CC BY
13
УДК 621.867.82
ГУЩИН О.В., к.т.н. (Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск).
Энергосберегающая пневмотранспортная установка с порционным движением аэросмесей
Актуальность
В промышленности для перемещения сыпучих материалов широкое распространение получили высоконапорные пневмотранспортные установки нагнетательного типа, работающие по принципу пылевого облака [1...3]. Как известно они обладают рядом существенных недостатков: высокая энергоёмкость процесса транспортирования, интенсивный износ трубопроводов (особенно колен, поворотов), разрушение фракционного состава сыпучих материалов, закупорка трубопроводов. Появление даже незначительных разрушений элементов установки приводит к падению давления. Работа установок с высокой скоростью движения аэросмеси сопровождается сложностью и трудоёмкостью очистки воздуха, имеют место большие выбросы пыли в атмосферу цеха, что в ряде случаев ставит вопрос о целесообразности их использования. В целом установки данного типа оказались низкоэффективными. Поэтому, разработка новых высокоэффективных пневмот-ранспортных установок, работающих при невысоких избыточных давлениях и высокой концентрации аэросмесей является актуальной задачей для промышленности.
Анализ публикаций
В работах [4,5] рассмотрены результаты исследований движения аэросмесей в пневмотранспортном трубопроводе при перемещении сыпучих материалов. Установлено, что существует несколько относительно устойчивых форм движения
аэросмесей. Анализ механики формирования режимов движения аэросмесей показал, что при определенных значениях скоростей воздушного потока формируется устойчивая порционная структура. При этом достигаются оптимальные условия для её сохранения по всей длине транспортного трубопровода. Обоснована конструктивная схема пневмотранспортной установки с порционным движением аэросмесей [6]. Показано [7], что сточки зрения оптимизации массопереноса и снижения энергозатрат на процесс транспортирования рациональным является пневмотранспорт с порционным режимом движения аэросмесей. В рассмотренных работах приведено описание конструкции пневмотранспортной установки, материа-лопровод которой соединен с воздуховодом посредством дополнительных сопел-побудителей, приведены некоторые результаты экспериментальных исследований. Физическая модель протекающих процессов в транспортном трубопроводе освещена недостаточно.
Целью данной работы является объяснение физической природы механизма возникновения и сохранения макроструктуры порционного перемещения аэросмесей в пневмотранспортном трубопроводе, оборудованном дополнительным воздушным поддувом по всей длине транспортного участка.
Основной материал
1. Физическая модель процесса. Постоянными являлись следующие параметры: расстояние I, угол наклона а
патрубков к оси транспортирования, ди- потока Е, подводимого через воздухопод-метр сопла d патрубков, скорость подачи водящие патрубки, изменялась. смеси имат на входе в транспортный трубопровод (рис. 1). Мощность воздушного
Рис. 1. Схема порционного режима движения аэросмеси в пневмотранспортном трубопроводе: 1 - расстояние между воздухоподводящими патрубками; d0 - диаметр канала воздухоподводящего патрубка; D - диаметр транспортного трубопровода; 1М - длина прослойки сыпучего материала; 1в длина воздушной прослойки; 1П -длина порции материала и воздушной прослойки
Для формирования функциональной устойчивой структуры смеси диспергированного материала с воздухом необходимо комбинированное действие двух факторов: наличие в поступающих струях воздуха горизонтальной и вертикальной составляющих скорости игор и иверт (рис. 2.а); сонаправленность силы гравитации и вертикальной составляющей скорости
воздуха иверт. Следует отметить, что при угле наклона трубопровода к горизонту а (а < 450) структура потока смеси качественно подобна структуре горизонтального потока.
Структурирование и сохранение стабильного порционного режима движения в пневмотранспортных установках данного типа осуществляется воздействием дополнительного воздушного потока на движущуюся воздухоматериальную смесь. Энергия дополнительной воздушной струи, направленной под углом а расходуется на аэрирование сыпучего материала Еверт и преодоление сил сопротивления Егор (рис. 2.6):
Е = Еверт Егор; (1)
Е = 8 Е •
верт ^ гор>
Е = 8 Е + Е •
■С/ = 8 -С/аэр ' гор'
(2)
(3)
(4)
где Еверт и Егор
Едавл Есопр,
вертикальная и горизонтальная составляющие энергии дополнительной воздушной струи;
Еаэр - энергия воздушного потока, расходуемая на аэрирование сыпучего материала;
3 - коэффициент энергетических потерь вертикальной составляющей потока дополнительной энергии;
X Рдавл, X Рсопр - суммарное давление на движущийся объем сыпучего материала и силы сопротивления движению.
а)
Ноприкп-тн
Рис. 2. Воздействие дополнительной воздушной струи на газоматериальный поток в пневмотранспортном трубопроводе: а) схема действия воздушной среды; б) схема к определению составляющих Егор и Еверт
Механизм структурирования потока аэросмеси таков. Вертикальная струя воздуха, ударяясь о нижнюю стенку трубопровода турбулизирует поток воздуха. Частицы смеси, захваченные вихревым
о
Согласно уравнению Бернулли на одной и той же линии тока воздуха (пунктирная линия на рис. 3) справедливо соотношение
P = С\ +C2 V, (5)
где Р - давление;
и - скорость движения воздуха;
С1 и С2 - величины, сохраняющие постоянное значение вдоль линии тока.
Так как в верхней части волны зазор для свободного прохождения воздуха меньше, чем во впадине, то и > и .
5 верт нижн
Соответственно рверт < рнижм (см. рис. 3).
Справедливость данного соотноше-
потоком, начинают вести себя подобно молекулам газа: с ростом и верт среднее расстояние между частицами возрастает, плотность взвеси падает, а объем взвеси увеличивается. В первые же мгновения воздействия воздушного потока в объеме аэросмеси под действием струй газа, истекающего из патрубков, создаются разрывы, то есть формируется исходная порционная структура взвеси с длиной порции, равной расстоянию между возду-хоподводящими патрубками. В дальнейшем эта структура имеет тенденцию к самоподдержанию, а для достаточно протяженных участков транспортирования - и к саморазвитию. Механизм этого явления поясняется схемой, приведенной на рис.3.
ния подтверждается в эксперименте - при прохождении гребня волны под точкой изменения мощности подводимого воздушного потока, увеличивается и его вертикальная составляющая. При этом порция аэрированной смеси, пройдя ряд промежуточных состояний, принимает форму усеченной синусоиды.
2. Математическая модель порционного режима движения аэросмеси в пневмотранспортном трубопроводе
Перемещение сыпучих материалов в порционном режиме движения аэросмеси в пневматическом трубопроводе при установившемся режиме работы, с некоторым приближением, можно рассматривать как
Рис. 3. Схема к пояснению механизма поддержания устойчивой структуры порционного режима движения аэросмесей в пневмотранспортном трубопроводе
газодинамическим процесс движения двухфазной среды в этом трубопроводе. В результате специальной подготовки диспергированного материала на загрузочном участке материалопровода формируются и сохраняются по трассе движения области с высокой объемной концентрацией твердой фазы, условно рассматриваемые как порционные массы, и промежутки сжатого воздуха между ними, условно рассматриваемые как воздушные объемы. При движении газо-материального потока такой структуры в любом рассматриваемом сечении материалопровода имеет место пульсирующий, периодический характер изменения параметров движущегося потока. Рассматривая параметры некоторого достаточно малого элемента движущегося потока, следует отметить, что, с течением времени, при его перемещении по трубопроводу, эти изменения имеют непрерывный характер. Параметры потока в определенной фиксированной точке по длине трубопровода будут всегда одинаковы. Следова-
тельно, изменение параметров этих одинаковых элементов по длине трубопровода можно охарактеризовать одним и тем же непрерывным процессом, представляющим собой установившееся газодинамическое течение. Воспользовавшись осредненными параметрами движения газо-материального потока, включающими порционную массу и объемы воздуха, отнесенные к центру тяжести этих элементов, данный процесс можно рассматривать как непрерывный установившийся процесс.
Рассматривается движение /-го элемента порционной структуры в горизонтальном трубопроводе достаточно большой протяженности (Рис. 4). Данный элемент состоит из объема аэрированного сыпучего материала ММ и объема воздуха МВ. При этом, 1о=1т+1ы, где В - длина воздушного промежутка, 1М - длина порции, сформированной объёмом транспортируемого сыпучего материала. Период чередования этих объёмов является постоянной величиной to.
б)
Направление
Ъ/2П(МВЛВ +МмАм
I ;
мв = рв1вЗ
Рис.4 . Схема действия сил на выделенный элемент 10
Предполагается, что фильтрация воздуха через порционный объём твердого компонента отсутствует. Обмен масса-
ми между соседними элементами также отсутствует. В этом случае уравнение количества движения i-го элемента
(мв + Мм )
f dTT \ тт2 / \
+ S(P+1 - P) + Мв^в + МмЛм ) = о,
v dt А
(6)
где Мв и Мм - массы воздуха и твердого компонента, входящего в i-й элемент протяженностью I0;
иг - скорость центра тяжести i-го элемента;
S - площадь поперечного сечения материалопровода;
D - диаметр материалопровода;
Р1+1, Р - статическое давление воздуха перед i-й и за i-й порционной массой смеси;
Лв, ^М - коэффициенты сопротивления движению соответственно несущей среды и транспортируемого материала.
Для установившегося движения уравнения неразрывности
s1p1uS = G1 = const; s2p2wS = G2 = const,
(7)
(8)
где G¡ и G2 - массовый расход соответственно несущий среды и твердой компоненты;
S - площадь поперечного сечения трубопровода.
Уравнение состояния несущей среды совершенного газа (уравнение Менделеева-Клапейрона) для /'-го элемента
Основная термодинамическая зависимость [107]
(11)
с, - Са = R,
где R - газовая постоянная; Ср - коэффициент теплоемкости газа при постоянном давлении;
С - коэффициент теплоемкости газа при постоянном объеме.
Обозначив отношение коэффициентов теплоемкости газа при постоянном давлении и постоянном объеме через С
к = —р с учетом (10) и (11) уравнение (9)
С»1
принимает вид
k -1
pi = -¡- рА. (12) k
Полагая, что скорость рассматриваемого элемента совпадает со скоростью центра массы, уравнения расходов несущей среды и сыпучего материала могут быть записаны в следующем виде: - для несущей среды
I г
— \ев1 РьШ = Ов ; (13)
'о 0
Pi =pRT,
(9)
где Рг - статическое давление; р - плотность воздушного потока; R - газовая постоянная; Т - температура по Кельвину. Энтальпия несущей среды потока для i-го элемента (тепловая функция)
А, = СрТг
(10)
где Ср - коэффициент теплоемкости несущей среды при постоянном давлении; Т - температура по Кельвину.
твердого компонента
— \sMi pMSdl = GM
1 J ML I M M
lo о + £„.; = 1
(14)
в1 м1 (15)
где 10 - общая длина порции материала и воздушной прослойки;
£в1, £м1 - объемные концентрации воздуха и материала в рассматриваемом элементе;
рв, рм - плотности воздуха и сыпучего материала;
Ое,Ом - массовый расход компонентов смеси;
S - площадь поперечного сечения трубопровода.
Необходимо учесть следующие соотношения:
Мв =рв1в1Ъ ;
мм = Рм' м £
I
('* +'мУ
I
^ м1
('« +'мУ
(16)
(17)
(18)
(19)
Принимается адиабатический процесс расширения, когда теплообмен между несущей средой и транспортируемым компонентом отсутствует.
Коэффициенты сопротивления движению в соответствии с положениями гидроаэромеханики определяется соотношениями для:
- несущей среды
у J
трв
А
2D
£вРвив; (20)
несомого элемента
(—]
у у
трм
2D
£мРмим, (21)
где Лв,Лм - соответственно коэффициенты сопротивления при продувании чистого воздуха и перемещении сыпучего материала в аэрированном состоянии; D - диаметр материалопровода; £в,£м - объемные концентрации воздуха и сыпучего материала;
рв, рм - плотности воздуха и материала;
ив, им - скорости движения воз-
душного потока и сыпучего материала.
Начальные и граничные условия. Интегрирование уравнения (6) выполняется при начальных условиях I = 0, Р = 0 и граничных условиях - Р(х=0) = Р1; Р(х=Е) = Ра.
3. Некоторые результаты исследований.
Исследование компоновок пневмот-ранспортной установки с порционным режимом перемещения сыпучих материалов выполнено на лабораторном стенде с эффективным диаметром прозрачного стеклянного трубопровода 036 мм [7]. Опытные проверки включали принятую схему транспортного трубопровода, оборудованного дополнительным воздухопроводом. Дополнительный обводной воздухоподводящий канал при этом может располагаться в любом месте. Подвод сжатого воздуха осуществляется через воздухоподводящие патрубки, размещенные сверху, снизу, сбоку. Опробована схема размещения воздуховода внутри транспортного трубопровода в его верхней и нижней части.
Исследовано влияние на работоспособность пневмотранспортной установки:
- местоположения воздухоподво-дящих патрубков;
- угла ввода дополнительного воздушного потока (угла атаки а);
- соотношения диаметров возду-хоподводящих патрубков и материало-провода
Результаты экспериментальных исследований месторасположения возду-хоподводящих патрубков по отношению к материалопроводу показали:
- схема с верхним размещением воз-духоподводящих патрубков предпочтительнее, так как при номинальном установившемся режиме транспортирования поступающий сверху дополнительный воздушный поток способствует стабильному поддержанию порционного режима движения сыпучих материалов, обладающих разными физико-механическими свойствами.
- подвод дополнительного воздуш-
ного потока снизу делает режим движения нестабильным, сыпучие материалы несколько хуже расчленяются на пробки, имеет место нарушение порционного режима движения и переход в другие режимы движения аэросмеси. Расстояние между материалопроводом и дополнительным воздуходувом не имеет никакого значения, хотя и не следует стремиться к его увеличению. По-видимому, условия размещения трубопроводов в производственных условиях и технология их изготовления определяет это расстояние.
- схема самоподдержания и сохранения порционного режима движения аэросмесей в материалоподводе при наружном и внутреннем размещении дополнительного воздуховода свидетельствует о предпочтительности наружного расположения последнего. При этом, не следует забывать и о технологичности изготовления и монтажа пневмотранспортной установки.
Влияние угла атаки а дополнительного воздушного потока на работоспособность пневмотранспортной установки оценено опосредовано путем анализа давлений струи, соударяющейся с внутренней нижней поверхностью транспортного трубопровода. Для этой цели использована методика, рассмотренная в работе [8]. В случае взаимодействия воздушной струи на нижнюю поверхность трубопровода имеет место растекания струи, величина которого пропорциональна углу атаки а (рис. 5).
В соответствии со схемой воздействия воздушной струи (рис. 5), график изменения удельного давления на нижнюю поверхность трубопровода Ра в зависимости от угла атаки а для воздушного потока плотностью р = 1,205 кг м" при избыточном давлении АР = 0,2 МПа и скорости движения потока на выходе из воздухоподводящего патрубка и = 2 мс"1 имеет вид косинусоиды (рис. 6а).
Свободная струя
НАПРАВЛЕНИЕ
Струя, стелящаяся по экрану
Зона разворота
Струя, стелящаяся по экрану
Рис. 5. Схема воздействия струи на нижнюю поверхность
трубопровода
График изменения интенсивности массопереноса q пневмотранспортного трубопровода, оборудованного дополнительным воздуходувом и дополнительными воздухоподводящими патрубками, в зависимости от угла их размещения к продольной оси (угла атаки а) (рис. 6б) свидетельствует о максимальной несущей
способности материалопровода при размещении воздухоподводящих патрубков под углом атаки а = 45...60°. Заштрихованные участки (рис. 6а и 6в) показывают области рекомендуемых значений угла атаки а для рассматриваемой конструкции трубопровода.
Рис. 6 .Влияние угла атаки а на работоспособность пневмотранспортной установки: а - изменение удельного давления воздушного потока на нижнюю поверхность ма-териалопровода; б - изменение массопереноса; в - область оптимальных значений
угла атаки а
Выводы
1. Описана физическая модель возникновения и сохранения макроструктуры порционного перемещения аэросмесей в пневмотранспортном трубопроводе.
2. Разработана математическая модель массопереноса хорошо сыпучих материалов. Определены основные параметры процесса транспортирования.
3. Обосновано местоположение дополнительного воздушного канала и воз-духоподводящих патрубков относительно рабочего пневмотранспортного трубопровода. Рекомендовано дополнительную воздушную подпитку посредством возду-хоподводящих патрубков осуществлять в верхней части материалопровода. Показано, что максимальная несущая способность пневмотранспортной установки достигается при размещении воздухоподво-дящих патрубков под углом атаки а = 45.. .60° к продольной оси трубопровода.
Список литературы
1. Смолдырев А. Е. Трубопроводный транспорт / А. Е. Смолдырев, изд. 3. пере-раб. и доп. - М. : Недра, 1980. - 293 с.
2. Волошин А. И. Механика пнев-мотранспортирования сыпучих материалов / А. И. Волошин, Б. В. Пономарев. -К. : Наук. думка, 2001. - 519 с.
3. Потураев В. Н. Вибрационно-
пневма-тическое транспортирование сыпучих материалов / В. Н. Потураев, А. И. Волошин, Б. В. Пономарев. - К. : Наук. думка, 1989. - 245 с.
4. Гущин В. М. Режимы движения двухкомпонентной среды в транспортном трубопроводе / В. М. Гущин // Геотехшчна мехашка: Мiжвiд. зб. наук. праць / 1н-т ге-отехшчно'1 мехашки НАН Украши, - Днш-ропетровськ, 1999. - Вип. 13. - С. 71-76.
5. Гущин В. М. Анализ режимов движения аэросмесей в пневмотранспорт-ном трубопроводе / В. М. Гущин, О. В. Гущин // Вюник Донбасько'1 державно'1 машинобудiвноï академп. - Краматорськ, 2010. №1(18). - С. 78-83.
6. Гущин О. В. Экспериментальные исследования пневмотранспортной установки с порционным движением сыпучих материалов / О. В. Гущин // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении :Сб.науч.тр. - Краматорск : ДГМА, 1998. - Вып. 4. - С. 154-159.
7. Гущин О. В. Экспериментальные исследования пневмотранспортной установки с порционным движением сыпучих материалов / О. В. Гущин // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении : Сб. науч. тр. - Краматорск: ДГМА, 1998. - Вып. 4. - С. 154159.
8. Аверин С. И. Механика жидкости и газа: Учебник для вузов / С. И. Аверн,
А. Н. Минаев, В. С. Швыдкий, Ю. Г. Ярошенко. - М. : Металлургия, 1987. -304 с.
Аннотации:
Разработана физическая модель возникновения и сохранения макроструктуры порционного движения аэросмесей в пневмотранспортном трубопроводе. Предложена математическая модель массопереноса сыпучих материалов в порционном режиме движения. Обоснованы основные пара-
метры пневмотранспортной установки данного типа.
Розроблена фiзична модель виникнення та збер^ання макроструктури порцшного руху аеро-сумшей у пневмотранспортному трубопроводi. Запропоновано математичну модель масопереносу сипких матерiалiв у порцiйному режимi руху. Об-грунтовано основнi параметри пневмотранспорт-но! установки даного типу.
УДК 621.867.82
ГУЩИН В.М., к.т.н., доц. (Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск)
Теоретические основы разработки высокоэффективных энергосберегающих способов пневматичекого транспортирования сыпучих материалов
Актуальность, анализ публикаций
Одним из направлений дальнейшего развития и совершенствования пневматического транспорта сыпучих материалов является разработка новых высокоэффективных энергосберегающих способов перемещения сыпучих материалов [1]. Современный подход к созданию пнев-мотранспортных установок, работающих при нетрадиционных режимах движения аэросмесей, базируется на исследованиях фазовых состояний и переходов аэросмесей, условиях их формирования и сохранения на различных участках транспортного трубопровода. Области нестабильного движения аэросмесей, традиционно считавшиеся нерабочими и аварийными, представляют значительный научный и
практический интерес.
Исследования режимов движения гомогенных и гетерогенных сред показали [2.6], что в трубопроводе наблюдается переход от ламинарного в устойчивое турбулентное движение через ряд промежуточных неустойчивых состояний. В пределах одного трубопровода могут существовать два режима движения с их взаимными последовательными переходами. В пневмотранспортных установках, работающих в волновом и порционном режимах движения аэросмесей, помимо-общего поступательного перемещения сыпучего материала вдоль транспортного трубопровода имеет место внутриволно-вая и внутрипорционная турбулентность, характеризующаяся большими процессами завихренности. При этом сохраняются характерные особенности турбулентного
