Прикладная теория конструирования транспортных систем экстракционных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

664.123.4.001.24

ПРИКЛАДНАЯ ТЕОРИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ЭКСТРАКЦИОННЫХ АППАРАТОВ

А. А. СЕРЕГИН, Н. Н. ПУШАНКО

Киевский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт пищевой промышленности

При расчетах конструкций транспортных систем экстракторов первостепенной задачей является выбор оптимальной конфигурации и размеров их элементов с целью обеспечения устойчивого проти-воточного движения твердой и жидкой фаз.

Устойчивое перемещение свекловичной стружки в противотоке с экстрактом при непрерывном изменении ее деформативных характеристик возможно лишь при наличии постоянно действующих внутренних связей между частицами твердой фазы в сокостружечной смеси.

Полный разрыв или прерывистое нарушение этих связей происходит при уменьшении локальных значений удельного наполнения ниже 500 кг/ж3; увеличении относительной скорости движения подвижных и неподвижных элементов транспортных органов сверх допустимых для данного типа конструкции аппарата; неправильном взаимном размещении лопастей и контрлопастей.

Это приводит к ухудшению транспортирующей способности устройств, и тогда они выполняют роль мешалок, снижая производительность аппаратов и ухудшая их технологические показатели.

Используемые в расчетах основные уравнения механики деформируемой среды выводятся исходя из условий неразрывности функций компонентов перемещения и всех их частных производных.

Если структурно-механические свойства среды изменяются непрерывным образом по длине аппаратов, то среда расчленяется на отдельные области, в пределах которых механические свойства являются постоянными либо непрерывно изменяющимися функциями.

Первые попытки аналитического описания закономерностей перемещения сокостружечной смеси в силовом поле транспортной системы проведены в работе [1]. Решение задачи осуществлялось применительно к колонным диффузионным аппаратам свеклосахарного производства, однако принципы, положенные в описание силового взаимодействия между сокостружечной смесью и элементами транспортной системы, универсальны.

Перемещение сокостружечной смеси в наклонных, колонных аппаратах осуществляется с помощью транспортных систем шнекового и лопастного типов.

Решение этой задачи применительно к различным конструкциям получено интегрированием уравнений равновесия и совместности [1]. Они описывают полубесконечные пространства и дают значительную погрешность при описании реальных механических систем.

В связи с этим, учитывая особенности граничных условий и сложность конструктивных элементов, целесообразно использовать численные методы расчета для исследования поля напряжений в твердой фазе по ячейкам экстрактора. Результаты таких расчетов создают базу для экспериментальных исследований перемещений взаимодействующих фаз и оптимального конструирования рабочих органов.

На рис 1 представлен плоский рабочий орган 1,

< нншнтн.н1

(Г

Рис 1 Схема взаимодействия элемента транспортной системы и сокостружечной смеси

на который при движении воздействуют нормальные а и касательные т напряжения. Расположенный над ним слой сокостружечной смеси 2 разбит на слои и отдельные ячейки.

Рассмотрим взаимодействие элемента транспортной системы и сокостружечной смеси, используя метод конечных элементов. Предполагаем, что смесь состоит из однородного изотропного упругопластического материала. Метод конечных элементов заключается в разделении рассматриваемой области реологического тела на ряд подобластей, в каждой из которых неизвестные поля имеют простое аналитическое выражение с точностью до нескольких констант. Задача состоит в определении этих констант из вариационных принципов или условий совместности.

В нашем случае сокостружечная среда разбита на треугольные конечные элементы (рис. 1). Перемещение каждой из вершин треугольника /, /, т (рис. 2) выражается компонентами щ, и£-, щ, У/, ит, х)т, которые являются основными неизвестными задачи.

Шесть компонентов перемещений образуют для каждого элемента шестимерный вектор

и-1

VI

щ

VI

Пт V т

>

(П

Перемещение в пределах рассматриваемого конечного треугольного элемента г, /, т зададим в виде линейных зависимостей от координат

и = <%1 -\-а.2Х-\-аз у; V = а,4~1-<Х5Х=а.в у,

(2)

где И], а2...аб — коэффициенты, которые в пределах каждого элемента сохраняют постоянные значения.

Поскольку зависимости (2) являются уравнениями прямых (при и, V постоянных), совмещение вершин двух соседних элементов, скажем г и /, обеспечивает совместимость перемещений на общей

границе этих элементов. Коэффициенты а], аг... осе можно определить, если известны перемещения вершин элемента.

Для перемещений щ, Ы/, ит справедливы уравнения

и/ = а 1 +а2^/+аз Ун

■■а\~\-аіХі+азу;-, ит = аі-(-аг^ш ~Ьаз у т.

(3)

Аналогичные уравнения (3) можно записать для

Иг, М,', Иш, ИЗ КОТОРЫХ ЛеГКО Определить «1, 0С2-.. «6-

Подставляя их в (3), получим:

где

и =^д[ (а. +6;* +с-,у)иі +{а, +Ь,х +с,у)иі + {ат ~\~ЬтХ -\-Сту)ит^ ,

V = (а‘ +Ь‘Х +(а/ +4/* +с/£/М +

' 1 ' 1 - >т],

(4;

-)-(Ят

«!/ =^(с;г>/+с^/+сті)т) ; (5)

Уху = у2^(с/И/ +С/М,- +стыт +6,у,' +6/і>/ +6ту „,)■

Используя матричную форму записи, получим.

|е} = м гу 17« ■= 1 Та

Ьі 0 ь, ■ 0 Ьт 0

0 Сі 0 Сі 0- С т

Сі или Ьі С/ ь. Сщ Ьт

{«}.

(6)

В зависимости от свойств сокостружечной смеси матрица О может принимать различный вид. Эти изменения учитываются алгоритмом решения данной задачи. Матрицы О и В содержат всю информацию о рассматриваемом реологическом теле: матрица О определяет физико-механические свойства, а матрица В — геометрические характеристики каждого конечного элемента. Для практического использования в матрице используются результаты ранее приведенных исследований структурно-механических свойств сокостружечной смеси в диапазонах, предпочтительных для аппаратов данного типа. На практике для снижения погрешности метода сетку конечных элементов необходимо сгущать. Путем задачи более сложных деформированных состояний в пределах одного элемента можно повысить порядок аппроксимации.

В КТИПП разработан универсальный пакет прикладных программ, предназначенный для решения инженерных задач конструирования в диалоговом режиме, в основу которого положен предложенный метод. С помощью представленной прикладной теории получены зависимости, позволяющие оптимизировать основные параметры транспортной системы, размеры подвижных элементов, геометрическую форму рабочей поверхности, взаимное размещение подвижных и неподвижных элементов в аппарате.

Разработанная теория и ее практическое применение позволили КТИПП совместно с Болоховским машиностроительным заводом разработать и изготовить принципиально новый тип диффузионного аппарата колонного типа с оригинальной конструкцией транспортной системы, укомплектованной лопастями с профилем, показанным на рис 3.

£3/ —X ¡у т ХтУ'1, С/ —X щ X¡, 1)1 —¿/у У гг 1 XI У;

2Д = 1 Х\ у,

1 Хщ У т

Коэффициенты а, Ь, с с другими индексами получаются с помощью циклической перестановки и поэтому здесь не приводятся. Формулы (4) позволяют выразить перемещения в любой точке внутри треугольного конечного элемента через перемещения его вершин. Применяя формулы, описывающие деформации упругопластического тела (5), можно выразить деформации внутри конечного элемента г, /, т через, перемещения вершин треугольника:

В* =^д(6;И<+&/£'/+&тЫт);

|е}=[В]{6}. (7)

Для перехода от деформации тела к напряжениям используем уравнения механики сплошной

среды, которые в матричной форме будут иметь

следующий ВИД-

{а, =[£>]{в,. ‘8)

Рис 3. Форма поперечного сечения лопасти новой кон струкции

Его технико-экономические показатели значительно превосходят показатели существующих конструкций. Аппарат обладает меньшей массой, большей производительностью по сравнению с базовым КД2А-30, корпус й транспортные элементы его выполнены из двухслойных сталей. Аппарат готовится к испытаниям на Купянском сахарном заводе.

В настоящее время на сахарных заводах эксплуатируется ряд модификаций колонных диффузионных установок КДА-20, КДА-25, КДА-30 с большим износом элементов транспортных систем Для аппаратов таких типов с учетом их основных параметров (диаметр корпуса, диаметр трубовала и высота аппарата) разработаны методики подбора профиля и размещения лопастей и контрлопастей.

Выполненная на 22 сахарных заводах модернизация транспортных систем увеличила срок службы диффузионных установок в 1,5—1,7 раза. За 11 лет эксплуатации в работе модернизованных транспортных систем отказов не было

Анализ представленных данных о работе сахарных заводов показывает что на тех заводах, где

имелись условия увеличения производительности диффузионных установок, после модернизации она выросла на 10—30% от достигнутой ранее. При этом наблюдалось снижение потерь сахара в жоме до 0,3—0,35% к массе свеклы. Мощность, потребляемая приводом трубовала, уменьшилась на 35—40%. Полученная экономическая эффективность только на 5 заводах, по данным Укрсвекло-сахагропрома, составила 3,7 млн. рублей в год.

ВЫВОДЫ

1. Описание процесса перемещения твердой фазы в экстракторах под воздействием рабочих органов, выполненное с применением метода конечных

элементов, является основой создания экономических транспортных систем.

2. Использование численных методов решения позволило получить оптимальные формы профилей рабочих органов.

ЛИТЕРАТУРА Н., Серегин

Пушанко Н. Н., Серегин А. А. Перемещение свекловичной смеси в колонных диффузионных аппаратах//Известия вузов СССР, Пищевая технология,—1980,— № 3,— С. 66.

2. Соколовский В. В. Теория пластичности.— М.-Высшая школа, 1969.— С. 608.

Кафедра технологического оборудования пищевых производств

Поступила 26.12.89

664.1.038.3.002.5

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ АБСОРБЕРОВ ДВУХСЕКЦИОННЫХ САТУРАТОРОВ

В. Б. ВЫСКРЕБЦОВ, В. В. ПОНОМАРЕНКО

Киевский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт пищевой промышленности

емкс неса росо щел( барб в ат П(

И ДВ}

очии

0,7%

саха

коэф

10%

Д;

секц расп на N тура ся, ч ввер пере; жид* реак1 них угле} [«

Одним из основных недостатков типового сатуратора является явление «суммарной щелочности», когда смешиваются порции сока различной степени обработки и поэтому зоны высокой щелочности, благоприятные для интенсивной адсорбции несаха-ров на кристаллах карбоната кальция, отсутствуют [1, 2]. Это приводит к снижению эффекта очистки и коэффициента использования диоксида углерода.

Теоретически обосновано и практически доказано [2, 3], что устранить указанные недостатки типового сатуратора можно путем секционирования объема аппарата с выделением зон высокой щелочности, а повысить использование диоксида углерода — путем увеличения времени контакта фаз (например, увеличения высоты слоя жидкости) и устранения факторов, снижающих коэффициент массопередачи. Одним из таких факторов является то, что сатурационный газ подается в аппарат, не насыщенный парами воды. Известно [4], что в случае предварительного насыщения сатурационного газа водяным паром коэффициент использования СО2 возрастает.

Одной из перспективных конструкций аппаратов сатурации, позволяющей насытить газ парами воды, выделить зону интенсивной адсорбции несахаров при высокой щелочности раствора и увеличить время контакта фаз, является конструкция двухсекционного сатуратора: 1,2 — распылительные абсорберы;

3, 4 — трубопроводы сокогазовой смеси; 5 — типо-вый барботажный аппарат; 6, 7 — центробежноструйные форсунки; 8 — дефекатор; 9 — насос, 10,

11—трубопроводы подачи сатурационного газа в сатуратор; 12 — контрольный ящик с начальной распылительной ступенью контакта фаз и последующей барботажной ступенью [5].

В первую секцию сатуратора (распылительный абсорбер) подается свежий сатурационный газ и сахаросодержащий раствор с высокими концентрациями реагентов. Нейтрализуется 20—25% извести, что достаточно для зарождения кристаллического карбоната кальция, обладающего значительной

Газ 6 I атмоссреру

(Сатурационный газ

СЭ1

насы в л; абсо| воды за с всле/ Ра пока: полн: миче( можь в жи

адсорбционной способностью. Одновременно происходит насыщение сатурационного газа парами воды до равновесного парциального давления при температуре раствора.

Затем сокогазовая смесь подается под уровень сока во вторую секцию сатуратора (барботажную

Поел

пребь

воды