Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности транспортирования дисперсных материалов (обзор научно-технической литературы) 11
1.1 Характеристика транспортирующего агента 11
1.2 Характеристика транспортируемого материала 11
1.3 Характеристика потока воздух-сыпучий материал 13
1.4 Устройство пневмотранспортных установок 19
1.5 Конструкции пневмокамерных насосов 25
1.6 Описание работы пневмокамерного насоса 29
1.7 Обзор физических и математических моделей двухфазных потоков 36
1.8 Энергосбережение в системах пневмотранспорта 44
1.9 Выводы по главе 1 50
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование работы камерных насосов 52
2.1 Экспериментальное исследование работы камерного насоса «Монжус» марки НО-324МА 52
2.1.1 Общая характеристика камерного насоса «Монжус» марки НО-324МА. 52
2.1.2 Характеристика сыпучего материала 57
2.1.3 Описание эксперимента 57
2.1.4 Обработка экспериментальных данных 63
2.2 Экспериментальное исследование работы камерного насоса марки «Gemco» 72
2.2.1 Общая характеристика камерного насоса марки «Gemco» 72
2.2.2 Характеристика сыпучего материала 72
2.2.3 Описание эксперимента 73
2.2.4 Обработка экспериментальных данных 75
2.3 Выводы по главе 2 80
ГЛАВА 3. Математическая модель движения двухфазных потоков в камерных насосах
3.1 Описание объекта исследования 82
3.2 Математическая модель двухфазных потоков 82
3.3 Проверка адекватности математической модели
3.3.1 Расчет движения двухфазного потока в трубе с поворотом на 90 градусов 90
3.3.2 Математическое моделирование работы камерного насоса марки «Монжус» 92
3.3.3 Математическое моделирование работы камерного насоса марки «Gemco» 99
3.4 Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4. Повышение энергетической эффективности камерных насосов 103
4.1 Исходные данные для расчета 104
4.1.1 Камерный насос марки «Монжус» 104
4.1.2 Камерный насос марки «Gemco» 105
4.2 Повышение энергетической эффективности камерных насосов за счет увеличения температуры сжатого воздуха 106
4.2.1 Повышение энергетической эффективности камерного насоса марки «Gemco» 106
4.2.2 Повышение энергетической эффективности камерного насоса марки «Монжус» 108
4.3 Зависимость энергетической эффективности камерных насосов от размера частиц твердого материала 111
4.4 Зависимость производительности камерных насосов от размера выходного патрубка 112
4.5 Повышение энергетической эффективности камерного насоса за счет реконструкции системы воздухоподачи и удаления двухфазной смеси 113 4.6 Оценка экономического эффекта от реконструкции камерного насоса марки «Монжус» 123
4.7 Выводы по главе 4 127
Основные результаты и выводы 128
- Характеристика потока воздух-сыпучий материал
- Экспериментальное исследование работы камерного насоса марки «Gemco»
- Расчет движения двухфазного потока в трубе с поворотом на 90 градусов
- Повышение энергетической эффективности камерных насосов за счет увеличения температуры сжатого воздуха
Характеристика потока воздух-сыпучий материал
В промышленности наиболее широкое распространение получили пневмотранспортные установки для перемещения песка, цемента, извести, гипса и других сыпучих материалов.
На процесс транспортирования и складской переработки влияют характерные свойства сыпучих материалов: размер частиц, плотность, насыпная плотность, коэффициент внутреннего трения, коэффициент трения о твердые несущие поверхности, угол естественного откоса, влажность, подвижность, связность частиц, слеживаемость, абразивность и их форма. Для пневмотранспорта принимаются, как правило, полидисперсные материалы с максимальным размером частиц не превышающим 10 мм. В механике насыпных грузов принята следующая классификация частиц [30, 51]: крупнозернистые (2 d 10 мм); мелкозернистые (0,5 d 2,0 мм); порошкообразные (0,05 d 0,5 мм) и пылевидные (d 0,05 мм).
Плотность материала значительно влияет на параметры пневмотранспортировки, т.к. чем тяжелее частицы, тем больше затраты энергии на их перемещение [44]. Истинная плотность частиц может быть определена пикнометрическим способом согласно ГОСТ 25732-88 [28]. В качестве пикнометрических жидкостей выбирают жидкости, которые хорошо смачивают материал, но при этом не вступают с ним в химическую реакцию. Насыпную плотность дисперсных материалов определяют с помощью мерного сосуда известного объема. Различают плотность при свободной засыпке и уплотненную плотность, которая формируется при расположении на свободной поверхности материала грузов различной массы [44].
Коэффициенты внутреннего и внешнего трения влияют на подвижность частиц материала и на угол его естественного откоса.
Влажность для большинства строительных материалов не должна превышать 1% по массе, так как содержание влаги в сыпучем материале может привести к его слеживанию. В зимний период строительные материалы при содержании влаги более 4% подвержены смерзанию частиц между собой.
Абразивность – свойство материалов истирать соприкасающиеся с ними элементы транспортных узлов установки. Абразивность определяется как свойствами самого строительного материала, так и скоростью его движения, направлением вектора скорости относительно ограждающих конструкций, от материала узлов транспортной системы. Массовые строительные материалы, перемещаемые посредством пневмотранспорта (песок, зола, цемент), обладают значительным абразивным эффектом. Наиболее подвержены износу поворотные участки трубопроводов в пневмоустановках нагнетательного действия. Важной комплексной характеристикой подлежащих
пневмотранспортировке материалов является их сыпучесть. Данный критерий определяет способность материала к транспортировке во взвешенном состоянии. Многочисленными опытами установлено [51], что сыпучесть зависит от влажности материала, размера, формы и состояния поверхности частиц, плотности, порозности и температуры. При этом наблюдается сложная зависимость сыпучести от каждого из перечисленных факторов, которые взаимно влияют друг на друга. Можно выделить три основных показателя, определяющих сыпучесть: сопротивление первоначальному сдвигу, угол естественного откоса и время истечения порции материала из стандартной воронки Меринга [51]. Методики экспериментального определения этих трех показателей сыпучести приведены в публикациях по механики насыпных грузов [40, 41].
Существенное влияние на процесс пневмотранспортировки оказывает форма частиц [41]. При прочих равных условиях скорость транспортирования частиц неправильной формы выше, поэтому учет в расчетных методиках несферичности частиц является еще одной задачей теории пневмотранспорта [30, 51].
Выбор параметров, характеризующих перемещение двухфазной смеси материал-воздух, в первую очередь, зависит от направления движения потока в поле тяготения Земли.
Для систем пневмотранспорта с горизонтальным направлением перемещения потока материала основным критерием является равномерность заполнения поперечного сечения пневмопровода. Распределение материала по сечению транспортной коммуникации зависит от диаметра и состояния поверхности частиц перемещаемого материала, шероховатости внутренней поверхности материалопровода, ее положения в пространстве, расстояния от узла ввода материала до рассматриваемого участка и главное от скорости транспортирующего воздуха [131]. Фазовая диаграмма состояния двухфазного потока в горизонтальном пневматическом трубопроводе приведена на рисунке 1.1 [131].
Экспериментальное исследование работы камерного насоса марки «Gemco»
Системы пневмотранспорта сыпучих материалов нашли широкое применение при производстве строительных материалов, в металлургии, а также в ряде других отраслей промышленности. Наиболее распространенными являются системы пневмотранспорта с камерными насосами [82]. В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований систем пневмотранспорта, предназначенных для перемещения извести и цемента (ОАО «Бонолит – Строительные системы», г. Старая Купавна, Московская обл.) и для перемещения песка (ОАО «Кранекс», г. Иваново).
Экспериментальные исследования были выполнены с целью получения достоверных данных о режимных параметрах работы камерных насосов различных конструкций и проверки адекватности математической модели.
Экспериментальное исследование работы камерного насоса «Монжус» марки НО-324МА 2.1.1 Общая характеристика камерного насоса «Монжус» марки НО-324МА Камерный насос «Монжус» марки НО-324МА применяют на
ОАО «Бонолит – Строительные системы» (г. Старая Купавна, Московская обл.) для перемещения сыпучих веществ, таких как цемент и известь. Принципиальная схема камерного насоса представлена на рисунке 2.1,а.
Принцип работы. Монжус относится к насосам, работающим циклически. Рабочий цикл включает в себя следующие стадии: 1. Открытие загрузочного клапана и заполнение рабочей камеры насоса материалом. 2. Закрытие загрузочного клапана. 3. Включение аэрации внутри камеры и набор давления. 4. Открытие разгрузочного клапана, включение попутной подачи воздуха в материалопровод. 5. Отключение подачи воздуха, закрытие разгрузочного клапана.
С целью снижения комкования материала при разгрузке и повышения надежности работы была выполнена реконструкция камерного насоса (рисунок 2.1б): добавлен второй воздуховод сжатого воздуха 4; изменено положение разгрузочного патрубка 3; с целью повышения уровня турбулизации двухфазного потока в камере насоса воздуховоды 4 загнуты перпендикулярно оси пневмонасоса. Таким образом, решения по реконструкции монжуса направлены на увеличение турбулизации двухфазного потока и изменение направления разгрузки: насос с верхней разгрузкой преобразован в насос с нижней разгрузкой материала. Внешний вид пневмонасоса «Монжус» марки НО-324МА показан на рисунке 2.3.
На предприятии ОАО «Бонолит – Строительное решение» в настоящее время при помощи системы пневмотранспорта перемещают известь.
Строительная воздушная известь (CaO) — продукт умеренного обжига при 900 1300 C природных карбонатных пород (CaCO3), содержащих до 8 % глинистых примесей (известняк, доломит, мел и др.). Основные характеристики извести приведены в таблице 2.2.
Плотность извести в уплотненном состоянии составляет 600 700 кг/м3. Истинная плотность 3100 3300 кг/м3.
Цель эксперимента – определение параметров работы пневмокамерного насоса марки «Монжус»: – расход сжатого воздуха, V, м3/ч; – температура сжатого воздуха, Т, 0С; – давление на входе в камерный насос, Рн, кПа; – давление в камере пневмонасоса, Рк, кПа; – давление в материалопроводе, Рт, кПа. Этап подготовки к эксперименту включал в себя установку на трубопровод сжатого воздуха и материалопровод штуцеров для установки датчиков давления (рисунок 2.5). Схема рабочего участка эксперимента приведена на рисунке 2.4.
Эксперимент начинается с загрузки материала в камеру пневмонасоса 9 трубопроводом 8. Сжатый воздух подается по воздухопроводу 7. Образовавшийся в камере двухфазный поток удаляется по материалопроводу 10. Измерение расхода и температуры сжатого воздуха выполнено при помощи погружного расходомера EE 776 5 (рисунок 2.6), установленного в точке «Т» материалопровода. Технические характеристики расходомера приведены в таблице 2.3.
Измерение давления выполнено при помощи датчиков давления 6 типа Овен ПД100-ДИ1,0-171-0,5, установленных в точках «н», «к» и «Т» системы (рисунок 2.4). Технические характеристики датчиков давления приведены в таблице 2.4 Таблица 2.4 – Технические характеристики датчиков давления Овен ПД100-ДИ
В процессе проведения эксперимента были получены данные для шести циклов работы пневмокамерного насоса. Для каждого цикла построены разгрузочные диаграммы, которые представляют собой зависимости расхода и температуры сжатого воздуха, а также давления до пневмонасоса, в камере насоса и в материалопроводе от времени.
Результаты измерения режимных параметров работы камерного насоса приведены в Приложении 1. На рисунке 2.8 приведена диаграмма расхода воздуха для шести циклов разгрузки пневмонасоса, а на рисунке 2.9 – усредненное значение расхода воздуха за все шесть циклов его работы.
Расчет движения двухфазного потока в трубе с поворотом на 90 градусов
Давление в материалопроводе имеет пульсирующий характер, который объясняется неоднородностью двухфазного потока, возникающей за счет образования кластеров (пробок) извести. На рисунке 2.19 приведен график потерь давления на участке «н» – «т» пневмосистемы (рисунок 2.4). Потери давления для каждого момента времени рассчитаны по выражению: p = pn-Pr (2.2) где рн – давление перед камерным насосом (в точке «н»), кПа; рТ – давление в материалопроводе (в точке «т»), кПа. Максимальные потери давления характерны для начального периода разгрузки продолжительностью до шести секунд. В дальнейшем потери давления изменяются незначительно.
На рисунке 2.20 выделены три характерных периода цикла разгрузки пневмонасоса.
Первый период характеризуется резким увеличением расхода воздуха (его скорости) в воздухопроводе и набором давления в камере пневмокамерного насоса марки «Монжус». Продолжительность первого периода 2 - 6 с.
Второй период – режим стационарной разгрузки. Давление в камере пневмонасоса монотонно снижается; расход воздуха изменяется незначительно. В данном режиме уносится до 90% материала. Продолжительность периода 43 - 52 с.
Третий период – режим остаточной разгрузки. Характеризуется постепенным снижением расхода воздуха, транспортирующего известь. Давление в камере пневмонасоса изменяется незначительно. Экспериментальное исследование работы камерного насоса марки
Общая характеристика камерного насоса марки «Gemco» Камерный насос марки «Gemco» используется для перемещения песка на ОАО «Кранекс» (г. Иваново). В таблице 2.5 приведены основные технические характеристики камерного насоса.
Песок мелкозернистый со средним размером частиц 0,19 мм. Насыпная плотность песка составляет 1630 кг/м3, а истинная 2545 кг/м3. Порозность (объемная концентрация) неподвижного слоя составляет 0,4-0,6 (в зависимости от времени нахождения в камере насоса и влажности).
Описание эксперимента Цель эксперимента – определение следующих параметров работы камерного насоса марки «Gemco»: – расход сжатого воздуха, V, м3/ч; – температура сжатого воздуха, Т, 0С; – давление в камере пневмонасоса, Рк, кПа;
Камера пневмонасоса 9 заполняется материалом из трубопровода 4. Сжатый воздух поступает в камеру пневмонасоса через воздухопровод 1. Образовавшийся при смешении материала и сжатого воздуха в камере двухфазный поток удаляется через материалопровод 10.
Давление в камере пневмонасоса 9 измерялось при помощи датчика давления 8 типа Овен ПД100-ДИ 1,0-171-0,5. Сбор данных выполнен при помощи модуля дискретного ввода-вывода 5 Овен МК110-4ДН.4Р и автоматического преобразователя интерфейсов 6 Овен АС4. Далее следовала обработка сигналов с помощью персонального SCADA на компьютере 7. Сигнал от расходомера сжатого воздуха EE 776 2 передавался на персональный компьютер 7, который обрабатывал его при помощи специального лицензионного программного обеспечения, поставляемого в комплекте с расходомером.
Краткая характеристика используемых в эксперименте измерительных приборов приведена в параграфе 2.1.3 настоящей работы. Установка измерительных устройств (зонд расходомера и датчик давления) производилась во врезанные для установки стационарных манометров штуцеры. Измерения режимных параметров цикла разгрузки (скорости, расхода, давления и температуры сжатого воздуха) производились каждые 2 с.
Результаты экспериментального определения режимных параметров работы пневмонасоса марки «Gemco» приведены в Приложении Б.
На рисунке 2.23 приведено изменение объемного расхода воздуха в пяти циклах разгрузки пневмонасоса. Режим № 1 является аварийным, поскольку разгрузка насоса сопровождалась образованием «затора» материала на выходе в материалопровод, что повлекло за собой снижение расхода воздуха и увеличение времени разгрузки материала. Усредненное значение объемного расхода воздуха по циклам 2 – 5 приведено на рисунке 2.24. Для графиков расхода сжатого воздуха характерно наличие вогнутого участка с явно выраженным минимумом в период времени 18 – 29 с.
На рисунке 2.25 приведено изменение температуры сжатого воздуха в цикле разгрузки, а на рисунке 2.26 – усредненное значение температуры для циклов 2 – 4.
Температура сжатого воздуха в начальный период цикла разгрузки снижается на 1 – 2,5 0С, что с термодинамической точки зрения объясняется процессом резкого увеличения объема системы при поступлении воздуха из воздухопровода в камеру пневмонасоса.
Повышение энергетической эффективности камерных насосов за счет увеличения температуры сжатого воздуха
Изменения в конструкции КН позволило стабилизировать работу не только камерного насоса, но и всей системы пневмотранспорта в целом. Так по статистике до реконструкции среднее количество остановов цеха в связи с аварийными режимами работы КН составляло 7 раз за рабочую смену, а после реконструкции аварийных режимов зафиксировано не было.
При помощи математической модели выполнены сравнительные расчеты параметров работы КН до и после реконструкции, результаты которых доказали энергетическую эффективность принятых конструктивных решений. Результаты расчетов представлены на рисунках 4.14 и 4.15.
Анализ рисунка 4.14 показывает, что у реконструированного камерного насоса (рисунок 4.13б) массовый расход материала в цикле разгрузки выше, а время опорожнения камеры насоса меньше, чем у исходного варианта (рисунок 4.13а). Производительность КН до реконструкции составляет 54,7 т/ч (по паспорту 40 – 60 т/ч), а после реконструкции – 128 т/ч.
Выполнены расчеты производительности камерного насоса марки «Монжус» для трех длин воздушных патрубков (рисунок 4.16): а) длина патрубков Н = 1700 мм, б) длина патрубков 1/3Н, в) длина патрубков 2/3Н. В качестве показателя эффективности псевдоожижения был выбран эффективный коэффициент турбулентного переноса импульса двухфазной смеси, т.к этот параметр позволяет оценить уровень псевдоожиженности насыпного слоя. Результаты расчета, приведенные на рисунке 4.17, показывают, что при увеличении длины патрубков, турбулизация материала в камере увеличивается, а это в свою очередь обеспечивает более высокую эффективность разгрузки камерного насоса.
Для анализа эффективности разгрузки пневмонасоса сравнивались производительность и удельный расход сжатого воздуха на транспортировку материала (рисунок 4.18 и 4.19) в зависимости от длины патрубка.
Анализ рисунка 4.18 показывает, что при увеличении длины патрубка производительность насоса увеличивается, а удельный расход сжатого воздуха уменьшается (см. рис. 4.19) Следует отметить, что при верхнем положении входных патрубков наблюдается самый низкий уровень псевдоожижения насыпного слоя, и удельный расход сжатого воздуха выше, чем для заводской конструкции камерного насоса.
Можно сделать вывод о том, что максимально возможной длине патрубков 1700 мм соответствует наиболее эффективная работа камерного насоса «Монжус», т.к. наблюдается наибольшая производительность и минимальный удельный расход сжатого воздуха.
Для оценки целесообразности реконструкции камерного насоса марки «Монжус» с целью повышения энергетической эффективности его работы был выполнен расчет экономических показателей.
При экономической оценке указанного мероприятия в первую очередь были определены капитальные затраты на его реализацию.
При реконструкции камерного насоса денежные средства используются только для покупки материала (двух труб диаметром дюйма длиной 1 м и трубы диаметром 159 мм длиной 25 м). На предприятии было реконструировано четыре камерных насоса, при этом капитальные затраты составили 12 675 рублей. Работы по реконструкции насосов выполнялись поэтапно и не влияли на работу предприятия, поэтому финансовые потери за счет остановки предприятия отсутствуют. Соответственно капитальные затраты на реализацию мероприятия составят: руб.
При отсутствии нагрева воздуха и при заводском конструктивном исполнении КН расход воздуха за цикл разгрузки был равен 39,637 м3. Согласно информации о потреблении электроэнергии компрессорной станцией, удельные затраты электроэнергии на выработку 1 м3 сжатого воздуха – 0,133 кВтч/м3. По данным, предоставленным ОАО «Бонолит – Строительные решения», среднее количество циклов разгрузки насосов за сутки – 90. Соответственно средний расход сжатого воздуха на линию пневмотранспорта в год до реконструкции равен:
Наименование показателя Ед. изм. До реконструкции После реконструкции Удельный расход сжатоговоздуха на перемещениеизвести 3м /т 26,07 20,27 Годовой расход сжатого воздуха 3м 1 237 863,51 962 258,76 Годовой расходэлектроэнергии на выработкусжатого воздуха МВтч 164,635 127,98 Финансовые затраты на выработку сжатого воздуха тыс. руб. 543,026 422,124 Экономия финансовыхсредств от реализациимероприятия, для одногонасоса при средней нагрузке90 циклов в сутки тыс. руб. - 120,902
При условии ежегодного роста тарифов на электроэнергию экономическая эффективность может увеличиться. В таблице 4.2 приведены показатели экономической эффективности реконструкции одного камерного насоса при различной стоимости электроэнергии.
