автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Процесс сепарирования в центробежном сепараторе с пульсирующим изменением скорости

005011332

Семенов Виктор Александрович

ПРОЦЕСС СЕПАРИРОВАНИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ СЕПАРАТОРЕ С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОРОСТИ

Спег^альностъ 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 МД? 2012

Краснодар - 2012

005011332

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научное руководство:

кандидат технических наук, доцент Яковлев Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ша ло Аслан Юсуфович

кандидат технических наук Черкасов Сергей Владимирович

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт зерна. Кубанский филиал, г. Краснодар

Защита состоится «Д» марта 2012 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.

Автореферат разослан «10» февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.03

кандидат технических наук, доцент

Филенкова М.В.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность проблемы. Одним из приоритетных направлений развития АПК, в последние годы, является создание нового и совершенствование существующего технологического оборудования и технологий для переработки сельскохозяйственного сырья. Актуальность этого направления определена государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы, принятой в соответствии с Федеральным законом РФ «О развитии сельского хозяйства» от 29.12.2006 г. № 264-ФЗ.

Сепарирование зерновых смесей и других сыпучих продуктов, как один из основных процессов переработки зерна, широко применяется на предприятиях мукомольной, крупяной, пивоваренной и масложировой отраслей промышленности. Важнейшим фактором для производства является снижение себестоимости и повышение качества работ. Необходимость перехода на современное и высокоэффективное оборудование обусловлена высокими требованиями к качеству зерна, поступающего для переработки. В настоящее время процесс сепарирования сыпучих материалов производится на устаревшем оборудовании, как следствие этого качество получаемого продукта часто не удовлетворяет современным требованиям. Затраты на послеуборочную обработку и хранение зерна составляют от 40 до 60 % общих затрат на его производство. Внедрение зарубежных аналогов технологического оборудования сопряжено с большими материальными затратами. В связи с этим, актуальна проблема создания нового и совершенствования имеющегося на предприятиях России технологического оборудования, позволяющего интенсифицировать процессы сепарирования. Перспективным является переход на высокоэффективное сепарирующее оборудование, у которого выделение частиц через сепарирующую поверхность происходит под действием центробежных сил, намного превосходящих силы тяжести. Поэтому всестороннее теоретическое и экспериментальное исследование центробежных сепараторов, процесса сепарирования, разработка новых, эффективных конструкций сепараторов является актуальной задачей.

Вопросам теоретического и экспериментального исследования процесса сепарирования сыпучих материалов посвящены работы российских ученых В.В. Гортинского, А.Б. Демского, М.А. Борискина, Н.Е. Авдеева и др. Вопросам совершенствования технологического оборудования посвящены научные работы А.Я. Соколова, В.Ф. Журавлева, В.Н. Душина, Е.П. Кошевого.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР КубГТУ (5.8.11-15) «Научное обеспечение развития процессов и оборудования пищевых производств», государственная регистрация № 01201152036.

1.2 Цель работы заключается в научном обосновании процессов сепарирования и разработке новых конструкционных элементов для центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости.

1.3 Задачи исследования:

1. Проведение сопоставительного анализа существующего технологического оборудования для сепарирования сыпучих материалов и определение на его основе наиболее перспективных конструкционных решений зерновых сепараторов.

2. Разработка математической модели движения частицы сыпучего материала для сепаратора с пульсирующим изменением скорости.

3. Разработка новой конструкции центробежного сепаратора с измененными приводами, задающие крутильные колебания барабану и новой конструкции лопастного распределителя сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения и углом наклона лопастей.

4. Определение рациональных значений основных параметров центробежного сепаратора на основе сопоставления результатов численного и экспериментального исследований, влияющих на эффективность процесса сепарирования.

5. Разработка и апробирование аппаратурного оформления процесса сепарирования с использованием новых конструкционных элементов центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости.

1.4 Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Установлено, что наиболее перспективным направлением совершенствования конструкций сепараторов является создание аппаратов с пульсирующим изменением скорости с сепарированием сыпучих материалов в поле центробежных сил.

2. Разработана математическая модель, описывающая процесс движения частицы в центробежном сепараторе с пульсирующим изменением скорости, позволяющая проанализировать эффективность процесса сепарирования в зависимости от структуры движения исследуемой частицы в рабочем объеме центробежного аппарата.

3. Разработаны и апробированы новые конструкции приводов для центробежного сепаратора, обеспечивающие крутильные колебания барабана в двух вариантах: с использованием эксцентриков, электромагнитов. Определены технологические параметры сепараторов: подачи материала, скорости вращения барабана, амплитуды и частоты колебаний сита, влияющие на эффективность процесса сепарирования.

4. Исследовано влияние основных параметров центробежного сепаратора: радиуса барабана, амплитуды колебаний, скорости вращения барабана, частоты колебаний, коэффициента трения частицы о стенки барабана на интенсивность и эффективность процесса сепарирования и проведено сопоставление с результатами эксперимента.

5. Разработаны и апробированы новые конструкционные элементы центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости. Разработаны способы и аппаратурное оформление процесса сепарирования.

1.5 Практическая значимость работы определяется тем, что использование полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет улучшить характеристики технологического оборудова-

ния для сепарирования сыпучих материалов и, как следствие, интенсифицировать процесс сепарирования. Разработки новых конструкций привода центробежного сепаратора, придающего крутильные колебания барабану, с использованием эксцентриков, привода центробежного сепаратора, придающего крутильные колебания барабану с использованием электромагнитов, лопастного распределителя сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения и углом наклона лопастей, методики определение параметров, влияющих на эффективность процесса сепарирования приняты для разработки рабочей документации и изготовления опытного образца на ООО «Экотехпром» г. Краснодар

Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала; конструкции лопастного распределителя сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения и углом наклона лопастей; привода сепаратора для придания крутильных колебаний с использованием эксцентриков и электромагнитов защищены патентами РФ на полезные модели № 54822, № 60001, № 76828.

Экспериментальная лабораторная установка по сепарированию сыпучих материалов используется для проведения НИР студентами Кубанского государственного технологического университета.

1.6 Автор защищает:

Результаты теоретического и экспериментального исследования методов интенсификации процессов сепарирования в зависимости от параметров движения исследуемой частицы в рабочем объеме центробежного аппарата.

Новые конструкции элементов центробежных сепараторов с измененными эксплуатационными характеристиками, такими как конструкции привода центробежного сепаратора, с использованием эксцентриков; привода центробежного сепаратора, придающего крутильные колебания барабану с использованием электромагнитов; лопастного распределителя сыпучего материала.

1.7 Апробация работы. Результаты диссертационного исследования, были представлены на второй международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронежская государственная технологическая академия, г. Воронеж 2004); на 16-м международном конгрессе по химии и инженерным процессам "СЫэа 2004" (Чехия, г. Прага 2004); на всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства» (КубГТУ: г. Краснодар 2005); «Механики XXI веку» (ГОУ ВПО БрГУ, г. Братск 2006); на 17-м международном конгрессе по химии и инженерным процессам "СИюа 2006" (Чехия, г. Прага 2006).

1.8 Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 9 статей, 3 тезиса докладов, в том числе 2 статьи в журнале из перечня ВАК, получено три патента РФ на полезную модель.

1.9 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений; включает 56 рисунков. Основной текст, включая рисунки, изложен на

133 страницах машинописного текста, приложения - на 27 страницах. Список литературы включает 127 наименований.

Автор диссертационного исследования выражает благодарность первому научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Зуеву Павлу Григорьевичу за постановку задачи исследования, оказанную помощь в создании новых элементов центробежных сепараторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены ее цели и задачи, сформулирована научная новизна и практическая ценность исследования.

В первой главе «Технологии очистки зерна. Проблемы моделирования движения частиц в зерновом сепараторе» рассмотрены проблемы и достижения в области сепарирования сыпучих материалов, проведен анализ конструктивных решений и технологических особенностей центробежных сепараторов и их классификация по видам сепарирования. Рассмотрены ситовое, воздушное, воздушно-ситовое, вибрационное, вибропневматическое, виброударное, магнитное, фрикционное, спиральное, оптическое, триерование, центробежное сепарирование (Авдеев Н.Е., Бочкарев А.И., Блехман И,И., Гортинский В.В., Кошевой Е.П., Печерский Е.М., Ульянов А.Ф.).

Несмотря на многообразие видов сепарирования, большинство из них имеют один общий принципиальный недостаток: разделение зерновой смеси происходит под действием гравитационных сил, ограничивающих четкость сепарирования и возможность увеличения производительности сепарирующих машин. Поэтому, одним из наиболее эффективных способов сепарирования сыпучих материалов является центробежное сепарирование, при котором выделение частиц через сепарирующую поверхность происходит под действием инерционных сил, намного превосходящих силы тяжести. Постоянный контакт с сепарирующей поверхностью увеличивает вероятность попадания частиц в отверстия, а большая скорость движения сепарируемого материала обеспечивает высокую производительность центробежных сепараторов. Теоретические и экспериментальные исследования (Авдеев Н.Е., Бочкарев А.И., Блехман И.И., Гортинский В.В., Balogh J., Galambos G.) показали, что поле инерционных сил можно использовать для интенсификации сепарирования зерновых смесей не только по размеру, но и по форме, свойствам поверхности составляющих частиц, их плотности. Повышение эффективности разделения неоднородных систем достигается при этом в результате одновременного использования центробежных, кориолисовых и гравитационных сил. Установлено, что в виброцентробежных сепараторах вертикальным цилиндрическим решетам целесообразнее придавать пульсирующее изменение скорости, при этом центр масс рабочего органа остается неподвижным. Ликвидируются инерционные нагрузки на фундамент, облегчаются условия работы подшипниковых узлов, упрощается конструкция очистителей и устройств, обеспечивающих подачу исходной смеси на внутреннюю поверхность цилиндра.

Проведен анализ существующих математических моделей движения частицы в барабане для различных конструкций центробежных сепараторов. Рассмотрены: модель движения частицы в барабане центробежного сепаратора с вертикальной и наклонной осью вращения (Гортинский В.В., Авдеев Н.Е.), модель движения частицы сыпучего материала в барабане цилиндрического сепаратора совершающего возвратно-поступательные движения вдоль оси вращения (Гортинский В.В., Авдеев Н.Е.). Сделаны выводы о целесообразности использования сепараторов центробежного типа с вертикальным цилиндрическим барабаном, вращающимся с пульсирующим изменением скорости. Определены методы интенсификации технологического процесса сепарирования зерна.

Выполненный анализ современного состояния конструкций центробежных сепараторов, теории и математического моделирования технологических процессов сепарирования, позволил обобщить научную информацию по процессам сепарирования в различных центробежных сепараторах.

Приведено обоснования выбора в качестве объекта исследования сепаратора с пульсирующим изменением скорости, способствующего повышению эффективности процесса сепарирования.

Во второй главе «Математическое моделирование технологического процесса для сепаратора с пульсирующим изменением скорости» рассматриваются вопросы математического моделирования процесса центробежного сепарирования в сепараторе с вертикальным цилиндрическим ситовым барабаном, Ситовая поверхность при этом совершает равномерное вращательное движение и гармонические колебания в плоскости перпендикулярной оси вращения.

На первом этапе рассмотрено движение частицы по цилиндрической сепарирующей поверхности центробежного сепаратора (рис. 1). При этом барабан центробежного сепаратора вращается вокруг оси 02 с пульсирующим изменением скорости с частотой ш и амплитудой у/.

На материальную частицу действуют: центробежная сила инерции Р„ = тЯф2, сила нормальной реакции цилиндра N, сила тяжести О - mg, силы сопротивления движению частицы в системе Охуг /•' = /V, переносная рТ = тВ.ф и кориолисова Рк = 2тфк силы инерции. Сила трения Ё направлена противоположно вектору относительной скорости (рис. I).

Используя законы классической механики, получаем систему дифференциальных уравнений движения частицы по барабану центробежного сепаратора, причем пульсирующее изменение скорости вращение барабана задаем соотношением <р = П/ + у/ sin ол :

x = R (¡/со2 sinat ~f[R(D+ц/acos at)2 + 2x(D+ycocos cot)] . X —

•Jx2+z2

z = g - f[ R( Í2+ц/а соs cot )2 + 2x( Q+[¡/со cos at))---

Рисунок 1 - Схема сил, действующих на частицу в барабане центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости.

Область параметров Д со, у, К и /, в которой возможны периодические режимы относительного движения частицы по барабану центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости определяется соотношением:

_ iY+iRya)у

О < ------ц/а

(2)

Система дифференциальных уравнений (1) решена численно с использованием MATLAB R2006a и Maple 11.

Численный эксперимент проводился для различных параметров ц>, со,

В результате проведения численного эксперимента были графически построены траектории движения частицы по цилиндрической поверхности (рис. 2) и определены следующие величины характеризующие процесс движения частицы по ситу: Z/- средняя линия траектории частицы; у, град - угол отклонения средней линии z/ траектории частицы от вертикальной образующей цилиндра; 2А, м - амплитудное значение колебаний частицы; zrr, м - перемещение частицы по оси z; за период Т\ ¿/Г7>, м/с - средняя скорость относительного движения частицы.

Как известно вероятность выделения частицы проходовых размеров через отверстие разделительной поверхности в большей мере определяется

а)

Окружность цилиндра X, м

б)

Рисунок 2 - Траектория относительного движения частицы {И = 0.25, I// = 0.06,/= 0.35) при различных значениях параметров а) для различных значений угловой скорости цилиндра й, б) для различных значений частоты колебаний со.

характером траектории и скоростью ее относительного движения. При прочих равных условиях пропускная способность сепаратора прямо пропорциональна скорости продукта. Поэтому за основные параметры, характеризующие эффективность процесса сепарирования, взяты средняя скорость ¿/г/,, амплитудное значение колебаний частицы 2А, м.

Анализ рисунков 3 и 4 показывает, что при постоянных значениях параметров у/, си, Л, и /увеличение постоянного компонента О угловой скорости цилиндра приводит к снижению скорости частицы, вследствие увеличения силы трения, центробежной и кориолисовой сил. Амплитуда колебаний частицы уменьшается незначительно. Таким образом вероятно снижение производительности при сохранении качества сепарирования.

11 12 13 14 15 16 Угловая скорость цилиндра а ,с 1

Рисунок 3 - Зависимость ¿¡а, от Д Я = 0,25 м; у = 0,06 рад; « = 55 с"';/= 0.35

Рисунок 4 - Зависимость 2А от Д /? = 0,25 м; ц/ = 0,06 рад; си = 55 с"1; /= 0.35

Результаты исследования влияния колебательной составляющей на движение частицы представлены на рисунках 5 и 6.

При неизменных значениях параметров Д у, Я и Г увеличение частоты колебаний цилиндра и приводит к увеличению средней скорость относительного движения ¿1а, (рис.5) и перемещение частицы вдоль оси г\.

Зависимость амплитудного значения колебаний частицы при движении в барабане (2А) от частоты со колебаний при вращении барабана показывает, что параметр ш слабо влияет на интенсивность процесса сепарирования (рис. 6).

Рисунок 5 - Зависимость ¿нт от со, Л = 0,25м; ¿2 = 13 с"1; у = 0,06 рад;/= 0.35

2 $

3 =г

Ь 6-10 : га

16*10'' га ю о

§4*Ю': го

: 2*10 ■

2 <

35

40

45 50 55 60 65 70 Частота колебаний цилиндра ш.с '1

Рисунок 6 - Зависимость 2А от со, Л = 0,25 м; О = 13 с"1; у = 0,06 рад; /=0.35

Из анализа результатов проведенных исследований следует, что: 1) угловая амплитуда колебаний у/ оказывает наибольшее влияние на амплитудное значения колебаний частицы при движении в барабане (2А), при постоянном радиусе цилиндра R; 2) при прочих постоянных параметрах, на ¿кч, существенно больше влияние оказывает со, чем у/; 3) при изменении параметра у/со2 в 2,25 раза, установлено, что учет изменения амплитуды колебаний (у/) при фиксированной частоте колебаний (со) и, учет изменения частоты колебаний (си) при фиксированной амплитуде колебаний (у/) приводит к отклонение по i/( /> на величину не превышающую 17 %, а по амплитудному значению колебания частицы при движении в барабане (2А) на величину не превышающую 27 %.

При этом, было учтено, что амплитудное значение углового ускорения цилиндра имеет решающее влияние на динамические нагрузки большинства деталей машины и ее компоновку, а также на способ регулирования технологического режима, и показатель у/со' (рис. 7) был принят за основу характеристики колебательной составляющей скорости цилиндра.

Рисунок 7 - Зависимость ¿/(7,, г1Т, 2А и у от у/со2; Л = 0,25 м; Я = 13 с"1; у/ = 0,06 рад;/= 0.35

Таким образом, результаты сравнительного анализа, по созданной автором математической модели (1), позволяет на этапе проектирования центробежного сепаратора выбрать наиболее рациональную схему движения частицы в его барабане и выдать рекомендации по интенсификации процесса сепарирования.

В третьей главе «Экспериментальные исследования центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости» рассмотрены вопросы технической реализации экспериментальных исследований. Приведено описание конструкции и принципа действия созданной экспериментальной установки, а также приведена методика и результаты экспериментальных исследований.

Конструкция экспериментального зернового виброцентробежного сепаратора представлена на рис. 8

Несущую конструкцию сепаратора представляют собой верхняя 1 и нижняя 2 рамы, которые скреплены между собой. Ситовой барабан 3 закреплен посредством спиц на приводном валу 4, который закреплен в подшипниковых опорах и опорах скольжения на нижней и верхней рамах соответственно. Загрузочное устройство 5 для подачи зернового материала установлено на верхней раме. Для равномерного распределения зернового материала по ситовому барабану соосно ему установлен вращающийся дисковый разбрасыватель 6, приводимый в движение регулируемым приводом 7. Для удержания и отвода зерновых фракций применяется кожух 8 и наклонные плоскости 9, закрепленные на рамах сепаратора. Регулируемый привод 10, посредством клиноременной передачи сообщает вращение ситовому барабану.

Исходный 0&<Ы

Рисунок 8 — Общий вид и принцип действия экспериментальной установки

Для придания пульсирующего изменения скорости используются пружинные ролики 11 (рис. 8), закрепленные на раме, и упоры 12, закрепленные на ободе барабана.

Принцип работы экспериментального сепаратора заключается в следующем: исходный зерновой материал поступает в загрузочное устройство 5, путем регулирования заслонки осуществляется дозирование исходной зерновой смеси. Далее сепарируемый материал попадает на дисковый разбрасыватель 6 (рис. 9), который равномерно распределяет его по стенкам сигового барабана. Причем при помощи регулируемого привода разбрасывателя 7 определяется начальная скорость частиц, траектория схода частиц и наполняемость ситового барабана.

Рисунок 9 -Дисковый разбрасыватель, пружинные ролики и упоры

Далее сепарируемый материал проходит по ситовой поверхности барабана 3, при этом крупные частицы падают вниз и по наклонным плоскостям 9 отводятся из установки. Мелкие частицы просеиваются через сито барабана, удерживаются кожухом 8 и по наклонным плоскостям 9 отводятся из экспериментальной установки.

Для компьютерного управления электродвигателем приводящим в движение ситовой барабан было разработано и изготовлено электронное устройство управления приводом (рис. 10). Данное устройство, оснащенное датчиком обратной связи с электродвигателем, а также USB интерфейсом, позволяет задавать необходимые обороты и поддерживать их независимо от внешней нагрузки.

При экспериментальном изучении движения материальной частицы по внутренней поверхности вертикального цилиндра применен "контактный" способ записи траектории.

Исследования движения модельной частицы проводили в два этапа: 1) при варьируемом значении постоянного компонента угловой скорости цилиндра Q и неизменных параметрах R, у, со,/; 2) при варьируемом амплитудном значении углового ускорения \|до2 и постоянных параметрах R,

q ,/:

Рисунок 10 —Общий вид устройства управления электродвигателем

Результаты проведенных экспериментов представлены на рисунках

11-14.

Расчетные значения вычислены на ЭВМ по системе дифференциальных уравнений (1) при соответствующих кинематических параметрах цилиндра Я, £2, аз, \|> и значении коэффициента трения модельной частицы f о бумагу. В результате исследований установлена хорошая сходимость теоретических предпосылок с экспериментом. Расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 10 %.

При экспериментальном исследовании влияния основных параметров на эффективность процесса сепарирования использовали пшеницу рядовую, прошедшую предварительную очистку и содержащую 5,6 % мелкой фракции (проход решета 2,0 х 20 мм). Эксперименты проводили на цилиндрических решетах с размером отверстий 2,0 х 20 мм.

! 0,8 г

; о,5

11 12 13 14

Угловая скорость цилиндра О ,с ''

Рисунок 11 - Сопоставление расчетных и экспериментальных значений скорости частицы при различных скоростях вращения барабана: --расчет; X - эксперимент

12 13 14

Угловая скорость цилиндра О ,с 1

Рисунок 12 — Сопоставление расчетных и экспериментальных значений размаха траектории частицы при различных скоростях вращения барабана: --расчет; X - эксперимент

60 80 100 120 140 160 Амгтудюеэдаш1еу17ювогоусюрешяци™адй фшг,с

60 80 100 120 140 160 Амплитудноеэнзнениеутсвогоуооретяцигицдра фыг,сг

Рисунок 13 - Сопоставление расчетных и экспериментальных значений скорости частицы при различных амплитудных значениях

углового ускорения:--расчет;

X - эксперимент.

Рисунок 14 - Сопоставление расчетных и экспериментальных значений размаха траектории частицы при различных амплитудных значениях углового ускорения: --расчет; X - эксперимент.

Величину удельной нагрузки с] (кг/м2с) определяли по балансу полученных фракций

пр

' ... ■ (3) где £)„ - количество сходовой фракции, кг; ()„р - количество проходовой фракции, кг; 5 - площадь сепарирующей поверхности, м2; I - время снятия баланса, с. Эффективность сепарирования оценивали коэффициентом извлечения мелкой фракции в проход.

Коэффициент извлечения определяли по формуле

0'пр

п =

■100%,

(4)

где

кг;

()'„,, - количество мелкой фракции, содержащейся в проходе, ()'сх- количество малкой фракции, содержащейся в сходе, кг.

На рисунках 15 и 16 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента извлечения ц от амплитудного значения углового ускорения у/ы2 при различных значениях сон О.

Как видно из представленных графиков, зависимость '¡(у/ы2) имеет экстремальный характер. По мере увеличения О возрастает сила трения и снижается средняя скорость движения продукта вдоль образующей цилиндра, а максимум зависимости У](у)со2) смещается в сторону больших угловых ускорений. Увеличивается сила продавливания частиц сквозь отверстия решета и возрастает максимальное извлечение частиц проходового

компонента. На рисунках 17 и 18 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента извлечения г) от удельной нагрузки ц при различных значениях у/со2 и О.

Рисунок 15 - Зависимость ц{уш2) при различных соЯ = 13,1 с"'; </ = 0,82 кг/м2с; А - со = 48,2 с"'; о - со = 54,5 с'1; □ - со = 52,4 с1

А1тадноезначежеупхшг1\с|щрения1^1П14да фи>г,сг Рисунок 16 - Зависимость >](у/ш2) при различных д = 0.82 кг/м2с; А-£=13,6с"'; о - ¿2=12 с"'; □ -£2 = 13,1 с"1;0-й= 11 с"1;х-9= 14,1 с'

Представленные графики показывают, что при различных режимах сепарирования характер зависимости коэффициента извлечения от удельной нагрузки один - монотонное убывание т.к. с увеличением удельной нагрузки увеличивается толщина сепарируемого слоя. Частицы проходо-вого компонента, находящиеся в периферийных слоях, не успевая достичь поверхности решета, идут сходом, снижая коэффициент извлечения г|.

Рисунок 17 - Зависимость tj{q) при различных у/а>2: Q = 13,1 с"1; А - ц/т2 = 120 с2; О -Vco2= 180 с"2; □ - цка2 = 150 с2; 0 - i¡/ш2 = 210 с"2; X - у/ш2 = 90 с"2

Рисунок 18 - Зависимость //(</) при различных Q: у/со2 = 180 с'2; Д -£2= 12 с1; О ~£2 — 13.6 с'1; О -Q= 13,1 с1; 0 -= 14.1 с1; X -Q = 11 с"1

В четвертой главе «Апробация центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости» приведено описание конструкций и принципа действия приводов для центробежного сепаратора, обеспечивающие крутильные колебания барабана и лопастного распределителя сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения

Центробежный сепаратор с инерционным приводом для создания пульсирующего изменения скорости.

Инерционный привод (рис. 19) содержит два дебаланса, расположенные диаметрально друг другу и симметрично оси барабана. Дебапансы закреплены на звездочках цепной передачи, которая приводится во враще-

ние от общей звездочки, закрепленной на оси барабана. Силы инерции и кориолисовы силы, образующиеся при вращении дебалансов, создают дополнительный переменный крутящий момент на барабане, что создает пульсирующее изменение скорости. Ситовой барабан равномерно вращается без осевых вибраций, следовательно, дисковые и щеточные очистители перемещаются по ситовой поверхности без осевого скольжения. Это существенно снижает износ рабочих органов очистителей, а так же ситовых поверхностей. Повышение надежности работы обеспечивается также благодаря тому, что существенно снижается количество подвижных элементов в конструкции сепаратора, снижаются потери на трение.

Рисунок 19 - Сепаратор с Рисунок 20 - Сепаратор с инерционным приводом (попереч- электромагнитным приводом (разный разрез): 1 - корпус; 2 - барабан; рез): 1 - корпус; 2 - барабан; 3 -3 - очистители; 4 - центральная электромагнит; 4-обод звездочка; 5 - дебаланс; 6 - упругий элемент; 7 - водило

Центробежный сепаратор с электромагнитным приводом для создания пульсирующего изменения скорости.

Принцип работы электромагнитного привода заключается в использовании токов Фуко. На барабан (рис. 20) надет фасонный цельнометаллический обод, который входит в прорези, выполненные в сердечниках электромагнитов.

Обод жестко скреплен с барабаном, между ним и электромагнитами существует малый зазор. Электромагниты расположенные вокруг барабана создают переменное электромагнитное поле, под воздействием которого, во вращающемся ободе возникают вихревые токи Фуко. Магнитное поле вихревых токов направлено таким образом, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи, соотвегст-

венно будет возникать тормозящий момент, создающий пульсирующее изменение скорости. Это означает, что предложенный привод является бесконтактным, а значит, надежность системы очень высока т.к. отсутствует механический износ составных частей. В тоже время существенно облегчается регулировка режимов сепарирования.

Центробежный сепаратор с дисковым лопастным распределителем сыпучего материала.

Центробежный сепаратор (рис. 21) состоит из корпуса 1, установленного в нем ситового барабана 2, состоящего из ряда секций 3. В корпусе рас-положенны дисковые 4 и щеточные 5 очистители наружной поверхности барабана. На верхней части опорного вала шарнирно закреплен дисковый распределитель 6, связанный через зубчатую передачу 7 с регулируемым электродвигателем 8. На диске распределителя закреплены лопасти 9. Сбоку от барабана размещены патрубки 10 для отвода фракций. Ситовой барабан 2 связан посредством спиц 11 с опорным валом 12. Опорный вал 12 через ременную передачу 13 связан с приводом сепаратора 14.

Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала работает следующим образом. Исходный материал поступает на дисковый распределитель 6 и равномерно, под действием центробежных сил, распределяется по поверхности ситового барабана 2. Разделение на фракции осуществляется за счет принудительного скольжения по ситовой поверхности. Сыпучий материал последовательно проходит ситовые поверхности всех секций 3, в каждой из которых отделяется одна из фракций.

Рисунок 21 - Сепаратор с дисковым распределителем сыпучего материала

Для регулирования начальной скорости частиц, дисковый распределитель 6 получает вращение посредством зубчатой передачи 7 от регулируемого электродвигателя 8. Лопасти 9, расположенные на дисковом распределителе 6, направляют сепарируемые частицы таким образом, что частица попадает на сито по касательной, что исключает отскок частицы от сита.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основании проведенного исследования существующего технологического оборудования для сепарирования зерна, установлено, что наиболее эффективными и экономически выгодными конструктивными решениями центробежных сепараторов являются цилиндрические сита с пульсирующим изменением скорости вращения.

2. Разработана математическая модель, описывающая процесс движения частицы в центробежном сепараторе с пульсирующим изменением скорости, позволяющая проанализировать эффективность процесса сепарирования в зависимости от траектории движения исследуемой частицы. Выполненный теоретический анализ траектории движения частицы в рабочем объеме центробежного сепаратора позволил выбрать наиболее рациональный режим работы и оптимальность его конструкции.

3. Новые конструкции приводов для центробежного сепаратора, обеспечивающие пульсирующее изменение скорости барабана в двух вариантах: с использованием эксцентриков и электромагнитов, а также лопастной распределитель сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения и углом наклона лопастей, позволяют регулировать режимы сепарирования, повышают надежность всей конструкции за счет уменьшения механического износа составных частей и позволяют увеличить эксплуатационные характеристики зернового сепаратора. Определены технологические параметры сепараторов: подачи материала, скорости вращения барабана, амплитуды и частоты колебаний сита, влияющие на эффективность процесса сепарирования.

4. Проведены исследования влияния основных параметров центробежного сепаратора: радиуса барабана, амплитуды колебаний, скорости вращения барабана, частоты колебаний, коэффициента трения частицы о стенки барабана на интенсивность и эффективность процесса сепарирования. Сопоставление результатов численного анализа и экспериментальных данных показало, что на эффективность процесса сепарирования влияют: амплитуда колебаний, скорость вращения барабана, частота колебаний барабана.

5. Разработаны и внедрены новые конструкции элементов центробежных сепараторов с увеличенными эксплуатационными характеристиками. Конструкторская техдокументация передана заказчикам для внедрения. Техническая новизна новых конструкций элементов центробежного сепаратора защищена 3 патентами РФ на полезную модель.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Семенов В.А. Приводные устройства центробежных сепараторов / В.А. Семенов, H.A. Яковлев // Известия вузов. Пищевая технология. -2009. -№4.-С. 96-98.

2. Семенов В.А. Моделирование процесса центробежного сепарирования на цилиндрическом сите / В.А. Семенов, H.A. Яковлев // Известия вузов. Пищевая технология. - 2011. - № 5. - С. 75-78.

Статьи в трудах, материалах международных и всероссийских конференций, в сборниках научных трудов:

1. Семенов В.А. Модель уплотнения сыпучего материала / П.Г. Зуев, A.A. Гергель, H.A. Яковлев, В.А. Семенов // Научный журнал "Труды КубГТУ". T. XX. - Сер. Механика и машиностроение. Вып. 2. - Краснодар, 2004. - С. 339-343.

2. Семенов В.А. Центробежное сепарирование сыпучих материалов с использованием крутильных колебаний / П.Г. Зуев, В.Г. Арестов, В.А. Семенов // Матер, второй межд. науч. технич. конф. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности». - Воронеж, 2004. - С. 297300.

3. Semenov V.A. Centrifugal separation of loose material with whirled vibration using / P.G. Zouev, V.G. Arestov, V.A. Semenov // 16th international congress of chemical and process engineering. - Prague, 2004.

4. Семенов В.А. Центробежное сепарирование сыпучих материалов с использованием крутильных колебаний / П.Г. Зуев, В.А. Семенов // Матер, всероссийской науч. практич. конф. с международным участием «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства». - Краснодар, 2005.-С. 487-450.

5. Семенов В.А. Исследование процесса центробежного сепарирования сыпучих материалов / П.Г. Зуев, В.А. Семенов // Сборник докладов V межрегиональной науч. технич. конф. с международным участием «Механики XXI веку». - Братск, 2006. - С. 321-327.

6. Семенов В.А. Приводные устройства центробежных сепараторов для разделения сыпучих материалов / П.Г. Зуев, В.А. Семенов П Сборник докладов V межрегиональной науч. технич. конф. с международным участием «Механики XXI веку». - Братск, 2006. - С. 321-327.

7. Semenov V.A. Research of process centrifugal separation of loose materials / P.G. Zouev, V.G. Arestov, V.A. Semenov // 17th international congress of chemical and process engineering. - Prague, 2006.

8. Semenov V.A. Drive for creation torsion vibration in a centrifugal separator for loose materials / P.G. Zouev, V.G. Arestov, V.A. Semenov // 17th international congress of chemical and process engineering. - Prague, 2006.

9. Семенов В.А. Новые сепараторы для центробежного разделения сыпучих материалов / П.Г. Зуев, В.А. Семенов // Сборник статей и докладов

девятой науч. практ. конф. с международным участием «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». - Барнаул, 2006. — С. 39-42.

10. Семенов, В.А. Численное решение задачи моделирования центробежного сепарирования / В.А. Семенов, H.A. Яковлев, Т.Л. Шапошникова // Сборник трудов преподавателей и студентов факультета КТАС КубГТУ. - Краснодар, 2011. - С. 157-160. Патенты РФ:

1. Патент на полезную модель 54822 РФ. Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала / П.Г. Зуев, В.А. Семенов. Заявка №2006111560/22 приоритет от 07.04.2006. Зарег. 27.07.2006.

2. Патент на полезную модель 60001 РФ. Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала / П.Г. Зуев, В.А. Семенов. Заявка №2006132997 приоритет от 13.09.2006. Зарег. 10.01.2007.

3. Патент на полезную модель 76828 РФ. Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала / В.А. Семенов, H.A. Яковлев. Заявка №2008123308 приоритет от 09.06.2008. Зарег. 09.06.2008.

Условные обозначения

со, с"' - частота вращательных колебаний цилиндра; V, м - амплитуда вращательных колебаний цилиндра; Р„, Н - центробежная сила инерции; N, Н - сила нормальной реакции цилиндра; G, Н - сила тяжести;

F, И - сила сопротивления движению частицы;

Р„ Н - переносная сила инерции;

i°t, И - кориолисова сила инерции;

Vumu, м/с - относительная скорость движения частицы;

с - время; Q, с"1 - частота вращения цилиндра; 2/ - средняя линия траектории частицы;

у, град - угол отклонения средней линии z, траектории частицы от вертикальной образующей цилиндра; 2А, м - амплитудное значение колебаний частицы; 2/у, м - перемещение частицы по оси Zj за период колебаний; zк у- - средняя скорость относительного движения частицы; Ч/со', с" - амплитудное значение углового ускорения цилиндра.

Подписано в печать 08.02.2012. Печать трафаретная. Формат 60x84 Ч[(,. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 603. Отпечатано в ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120, тел. 8-918-41-50-571

с-таП: olfomenko@yandex.ru Сайт: http://id-yug.iiarod2.ru

61 12-5/2279

ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет

На правах рукописи Семенов Виктор Александрович

ПРОЦЕСС СЕПАРИРОВАНИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ СЕПАРАТОРЕ С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОРОСТИ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент Н.А. Яковлев

КРАСНОДАР 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................... 4

1. ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ЗЕРНА. ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦЫ В ЗЕРНОВОМ СЕПАРАТОРЕ........................................... 6

1.1 Технологические особенности центробежных сепараторов

и их классификация...................................................... 6

1.2 Анализ конструктивных решений зерновых сепараторов .. 19

1.3 Анализ существующих математических моделей движения частицы в барабане для различных конструкций центробежных сепараторов..................................................... 43

Выводы к главе 1.......................................................... 59

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ СЕПАРАТОРА С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОРОСТИ.............. 61

2.1 Модель движения частицы сыпучего материала в барабане цилиндрического центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости............................... 61

2.2 Анализ результатов численного эксперимента................ 65

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОРОСТИ.......................................... 73

3.1 Описание экспериментальной установки...................... 74

3.2 Общая методика обработки экспериментальных

данных...................................................................... 79

3.3 Сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований.................................. 83

3.4 Анализ результатов экспериментов и исследование влияния основных параметров на эффективность процесса сепарирования.................................................................. 87

Выводы к главе 3......................................................... 97

4. АПРОБАЦИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА С

ПУЛЬСИРУЮЩИМ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОРОСТИ.............. 98

4.1 Новые виброцентробежные сепараторы........................ 99

4.1.1 Сепаратор с дебалансным приводом для придания пульсирующего изменения скорости ситовому барабану....... 99

4.1.2 Сепаратор с электромагнитным приводом для придания пульсирующего изменения скорости ситовому барабану....... 102

4.1.3 Центробежный сепаратор с дисковым лопастным распределителем сыпучего материала.................................... 104

4.2 Разработка методики расчета параметров процесса в виброцентробежном сепараторе...................................... 106

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ........................... 108

ЛИТЕРАТУРА............................................................. 112

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................ 125

ВВЕДЕНИЕ

В условиях острой конкуренции предприятий важнейшим фактором производства является снижение себестоимости продукции и повышение качества работ, что напрямую связано с разработкой и внедрением принципиально новых рабочих органов и машин. Особое значение, указанное требование приобретает для интенсификации широко распространенных технологических процессов, к числу которых можно отнести сепарирование зерновых смесей. При уборке, хранении и переработке зерна только в нашей стране ежегодно сепарируют более 50 млн. т. зерновых. При таком огромном масштабе работ даже незначительное улучшение технологического процесса сепарирования может дать существенный экономический эффект.

Технику послеуборочной обработки зерна на зерноперерабатывающих предприятиях непрерывно совершенствуют. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, направленные на изыскание оптимальных, конструктивных и кинематических параметров рабочих органов, совершенствование пневматических систем, повышение работоспособности всех узлов позволили создать надежные, высокопроизводительные комплексы зерноочистительных машин.

Оснащение сельского хозяйства высокопроизводительной уборочной техникой повышает интенсивность поступления зерна на зерноперерабаты-вающие предприятия. Необходимость повышения эффективности и производительности парка сепарирующих машин вызывается также предъявлением более жестких требований к качеству зерна, поступающего для переработки на предприятия мукомольной, крупяной, пивоваренной и масложировой отраслей промышленности. Важность проблемы интенсификации процессов сепарирования становится особенно очевидной, если учесть, что затраты на послеуборочную обработку и хранение зерна составляют от 40 до 60% общих затрат на его производство [40].

При всем конструктивном многообразии все сепараторы зерновых смесей имеют один общий принципиальный признак - для разделения неоднородных систем на

фракции в них используется поле сил тяжести. Это обстоятельство обуславливает их общий недостаток - ограниченную удельную производительность [95].

В поисках более эффективных способов сепарирования сыпучих материалов возрос интерес к центробежным сепараторам, у которых выделение частиц через сепарирующую поверхность происходит под действием инерционных сил, намного превосходящих их силы тяжести. Постоянный контакт с сепарирующей поверхностью увеличивает вероятность попадания частиц в отверстия, а большая скорость движения сепарируемого материала обеспечивает высокую производительность центробежных сепараторов. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что поле инерционных сил можно использовать для интенсификации сепарирования зерновых смесей не только по размеру, но и по форме, свойствам поверхности составляющих частиц, их плотности. Повышение эффективности разделения неоднородных систем достигается при этом в результате одновременного использования центробежных, кориолисовых и гравитационных сил [4].

Несмотря на то, что центробежные сепараторы известны давно, и они с тем или иным успехом были опробованы на различных предприятиях, широкого применения они не получили. Это объясняется недостаточно полным исследованием процесса сепарирования в центробежных сепараторах, отсутствием научно обоснованной методики определения конструктивных параметров этих машин, невысокой эффективностью конструкторских решений.

Поэтому для достижения цели совершенствования центробежных зерновых сепараторов, задачи данной работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Разработать математическую модель движения частицы по внутренней поверхности вертикального цилиндра, вращающегося с крутильными колебаниями.

2. Проверить адекватность математической модели реальному процессу.

3. Провести экспериментальное исследование технологической эффективности виброцентробежного сепаратора и определить область пареметров процесса, обеспечивающих требуемый режим сепарирования.

4. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработать методику расчета относительного движения сыпучего слоя и обосновать основные размеры и кинематические параметры цилиндрического решета.

1 ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ЗЕРНА. ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦЫ В ЗЕРНОВОМ СЕПАРАТОРЕ 1.1 Технологические особенности центробежных сепараторов и их

классификация

Сепарирование зерновой смеси на ситах основано на действии сил тяжести и применяется для разделения частиц отличающихся линейными размерами (шириной и толщиной). В общем случае процесс ситового сепарирования можно представить двумя стадиями: самосортирование и просеивание.

Самосортирование - это процесс, происходящий в неоднородной среде, который определяется различиями размеров частиц и их плотности.

В результате просеивания (рис. 1.1) через одно сито исходный продукт разделяется на две фракции, содержащие разные по размерам частицы. Часть смеси, проходящую через отверстия сита, называют проходом; остальную часть, которая остается на сите и сходит с него, - сходом.

I

Проход ^

Рисунок 1.1- Схема сортирования зерновой смеси на ситах

Сита с круглыми отверстиями задерживают частицы, ширина которых больше диаметра этих отверстий. Сита с прямоугольными отверстиями задерживают частицы, толщина которых больше ширины этих отверстий. Счи-

тается, что первые служат для разделения продукта по ширине, вторые - по толщине, а также выделения примесей отличающихся теми же признаками. Важнейшими классификационными признаками (рис. 1.2), определяющими эффективность сепарирования, длительность и надежность эксплуатации сит, являются:

• геометрия отверстий и сохранение их параметров во время работы;

•взаимное расположение сит с учетом ориентации относительно направления движения продукта по ситу;

• возможность регулирования размеров отверстий;

•материалы и способы производства сит, включая их покрытия.

Характеристика сит

Геометрия сит Материал

Расположение отверстий Геометрия рабочих ячеек Резиновые Шелковые

Форма рабочей поверхности Размеры рабочих ячеек Пластмассовые Металлические

Нейлоновые Тканные

Постоянные Капроновые Штампованные

Сварные

Регулируемые Плетеные

Роликовые Литые

Валковые Крученные

Колосниковые Сборочные

Рисунок 1.2 - Классификация сит

Рациональное использование сит (металлических, шелковых, пластмассовых) и конструирование высокопроизводительных просеивающих машин во многом зависит от выбора и обоснования формы их рабочих органов. При прочих равных условиях такой подход обуславливает технологическую эффективность работы машин.

Важнейшим признаком, определяющим форму рабочего органа, является характер кривизны ситовой поверхности (рис. 1.3). Наиболее часто встречаются плоские сита, но также приобретают распространенность цилиндрические и конические. Такое развитие они получили из-за того, что при наличии двух степеней свободы и значительного давления частиц на сито, при умеренной их относительной скорости, обеспечивают высокий эффект сортирования смеси.

Рисунок 1.3 -Классификация по форме рабочих органов Наряду с геометрией рабочих органов просеивающих машин, решающее значение, для процессов сортирования, имеет вид движения ситовой поверхности.

От него и от кинематических параметров зависят, при прочих равных условиях, относительное движение продукта на сите, давление частиц на его поверхность и ориентация их относительно отверстий сита Необходимо отметить, что сложное д вижение обеспечивает большую подвижность сыпучего материала на сите. В сочетании с оптимальной формой рабочих органов такое движение (например, вращательное

и колебательное) позволяет интенсифицировать процессы сортирования. Представим классификацию, опираясь на основные виды движения (рисунок 1.4)

Рисунок 1.4- Классификация рабочих органов по виду движения сит

На сочетаниях различных видов движения рабочих органов, усложняя траекторию движения сыпучего материала, можно достигнуть достаточно хороших условий для разделения материала на фракции. Причем можно обратить внимание на возможность предания сложного движения как ситу и уже от него с помощью силы трения перемещать материал, так и наоборот, перемещая сыпучую массу проводить её сортирование при помощи неподвижных сит.

Возможность длительного и бесперебойного функционирования рабочих органов подавляющего большинства просеивающих машин находится в прямой зависимости от очистки сит. Неудовлетворительная очистка вызывает снижение их производительности и ухудшает качество сортируемых продуктов. Характерно, что в течение года на восстановление очистителей сит, в среднем расходуются средства достаточные для приобретения просеивающей машины.

Для оценки работы ситового сепаратора приняты следующие показатели:

•производительность () (кг/с) - количество зерна, поступающего в машину в единицу времени; определяется по результатам баланса продуктов

(экспериментально), либо через удельную нагрузку подсевного сита

2 2 на 1 м (д, кг/(с*м ):

0 = (1.1)

где В - площадь сита, м2; •эффективность очистки зерна от примесей Е (%);

Е = ^-(Ш-а) (1.2)

где А—количество подлежащих выделению примесей в исход ном зерне %;

Б - количество примесей, оставшихся в зерне после очистки, %;

а - количество полноценного зерна в отходах, % к массе выделенных примесей.

•содержание полноценного зерна в отходах а (%), характеризующее четкость сепарирования, т. е. качественную сторону процесса.

Принцип воздушной сепарации использован во многих сепарирующих машинах, особенно в машинах для очистки зерновых культур. Объясняется это сравнительной простотой пневмосепарирующих устройств и разными аэродинамическими признаками примесей и зерновок. Однако идеально разделить смесь невозможно. Обычно в производственных условиях при очистке зерна средней засоренности эффективность выделения примесей, составляющая в среднем до 60—70% при четкости сепарирования до 2%, свидетельствует о вполне удовлетворительной работе пневмосепарирующего устройства.

В современных зерноочистительных машинах применяют несколько способов очистки зерна с использованием воздушного потока:

• сепарирование в вертикальном воздушном потоке;

• сепарирование в наклонном или поперечном воздушном потоке;

• воздушное сепарирование с использованием поля центробежных сил;

• воздушное сепарирование с использованием кинетической энергии компонентов сепарируемой смеси;

• пневмоинерционное сепарирование;

• пневмоситовое сепарирование;

• аэромеханическое сепарирование зерна в условиях внутрицехового пневмотранспорта.

Наибольшее распространение благодаря конструктивной простоте и компактности устройства получил способ сепарирования зерновой смеси в вертикальном воздушном потоке. Его применяют в современных зерновых сепараторах, пневмосепараторах и аспираторах отечественного и зарубежного производства.

В комплекс пневмосепарирующих устройств, входят: пыле осаждающие устройства и вентилятор, которые могут быть установлены на машине или автономно.

Воздушно-ситовое сепарирование применяется для очистки зерна от примесей, отличающихся от него шириной, толщиной и аэродинамическими свойствами. Зерно очищается на ситах, с выделением крупных и мелких примесей, отличающиеся от зерна шириной и толщиной, а поток воздуха продувает слой и уносит с собой примеси, отличающиеся от зерна аэродинамическими свойствами. Воздушно-ситовое сепарирование получило большое распространение на зерноперерабатывающих предприятиях, т. к. имеет ряд преимуществ перед ситовым, даже в плане разделения зерновой массы на фракции только по геометрическим признакам. Это связано с тем, что при подаче воздуха происходит псевдоожижение массы зерна и улучшается процесс самосортирования, т. к. исключаются из этого процесса легкие примеси,

уже попавшие в верхний слой. Также необходимо отметить, что совмещение нескольких принципов сепарирования в одной машине значительно сэкономит производственные площади.

В случае вибрационного сепарирования при помощи вибраций выполняется главная задача сепарирования - перемещение частиц разделяемых фракций в различные области рабочего пространства.

Кроме того, вибрации применяют для подачи исходной смеси в рабочее пространство, для транспортирования промежуточных продуктов от одного рабочего органа к другому и для вывода полученных фракций из мест их концентрации в рабочем пространстве.

При вибрациях опорной и боковых поверхностей, ограничивающих сыпучее тело, силовые импульсы от частиц пограничного слоя передаются вглубь, постепенно уменьшаясь вследствие рассеяния энергии. В большинстве интересующих нас случаев физическая характеристика частиц позволяет пренебрегать силами их взаимного притяжения и рассматривать связи как неудерживающие. Такое допущение становиться неприемлемым для очень малых частиц, частиц с поверхностной влагой, несущих электрические заряды, или металломагнитных частиц в магнитном поле.

Усилие, которое можно передать частице от смежных частиц или от твёрдых поверхностей, ограничивающих сыпучее тело, определяется условиями связи и зависит от направления передачи этого усилия (рис. 1.5). Если условия не позволяют передать частице усилие, необходимое для сообщения ей ускорения, которым располагает ограничивающая поверхность, то происходит относительное движение этой частицы. Для частиц с неодинаковыми физико-механическими свойствами или расположенных в разных точках сыпучего тела условия связи различны, и ускорения, при которых начинается и происходит их относительное движение.

Как следствие движения частиц друг относительно друга сыпучее тело разрыхляется, и объём его увеличивается в направлении свободной поверх-

ности. Так возникают условия для самосортирования, т.е. направленного в среднем перемещ