автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка метода расчета нового шнекового уплотнителя порошков

Яр^ЦАВСфДЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

- 2 ОПТ 1905

На правах рукописи, КАПРАНОВА Анна Борисовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА НОВОГО ШНЕКОВОГО УПЛОТНИТЕЛЯ ПОРОШКОВ

05.04.09 — Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ярославль — 1995

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете.

И а у ч ц ы и руководите л ь:

Заслуженный деятель науки РФ,

Заслуженный изобретатель РФ, доктор технических

наук", профессор Зайцев А. И,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ушаков С, Г. '(Ивановский государственный энергетический университет),

кандидат технических наук, доцент Язев В. А. ((Ярославский государственный технический университет).

Ведущая организация: АО «Техуглерод», г. Ярославль.

- &£

Защита состоится « » РТ&УТкЛ!^^ 1995 года в часов 'на заседании диссертационного совета Д 063.69.01 при Ярославском государственном техническом университете (г. Ярославль, Московский проспект, 88, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ^Ярославского государственного технического университета.

Автореферат разослан « ^ > 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного сювета, доктор химических наук, профессор

В. А. Подгорнова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Затраты, связанные с транспортировкой," вариванием и хранением тонкоизмельченных порошкообразных сериалов с малым насыпным весом и высокой пористостью могут быть «ращены их компактированием. Конечной целью процесса уплотнения (еаэрации) порошков в отличие от прессования является лишь шболее полное удаление излишнего газа. Деаэрацию порошковых гадуктов, природа которой мало изучена, можно осуществить как в [броуплотнителях, так и в более эффективных устройствах тематического и механического типов. Шнековые уплотнители фошков при невысокой себестоимости в сравнении с воздушными юсты и удобны в эксплуатации и изготовлении, являясь аппаратами ¡прерывного действия, имеют значительную производительность при •носительно небольших геометрических размерах, позволяют

¡уществить герметизацию при работе с вредными веществами. Анализ [тературы, посвященной процессу уплотнения порошков, показывает, •о существуют разработанные методы расчета шнековых машин, для 'жима жидкостей из сыпучих материалов, но они не могут быть ¡пользованы при расчете и конструировании шнековых аппаратов, >едназначенных для деаэрация порошковых продуктов.

Решение указанной научной проблемы, имеющей актуальное (учное и народнохозяйственное значение,, определяет направления ¡следований данной работы, которая выполнялась в рамках ¡становления ГКНТ от 11.03.В7 N 68 "Создание и освоение в отраслях фодного хозяйства новых технологий и оборудования для :ханической активации и измельчения материалов", а также в ютветстЕИИ с Межвузовской научно-технической программой "ТОХТ и )вые принципы управления химическими процессами" на 1990-1993 гг.

Целью настоящей работы является разработка' на основе ¡еретических и экспериментальных исследований процесса деаэрации ¡рошков метода расчета шнекового уплотнителя высокодисперсных шучих продуктов и определение основных режимных и конструктивных фаметров шнекового аппарата с помощью разработанной тематической модели.

Научная новизна:

1. Предложена математическая модель деаэрации порошков.

2. Создан альбом математических моделей ряда задач: о ¡тественном осаждении порошков, о механическом уплотнении порошков

вертикальном цилиндре, о движении и деаэрации порошковых

продуктов в горизонтальном коническом шнеке без уче: проскальзывания и трения.

3. Развит метод определения коэффициента проскальзыванш порошкообразного материала у стенки кожуха шнека .

4. Разработана математическая модель процесса уплотненш порошков в горизонтальном коническом шнековом аппарате с учете эффекта проскальзывания, внешнего и внутреннего трения, некоторь объемных и поверхностных сил, действующих на пробку материала, и I ее основе создан метод расчета конструктивных и режимных параметре уплотнителя.

5. Определены на основе экспериментальных исследование уплотняемости порошков коэффициенты Ламэ и газопроницаемости.

Практическая ценность.

Разработан инженерный метод расчета шнековых уплотнителе порошков.который позволил определить конструктивные и режимш параметры уплотнителя для технического углерода, прошедше! успешные испытания на Ивановском заводе техуглерода.

Автор защищает: :

1. Математическую,модель деаэрации порошков.

2. Метод определения коэффициента проскальзывания порошкообразного материала в шнековом уплотнителе.

3. Математическую модель процесса уплотнения порошков горизонтальном коническом шнеке с учетом трения и эффек: проскальзывания.

4. Инженерный метод расчета шнекового уплотнителя порошков

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на

Всесоюзной конференции "Математические методы в химии и химическое технологии" в г.Казани в 1991 г., 5 Всесоюзной конференц] "Механика сыпучих материалов" в г.Одессе в 1991 г., 4 Всесоюзнс конференции "Разработка комбинированных продуктов питания (медико биологические аспекты, технология, аппаратурное оформлен» оптимизация)" в г.Кемерово в 1991 г., Международном конгрессе 1 химической технологии "СН13А'93" в Чехии в 1993 г., 9 Международж конференции "Математические методы в химии и химической технологи] в г.Твери в 1995 г., 14 Международной конференции по физш прочности и пластичности материалов в г.Самаре в 1995 г.. Международном Симпозиуме "Достижения в области структурированной гетерогенной среды" в г. Москве в 1995 г..

Публикации.По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка используемых источников (263 наименования) и триложений. Объем работы составляет стр., в том числе /ЯР страниц эсновного текста, рисунка на ¥9 страницах и страниц

■филожений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее научная и практическая значимость, сформулированы цель и основные положения, зыносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ современных методов и оборудования для уплотнения (деаэрации) порошков, конструкций инековых уплотнителей и , основных подходов к математическому юделированию процесса уплотнения тонкоизмельченных сыпучих 1атериалов.

Показано, что из существующих трех способов деаэрации порошков - вибрационного, пневматического и механического - наиболее ■шрспективными являются последние два. Отмечены преимущества и {едостатки уплотнителей различных типов, рассмотрены конструктивные эсобенности шкековых машин.

Установлены два основных подхода к проблеме: создание

:татистических моделей структурно неупорядоченных систем и зазработка моделей уплотнения, основанных на упругих свойствах юристой среды. Проанализированы модели процессов виброуплотнения, грессования, осаждения в бункерах порошковых материалов. Показано, 1то в настоящее время практически отсутствуют методы расчета фоцессов деаэрации с высокой степенью уплотнения (более 20 %). Для шисания процесса деаэрации порошков могут быть использованы методы «еханики гетерогенных сред.

Рассмотрены существующие математические модели и методы расчета (вижения порошков в шнеке, или справедливые для одиночной частицы 1 винтовом канале, или связанные с гипотезой о поведении сыпучего [атериала как псевдожидкости. При построении моделей наибольшие 'рудности связаны с учетом эффекта проскальзывания материала у :тенки и влияния внешнего и внутреннего трения. Вводимые в задачах ;оэффициенты скольжения и трения требуют разработки методов их жспериментального определения. Таким образом, известные методы 1асчета шнековых машин не могут применяться для описания движения

порошков при их уплотнении в аппаратах с меняющейся геометрией.

На основании анализа современного состояния проблем сформулированы основные цели и задачи исследования.

Во второй главе представлено математическое описание процесса уплотнения порошков в новом • шнековом аппарате: на основе предложенной общей математической модели деаэрации создан альбом моделей ряда задач, развит метод определения коэффициента проскальзывания порошкообразного материала у стенки кожуха шнека. Разработана математическая модель процесса уплотнения порошков е горизонтальном коническом шнековом аппарате с учетом эффекта проскальзывания и трения, некоторых объемных и поверхностных сил, действующих на пробку материала.

Построенная общая модель деаэрации порошков базируется на основных положениях механики гетерогенных сред. Порошок считается двухфазной гетерогенной смесью газа и твердых частиц (р >> р ). Введены допущения об отсутствии пластической деформации частиц.и их хаотическом движении, т.е. уплотнение происходит за счет переупаковки зерен и деформация зернистого скелета подчиняется обобщенному закону Гука, что подтверждается при анализе компрессионных кривых зависимости пористости порошка от давления при одноосном сжатии при малых изменениях давления (1+3)*105Па.

о*г1 - аг( Л «^а» + 2 ц с*1 ; (1)

Предполагается, что вязкость влияет только на взаимодействие фаз, относительное движение газа сквозь зернистый скелет рассматривается как процесс фильтрации и описывается законом Дарси. Данная модель включает уравнения движения смеси в целом, неразрывности смеси, относительного движения газа, неразрывности для газообразной фазы, изменения пористости порошка, состояния газа и использована для решения конкретных задач по уплотнению порошков.

Разработана математическая модель естественного осаждения порошков в вертикальном цилиндре, удовлетворительно согласующаяся с опытными данными. На основе вторичной модели решены задача о равновесии системы твердые частицы - газ и задача о просачивании газа через пористую среду, впоследствии используемые для экспериментального определения модулей упругости порошков и коэффициента газопроницаемости. С помощью общей модели деаэрации порошков решена задача о механическом уплотнении материала в вертикальном цилиндре, показано согласие с опытом. Предложена

модель движения порошков в шнеке без учета проскальзывания и трения.

Дан краткий анализ способов учета пристенного скольжения для различных систем. Эффект проскальзывания является результатом образования у поверхности тонкого слоя дисперсной среды, вязкость которой мала по сравнению с вязкостью системы в объеме. Применительно к процессу уплотнения порошков в конической шнековой машине развит метод оценки коэффициента проскальзывания С отношения эффективной скорости скольжения на стенке корпуса к единице касательного напряжения), основанный на выражении J.G. 01гоус1 для объемного расхода V при течении неньютоновской жидкости из капилляра в условиях ламинарного установившегося движения жидкости

г

V V 1 г"

-- - —'5 + —~ Г х» £(х)йх , (2)

пЯ3 Я т3 > »

и о

где г = г т / Я , Кт) = Скорость скольжения- порошка- на

кожухе шнека предполагается пропорциональной сдвиговым напряжениям у стенки

V = р (т) т / Я (3)

в а Н Й

Причем коэффициент может быть константой в широком

интервале изменений г, что было экспериментально показано в

работах Р. РгапшвсЬш1сИ и Е.О. ЯеЬег. Объемный расход V при

истечении продукта из канала с радиусом стенки кожуха Я выражается

V = Я а и (Яг -г2 )/(2сс ) (4)

го о г

Получена формула для порозности порошка а 2у стенки кожуха

«21к = и Л2/ ( р И® ] , (5)

которая может быть использована в качестве граничного условия при математическом моделировании. Применяя выражения (1),(3)-(5), с помощью (2) записываются два уравнения, одно - для входного радиуса шнека г , другое - для выходного г . Учитывая, что величина Л не зависит от Я и и вычитая одно полученное уравнение из другого, запишем квадратное алгебраическое уравнение относительно р , где коэффициенты при /3 являются функциями экспериментальных значений а и и. Один корень уравнения необходимо исключить, так как при Я=г на опыте наблюдается значительное уменьшение степени уплотнения порошка. Работа метода оценки 0 проиллюстрирована на примере уплотнения техуглерода марки П803 ГОСТ 7985-86 ( Х=6*104Па, у=3*104Па, р=22°,рт=18?5 кг/м3) и каолина ГОСТ 21235-75 (Х=5*105Па,

М=3*105Па, р=27°,рт=2600 кг/м3), на рис. 1 представлен! соответствующие графики зависимости (3=(2(п). Параметры шнека указаш в главе 3.

Разработана математическая модель процесса уплотнения порошког в горизонтальном коническом шнековом аппарате с учетом эффекте проскальзывания и трения . Рассматривается плоскодеформационное движение дисперсной смеси (рис. 2а,б) в плоскости, перпендикулярной оси шнека. Применен метод "обращенного" движения, когда шнек неподвижен, а его корпус движется с угловой скоростью и, и цилиндрическая система координат. Этот подход правомерен, ибо при малых углах конусности шнека спиральный канал можно считать цилиндрическим. Спиральная поверхность какала шнека описывается уравнением

г (в) = г - я е , (6)

к 10

где г1 = Д / 2,, К = С01 - Х>2)3 / (4 П V). Соответствующая

модели система уравнений включает в себя линейную связь деформаций

и напряжений (1), уравнения неразравкости твердой фазы

(д(а р V )/дВ =0), изменения порозности ( а <=а /(1-е )), уравнени 2 Т в 2 20 е

движения материала с учетом переносного и кориолисова ускорений, а также силы внешнего трения, действующей со стороны корпуса на пробку порошка и заставляющей ее двигаться (<ггг-(<т + <?)/ 2)

2 " и

д<т 1 а-с <г - <х у*

г 1-0 г 9 / 0

- +--+ - = - « р - +ы*г+2и V , (7)

3г г дв г 2 Т1 г е) г

Зт „ 1 а<г 2т „ ду=

ге е ге .ее *

- +--+ - = -«р —---2ч V -Г (8)

Эг г дв г 2 Т1 г Э8 '

где F = N cose, F = N sine, N = f,.f(i+u)(a - а ). Учет в

г в О 2 20

выражениях (7)~(8) силы внешнего трения Т осложняется отсутствием данных об угле наклона ф этой силы к вертикальной оси у, перпендикулярной оси шнека (рис. 2 в). Полученная система дву; уравнений относительно а и т является гиперболической системой квазилинейных уравнений 1-го порядка и записывается через характеристики в канонической форме в инвариантах Римана. Для корректной постановки проблемы сформулированы условия смешанной граничной задачи, которые удовлетворяют условиям согласования 0-го

7 2

3

Рис Л.. Графики экспериментальной зависимости ^

1 - технический углерод

ПЬОЗ ГОСТ 7885-86;

2 - каолин ГОСТ 21235-75

2 I

►—о—

25 30 35 ПГЪ, об/мин

Рис. 2. Расчетная схема движения порошка в шнеке:

(а) - в сужающемся канале; (б) - вдоль оси шнека; (в) - основная сила трения, действующая на элемент твердой пробки

и 1-го порядков в точках сшивания. При построении граничных условий применяются закон сухого трения на стенке корпуса , условие предельного равновесия, выражение (3) для скорости скольжения порошка на спиральной поверхности кожуха шнека. Правомерно также пренебречь трением о вал шнека, а также принять, что в начале канала шнека уплотнения порошка не происходит. Одно из условий согласования 1-го порядка использовано для определения неизвестного угла $

1 а / Па (2а | +а )

Г / О ^ / О4 Х2 ( о) о'

- У - № 1--Л+т--— , (9)

№г а'хг(о) < «'

где х (в) = 1л (1 - Лов / гг), Ш = рти2г®/Л , ЛГг= ЛГ/А , г = 2ц/Л . Например, при указанных выше значениях р и п=(25+40.) об/мин расчетные значения 0=(72+76) град. Модель позволяет рассчитать степень уплотнения порошка, распределение напряжений в зависимости от конструктивных и технологических параметров шнека. Система в инвариантах Римана решается методом характеристик. На рис. 3 представлены графики теоретической зависимости а2=а ( в,г), из которых видно, что при увеличении числа оборотов вала шнека порозность падает. Расчеты выполнены для технического углерода и каолина, результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (рис.4).

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных

исследовании уплотняемости порошковых материалов: изменения их физико-механических характеристик, поведения порошков при естественном осаждении, о механическом уплотнении в вертикальном цилиндре и в шнековом аппарате.

Проведен анализ способов определения физико-механических параметров порошков: модулей упругости, коэффициента газопроницаемости, угла внутреннего трения, коэффициентов слипаемости, бокового давления. Так, с помощью специальной установки с учетом решений задачи о просачивании газа через пористую среду получены следующие пределы изменения коэффициента газопроницаемости к в зависимости от пористости о^ материала: для технического углерода марки П803 ГОСТ 7885-86 к = (0,13+0,75)*10-11 м2 при «г=(21+48)%, для каолина ГОСТ 21235-75 к - (0,11+1,64)*10-11 м2 при а1=(45+70)%. Подтверждена известная из механики гетерогенных

Рис. 3. Грефики теоретической зависимости порозности порошков от радиальной координаты при уплотнении в шнеке (а);графики теоретической зависимости порозности порошков от окружной координаты при уплотнении в шнеке (б);.

сплошные кривые - при ТЬ = 30 об/мин; пунктирные кривые - при ТО = 42 об/мин; I - 0 = 0,01©к; 2 -0,25 0,; 3 - © = О,Ь0К; 4 -0 = 0,75© ; 5 -0 = 0,99; 0к= 2%1/в =94,2 рад ;

4'-Ъ= 0,135 м; 5"- =0,117 м ; - технический углерод; _Н - каолин

20 10

0

1 - техуглерод;

2 - каолин;

Рис. 4. Сопоставление теоретических и опытных данных о коэффициенте уплотняемости порошков в 35 ТЪ об/мин згвисимости от скорости вращения вала шнека Уь : сплошные кривые - теоретические зависимости;

сред связь

к - к (а/ а )п , (10)

1 ю

Опытные данные позволили вычислить константу для исследуемых порошков л—С4,1+4,3); для жидкостей л близка к десяти единицам.

Экспериментально установлен характер естественного осаждения порошков на примере технического углерода и каолина, начальное значение порозности которых с течением времени менялось незначительно. Таким образом, в целях экономии средств данные порошки рекомендуется деаэрировать перед их затариванием,хранением и транспортировкой. С помощью полученных решений задачи о равновесии системы твердые частицы - газ определены коэффициенты Ламэ А и и, порядок которых равен 104 Па для технического углерода П808 ГОСТ 7885-86 и 105 Па для каолина ГОСТ 21235-75.

Исследован характер процесса механического уплотнения в вертикальном цилиндре. Показано, что уплотнение в слоях порошка происходило неравномерно, пористость слоев вблизи поршня меньше, чем в зоне дна цилиндра, распределение возмущений в слое не происходило мгновенно.

Выявлена целесообразность применения шнекового уплотнителя порошков . На рис. 5 представлена схема устройства для уплотнения высокодисперсных сыпучих материалов. Устройство включает загрузочный бункер 1, кожух 2, в верхней части которого выполнены отверстия с укрепленными в них воздухоотводящими трубками 3. Внутри кожуха имеется вал 4 со шнеком 5. На конце кожуха на вале установлена подпорная шайба 6, которая прижимается к выходному отверстию в корпусе уплотнителя с помощью пружины 7. Длина конусного горизонтального шнека 1.8 м, диаметры шнека на входе и выходе равны 0.2м и 0.105м соответственно, шаг витков - 0.17м, диаметр вала - О.045м, мощность привода - 1.8кВт.

Рабочими порошками являлись каолин ГОСТ 21235-75, технический углерод марки П803 ГОСТ 7885-86, аэросил марки ZE0SIL 175МА МР CAS# 7613-869, которые перед экспериментом высушивались по соответствующей методике так, чтобы относительная влажность продуктов не превышала 2%. При большей влажности продуктов происходит их прессование в аппарате и остановка устройства.

Обоснована правомерность использования предлагаемых математических моделей процесса уплотнения порошков под действием силы тяжести, при механическом уплотнении в вертикальном цилиндре

п г// г

Рис.5. Устройство для уплотнения высокодисперсных сыпучих материалов

(¡),кг/ч

500

400 300 200 100

1

• • •

• -01 ыт

2

20 25 30 35 ТЬ, об/мин

Рис. 7. Графики теоретической зависимости производительности шнекового уплотнителя порошков от скорости вращения вала: 1-техуглерод; 2-каолин

Рис. 6. Схема движения элемента пробки порошка в винтовом канале шнека в "обращенной системе":

^ -ось винтового канала,£ ^направление движения пробки, У2-осевая скорость пробки, 'О^-скорость пробки вдоль оси шнека, ^-окружная скорость скольжения материала,Ц),-окружная скорость корпуса

и в шнековом аппарате.

В четвертой главе приводится, инженерная методика расчет нового шнекового уплотнителя порошков. Основными задачами, которь решаются при расчете шнековых уплотнителей порошков, являютс следующие: определение интегральных характеристик процесс

уплотнения - производительности аппарата и мощности, а также расче его конструктивных и режимных параметров. Решение этих заде состоит из следующих этапов: (а) - поиск метода определен» интегральных характеристик процесса уплотнения порошков в шнековс аппарате на основе математической модели движения и деаэрац* материала; (б) - определение оптимальных конструктивных и режимнь параметров шнекового уплотнителя порошков; (с)-пример расчет шнекового уплотнителя порошков.

Разработанная во второй главе математическая модель процесса уплотнения порошков в шнеке позволяет определить порозность порошка а , компоненты напряжений сг , сг , сг , тг , а . таь

2 6 Г 2 л в

скорости движения порошка V , V,, в окружном и радиальнс

© г

направлениях, а также оценить величину угла трения 0 (формула (9))

На рис. 6 представлена схема движения элемента пробки порошка в винтовом канале шнека, из которой видно, что осев^ скорость движения порошка V можно выразить как

У2 = ( Ук - vlУi)tg рн* Ье V» <рн + ъв ф ), (1С

где V — и Я .Выражение (12) отличается от известных в литератур тем, что оно справедливо для конического шнека и учитывает эффеу проскальзывания материала у стенки корпуса. Численно определяют: производительность шнека 5 и мощность N, расходуемая на уплотнение

в винтовом канале шнека

« " ] Рггг<1* «

где ек = 2 пЬ/я. На рис. 7 представлены расчетные значен! производительности аппарата, которые несколько превышают опытнь что можно объяснить сделанными в модели допущениями об отсугств* проскальзывания материала на валу , о медленном истечении газа I смеси. Блок-схема оптимизации конструктивных и режимных параметров шнекового уплотнителя порошков содержится на рис. 6 Исходными данными (блок 1) являются физико—механически характеристики порошка и динамические коэффициенты, которь

г (в ) в. I

-I м

о о

ЭУ„

зе

йг йэ с¡г ,

(12

Рис. 8. Блок-схема оптимизации конструктивных и технологических параметров шнекового уплотнителя порошков на основе модели с учетом проскальзывания и трения

заложены в соответствующей математической модели процесс уплотнения порошков. С помощью блоков 2-4 решается задач оптимизации необходимых параметров. В качестве критери оптимальности как меры достоинств выбранного решения задач оптимизации параметров уплотнителя, взят обобщенный критерий сформулированный по принципу "приближения к идеалу"

/ lQ(xt ,у^ - Q(x[,y'})]2 [N(xl ,у- WCx'.y*;/2 "

R - / --- + - , (12

/ [QU^y^)]2 Wx^.yJ]*

где R •* R(x ,у ) — целевая функция с параметрами оптимизации х ,у « 1 * j 1 J

причем xi<yj ~ оптимальные значения параметров, производительность шнекового аппарата в зависимости от множеств, конструктивных (х^ и режимных (у^ характеристик: х( D^, £>2 d , S, 1, <р }, у ={ ы } , N(x ,у ) - потребляемая установко;

О Н J 1 J

мощность. Необходимое условие оптимальности решений сформулиррван как f?(x, ,y,)-*R. . тогда

1 J roln « t

R(x.y) г R(x ,у ), V х ,у е Р, (13

й * * J * J * J

где { х ,у ) - решение задачи оптимизации, ? - область определена ^ j * >

параметров xs. В соответствии с теоремой Вейерштрасса достаточном условии существования оптимального решения задан допустимая замкнутая область решений и сформулирован критери оптимальности в этой области как непрерывная функция параметро: оптимизации. Результатами расчета (блок 5) являются оптимальны

значения длины шнека L, его входного -Du выходного - D диаметров «• » ►

радиуса вала г , шага S и угла в винтовой нарезки , а также углово: о . • к

скорости вращения ■ вала и. Приведен пример расчета шнековоп

уплотнителя порошков для технического углерода.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

(г4)-входной диаметр (радиус) шнека,м; Dz(г2)-выходной диамет;

(радиус) шнека, м; с!о(го)-диаметр ( радиус) вала шнека, м

f-коэффициент внутреннего, трения (f^tgp); коэффициент бокового

давления; I-индекс трения , %; ¿-коэффициент газопроницаемости, м

L-длина шнека, м; JV-мощность, Вт; л-число оборотов вала шнека

минуту, об/мин; Q- производительность аппарата, кг/ч; Я-радиу

стенки кожуха шнека, м; Я0-средний радиус конического шнека, м; г-

радиальная координата, м; £-шаг винтовой линии, м; V- объемны]

расход, м3/с; v-скорость, м/с; а „(а )-пористость (порозность)

1 2

/3-коэффициент проскальзывания, м3/Па*с; е^-осредненный тензор деформации твердой фазы; е^.е^, ггв~компоненты осредненного тензора деформаций; т)- уплотняемосгь порошка (т)=(1-аго/а2) * 100%) , %; е-угловая координата, рад; А, м-коэффициенты Ламэ, Па; р-угол внутреннего трения, град; р -истинная плотность материала, кг/м3; <г*1-осредненный тензор эффективных напряжений твердой фазы, Па; аг'Гго'тг2~комгюненты осредненного тензора эффективных напряжений, Па; Тд-сдвиговые напряжения у стенки. Па; (Рн~угол винтовой нарезки шнека, град; |0-угол внешнего трения, град; ы-угловая скорость вращения вала шнека, рад/с.

ОБЩИЕ ВНВОДН И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе механики гетерогенных сред предложена математическая модель деаэрации порошков, позволяющая решать конкретные задачи о механическом уплотнении порошковых материалов в различных системах. С использованием модели разработан метод экспериментального определения модуля упругости порошков и коэффициента газопроницаемости.

2. Дано математическое описание естественного осаждения, движения, деаэрации при механическом уплотнении порошкообразного материала в вертикальном цилиндре.

3. Разработан метод определения коэффициента проскальзывания в процессе уплотнения порошков в уплотнителе, а также получена формула для порозности порошка у стенки кожуха, используемая в качестве граничного условия при математическом моделировании. Метод оценки коэффициента проскальзывания использован и проиллюстрирован на примере уплотнения технического углерода и каолина.

4. Получена зависимость для степени уплотнения продукта, распределения давления в шнековом аппарате с учетом эффекта проскальзывания и трения, которые положены в основу определения уплотняемости различных видов порошков на лабораторных, опытно-промышленных установках. Выявлена целесообразность применения шнекового уплотнителя порошков (порозность материала увеличивается минимум в полтора раза) и обоснована правомерность использования предлагаемого математического описания процесса деаэрации порошковых продуктов. Для технического углерода и каолина определены коэффициенты Ламэ и газопроницаемости.

6. Создана инженерная методика расчета нового шнекового уплотнителя высокодисперсных порошковых продуктов, включающая (а)

- определение производительности шнекового аппарата, потребляемо» им мощности (для техуглерода при скорости вращения вала (20+40] об/мин производительность меняется в пределах (350+480) кг/ч при потребляемой мощности в (400+600) Вт; (б) - поиск оптимальные конструктивных и технологических параметров шнекового уплотнителя (входного и выходного диаметров шнека, радиуса вала, длины шнека, шага и угла его винтовой нарезки; угловой скорости вращения вала); предложен обобщенный критерий оптимизации параметров аппарата.

7. На основе инженерного метода расчета определень конструктивные и режимные параметры нового шнекового уплотнителя, который прошел успешное опытно-промышленное испытание на Ивановскок заводе технического углерода (коэффициент уплотняемости ij для техуглерода составил (32+36)%).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Г7 Капранова А.Б., Зайцев А.И., Мурашов A.A., Пухтий О.И. Применение разностных схем в моделировании процесса уплотнения порошков // Математические методы в химии-и химической технологии: Тез. докл. 7 Всесоюз. науч. конф. - Казань.- 1991,- С. 43 - 44.

2. Мурашов A.A., Капранова А.Б., Зайцев А.И. Метод расчета шнекового уплотнителя порошков // Механика сыпучих материалов ; Тез. докл. 5 Всесоюз. науч. конф. - Одесса.- 1991. - С. 174.

3. Капранова А.Б., Мурашов A.A., Размолодин Л.П. Экспериментальные исследования уплотняемости порошков // Разработка комбинированных продуктов питания ( медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация): Тез. докл. IV Всесоюз. науч. - техн. конф. - Кемерово.- 1991. - С. 61-62.

4. Мурашов А.А, Капранова А.Б., Зайцев А.И. Математическая модель движения и уплотнения порошков в шнековом уплотнителе // Техника и технология сыпучих материалов : Межвуз. сб. науч. тр. У Иван. хим. - технол. ин - т: - Иваново, 1991. - С. 32 - 37.

5. Kapranova A.B., Murashov A.A., Zaitsev A.I. On the prediction of the worm set-up for the densification of powder materials // CHISA'93: The 11 - th Int. Congr. of Chem. Eng., Chem. Equip., Desing and Automation. - Praha, Czech. Republic.- 1993 - P. 28.

6. Капранова A.B., Мурашов A.A., Зайцев А.И. Современные методы описания процесса уплотнения порошкообразных материалов /

Яросл. политехи, ин-т. - Ярославль, 1993. - 26 е.- Деп.. в ЦНИИТЭ нефтехим 02.12.93, N 9НХ-93.

7. Капранова А.Б., Мурашов A.A., Зайцев А.И. Определение физико-механических параметров уплотнения порошков и характеристик дисперсных материалов /Яросл. гос. тех. унив-т,- Ярославль, 1995.22 е.- Деп. в ЦНИИТЭ нефтехи. 07.04.95, N 13-НХ95.

8. Капранова А.Б., Зайцев А.И. Методика построения граничных условий для реализации численного метода характеристик смешанной граничной задачи// Математические методы в химии и химической технологии : Тез. докл. 9 Междунар. науч. конф. - Т. 1.- Ч. 1. Тверь. - 1995. - С.23.

9. Капранова A.B., Зайцев А.И. Качественный метод поиска главного приближения для решения системы квазилинейных дифференциальных уравнений // Математические методы в химии и химической технологии: Тез. докл. 9 Международной науч. конф.- Т. 1.- Ч. 1,- Тверь,- 1995.- С. 104.

10. Капранова A.B., Зайцев А.И. Математическая модель уплотнения порошков в шнековой машине с учетом эффекта проскальзывания // Математические методы в химии и химической технологии : Тез. докл. 9 Междунар. науч.конф. - Т. 2. - Ч. 2.- Тверь. - 1995,- С. 147.

11. Капранова А.Б., Зайцев А.И. Оптимизация процесса уплотнения порошков в шнековом аппарате // Математические методы в химии и химической технологии: Тез. докл. 9 Международной науч. конф. - Т. 2.- Ч. 2. - Тверь. - 1995. - С. 75.

12. Капранова A.B., Зайцев А.И. Упрочнение порошкообразных композиций в шнековом уплотнителе // Тез. докл. 14 Междунар. конф. по физике прочности и пластичности материалов. - Самара.- 1995, -С. 420 .

13. Kapranova A.B., ZaitsevA.I. Accounting of the friction and sliding effects in the model of the process of the disperse materials densification in the worm set-up. // Advances in Structured and Heterogeneous Continua : Abstracts of the Second Int. Symphosium. - Moscow, Russia, 1995. - P. 57.