Завантаження

Повышение производительности пневмосепарирующих каналов зерновых сепараторов

18.07.2019

Повышение производительности  пневмосепарирующих каналов зерновых сепараторов

Харченко С.А., доктор технических наук, профессор кафедры оптимизации технологических систем ХНТУСХ

Борщ Ю.П., главный конструктор, KMZ Industries (ПАО «Карловский машиностроительный завод»)

В статье определен способ повышения эффективности процесса пневмосепарирования зерновых смесей, заложен подход к моделированию динамики псевдоожиженной зерновой смеси по наклонной скатной плоскости с воздухопроницаемыми рифлями-чешуйками.

Постановка проблемы. Современные зерновые сепараторы являются комплексными машинами, которые разделяют зерновую смесь (ЗС) по комплексу физико-механических свойств.  Большинство зерновых сепараторов имеют пневмосепарирующие каналы, которые предназначены для очистки зерновых смесей в воздушном потоке от легких примесей. Изношенность техники, увеличение засоренности и объемов производства зерна приводит к снижению пропускной способности, требует повышения эффективности процесса пневмосепарации зерновых материалов. Последующее увеличение производительности сепараторов приводит к снижению качества очистки зерновых смесей и  повторности пропусков, что в свою очередь ведет к повышению эксплуатационных расходов.

Цель работы: повышение эффективности процесса пневмосепарирования зерновых смесей путем применения расслаивающего воздухопроницаемого устройства.

Основной материал. Объектом исследования принят комплексный барабанный сепаратор КБС (рис.1) [1] производства ПАО «Карловский машиностроительный завод», г. Карловка Карловского района Полтавской области. Сепаратор предназначен для предварительной очистки зерна и состоит из пневмосепарирующего устройства с аспирационной системой и решетного блока. Пневмосепарирующий канал сепаратора является типичным для большинства зерновых сепараторов, потому что имеет вертикальный прямоугольный канал. Полученные результаты по аналогии можно использовать для любых зерновых сепараторов с вертикальными пневмосепарирующими каналами.

Рис. 1. Общий вид и схема технологического процесса комплексного барабанного сепаратора КБС

1 – барабан; 2 – решета; 3 – пневмосепарирующий канал; 4 – вентилятор; 5 – пылеосадочная камера; 6 – разгрузочное устройство легких примесей; 7 – отводной патрубок; 8 – приемники  продуктов разделения

Схема технологического процесса комплексного барабанного сепаратора КБС

ЗС подается к пневмосепарирующему каналу 3 (рис. 1), где за счет аэродинамических свойств происходит ее разделение: зерно направляется к барабану 1 или патрубку 7. Частицы легких примесей осаждаются в камере 5, а запыленный воздух выходит через вентилятор к пылеуловителю. ЗС, попадая  в  барабан 1, разделяется по размерам на решетах 2 и направляется к соответствующим приемникам 8.

Проблема

ЗС, попав в накопительный бункер пневосепарирующего устройства, двигается слоем к пневмосепарирующему каналу. Последующее увеличение толщины слоя ведет к тому, что легкие примеси, которые находятся в нижних подслоях, не имеют возможности выделиться из ЗС (рис.2, а). Частицы легких примесей попадают с зерном в решетный блок, что ведет к потере качества сепарирования. Это требует уменьшения загрузки пневмосепарирующего канала, и, как следствие, приводит к потере производительности сепаратора в целом.

Способ повышения эффективности процесса

Проведенным анализом известных исследований и конструкций установлено, что канальные пневмосепарирующие устройства с вибро-воздухопроницаемыми расслаивателями являются наиболее эффективными.

Для повышения эффективности процесса очистки ЗС предлагается использовать перспективный способ, который заключается в  предварительной подготовке ЗС путем использования расслаивающего воздухопроницаемого устройства (рис.2, б). Для этого в аспирационной камере серийного сепаратора (например, КБС), а именно – в пневмосепарирующем устройстве, установлена скатная поверхность 6 и воздухопроницаемая поверхность 7.

Накопительная камера имеет скатные поверхности 6, 7, которые расположены с наклоном. Поверхность 6 предназначена для направления ЗС  на поверхность 7. Поверхность 7 формирует высоту слоя зерновой смеси, которая поступает в вертикальный пневмосепарирующий канал. Для осуществления перераспределения частиц в слое ЗС поверхность 7 выполнена воздухопроницаемой. При прохождении воздушного потока через ЗС, которая двигается по поверхности 7, частицы легких примесей перераспределяются в верхние подслои. Таким образом,  в пневмосепарирующий  канал поступает двухслойная ЗС, в которой сверху находятся легкие примеси. При разделении в пневмосепарирующем канале легкие примеси выносятся из ЗС и осаждаются в пылеуловителе.

Для улучшения перераспределения легких примесей в слое ЗС на воздухопроницаемой поверхности установлены рифли-чешуйки 8. Это позволяет увеличить количество пор в ЗС, которые способствуют перераспределению частиц легких примесей в слое.

В качестве поверхности принята чешуйчатая поверхность, которая серийно изготавливается на производящих решета заводах (рис. 2, в).

Предложенная конструкция пневмосепаратора за счет предварительной подготовки зерновой смеси на скатной воздухопроницаемой поверхности увеличивает производительность и качество процесса сепарации.

Рис.2. Пневмосепарирующее устройство

 

а) серийное; б) разработанное с расслаивающим устройством; в) чешуйчатая воздухопроницаемая поверхность; г) технологическая схема разработанного пневмосепарирующего устройства: 1 – пневмосепарирующий канал; 2 – загрузочный бункер; 3 – накопительная камера; 4 – вентилятор; 5 – пылеосадочная камера; 6 – скатная поверхность; 7– воздухопроницаемая поверхность; 8 – рифли-чешуйки

Моделирование движения частиц ЗС на новом пневмосепарирующем устройстве: разработка математического аппарата

Следующим этапом является разработка математического аппарата, который позволит смоделировать движение частиц ЗС на новом пневмосепарирующем устройстве.

Эффективность разработанного пневмосепарирующего устройства определяется характером движения зерновой смеси по воздухопроницаемой чешуйчатой поверхности (рис. 2, в). Как отмечено ранее, наличие воздушного потока и чешуек способствует псевдоожижению слоя зерновой смеси. Это объясняется увеличением количества пор (пористости) и созданием благоприятных условий для перераспределения частиц легких примесей. Поэтому важнейшей задачей по определению эффективности работы подобных устройств есть математическая идентификация параметров псевдоожижения зерновой смеси, таких как скорость воздушного потока (начало псведоожижения смеси) и скорость всплытия частиц легких примесей.

Движение сыпучих сред, к которым относится рассматриваемая ЗС, можно условно разделить на два идеализированных режима. В первом (квазистатическом) режиме частицы движутся, находясь в непрерывном, скользящем контакте друг с другом, и внутренние напряжения в среде возникают вследствие действия сухого кулоновского трения. Это приводит к независящему от скорости деформации пластическому поведению среды.

Во втором режиме частицы движутся хаотично, и внутренние напряжения в среде возникают вследствие переноса импульса (между частицами всегда есть те или иные зазоры, и их взаимодействие обусловлено неупругими соударениями) аналогично тому, как это происходит в жидкости или газе [2]. Такой механизм возникновения напряжений приводит к их существенной зависимости от скорости сдвига. В частности, он наблюдается в режимах псевдоожижения [3, 4] и движении достаточно тонких слоев сыпучих материалов со свободной поверхностью по рабочим органам смесительного и другого оборудования. Именно этот режим реализуется при рассматриваемом движении псевдоожиженной воздушным потоком ЗС. Удобными и достаточно точными оказываются гидродинамические модели [5], основанные на аналогии движения вязкой жидкости и сыпучей среды [6, 7].

В этом случае для описания движения можно использовать уравнения динамики сплошных сред в напряжениях [8]:

;   (1)

совместно с уравнением неразрывности, которое для несжимаемой среды запишется в виде:

;   (2)

где р плотность, скорость,   вектор внешних объемных сил, а   компоненты тензора напряжений.

Уравнения динамики (1) справедливы при любом произвольном соотношении между тензором напряжений и тензором скоростей деформации, а определение связи между тензорами позволяет замкнуть систему дифференциальных уравнений.

Как известно, для ньютоновской жидкости вязкие напряжения линейно зависят от градиента скорости сдвига (градиента скорости). Однако исследования показали, что коэффициент вязкости движущейся ЗС меняется по толщине слоя. Он увеличивается по мере перемещения от свободной поверхности слоя, где скорость движения максимальна, в глубину [9, 10]. В частности, в [11] рассмотрен случай степенной зависимости коэффициента вязкости от поперечной координаты, хорошо согласующийся с экспериментальными данными. Таким образом, псевдоожиженная потоком воздуха ЗС относится к неньютоновским жидкостям, то есть жидкостям, при течении которых вязкость зависит от градиента скорости [12, 13]. Для описания течений таких сред можно использовать эмпирически установленную степенную зависимость напряжения от скорости сдвига. Существуют различные модификации этого степенного закона [14], позволяющие расширить ее рамки, например, известная модель Кросса.

За последние годы были выдвинуты многочисленные концепции для описания течений дисперсных сред [1519 и др.]. В частности, используют модель Бингама [20], Кэссона [21], Гершеля–Балкли [22].

Достаточно универсальной, обобщающей основные реологические модели нелинейных вязкопластических сред, является обобщенная модель, в которой связь тензоров вязких напряжений и скоростей деформаций определяется формулой [13, 23, 24]:

;   (3)

где  тензор вязких напряжений и скоростей деформаций соответственно;   сдвиговая вязкость;  – предел текучести; k,m  – реологические параметры; J – интенсивность скоростей деформаций, которая в декартовой системе координат имеет вид:

;   (4)

Для моделирования принята схема движения слоя зерновой смеси толщиной H по скатной поверхности (рис. 3), которая наклонена под углом  к горизонту  и продувается воздушным потоком через чешуйки высотой а и периодом размещения  l.

Рис. 3. Схемы движения зерновой смеси по воздухопроницаемой чешуйчатой поверхности пневмосепарирующего канала

 

При равных скоростях на поверхности слоя отклонения закона движения псевдоожиженой смеси от ньютоновской жидкости приводят к тому, что в глубине скорость движения слоя становится несколько ниже. Это определяет процесс разделения слоя на основное зерно и легкие примеси под воздействием воздушного потока.

Для моделирования расслоения зерновой смеси на воздухопроницаемой чешуйчатой поверхности среда рассмотрена как полидисперсная сыпучая, для которой переход в псевдоожиженное состояние происходит постепенно в заданном интервале скоростей. В таких слоях давление зернистого материала уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя, которая в момент начала псевдоожижения равняется:

;    (5)

где , – плотность твердых частиц смеси и воздуха соответственно;  – пористость неподвижного слоя: , – объем неподвижного слоя и частиц смеси соответственно;  – высота неподвижного слоя.

Для определения величины скорости начала псевдоожижения использована зависимость О. Тодеса с соответствующим значением критерия Рейнольдса.

В итоге получен диапазон скорости псевдоожижения полидисперсной зерновой смеси, которая движется по воздухопроницаемой поверхности:

;  (6)

где правая часть определяет скорость витания частиц зерновой смеси; – кинематическая вязкость воздуха; ,  – усредненные эквивалентный диаметр и плотность частиц примесей смеси:

где  – диаметр частиц примесей і-ой фракции; , Sр – объем частицы и площадь ее поверхности соответственно;  – плотность частиц примесей і-ой фракции;  – весовая доля фракции в смеси.

Используя выражение (6), получены закономерности изменения скорости начала псевдоожижения смеси в зависимости от конструктивных параметров  устройства и свойств частиц примесей. Анализом зависимостей установлены диапазоны варьирования скорости воздушного потока, который обеспечивает псевдоожижение полидисперсной зерновой смеси, которая движется по чешуйчатой поверхности разработанного канала.

Повышение скорости воздушного потока с одновременным использованием скатной воздухопроводящей чешуйчатой поверхности вызывает повышение толщины зернового слоя и уменьшение концентрации твердой фазы в нем. В соответствие с принятой реологической моделью выражение по определению вязкости слоя зерновой смеси имеет вид:

;   (7)

где  – коэффициент, который учитывает влияние чешуйчатой поверхности  на вязкость слоя смеси;  – скорость движения слоя смеси;  – период размещения чешуек и их высота.

Скорость всплывания частиц примесей смеси определена с учетом уравнения Стокса–Эйнштейна:

;   (8)

где  – начальная пористость смеси при минимальной скорости псевдоожижения;

– пористость слоя при ип по (6);

;

k– эмпирический коэффициент формы частиц примесей смеси;  w,a – частота и амплитуда вибраций смеси на чешуйчатой поверхности.

В результате численного расчета получены соответствующие зависимости и установлены диапазоны варьирования скорости всплытия частиц примесей в зависимости от их размеров, плотности и скорости воздушного потока.

Выводы. В результате исследований предложен способ повышения эффективности пневмосепарирования, который заключается в предварительном расслоении зерновых смесей при помощи воздупроницаемой чешуйчатой поверхности.

Получены математические выражения определения параметров псевдоожижения зерновых смесей на воздухопроницаемой поверхности разработанного пневмосепарирующего канала, которые позволили определить с достаточной для практики точностью рациональную скорость воздушного потока и диапазоны варьирования скоростей всплывания частиц легких примесей в слое зерновой смеси.

Обоснование параметров подобных устройств способствует увеличению производительности барабанных сепараторов типа КБС производства ПАО «Карловский машиностроительный завод» на 30%, что повышает их конкурентноспособность.

ЛИТЕРАТУРА

  1. https://kmzindustries.ua/product/separatoryi
  2. Hutter K., Rajagopal K.R. On flows of granular materials // Continuum Mech. , 1994. V.6. Р. 81–139.
  3. Ейтс Дж. Основы механики псевдоожижения с приложениями / Ейтс Дж. М.: Мир, 1986. 184 с.
  4. Протодьяконов И.О. Гидродинамика псевдоожиженного слоя / Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Л.: Химия, 1982. 264 с.
  5. Тищенко Л.Н. Интенсификация сепарирования зерна / Л.Н. Тищенко – Харьков: Основа, 2004. – 224 с.
  6. Захаров Н.М. Об аналогии вибрируемого слоя с вязкой жидкостью / Н.М. Захаров // Доклады МИИСП. М., 1966. – Т. 3, Вып. 1. – С. 201
  7. Урьев Н.Б. Исследование реологических свойств высокодисперсных порошков в процессе вибраций / Н.Б. Урьев, Н.В. Михайлов, П.А. Ребиндер // Доклады АН СССР, 1969. – Т. 184, №2. – С. 387–390.
  8. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский – М.: Наука, 1973. – 847 с.
  9. Тищенко Л.Н. Исследование закономерностей вибровязкости зерновых смесей при сепарировании цилиндрическими виброцентробежными решетами / Л.Н. Тищенко, М.В. Пивень, С.А. Харченко, В.В. Бредихин // Вісник ХНТУСГ: Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв. – Харків: ХНТУСГ, 2009. – Вип. 88. – С. 34
  10. Тищенко Л.Н. Моделирование процессов зерновых сепараторов / Л.Н. Тищенко, Д.И. Мазоренко, С.А. Харченко и др. – Харків: Міськдрук, 2010. – 360 с.
  11. Тищенко Л. Н. Виброрешетная сепарация зерновых смесей / Л.Н. Тищенко, В. П. Ольшанский, С. В. Ольшанский. Харків: Міськдрук, 2011. – 280 с.
  12. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости: пер. с англ. / У.Л. Уилкинсон. М., 1964.
  13. Астарита Дж. Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей: пер. с англ. / Астарита Дж., Марруччи Дж. М., 1978. – 312 с.
  14. Матвеенко В.Н. Вязкость и структура дисперсных систем / В.Н. Матвеенко, Е.А. Кирсанов // Вестник МГУ, сер. 2, Химия. Т. 52, №4. – С. 243275.
  15. Урьев Н.Б., Потанин А.А. Текучесть суспензий и порошков. М., 1992.
  16. Krieger I.M. Rheology of polymer colloids. In Polymer colloids / ed. R. Buscall, T. Corner, J. Stageman / N.Y., 1985. Ch. 6. 219 р.
  17. Tadros Th. F. Introduction // Solid. Liquid dispersions / Ed. By Th. F. Tadros. , 1987. P. 1.
  18. Goodwin J. W. The rheology of colloidal dispersions // Solid. Liquid dispersions / Ed. by Th. F. Tadros. , 1987. 199 р.
  19. Goodwin J.W. Some Uses of Rheology // Coll. Sci. in Coll. Dispers / Ed. By J.W. Goodwin. The Royal Soc. of Chem., 1982. – N. 43. 165.
  20. Bingham E.C. Fluidity and plasticity. Y., 1922.
  21. Casson N. A // Rheol. of disperse systems / Ed. C.C. Mill. , 1959. P. 84.
  22. Hershell W.H. Konsistenzmessungen von Gummi-Benzollosungen / W.H. Hershell, R. Bulkey // Kolloid Zeitschrift, 1926. №39. 291.
  23. Рейнер М.  Реология: пер. с англ. М.: Наука, 1965. 224 с.
  24. Tanner R. I. Engineering Rheology. – Clarendon Press, Oxford, rev. edition, 1988.

 

ПОПУЛЯРНЕ

Хліб-Агро

Кожне господарство має свою унікальну історію, не схожу на інші, і за кожною обов’язково стоїть особиста історія фермера та його сім’ї. Шлях до успіху власника ФГ «Хліб-Агро» Володимира Ткаченка був непростим і, можна сказати, відбувся швидше «всупереч», ніж «завдяки». Докладніше

Унікальний стрічковий транспортер для зерна

Нещодавно KMZ Industries представив ринку ще одну свою нову розробку – унікальний стрічковий транспортер для зерна (або стрічковий конвейєр) закритого типу. Докладніше

Глобальне розширення виробництва: на завод KMZ Industries переїздить обладнання елеваторного напрямку «Варіант Агро Буд»

Після об’єднання у квітні цього року KMZ Industries та елеваторного напрямку «Варіант Агро Буд» виробничі майданчики обох заводів поєднуються в єдине виробництво/ Докладніше

ЕФЕКТИВНІСТЬ ШАХТНОЇ ЗЕРНОСУШАРКИ

Забезпечення відповідної якості зневоднення зерна потребує вправного використання наявної сировини та обладнання. Зменшення втрат та витрат, або раціональне використання ресурсів, – це не гасло, це підґрунтя сталого розвитку підприємства. Докладніше

ДЛЯ ЧОГО ПОТРІБНА ТА ЯК ПРАЦЮЄ СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ ОБЛАДНАННЯ НА ЕЛЕВАТОРІ

У цій статті докладно розглянемо, як відпрацьовує система автоматизації елеваторів від KMZ Industries за другим завданням – в аварійних та передаварійних ситуаціях. Докладніше

DANUBE OIL COMPANY SRL

Для нового олійнопресового заводу в Молдові KMZ Industries виготовила та змонтувала силоси. Докладніше

Досвід екплуатації фермерським господарством

Зерносушарки на альтернативі стають все більш популярними. 40% наших клієнтів вже обрали сушарки з теплогенератором. Серед них – СФГ «Юлія» що на Черкащині. Докладніше

Ірина Редченко: «Якщо все зроблено правильно і довіряєш колегам – брати на себе відповідальність нескладно»

Спілкуємося з керівницею технічного відділу Іриною Володимирівною Редченко в рамках проєкту «Обличчя заводу»/ Докладніше
Поділитися:
Відправити посилання
на цю сторінку: