CC BY
32
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 порцшному 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
режима движения.
Экспериментальные исследования режимов движения аэросмесей в области-нестабильных состояний (волнового, порционного, дюнообразного и микробросками) показали [4], что даже малые возмущения начальных условий динамической переменной или параметров самой являются оптимальными с точки зрения минимизации энергетических затрат на процесс транспортирования. Для данных режимов характерно равенство или относительно небольшая разность скоростей движения несущей среды и твердой компоненты.
Основной материал
Движение аэросмесей в пневмот-ранспортном трубопроводе рассматривается как движение двухфазной среды "воздух - твердые частицы". Механика аэросмесей описывается на основе общих законов сохранения массы, импульса и энергии для каждой составляющей в некотором фиксированном в пространстве
динамической системы (давления, скорости воздушного потока, угла атаки струи и т.д.) приводят, в значительной мере, к изменению результирующего движения.
Порционный и волновой режимы движения аэросмесей, занимающие промежуточное положение в иерархии режимов пневматического транспортирования, объеме смеси К, ограниченном поверхностью 5. При этом учитывается взаимодействие не только с внешней (по отношению к выделенному объему) средой, но и соответствующий обмен массой, импульсом и энергией между составляющими внутри рассматриваемого объема. Основные уравнения имеют вид [7]:
- уравнения сохранения масс
(1)
(¿ = 1,2,...Л0; - уравнения импульсов каждой составляющей
- балансовые уравнения
Л"
- | р.Е^МБ- | + | ^ Е^вУ
5 IV V
(2)
дt
-
(3)
Здесь Р; - приведенная плотность составляющей 5 единичного объема смеси V, V; - скорость, 5 - поверхность, ограничивающая рассматриваемый объем смеси, N - совокупность континуумов, - характеризует интенсивность перехода массы из j-ой в ью составляющую (или наоборот).
В уравнении (2) первое слагаемое второй части соответствует притоку импульса ьой составляющей через поверхность 5, второе и третье слагаемые - воздействию внешних поверхностных и массовых сил, приходящихся на ью составляющую и характеризуемых тензором о*1. Векторы д., Р,-; - характеризуют интенсивность обмена импульсом между j-ой и
ьой составляющими. В балансовом уравнении энергии (3) первое слагаемое правой части соответствует притоку энергии ьой составляющей через повехность второе и третье - работе внешних поверхностных и массовых сил, приходящихся на ью составляющую, Е^ - интенсивности обмена энергией между ьой и j-ой составляющими, последнее пятое слагаемое представляет поток тепла через поверхность характеризуемой вектором~д..
В соответствии с блок-схемой управления движением аэросмесей впневмотранспортном трубопроводе, трансформация структуры пристенного
верхнем воздействии воздушного потока волновое течение аэросмесей с неподвижным придонным слоем может осуществляться в форме кривой приближенной к синусоиде, а при движущемся придонном слое - в той же форме, но усеченной в ее верхней части.
В качестве физической области те-
течения аэросмесей, путем генерации вихревых структур, рассматривается для поступательного режима движения при дополнительном подводе воздушного потока посредством сопел-побудителей. Сопла-побудители расположены в верхней или нижней части пневмотранспорт-ного трубопровода. Как известно, в этом случае возможны два основных режима движения аэросмеси - волновой и порционный.
Рассматривается волновой режим движения аэросмеси при верхнем и нижнем воздействии воздушного потока. При
чения для этого случая принимается канал пневмотранспортного трубопровода, на нижней поверхности которого расположен сыпучий материал со свободной поверхностью волнообразной формы (рис. 1). В неподвижной системе координат уравнение волнообразной границы имеет вид [8]:
2 71
v = In | а ■ cos—х — b
А 4
где Л - безразмерная длина волны; л, - величины, связанные с амплитудой волны.
Положение профиля определяется координатой его средней точки XQ и расстоянием Н между задней кромкой профиля и вершиной волны. Предполагается, что в начальный момент времени профиль
а~ sin- —х
(4)
начинал движение из состояния покоя:
dxr
t = 0, х, = О,
dt
= О,
Рис. 1. Схема формирования волновых вихревых структур в пневмотранспортном
трубопроводе
Рассматривая волновой режим движения аэросмеси как неустановившееся плоское движение в неглубоком сосуде большой протяженности с твердым дном у = —ЫХ) и со свободной граничной поверхностью у = Т}{х,€). для высоты слоя г) уравнение движения может быть записано [9]:
д2г]
дь2
Га—
дх V дх
= 0.
(5)
Для ровного днища (к = соп5{:) следнее уравнение приводится к уравнению гиперболического типа
д2к д2-п -~дк — = 0.
дt
дх2
(6)
Общее решение уравнений выражается через две приозвольные функции
где с0 = Д и /2 определяются через начальные и граничные условия.
Последняя зависимость дает решение в виде суммы двух волн движущихся со скоростью а функции Д и /2 определяют форму этой волны.
Скорость распространения возмущений (волны на свободной поверхности) определяется
с = -
откуда следует, что верхние участки волны, для которых возвышение больше, движутся с большей скоростью, чем нижние.
В рамках теории "мелкой воды" распространение волн для высоты слоя
описывается акустическим
уравнением
д'-И (д д,.д{
где к = к(х, у) - глубина сосуда.
Структурированное движение аэросмесей в пневмотранспортном трубопроводе сопровождается возбуждением и поддержанием колебаний в пределах отдельно взятой волны или порции. Предположив, что движущийся газоматериальный поток, рассматриваемого объема, является квазипотенциальным, и пренебрегая диссипацией колебательной энергии, можно рассматривать поток в пределах отдельной порции или волны, как автономную консервативную систему. В этом случае, каждая частица аэросмеси, находящаяся в определенном сечении трубопровода (как поперечном, так и продольном), совершает периодические колебания. Следует предположить такую же периодичность процесса и во всей рассматриваемой системе. Иными словами, любое начальное распределение частиц по поперечному и продольному сечениям трубопровода, взятое в любой произвольный момент времени, воспроизводится через период времени т. Общая оценка устойчивости колебательного процесса, наблюдаемого в эксперименте [6, 14], осуществляется на базе оценки устойчовости положения равновесия внутренней границы потока.
Квазипотенцианый поток вихревого элемента в сечении трубопровода обладает скоростью У, плотностью р и давлением Р (рис. 2). Компоненты скорости по осям цилиндрических координат
-'.. Уравнение быстрых движений для элементарного объема, прилегающего к внутренней границе потока, записывается следующим образом [10]:
йит 2ип£
¿1
1 др р дг'
№
(8)
где £ - коэффициент интенсивности пульсаций.
Рис.2.Схема вихрей в зоне дополнительного подвода воздушного потока
Радиальный градиент давления
где с - скорость звука. Учитывая закон сохранения массы (уравнение неразрывности) элементарного объема P&V = const,
где Af - элемент объема; к - коэффициент деформации.
После подстановки уравнение (1)
примет вид
dU (sUI a2rk \
— 2 ( —----г). (13)
dt
rL _ r-
Устойчивость положения равновесия внутренней границы потока оценивается по методике [11]. При периодическом движении системы определяющие параметры имеют экстремальное значение, т.е.
/ 1 1
Ал
-14. = (1+)
Исходя из того, что в состоянии равновесия величина
2Я2В11
v ~~ "• I; (15)
параметр А и координата лВК связываются соотношением
I
¡2-А
(16)
а параметр А определяется
А =
2(1-Щ
(17)
Устойчивость состояния равновесия определяется знаком производной (10) по Я: равновесие в точке Я = ЯЕЕ устойчиво, если /д (ЛЕ[ш.,,1) < 0 и неустойчиво, если
Приравнивая Я=ЯЕЕз и подставляя значения А и 5 в положении равновесия, устойчивость состояния равновесия составит
Г(ЯЛя,А) = -В
'2-Я
< 0,
где В - константа.
Положение равновесия внутренней границы потока является устойчивым, что подтверждается возможностью реализации движения газо-материального потока в заданном режиме. Колебательный характер движения потока является присущим ему свойством, и влиять на него можно с помощью управляющих параметров [4.. .6].
Анализ экспериментальных данных
показывает, что для порционного и волнового режимов движения аэросмесей характерна строгая периодичность течения процессов. При этом, на основные колебания накладываются вторичные колебания, на порядок превышающие основные колебания. Можно предположить, что основные колебания детерминируются общим преодолением сопротивлений движению порционной или волновой структуры, а вторичные - внутриволновыми и внутрипорционными процессами. Для дюнообразного режима движения с перекатыванием отдельных частиц наблюдается сглаженность процессов. Для всех трех рассматриваемых режимов физико-механические свойства, транспортируемых сыпучих материалов, влияя на величину основных колебаний, существенным образом не сказываются на характер протекающих процессов.
Помимо колебательных процессов, вызванных структурированным движением аэросмесей в порционном или волновом движении, в пневмотранспортном трубопроводе имеют место течения с ударными волнами сжатия и разрежения.
В период стационарной работы установки, при исследуемых нетрадиционных режимах движения аэросмесей, нестационарность протекающих осцилляци-онных процессов, по видимому, так же может быть связана как с нестационарностью граничных условий в месте инициирования и возникновения волн сжатия -разрежения, так и со сравнительно большими расстояниями, при которых волны, даже при стационарных граничных условиях, несколько видоизменяют свою структуру. С позиции ударных волн [13], основанной на уравнении Бюргерса -Кортевега - де Вриза, в предположении о
Возникают они в начальный период пуска установки (неустановившийся режим работы пневмотранспортной установки) и в начальный период восстановления движения нарушенной структуры после внезапного или аварийного падения давления [12]. Главная особенность этих ударных волн в аэросмесях состоит в том, что они имеют осцилляционную структуру, связанную с пульсациями давлений в мате-риалопроводе, в следствие чередования объемов воздуха и твердых компонентов, инерции частиц сыпучего материала по поперечному сечению трубы, изменения концентрации аэросмеси и дополнительного энергетического воздействия воздушного потока вдоль и по поперечному сечению трубы.
Приняв допущения о несущественности массовых сил, о равенстве всех параметров аэросмеси и их независимости от координаты х для однородной монодисперсной смеси, уравнения импульса среды, сохранения массы и сжимаемости несущего потока могут быть записаны в виде [13]:
(18)
распространении волн только в одном направлении вдоль пневмотранспортного трубопровода, отсутствии отраженных волн и эффекта теплоотдачи, сделана попытка объяснения полученных результатов в эксперименте [14].
Уравнение БКдВ, описывающее распространение приведенного возмущения й и приведенного возмущения р в системе координат движущейся вдоль оси х с предельной скоростью звука относительно невозмущенной среды [5] имеет вид
du ди д2и
dp dp 1 д2р 1 д3
——h р —-----
dt flf Redij3 и-и<,
д3и
(l£ = Ujp)
1 д*р 1 д*р „ , ч
--^-7 = 0Д = 0.:р(<и) = <РЮ,
су ос
(19)
Предельное возмущение давления, отнесенное к амплитуде исходного возмущения Лрв При данной исходной форме возмущения ^СО, ее эволюция определяется параметрами Re и а в уравнении БКдВ, характеризующими, диссипацию.
Эти параметры определяются как физическими свойствами и состоянием среды, так и характеристиками исходного импульса, в часности, его амплитудой ¿Pô-
В уравнении диссипации
(Д, = 0 или = 0) уравнение БКдВ сводится к
ди ди д~и
(20)
При отсутствии диссипации = 0 или Де-1 = О) уравнение БКдВ сводится к уравнению Кортевега - де Вриза (КдВ)
ди ди д3и
(21)
Уравнение КдВ имеет аналитическое решение, соответствующее уединенной стационарной волне (солитону), распространяющейся с постоянной скоростью без изменения своего профиля
(22)
Относительно не возмущенной среды со-литон движется со скоростью Сс. — ~рг_.,
т.е. тем быстрее, чем больше его амплитуда сжатия Ро Характерная толщина соли-тона
Если в качестве £ „ входящего в выражение для параметра взять толщину рассматриваемого солитона (¿к = О такую, что и(1) ^ 0,42-р^, то
„ Pc- 2 Pc-
12.
Эволюция импульса заданной исходной формы, в зависимости от его амплитуды, длительности, исходного давления и физических характеристик движущейся среды, определяется параметрами йр и (Т. В пневмотранспортном трубопроводе при волновом, порционном и дюно-образном режимах движения аэросмесей так же можно выделить осцилляционные процессы в виде волнового пакета и соли-тонов (рис. 3), реализация которых определяется теми же параметрами Re и о. Волновой пакет характерен для волнового и порционного режимов движения аэросмесей. Движущиеся солитоны соответствуют случайному формированию структуры аэросмеси в виде порции или волны при движении в дюнообразном режиме с перекатыванием отдельных частиц по верхней границе гряды.
Рис. 3. Распределение колебаний давления в пневмотранспортном трубопроводе: а - в виде волнового пакета; б - в форме солитона
Предложены, теоретически обоснованы, экспериментально исследованы и частично реализованы в виде опытно-промышленных образцов следующие разновидности пневмотранспортных установок: с поступательным и поступательно-вращательным порционным неуправляемым и управляемым движением аэро-сммеси; с волновым движением флюидо-зированного материала; с вращательным вихревым движением хорошо сыпучих материалов; пневмовибрационные установки для перемещения увлажненных и влажных сыпучих материалов.
На основе исследования явления сверхтекучести сыпучих материалов разработан ряд специальных загрузочных устройств непрерывного действия, обеспечивающих работу пневмотранспортных установок нового типа.
Хорошие технико-энергетические показатели пневмотранспортных установок с порционным и волновым режимом движения достигаются снижением рабочих скоростей перемещения аэросмесей до 3.. .8 м-с-1 в сравнении с традиционными 15...35 м-с-1, снижением давления в транспортном трубопроводе до 0,2.0,3 МПа вместо 0,4.0,6 МПа при одновременно резком повышении массовой концентрации.
Выводы
Результаты исследований показали:
1. Улучшение технических показателей пневмотранспорта сыпучих материалов может быть достигнуто увеличением массовой концентрации перемещаемых аэросмесей при одновременном снижении скорости их движения. Интенсификация массопереноса достигается созданием завихренности потока, энергетической подпиткой посредством вдуваемых дополнительных воздушных струй, вибрационным воздействием на сыпучий материал или объединенным действием нескольких факторов.
2. Обосновано влияние принудительно созданных вихревых структур на пристенное движение аэросмесей в пневмотранспортном трубопроводе. Шаг воздействия импульсных воздушных струй детерминируется стойкостью формирующихся когерентных вихревых структур, вихревые структуры должны быть стойкими относительно возмущений скорости потока аэросмеси.
3. В пневмотранспортном трубопроводе возникают колебательные процессы, обусловленные структурным движением аэросмесей, и колебания, вызванные волнами сжатия-разрежения газоматериального потока. Структурированное движение аэросмесей сопровождается возбуждением и поддержанием колебаний в пределах отдельно взятой волны или порции. Колебательный характер движения потока аэросмеси является присущим ему свойством и влиять на него можно с помощью управляющих параметров.
4. Объяснение явлений протекающих в пневмотранспортном трубопроводе при движении аэросмесей с использованием нестационарных режимов мас-сопереноса (порционный или волновой), позволяет осуществить ряд новых технических решений, направленных на улучшение энергетических показателей пнев-
мотранспортной установки и улучшение экологии окружающей среды.
Список литературы.
1. Гущин В.М. Нова концепщя та ïï реалiзацiя в розробках високоефективних засобiв пневматичного транспортування сипучих матерiалiв. / В.М. Гущин // Ма-шинознавство, 2000, №2 (23). - С. 39 - 43.
2. Волошин А.И. Механика пнев-мотранспортирования сыпучих материалов. / А.И. Волошин, Б.В. Пономарев - К.: Наукова думка, 2001. - 519 с.
3. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. / А.Е. Смолдырев. -М.: Недра, 1980. - 293 с.
4. Гущин В.М. Анализ режимов движения аэросмесей в пневмотранспорт-ном трубопроводе. / В.М. Гущин, О.В. Гущин // Вюник Донбасько державноï машинобудiвноï академп. - Краматорськ, 2010, №1 (18). - С. 78 - 83.
5. Гущин В.М. Современные тенденции совершенствования пневмотранспорта сыпучих материалов. / В.М. Гущин // Автомобильный транспорт. / ХГАДТУ. - Харьков, 2000 Вып. 5. Совершенствование машин для земляных работ. - С. 33 - 35.
6. Гущин О.В. Пневмотранспорт сыпучих материалов в порционном режиме движения. / О.В. Гущин // Сб. научн. тр. Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск, НАвч. книга, 2002 - Т. 2, №13. - С. 22 - 25.
7. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред, ч. I. / Р.И. Нигматулин. -М.: Наука,Гл. ред. физ. - мат. лит. 1987. -464с.
8. Калугин Е.Н. Течение вязкой несжимаемой жидкости вдоль бегущей волны (численные эксперименты). / Е.Н. Калугин, В.И. Панчук // Бионика. - 1970. Вып. 4. - С. 104 - 110.
9. Лаврентьев М.А. Проблемы гидродинамики и их математические модели. / М.А. Лаврентьев, Б.В. Шабат. - М.: Наука, 1973. - 416с.
10. Карышев Ю.Д. Дифференциальные уравнения разделенных движений закрученного потока газа. / Ю.Д. Карышев. Динамика систем, механизмов и машин. Матер. междун. научн. техн. конф. -Омск. ОМГТУ, 1995. - Кн. № 1. - С. 86 -95.
11. Бутенин Н.В. Введение в теорию нелинейных колебаний. / Н.В. Бутенин, Ю.И. Неймарк, НА. Фураев. - М.: Наука, 1976. - 384с.
12. Гущин В.М. Восстановление структуры движения аэросмесей в пнев-мотранспортном трубопроводе. / В.М. Гущин // Весн. Нац. техн. ун-та Украины «КПИ», Машиностроение. - Вып. 38. Т. 2. - С. 158 - 162.
13. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред, ч. II. / Р.И. Нигматулин. -М.: - 1987. - 380с.
14. Гущин В.М. Потери напора при порционном режиме движения сыпучих материалов в транспортном трубопроводе. / В.М. Гущин, О.В. Гущин. // Весн. «ХПИ». Вып. 48. Подъемно-транспортная техника и технология. - Харьков, 1999. -С.115 - 118.
Аннотации:
Разработка новых высокоэффективных энергосберегающих способов пневматического транспортирования сыпучих материалов базируется на использовании классических уравнений механики сплошных сред. Объяснены явления, протекающие в пневмотранспортном трубопроводе при перемещении аэросмесей при нетрадиционных режимах дваижения. Показано, что при волновом и порционном движении аэросмесей в пневмотранспортном трубопроводе возникают осцилляционные процессы, способствующие сохранению заданных режимов. Последнее позволяет наметить ряд новых технических решений, направленных на снижение энергоемкости транспортирования.
Ключевые слова: пневмотранспорт, аэросмесь, трубопровод, колебательные процессы.
Розробка новггшх високоефективних енергозбережних засоб1в пневматичного транспортування сипких матер1ал1в базуються на вико-ристанш класичних р1внянь мехашки суцшьних
середовищ. Пояснено явища, як1 мають мюце у пневмотранспортном трубопровод1 при нетра-дицшних режимах руху аеросумшей. Показано, що хвильовий та порцшний рух аеросумшей у пневмотранспортном трубопровод! супровод-жуеться осцшляцшш процеси, що допомагають збереженню заданих режим1в руху. Останне доз-воляе розробити новггш техшчш ршення, щодо зниження енергоемносп транспортування.
Ключовi слова: невмотранспорт, аеро-сумш, трубопровод, коливальш процеси.
Development of new high-efficiency ener-
gysaving methods of pneumatic trans-portirovaniya of friable materials is based on the use of classic equalizations of mechanics of continuous environments. The phenomena, flowings in a pnevmotransportnom pipeline at peremesche-nii of aeromixtures at the untradi-tional modes of dvaizheniya, are explained. It is ro-tined that at wave and a la carte motion of aeromix-tures in a pnevmotransportnom pipeline there are os-cillyacionnye processes, cooperant the maintainance of the set modes. The last allows to set the row of new technical decisions, directed on the decline of power-hungryness of portage.
Keywords: pnevmotransport, aeromixture, pipeline, swaying processes.
УДК 629.424.1:621.319.4
ПРИЛЕПСЬКИЙ Ю. В., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ); ЧЕРНЯК Ю. В., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ); ГРИЦУК I. В., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ);
ЩИПАК С. В., начальник технiчного вщдшу (Ясинуватська дирекцiя перевезень ДП
«Донецька залiзниця»);
ДОРОШКО В. I., зав. лабораторieю (Дон1ЗТ);
ТАРАСЕНКО Ю. В., студентка (Дон1ЗТ).
Визначення та зниження впливу збурюючих фактор1в на роботос-пром1жн1сть рекуперативноУ системи тепловозу з електричною передачею
Актуальн1сть
Ефектившсть використання рекупе-ративних систем зростае разом iз тдви-щенням нерiвномiрностi руху по'1'зду при частих гальмуваннях та тягових режимах, або при змш напрямку руху. З вищеска-заного можливо зробити висновок, що на залiзничному транспортi найбiльший ефект вщ використання системи рекупе-раци електрично'1 енергл може бути отри-мано на маневрових тепловозах з елек-
тричною передачею, де спостерiгаeться найбiльша нерiвномiрнiсть руху.
Одним з найбiльш прийнятних накопичувачiв для потужних електричних рекуперативних систем е конденсатори надвелико'1' емносп, що вiдрiзняються вiд акумуляторiв низьким внутршшм опором, значно бшьшим термiном роботи й некритичнiстю до глибокого розряджання /1/. Разом з тим, для конденсаторiв харак-терним е те, що 1'х напруга змшюеться пропорцiйно ступеню зарядженостi, а це
