CC BY
11Шаптала В.Г., д-р техн. наук, проф., Шаптала В.В., канд. техн. наук, доц., Гавриленко А.В., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЦЕМЕНТНО-ВОЗДУШНОИ СМЕСИ В ПНЕВМОКАМЕРНОМ НАСОСЕ
8Ьар1а1ауаШш @уа^ех.ги
Выполнено численное моделирование процесса разгрузки камеры пневмокамерного насоса, на основе которого исследована зависимость расходной концентрации цемента от конструктивно-режимных параметров насоса.
Ключевые слова: пневмокамерный насос, математическая модель, аэрационное устройство.
Введение. На цементных заводах для внутри- и межцеховых перемещений цемента расширяется применение высоконапорных установок с пневмокамерными насосами [1]. Несмот-ряна ряд преимуществ, транспортирование цемента пневмокамерными насосами остается достаточно ресурсо- и энергоемким (удельный расход сжатого воздуха нередко превышает 150 нм3/т, а удельные затраты превышают 10 кВт-ч/т). Одним из главных направлений снижения энергозатрат остается совершенствование процесса аэрирования цемента, позволяющее получать на входе в разгрузочный патрубок более концентрированные цементно-воздушные смеси при сокращении непроизводительных затрат сжатого воздуха.
Опытным путем показана высокая эффективность пневмокамерного насоса, оснащенного новым мультисопловым аэрационным устройством (рис. 1) [2]. Для сокращения объема лабораторных и промышленных испытаний целесообразно выполнить компьютерное моделирование работы насоса позволяющее выявить влияние конструктивно-режимных параметров аэра-ционного устройства на его производительность.
Основная часть. Турбулентный газодисперсный поток цементно-воздушной смеси, которая образуется аэрационным устройством в нижней части камеры насоса и нагнетается сжатым воздухом в цементопровод, будем исследовать на основе двухжидкостной модели. В рамках этой модели дисперсная фаза рассматривается как псевдосплошная среда - пседвогаз из частиц со своим специфическим давлением, вязкостью и температурой (кинетическая теория гранулированных (газодисперсных потоков) [3]. Кинетическая теория позволяет применять к дисперсной фазе непрерывный эйлеров подход, поэтому для описания движения обеих фаз можно использовать однотипные уравнения неразрывности и уравнения переноса импульса.
Рис. 1. Пневмокамерный насос с мультисопловым аэрирующим устройством: 1 - мультисопловое аэрационное устройство; 2 - центральное сопло; 3 - разгрузочный патрубок
Уравнения неразрывности для воздушной и дисперсных фаз имеют вид [3]:
д(р) , д{£Ри])
dt
dx,.
= 0,
d\ßp,) , d(ßPMvJ)
dt
dx.
= 0
(1)
(2)
где £ и (3- объемные концентрации воздуха и частиц в потоке цементной аэросмеси; р, рм-плотности воздуха и частиц; и, V— составляющие осредненной скорости воздушной и дисперсной фаз.
Уравнения переноса импульса газовой и дисперсной фаз могут быть представлены в виде:
| {ери,) +
и.
дх
■ {ври, ) = -в^Р + +РЕг + дх дх
Здесь ц- , Ту— тензоры эффективных напряжений газовой и дисперсных фаз, р— давление воздуха, gi - вектор ускорения силы тяжести, Т,-интенсивность силы межфазного взаимодействия, рм- давление псевдогаза частиц. Для турбулентных характеристик газодисперсных потоков в кинетической теории применяется к-в-модель турбулентности.
При аэрации цемента вследствие его большой удельной поверхности температуры воздуха и частиц практически мгновенно выравниваются, поэтому процесс разгрузки насоса можно считать изотермическим и при его моделировании уравнение сохранения энергии не рассматривать.
Система уравнений (1..4) применительно к условиям работы пневмокамерного насоса ТА-29 реализована в пакете OpenFOAM [4, 5].
В результате компьютерного моделирования разгрузки камеры насоса для различных
-рдР +дРм дх дх.
+
д_
дх
Т+Ррм g , - Т
(3)
(4)
стадий этого процесса (рис. 2) найдены распределения скорости несущего потока воздуха, поля концентраций частиц цемента, а также вычислены массовые расходы фаз на входе в разгрузочный патрубок. При проведении вычислительного эксперимента варьировалось избыточное давление в камере насоса, диаметр разгрузочного патрубка, расстояние входа в разгрузочный патрубок и аэрационного устройства до дна камеры насоса, а также распределение сжатого воздуха между верхней свободной зоной камеры и аэрирующим устройством. Компьютерное моделирование процесса разгрузки насоса подтверждает наблюдаемые в лабораторных и производственных условиях его характерные особенности: пульсирующий характер потока цементно-воздушной смеси, прорыв при определенных условиях струй воздуха без захвата материала, образование остатка материала в камере насоса и другие.
Кр^
чш ЛI'///
Рис. 2. Стадии разгрузки камеры насоса
Обработка результатов вычислительных экспериментов позволила установить аппроксимирующую зависимость расходной концентра-
ции цемента от конструктивно-режимных параметров насоса:
д
ß =
о„
130,8
G (рЛ
\Р0 J
2,6
(D ^
V D j
0,8
(5)
где Ом - производительность насоса кг/с; G -массовый расход сжатого воздуха, кг/с; Д Бк-диаметры разгрузочного патрубка и камеры насоса, м; р, р0 - плотности воздуха при рабочих и нормальных условиях:
Ро
PTl
PoT
(6)
Здесь Р, Т - рабочие давление и температура воздуха; Р0 = 101 кПа, Т0 = 293 К.
По известным расходной концентрации цемента и рабочем давлении в камере насоса можно найти удельные энергозатраты на перекачку цемента:
Э=01MT lg
гцл
fp\ P
V P0 J
кВт - ч/т
(7)
где к - коэффициент запаса, кп = 1,15 - коэффициент, учитывающий непроизводительные потери сжатого воздуха, ] ~ 0,75 - коэффициент полезного действия компрессоров.
Рабочее давление изменялось в интервале от 0,3 до 0,6 Мпа, общий расход сжатого воздуха - от 0,5 до 1,2 нм3/с, рабочая температура от 120 до 140 °С. Наибольшая концентрация цемента на входе в разгрузочный патрубок j = 18 кг/кг имела место при общем расходе сжатого воздуха 1 нм3/с и следующем его распределении: в верхнюю зону камеры 40 % , через аэра-ционное устройство- 45 % и центральное сопло - 15 % общего расхода. Скорость воздуха на входе в загрузочный патрубок принимала значения от 4 до 4,5 м/с.Установлено также, что наименьший остаток невыгруженного цемента достигается при выполнении следующих условий:
hpn = 0,9D, hay = 2D, (8)
где hm, hау- расстояния от днища камеры до входа в разгрузочный патрубок и до уровня сопел аэрационного устройства.
Выводы
1. Численная реализация кинетической модели движения газодисперсных потоков в камере пневмокамерного насоса позволяет исследовать влияние конструктивно-режимных параметров насоса на его производительность и энергоэффективность.
2. С помощью компьютерного моделирования найдены рациональные параметры пнев-мокамерного насоса с новым мультисопловым устройством для аэрации цемента.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богданов В.С., Фадин Ю.М., Гавриленко А.В., Лунев А.С. Расчет основных параметров, характеризующих разгрузку пневмокамерного насоса. // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: межвуз. сб. ст. / под ред. В.С. Богданова. Белгород, 2014. Вып. XIII. С.51-53.
2. Патент № 141694 Российская Федерация, МПК B65G 53/16. Пневмокамерный насос для транспортировки сыпучих материалов / Гав-риленко А.В., Богданов В.С., Фадин Ю.М., Шаптала В.В.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова». - № 2014102405; заявл. 24.01.14; опубл. 06.05.14.
3. GidaspowD. MultiphaseFlowandFluidisa-tion. - Boston: AcademicPress. 1994. -467 p.
4. OpenCFD. OpenFOAM - TheOpenSource CDF Toolbox - User Guide. Open CFD Ltd, United Kingdom, 1.6. edition, 2009.
5. Шаптала В.Г., Шаптала В.В., Суслов Д.Ю. Вопросы моделирования и расчета барбо-тажных реакторов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 5. С. 189-192.
