Анализ современного состояния проблемы изучения основных закономерностей аэродинамического сопротивления зернового слоя в установках активного вентилирования зерна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 664.723.047

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗЕРНОВОГО СЛОЯ В УСТАНОВКАХ АКТИВНОГО ВЕНТИЛИРОВАНИЯ ЗЕРНА

Игорь Борисович Зимин, к. техн. н., доцент Дмитрий Михайлович Кузнецов, магистрант

ФГБОУВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, г. Великие Луки

На этапе проектирования оборудования для активного вентилирования зерновой массы одним из ключевых является вопрос обоснованного выбора вентиляционной установки, подающей воздушный поток в вентилируемую зерновую массу. Грамотный подход к данной проблеме позволит свести к минимуму повышенную энергоемкость рассматриваемого нами технологического оборудования, а также обеспечить его эффективную эксплуатацию в течение требуемого срока службы.

Вентиляционная установка является одним из ответственных узлов оборудования для активного вентилирования зерновой массы. При выборе вентилятора наиболее важными являются два параметра: расход воздуха (производительность) вентилятора и суммарные потери давления воздушного потока, которые складываются из аэродинамического сопротивления самого оборудования и сопротивления вентилируемого зернового слоя. В этом отношении наибольший интерес представляет анализ различных подходов ученых к определению аэродинамического сопротивления зернового слоя.

Анализ результатов работ, посвященных исследованиям аэродинамического сопротивления зернового слоя, позволяет сделать вывод о неоднозначности подходов различных исследователей к вопросам расчета потерь давления воздушного потока в неподвижном и подвижном слое вентилируемого сыпучего материала, что объясняется повышенной сложностью и недостаточной изученностью данной проблемы с позиции аэродинамики в каждом конкретном случае. Наряду с этим в литературе практически отсутствуют надежные методики расчета аэродинамического сопротивления зернового слоя, учитывающие закономерности распределения воздушных пустот в слое сыпучего материала, а также возможность усушки сыпучего материала при его активном вентилировании, что весьма важно учитывать в случае исследования такого сельскохозяйственного материала, как зерно.

На основании вышеизложенного следует отметить, что разработка универсальной методики расчета аэродинамического сопротивления зернового слоя, представляя собой повышенную сложность, предопределяет необходимость в широком научном поиске и изыскании возможностей учета всех необходимых факторов, способных влиять на зерновой материал в процессе его активного вентилирования.

Ключевые слова: активное вентилирование, воздушный поток, зерновой слой, сыпучий материал, аэродинамическое сопротивление, скорость фильтрации.

На этапе проектирования оборудования для активного вентилирования (сушки, охлаждения) зерновой массы одним из ключевых является вопрос обоснованного выбора вентиляционной установки, подающей воздушный поток в вентилируемую зерновую массу. Грамотный подход к данной проблеме позволит свести к минимуму повышенную энергоемкость рассматриваемого нами технологического оборудования, а также обеспечить его эффективную эксплуатацию в течение требуемого срока службы.

Вентиляционная установка является одним из ответственных узлов оборудования для активного вентилирования (сушки, охлаждения) зерновой массы. При выборе вентилятора наиболее важными, как правило, являются два параметра: расход воздуха (производительность) вентилятора м3/с) и суммарные потери давления (Рвент., Па) воздушного потока на всем тракте его движения при активном вентилировании (сушка, охлаждение) зерна. В конкретных случаях существуют ограничения на габариты, частоту вращения крыльчатки и КПД вентилятора.

Суммарные потери давления (Рвенг., Па) в вентиляционной системе складываются из аэродинамического сопротивления самого оборудования (Рюр., Па) и сопротивления вентилируемого зернового слоя (Рз, Па), т.е.:

Р = Р + Р (1)

вент аэр з.с. у 7

Расчет первой составляющей выражения (1) проводится обычно

по нормам и правилам вентиляции. Определению второй составляющей - аэродинамического сопротивления зернового слоя (Рз, Па) - посвящен ряд работ ученых, условным критерием при анализе которых, на наш взгляд, может служить состояние зернового слоя (неподвижный, подвижный) в процессе воздействия на него воздушного потока.

В работе [9] предлагается рассчитывать аэродинамическое сопротивление зернового слоя по формуле Л.К. Рамзина:

Р = 9,81 • А • Н-иП, (2)

з.с. ф

где А и п - коэффициенты, зависящие от вида зерновой культуры;

Н - толщина слоя, м;

иф - скорость фильтрации воздуха в межзерновом пространстве, отнесенная к незаполненному сечению, Па.

Академиком А.И. Анискиным при исследовании бункеров активного вентилирования рассматривалась возможность определения аэродинамического сопротивления зернового слоя на основании выражения [3]:

Р = а-и-г • 1п— + Ь-(и-г )2 з.с. в ^ V в/

V ^ " ^ ,

, (3)

гд е а и Ь - коэффициенты, характеризующие свойства зернового материала;

S - удельная поверхность зер-

2 3

на в слое, м /м ;

- радиус наружного цилиндра бункера, м;

гв - радиус внутреннего цилиндра бункера, м;

иф - скорость воздуха, м/с.

С.Д. Птицын в своей работе [7] предложил вычислять аэродинамическое сопротивление зернового слоя по формуле:

P = з.с.

2

a-H -V2 -у- С ф / 1

dПр- 2g

(4)

где a - гидродинамический коэффициент;

dnp - приведенный диаметр частицы, м;

С! - величина, характеризующая степень уплотнения материала.

А.С. Гинзбургом [4] выведена зависимость для определения аэродинамического сопротивления зернового слоя в виде:

P = Я-ОуД, (5)

з.с. уд v '

где R - эмпирический коэффициент;

Оуд — вес зерна на площади 1 м2 (удельная нагрузка материала), кг/м2.

В работе [1] потери давления при пересечении воздушным потоком неподвижного слоя зерновой насыпи (активное вентилирование, сушка) предлагается определять по уравнению К.В. Дрогалина:

P3,={a-Vф + Ъ-оф) - Н, (6)

где a и b - опытные коэффициенты, зависящие от приведенного размера, формы зерна, порозности слоя, состояния газа;

v^ - скорость фильтрации воздуха в зерновом слое, м/с.

Наиболее глубокие и разносторонние теоретические предпосылки к определению аэродинами-

ческого сопротивления неподвижного слоя сыпучего материала приведены в работе М.В. Лыкова [6], которым предложен ряд теоретических зависимостей, учитывающих форму частиц сыпучего материала, образующих неподвижный слой:

P = 200-^H ^ "g) зс dп2, -£

(7)

где ио - условная скорость воздуха, м/с;

^ - коэффициент динамической вязкости, кгс/м2;

е - порозность слоя.

P = 200-з.с.

Vo -H-"^)2

dпр- f2

£

(8)

где f - коэффициент формы частицы.

(9)

_ 3,6- H- G19 - -(! -£)1Д зс = dПp1- f11 • у • £3 ' где G - массовая скорость газа, кг/м2ч.

P = H-л-з.с.

1 V,2 -у-f (1 -£)2

d

2

£

(10)

где ё - диаметр шарика, м;

X - гидравлический коэффициент сопротивления.

P = H -з.с.

v2-у f. 2g £3 :

(11)

где fH - поверхность частицы в единице объема слоя, м.

P = H-з.с.

M.HL.VdL+гд-Ы .Vtl

P = 0,062- у з.с.

£ <

^(

L

v d о У

а

А0,18 (

tg-

D_

v d о

пр

-1

(12)

(13)

£

где D - диаметр верхнего сечения слоя, м;

d0 - диаметр нижнего сечения слоя, м.

Профессором А.В. Авдеевым для определения аэродинамического сопротивления неподвижного зернового слоя предлагается использовать зависимость [3]:

12,7 -к- с■ ß

P

К1 -кз

к с

К2 -dп2р

-»Ф-H,

(14)

где к1 - коэффициент поправки на фракционный состав зерна;

к2 - коэффициент, учитывающий форму частицы;

к3 - коэффициент поправки на агрегатное состояние слоя;

к - коэффициент, учитывающий ориентацию укладки зерна в слое сыпучего материала;

с - коэффициент сопротивления воздуха.

В настоящее время в практике для определения аэродинамического сопротивления слоя наиболее часто используют уравнение Эргуна [5]:

(1 2 D 1~£

{ ; + к ■»■ р-R--Т

■ H, (15)

£ £

V /

где к1 - константа Козени-Кармана; 3 - кинематическая вязкость,

Пас;

- удельная поверхность элементарного слоя, м/с;

к2 - коэффициент, характеризующий форму и состояние поверхности материала (среднее значение коэффициентов к2=0,216, теоретическое значение для круга к2=2, равно-

стороннего треугольника к2=1,67, квадрата к2=1,78, прямоугольника к2=3, а в среднем к2=2,5);

и - скорость обтекания элементов, м/с.

Движение воздуха в модели в виде ансамбля шаров представляет собой обтекание зерен в слое, а гидравлическое сопротивление суммируется из отдельных сопротивлений зерен движению воздуха. Данное положение отражается зависимостью, выведенной М.Э. Аэровым и С.М. Тодесом [5]:

(лт2

=

^ ■ Л-f (е)-n-S

2 g

■H

(16)

V

где У0 - скорость обтекания элементов слоя, м/с;

S - миделево сечение элемен-

2

та, м ;

/£) - коэффициент, учитывающий стеснение зерен в слое;

Л - коэффициент гидравлического сопротивления элемента зернового слоя;

/(£) - коэффициент, являющийся функцией критерия Яв.

Анализируя представленные теоретические зависимости (1-16), можно сделать вывод, что рассчитываемое по ним аэродинамическое сопротивление неподвижного слоя носит эмпирический характер и может быть с достаточной точностью определено только для строго лимитируемых условий. Особую сложность в этом отношении представляет эмпирическое определение скоро-

сти фильтрации воздуха, значение которой может изменяться в зависимости от температурно-влажност-ных условий окружающей среды, толщины и степени укладки зернового слоя.

Из представленных зависимостей только формула (6) позволяет более точно определить потери давления при движении воздуха. Слагаемые, входящие в формулу (6), учитывают как ламинарный, так и турбулентный характер движения воздуха внутри зернового слоя материала.

Еще большая сложность в вопросе определения аэродинамического сопротивления зернового слоя возникает в том случае, когда слой сыпучего материала под действием воздушного потока (или других активаторов) переходит из неподвижного в подвижное состояние (псев-доожиженное, виброожиженное, взвешенное).

Потери давления воздушного потока в псевдоожиженном слое определяются по уравнению [8]: Р,,=Рп- Н^(1 -£), (17)

где рп - плотность продукта, кг/м3;

И - высота слоя, зависит от производительности и вида продукта И=0,04-0,10 м;

е - средняя порозность псев-доожиженного слоя (для зерна принимается е=0,35-0,6).

В работе профессора А.В. Авдеева [2] приведена зависимость для потерь давления в слое зерна, подвергаемого одновременному воздей-

ствию вибрации и воздушного потока, для интенсификации процесса охлаждения зерновой массы:

Рп

+ 0,42------

Яе

Р

, -и

п кр

пр

£ • I

с А (*р-1)

(18)

где к1 - константа Козени-Кармана;

Яе - критерий Рейнольдса;

с - коэффициент пропорциональности, зависящий от упругих свойств материала;

А/Н - геометрический симплекс, показывающий затухающее влияние вибрации с увеличением высоты слоя;

икр - критическая скорость псевдоожижения, м/с.

Анализ результатов работ, посвященных исследованиям аэродинамического сопротивления зернового слоя, позволяет сделать вывод о неоднозначности подходов различных исследователей к вопросам расчета потерь давления воздушного потока в неподвижном и подвижном слое вентилируемого сыпучего материала, что объясняется повышенной сложностью и недостаточной изученностью данной проблемы с позиции аэродинамики в каждом конкретном случае. Рассмотренные выражения для определения аэродинамического сопротивления слоя сыпучего материала носят частный характер из-за их узкой специализации, ограниченной рамками проведенных исследователями экспериментов. Наряду с этим в литературе практически отсут-

ствуют надежные методики расчета аэродинамического сопротивления зернового слоя, учитывающие закономерности распределения воздушных пустот в слое сыпучего материала, а также возможность усушки сыпучего материала при его активном вентилировании, что весьма важно учитывать в случае исследования, например, такого сельскохозяйственного материала, как зерно.

На основании вышеизложенного следует отметить, что разраб о тка универсальной методики расчета аэродинамического сопротивления зернового слоя, представляя собой повышенную сложность, предопределяет необходимость в широком научном поиске и изыскании возможностей учета всех необходимых факторов, способных влиять на зерновой материал в процессе его активного вентилирования.

Библиографический список

1. Авдеев А.В. Методика расчета аэродинамической системы и параметров зерносушилок / А.В. Авдеев, М.А. Жуков, А.А. Авдеева // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2001. - №11. - С.18-22.

2. Авдеев А.В. Изыскание и исследование рациональных охладителей для зерносушилок сельскохозяйственного типа: дис. ... канд. техн. наук: 05.06.01: защищена 07.04.1976 / А.В. Авдеев - М.: ВИСХОМ, 1975. - 183 с.

3. Васильев А.Н. Сопротивление зернового слоя при радиальном воздухораспределении / А.Н. Васильев // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2007. -№2. - С.106-108.

4. Гинзбург А.С. Сушка пищевых продуктов / А.С. Гинзбург. - М.: Пищепромиздат, 1960. - 675 с.

5. Зимин Е.М. Пневмотранспортные установки для вентилирования, транспортирования и сушки зерна (конструкция, теория и расчет) / Е.М. Зимин. - Кострома: изд. КГСХА, 2000. -215 с.

6. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности / М.В. Лыков. - М.: Химия, 1970. - 432 с.

7. Птицын С.Д. Зерносушилки. Технологические основы, тепловой расчет и конструкции / С.Д. Птицын. - М.: Машиностроение, 1966. - 211 с.

8. Сычугов Н.П. Пневматические и аэродинамические транспортеры: монография / Н.П. Сычугов. - Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2012. - 394 с.

9. Щепилов Н.Я. Проектирование поточных линий и зерноочистительно-сушильных комплексов / Н.Я. Щепилов. - Великие Луки: Издательский центр ВГСХА. - 1999. - 180 с.

E-mail: [email protected]

182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА

Тел.: +7 (81153) 7-16-22