіі основе методику расчета парамеїров поршневых пневмотранспортных установок и результаты сравнения результатов расчета с опытными данными.
4. Разработанные методы стабилизации дисперсных потоков поршневой структуры и результаты их испытании на практике.