CC BY
32
Оригинальная статья / Original article УДК 621.22
http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2017-11 -77-84
ТРАНСПОРТИРОВКА МЕЛКОДИСПЕРСНОГО СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА ПОД ИЗБЫТОЧНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
© О.С. Попкова1, С.Ф. Лорай2, А.В. Дмитриев3, Э.Р. Зверева4
1Д4Казанский государственный энергетический университет, Россия, 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51. 2744 Военное представительство Минобороны РФ.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Разработать устройство для внесения и дозирования сыпучего материала при небольших энергетических затратах. МЕТОДЫ. В основу метода положена струйная модель - представление о потоке как о бесконечно большой сумме струек, протекающих через сечение. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Приведены результаты расчетов соотношения диаметров сужения к диаметру подающего трубопровода и к диаметру основного трубопровода от коэффициентов гидравлического сопротивления и плотности потока. По результатам расчетов диаметр сужения d0 должен быть больше диаметра подводящей линии d1, то есть должно выполняться условие d0 < d1 (выполняется при k > 0,8). Установлено, что влияние плотности на соотношение диаметров в сужении и диаметра линии, подводящей поток с твердыми частицами, минимально. Для достижения требуемых параметров процесса необходимо относительно небольшое сужение, что обеспечит достаточно низкие энергетические затраты на проведение процесса пневмотранспорта. Наибольшее влияние параметр k оказывает на соотношение диаметров d0/ dz. При малых значениях kзначения этих параметров могут отличаться друг от друга более чем на 30%. При этом влияние разницы коэффициентов гидравлического сопротивления становится достаточно большим (до 7%), что необходимо учитывать при расчете параметров устройства. ВЫВОДЫ. Представленная методика позволяет определить соотношение диаметров предложенного устройства для транспортировки мелкодисперсного сыпучего материала под избыточным давлением, оптимальным для организации процесса с минимальными энергетическими затратами.
Ключевые слова: транспортирование, сыпучие материалы, пневмотранспорт, трубопровод, дозатор.
Формат цитирования: Попкова О.С., Лорай С.Ф., Дмитриев А.В., Зверева Э.Р. Транспортировка мелкодисперсного сыпучего материала под избыточным давлением // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 11. С. 77-84. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-77-84
CONVEYANCE OF MICROFINE BULK MATERIAL UNDER EXCESSIVE PRESSURE O.S. Popkova, S.F Lorai, A.V. Dmitriev, E.R. Zvereva
Kazan State Power Engineering University,
51 Krasnoselskaya St., Kazan 420000, Russian Federation.
744 Military representative office of the Ministry of Defense of the Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the study is to develop a device enabling introduction and batching of bulk material with low energy costs. METHODS. The method is based on the jet model representing the concept of a flow as an infinitely large sum of streams flowing through the cross section. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The paper presents the calculation results of the ratio of the constriction diameters to the diameter of the supply pipeline and the diameter of the main pipeline from the coefficients of hydraulic resistance and flux density. According to the calculation results, the diam-
1
Попкова Оксана Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ теплотехники, e-mail: oksiny@mail.ru
Oksana S. Popkova, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical Bases
of Heat Engineering, e-mail: oksiny@mail.ru
2Лорай Сергей Федорович, начальник военного представительства.
Sergei F. Lorai, Chief of the military representative office.
3Дмитриев Андрей Владимирович, доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретических основ теплотехники, e-mail: ieremiada@gmail.com
Andrei V. Dmitriev, Doctor of technical sciences, Head of the Department of Theoretical Bases of Heat Engineering, e-mail: ieremiada@gmail.com
4Зверева Эльвира Рафиковна, доктор технических наук, профессор кафедры технологии воды и топлива, e-mail: 6elvira6@list.ru
Elvira R. Zverevа, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Water and Fuel Technology, e-mail: 6elvira6@list.ru
©
eter of constriction d0 must be greater than the diameter of the supply line d1p that is, the condition d0<d^ (which is satisfied at k> 0.8) must be satisfied. It is found that the influence of density on the ratio of diameters of constriction and the diameter of the line upstreaming the flow with solid particles is minimal. A relatively small narrowing is needed to achieve the required parameters of the process but it will provide sufficiently low energy costs of of pneumatic conveyance. The parameter k has the greatest effect on the ratio of diameters d0/dz. The values of these parameters may differ from each other by more than 30% under the small values of k. In this case, the effect of the difference in the coefficients of the hydraulic resistance becomes sufficiently large (up to 7%) that must be considered when calculating the device parameters. CONCLUSIONS. The presented methodology allows to determine the ratio of the diameters of the proposed device for conveying finely divided bulk material at excessive pressure that is optimal for the organization of the process with minimum energy costs.
Keywords: conveyance, bulk materials, pneumatic conveying, piping, batcher
For citation: Popkova O.S., Lorai S.F., A.V. Dmitriev, Zvereva E.R. Conveyance of microfine bulk material under excessive pressure. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 11, pp. 77-84. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-77-84
Введение
Подача сыпучих материалов (СМ) необходима на технологических объектах целого ряда производств различных отраслей. Данный процесс может быть реализован как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Для внесения и дозирования сыпучих материалов возможно применение гравитационных, механических, вибрационных, аэрационных и пневматических питателей. При этом питатели и дозаторы должны характеризоваться возможностью корректировки расхода СМ и отсутствием влияния параметров окружающей среды на свойства СМ, высокой надежностью и простотой конструкции, а также экологической и пожарной безопасностью. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют пневматические питатели, в которых СМ перемещаются потоком воздуха. По надежности работы они превосходят механические питатели, так как устроены без подвижных элементов, на которые оказывают воздействие частицы твердой фазы, и имеют хорошую герметичность, что повышает их надежность и способствует сохранению окружающей среды.
Большое количество работ посвящено основам расчета пневматических устройств для транспортирования различных сыпучих смесей во многих отраслях промышленности и математическим моделям данных устройств [1]. Во многих работах, например [2, 3], приведено исследование крупных частиц, а также взаимодействие сыпучего материала с потоком воз-
духа. Дозировочные устройства могут использоваться для равномерной подачи присадки в воздуховод котла. В процессе сжигания мазута с присадками улучшаются экологические и экономические показатели ТЭС, работающих на мазуте [4]. Публикации некоторых авторов посвящены применению пневматического транспорта в строительстве, например [5, 6], пищевом производстве [7, 8]. В статьях по теплоэнергетике [9, 10] рассмотрены участки устройств для транспортировки СМ, на которых происходит потеря давления, возникающая при движении воздуха, дополнительная потеря давления при движении материала, а также потеря давления на разгон частиц при вовлечении их в транспортный трубопровод
Однако в некоторых технологических процессах типовая схема транспортировки СМ не может быть реализована: существующие питатели не подходят для подачи мелких СМ с диаметром менее 100 мкм. Поэтому для решения поставленной задачи необходим подбор технологических и конструктивных параметров таким образом, чтобы давление в емкости было равным давлению окружающей среды (при возникновении избыточного давления вероятна утечка СМ в окружающую среду). В связи с этим предъявляются повышенные требования к обеспечению герметичности устройства. Создание вакуума в свою очередь приведет к росту энергозатрат на организацию процесса пневмотранспорта.
Расчет соотношений диаметров устройства для транспортировки мелкодисперсного сыпучего материала
На рис. 1 представлена 3D-модель дозирующего устройства, помещенного в емкость с карбонатным шламом. Емкость, выполненная из стали, имеет цилиндрическую форму следующих конструктивных размеров, мм: высота Л = 850; наружный диаметр = 600, толщина стенки емкости б = 1.
Пневмотранспортное устройство, выполненное в виде крышки, имеет два от-
верстия: входное отверстие 1 диаметром 40 мм и выходное отверстие 2 диаметром, аналогичным входному, а также линию для подачи воздуха и распределительное устройство с пятью выходными каналами диаметром 18 мм каждый.
На рис. 2 представлена схема участка предложенного устройства для моделирования процесса, протекающего внутри распределительного устройства.
Рис. 1. Модель пневмотранспортного устройства, помещенного в емкость с присадкой: 1 - подающий трубопровод, 2 - отводящий трубопровод Fig. 1. Model of a pneumatic conveyor placed in a container with an additive 1 - feed line, 2 - outflow line
Рис. 2. Схема участка распределительного устройства: d1 - диаметр подающего трубопровода, м; d0 - диаметр необходимого сужения, м; d - диаметр отводящего трубопровода, м; dz - диаметр основного трубопровода, м Fig. 2. Diagram of the distributing device site d1 - diameter of the feed line, m; d0 - diameter of the required constriction, m; d - diameter of the outflow line, m; dz - diameter of the main pipeline, m
По трубопроводу проходит поток воздуха со скоростью w, часть которого отводится на подающий трубопровод с диаметром d1. После забора сыпучего вещества из емкости поток направляется в забирающий трубопровод с тем же диаметром. Для организации оптимального процесса транспортировки необходимо определить диаметр сужения do, при котором будет выполняться условие равенства давлений в подающем и забирающем трубопроводах - ръ = Р2. При моделировании процесса, протекающего в трубопроводах предложенного устройства, будем предполагать равенство скоростей при разделении потока в подающий трубопровод, а также постоянство плотностей во всех составляющих трубопровода.
По уравнению Бернулли можно
найти:
- разность давлений в забирающем трубопроводе и в сужении:
Ра = Pi
' а
v кжё^ j
8 &)- (4)
g
где ^ - гидравлическое сопротивление воздушного потока, Па; - гидравлическое сопротивление воздушного потока с частицами, Па.
По уравнению Бернулли, пренебрегая потерями напора и изменением потенциальной энергии, получаем
Pi + W
РЕ 2 8 РЕ 2 8
С учетом выражения (4) скорость потока в сужении рассчитывается как
wo =,
(
w2 +-
2pg
4GV kftd^
Y
&)
w
Рз -Ра = &iTT -2 g
(1)
а также в основном и подающем трубопроводах:
w
Pi - P2 = 4^ 2 g
(2)
где p1 - давление в основном трубопроводе, Па; p2 - давление в подводящем трубопроводе, Па.
По уравнению неразрывности, учитывая выражения для площади трубы, скорость потока в подающем трубопроводе равна:
4а (3)
wi =
knd.
где k - отношение расхода воздуха в основном и подающем трубопроводах.
Из условия равенства давления в подающем и забирающем трубопроводах и выражений (1) и (2) давление в сужении рассчитывается как
Тогда диаметр сужения с учетом выражения для скорости (3) определяется выражением
do =
к • d2
ц
11&-&1) pg
или
dn
= а
di V
kpg
Pg + & -&i
Полученное выражение определяет отношение диаметра сужения к диаметру подающего трубопровода. Заметим, что отношение диаметров зависит от коэффициента отношения расходов k, плотности потока и разности коэффициентов гидравлических сопротивлений в подающем и забирающем трубопроводах. На рис. 3 представлена зависимость отношения диаметра сужения к диаметру подающего трубопровода от разности коэффициентов гидравлического сопротивления, а на рис. 4 - от плотности воздушного потока.
а
Рис. 3. Зависимость d0/d1 от отношения расходов k при: 1 - 42-& = -0,3; 2- 4= 0,1; 3- 4= 0,3 Fig. 3. Dependence of d0/d1 on the consumption ratio k at: 1 - 4-£ = -0.3; 2- 4-£ = 0.1; 3- 4-£ = 0.3
Очевидно, что диаметр сужения 00 должен быть больше диаметра подводящей линии б1, то есть должно выполняться условие 00 > 01. Из рис. 3 следует, что это условие выполняется при к > 0,8. В рабочих условиях из-за нагруженности линии, выходящей из дозатора, твердыми частицами ее сопротивление будет больше, чем во входящей линии, то есть 4-4 < 0. Следовательно, в большинстве
1.50
4/4
1.35
1.20-
1.05
0.90
0.75 -
случаев к > 1. Воздух, благодаря которому осуществляется пневмотранспорт, может иметь различную температуру, поэтому были произведены исследования влияния плотности воздуха на конструктивные особенности предлагаемого устройства.
Установлено, что влияние плотности на соотношение диаметров в сужении и диаметра линии, подводящей поток с твердыми частицами, минимально (рис. 4).
0.60
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75 к 2.00
Рис. 4. Зависимость d0/d1 от отношения расходов k при 4-4 = 0,3: 1 - р = 1,28; 2 - р = 0,94; 3 - р = 0,66 Fig. 4. Dependence of d0/d1 on the ratio of costs k at 4-4 = 0.3: 1 - р = 1.28; 2 - р = 0.94; 3 - р = 0.66
Отношение диаметра сужения к диаметру отводящего трубопровода, из условия равенства скоростей в отводящем и в подающем трубопроводе, а также принятого соотношения расходов, имеет вид
Pg
^ = 4
Л \Р£ + £
Полученное выражение зависит от плотности потока и разности коэффициентов гидравлических сопротивлений.
На рис. 5 представлены графики зависимости отношения диаметра сужения к диаметру отводящего трубопровода от разности коэффициентов гидравлических сопротивлений. Заметим, что для достиже-
1.020 1.015 1.010 1.0051.0000.995 -0.9900.985 -0.980
ния необходимых параметров процесса пневмотранспорта необходимо относительно небольшое сужение, что обеспечивает достаточно низкие энергетические затраты при пневмотранспорте.
Отношение диаметра сужения к диаметру основного трубопровода определяется как
do
■ = а
к 2pg
il(pg + £)(к +1)2
На рис. 6 построена зависимость отношения диаметра сужения к диаметру основного трубопровода от разности коэффициентов гидравлических сопротивлений.
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1
0.3 0.4 &-&0.5
Рис. 5. Зависимость d0/d от £ - £ при 1 - р = 1,28; 2 - р = 0,94; 3 - р = 0,66 Fig. 5. Dependence of d0/d on £ - £ at 1 - р = 1.28;2 - р = 0.94; 3 - р = 0.66
0.85
d / d
0 z
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60-
0.55
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75 к 2.00
Рис. 6. Зависимость d0/dz от k при: 1 - £-£ = -0,3; 2- £-£ = 0,1; 3- £-£ = 0,3
Fig. 6. Dependence of d0/dI on k at: 1 - £2-£ = -0.3; 2- £2-£ = 0.1; 3 - £-£ = 0.3
-0.5
0.0
0.1
0.2
Выводы
В результате проведенных исследований было установлено, что наибольшее влияние параметр k оказывает на соотношение диаметров б0 / 61 (см. рис. 6). При малых значениях k значения этих параметров могут отличаться друг от друга более чем на 30%. Причем влияние разницы коэффициентов гидравлического сопротивления становится достаточно большим (до
7%), что необходимо учитывать при расчете параметров устройства.
Представленная методика позволяет определить соотношение диаметров предложенного устройства для транспортировки мелкодисперсного сыпучего материала под избыточным давлением, необходимое для организации процесса с минимальными энергетическими затратами.
1. Афанасьев А.И., Потапов В.Я., Костюк П.А., Макаров В.А. Краткий обзор пневматических устройств для транспортирования сыпучих смесей и процессов внутри них // Известия Уральского государственного горного университета. 2015. № 3 (39). С. 28-38.
2. Ковенский Г.И. Особенности движения циркулирующего псевдоожиженного слоя в крупнообъемной шаровой насадке // Инженерно-физический журнал. 2004. Т. 77. № 1. С. 93-95.
3. Аверкова О.А., Логачев И.Н., Логачев К.И. Эжек-ция воздуха потоком частиц сыпучего материала в пористой вертикальной трубе с байпасной цилиндрической камерой // Инженерно-физический журнал. 2015. Т. 88. № 4. С. 813-826.
4. Zvereva E.R., Dmitriev A.V., Shageev M.F., Akhmet-valieva G.R. Results of Industrial Tests of Carbonate Additive to Fuel Oil // Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. No. 8. P. 591-596.
5. Монгуш С.Ч., Шиманова А.А. Методы расчета процессов пневмотранспорта сыпучих строительных материалов // Вестник Тувинского государственного университета. Технические и физико-матема-
ши список
тические науки. 2013. № 3 (18). С. 101-106.
6. Кузнецова А.А. К вопросу о методах расчета процессов пневмотранспорта сыпучих строительных материалов [Электронный ресурс] // Электронный научный журнал «Современные проблемы науки и образования». 2012. № 3. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6438 (18.09.2017).
7. Володин Н.П., Петриченко В.С., Зверев А.А. Исследование динамики порционной загрузки муки во всасывающие пневмоустановки // Хлебопродукты. 2013. № 3. С. 48-49.
8. Володин Н.П., Петриченко В.С., Мелихов В.В., Ковалева Т.Л. Уточнение методики расчета пнев-мотранспортных установок мукомольных заводов // Хлебопродукты. 2014. № 10. С. 62-63.
9. Гавриленко А.В. Определение потерь давления в установке пневматического транспорта материалов // Вестник ИрГТУ. 2015. № 4 (99). С. 23-27.
10. Коновалов В.К., Яшкин О.В., Ермаков В.В. Оптимизация параметров и внедрение системы импульсного пневмотранспорта золы электрофильтров тепловых электростанций // Теплоэнергетика. 2009. № 5. С. 48-50.
References
1. Afanas'ev A.I., Potapov V.Ya., Kostyuk P.A., Makarov V.A. A brief overview of pneumatic device conveying bulk mixtures, and the processes within them. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta. [News of the Ural State Mining University]. 2015, no. 3 (39), pp. 28-38. (In Russian)
2. Kovenskii G.I. Features of circulating pseudofluidized layer motion in a bulk ball-type cap. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal [Journal of Engineering Physics]. 2004, vol. 77, no. 1, pp. 93-95. (In Russian)
3. Averkova O.A., Logachev I.N., Logachev K.I. Air Ejection by a Flux of Particles of a Bulk Material in a Vertical Porous Pipe with a Bypass Cylindrical Chamber. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal [Journal of Engineering Physics]. 2015, vol. 88, no. 4, pp. 813-826. (In Russian)
4. Zvereva E.R., Dmitriev A.V., Shageev M.F., Akhmet-valieva G.R. Results of Industrial Tests of Carbonate
Additive to Fuel Oil. Thermal Engineering. 2017, vol. 64, no. 8, pp. 591-596.
5. Mongush S.Ch., Shimanova A.A. Methods of calculation processes of pneumatic conveying loose materials. Vestnik Tuvinskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie i fiziko-matematicheskie nauki [Bulletin of the Tuva State University. Technical and Mathematical Sciences]. 2013, no. 3 (18), pp. 101-106. (In Russian)
6. Kuznetsova A.A. On the question of methods of calculating processes of pneumatic conveying of bulk construction materials. Elektronnyi nauchnyi zhurnal "Sov-remennye problemy nauki i obrazovaniya" [Online journal "Modern problems of science and education"]. 2012, no. 3. Available at: https://science-education.ru/ru/ar-ticle/view?id=6438 (accessed 18 September 2017).
7. Volodin N.P., Petrichenko V.S., Zverev A.A. Study of the dynamics of flour batch loading into suction pneu-
matic installations. Khleboprodukty [Bread products]. 2013, no. 3, pp. 48-49. (In Russian)
8. Volodin N.P., Petrichenko V.S., Melikhov V.V., Ko-valeva T.L. Specification of the calculation procedure for pneumatic conveying plants of flour mills. Khleboprodukty [Bread products]. 2014, no. 10, pp. 62-63. (In Russian)
9. Gavrilenko A.V. Pressure losses determination in
material pneumatic installation of pneumatic transport. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2015, no. 4 (99), pp. 23-27. (In Russian) 10. Konovalov V.K., Yashkin O.V., Ermakov V.V. Parameter optimization and introduction of a pulsed pneumatic conveying system of ash from thermal power plant electrostatic precipitators. Teploenergetika [Thermal Engineering]. 2009, no. 5, pp. 48-50. (In Russian)
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии интересов.
Conflict of interests
конфликта The authors declare that there is no conflict of interests
regarding the publication of this article.
Статья поступила 26.10.2017 г.
The article was received 26 October 2017
