автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование основных параметров гидропневмосепараторов для классификации отходов известняковых карьеров

»

терстпо науки, Еысшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукг чиси ГОНЧАРОВ Юрий Александрович

УДК 622.767.63

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РОПНЕВМОСЕПАРАТОРОВ ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ОТХОДОВ ИЗВЕСТНЯКОВЫХ КАРЬЕРОВ

Специальность 05,05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

■:.• , Работа выполнена в Московском ордена Трудового ного Знамени горном институте.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. КАРТАВЫР1 Н. Г.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук ШИНКОРЕНКО С. Ф„ канд. техн. наук., проф. ДОБРОБОРСКИЙ Г. Д. Ведущее предприятие — ПО '«Моснерудпром».

Защита диссертации состоится « "Рт^. » 1

в (З.ЗрчаС- на заседании специализированного К-053.Л2,|03 Московского горного института по адресу: 1 В-49, Москва, Ленинский проспект, 6.; с\^ . 512 Б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке тута.

Автореферат разослан « » . ^л/!' .

Ученый секретарь специализированного совета

■канд. техн. наук, доц. Е. Е. Ш1

Значение работы. Научное значение работы заключается в определении зависимости скорости оседания мелкодисперсных частиц в пристенной' воне камеры разделения пневмосе-паратора от 'концентрации частиц и установлении зависимости эффективности разделения на .вибропневмосепараторе от параметров вибраций и технологических параметров пневмо-сепаращии, что является развитием теории гравитационной классификации сыпучих материалов.

Практическое значение работы заключается в разработке методики определения основных параметров вибролневмосе-параторов, .'позволяющих снизить энергоемкость и повысить эффективность .классификации отходов известняковых карьеров.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная в диссертации методика определения основных параметров ви'бропнеЕзмосепараторов принята к использованию КТБ МосоprcTpoii.материалы при разработке опытно-щромышлен-ного образца 'вибропневмо'сбпаратора щля классификации известняковых отходов Хомяковакого месторождения ПО «Мос-нерудлром». Расчетный экономический эффект от использования методики ¡превышает 26 тыс. руб. в год.

Апробация работы. Основные лоложения диссертации и результаты исследований докладывались на научно-техниче-ckoim совете управления нерудной промышленности ППО Моспромстроиматериалов (Москва, 1991).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 178 страниц машинописного текста, 64 рисунка., 4 таблицы, описок литературы из Мб наименований и 20 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Пнев1м01клас,си|фикация сыпучих материалов широко применяется 'в различных отраслях промышленности для разделения полидщ'оперсного материала на однородные по размерам частиц продукты. 'Одним из способов разделения сыпучего материала по 'фракциям является гравитационный способ. Разделение гравитационным способом осуществляется в результате ¡перемещения классифицируамого материала в линейном потоке воздуха, скорость .которого выбирается по условию разделения твердых ча:стиц на различные ига крупности шрадукты. Гравитационные сепараторы можно разделить на следующие группы: поперечно-поточные, (поворотные, ироти-воточные, каскадные.

Прогрессивным направлением в технике разделения является разделение в аппаратах, состоящих из ряда: последовательно соединенных секций, через которые проходит классифицируемый материал. Такая конструктивная схема пнеамо-сапаратора .позволяет достичь большей эффективности разделения вследствие повторения процесса классификации в каждой из единичных секций ашгарата.

Исследованию рабочих процессов и совершенствованию конструкций каскадных ¡пневмосепараторов посвящены работы ученый М. Д. Барокого, Ю. Н. Канусика, В. М. Вирченко, С. Д. Авдеева, И. С. Лазькова, В. Е. ¡Кравчика, X. X. Мухта-ганова', В. К Кранца, С. В. Чмыхаловой и др.. Большинство исследователей при изучении процессов, .происходящих в иневмосапараторах, основное внимание уделяли вопросам создания условий для тур'булизации двухфазного потока, в ка->мере разделения и выравниванию концентрации частиц по поперечному сечению сепаратора.

Перевод на турбулентный режим течения (Положительно влияет на процесс сепарации сыпучего материала, так как скорости частиц тонких и грубых фракций в этом случае существенно различаются, что облегчает их разделение в различные то крупности продукты. Выравнивание концентрации частиц в сечении ¡сепаратора проводится для отвода частиц тонких фракщий от стенок камеры разделения, так как одним из основных нарушений (процесса села ради и сыпучего материала является оседание тонких 'фракций по стенкаа1 и засоре- ' ние крупного продукта.

Изучению процесса оседания дисперсных частиц в двухфазный течениях типа газ — твердые частицы посвящены работы Буевича! Ю. А., Бабули Г. Л., Шрайбера, А. А., Мечникова Е. П. В них опмечается, что в пристенной зоне вертикального двухфазного течения1 частицы движутся в среднем в противотоке, т. е. оседают лсд действием силы тяжести. Оседание частиц объясняется снижением пульсационной составляющей скорости 1газа, несущего частицы.

Снижение пульсационной составляющей скорости газа, несущего частицы, объясняется в работа* Горбиева 3. Р., Бареиблатта Р. Д., Бусройда Р., Спокойного Ф. Е. Инерционные свойства частиц приводят к рассеянию и диссипации энергии турбулентных ¡пульсаций таза, за' счет чего пульсащи-онна'я составляющая скорости его течения снижается пропорционально концентрации частиц в потоке.

В работах Зуева Ф. Г., Калинушкина М. П., Жихарева Е. А., Бальсона Р., Ромадина В. П. 'применительно к двухфазным течениям в каналам и трубках, а также -Барокого М. Д., Милютина В. И. применительно к пневмосепарато-

рам отмечается, что концентрация части, в пристенной зоне имеет значение, в 2—2,5 раза! превосходящее среднюю концентрацию частит в потоке.

Причины, приводящие к указанному распределению концентрации частиц в двухфазном потоке, рассматриваются в работах Федотовского В. С., Осилцова А.. Н., Медникова Е. П. Отмечается, что наряду с восходящим конвективным движением с потоком газа частицы совершают также пульсацион-ное боковое перемещение к стенже, так называемое ¡миграционное движение. Одной из основных причин, 'вызывающих [миграционное движение, является неравномерный характер распределения поперечной пульсационной составляющей скорости несущего газа по сечению канала.

Таким образом можно сделать вывод, что до сего времени не существует теоретического описания связи между указанными явлениями и причин оседания тонко дисперсных частиц в пристенной зоне вертикального канала, в частности, камеры разделения шневмосепаратора.

Вопросу исследования вибраций, налагаемые на отдельные конструктивные элементы яневмосепаратора с целью оптимизации ¡процесса разделения сыпучего материала, ¡уделялось внимание в работая Голубова И. М., Зверева Н. Г., Фк-лигапова В. А. ¡В них отмечается положительное влияние вибрации на ¡перемещение сыпучего материала по наклонной вибрирующей решет!ке, продуваемой "воздухом, а также улучшение сепарационных свойств псевдосжиженного слоя сыпучего материала при вибрации решетки и гибких пластин, помещенных в слой.

Однако в работах указанных авторов не установлена математическая зависимость эффективности разделения от режимных и 'конструктивных параметров вибрирующих элементов ¡пневмосепаратора..

Исследования, представленные в настоящей работе, направлены на 'определение основных параметров вибропневмо-еепараторов на основе установигенвя закономерностей процесса разделения лри вибрационном воздействии' на конструктивные элементы ¡пневмосепаратора, что ¡позволит снизить энергоемкость и повысить эффективность ¡классификации известняковые отходов,,

|В работе сформулированы следующие задачи: разработка физической модели пвроцесса. оседания тонкодисперсных частиц в пристенной зоне разделительной камеры пневмосепаратора;

разработка ¡математической ¡модели процесса' разделения сыпучего материала на вибропненмосепараторе;

анализ влияния параметров вибрации и режимных параметров пненмосепарации на ¡эффективность разделения;

разработка, методики шо выбору основных параметров виб-ропневмоселаратора;

определение экономической эффективности (применения опытно-промышленного образца вибролневмосепаратора.

Оседание тонко дисперсных частиц в ¡пристенной зоне камеры разделения пневмоселаратора. (происходит из-за уменьшения пульсацмонных составляющих скорости турбулентного течения несущего воздуха.

Снижение пульсациопных составляющих является следствием повышения ¡концентрации частиц в пристенной области. Причиной повышения концентрации 'частиц является миграционное движение частиц от центра (канала /к стенкам, а также снижение коэффициента! диффузии в пристеночной области двухфазного потока.

Вибрационное воздействие на стенки камеры разделения шнев.мосапаратора приводит к интенсификации турбулентного диффузионного леремешивания и (повышению пульсационных составляющих шотока.. Это практически устраняет миграционное течение ¡частиц от центра канала к стенкам и соответственно приводит к выравниванию концентрации 'частиц в сечении сепаратора! и снижению скорости оседания тонкодисперсных -частиц в пристенной области камеры 'разделения.

В результате теоретических исследований была получена формула, выражающая зависимость эффективности разделения от -частоты и амплитуды вибраций стенок корпуса, сепаратора., а также концентрации ¡материала и скорости воздушного потока в камере разделения:

\+с

где А, (о — амплитуда и частота вибрации;

ит—скорость щоздуха; с — концентрация материала;

Ви ¿)2, -^з — параметры.

Определение параметров Оь , производилось по се-

рии экспериментов. Их значения составили:

Я, =,196, 3, £>2=3,101- 10\ £>з = 9^10-2.

С целью установления полных возможностей 'вибрационного воздействия на ¡процесс пневмосеяа.рации следующим этапом было исследование влияния вибрации распределительной решетки. Анализ работ Терекова Г. Д., Гортинокого В. В., Рысина А. Ф. то,кавал, ¡что улучшение структуры транспортирующегося то решетке слоя материала вследствие небольшой высоты последнего не может играть решающую роль в повышении эффективное™. Поэтому особое внимание было уделе-

но улучшению транспортирующих качеств решетки при ее вибрации. В этом случае скорость транапортирования стабилизируется и увеличивается, В результате анализа сил, действующих на 'Частицу, находящуюся на вибрирующей решетке, продуваемой воздухом, ¡была получена формула-, выражающая зависимость средней скорости (передвижения сьшучего (.материала по вибрирующей распределительной решетке от скорости продуваемого воздуха, частоты и амплитуды вибра-(ции, угла установки решетки:

V,

g +

3-

Увтсрвюг

у l/,» + M®)J + 2l/.Au»cos (90—а)

ср"

Ctg (90-а),

где ув—кинематический коэффициент вязкости воздуха; р, —плотность воздуха; VB —средняя скорость продуваемого воздуха, Р = 0,5.

Для экспериментального исследования процесса пневмосе-парации с использованием вибрации (был спроектирован и изготовлен экспериментальный вйбропневмосепаратор (рис. 1). Используемая виброизмерительная аппаратура фирмы «Robotron» ¡позволила /произвести замер частоты и амплитуды вибрации корпуса пневмоселаратора.

С целью выявления степени влияния различных факторов на эффективность'разделения известняковых отходов, а также для сокращения объема эксперимента без (потери точности было проведено оимллекс-тланирование эксперимента. Выбор метода планирования (был обусловлен необходимостью ввода в матрицу планирования контролирующего значения функции отклика, в качестве которого ¡была выбрана производительность по ¡мелкому продукту.

В качестве факторов, влияющих на эффективность сепарации известняковых отходов, были щриняты: со — частота вибрации корпуса сепаратор а, с-1; А — амллифуда вибрации корящлса, im; с — весовая концентрация материала в камере разделения, ikt/imv,

ит—скорость воздуха), м/с.

Для установления парных зависимостей в каждой серии, опытов изменению подвергался один из факторов, значения оставшихся поддерживались на: одном уровне. Оптимальные значения частоты и амплитуды вибрации стенок камеры разделения, а также весовой концентрации материала и скорости воздуха в сепараторе составляют соответственно:

со = 185 с-1; /1-2 ,шг, с = 1,52 кг/м3; ит = 5,4 м/с.

iB результате проведенных исследований было получено общее уравнение регрессии, описывающее .процесс вибро-лневмосеша рации известняковых отходов:

Е = —1,58- 10-<ш2+0Л I47ito + 2,16-10" А2+ +841 ,8 Л + 9,417 с2—55,16 с — 3,03 ип2 + . . +33,93 ит +28,26.

Установлено, что с увеличением частоты и амплитуды вибрации корпуса сепаратора эффективность разделения возрастает по степенной зависимости, с увеличением весовой кон-центращии .материала — снижается по гиперболе. Зависимость эффективности разделения от скорости воздуха имеет максимум в точке ит = 5,4 м/с. Отклонения экспериментальных зависимостей от теоретической не превышает 15%. - . •

Коэффициенты регрессии проверялись на равноточность ио '.критерию Кохрена, на значимость—-псу критерию Стью-дента. Проверка уравнений на адекватность осуществлялась по критерию 'Фишера.

При экспериментальном исследовании сепарации известняковых отходов с вибрацией распределительной решетки было получено сочетание параметров вибрации (со = 157 с-1, А = 1,3—1,5 мм) и угла установки вибрирующей решетки а = 9—'12°, обеспечивающее режим транспортировки ¡материала, приводящий к максимальной эффективности разделения вследствие стабилизации режима, трэкспортирования материала*.

Графики теоретической и экспериментальных зависимостей эффективности, разделения известняковых отходов в виб-ропневмосепараторе от частоты! и амплитуды вибрации корпуса сепаратора'¡представлены на рис. 2, 3.

Исходя из результатов теоретического и экспериментальных исследований процесса разделения в вибр-сшневмосепара-торе (методику расчета; основных технологических и конструктивных параметров процесса можно представить следующим образам.

Для выполнения расчета, необходимы следующие данные:

— производительность ио исходному ¡материалу G, iкг/ч;

— граничная крупность разделения drp ;м;

— фракционный состав исходного "материала,.

Определяем:

— 'эффективность разделения, необходимую для получения требуемого ¡продукта по формуле

g ^ (-^ыел Умел) (Умел -^мел)* 100 (100 ■^иея) (Умел У мел) -*ыел

где хмел, уне1> умол — количество частиц, .мелких фракций соответственно в исходном (материале, в крупном продукте рав-деления, в 'мелком продукте разделения, 1%;

— оптимальную скорость воздуха в камере сепаратора из соотношения

-, Г^гр(Р-РО)

где йгр —диаметр частиц граничной крупное™, м; р —плотность воздуха, ¡кг/м3; В0 = 0,5 — параметр ¡гравитационной квалификации;

—• скорость воздуха в разделительной камере вибропнев-моселаратора. по формуле

1

ит = «-;

1,19

— расход воздуха через (проходное сечение сепаратора по рекомендованной весовой концентрации с = 1,52 кг/м3, поль- ■ з учись формулой

У-З-;

С

— площадь сечения камеры рааделения вибропневмосепа-рагора по формуле

3600ит

—■ амплитуду вибрации корпуса сепаратора', необходимую для достижения заданной эффективности по зависимости

,/-

У 2,44 -ЮХ

А , / -V + О — 196,3

1Л»ехр[0,09/ш] '

— амплитуду вибрации распределительной решетки, пользуясь неравенством

Лео2

Уп'Р* + 1 <-<1/т:,Я2 + 4, где Р = 1;

е

— угол установки вибрирующей распределительной решетки по рекомендованной скорости передвижения сыпучего материала в сепараторе V = 0,43 м/с ото формуле

0 43 = I 4 935 Ч____1,305- Ю"1 ___

1 ' 0,12+угит'4- (Ли))2 + 2итАа> соэ (90—я)/

X (90 — а).

Методика определения основных параметров вйбропневмо-сепаратора юринята к использованию КТБ Мосоргетроймате-риалов при разработке опытно-промышленного образца! виб-р ол н е вм ос en а р а тор а для классификации известняковых отходов Хомяковского месторождения ПО «Моснерудпром».

Расчетный экономический эффект от иопользова.ния методики составляет 26,5 тыс, руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена новая актуальная научная задача обоснования основных параметров втабропневмосе-параторов для классификации известняковых отходов, что позволяет снизить энергоемкость и ¡повысить эффективность классификации известняковых отходов.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Перспективным типом классифицирующего Оборудования для разделения отходов известняковых.карьеров являются вибропневмосепараторы, которые позволяют проводить сепарирование известняковых отходов с высокими значениями эффективности и производительности.

2. Физическая модель движения тонкодисперсных частиц в ¡пристенной зоне камеры разделения устанавливает законо-

' мерность снижения скорости их оседания при вибрационном воздействии на конструктивные элементы пневмосепаратора.

3. Математическая модель разделения в вибропневмосепа-раторе устанавливает взаимосвязь эффективности сепарации в зависимости от параметров вибрации — частоты, и амплитуды, а также от величины технологической нагрузки :и скорости воздуха.

4. Эффективность разделения в вибропневуюсепараторе с возрастанием частоты и амплитуды вибрации возрастает по степенной зависимости.

5. Использование вибрации стенок корпуса пневмосепаратора позволяет снизить скорость воздуха, 'Продуваемого через него , в 1,25 раза и уменьшить потребляемую двигателем вентилятора энергию на 25%.

6. Рациональное значение эффективности разделения достигается ;при определенном сочетании параметров вибрации корпуса сепаратора и режимных параметров сепарации — производительности по исходному материалу и скорости воздуха в камере разделения:

о) = 185 с-1, А = 2 мм, с = 1,52 ¡кг/м3, um = 5,4 м/с.

7. Рациональная скорость перемещения сыпучего материала по вибрирующей распределительной решетке в режиме непрерывного подбрасывания, обеспечивающая «максимальную

эффективность разделения, при частоте вибрации со = 157 с-1 достигается пр» определенном сочетании амплитуды вибрации и угла установки решетки:

А = 1,4—1,6 мм, а = 9—-1.2е.

8. Вибрационное воздействие на конструктивные элементы пневмосепарагора. рационально использовать яри разделении отходов известняковых карьеров с влажностью до 5—6%.

9. Методика определения основных параметров виброотнев-,'мосепаратора использована в КТБ Мосоргстройматериалы ири создании опытно-промышленного образца вибропневмосе-пара.тора. Ожидаемый годовой экономический эффект от использования методики превышает 26 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гончаров Ю. А. Исследование ¡процесса .классификации на пиевмосепараторах :при наложении вибрации.— 'В сб.: Проблемы (Механизации и 'электрификации горных работ,—М.: МГИ, 199-1.

2. Серов В, А., Гончаров Ю. А. Повышение эффективности процесса разделения сыпучего ¡материала,— Промышленность строительных ¡материалов Москвы, № 8, 1991.

3. A.c. 1701.4С4 (СССР) Пневмогравитационный сепаратор/В. А. Серов, Н. Г. Картавый, А. Д. Бардовский, И. Г. Лак-, нер, Ю. А. Гончаров.— Опубл. в Б. И., 1991, № 48.

4. А. с. 1722618 (СССР) Пневмогравитационный сепара-тор/Ю. А. Гончаров, А. Д. Бардовский, В. А. Серов.— Опубл. в Б. И., 1992, № 12.

Положительные решения по заявкам:

5. № 4832359/03 (60102) «/Пнеамагравит.ационный сепаратор» ,авт. Стариковский П. П., Гончаров Ю. А., Серов В. А. от 23.11.90.

•6. № 4833654/03 (60108) «Пневмогравитационный сепаратор», авт. Стариковский П. П., Гончаров Ю. А., Лакнер И. Г. от 23. 11.90.

7. № 4855736/03 ('83449) «Пневмогравитационный сепаратор», авт. Бардовский А. Д., Стариковский П. П., Гончаров Ю. А. от 29.01.91.

8.. № 4862155/03 (91504) «Пневмогравитационный сепаратор», авт. Серов *В. А., Картавый Н. Г., Гончаров Ю. А. от 18,02.91.