автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование теории, методов расчета и разработка рациональных конструкций фильтрующих лопастных центрифуг



1 -4с Л'h.-U

■Ii у Ю CT8ii*c

С

/

Кубанский государственный технологический университет

На правах рукописи

Данилин Серафим Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕОРИИ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА И РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЛОПАСТНЫХ ЦЕНТРИФУГ

Специальность 05.18.12-Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант профессор, д.т.н. Рябченко В.И.

Краснодар 1998

Данилин C.B. Совершенствование теории, методов расчета и разработка рациональных конструкций фильтрующих лопастных центрифуг: Дис...д-ра техн. наук: 05.18.12. - Краснодар, 1998. - 307 е.: ил. Библиогр.: с. 275 - 293.

АННОТАЦИЯ

Дан критический анализ состояния научных исследований и технических решений фильтрующих лопастных центрифуг (ФЛЦ), на основании которого сформулирована цель - разработка научно-обоснованной методики определения основных конструктивных параметров ФЛЦ и совершенствование их конструкций с учетом физико-механических свойств исходного продукта (суспензии) и предъявляемых технологических требований к конечному продукту (осадку), в частности, для сахарной промышленности.

Для достижения поставленной цели выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса центробежного тонкослойного фильтрования, происходящего на лопастях.

Проведены экспериментальные исследования зависимости коэффициента трения сахарных утфелей от различных факторов, в том числе при различной относительной влажности окружающего трибометр воздуха.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................6

1. Анализ состояния научно-исследовательских работ

по фильтрующим лопастным центрифугам (ФЛЦ).........................13

1.1. Конструкция и принцип действия ФЛЦ.............................13

1.2. Основные конструктивные параметры ФЛЦ.........................19

1.3. Теоретические и экспериментальные исследования ФЛЦ.....20

1.4. Технические решения и конструкторские разработки

по ФЛЦ.......................................................................37

1.5. Выводы........................................................................50

1.6. Цель и задачи исследования............................................52

2. Совершенствование теории фильтрующих лопастных центрифуг..........................................................................54

2.1. Качественная картина механизма процесса тонкослойного центрифугирования в лопастной центрифуге.....................54

2.2. Математические закономерности процесса непрерывного центрифугирования в лопастной центрифуге.........................58

2.3. Математические закономерности движения осадка

по рабочей поверхности лопасти......................................75

2.4. Экспериментальная проверка математической модели непрерывного центрифугирования.........................................82

2.5. Выводы........................................................................93

3. Расчет оптимальных параметров фильтрующей лопастной центрифуги................................................................................96

3.1. Расчет производительности...............................................96

3.2. Выбор профиля рабочей поверхнвши фильтрующей перегородки лопасти.....,,. „............. и............................114

«

3.3. Расчет оптимального отношения начального

и конечного радиусов лопастей....................................150

3.4. Выбор НЦПР и расчет диаметра ротора.....................158

3.5. Аппроксимация теоретического профиля лопасти.........169

3.6. Ширина лопасти.........................................................188

3.7. Расчет потребляемой мощности.....................................191

3.8. Порядок определения основных конструктивных параметров ротора......................................................................201

3.9. Выводы.....................................................................203

4. Исследование коэффициента трения скольжения осадков центрифугируемых суспензий.............................................208

4.1. Принцип измерения коэффициента трения осадков...........208

4.2. Конструкция и принцип работы трибометра.....................212

4.3. Методика проведения опытов по трению

и результаты опытов..........................................................215

4.4. Анализ результатов опытов...........................................225

4.5. Выводы....................................................................228

5. Рациональная конструкция рабочих органов

лопастной центрифуги и ее элементов.................................229

5.1. Обеспечение большой площади рабочей поверхности

и быстроходности ротора............................................229

5.2. Обеспечение надежности работы сит...............................233

5.3. Обеспечение качества продуктов центрифугирования........242

5.4. Повышение надежности работы загрузочного устройства...252

5.5. Повышение надежности привода...................................256

5.6. Выводы..........................................................................................256

6. Технико-экономическая эффективность ФЛЦ, спроектированных в соответствии с разработанными методами расчета

и конструирования..........................................................................259

6.1. Эффективность лопастных центрифуг.....................................259

6.2. Выводы...........................................................................................268

Заключение...........................................................................269

Список использованных источников..........................................275

Приложение. Сведения о практическом использовании

полученных автором научных результатов................294

ВВЕДЕНИЕ

Перевод экономики страны на путь рыночных отношений ведет к конкуренции производителей и предпринимателей, в которой победить может тот, кто максимально использует достижения науки и техники. В конечном счете это приносит пользу всему обществу, государству.

К сожалению, пока научно-техническому прогрессу у нас уделяется мало внимания. Насущные проблемы сегодняшнего дня, требующие неотложного решения, нередко заслоняют вопросы развития науки и техники, хотя от их эффективного решения зависят социально-экономические преобразования, качество жизни всех людей не только в ближайшем будущем, но и в далекой перспективе.

Чтобы встать в ряд передовых , экономически развитых стран, необходимо обеспечить подъем народного хозяйства на принципиально новый научно-технический и организационно-экономический уровень, перевод его на рельсы интенсивного развития, достижение высшего мирового уровня производительности общественного труда, качества продукции и эффективности производства. Ключевая роль в материализации новейших достижений науки и техники отводится машиностроению, которое призвано выпускать системы и комплексы машин, оборудования и приборов высшего технико-экономического уровня, обеспечивающие многократное повышение производительности труда, снижение материалоемкости и энергоемкости, улучшение качества продукции, рост фондоотдачи.

Одной из распространенных технологических операций в пищевой, химической, угольной и многих других отраслях промышленности является разделение неоднородных смесей, состоящих из жидкой и твердой фаз, - суспензий. Наиболее прогрессивными машинами для этой операции яв-

ляются центрифуги, так как за счет создаваемого в роторах этих машин высоконапряженного центробежного силового поля удается значительно интенсифицировать процесс разделения по сравнению с другими видами оборудования, применяемого для этих же целей, - фильтрами, отстойниками, гидроциклонами и т. п.

Применяемые во многих еще случаях центрифуги периодического (циклического) действия малопроизводительны, требуют больших затрат физического труда, энерго и металлоемкости, обладают повышенной опасностью, не отвечают современной технологии непрерывного производства. Автоматизация и механизация этих центрифуг позволяет повысить производительность центрифугирования, однако этот процесс остается периодическим, а автоматизированные центрифуги - сложными по конструкции и дорогими /1/.

Более прогрессивными являются центрифуги непрерывного действия, в которых процесс разделения протекает непрерывно в тонком слое продукта. Как известно, основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими следующие /2/:

1) отсутствуют затраты времени на загрузку аппаратуры исходными материалами и выгрузку продуктов;

2) более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной механизации;

3) устойчивость режимов проведения и соответственно большая стабильность качества получаемых продуктов;

4) большая компактность оборудования, что сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы;

5) более полное, равномерное и экономное использование подводимой энергии (тепловой, электрической и т.д.), возможность использования (рекуперации) отходящего тепла.

Благодаря указанным достоинствам непрерывных процессов, при их проведении увеличивается производительность оборудования, уменьшается потребность в обслуживающем персонале, улучшаются условия труда и повышается качество продукции.

Однако появившиеся в 50-х годах в химической и пищевой (сахарной) промышленности фильтрующие центрифуги непрерывного действия с ротором в форме усеченного конуса оказались по производительности почти такими же, как и периодические центрифуги, так как при одних и тех же габаритах ротора площадь фильтрующей перегородки конического ротора оказывается меньше площади цилиндрического ротора центрифуги периодического действия, а производительность центрифуги при прочих равных условиях определяется прежде всего величиной площади фильтрующей перегородки ротора.

Увеличение площади конического ротора возможно за счет увеличения диаметра ротора, которое, однако, ограничено прочностью материала.

Кроме того известно, что повышение мощности оборудования путем увеличения его параметров на традиционной конструктивной основе дает снижение капитальных вложений на единицу мощности лишь в определенных пределах. Экономическая эффективность техники при постепенном увеодрдении единичной мощности без изменения конструктивной основы снимется /3/.

В 60-е годы в СССР и за рубежом были начаты исследования по раз-рафрсе непрерывно действующих центдофуг с лопастным ротором.

Площадь фильтрующей перегородки лопастного ротора может быть в 4 - 6 раз больше площади конического ротора такого же объема, что дает наряду с вышеуказанными достоинствами конических центрифуг еще и более высокую производительность, снижение удельной металло- и энергоемкости, сокращение удельных трудозатрат. Запас производительности в лопастной центрифуге по сравнению с конической позволяет при одинаковом количестве центрифуг в продуктовом цехе сахарного завода получать продукт (сахар) лучшего качества, уменьшает потери сахара с мелассой. Таким образом, фильтрующие лопастные центрифуги (ФЛЦ) отвечают всем современным требованиям прогрессивной технологии.

Однако, несмотря на проведенные в 60 - 70-х гг. в СССР и за рубежом НИР и ОКР по фильтрующим лопастным центрифугам, в том числе ФЛЦ для сахарной промышленности, широкого внедрения эти машины не получили. Это объясняется нерешенностью многих теоретических вопросов, отсутствием научной методики расчета конструктивных параметров этих центрифуг, слабыми техническими решениями их конструкций.

Государственная программа "Сахар" на 1997 - 2005 гг. предусматривает значительное увеличение производства сахара, для чего планируется обновление материально-технической базы сахарных заводов, в том числе освоение центрифуг различных видов.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования, разработка методов расчета, проектирования и эксплуатации центрифуг, совершенствование их конструкций с целью реализации присущих им потенциальных возможностей являются важными и для сегодняшнего дня.

Целью данной работы была поставлена разработка научно обоснованной методики расчета и выбора оптимальных конструктивных парамет-

ров ФЛЦ и разработка рациональных конструкций основных рабочих органов ФЛЦ на базе совершенствования теории и экспериментального исследования этих машин.

Задачами исследования являлись:

- разработка теоретических основ процесса непрерывного центрифугирования в тонком слое ФЛЦ и их экспериментальная проверка;

- совершенствование теории непрерывного движения осадка по рабочей поверхности лопасти ФЛЦ;

- разработка на этой базе методики расчета и выбора оптимальных конструктивных параметров ФЛЦ;

- разработка рациональных конструкций рабочих элементов ФЛЦ, обеспечивающих её работу с заданными технологическими параметрами.

В качестве критерия оптимальности конструктивных параметров и рациональности конструкций принято достижение центрифугой максимального технико-экономического эффекта, в частности, достижение максимальной производительности при неизменном заданном качестве осадка (например, влажности сахара при центрифугировании сахарных утфелей).

В результате выполненной работы:

- установлены аналитические зависимости между влажностью получаемого при центрифугировании осадка - с одной стороны и физико-механическими свойствами суспензии и конструктивными параметрами лопастного ротора - с другой стороны;

-установлены зависимости, определяющие условия установившегося и равномерного движения слоя осадка как сыпучей среды по рабочей поверхности лопасти (РПЛ);

- разработана научно-обоснованная методика расчета и выбора оптимальных конструктивных параметров ФЛЦ: диаметра и ширины (высоты) лопастного ротора; профиля РПЛ; соотношения внутреннего и наружного диаметров пакета лопастей; частоты вращения ротора; мощности привода ротора. Разработаны также методы аппроксимации теоретического профиля РПЛ;

- разработаны рациональные конструкции рабочих элементов ФЛЦ: ротора, лопастей, дренажной подкладки, растекателей, комкоуло-вителя, дефлектора осадка, загрузочного и разгрузочного устройств. Эти конструкции обеспечивают достижение центрифугой расчетных показателей по производительности и качеству осадка, сводят к минимуму потери осадка с фильтратом, повышают безопасность и улучшают условия обслуживания центрифуги. Технические решения этих конструкций защищены авторскими свидетельствами и зарубежными патентами;

- усовершенствована методика измерения коэффициента трения осадков центрифугируемых суспензий; уточнена зависимость коэффициента трения сахарных утфелей от условий трения (дисперсности кристаллов, вязкости межкристального раствора, влажности осадка, скорости скольжения осадка, давления, ширины щелей фильтрующих сит). Установлено влияние на коэффициент трения осадка влажности окружающего трибометр воздуха.

Данная диссертационная работа является обобщением теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ по ФЛЦ, проводившихся в КубГТУ (КПИ) на протяжении ряда лет в рамках инициативных госбюджетных и хоздоговорных координационных НИР.

Основные результаты работы получили одобрение на внутривузов-ских, всесоюзных и международных конференциях, на региональных и всесоюзных смотрах-конкурсах НИР.

Методика расчета и выбора конструктивных параметров ФЛЦ принята к внедрению на Пензенском заводе химического машиностроения. Результаты работы использованы при разработке и модернизации опытных лопастных центрифуг для сахара, плодоовощных соков, пентаэритрита. Последняя разработка лопастной центрифуги - модель ФВИ-1061К-03 (технический проект) превосходит самую современную непрерывнодейст-вующую центрифугу с коническим ротором по удельным технико-экономическим показателям в 2,5 -10,9 раз.

По результатам исследований опубликовано 25 научных статей, получено 18 авторских свидетельств и 5 патентов за рубежом.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ПО ФИЛЬТРУЮЩИМ ЛОПАСТНЫМ ЦЕНТРИФУГАМ (ФЛЦ)

1.1. Конструкция и принцип действия ФЛЦ

Фильтрующая лопастная центрифуга с инерционной (центробежной) выгрузкой осадка является одной из разновидностей центрифуг, в которых центробежная сила инерции, возникающая при вращении фильтрующей перегородки ротора вокруг неподвижной оси, используется не только для разделения суспензии на осадок и фильтрат, но и для одновременного перемещения суспензии и осадка по фильтрующей перегородке и вывода продуктов разделения из рабочего пространства ротора.

В основе работы центрифуг с центробежной выгрузкой лежит принцип действия наклонной плоскости. Если на перфорированной перегородке, вращающейся вокруг какой-либо оси, находится некоторая частица суспензии, то согласно законам механики на частицу действует центробежная сила пропорциональная массе частицы и напряженности центробежного силового поля /4/ (рис. 1.1). Эта сила вызывает течение жидкости через перфорированную перегородку, т.е. фильтрацию, и образование осадка. Если вектор центробежной силы неортогонален поверхности перфорированной перегородки, то его можно разложить на нормальную и касательную составляющие. Нормальная составляющая вызывает силу трения частицы о поверхность перегородки. Если сила трения меньше касательной составляющей, то происходит скольжение частицы по перфорированной перегородке в направлении ка