автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Пневматический транспорт

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ХРУСТАЛЕВ БОРИС МИХАЙЛОВИЧ

1

ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТ

(ТЕОРИЯ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РЕАЛИЗАЦИЯ)

г

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

Д.В. КОПТЕВ

доктор технических наук, профессор В.И. РЫБЬЕВ

доктор технических на\'к, профессор Ю.Г.ГРАЧЕВ

Ведущая организация — ГПКНИИ СантехНЙИпроект

Защита состоится

на заседании диссертационного совет; Государственном Строительном Универск: 129337, г. Москва, Ярославское шосс

{ 1998 го;

'' " часов ■■псковском

'Г

С диссертацией в виде научного докл 3 г житься в

библиотеке Московского Государств ~ ^

Университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана ^ ^ ■ • 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор 7л__-—П.А. ХАВАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость повышения эффективности капитальных затрат и расходов на текущее обслуживание технологического трубопроводного транспорта, постоянно возрастающие требования к культуре производства и санитарно-гигиенические условия труда ставят на повестку дня вопрос о более широком использовании в народном хозяйстве систем пневматического перемещения различных сыпучих сред.

Пневмотранспортные установки в общем случае состоят из загрузочного устройства, транспортного трубопровода, различного рода их переключателей и фасонных частей, отделителей материала от воздушного потока с пылеуловителями, устройств для подачи воздуха и приборов автоматического управления.

Общеизвестны преимущества пневмотранспортных систем перед другими видами транспортного оборудования. Они просты в устройстве, легко вписываются в технологические процессы, характеризуются высокими санитарно-гигиеническими условиями их эксплуатации, возможностью полной автоматизации. Достоинством пневматического транспортирования сыпучих сред является возможность его использования в сочетании с различными массообменными и технологическими процессами.

К недостаткам пневмотранспорта относят сравнительно высокий удельный расход энергии, износ трубопроводов и других элементов установки. Развитие пневмотранспорта сдерживается также отсутствием в технической литературе достаточно обоснованных и проверенных методов расчета.

В методическом плане наибольшую трудность представляет правильная оценка потерь давления в трубопроводах, обоснованный выбор скорости несущей среды и концентрации аэросмеси, которые в конечном" счете обеспечиваютнаименьший расход электроэнергии при устойчивом транспортировании материала с заданной производительностью и позволяют сделать правильный выбор отдельных элементов и оборудования пневмотранспортных систем.

Поэтому, в научном плане, главное в развитии пневмотранспорта и о усовершенствовании — это решение комплекса научно-технических >сов по разработке новых и обобщению существующих методов расчета ■;тс); л пневматического транспорта, созданию наиболее эффективных спосо-. тгойчивого перемещения сыпучих сред под воздействием воздушного ютока и его очистки от транспортируемого материала.

Решению этой важной народнохозяйственной задачи посвящена данная а ертационная работа, явившаяся логическим итогом исследований и раз-биоток, выполненных автором и под его руководством в период с 1973 по :(?7 гг. по тематическим планам кафедры "Теплогазоснабжение и вентиля-ил' и Отраслевой научно-исследовательской лаборатории строительной "плофизики Белорусской государственной политехнической академии.

Работа непосредственно связана с выполнением республиканских и отраслевых программ, постановлений министерств и ведомств.

В диссертации, представленной в форме научного доклада, обобщены результаты научно-исследовательских и опытно-консТрукторских работ, выполненных автором по совершенствованию работы систем пневматического транспорта, включая научную проработку ряда ключевых вопросов, в том числе связанных с проектированием.

Работа носит экспериментально-теоретический характер, состоит из четырех разделов, объединенных единым научным направлением и посвящена решению комплекса задач по совершенствованию методики расчета, проектирования и внедрению систем пневмотранспорта.

Цель и задачи работы. Опираясь на современные теоретические представления механики жидкости и газа, аэро- и гидродинамики двухфазных потоков и экспериментальные исследования процессов пневматического транспортирования и улавливания измельченных материалов, математическое моделирование и численные методы решения задач на ЭВМ, разработать научно-методические основы взаимодействия сыпучих сред с воздушных потоком, оценить режимы их перемещения в элементах систем пневмотранспорта, обобщить закономерности пневматического транспортирования аэросмеси и инерционной, сепарации частиц, и на этой базе предложить принципы расчета пневмотранспортных установок, применяемых в строительном и дорожном производстве.

Для реализации цели необходимо было решить следующие задачи:

— установить закономерности изменения потерь давления при пневмо-транспортированиии с.ыпучих с^ед по трубопроводам;

— теоретически и экспериментально обосновать составляющие потерь давления в трубопроводах систем пневмотранспорта;

— обосновать предельные концентрации материала в газовом потоке и параметры надежности пневмоперемещения сыпучих сред;

— установить закономерности трогания и взвешивания донных частиц при Пневмоперемещении полидисперсных сыпучих сред;

— оценить величины скоростей несущей среды и массовых концентраций, при которых обеспечивается устойчивое транспортирование потока аэросмеси;

— разработать и сформулировать требования к форме поперечного сечения пневмотранспортных трубопроводов, изучить характер распределения скоростей несущей среды и концентраций твердой фазы в трубопроводах некруглой формы;

— провести энергетическую оценку процесса пневмотранспортиро-вания полидиспер.сных смесей в сегментных трубопроводах;

— разработать математическую модель инерционной сепарации частиц пыли в криволинейном потоке и выполнить ее анализ;

— предложить методические принципы оценки гранулометрического

состава пылей и фракционной эффективности устройств для очистки запыленных потоков;

—разработать рекомендации и методы расчета оптимальных режимов работы системы пневматического транспортирования, сепарации и улавливания измельченных строительных материалов и пылей;

— внедрить в практику строительного производства новое оборудование систем пневмотранспорта полидисперсных сыпучих сред и пылеулавливания.

Методы исследования. При решении проблемы использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. В основу теоретических исследований положено физическое и математическое моделирование процессов с использованием положений аналитической механики, тепломассопе-реноса и механики дисперсных систем. Из известных моделей дисперсных потоков (гетерогенной, гомогенной, элементарной "ячейки" и других) в работе принята модель на основе понятия элементарной "ячейки".

В лабораторных исследованиях и опытно-промышленных испытаниях применены планируемый эксперимент и методы математической статистики.

Основное внимание в работе уделено установлению качественных закономерностей с разработкой математических методов количественного анализа всего комплекса технологических операций процесса пневмопере-мещения и улавливания полидисперсных сыпучих материалов строительного производства.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена проверкой экспериментальных данных на сходимость с теоретическими результатами и подтверждением установленных закономерностей промышленными испытаниями и внедрением элементов-пневмотранспорта сыпучих сред.

Положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально-теоретические разработки. Научные основы выбора режимов транспортирования измельченных материалов воздушным потоком; толкование физической сущности составляющих потерь давления при транспортировании аэросмеси; обоснование принципа идентичности энергозатрат при горизонтальном и вертикальном перемещении двухфазного потока; зависимости для оценки потерь давления только по концентрации аэросмеси, ее предельного значения и надежности систем пневмотранспорта; результаты теоретического анализа форм поперечного сечения пневмотранс-портных трубопроводов, распределения скоростей несущей среды и концентраций твердой фазы в некруглых трубопроводах; физические и математические модели процессов трогания и взвешивания донных частиц при пневмотранспорте полидисперсных сыпучих сред; математическая модель криволинейного движения частиц и результаты ее анализа; аналитическая оценка распределения полидисперсных смесей по размерам частиц и фракционной эффективности пылеуловителей; научные основы выбора режимных и кон-

сгруктивных параметров средств пневмо-транспортирования и пылеулавливания.

2. Научно-методические разработки. Рекомендации и методические указания по расчету систем пневмотранспорта строительного производства; научно-методические положения, аналитические зависимости, инженерные методы расчета конструктивных, режимных и энергетических параметров устройств для пневматического транспортирования сыпучих сред, методики оценки Гранулометрического состава измельченных материалов, фракционной эффективности пылеулавливающих устройств, математические модели и алгоритмы расчета пневмотранспортных трубопроводов некруглой формы; аналитические зависимости для определения предельных концентраций твердой фазы в потоке несущей среды и надежности систем пневмотранспорта.

3. Научно-технические разработки. Принципиально новые конструктивные решения средств и устройств для пневматического перемещения сыпучих сред и технологические схемы применения пневмотранспортных систем в строительном производстве; пневмотрубо-проводы с полимерными покрытиями внутренней поверхности и некруглого сечения, конструкция и ряд типоразмеров инерционных пылеуловителей повышенной эффективности для применения их в системах обеспыливания при производстве стройматериалов; методы оптимизации конструктивных и режимных параметров пневмотранспортных систем для перемещения полидисперсных сыпучих сред.

Научная новизна. На основе комплекса исследований решена научная проблема взаимодействия полидисперсных сыпучих материалов с воздушным потоком и разработаны экспериментально-теоретические основы расчета систем пневмотранспорта, что имеет важное значение для практики строительного производства, рационального использования сырьевых ресурсов и охраны окружающей среды.

Выполнено теоретическое обоснование факторов, определяющих сопротивление движению аэросмеси, показано, что дЛя стабилизированного потока коэффициент сопротивления смеси вполне оценивается диаметром трубопровода ирежимными параметрами перемещения двухфазного потока, и не зависит от давления и концентрации смеси. Пред ложен гидромеханический параметр как один из факторов, характеризующих коэффициент сопротивления смеси, который определяется длиной пневмосети и ее конструктивными особенностями, зависит от режима перемещения аэросмеси и ее концентрации.

Установлена идентичность затрат энергии при горизонтальном и вертикальном пневмотранспортировании. На основе решения уравнения энергии движущегося двухфазного потока получена зависимость, оценивающая потери давления только по массовой концентрации твердого материала в потоке. Предложены принципы и зависимости для оценки предельной концентрации смеси и надежности систем пневмотранспорта.

Получены соотношения для обеспечения устойчивого транспортирования аэросмеси по трубопроводам, установлены закономерности,

характеризующие количественную связь между средней скоростью несущей среды и факторами, определяю щими трогание и взвешивание донных частиц припневмотранспортировании полидисперсных сыпучих материалов.

Теоретически обоснованы требования к форме поперечного сечения пневмотранспортных трубопроводов, предложены алгоритмы расчета распределения скоростей несущей среды и концентраций твердой фазы в некруглых трубопроводах, обос'нована целесообразность их использования в системах пневмотранспорта с целью снижения затрат энергии на перемещение сыпучих сред воздушным потоком.

Разработаны методические принципы оценки гранулометрического состава пыл ей, методами математического моделирования изучен характер движения пылевых частиц в криволинейном потоке, установлено количественное влияние размерно-плотностных свойств пылевых частиц, скорости, места входа их в криволинейный канал, режима течения и вторичной циркуляции на эффективность пылеулавливания. Предложен метод оценки фракционной эффективности очистки запыленных потоков в устройствах, где для выделения механических примесей используются инерционные и аэродинамические силы.

Практическая значимость. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований послужили научной основой для изучения процесса перемещения сыпучих сред газовым потоком с целью надежного обоснования режимных и конструктивных параметров систем пневмотранспорта в строительном производстве, разработки новых технологических схем и создания технических средств Направленного перемещения аэросмесей.

Методические принципы расчета пневматического транспортирования материалов положены в основу инженерных методик и рекомендаций по расчету и применению пневмотранспорта сыпучих материалов и обеспыливания технологических процессов при производстве стройматериалов и асфальтобетонных смесей.

Для снижения энергозатрат и повышения долговечности систем пневмотранспорта на предприятиях стройиндустрии внедрены круглые пневмотрубопроводы с полимерным покрытием их внутренней поверхности и трубопроводы некруглой формы с поперечным сечением типа "сегмент".

С целью обеспечения эффективной пыле- и газоочистки при производстве асфальтобетонных смесей предложены и внедрены инерционные пылеуловители, разработан ряд типоразмеров этих устройств для применения в строительном производстве.

Научные и методические принципы, сформулированные и обобщенные в работе, получают дальнейшее развитие и применение в исследованиях аспирантов и соискателей. Результаты теоретических исследований и методические разработки включены в монографии и учебные пособия, используемые в учебном процессе при изучении дисциплин строительного

направления и охраны окружающей среды, а также при проектировании систем пневмотранспорта в промышленности.

Апробация работы. Результаты научных исследований доложены в 1975-1997 гг. более чем на 30-ти международных, региональных и республиканских конгрессах, съездах, симпозиумах, конференциях, совещаниях, семинарах по вопросам трубопроводного транспорта, механики сыпучих сред, аэро- и гидромеханики двухфазных потоков, строительной теплофизики, производства стройматериалов, физики горных пород и комплексному их использованию в народном хозяйстве, охраны окружающей среды (Минск, 1975-1996; Ленинград, 1975, 1977; Новосибирск, 1976, 1980, 1984; Ростов-на-Дону, 1985, 1986; Пенза, 1985; Свердловск, 1986; Челябинск, 1990; Москва, 1992,1993; Нижний Новгород, 1994; Пермь, 1994; Севастополь, 1989; Баку, 1983; Рига, 1985; Будапешт, 1990; Хошимин, 1990; Чань-Чунь, 1994; Пярну, 1995; Бремен, Карлсруе, 1996).

Исследования по теме диссертации выполнялись с 1975 по 1997 годы в рамках программы ГКНТ СССР, республиканской программы и республиканских научно-технических программ, а также ряда отраслевых научно-технических программ и координационных планов НИР Министерств и вузов Республики Беларусь.

Публикации. По материалам диссертации в форме научного доклада опубликовано 68 работ, в том числе две монографии и 3 учебных пособия.

Ряд положений и результатов теоретических и экспериментальных исследований вошли в учебно-методические материалы по курсам "Основы экологии и охрана окружающей среды", "Очистка вентиляционных выбросов и ресурсосбережение" и "Вентиляция", а также в ведомственные рекомендации и методики расчета.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследования многофазных потоков базируются на фундаментальных трудах Жуковского Н Д Чаплыгина С.А., Христиановича С.А., Лойцянского Л.Г., Великанова М.А., Миллионщикова М.Д. и др. Значительный вклад в fj теодд^и^акриднтЕСТМОтр^с^орта.д сепарации сыпучих сред внесли I (барский М.ДТ^огословский В.Н^Ге