CC BY
78
SET FOR FLUID FOOD PRODUCTS CONCENTRATION AND DRYING IN VACUUM
A.A. EMELYANOV, V.V. DOLZHENKOV, K.A. EMELYANOV
Oryol State Technical University,
29, Naugorskoe high., Oryol, 302020; fax: (4862) 416-684, e-mail: emel@ostu.ru
The set for concentration and drying of fluid food products in a vacuum includes the spray trick, which provides for high quality of distillate, the trap, which protects the vacuum pump from fluid phase of evaporated liquid and the condensate collector from damage blow-out of pressure liquid, the additional valve, which allows forming the vacuum pulse in the evaporator. The set provides for evaporated fluid boiling at temperatures below 50C. The evaporation of the frothed fluids is examined. Pressure control in the evaporator allows to suppress the frothing and to accelerate the evaporation process outlet in the steady-state conditions. The vacuum pulse influence allows initiating the boiling. As a whole, a rise of the set efficiency is reached.
Key words: vacuum evaporation, liquid food substance, concentration and drying.
621.867.8.001.573
ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ РАБОТЕ ПНЕВМОТРАНСПОР ТНЫХ УСТАНОВОК
В.П. ТАРАСОВ, ЕС. ЛЯМКИН, А.В. ТАРАСОВ
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
НПО «Алтайзернопроект»,
656099, г. Барнаул, ул. Ленина, 46; тел./факс: (3852) 26-05-54; электронная почта: рШ110@mail.ru
Проведен анализ причин высоких энергозатрат, появления неустойчивости при работе пневмотранспортных установок и влияния применяемого оборудования на процесс пневмотранспортирования.
Ключевые слова: пневмотранспорт, устойчивость, энергозатраты.
Исследования возможности снижения энергозатрат на осуществление процесса пневмотранспортирования [1-4] свидетельствуют, что этого можно добиться, если осуществлять процесс при небольших (близких к скорости витания) скоростях. Транспортирование при небольших скоростях позволяет также уменьшить износ материалопровода, особенно отводов, уменьшить, а в некоторых случаях исключить, разрушение частиц материала. Кроме того, при работе пневмотранспорт-ной установки с небольшими скоростями воздуха снижаются выбросы в атмосферу, сокращаются затраты на очистку воздуха.
Однако при уменьшении скорости воздуха ниже определенного предела процесс транспортирования становится неустойчивым: наблюдаются колебания параметров; причем со снижением скорости воздуха эти пульсации становятся все существенней, пока не наступит так называемый «завал» материалопровода и прекращение процесса. Граница устойчивости определяется экспериментом и достаточно размыта, данные различных источников могут сильно отличаться. Это нельзя объяснить ошибками, неточностями выполненных работ, поскольку более чем за 100 лет экспериментальных исследований и опыта эксплуатации накопилось огромное количество фактов, подтверждающих размытость границы. Скорее всего, разноречивость получаемых результатов - свидетельство неучтенных факторов, условий работы пневмотранспортных установок, применяемого оборудования и проведения экспериментов.
В лаборатории пневмотранспорта и газоочистки АлтайГТУ в течение уже 40 лет выполняются науч-
но-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке и применению систем пневмотранспорта. Результаты с успехом внедрены на многочисленных предприятиях пищевой отрасли.
Сформулированы основные недостатки в подходах к изучению процесса пневмотранспортирования, предложены отдельные пути их решения [4, 5]. Главными причинами, тормозящими дальнейшее развитие знаний в этой области, следует считать разобщенность усилий исследователей (в связи с многоотраслевой областью применения), сложность и многообразие происходящих явлений. При разработке моделей процесса делаются многочисленные упрощения. Наиболее грубыми, приводящими к существенному искажению модели, следует считать допущение о стационарности происходящих явлений, а также пренебрежение влиянием отдельных элементов системы на ее работу в целом: не в полной мере учитывается взаимовлияние оборудования, входящего в состав пневмотранспорт-ной системы. Попытки такого учета имеют частный характер: рассматриваются связи лишь отдельных элементов пневмотранспортной установки (например, ма-териалопровода и воздуходувной машины) по отдельным параметрам (например, по давлению и расходу), при этом неустановившиеся режимы работы, как правило, не учитываются.
Нам представляется целесообразным на основе учета как можно большего количества связей между характеристиками оборудования пневмотранспортной установки объяснить некоторые факты и противоречия, прежде всего, появление неустойчивости при сни-
Й %• Ц
а'! I а щ у/ р щ к'/ \У ■** А - / ■V ' 'л/ ■л/ '/У ' - у Ь\- У/} Ус"
чЛ:А
Л' ✓ ’ \
кл \
-1"-
= ■ л .
Рис. 1
жении скорости воздуха. Для этого воспользуемся так называемой диаграммой Зенза [6] или Р—и диаграммой для однотрубной пневмотранспортной установки (рис. 1).
Зона пневмотранспорта представлена линиями различной производительности а'—Ъа"-Ь"; а’”-Ъ’”. Линия 0-Ь отражает изменение сопротивления движению воздуха от его скорости. Заштрихованная часть диаграммы (пунктирная часть линий) - зона неустойчивого движения. При этом, по данным большинства исследователей, линии а'—Ъ'; а"—Ъ"; а'"—Ъ'" в области минимума имеют разрыв. На основании этого выдвигается гипотеза о наличии качественного различия происходящих явлений при различных скоростях воздуха, а для реализации разных режимов движения двухкомпонентного потока предлагаются различные системы пневматического транспорта: заторможенным плотным слоем, сплошным потоком, импульсный, с подстилающим слоем и др.
Наши экспериментальные исследования [4, 5] (по крайней мере, для тех условий, при которых они проводились), а также промышленные испытания, как для вертикальных, так и для горизонтальных материало-проводов, показали, что разрыва при определенных условиях может и не быть, а минимум, хотя и не ярко выраженный, существует. Это свидетельствует о том, что работа различных систем пневматического транспорта (с летящими частицами, сплошным потоком, при высоких скоростях, в импульсном, в пробковом режимах и др.) основана на одних и тех же закономерностях. В экспериментах [3, 4] и при промышленных испытаниях удалось (уменьшая расход) непрерывно переходить зону изменения знака градиента сопротивления и устойчиво осуществлять процесс. При этом характер движения материала в трубопроводе изменялся от летящих частиц до сплошного потока. В литературе также имеются сведения подтверждения этого. Например, описаны случаи [2, 3], когда в материалопроводе одной и той же установки одновременно реализовались несколько режимов движения.
I.:.-
Рис. 2
Вид правых частей кривых (рис. 1) не вызывает сомнения, а вот причины увеличения сопротивления с уменьшением скорости воздуха трактуются неоднозначно и нуждаются в комментариях. Следует заме -тить, что физическая сущность различного влияния скорости на сопротивление движению аэросмеси при горизонтальном и вертикальном расположении мате-риалопровода несколько иная.
В вертикальном материалопроводе при снижении скорости воздуха ниже какой-то критической величины движение материала (рис. 2, а) на некоторых участках трубопровода из одностороннего трансформируется в двухстороннее. В центральной части трубы движе -ние продолжается вверх, тогда как по периферии (у стенок) наблюдается обратное движение. Эпюра скоростей материала для этого случая показана на рис. 2, б. Возникают пульсации параметров процесса, поскольку встречное движение материала приводит к увеличению его локальной концентрации, что в свою очередь становится причиной увеличения местной скорости воздуха, а значит и аэродинамической силы, а это становится причиной ускоренного движения частиц. Неравномерность движения аэросмеси и характеризующих его параметров имеет место как по длине материалопровода, так и во времени.
При этом, если составляющая потерь давления на подъем материала остается неизменной, то другие составляющие увеличиваются. Потери давления на трение материала возрастают вследствие образования новых границ раздела (частицы по частицам, причем движущимся навстречу друг другу), на которых, можно предположить, будут возникать большие (чем частицы по стенкам) касательные напряжения. Потери давления на разгон увеличатся по причине постоянной необходимости в ускорении все новых порций материала, опускающихся вдоль стенок Таким образом, несмотря на то, что составляющая потерь давления на трение воздуха о стенку трубы будет уменьшаться, общие потери давления с уменьшением скорости воздуха в этой зоне будут увеличиваться.
В горизонтальном материалопроводе при снижении скорости воздуха ниже критической величины материал оседает на дно трубопровода, перекрывая часть
сечения. Таким образом, также появляется новая, более шероховатая граница раздела. Кроме того, чтобы привести осевший материал в движение требуются дополнительные силы как на преодоление инерции, так и преодоление трения покоя, величина которого всегда больше силы трения при движении.
Приведенные аргументы о повышении сопротивления движению аэросмеси с уменьшением скорости воздуха при небольших его скоростях подтверждаются ранее проведенными экспериментальными исследованиями, в частности [3]. Более того, наблюдается рост не только сопротивления движению аэросмеси, но и увеличиваются (с уменьшением скорости воздуха) темпы его роста.
В большинстве работ границу устойчивого транспортирования располагают значительно правее минимума сопротивления и существенно больше скорости витания частиц транспортируемого материала. Так, по данным [1], скорость устойчивого транспортирования для муки превышает скорость ее витания в зависимости от применяемой системы пневмотранспорта в 7-20 раз. В то же время в наших экспериментах, а потом и на промышленных установках, удалось осуществлять процесс транспортирования муки со скоростью близкой к скорости витания (для муки при скорости воздуха 1-2 м/с).
Теоретические и экспериментальные исследования, наблюдение за работой промышленных пнев-мотранспортных установок позволили выдвинуть предположение для объяснения ширины и размытости границы устойчивости. Основной причиной этого является комплектация пневмотранспортной установки оборудованием с различными характеристиками:
использование различных воздуходувных машин;
применение приемно-питающих устройств, обеспечивающих разные условия загрузки (величину и характер колебаний (возмущений) по производительности);
использование другого оборудования с отличающимися характеристиками, в частности, с различной степенью задросселированности, разными объемами внутренних полостей и др.
Эти факторы, особенно в совокупности, как правило, при определении границы устойчивого транспортирования не учитываются. Влияние каждого из них на энергетические показатели и устойчивость процесса ранее обсуждалось более подробно [4, 5]. Мы лишь констатируем результаты этого анализа.
Изменение производительности во времени (колебания) вызывает необходимость наличия соответствующих энергетических возможностей транспортирующего воздуха. Если воздуходувная машина не будет обладать должным потенциалом энергетических возможностей, то осуществить транспортирование при увеличении производительности не удастся - процесс станет неустойчивым. При этом следует учитывать изменение затрат энергии не только в материало-проводе, но и в другом оборудовании - питателе, оборудовании, расположенном до и после материалопро-вода. Например, при увеличении давления в питателе нагнетающей пневмотранспортной установки могут
увеличиваться утечки, что в свою очередь повлечет снижение скорости воздуха в материалопроводе, а последнее может привести к изменению его сопротивления, что станет причиной изменения производительности воздуходувной машины. При этом должен всегда соблюдаться баланс между источником гидравлической энергии - воздуходувной машиной и ее потребителями - другим пневмотранспортным оборудованием.
Применяемые воздуходувные машины относительно их характеристик можно разделить на два вида: с «жесткими» (крутыми) на рис. 1 с-d и с пологими c"—d" зависимостями. О жесткости характеристик можно судить по изменению расхода AQB.M. при увеличении давления на АРВМ., величине дQeM /дтеМ . При этом следует иметь в виду два обстоятельства: какой-то границы, разделяющей воздуходувные машины по этому признаку, нет; воздуходувной машины с абсолютно жесткой характеристикой не существует. Даже характеристику у поршневых компрессоров нельзя назвать абсолютно жесткой Для большинства воздуходувных машин дQeM /дтеМ - величина отрицательная, только у некоторых видов вентиляторов, да и то лишь на части их характеристик (как правило в нерабочей области) да.м/дт,м. > 0
Многие исследователи констатируют, что устойчивость процесса в пневмотранспортной установке, оборудованной воздуходувной машиной с жесткой характеристикой, выше. Наши исследования также подтверждают это. При этом следует заметить, что если на восходящей ветви Р-U диаграммы осуществление процесса возможно с использованием воздуходувной машины даже с достаточно пологой характеристикой (общие точки на характеристиках воздуходувной машины и сети найдутся А и В (рис. 1)), то в области малых скоростей, даже небольшие изменения (возмущения) по производительности могут привести к рассогласованию системы и прекращению процесса (общей точки пологой характеристики с'-d' и кривой a"—b" не имеется).
Для пневмотранспортных установок, работающих в области нисходящей ветви Р-и диаграммы, на основании вышеизложенных рассуждений можно выдвинуть в качестве необходимого условия обеспечения устойчивости работы пневмотранспортной установки неравенство
дте.М. > дн— (1)
дQe.м. дQ_ ’
где Hy, Qy - соответственно сопротивление и расход воздуха в материалопроводе.
Казалось бы, что поскольку процесс нарушения устойчивости (образование завала) сопровождается снижением скорости материала от какого-то номинального значения до 0 и неизбежным переходом работы с восходящей ветви на нисходящую, можно это (необходимое условие) применять для любой пневмотранс-портной установки. Однако в действительности этого делать нельзя, так как этот переход имеет определенную продолжительность. За это время вследствие сни-
жения скорости материала и непрерывной подачи его в материалопровод в последнем будет находиться одновременно совсем другое (большее) количество материала. Последнее равнозначно значительному возмущению по производительности и следует вести речь уже о новой (другой) характеристике сети, например, кривая а"'—Ъ"' (рис. 1). При этом обычно появляются ограничения как по расходу, так и по давлению применяемой воздуходувной машины.
Условие (1) не является достаточным, так как явление завала связано не только с процессами, происходящими в материалопроводе и воздуходувной машине, и определяется не только связью сопротивления со ско ростью воздуха.
Объем внутренних полостей оборудования, расположенного между воздуходувной машиной и материа-лопроводом, является своего рода конденсатором, накапливающим и отдающим энергию воздуха. При этом накопление энергии может происходить в моменты, когда она дополнительно требуется на транспортирование и наоборот: энергия высвобождается при уменьшении сопротивления материалопровода, а следовательно, и отсутствия необходимости ее дополнительной подачи транспортируемому материалу.
Массовое количество воздуха Оу, накапливающегося (высвобождающегося) во внутренних полостях оборудования в единицу времени, можно рассчитать по выражению, если считать процесс изотермическим:
Су = +
^ $ _Р_
ЯТ. дг ЯТ, дг
(2)
где V,,Р, ,Т - объем, давление и температура воздуха в ,-м элементе оборудования, расположенного между воздуходувной машиной и материалопроводом; п - количество единиц оборудования.
Анализ уравнения (2) позволяет утверждать, что при прочих равных условиях и увеличении градиента сопротивления элементов оборудования во времени, а также градиента объема его внутренних полостей (последнее характерно при работе пневмоустановок с камерными питателями) вероятность нарушения устойчивости повышается; рабочая точка А смещается в область более низких скоростей воздуха Это утверждение подтверждено экспериментальными исследованиями [4, 5] и опытом эксплуатации пневмотранспорт-ных установок.
Дросселирование системы кажется ошибочным, поскольку появляются дополнительные затраты энергии Однако если учесть, что с повышением степени за-дросселированности возможно осуществить транспорт при более низких скоростях или повысить устойчивость работы пневмотранспортной установки, то этот прием может оказаться полезным. Этот вывод при нахождении рабочей точки на левой ветви Р—и диаграммы подтверждает неравенство (1). Действительно, поскольку сопротивление дросселирующего устройства пропорционально квадрату скорости, а общее сопротивление обратно пропорционально, то повышение доли потерь давления в дросселирующем устройстве приведет к уменьшению [дну ], следовательно, при применении той же воздуходувной машины разность меж-
ду их градиентами увеличивается, значит и устойчивость работы повышается. С энергетической точки зрения положительное влияние дросселирования на устойчивость процесса объясняется тем, что при возмущении, например, при повышении производительно -сти, скорость воздуха снижается в соответствии с характеристикой воздуходувной машины, внутренним объемом полостей воздухоподводящего оборудования, величиной утечек. Следовательно, уменьшаются затраты энергии в дросселирующем устройстве (пропорционально квадрату скорости). Высвобождающаяся в результате этого гидравлическая энергия воздуха будет способствовать поддержанию устойчивости процесса транспортирования в материалопроводе.
Приемно-питающие устройства пневмотранспорт-ных установок - важнейший их элемент, оказывающий существенное влияние на энергетические показатели процесса и на его устойчивость. При этом следует иметь в виду, что энергия в приемно-питающих устройствах расходуется не только на их привод или гидравлическое сопротивление, но и теряется в виде утечек или нерационально сбрасывается в определенные периоды работы установки. Последнее характерно для камерных питателей, в которых после разгрузки следует период сброса сжатого воздуха из камеры. Кроме того, питатель часто определяет устойчивость работы всей системы пневмотранспорта. Во многом именно одна из его характеристик - функция изменения производительности питателя во времени Ом (г) является решающей в обеспечении устойчивости работы.
Перечисленные факторы, их влияние на энергозатраты процесса пневмотранспортирования и его у стой-чивость не являются исчерпывающими, однако во многих случаях они оказываются определяющими для выбора рациональных режимов работы пневмотранс-портной системы. Рассмотренная здесь лишь качественная сторона влияния режимов и характеристик пневмотранспортного оборудования на затраты энергии и устойчивость процесса позволяет наметить пути к повышению технико-экономических показателей пневмотранспортных установок. Количественный анализ предполагается выполнить путем компьютерного анализа разработанной математической модели [7, 8] с последующей экспериментальной проверкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Володин Н. П. Снижение энергоемкости мельничных пневмотранспортных установок. - М.: Колос, 1978. - 264 с.
2. Заборсин А.Ф., Васильева Т.К. Пневмотранспорт сахара в пищевой промышленности. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. -264 с.
3. Разумов И.М. Пневмо и гидротранспорт в химической промышленности. - М.: Химия, 1979. - 248 с.
4. Тарасов В.П. Совершенствование работы нагнетающих пневмотранспортных установок: Автореф. дис. ... кавд. техн. наук. - М.,1986. - 15 с.
5. Разработка пневмотранспортной установки муки пото -ком высокой концентрации производительностью 10 т/ч: Отчет Алтайского политехнического института: Г.Р. № 01860098832. - Барнаул, 1990. - 43 с.
,= 1
6. Зенз Ф. Графический метод анализа системы из твер -дых частиц и газа: процессы в кипящем слое: Пер. с англ. / Под ред. Д.Ф. Отмера. - М.: Гостопиздат, 1958. - 205 с.
7. Тарасов В.П. Элементы теории работы однотрубной пневмотранспортной установки // Изв. вузов. Пищевая технология. -2005. - № 5-6. - С. 81-85.
8. Тарасов В.П., Лямкин Е.С., Тарасов А.В. Особенности расчета, проектирования и наладки нагнетающих пневмотранспортных установок зерноперерабатывающих предприятий // Хлебо -продукты. - 2007. - № 11. - С. 41^3.
Поступила 06.11.08 г.
REASONS OF THE APPEARANCE OF VAGARY WHEN FUNCTIONING PNEUMATIC TRANSPORT INSTALLATION
VP. TARASOV, E.S. LYAMKIN, A.V. TARASOV
Polzunov Altai State Technical University,
NPO «Altaizernoproekt»,
46, Leninapr., Barnaul, 656099; ph./fax: (3852) 26-05-54; e-mail: ptul10@mail.ru
This research paper analyzes the causes of high power consumption, the appearance of functional pneumatic transportation machines and applied equipment, and the influence of this instability pneumatic transportation process.
Key words: pneumatic transportation, stability, power consumption.
621.31.004.18
РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ ДИАГРАММ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Ю.П. ДОБРОБАБА, А.А. ШАПОВАЛО
Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: ener go@.ktg. gazprom.ги
Автоматизация технологических процессов в пищевой промышленности осуществляется на основе электроприводов переменного тока (асинхронный двигатель-частотный преобразователь). Проанализированы существующие опти -мальные по быстродействию диаграммы изменения скорости электроприводов постоянного тока. Показано, что их применение для электроприводов переменного тока приведет к несанкционированным изменениям скорости исполни -тельных органов технологических установок. Предложено три вида оптимальных по быстродействию диаграмм изме -нения скорости электроприводов переменного тока.
Ключевые слова: электропривод переменного тока, диаграмма изменения скорости.
диаграмма для малых изменений скорости электроприводов с ограничением 3-й производной скорости, состоящая из трех этапов;
диаграмма для средних изменений скорости электроприводов с ограничением 2-й и 3-й производных скорости, состоящая из пяти этапов;
диаграмма для больших изменений скорости электроприводов с ограничением 1, 2 и 3-й производных скорости, состоящая из семи этапов.
На рис. 1 представлена оптимальная по быстродействию диаграмма для малых изменений скорости электроприводов, которая сформирована следующим образом. На первом и третьем этапах 3-я производная скорости электропривода равна максимальному значению ®13х; на втором этапе 3-я производная скорости электропривода равна максимальному значению со знаком «минус» —. Длительность первого и третьего этапов /ь длительность второго этапа 2/ь В момент времени /1 2-я производная скорости электропривода достигает максимального значения ; в момент времени 3/1
2-я производная скорости электропривода достигает максимального значения со знаком «минус» —. В момент времени 2/1 1-я производная скорости электро-
Автоматизация технологических процессов на предприятиях пищевой промышленности осуществляется на основе электроприводов переменного тока, выполненных по схеме «асинхронный двигатель-частотный преобразователь».
Для электроприводов постоянного тока, выполненных по схеме «двигатель постоянного тока-тиристор-ный преобразователь», используются следующие два вида оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости:
диаграмма для малых изменений скорости электроприводов с ограничением 2-й производной скорости, состоящая из двух этапов;
диаграмма для больших изменений скорости электроприводов с ограничениями 1-й и 2-й производных скорости, состоящая из трех этапов.
Реализация данных оптимальных по быстродействию диаграмм в электроприводах переменного тока приведет к несанкционированным изменениям скорости исполнительных органов технологических установок.
Проведенные исследования позволяют предложить для электроприводов переменного тока следующие три вида оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости:
