Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по разделению сыпучего материала и задачи исследований 9
1.1. Требования к разделению сыпучих материалов 9
1.2. Классификация технических решений и их применение 12
1.3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований процесса разделения сыпучих материалов 38
1.4. Цель и задачи исследований 47
2. Теоретические зависимости центробежной сепарации сыпучего материала 49
2.1. Характеристика сыпучего материала подлежащего сепарированию 49
2.2. Дифференциальные уравнения движения частицы по конусной поверхности 51
2.3. Определение предельной скорости прохода частиц через
отверстия вращающейся конусной разделительной поверхности 53
2.4. Оценка вероятности прохождения частиц в зависимости от их размеров через отверстия вращающейся конусной разделительной поверхности 60
2.5. Выбор факторов и обоснование вида многофакторной модели разделения сыпучего материала конусным многоступенчатым сепаратором 63
2.6. Выводы 64
3. Программа и методика экспериментальных исследований процесса разделения сыпучего материала конусным многоступенчатым сепаратором 66
3.1. Программа экспериментальных исследований 66
3.2. Объект исследований 67
3.3. Методика экспериментальных исследований 72
3.3.1. Общая методика экспериментальных исследований 72
3.3.2. Методика экспериментальных исследований по оценке работы первой ступени рабочего органа конусного многоступенчатого сепаратора 77
3.3.3. Методика исследования влияния конструктивных и режимных параметров конусного многоступенчатого
сепаратора на эффективность сепарации сыпучего материала 78
3.3.4. Методика исследования влияния конструктивных и режимных параметров на производительность конусного многоступенчатого сепаратора 79
3.3.5. Методика определения удельной энергоемкости разделения сыпучего материала конусным многоступенчатым сепаратором 80
3.4. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований и оценка их погрешности 80
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 83
4.1. Разделение сыпучего материала первой ступенью рабочих органов конусного многоступенчатого сепаратора 83
4.2. Влияние конструктивных и режимных параметров конусного многоступенчатого сепаратора на эффективность сепарации сыпучего материала 84
4.3. Влияние конструктивных и режимных параметров на производительность конусного многоступенчатого сепаратора 91
4.4. Удельная энергоемкость разделения сыпучего материала конусным многоступенчатым сепаратором 97
4.5. Выбор рациональных параметров конусного многоступенчатого сепаратора сыпучих материалов 104
4.6. Методика проектирования конусного многоступенчатого сепаратора 105
4.7. Выводы
5. Экономическая эффективность применения конусного многоступенчатого сепаратора в Совместной работе с дробилкой ЗД-1 112
Общие выводы 120
Список использованных источников 122
Приложения 136
- Классификация технических решений и их применение
- Характеристика сыпучего материала подлежащего сепарированию
- Методика экспериментальных исследований по оценке работы первой ступени рабочего органа конусного многоступенчатого сепаратора
- Разделение сыпучего материала первой ступенью рабочих органов конусного многоступенчатого сепаратора
Введение к работе
Сепарирование сыпучих материалов - крупная общеинженерная проблема для сельского хозяйства, мукомольно-крупяной, пищевой, комбикормовой, химической, строительной, горно-обогатительной и других отраслей промышленности 110].
Все сепараторы сыпучих материалов при всем конструктивном многообразии имеют один обобщенный признак: процесс разделения неоднородных смесей на фракции в них осуществляется в поле действия сил тяжести. Это обстоятельство сдерживает повышение удельной производительности сепаратора.
В поисках более эффективных способов сепарирования сыпучих материалов возрос интерес к центробежным сепараторам, у которых выделение частиц через сепарирующую поверхность происходит под действием инерционных сил, намного превосходящих силы тяжести. Разделение сыпучих материалов в поле действия центробежных сил позволяет интенсифицировать процесс сепарирования. Постоянный контакт с сепарирующей поверхностью увеличивает вероятность попадания частиц в отверстия, а большая скорость движения сепарируемого материала обеспечивает высокую производительность центробежных сепараторов [1, 2, 3, 4].
Следуя передовым концепциям развития технологического оборудования, разработка сепараторов сыпучих материалов должна идти по пути создания нетрадиционных, универсальных, технологичных в изготовлении рабочих органов, обеспечивающих возможность получения целевого продукта регулируемой крупности, а также эффективного использования энергии.
Разработанные к настоящему времени центробежные сепараторы, и тем более сепараторы традиционной схемы, не удовлетворяют требованиям к модели идеального сепаратора, которую разработал профессор Н.Е. Авдеев
Для снижения удельного энергопотребления, а также повышение эф-
I 6
фективности процесса сепарирования сыпучего материала может быть достигнуто только при обосновании принципиально новых способов сепарирования [90]. Такая возможность проявляется при использовании для разделения сыпучего материала конических многоступенчатых разделяющих поверхностей с возможностью регулирования их частоты вращения. Применение таких поверхностей позволит исключить устройство для очистки отверстий от «трудных» частиц, что не потребует затрат дополнительной энергии [16, 17,20,81, 125].
Таким образом, проблема повышения эффективности процесса сепарирования сыпучего материала является актуальной и требует разработки путей ее эффективного решения. В связи с этим целью работы является повышение эффективности сепарирования сыпучих материалов за счет применения конусного многоступенчатого сепаратора с горизонтальной осью вращения.
Объект исследования — процесс сепарации сыпучего материала многоступенчатым сепаратором с вращающимися в противоположные стороны вокруг горизонтальной оси конусными рабочими органами.
Предмет исследований - закономерности изменения эффективности сепарирования, производительности и энергопотребления конусным многоступенчатым сепаратором от его конструктивных и режимных
Методы исследований: аналитическое исследование процесса сепарации сыпучего материала конусным многоступенчатым сепаратором с выявлением характера влияния основных параметров па рассматриваемый процесс; экспериментальное определение влияния конструктивных и режимных параметров сепаратора на эффективность сепарации, производительность и энергопотребление.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
- теоретические зависимости процесса сепарации сыпучего материала конусной вращающейся разделительной поверхностью с горизонтальной осью вращения, отличающиеся учетом половинного угла при вершине конуса, длины образующей конуса, частоты вращения рабочих органов, диаметра
7 отверстий разделительной поверхности и размера частиц;
- вероятностный подход к определению прохождения частиц через от
верстия вращающейся конусной разделительной поверхности отличающийся
учетом содержания частиц в исходном ворохе в зависимости от их размеров.
Практическая значимость: разработанный центробежный сепаратор с коническими рабочими органами (патент РФ №2243828) позволяет повысить эффективность и снизить удельную энергоемкость процесса разделения сыпучих материалов;
Достоверность научных положений подтверждается результатами лабораторных исследований, проведенных с использованием измерительной аппаратуры, обеспечивающей приемлемую точность измерений, обработкой опытных данных с использованием компьютерных математических программ. Результаты теоретических исследований достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научных и учебно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ВГАУ в 2002 - 2008 годах, а также в ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод» (2008 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, из которых одна в центральной печати по перечню, рекомендованному ВАК, в том числе один патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, экономического обоснования, общих выводов, списка использованных источников и приложений, изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 21 таблицу. Список использованных источников включает 144 наименования, в том числе 5 на иностранном языке.
На защиту выносятся:
- теоретические зависимости для описания процесса сепарации сыпуче-
8 го материала конусной вращающейся разделительной поверхностью с горизонтальной осью вращения;
техническое решение для реализации процесса сепарирования сыпучего материала;
конструктивные и режимные параметры предложенного технического решения.
Классификация технических решений и их применение
Обобщение сведений из работ Н.Е. Авдеева [8, 9, 10, 11, 14, 15, 20, 21, 24, 32, 33], Л.У. Фомина [29], B.C. Лаздона [30], В.П. Нилова [31], У.Х. Азиз-ходжаева [138], Н.Г. Гельманова [35], А.А. Сундеева [36, 37, 38], Б.Д. Зонова [39], СИ. Волосникова [49], Е.С. Гончарова [55], Н.И. Косилова [91, 92], В.А. Кубышева [94], Н.Ы. Липатова [99], Л.Т. Седаша [120], В.И. Соколова [122], Л.С. Солдатенко [124] позволили разработать классификацию существующих технических решений сепараторов дробленого материала (рис. 1.1).
Из этой классификации видно, что все виды сепараторов условно можно разделить на две большие группы. Это сепараторы с плоской поверхностью и с криволинейной поверхностью сепарирования. Наиболее простыми с точки зрения конструктивного исполнения являются сепараторы с плоской поверхностью. Это обычные сита, которые могут быть как подвижные, так и неподвижные. Несмотря на простоту конструкции, эти типы сепараторов не имеют большой эффективности. Это выражается в невысокой производительности и низком качестве сепарирования.
Наибольшее распространение получили сепараторы с криволинейной поверхностью. К этой группе относятся цилиндрические и конические сепараторы. Рассмотрим преимущества и недостатки известных конструктивных схем цилиндрических и конических сепараторов. Цилиндрические сепараторы делятся на сепараторы с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Секция барабана 3 для распределения зерновой смеси выполнена в виде закрепленной одним концом на неподвижной оси 4, расположенной концентрично к барабану, продольной перегородки 5 с эластичным элементом в виде щетки 6 на другом конце и поперечной перегородки 7, закрепленной на неподвижной оси 4 одним концом и расположенной между секциями 2 и 3. Нижняя кромка из эластичного элемента 6, закрепленного на продольной перегородке, расположена с зазором относительно внутренней поверхности барабана 1.
Устройство для калибровки семян работает следующим образом.
Семена по течке 11 поступают в барабан 1, в пространство между перегородками 5 и 7. Барабан вращается с постоянной скоростью. В процессе вращения семена транспортируются к щетке 6, установленной на перегород ке 5. Зазор, установленный между щеткой 6 и барабаном 1, обеспечивает проход по одному слою семян (по длине щетки). При этом идет процесс просеивания мелких семян через перфорацию барабана 1 в бункер. Далее не просеявшиеся (крупные) семена за счет наклона рабочей поверхности поступают во вторую секцию, где перфорация в барабане имеет больший размер, по сравнению с первой секцией, где просеиваются семена, имеющие размеры меньшие, чем перфорация секции 3 в бункере 9. Наиболее крупные семена выгружаются в бункер 10 [34].
К недостаткам данной конструкции можно отнести сложность получения отверстий в решетах с постоянным увеличением их диаметра по длине цилиндра. Кроме того, сложно будет обеспечить постоянный зазор между щеткой и барабаном, так как щетка будет истираться в процессе работы. Данная конструкция имеет неподвижную ось, что усложняет привод барабана.
Помимо цилиндрических сепараторов с горизонтальной осью вращения известны подобные сепараторы с наличием колебательного движения (рис. 1.3).
Сепаратор (рис. 1.3) состоит из цилиндрического решета 1, ведущей 2 и ведомой 3 эксцентричных звездочек, соединенных бесконечной роликовой цепью 4, и натяжной звездочки 5 с пружиной 6. Ведущая и ведомая звездочки установлены с эксцентриситетами а и Ь, которые смещены один относительно другого на некоторый угол. Наличие эксцентриситетов обеспечивает вращение решета 1 с переменной скоростью.
Сепаратор работает следующим образом.
При скорости вращения решета 1 выше критической сепарируемый материал равномерным слоем распределяется по его внутренней поверхности. В моменты изменения скорости вращения решета происходит относительное движение слоя по внутренней поверхности решета. При относительном движении слоя материала увеличивается скорость прохода через решето частиц мелкой фракции, что повышает производительность сепаратора [39].
Характеристика сыпучего материала подлежащего сепарированию
Сыпучий материал является продуктом переработки зерна путем дробления на молотковой дробилке с диаметром отверстий сита 6,5 мм. Для эффективного использования полученного продукта при приготовлении качественного комбикорма требуется его разделение на фракции путем сепарирования. В таблице 2.1 представлены средние значения распределения материала на ситах с круглыми отверстиями с шагом изменения диаметра отверстий 0,25 - 0,5; 0,5 - 1,0; 1,0 - 2,0; 2,0 - 3,0; 3,0 - 4,0; 4,0 - 5,0; 5,0 - 6,0; 6,0 -7,0.
Для теоретического рассмотрения процесса разделения сыпучего материала на фракции необходимо иметь математическую модель распределения частиц продукта по размерам. Математическое выражение плотности распределения может быть подобрано с учетом числовых характеристик распределения исходного материала. Числовые характеристики распределения исходного материала по размерам определяли по известной методике и их значения составили: средний размер Ъср =1,8 мм, среднеквадратическое отклонение оь — 2,53, коэффициент вариации v = 1,41.
Характер распределения исходного продукта идентичен с известным в теории вероятностей Гамма-распределением с параметрами Ъ, а, X. На рисунке 2.1 представлены графические зависимости распределения исходного про дукта и плотности вероятности Гамма-распределения при сс= 1,4 и А-0,91. Коэффициент корреляции между экспериментальными значениями и функцией плотности вероятностей Гамма распределения составил R=0,99. Это дает возможность описывать распределение исходного материала функцией Гамма-распределения с уравнением:
Интегральная функция Гамма-распределения сыпучего материала. Анализ зависимостей показывает, что в исходном материале содержится более 87 % частиц размером менее 3 мм, которые должны быть выделены из материала при сепарировании. Причем, из них частиц имеющих размер до 1 мм - 43 %, от 1 до 2 мм - 30 %, и от 2 до 3 мм - 14,8 %. Около 13 % в исходном материале содержится непроходовых частиц с размером более 3 мм.
Дифференциальные уравнения движения частицы по конусной поверхности
Рассмотрим движение частицы исходного материала массой m по конусной перфорированной поверхности вращающейся с постоянной угловой скоростью а вокруг горизонтальной оси. Начало координат Oxyz расположим в вершине конуса (рис. 2.3). Тогда уравнения конической поверхности может быть описано в следующем виде: ytg0- x2+y2 =0, (2.4) где в - половина угла при вершине конуса, в - const.
При этом было принято следующее допущение, коэффициент трения частицы по поверхности конуса является постоянной величиной независящей от скорости перемещения.
Решение полученных дифференциальных уравнений позволяет определить скорости движения частицы относительно конусной разделительной поверхности и расстояние пройденное частицей вдоль образующей конуса. Однако, они не позволяют определить скорость и длину образующей конусной поверхности при которых заканчивается процесс прохождения частиц через отверстия.
Необходимыми условиями выделения проходовых частиц через отверстия являются наличие силы действующей на частицу в направлении перпендикулярном плоскости конусной поверхности, нахождение частицы в не посредственном контакте с поверхностью и ее движение относительно поверхности. При этом скорость движения частицы относительно поверхности не должна превышать некоторого предельного значения, а время прохождения частицы над отверстием больше времени прохода частицы в отверстие конусной поверхности. На рисунке 2.4 представлена схема для определения условия выделения проходовой частицы. При этом были приняты следующие допущения: - частица имеет форму шара с диаметром Ъ\ - отверстия конусной поверхности являются круглыми с диаметром d\ - центр масс частицы находится над кромкой отверстия; - частица считается прошедшей, если опустилась в отверстие конусной поверхности на половину своего размера; - нормальная составляющая скорости частицы по отношению к по верхности конуса в момент начала прохода через отверстие равна нулю.
Методика экспериментальных исследований по оценке работы первой ступени рабочего органа конусного многоступенчатого сепаратора
Исследования по определению влияния конструктивных и режимных параметров конусного многоступенчатого сепаратора на эффективность сепарации сыпучего материала проводили согласно составленной матрице планирования. Согласно этой матрице последовательно устанавливали рабочие органы с различными геометрическими параметрами. Для каждой пары рабочих органов методика определения состояла в следующем. В бункер (см. рис. 3.7) засыпался рабочий материал, после установки требуемой частоты вращения рабочих органов (согласно матрице) и открытия задвижки включали секундомер и замеряли время опыта. После прохождения всего рабочего материала секундомер отключали.
Для определения влияния конструктивных и режимных параметров конусного многоступенчатого сепаратора на эффективность сепарации иссле довали содержимое трех сборников сепаратора. Для этого проводили их взвешивание на лабораторных весах ВЛКТ - 2кг - М (рис. 3.10). В третьем сборнике определяли соотношение проходных и непроходных фракций. Затем, зная общую массу рабочего материала и процент непроходного в его составе, определяли эффективность сепарирования по следующей зависимости: Эс.с. = , (3.1) Мед где Эс.с. — соответственно эффективность сепарации сходовой фракций; МСд и МСф - действительное содержание сходового продукта в разделяемой смеси и фактическое извлечение его рабочим органом.
Замер всех параметров используемых для определения влияния конструктивных и режимных параметров конусного многоступенчатого сепаратора на эффективность сепарации проводили с трехкратной повторностью.
Для определения влияния конструктивных и режимных параметров на производительность конусного многоступенчатого сепаратора необходимо определить производительность для каждого опыта, предусмотренного матрицей планирования. Для этого замеряли время прохождения через сепаратор определенного количества рабочего материала. После этого определяли часовую производительность по следующей формуле где т - общая масса сепарируемого материала, кг; t - время опыта, с.
Показания приборов снимали на установившемся режиме работы сепа- ратора. Опыты проводили в трехкратной повторности.
Для определения удельной энергоемкости разделения сыпучего материала конусным многоступенчатым сепаратором замеряли напряжение и ток, потребляемые электродвигателями, используемыми для привода рабочих органов сепаратора, а также общую массу рабочего материала проходящего через сепаратор. Зная напряжение и ток, определяли потребляемую мощность двигателями конусного многоступенчатого сепаратора по следующей формуле: P = U-I, (3.3) где U— напряжение питания двигателей, В; /-ток, потребляемый двигателями, А.
Определив мощность, потребляемую двигателями сепаратора, и зная для данного опыта общую массу просепарарированного материала, рассчитывали удельную энергоемкость по следующей формуле где Р — потребляемая мощность сепарируемой машины, Вт ч; М— общая масса сепарируемого материала, кг.
Показания приборов снимали при установившемся режиме работы сепаратора. Все опыты проводили в трехкратной повторности.
Результаты экспериментальных исследований обрабатывали с использованием известных методов математической статистики [42, 43, 101, 104, 129].
Разделение сыпучего материала первой ступенью рабочих органов конусного многоступенчатого сепаратора
Наряду с эффективностью сепарации производительность является также одним из важных показателей работы сепаратора.
Для исследования влияния конструктивных и режимных параметров предлагаемого конусного многоступенчатого сепаратора на его производительность также реализован многофакторный эксперимент[89]. Результаты этого эксперимента представлены в таблице 4.4.
В таблице использованы те же обозначения, что и в предыдущем подразделе, а производительность обозначена через О. Обработку полученных результатов также проводили с использованием программы STATISTICA. В результате обработки получено следующее уравнение регрессии: О = -96,2667 - 0,0002 2 + 0,2172« + 0,00646b (4.2) Результаты проверки адекватности этого уравнения представлены в таблице 4.5.
Из анализа таблицы 4.5 следует, что уравнение регрессии 4.2 адекватно, т.к. вероятность того, что значения F-распределения будут больше FHa6jl = 28,14197 равняется 0,001475. Это свидетельствует о том, что FHa6jl больше FKpUm так как граничная вероятность того, что значения F-распределения будут больше FKRUm равняется 0,05. Все это говорит о значимости этого уравнения. При расчете оказалось, что множественный коэффициент корреляции R — 0,97. Это говорит о том, что выбранные параметры и и б на 97 % описывают изменчивость производительности сепарации.
Проверка значимости коэффициентов уравнения показала, что коэффициент при параметре d оказался незначимым при уровне значимости 0,05. Поэтому оказалось возможным включить в уравнение регрессии только параметры п и 9. Поэтому этот параметр отсутствует в представленном уравнении. Результаты проверки значимости коэффициентов уравнения и достоверности уравнения в целом представлены в таблице 4.6.
Из представленной таблицы видно, что коэффициенты, входящие в уравнение регрессии 4.2, значимы. Так как вероятность того, что значения t -распределения будут больше Ттвл по модулю меньше 0,05. Это свидетельст вует о том, что Тнабл больше Ткрит так как граничная вероятность того что значения t-распределения будут больше Ткршп равняется 0,05. Все это свидетельствует о значимости коэффициентов уравнения регрессии.
Для наглядного представления зависимости производительности конусного многоступенчатого сепаратора от половинного угла конуса и частоты вращения рабочих органов сепаратора представлены соответственно на рисунках 4.5 и 4.6.
На рисунке 4.5 представлена графическая зависимость производительности конусного многоступенчатого сепаратора от половинного угла конуса. Из графика видно, что с увеличением половинного угла конуса производительность сепаратора увеличивается при всех возможных частотах вращения.
Так при частоте вращения рабочих органов 900 мин"1 и половинном угле конуса 20 производительность лабораторного конусного многоступенчатого сепаратора достигает 53 кг/ч, а при половинном угле конуса 30 производительность конусного многоступенчатого сепаратора равна ПО кг/ч. Такой характер изменения закономерности можно объяснить тем, что половинный угол конуса приближается к углу естественного откоса материала, а это будет облегчать движение материала по поверхности рабочих органов.
