О гидродинамике аэрожелобов открытого исполнения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 664.7

Онхонова Л.О.

Д.т.н., профессор, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (ВСГУТУ)

Скрябина И.Ю.

Аспирантка,

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (ВСГУТУ)

О ГИДРОДИНАМИКЕ АЭРОЖЕЛОБОВ ОТКРЫТОГО ИСПОЛНЕНИЯ

В статье изложены гидродинамика структуры зернового потока в аэрожелобе, смонтированном в бункере временного хранения, о слоях и силах, возникающих во время разгрузки и методика их определения.

Ключевые слова: аэрожелоб, бункер, псевдоожижение, гидродинамика слоя, разгрузка, сыпучая среда.

Условия уборки и послеуборочной обработки зерна и семян, в общем случае, неблагоприятны в связи с малым безморозным периодом и значительным количеством осадков, выпадающих в уборочный период, что создает предпосылки в необходимости разработки и создания новых типов оборудования, особенно в части осуществления операций временного хранения. Поступление зернового вороха на послеуборочную обработку, как правило, в несколько раз превышает пропускную способность основного технологического оборудования, что приводит к скоплению зерновой массы в ожидании очистки и сушки. Несмотря на совершенствование технологий и технических средств послеуборочной обработки, потери семян и зерна при временном хранении в хозяйствах достаточно велики, особенно для регионов Сибири в дождливые годы.

В последнее время в технике развитие получили бункера, оснащенные аэродинамическими устройствами, способными с успехом комбинировать операции активного вентилирования и пневматической выгрузки. Бункера различного исполнения могут осуществлять послеуборочную обработку зернового незамедлительно.

Бункера с аэрожелобами используют в основном для приема и накопления зернового вороха, а также передачи на последующие операции (очистка, сушка) [1]. В процессе накопления возможно активное вентилирование с подсушкой, охлаждением и частичной очисткой вороха от легких примесей. Часто используют аэрожелоба для приема вороха на площадках временного хранения и в складах с выполнением перечисленных операций. Аэрожелоба также используют совместно с зерносушилками для охлаждения высушенного зерна, что существенно расширяет их функциональные возможности и удешевляет послеуборочную обработку.

При расчете параметров аэрожелобов (производительности, скорости смещения частиц и т.д.) большинство авторов основывается на принципах теории псевдоожиженного слоя, перемещаемого по транспортирующему каналу. При этом составляют баланс сил воздействия струи потока, вытекающей из щели, на твердую частицу. После составления, упрощения и решения соответствующих дифференциальных уравнений, определяют производительность устройства, скорость смещения частиц и другие параметры. Ряд авторов используя теорию подобия и размерностей, преобразуют дифференциальные уравнения в критериальные, и уточняя их экспериментально, находят уравнения производительности в

зависимости от скорости фильтрации воздушного потока, геометрических параметров решетки, а также от давления потока в транспортирующем канале.

С научной точки зрения представляет интерес гидродинамика структуры потока в аэрожелобе. Как было ранее выявлено, одновременно в аэрожелобе возникают три характерные зоны смещения зернового вороха в момент выгрузки: псевдоожиженный, перемещающийся по аэрожелобу; аэрируемый, сходящий по спуску насыпи и неподвижный (стационарный) непродуваемый. В непродуваемой насыпи частицы давят друг на друга своей массой, на свободной поверхности при засыпке возникает угол естественного откоса а. Для сыпучей среды в условиях равновесия нормальное напряжение сжатия 01 в насыпи возрастает с глубиной (dz<0) на величину, равную массе вышележащей насыпи, т.е. — (doi / dz) = ун. При наличии в насыпи только этих вертикальных усилий на площадках, наклоненных под углом а, развиваются как нормальные о, так и касательные т напряжения:

о = oicos2a (1)

т = oisinacosa = (oi/2)sin2a (2)

Сыпучая среда характеризуется предельным напряжением сдвига тпред, выше которого начинается взаимное скольжение слоев и нарушается структура насыпи. Возрастание тпред с увеличением напряжения сжатия описывается соотношением:

тпред = f О + то, (3)

где f — коэффициент внутреннего трения среды; то — минимальное напряжение сдвига в отсутствие нагрузки (о^0), обусловленное межчастичными силами сцепления. Разложение возникающего напряжения на нормальную и касательную составляющие показывает, что когда угол наклона поверхности а станет равным предельному значению ß, определяемому из условия:

касательное напряжение т достигнет предельного значения тпред и частица начнет скатываться. В продуваемой насыпи возникают дополнительные силы воздействия потока газа, как на отдельные частицы, так и на весь слой в целом. Эти силы можно оценить по сопротивлению течения и возникающим градиентом давления. Если эта сила превысит максимальную статическую силу трения слоя о стенки аэрожелоба F = тПАЬ, то продуваемая часть насыпи придет в движение. Суммарная сила, действующая на продуваемую часть насыпи равна:

Рполн = PiS - P2S = APS (5)

Из этого уравнения следует, что локальная сила, действующая со стороны потока на единицу объема насыпи ^;опр = APS/SAL = AP/AL, равна градиенту давления. Соответственно уменьшается деформация частиц в месте контакта и площадь их сопротивления С ростом скорости потока по достижении равенства ^опр = ун частицы перестают давить друг на друга, и эта часть насыпи приходит в движение, т.е.

ун = -dp/dz. (6)

При этом частицы приобретают подвижность и расходятся друг от друга, так чтобы в целом слой остался взвешенным и AP = ^nst.

Для определения критической скорости начала псевдоожижения предложено много формул. Наибольшее распространение получила универсальная формула О.М.Тодеса [2]:

RCkP 1400 + 5,2 2-iÄr ' ^

^кFrf3 Л ^ (рт-р)

где ReKp =- и Ar =---

V V3 р

Особенность этой формулы — отсутствие порозности слоя 8 и удельной поверхности ао, которые присущи для многих других выражений. Однако формула (7), как и многие другие, не может достаточно полно описать условия потери устойчивости насыпи,

находящейся в приемном бункере, оснащенном аэрожелобами, в момент начала транспортирования. Формула применима в тех случаях, когда имеется достаточно выровненный воздушный поток, а сам слой (насыпь) ограничена стенками.

К сожалению, в литературе отсутствуют теоретические расчетные зависимости для начала потери устойчивости с переменным профилем по высоте. На практике используют либо эмпирические зависимости, либо ограничиваются экспериментальными данными.

В аэрожелобах равномерная потеря устойчивости одновременно по всему объему насыпи практически не достигается, так как весьма существенна невыровненность насыпи по высоте. Локальное псевдоожижение начинается ранее критического условия, рассчитанного по средней удельной массе ун (6).

Приведенный анализ потери устойчивости продуваемой зернистой насыпи с использованием методов теории упругости сплошных сред, применим в случае отсутствия полидисперсных сред. При отношении диаметров максимальных и минимальных зерен dмах/dмин ~ 10...20 становится существенной большая подвижность мелких зерен в промежутках между крупными. Поскольку в зерновой насыпи полидисперсность сравнительно невысока, этот случай не рассматривается.

Рассмотрим потерю устойчивости насыпи, состоящей из высоковлажного и засоренного зернового вороха, отличающейся от описанного. После стока части вороха под действием силы тяжести и при подаче воздуха в воздухораспределительные каналы аэрожелоба, в области выгрузного патрубка на решетке образуется псевдоожиженный слой переменной толщины по длине. Изменяющаяся высота слоя по его длине £п.с. сопровождается различной скоростью воздуха. Поэтому слой характеризуется некоторым углом ап, который не остается постоянным на протяжении разгрузки, но меняется в сторону снижения по мере возрастания параметра (1—Е/Ъ) или времени разгрузки ъ/тр. Снижение угла ап обусловлено уменьшением давления вышерасположенных слоев насыпи, сходящих с ее наклонной поверхности, однако, полностью слой не выравнивается, что в свою очередь, обусловлено перемещением частиц в псевдоожиженном слое под влиянием струй воздуха, вытекающих из щелей решет.

В псевдоожиженном слое по длине аэрожелоба формируется продуваемый (аэрируемый) слой длиной -Еаэр. с углом наклона ааэр. При сравнительно небольшой высоте насыпи Нн и хорошей сыпучести вороха, участок слоя с £аэр. может занимать всю длину естественного откоса насыпи. По длине £аэр угол ааэр является переменным и зависит от отношения скорости воздуха в псевдоожиженном Уп с. и аэрируемом V; слоях [3]:

ааэр ао

^ (кг.)

(8)

где ао — угол естественного откоса непродуваемой насыпи.

Высота насыпи Нн сохраняется постоянной по мере разгрузки (1—Е/Ъ) на некотором участке. По достижении наклонной поверхностью насыпи торцевой стенки бункера, противоположной выгрузному патрубку, величина Нн начинает снижаться. Поэтому для практических расчетов более удобно пользоваться не Нн, а величиной эффективной высоты Нэф, которая характеризует высоту выровненного слоя и монотонно снижается с самого начала разгрузи (рис.1).

www.tavr.science

Рис. 1. Размерные характеристики насыпи, размещенной на аэрожелобе.

По мере разгрузки аэрожелобом производительность не постоянная. Максимальная производительность Ор наблюдается в начале разгрузки, по крайней мере, при Нн = const. При дальнейшей разгрузке с понижением Нэф величина Ор уменьшается. Такое состояние объясняется тем, что поступление вороха в псевдоожиженный слой убывает.

Анализ изменения Ор от (1—1/L) или (ii/тр ) позволяет установить, что при Нэф ~ Ьс разгрузка насыпи прекращается, однако при этом возможна разгрузка остаточного вороха. При этом £п .с. ~ 1аэр и Нн _ Нэф = hc. Если на аэрожелобе предусмотрен разгонный участок с углом наклона араз = 10—12о, то при разгрузке аэрожелоба в первую очередь освобождаются от материала решета этого участка с последующим разрывом псевдоожиженного слоя. При этом потеря устойчивости насыпи сопровождается образованием псевдоожиженного слоя по границе разорванного слоя и при достаточно большой скорости струй воздуха, выходящих из щелей решет, возрастает свободная от материала площадь решет. При отсутствии разгонного участка толщина псевдоожиженного слоя Ьп.с. может быть приближенно подсчитана по формуле:

hn.c ' г -.

(перемещаемого)

слоя может быть

(9)

приближенно (10)

Длина псевдоожиженного подсчитана как:

1п.с ~ (Ьп.с. - ho)ctgaн , где Ьо — средняя высота сходящего с решет слоя, Ьо ~ (0,5-0,6)Ьп.с. Величину ан по экспериментальным данным можно принять ан ~ 12-16о. Длину аэрируемого участка насыпи £аэр можно определить из выражения:

1аэр ~ Ьп.с Ctgaаэр ,

где £аэр определяется из выражения (8).

Если известны граничные значения высот аэрируемой высоты насыпи Ьп.с. и Иа)р (Нн),

то подставив в выражение (12) вместо

Стт.п.)

соответствующую ей по физическому смыслу

величину Ьп.с/Ьаэр, можно найти величину ааэр и определить значение £аэр.

При загрузке бункера влажным зерном в нижележащих слоях происходит более плотная упаковка частиц, что приводит к увеличению числа контактов зерен между собой.

Кроме того, возрастает сила аутогезии за счет возрастания площади контакта частиц. Если ворох содержит мелкие примеси, то пустоты между частицами основного компонента заполняются другими, более мелкими, что также увеличивает число контактов и силы аутогезии, что обусловливает слеживаемость. Интенсификация режимов вентилирования и перемешивания — радикальное средство предотвращения слеживаемости.

При разгрузке сыпучего вороха зерновых образуется однородный (без пузырей и застойных зон) псевдоожиженный перемещаемый слой с аэрированным наклонным участком насыпи, обеспечивающим равномерное поступление в него материала. Анализ полученных результатов показывает, что с ростом параметра т/тр (безразмерное время) темп разгрузки снижается по кривой, близкой к параболе, т.е. параметр О^Ор снижается, несколько повышаются удельные потери напора в насыпи ДРс/Нэф, монотонно возрастают величины £п.с./£ и £аэр/1, снижается параметр Ьп.с./Ьо и практически до конца разгрузки не изменяются углы ан и ааэр.

По результатам исследований в области механизма потери устойчивости разгружаемой насыпи можно заключить следующее. При продувке насыпи возможно возникновение трех характерных типа слоев: псевдоожиженный, перемещающийся по аэрожелобу; аэрируемый, сходящий по спуску насыпи и неподвижный (стационарный), который практически не продувается и в котором силы сцепления между частицами вороха максимальны. В интервале влажности вороха 12,5 < W < 25% принципиально механизм разгрузки насыпи не меняется, хотя павномерность образования псевдоожиженного слоя, начиная с W>16% ухудшается, а производительность аэрожелоба на разгрузке снижается. При W>25% механизм разгрузки существенно меняется: псевдоожиженный слой образуется только в случае наличия порога в транспортирующем канале, кроме того необходима повышенная скорость воздуха при разгрузке и, в частности, дополнительная аэрация слоя материала, расположенного в транспортирующем канале с целью равномерной разгрузки.

Список литературы

1.Анискин В.И. Технологические и технические проблемы сохранности зерна в сельском хозяйстве. Дис.д-ра техн.наук. — М.: ВИМ, 1985. 493 с.

2.Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. — Л.:Химия, 1981. — 290 с.

3.Сажин Б.С. Основы техники сушки. — М.: Химия, 1984. — 320 с.