автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Разработка процесса выделения коры из щепы и обоснование параметров пневмоударного сепаратора

? о и-г 9 а

ЛЕШШГРАДСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА. ЛВООГЕШИЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ С.М.КИРОМ

На правах рукописи

СПИРИДОНОВ АНДРЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ КОШ ИЗ ЩЕПЫ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛИЕШОУДАРНОГО СЕПАРАТОРА

05.21.01 - Технология и машин лесного хозяйства и лесозаготовок

-...АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

у ,/

/ ) ) \) />

Диссертационная работа выполнена на кафедре механизации лесоразработок Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии имени С.М. Кирова.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук,

профессор ЗШРЕНКСВ Ф.Е.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук,

профвссор ПАТЯКИН В.И.

- кандидат технических наук, . старший научный сотрудник

МИХЛИ С.З.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ - ТПО "Красноярсклеспром"

Защита состоится " " двкаВрЯ_ 1990 г. в

"_//__" часов на заседании специализированного совета К.063.50.05 в Ленинградской ордена Левина лесотехнической академии имени С.М.Кирова (194018, Ленинград, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией шаю ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослав " 2У " рОяЗрЯ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета

ГУЖЕВ Р.И.

- 3 -

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш» Большое значение в настоящее время приобретают проблемы комплексного использования древесины в лесной отрасли. Для их решения на предприятиях лесного комплекса предполагается увеличение объемов производства технологической щепы из низкокачественной древесины, отходов лзсозаготовок и лесопиления.

Щепа из отходов лесозаготовок и низкокачественной древесины содержит кору, гниль, древесную зелень и другие примеси в таком количестве, что при ее использовании в ЦЕЛ заметно снижается качество волокнистых полуфабрикатов, падает производительность технологического оборудования.

К настоящему времени по проблеме очистки и разделения ще- • пы существует почти 40-легШгй опыт зарубежных и отечественных исследований. Изучена возможность применения для очистки щепы известной технологии обогащения и разделения сыпучих материалов, изобретены новые процессы и оборудование. Существует опыт ограниченного промышленного использования технологии очистки щепы от коры на зарубежных предприятиях лесозаготовительной и целлюлозно-бумажной промышленности. Для решения проблемы создан большой научный задел, однако широкого применения технология очистки щепы от коры и других примесей еще не получила промышленного применения из-за наличия ряда существенных недостатков.

Из сказанного следует, что работа, посвященная исследованию процесса разделения измельченных лесосечных отходов, является актуальной и важной.

Цель работы - повышение эффективности процесса разделения путем обоснования параметров работы пневмоударного сепаратора щепы.

Научная новизна. Уравнения движения частиц щепы в пнев-моударном сепараторе. Регрессионные зависимости значений коэффициентов восстановления от скорости и угла падения частиц щепы на отражательный экран.

Имитационная модель пневмоударного сепаратора щепы. Оптимальные режимы работы установки. Методика оптимизации основ-' ных параметров установок с пневмоударйш способом разделения

исходного сырья.

Практическая значимость. Результаты исследований иохуг быть использованы при создании линий по разделению измельченных лесосечных отходов. Они могуг быть использованы проекгно-конструкторскими и научнси-исследовательскими организациями при проектировании и создании новых установок данного гита, расчетная экономическая эффективность от внедрения процесса составляет 3,33 руб/м3

Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении технологического регламента одытно-нрсмышюн-ных испытаний экспериментальной линии для очистки щепы от коры и других примесей производительностью 10 мЗ/час, использованного ВШОбушромом в научно-исследовательской работе по теме № 22-376-23-90 "Создать оборудование и разработать процесс облагораживания приводной щепы, полученной из неокоренных отходов лесопиления и лесозаготовок".

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на научно-технических конференциях лвсоиккенерного факультета ЯГА им. С.М.Кирова В 1989-1990 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано две статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы, включавшего наименования и предложений. Основное содержание диссертации изложено на 132 страницах машинописного текста с 32 рисунками и 26 таблицами.

СОДЕИШМЕ РАБОТЫ

Во введении даны обоснование темы исследований, цель и краткая аннотация проделанной работы.

В первом раздела рассматриваются состояние изучаемого вопроса, различия в свойствах компонентов щепы, обеспечивающих возможность ее очистки. Представлены обзор и критический анализ существувдих способов и установок до очистки щепы от корн.

На основании анализа научной и патентной литературы, в

также из результатов исследований ЛИА сделан вывод о наличии принципиальной возможности повысить качество щепы из отходов лесозаготовок путем очистки ее от корн.

К настоящему времени разработаны пневматические, механические, водные и другие способы очистки, позволяющие снизить содержание коры в щепе до приемлимого уровня; два из них (вакуумный и компрессионный) испытаны в производственных условиях с удовлетворительными результатами.

Ни один из рассмотренных способов пока не может конкурировать с традиционной окоркой древесного сырья. Более того процессы очистки щепы не применяются даке при использовании щепы из целых деревьев для производства целлюлозы, тогда наличие большого количества коры в щепе вызывает серьезные технологические затруднения. Рассмотренные способы очистки щепы или недостаточно эффективны, или чрезмерно слошш, или же отрицательно влияют йа некоторые качественные показатели щепы (ухудшение фракционного состава, повышение влажности, нежелательные изменения в химическом составе, уменьшение содержания и прочности целлюлозы).

Многочисленность известных способов очистки щепы, а также слабый спрос на них в промышленности при наличии объективной потребности в создании технологии очистки щепы от коры свидетельствует о том, что в существующем виде эта способы не удовлетворяют требованиям современного производства. Отскн да следует вывод, что поиск новых способов и устройств для ■> очистки щепы должен быть продолжен.

Анализ состояния вопроса позволил предложить для очистки щепы от коры пйевмоударннй способ, основанный на разности в скоростях отскока витания частиц.

В задачи исследования входило:

- разработать теоретические основы пневмоударного разделения;

- экспериментально проверить пригодность исследуемого способа очистки щепн от коры;

- установить режимн эффективного разделения;

- обосновать экономическую целесообразность пневмоударного способа сепарации щепы.

Второй раздел посвящен разработке теоретических основ пневмоударкого способа сепарации щепы.

В разделе приведено описание исследуемого способа сепарации щепы. Пневмоударный сепаратор (рис. I) состоит из бункера 2, в котором размещены отражательный экран 3 и перегородки 5, 6,7, разделяющие дно бункера на карманы 8, 9, 10. На бункере установлен вентилятор 4. Подача щепы на экрай осуществляется

Рис. I. Схема пвевмоударного сепаратора.

Процесс разделения состоит в следующем. Частицы щепы вылетая из трубопровода I со скоростью и падают на отражательный экрай 3. Поскольку частицы, составляющие массу щепы (кора и .древесина) имеют разные коэффициенты восстановления недеформированяого состояния, ош будут отскакивать от экрана с разными скоростями ЧА и « и под разными углами оИ и Для повышения эффективности разделения и уменьшения габаритов сепаратора, вентилятор 4 продувает поперечным воздушным потоком, отраяюяйый от экрана шток щепы, усиливая отклонения траекторий более легких и пластичных частиц., Б ре-зульате действия сил отскока, внавматических и тязкесги древесные частицы попадают в карман 10, а частицы коры в карман 8. Невыделенная часть щепы попадает в карман 9.

Учитывая отсутствие исследований пневмоударного выделения коры из щепы, специфические условия процесса, задачами теоретических исследований являлись:

- выявление основных теоретических зависимостей и хараю-

гера процесса соударения частиц с тадодвикной преградой;

- разработка теоретических основ расчета движения частиц щепы в пневмоударном сепараторе.

При решении первой задачи теоретических исследований использовался обобщенный опыт исследования ударных процессов изложений в работе Г.С.Батуева. С учетом рекомендаций Г.С.Батуе-ва для исследования процесса ударного взаимодействия частиц щепы с отражательным экраном, использован экспериментально-теоретический подход. При этом не ставилась задача изучения внутренних закономерностей удара, а оценивался лишь внешний эффект (скорость, угол падения и отражения частиц щепы от экрана).

Согласно классической теории удара, упруго-пластические деформации возникающие в частицах щепы при ударе, характеризующие величиной, называемой коэффициентам восстановления.

Для случая косого удара значение коэффициента восстановления выражается следующим образом:

Кл - ^ Ш

и - ¿л Я

где - коэффициент восстановления по углу;

Л - угол падения частиц щепы на отражательный экран (угол между вектором скорости падения частиц и нормалью к экрану); ^ - угол отражения частиц щепы от отражательного экрана (угол между вектором скорости отражения частиц и нормалью к экрану)

I/ V*

(2)

где коэффициент восстановления по скорости;

V - скорость отражения частиц щепы от отражательного экрана;

V»- скорость падения частиц щепы на отражательный экран. Для решения второй задачи теоретических исследований рассмотрен процесс движения часпщ в пневмоударном сепараторе

Цв

Рис. 2. Схема сил, действующих на частицу.

после их отскока от отракательного экрана.

При этом учитывались следующие силы действующих ш частицу при движении в пневмоударном сепараторе (рис. 2):

- сила продольного сопротивления (трения), офсловленная наличием вблизи частиц гонкого вязкого пограничного слоя;

- сила поперечного сопротивления (давления), вызванная потоком воздуха, набегающего на движущуюся частицу;

[у - ГП(] - сила тякести, где: V - скорость движения частицы; - скорость поперечного потока воздуха; £ - плотность воздуха; $ - площадь миделеева сечения частицы; Ш - масса частицы; ~ коэффициенты сопротивления ( - взят в форме Прандтля, Сх - в форме Леви-Чивига).

Для получения дифференциального уравнения движения частицы в пневмоударном сепараторе, учитывались следующие допущения:

- частицы имеют фэрлу тонкой пластины длины £ и ширины

В ;

- поперечный поток воздуха, плоскопараллельный и однородный;

- влияние частиц друг на друга не учитывается.

С учетом принятых допущений, получено следующее дифференциальное уравнение:

-А

где: = И /тт^' » где: уЧ -вязкость

воздуха; В-, где 1л - длина зоны действия поперечного потока воздуха; ^- угол наклона поперечного потока к оси X ; сУ - угол между вектором скорости поперечного потока ж нормалью к частице.

Для количественной оценки влияния различных сил на процесс сепарации рассмотрено три предельных случая при которых уравнение 3 интегрируется аналитически: поперечный поток воздуха отсутствует ( Ц - 0); на двияущуюся частицу воздействует поперечный поток воздуха; учитывается воздействие на частицу только силы тяжести.

По трем описанным моделям были приведены расчеты. В ре^ зультате установлено, что применение поперечной продувки должно увеличить эффективность сепарации в 1,5-2,0 раза. Влияние же силы тяжести мало, хотя и возрастает при уменьшении скорости отражения частиц.

Третий раздел - изложена методика экспериментальных исследований, дается описание экспериментальной установки, приводятся методы обработки экспериментальных данных и результаты эксперимента.

Для выявления принципиальной возможности сепарации щепы исследуемым способом, а также дня получения основных конструктивных параметров проектируемого пневмоударного сепаратора щепы, был изготовлен макет ударно-отракательного устройства (рис. 3). Макет состоит из пружинного ружья I, натяжных пружин 2, обоймы 3, основания 4, амортизаторов 5, отражательного экрана 6, лимба 7, приемного устройства 8.

В обойму 3 устанавливалась частица щепы в положении параллельном оси стрелы. С помощью ружья I производилось мета-_

ние стрелы, которая достигнув амортизаторов 5, останавливалась. Частица ке древесины ударялась об отранательный экран 6, направленный под определенным углом о1 к траектории падения древесной частицы. Угол <¡1 устанавливался с помощью лимба 7. Для уиавливания отраяенной от экрана частицы использовалось приемное устройство 8 в виде ящиков с ячейками. При этом расстояние по вертикали между точкой удара частиц об отражательный экран и верхней хромкой ячеек ящика 8 (высота броска) составляло 0,15 м.

Час'хицц коры и древесины закладывались в обойму метателя и производился их бросок в экран. После броска определялись координаты частицы в приемном устройстве относительно • точки падения частиц на отражательный экран.

Полученные экспериментальные данные оформлены в виде полей рассеивания точек приземления частиц древесины и коры.

Для проведения основной серии экспериментальных исследований в лаборатории кафедры механизации лесоразработок был изготовлен экспериментальный лневмоударный сепаратор щепы. Состоящий из бункера дозатора щепы, центробежного метателя, криволинейного щепопровода, отранательного экрана, разделительной камеры.

С целью определения зависимости значений коэффициентов восстановления Ку и Кл от варьируемых факторов проведен эксперимент го плацу,В2. Переменные факторы и уровни их варьирр^

- II -

вания представлены в таблице I.

Уровни варьирования исследуемых факторов

Наименование факторов Уровни варьирования

нижний (-1) основной (0) верхний T+I)

Частота вращения барабана метателя, об/мин 1500 1700 1900

Угол падения частиц на отражательный экран 24 39 54

Скорости, углы падения и отражения частиц древесины и коры регистрировались с помощью скоростной киносъемки. Киносъемка осуществлялась стандартной кинокамерой CK0-IM. Рабочая частота смены кадров кинокамеры составляла 2700 кадр/с. Киносъемка производилась через прозрачную стенку разделительной камеры. На кинопленку наносились отсчеты времени с помощью неоновой лампы. Кандая вспышка отмечала I/I000 долю секунда. Для расшифровки пленка помещалась в проекционный аппарат ЛЭТМ. Значения коэффициентов восстановления определялись по формулам (I), (2).

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии для выходных параметров KV , К А.. В полученных уравнениях регрессии, фактор частоты вращения барабана метателя оказался незначимым)

Основные уравнения регрессии (для значений коэффициента восстановления по углу К*< ):

A. Для частиц древесины оставшихся на ситах с диаметром отверстий:

20 мм: /Г* = 0,664 + 0,091 Ц + 0,038 2§ 44)

20 мм: Ai = 0,536 + 0,089 \ + 0,05? xf (5)

5 мм: Ad. = 0,465 + 0,084 Xg + 0,051 Х§ (6)

B. Для частиц коры оставшихся на ситах с диаметрйми отверстий: ^

20 ш: Кё. = 0.526 + 0,076 \ + 0,055 (7)

10 мм: K¿ = 0,433 + 0,096 \ + 0,080 Х§ (8)

5 мм: Kl = 0,372 + 0,097 Xj + 0,086 xf (9)

- 12 -

Для выявления оптимального угла падения частиц щепы на отражательный экран проведена экспериментальная оптимизация методом сканирования. В качестве критерия-оптимальности КО была введена относительная величина В, характеризующая степень рассеивания средних траекторий отскока факала частиц древесины и факела частиц коры. В качестве ограничивающих условий функционирования объекта выбраны интервалы варьируемых факторов.

Математически задача оптимизации сформулирована в виде:

ВШ= тая I ( )

В результате решения задач оптимизации найдены оптимальные углы падения частиц щепы на отражательный экран.

Параметр частоты вращения барабана, метателя выбран исходя из конструктивных соображений, на основании анализа исследований Сухорукова О.й. по изучению пневматических параметров центробежного метателя щепы, схожего по конструкции с применяемым нами в экспериментальной установки. Анализ исследований Сухорукова О.И. позволяет рекомендовать при использовании пна-вмоударного сепаратора щепы в производственных условиях, в качестве метательной установки любую серийно выпускаемую руби-тельную машину с верхним выбросом щепы, а в качестве параметра частоты вращения барабана метателя сепаратора, значение И = 1820 об/мин.

Для расчета траекторий отскока частиц щепы в разделительной камере пневмоударного сепаратора проведена регистрация поперечного воздушного потока.

Регистрация воздушного потока Üt, проводилась по динами-несксщу. напору Рд с последующим перерасчетом. Динамический напор воздушного потока замерялся пневматической трубкой Прандт-ля, подключенной к жидкостному микроманометру.

Измерения Рд проводились для трех значений положения заслонки вентиляционного окна. Для каждого положения засклонки замеры-производились в пяти точках.

В четвертой раздела приведено описание исследований проведанных ва разработанной имитационной модели процесса дан-

кенкя с целы) решения задачи по определению значений координат местоположения разделительных перегородок установки.

Математическую основу модели составили полученные уравнения движения (3) частиц щепн в пневмоударном сепараторе. Модель является моделью последовательности критических собы- . тай, (уравнения в ней даны в относительном времени). За начало процесса принято время Ь = 0 (момент взаимодействия первой частицы щепн с отражательным экраном), все остальные события данного процесса отсчитывались от этого момента.

Принцип работы модели состоит в следующем:

1. Генерирует массивы коэффициентов восстановления по скорости и углу.

2. Производит ранжирование элементов массивов в порядке возрастания их значений.

3. Рассчитывает число испытаний (дублирований) необходимое для получения характеристик случайной величины.

4. Вычисляем значение скоростей и углов отражения частиц щепн от отражательного экрана.

5. Вычисляет координаты траекторий отскока частиц и ранжирует их.

6. Формирует массивы значений координат расположения разделительных перегородок установки.

7. Вычисляет значение распределения древесных частиц по зонам разделительного бункера установки, определяет значение содержания коры в каждой зове.

8. Производит обработку статистических данных.

На имитационной модели проведены экспериментальные исследования зависимостей значений координат расположения разделительных перегородок У1 , У2 (рис. I) я выходов продуктов очистки щепы Р от исходного содержания коры в щеле. В качест-. ве выходной величины был принят полином первой степени. Эксперимент носил активный характер и проводился в соответствии с полным факторным планом.

• В результате обработки данных имитационного эксперимента получены регрессивные зависимости, построены номограммы, позволяющие определять располоаэния разделительных перегородок

дпа первого продукта ' разделения ^

сепаратора, прогнозировать выхода продуктов очистки щепы в зависимости от исходного содержания коры в щепе.

На рис.. 4 приведены графи- 0 ческие зависимости выходов продуктов очистки щепы по фракциям в зависимости от исходного содержания коры при условии содержания коры в первом продукте очистки 1,5$, во-втором 8%.

В пятом разделе произведен расчет экономической эффективности применения пневмоударшх сепараторов щепы, имеющих оптимальные параметры.

На основании данных расчета сделай вывод, что применение пневмоударных сепараторов позволяет получить экономический эффект от очистки щепы 3,33 руб/м3.

В приложениях к диссертации

/а 15 20 ¿5 ЭЙ 35 Ск%

Рис. 5. Зависимость выхода продуктов очистки щепы по фракциям в зависимости от

исходного содержания коры* приведена статистическая информация о размерах частиц, результатах экспериментальных исследований, приведен пакет разработанных прикладных машинных программ.

ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И РЕКШЕЩАЦЙИ .

1. На основании проведенных исследований разработан процесс выделения коры из щепы пшшоударйывл сепаратором. Исследованиями установлена возможность эффективного применения этого процесса для очистки щепы от коры.

2. Разработаны методические основы расчета пневмоударных сепараторов щепы.

3. Экспериментально определены зависимости значений коэффициентов восстановления по скорости и углу от варьируемых факторов для характерных частиц щапы.

4. Значения коэффициентов восстановления по скорости и углу не зависят от скорости падения частиц щепы йа отранагель-ный экран, в изучаемых нами пределах изменения скоростей па-

дения, а зависят от угла падения "частиц йа отражательный экран и параметров частиц.

5. Найдены режимы очистки щепы, полученной из лесосечных отходов, обеспечивающие снижение содержания коры в щепе до уровня, удовлетворящего требованиям целлюлозно-бумажного производства. Рекомендуются следующие режимы работы пнев-моударного сепаратора щепы: частота вращения барабана метателя Ч я 1820 об/мин; угол падения частиц щепы на отражательный экран: для частиц щепы оставшихся на ситах с диаметром отверстий: 20 мм - <L =42 град, 10 мм - d =40 град, 5 мм - Л - 31 град.

Значение координат У1 , У2 месторасположения перегородок разделительного бункера сепаратора щепы, выхода продуктов очистки моййо определить из номограмм, построенных по результатам имитационного моделирования.

■ 6. При использовании пневмоударного сепаратора в производственных условиях рекомендуется в качестве метательной установки использовать любую серийно выпускаемую рубительную машину с верхним выбросом щепы.

7. Применение пневмоударных сепараторов экономически целесообразно. Годовой экономический эффект от очистки щепы от коры при объеме переработки 190 гыс.пл.м3 составит 633 тыс.руб.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДШЩ РАБОТАХ:

1. Спиридонов А.Л. Ударно-отражательный способ разделения измельченных лесосечных отходов. Лесоэксплуатация и лесосплав, № 4, 1989, с. 6-7.

2. Спиридонов А.Л., Термосов Ю.Г., Студенков И.Г. Уравнения движения частиц щепы в пневмоударном сепараторе. Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса. Межвуз.сб. яаучя.тр. - Л.: ЛТА, 1990 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: I940I8, Ленинград, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия имени С.М.Кирова, Специализированный совет.

Подписано в печать с оригинал-ыакета 27.11.90. Формат 60x90 I/I6. Бумага оберточная. Печать офсетная.Изд.Ш: Уч.-иэд.я. 1,0. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ * 182. Бесплатно.

Реданционно-издательскиЙ отдел ЯГА

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА. I940I8. Ленинград, Институтский пер., 3.