автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Центробежный сепаратор с переменным полем скоростей в зоне классификации

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВА ЕЛЕНА БОРИСОВНА

ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР С ПЕРЕМЕННЫМ ПОЛЕМ СКОРОСТЕЙ В ЗОНЕ КЛАССИФИКАЦИИ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2005

Работа выполнена на кафедре механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,

В.С. Богданов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

В.С. Севостьянов

кандидат технических наук

И.М. Тынников

Ведущая организация: Московский государственный строительный университет (МГСУ).

Зашита диссертации состоится 17 июня 2005г. В II00 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете имени В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова.

%

Автореферат диссертации разослан «//» мая 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

-&93 з

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одними из важнейших направлений в промышленности строительных материалов и строительстве являются: применение композиционных отделочных материалов с высокой заводской готовностью; использование лаков, красок, обладающих большой покрывной способностью; применение пластмасс для изготовления широкой гаммы изделий, обладающих высокой прочностью.

Получение отделочных материалов, пластмасс, линолеума и других строительных материалов, обладающих высокими потребительскими качествами возможно на основе применения составляющих компонентов, размер частиц которых менее 5 мкм.

Как у нас, так и за рубежом в качестве таких компонентов наиболее широкое применение нашли мел, мрамор и различные пигменты с размером частиц менее 5 мкм.

В состав технологии получения таких порошков кроме сушки и измельчения обязательно входит процесс классификации.

Наибольшее распространение получили центробежные сепараторы различных модификаций. Многолетний опыт эксплуатации таких сепараторов показал, что достаточно эффективно они работают при классификации порошков с размером частиц до 20 мкм. При классификации порошков с размером частиц менее 20 мкм происходит, ввиду значительной адгезии, их агломерация, причем получаются достаточно прочные агломераты, которые требуют дополнительной операции по их дезагломерации в специальных устройствах по сухому, либо мокрому способу.

В связи с этим проблема создания сепараторов для классификации порошков особенно слипающихся пылей из мела, глины, пигментов, мрамора является весьма актуальной и сдерживает работы по производству высококачественных отделочных материалов.

Тематика работы соответствует одному из основных научных направлений Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова «Разработка технических средств и методов расчета для повышения эффективности классификации тонкодисперсных порошков в ПСМ».

Рабочая гипотеза - повысить эффективность процесса классификации мелкодисперсных слипающихся порошков в центробежном сепараторе можно путем организации в зоне разделения динамического воздушного потока с переменным полем скоростей.

Научная идея - необходимо исследовать такие режимы процесса классификации, при которых в зоне разделения сепаратора в течение одного цикла режим воздушного потока существенно изменяет свои скоростные параметры, что в целом изменяет условия процесса классификации.

РОС

® • • чА

С. 1.1, р,

РК

Цель работы - создание центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне разделения для классификации мелкодисперсных порошков размером менее 20 мкм; определение рациональных режимов его работы; разработка методики расчета основных параметров.

Задачи исследований.

1. Провести всесторонний анализ научных работ и конструкций центробежных сепараторов для классификации мелкодисперсных порошков.

2. На основе исследования физических процессов движения частиц порошка в двухфазном вихревом потоке разработать математическую модель процесса классификации в центробежном сепараторе с переменным полем скоростей в зоне классификации.

3. Разработать конструкцию центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне классификации, определить основные факторы и параметры оптимизации режимов его работы.

4. Разработать план, программу и методику проведения экспериментов; определить уровни варьирования факторов на основе поисковых экспериментов.

5. Осуществить на лабораторном стенде экспериментальные исследования центробежного сепаратора с целью установления рациональных режимов его работы при классификации порошков с размером частиц менее 20 мкм.

6. Определить влияние факторов на параметры оптимизации, осуществить оптимизацию уровней факторов при »тах; И—»тт.

7. Внедрить результаты работы в производство и учебный процесс.

Научная новизна.

1. Получены аналитические уравнения для построения поля скоростей потока энергоносителя в конической и цилиндрической части сепаратора, учитывающие его конструктивные и технологические параметры.

2. Установлена взаимосвязь скоростей энергоносителя в зоне диспергирования для центробежного сепаратора со смещенным ротором от его конструктивно-технологических параметров.

3. Разработана структурная схема и рассчитаны режимные параметры частицы в двухфазном потоке, позволяющие определить скоростные характеристики процесса классификации порошка методом малого параметра.

4. Получены уравнения для расчета траектории движения частицы в динамическом сепараторе со смещенным ротором с учетом режима его работы.

Практическая ценность работы. Разработана методика расчета и соответствующее программное обеспечение по определению конструктивных и технологических параметров центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне классификации.

На основании результатов исследований разработан принципиально новый центробежный сепаратор, конструкция которого защищена двумя

патентами РФ: № 40606 и положительным решением на выдачу патента по заявке №2004112121.

Автор защищает.

1. Аналитические зависимости по определению скоростных параметров энергоносителя в диффузоре и цилиндрической части центробежного сепаратора.

2. Математические зависимости, устанавливающие взаимосвязь скоростей энергоносителя в зоне диспергирования, позволяющие рассчитать конструктивно-технологические параметры сепаратора.

3. Структурную схему по определению режимных параметров частицы порошка, находящейся в двухфазном потоке.

4. Уравнения для расчета траектории движения частицы в динамическом сепараторе со смещенным ротором.

5. Результаты экспериментальных исследований в виде регрессионных моделей, позволяющие определить влияние основных факторов на формирование функций отклика: производительность сепаратора, удельную поверхность и зерновой состав готового продукта; инженерную методику расчета сепаратора.

6. Патентно-чистую конструкцию центробежного сепаратора со смещенным ротором.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в учебном процессе Белгородского государственного технологического университета имени В Г. Шухова на кафедре механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов, а также в ХГБТУ (Харьков), МГСУ (Москва); на предприятиях ООО «Боникс», ООО «Шебекино мел» при классификации порошка мела и мрамора.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова; международных научно-технических конференциях - «Проблемы производства и использования мела в промышленности и сельском хозяйстве» в 2001г.; «Образование, наука, производство» в 2001г., 2004г.; «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» в 2003г.; международной интернет-конференции «Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии» в 2004г.; на заседаниях технических советов ЗАО «Белцемент», ООО «Осколцемент», ООО «Белгородский завод ЖБК-1» в 2001-2004гг.

Публикации. По результатам работы опубликовано 10 печатных работ, получено два патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 112 наименований. Работа изложена на 147 страницах, в том числе 54 рисунка, 6 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи работа, указана научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние и направление развития техники и технологии классификации мелкодисперсных порошков, в частности центробежных сепараторов, и методика их расчета.

Большой вклад в совершенствование оборудования и процессов классификации порошковых материалов, разработку методик их расчета внесли: В.П. Ромадин, П.В. Ляшенко, С.Г. Ушаков, В.Е. Мизонов, В.П. Жуков, C.B. Федосов, В С. Богданов, И.А. Яблонский, Н.Г. Тюренков, В В. Клячин и другие.

Анализ конструкций центробежных сепараторов различных фирм: «Полизиус» (Германия), «Смидт» (Дания), «ИХИ» (Япония), «Онода» (Япония), «Стюртевант» (США), «Волгоцеммаш», «ВНИИСтройдормаш», «НИИЦемент», Ивановского энергетического института и других показал, что все эти конструкции имеют общий недостаток - они обладают достаточно большой границей разделения, превышающей 10 мкм, а при классификации мелкодисперсных слипающихся порошков (мел, глина, тальк и др.) происходит обратный процесс - агломерация. Причем, образуются достаточно прочные гранулы размером более 200 мкм, которые существенно снижают качество готового продукта, а для дезагломерации требуют дополнительной технологической операции.

Для получения порошков размером частиц менее 5 мкм фирмами «Реверте» (Испания), «Омия» (Австрия) разработаны «мокрые технологии», когда измельченный до 100 мкм материал в последующем измельчается в бисерной мельнице в водной среде до размера минус 5 мкм, затем высушивается в распылительной сушилке и осаждается в циклонах и фильтрах. Себестоимость такого порошка в 2 - 3 раза выше, чем полученного по сухому способу.

На наш взгляд, нами выбрано экономически целесообразное направление, реализация которого позволит без применения дополнительных технологических операций и оборудования устойчиво получать порошок с размером частиц - 5 мкм. Этот способ заключается в совершенствовании конструкции центробежного сепаратора таким образом, чтобы в процессе классификации предотвращался процесс агломерации слипающихся мелкодисперсных порошков.

Во второй главе приведена математическая модель классификации порошков в сепараторе со смещенным ротором.

Аэродинамическое поле скоростей в этой части сепаратора нормируется как за счет подвода энергоносителя через боковые патрубки, так и за счет вращения ротора сепаратора. Естественно предположить, что течение

энергоносителя в этой зоне имеет прямоточный характер. Для описания поля скоростей в конической зоне (рис. 1), с учетом осевой симметрии конструкции, введем цилиндрическую систему координат г, ср, ъ с центром в точке пересечения оси симметрии и радиуса Я„ нижнего основания оси усеченного конуса.

Определим расстояние от оси усеченного конуса до любой точки образующей.

Для этого запишем выражение, задающее уравнение прямой (образующей конуса), проходящей через две заданные точки А (Я„, 0) и В (Л,,, Н*), которое имеет вид:

Рис. 1. Расчетная схема по определению поля скоростей в конической части сепаратора

г-0 _ Я,- 0 =

Из (1) получим соотношение, образующей усеченного конуса.

я.-я.

определяющее

(1)

расстояние от оси до

Г. = Л, + 2

И.-Я, Я,

(2)

где Я,, - нижний радиус усеченного конуса, м; Я, - верхний радиус усеченного конуса, м; Нк - высота усеченного конуса, м; г - текущая координата, м; гк - уравнение, задающее значение образующей усеченного конуса, м.

Для определения аэродинамического поля в конической части сепаратора предположим, что образующийся вихревой поток совершает восходящее перемещение со скоростью:

и,. =

V

(3)

Тогда с учетом (2) соотношение (3) можно записать в следующем виде:

и, =-

п Я+г

И- )

(4)

Для выражения тангенциальной составляющей иф в конической части сепаратора будем считать, что она изменяется согласно линейного закона:

s

Д.-Г r-R.

_ +Д. a.

' Я, - Л, " ' * Л, - Л,

здесь а>„ - частота вращения вихревого потока в нижней части конуса, с"1; шв частота вращения вихревого потока в верхней части конуса, с

В силу того, что рассматриваемый воздушный поток должен удовлетворять уравнению непрерывности: с1п0 = О, (6)

которое в цилиндрической системе координат имеет следующий вид:

г дг1

т д</> dz

или

1.А(н/)_ аи-. г<2 ^ - 2Q

г дг ' dz яг,1 dz ml Ht

(7)

(S)

Интегрирование уравнения (8) приводит к соотношению:

' «; я, г

В силу того, что при г = О иг должна быть величиной ограниченной (меньше бесконечности) необходимо постоянную интегрирования С] положить равной нуля.

Тогда окончательно получаем

R.-R. Н.

(10)

На рис 2 представлено графическое решение уравнения (10).

Из рис. 2 следует, что с увеличением г, т.е. приближением воздушного потока от конической части сепаратора к цилиндрической скорость воздушного потока уменьшается, что очевидно, т.к. увеличивается объем радиуса сепаратора.

С уменьшением г, т.е. приближением к оси сепаратора радиальная скорость также уменьшается, что очевидно.

Для описания аэродинамического поля скоростей в цилиндрической части сепаратора введем цилиндрическую систему координат (г, <р, г) с центром, расположенным на пересечении оси цилиндра с горизонтальной плоскостью проходящей через нижнее основание ротора.

В плоскости поперечного сечения (рис. 3) введем декартовую систему координат х, у. Тогда уравнение внешней границы для антисимметричного сепаратора в декартовой системе координат будет иметь вид:

хг+у2 = $, (И)

Рис. 2. Расчетная зависимость Щг,г) при (R,, Н„ RH, Q) = const (м3/час)

Уравнение границы, образованной смещенным ротором на расстояние е от центра симметрии цилиндрического корпуса в декартовой системе координат задается выражением:

(*-*)'(12)

Соотношению (12) в полярной

системе координат соответствует выражение:

г2-2гесов^ + е2-Я2р- (13)

Соотношение (13) можно рассматривать как уравнение, определяющее зависимость расстояние от точки «О» до любой точки границы ротора, смещенного на расстояние «е» по оси ОХ.

Для определения поля скоростей энергоносителя в зоне сепарации рассчитаем тангенциальную составляющую скорости воздушного потока в цилиндрической части рассматриваемого сепаратора, воспользовавшись моделью вращения квазитвердого тела, которую часто используют в теории центробежной сепарации:

иг=г-а> (14)

здесь о - частота вращения ротора, с"'.

Для определения г - компоненты скорости энергоносителя в цилиндрической части сепаратора, составим воздушный баланс, проходящий через боковую цилиндрическую поверхность, радиус которой задается соотношением (13), а высота цилиндра равна ёг.

2лИ(.<р)иг-ск + л(%-Яг(<р)) (у1 + с1и2)= ~ Л2((3)К • (15>

Выражение для радиальной составляющей скорости, входящее в (15), определяем исходя из соотношения для расхода линейного потока:

£ = -2 ягНриг> (16)

откуда следует, что

и (17)

' 2яНр г

С учетом соотношения (16) и (13) определяем иг через расход энергоносителя, проходящего через цилиндрическую поверхность радиуса К(<р):

в = -2яЯ(9>)//,-[/г (18)

С учетом (15) получаем следующее дифференциальное уравнение:

сЬ + - Л2 (<Р)рг = 0 (19)

Нр

Интегрирование уравнения (19) приводит к соотношению:

Рис. 3. Расчетная схема поля скоростей в цилиндрической части сепаратора

И „

Постоянную интегрирования С2(ср) находим из условия, что при г = Ь иг = и го, здесь Ь - высота нижней цилиндрической части сепаратора не содержащей ротора, а иг0 - осевая составляющая скорости энергоносителя, проходящего через эту часть устройства и определяемая соотношением:

0_ (21)

Тогда

п „

(22)

Подстановка полученного соотношения в (20) с учетом (21) приводит к выражению, которое определяет ъ - компоненту скорости энергоносителя:

и.

як:

1-

Нр№-Яг(<Р))

(23)

Полученную формулу можно использовать для нахождения радиальной составляющей скорости энергоносителя в цилиндрической зоне рассматриваемого устройства. Согласно уравнению непрерывности имеем:

Г дг

дг

Подстановка (23) в (24) приводит к дифференциальному уравнению: 1±(гТ, \ 6 г дг яНр(я1 - Л2(?>))

Первый интеграл уравнения (25) определяется соотношением:

и, =

От

2я//Дл2-Й2(<г>))

с Ар)

Значение С3(ф) определяем из граничного условия (18):

6 V

С, (?) = -

2ЯН, Л2-Д2(?>)

Подстановка (27) в (26) приводит к следующей зависимости:

Л? -/с2

С учетом (13) получим окончательный результат:

я!-г

и=-

<р

2 яН.г

ч

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

есозр + ^Л2 -е!!

Таким образом, полученные соотношения (14) и (23) и (29) описывают поле скоростей энергоносителя в сепараторе со смещенным ротором.

Используя соотношение (29) вычислим отношение различных скоростей на фиксированном расстоянии от оси симметрии, для значений углов <р = 0 и (р = я.

и,(<р=0) Д.2-(л,-*)2 (30)

г) Л.2-(/г,+е)2

В силу условий Я,, И,, » е; Я, - Яр » е-Яр соотношение

(30) приближенно с точностью порядка «е» можно записать в виде:

иЛ<р=0)и1, (31)

£/> = *■) Л.2 - ^ Из выражения (31) следует, что отношение радиальных скоростей в рассматриваемых точках мало отличается от единицы в силу малости величины «е».

На рис. 4 представлена расчетная зависимость аналитического выражения

(31). Анализ графических зависимостей подтверждает наши предположения о том, что для различных конструктивных параметров центробежного сепаратора со смещенным ротором поле скоростей в различных точках зоны диспергирования остается неизменным.

Поле скоростей частиц, движущихся в воздушном потоке сепаратора.

Будем считать, что на частицу, вовлеченную аэродинамическим потоком в сепараторе действуют сила тяжести и сила аэродинамического сопротивления.

Вектор сил тяжести можно представить в следующем виде: К = Уё(р~Р«)- 02)

Здесь § - вектор ускорения свободного падения, м/с2; р -плотность частицы, кг/м3; р0 -

, гЭ

плотность воздуха, кг/м ; у - 710 -

6

объем частицы, м3; 8 -

Аэродинамическую силу сопротивления, согласно закону Стокса, зададим выражением: ёс г Злт7<ф - Й'), (33)

где и - вектор скорости энергоносителя, м/с; V/ - вектор скорости частицы, м/с; ?} - коэффициент динамической вязкости, Па-с.

Уравнение движения частицы под действием сил (32) и (33) в векторной форме примет вид:

0,034 0,044 0,094 0,0(4 0,0М

'ПрМЛЯаМД ■ Я^В.ИИ—03 ^ Ир*« И—.11

Рис. 4. Расчетная зависимость

К, = [и^/и^Ке)

эквивалентный диаметр частицы, м.

тФ = т§ + - Й')- (34)

Уравнению (34) в скалярной форме записи, применительно к цилиндрической системе координат, согласно механике аэрозолей 3ю)3 ,9, будут соответствовать следующие выражения:

НЛ2

г / \

(35)

W, —S + -f (I/,-wj

Для определения поля скоростей в плоскости, перпендикулярной оси г в выражениях (35) уйдем от интегрирования по времени к интегрированию по углу ф.

Путем преобразований получаем уравнение, определяющее траекторию движения частицы в полярной системе координат, имеет вид:

(¡/р

или в конечном виде:

Q Г R] - гг 1

2яН,г + Г<//(0

l + iy

R]-г1

(36)

2яНггг Rl-r^tp)

^Q\nr + 2кц)гИртг 1пг(л,2 - R\<p) -

(37)

+ -Л2 (*>))]■ ф(г2 -Л2)+

Анализ результатов расчетов, представленных на рис. 5, рис. 6,

показывает, что с увеличением частоты вращения ротора вентилятора

радиальная и тангенциальная скорость частицы пыли возрастают, что

очевидно. МГГ,ы№ 200 1

150 100 S0 0

%

/

У

200 780 1300 1850 2300 п'Лш"

Рис. 5. Расчетная зависимость W,(n) при Ur = const

Рис. 6. Расчетная зависимость W9(q>) при (иг, и,) = const

В третьей главе описаны план, программа и методики проведения экспериментальных исследований, описана лабораторная установка.

Проведены поисковые эксперименты, в ходе которых выявлены основные факторы, влияющие на эффективность процесса классификации, установлены уровни их варьирования, определены параметры оптимизации.

В качестве плана эксперимента выбран полный факторный план ЦКОП 24.

Основные факторы: п(хх}- частота вращения ротора сепаратора 200 - 2300 мин'1; е(х2) - смещение ротора сепаратора 6-34 мм; С?(х3) - расход энергоносителя 21 - 170 м3/ч; 0(х4) - количество подаваемого в сепаратор порошка, кг/ч (входная производительность). Параметры оптимизации: 0 -часовая производительность сепаратора по готовому продукту, кг/ч; Б -удельная поверхность готового продукта, м2/кг; N - мощность, потребляемая приводом вентилятора, кВт.

На рис. 7 представлена схема центробежного сепаратора со смещенным ротором, выполненного в соответствии с патентами РФ №40606, заявка №2004112121/03(012970).

Результаты поисковых экспериментов показали, что при четырехкратном повторении каждого из экспериментов наибольшее расхождение по параметрам оптимизации составляет: при измерении потребляемой мощности N - 3%, при измерении производительности С2 - 4%, при измерении удельной поверхности Б -5,5%.

В четвертой главе приведены

экспериментальных осуществлен выбор режима процесса определен КПД

Рис 7 Схема центробежного сепаратора со смещенным ротором (по патенту РФ №40606, заявка №2004112121/03(012970)) 1 - корпус сепаратора, 2 - патрубок подачи исходного порошка, 3 - разбрасывающий диск. 4 - смещенный ротор, 5 - диффузор, 6 -коллектор продувочного воздуха, 7 - патрубок крупки, 8 - патрубок продувочного воздуха

результаты исследований, рационального классификации, сепаратора.

В качестве исследуемого порошка применялся мел марки ММС-100. Средневзвешенный диаметр частиц мела составляет 20 мкм, максимальный - 100 мкм, влажность - 3% поддерживалась постоянной в течение всех экспериментов. Порошок мела отличается высокой

адгезией и способностью к агрегированию.

Влияние исследуемых факторов на производительность сепаратора

выражается уравнением регрессии в кодированном виде:

G,,, = 7,73 - 0,60xi + 0,54x2 - 0,36x3 + 2,36X4 - 0,32x,2 - 0,49x22 (ш

- 0,67x32 + 0,98x42 +0,11 x ,x2+ 0,17x ,x3 + 0,22x2x3 - 0,26x2x4 - 0,22x3x^ 1 '

Анализ величины коэффициентов при соответствующих факторах в уравнении регрессии (36) дает основание сделать следующие выводы.

Наибольшее влияние на изменение производительности сепаратора по готовому продукту оказывает фактор X4 - количество подаваемого (исходного) материала. Коэффициенты при х» и х42 положительны и имеют наибольшую величину. Очевидно, что при установленном режиме работы сепаратора увеличение количества подаваемого материала приводит к увеличению количества готового продукта при установленном граничном размере частиц готового продукта, а в нашем случае - установленной удельной поверхности.

Коэффициенты при факторах X] и х3 отрицательны. Это говорит о том, что с увеличением частоты вращения ротора и его эксцентриситета производительность сепаратора по установленному граничному размеру частиц снижается.

Влияние изменения эксцентриситета в сравнении с изменением частоты вращения ротора на изменение производительности сепаратора в 2,15 раза меньше, однако, оно существенно. В том случае, если ротор установлен по оси корпуса сепаратора (е = 0) и при прочих равных условиях его работы (хь х3, х4 = const), производительность сепаратора составляет 6,12 кг/ч. При этом граничный размер частиц пыли возрастает с 8 до 12 мкм, а эффективность его работы снижается.

SOC 875 1250 163S 2000 lUMf*

Рис. 8. Графическая зависимость Рис. 9. Графическая зависимость GnXn), при Q, G = const Gn,(e), при n, G = const

С увеличением эксцентриситета ротора с 6 до 34 мм, т.е. в 5,7 раза, производительность сепаратора с 8,2 кг/ч снижается до 7,22 кг/ч, т.е. на 17,9%, но она в любом случае выше, чем при е = 0. Это превышение составляет 15,2%. Снижение производительности сепаратора по заданному классу при увеличении е с 6 до 34 мм объясняется значительной турбулизацией двухфазного потока в зоне «А» сепаратора, что приводит к увеличению центробежной силы в зоне «А» и дополнительному осаждению

частиц в крупную фракцию. При этом размер граничного зерна снижается с 12 до 5 мкм. Агломерированные частицы отсутствуют.

Этот экспериментальный результат подтверждает нашу рабочую гипотезу о том, что даже незначительная турбулизация воздушного потока в зоне разделения центробежного сепаратора приводит к дезагрегации мелких частиц материала и обеспечивает в целом повышение эффективности процесса классификации.

Уравнение регрессии, выражающее зависимость потребляемой ротором сепаратора мощности от величины исследуемых факторов в кодированной форме имеет вид:

N = 0,29 + 0,07х[ + 0,08х2 - 0,01х3 + 0,06х4 - 0,07х,2 + 0,02х22 + + 0,04хэ2 + 0,01х42 + 0,003х,х2 + 0,015х,х3 + 0,003X1X4 - 0,014х2х3 + (37)

+ 0,01х2х4 + 0,01х3х4

Знак коэффициентов при факторах хь х2, Х4 - положительный, следовательно, при увеличении частоты п вращения ротора, количества просасываемого воздуха Q и количества G подаваемого материала потребляемая мощность N привода ротора возрастает.

Это очевидно. С увеличением частоты п вращения возрастает нагрузка на валу ротора, а, следовательно, возрастает потребляемая мощность привода.

Наибольший вклад в формирование функции вносит фактор х2, т.к. его коэффициент имеет большую величину, т.е. сопротивление вращения ротора при увеличении эксцентриситета вызывает больший прирост потребляемой мощности привода ротора, чем увеличение частоты его вращения или увеличение количества подаваемого материала. Так, например, влияние фактора х2 на изменение N, при прочих равных условиях (n, G, Q = const) на 12,5% больше, чем фактора хь на 25% больше, чем фактора X4 и в 7 раз больше, чем фактора Х3.

500 ITS 1250 1625 госс

Рис. 10. Графическая Рис. 11. Графическая

зависимость N(n), при G, Q = const зависимость N(e), при n, Q = const Коэффициент при факторе х3 отрицателен, следовательно, при увеличении фактора х3, т.е. расхода продувочного воздуха потребляемая мощность снижается, однако это снижение не существенно. По нашему мнению, этот результат можно объяснить следующим образом.

При вращении ротора, когда е = О, т.е. ось ротора совпадает с вертикальной осью цилиндрической части корпуса сепаратора, зазор между рабочим колесом и стенками корпуса сепаратора равномерный по всему периметру. В процессе вращения ротора движение двухфазного потока характеризуется как ламинарное; сопротивление вращению ротора вследствие этого минимальное и потребляемая мощность привода ротора также минимальная.

С увеличением эксцентриситета ротора зазор между стенками ротора и рабочим колесом в зоне «А» (рис. 7) уменьшается, а в зоне «Б» увеличивается. Поскольку объем воздушного потока, проходящего через сепаратор неизменный, то в зоне «А» давление воздушного потока возрастает пропорционально изменению е. Течение воздушного потока становится турбулентным, вследствие чего существенно возрастает сопротивление вращения ротора, и, следовательно, потребляемая мощность привода ротора. Например, с увеличением эксцентриситета с 6 до 34 мм мощность возрастает от 0,176 до 0,403 кВт, т.е. на 0,227 кВт или в 2,29 раза. При е = 0 мощность составляет 0,155 кВт.

На рис. 10-11 представлены графические зависимости N(n, е, Q, G).

Осуществим анализ результатов исследований по уравнению регрессии S(n, е, Q, G), которое имеет вид:

S = 6718,2 + 732,9х, + 1055,Зх2 + 282,Зх3 + 147,7х4 + 653,7х,2 +

+ 298,6х22- 234,1х32 + 1017,9х42 + 201,4х,х2 - 126,1х,х3 + 233,6х,х4 - (38)

-265,6х2х3 ~30,6х2х4 - 149,4х3х4

Все знаки при коэффициентах х,, х2, х3, X4 в уравнении регрессии S(n, е, Q, G) положительные. Это означает, что увеличение частоты вращения ротора, эксцентриситета, количества продувочного воздуха и количества порошка, подаваемого на классификацию, приводит к увеличению удельной поверхности уловленного продукта и уменьшению граничного размера частиц порошка.

Весовое значение каждого из факторов x¡, х2, х3, X4 существенно различается.

Наибольший вклад в формирование величины функции отклика S (удельной поверхности тонкой фракции) вносит фактор х2 - эксцентриситет ротора. Следующим по величине влияния на S является xt - частота вращения ротора, далее х3 - расход продувочного воздуха.

Влияние изменения эксцентриситета ротора е на изменение удельной поверхности S готового продукта в 1,44 раза больше, чем при изменении частоты вращения ротора, в 3,7 раза больше, чем при изменении количества Q продувочного воздуха и в 7,2 раза больше, чем при изменении количества G подаваемого на сепарацию порошка. Например, при хь х2, х4 = const изменение х2 от 6 до 34 мм приводит к увеличению удельной поверхности готового продукта с 5226 до 8209 см2/г, т.е. на 57%. Изменение х4 от минимального значения 25 кг/ч до максимального 18 кг/ч при тех же условиях повышает удельную поверхность всего лишь с 6510 до 6925 см2/г,

т.е. на 6,3%. Поэтому, с целью уменьшения граничного размера продукта классификации и увеличения удельной поверхности готовой продукции целесообразно использовать сепаратор с регулируемым эксцентриситетом ротора. Этот эксперимент полностью подтверждает нашу научную идеею, рабочую гипотезу и удовлетворяет цели исследования.

На рис. 12-13 представлены графические зависимости S(n, е, Q, G).

5000-1---I---|

SCO ВЯ 12S0 1825 2000 5000 --¡--

т, ям

» 15 20 25 30

Рис. 12* Графическая Рис. 13. Графическая

зависимость S(n), при Q, G = const зависимость S(e), при n Q = const

1 D20-0.23 2.S 2.5

2 023-026 2.6 5.3

3 0.28^30 3.1 >4

4 0.304 35 3.5 11.9

5 ОЗИМО 4 15.9

б 0.40-0.46 4.6 20.5

7 0 46-0.53 5.3 25.8

6 0.63-0.60 6.1 32

9 000-0 69 7 39

10 0.69-0 S0 7.9 40.0

11 0 80-0 61 8.7 55.6

12 0 91-1 05 9.1 64.7

13 1 05-1 20 5.8 73.5

14 1.20-1.3« 7.8 81.3

15 fl 38-1 59 6 87.4

16 1 59-1 82 3.8 91.2

17 1.62-2 09 2.1 9.13

16 2.09-2 40 1.8 949

1В 2.40-2.75 2 98.9

20 2 75-3 10 1.7 98.7

21 3.16-3 63 ■ 0 98.7

22 3.83-4.17 0 987

23 4.17-4.78 0 98.7

24 4.78-5.49 o.¿ 98.9

25 5.49-8.31 0 98.9

26 6.31-7.24 0 989

27 7.24-8.31 0 2 99.1

20 8 31-9.54 0.4 99.0

29 »54-11.0 . 0.4 100

30 110-12« 0.1 100

31 12 6-14.4 0 100

32 14.4-16.6 0 100

33 188-19 0 0 100

34 19.0-21.8 0 100

3S 21.8-251 0 100

36 25.1-26.8 0 100

37 28.8-330 0 100

за 33 0-379 i 0 100

39 37.0-43.0 0 100

43,0"» 0 I«-..

Рис. 14. Диаграмма рассева готового продукта из фильтра (эксперимент №1)

В процессе наших исследований определялся граничный размер, эффективность процесса сепарации и КПД сепаратора. Все эти очень важные характеристики сепаратора новой конструкции определялись на основе

анализа зернового состава исходного и готового продукта, уловленного в циклоне и фильтре.

Определение зернового состава порошка, дифференциальные и интегральные кривые из одного состава получены с помощью лазерного анализатора частиц «Micro Sizer 201».

На рис. 14 представлены результаты эксперимента №1, проведенного при следующем режиме работы сепаратора: п = 2000 мин'1; е = 6 мм; Q = 21 м3/ч; G = 25 кг/ч.

Средневзвешенный размер частиц порошка, уловленного в циклоне составляет 2,725мкм. Граничный размер процесса сепарации, которому соответствует 50% частиц граничного размера, составляет 1,82 мкм.

В порошке находится 99,3% частиц размером менее 10 мкм; 87,3% частицу размером менее 5 мкм; 25,3% частиц размером менее 1 мкм.

Частиц размером более 20 мкм в этой пробе порошка находился менее 0,1%.

Порошок, уловленный в зернистом фильтре, имеет следующую характеристику: Средневзвешенный размер частиц равен 1,408 мкм; 50% частиц имеют размер 0,8 мкм; 98,7% частиц имеют размер частиц менее 3,16 мкм; 0,4% частиц имеют размер 11 мкм, причем анализ диаграммы распределения частиц дает основание считать, что это случайно попавшие в пробу частицы, и можно считать, что вся проба имеет частицы менее 3,16 мкм.

Для решения задачи оптимизации процесса поиск экстремумов осуществлялся по следующим требованиям: значения производительности и удельной поверхности должны стремиться к максимуму, а величина мощности к минимуму:

(G,„ max, S -» max, N -* min ) (39)

При нахождении максимума в уравнении регрессии производительности методом конечных разностей установлено, что экстремума функция достигает при частоте вращения ротора сепаратора п=500 мин'1, смещении ротора сепаратора е=14 мм, расхода энергоносителя от вентилятора Q,oifl= 150 м3/ч, количестве подаваемого материала 0= 75 кг/ч и составляет 57,5 кг/ч.

Максимальная удельная поверхность (S=8600 м2/кг) наблюдается при частоте вращения ротора сепаратора «=2000 мин"1, смещении ротора сепаратора е=16 мм, расход энергоносителя от вентилятора QboM=150 м3/ч, количестве подаваемого материала G=75 кг/ч.

Мощность, затрачиваемая на процесс классификации минимальна при частоте вращения ротора сепаратора «=500 мин'1, смещении ротора сепаратора е=14 мм, расход энергоносителя от вентилятора QB03fl= 103 м3/ч, количестве подаваемого материала G=50 кг/ч.

На рис. 15 - 16 изображены основные технико-экономические характеристики (производительность по готовому продукту, удельная поверхность и мощность, затрачиваемая на процесс классификации) сепаратора в зависимости от варьируемых параметров.

Рис 15. Оптимальные значения функций Рис. 16. Оптимальные значения функций

отклика от частоты вращения ротора отклика от смешения ротора сепаратора е

сепаратора при е=15 мм, 120м3/ч, в=60 при п=1500 мин1, 0ВС13Я= 120м'/ч, (3=60 кг/ч кг/ч

Смещение ротора сепаратора в значительной мере воздействует на удельную поверхность. Наиболее эффективно использование смещение ротора е=15 мм совместно с частотой вращения ротора 1500 мин'1.

Значение мощности достигает минимума при е=12,5 мм. Данный факт обусловлен низкой турбулизацией в зоне классификации, при умеренной частоте вращения ротора сепаратора.

В случае, когда необходимо получение более качественного продукта, рекомендуется использовать смещение ротора сепаратора в диапазоне от 1214 мм, 120м3/ч.

Что касается смещения ротора сепаратора, то все выше приведенные графики и расчеты по определению экстремума уравнений регрессии, однозначно указывает на то, что рациональна эксплуатация предлагаемого сепаратора при смещении лежащем в пределах 12-16 мм и в сочетании с факторами п=1500 мин"1, <3^= 120м3/ч, С=60 кг/ч дает наиболее оптимальные результаты.

Нами были проведены эксперименты по определению коэффициента полезного действия центробежного сепаратора обычной конструкции и усовершенствованного со смещенным ротором.

Режим работы сепаратора в обоих случаях был идентичным и проходил при следующих условиях п = 1250 мин"'; е = 0 мм и е=20 мм; = 100 нм3/час; в = 90 кг/ч. Эти условия работы сепаратора соответствуют эксперименту №24 по плану ЦКПО.

Дня обычного сепаратора, когда смещение ротора равно нулю.

КПД обычного сепаратора равен:

п = — 100% = =^ 100% = 57,9% Я. 48,6

Для предложенного центробежного сепаратора с переменным полем скоростей при эксцентриситете смещения ротора 20 мм КПД равен:

п = • 100% = — • 100% = 73,252% Ч. 48,6

Таким образом, КПД усовершенствованного сепаратора выше, чем аналогичного центробежного сепаратора нэ 15,3%, возрос с 57,9 до 73,25%.

Увеличение КПД объясняется тем, что в центробежном сепараторе с переменным полем скоростей происходит дезагломерация мелких частиц классифицируемого материала. Этот результат также подтверждает нашу рабочую гипотезу, положенную в основе данной работы. Расчет центробежного сепаратора со смещенным ротором по разработанной нами методике сводится к определению его конструктивных и технологических параметров: диаметра, высоты, количества воздуха, проходящего через сепаратор, граничного размера частиц, скорости витания.

В пятой главе приведены данные по промышленному внедрению в производстве центробежного сепаратора со смещенным ротором, который используется при классификации порошка мела и мрамора.

Использование центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне классификации обеспечивает получение порошков нового класса со средневзвешенным размером частиц 1,5 мкм. Экономический эффект обеспечивается за счет увеличения на 52% стоимости готового продукта. Годовой экономический эффект от использования центробежного сепаратора в ООО «БОНИКС» по патенту РФ №2004112121/03(012970) при производстве микрокальцита размером - 1,5 мкм составляет 600 тыс. рублей в год.

Основные результаты и выводы

1. В ходе анализа основных направлений развития техники и технологии классификации порошковых материалов установлено, что наиболее целесообразным является применение центробежных сепараторов для классификации мелкодисперсных порошков, которые находят широкое применение при производстве высококачественных отделочных материалов, красок, пластмассовых изделий, что делает актуальной проблему совершенствования конструкций центробежных сепараторов.

2. Получены аналитические зависимости для построения поля скоростей потока энергоносителя в конической и цилиндрической части сепаратора, учитывающие его конструктивные и технологические параметры, установлена взаимосвязь скоростей энергоносителя в зоне диспергирования от конструктивно-технологических параметров центробежного сепаратора со смещенным ротором, при этом расхождения между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 18%.

3. Методом малого параметра рассчитаны режимные характеристики частицы пыли, движущейся в двухфазном потоке, учитывающие частоту вращения ротора, геометрические параметры зоны классификации, объем воздуха, проходящего через сепаратор.

4. Получены аналитические выражения для расчета траектории движения частицы пыли, составляющих ее скоростей по всей траектории движения, что положено в основу определения граничного размера частиц для сепаратора со смещенным ротором.

5. На основании реализации плана многофакторного эксперимента получены уравнения регрессии (Gra, N, S)=f(n, Q, Gn, e) Выявлено влияние исследуемых факторов n, Q, Gn, e на формирование функций отклика Gm, N, S. Дана оценка влияния, как отдельных факторов, так и эффектов взаимодействия, на уровни параметров оптимизации.

6. Решена задача оптимизации. Установлен оптимальный режим работы сепаратора, при котором выполняются эти условия: е = 12 - 16 мм; n = 1500 мин*1; Q, = 120 м3/ч; G = 60 кг/ч. Удельный расход энергии при этом составил 4,16 кВтч/т.

7. На основе теоретических, экспериментальных исследований и промышленной апробации разработана инженерная методика расчета центробежного сепаратора со смещенным ротором, позволяющая определить его конструктивные и энергетические параметры: диаметр корпуса, высоту зоны осаждения, габариты ротора, граничный размер частиц, скорость осаждения, создаваемый напор и потеря давления, мощность привода ротора.

8. Разработана принципиально новая конструкция центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне классификации, которая защищена патентами РФ №40606; №2004112121.

9. Промышленное внедрение результатов работы на ООО «БОНИКС» в виде центробежного сепаратора со смещенным ротором позволило получить порошок микрокальцита с высокими потребительскими качествами, за счет чего экономический эффект составил около 600 тыс. руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Фадин Ю.М., Богданов B.C., Александрова Е.Б., Анненков A.C. Закономерности модуляции потоков при импульсном уплотнении. Сб. трудов к конференции, посвященной 30-летию академии «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве XXI века» , Белгород 2000. - С. 297-301.

2. Шарапов P.P., Мелихов C.B., Александрова Е.Б. Новые достижения в конструкции воздушного сепаратора. Сб. трудов к международной научно-практической конференции «Проблемы производства и использования мела в промышленности и сельском хозяйстве», Белгород 2001. - С. 109-112.

3. Богданов B.C., Булгаков С.Б., Карпачев Д.В., Александрова Е.Б. Экспериментальные исследования струйной противоточной мельницы. Материалы межвузовского сборника статей «Энергосберегающие технологии в дорожной и строительной технике». - Белгород: Бел ГТАСМ, 2002 г. - С. 14-18.

4. Богданов B.C., Александрова Е.Б., Латышев С.С. К расчету основных параметров циркуляционных сепараторов. Материалы межвузовского сборника статей «Энергосберегающие технологии в дорожной и строительной технике». - Белгород: Бел ГТАСМ, 2002 г.- С. 19-22.

5. Александрова Е.Б., Богданов B.C., Булгаков С.Б. Сепаратор для слипающихся порошков со смещенным ротором. Материалы межвузовского сборника статей. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. - С. 6 - 11.

6. Александрова Е.Б., Богданов B.C., Булгаков С.Б. Расчет коэффициента полезного действия сепаратора. Материалы межвузовского сборника статей. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. - С. 3 - 6.

7. Александрова Е.Б., Богданов B.C., Булгаков С.Б Тенденции развития классификаторов для слипающихся порошков. Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии:Сб. докл. Международной Интернет - конференции. -Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003.- С. 6-8.

8. Богданов B.C., Александрова Е.Б., Булгаков С.Б. Методика расчета граничного размера материала в центробежном сепараторе. Материалы межвузовского сборника статей - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004 г. - С. 14 - 17.

9. Патент РФ №40606 Центробежный воздушно-проходной сепаратор В 07 В 7/083, от 11.05.2004г. Александрова Е.Б. и др.

10. Положительное решение по заявке №2004112121/03(012970) Воздушно-динамический классификатор, В 07 В 7/083 от 20.04.2004г Александрова Е.Б. и др.

Подписано в печать 4.05. 05 Формат *

60x84/16

Усл. п.л.4,1$ Тираж 100 Заказ № Л

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете имени В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

I

r

ц

i

i

'I

(

I {

п./ - пг

РНБ Русский фонд

2007-4 8299

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

КЛАССИФИКАЦИИ ПОРОШКОВ

1.1. Оборудование для воздушной классификации

1.2. Анализ конструкций центробежных воздушно-проходных сепараторов

1.3. Тенденции развития тонкодисперсного сепарирования

1.4. Обзор существующих методик расчета классификации порошков

1.4.1. Определение параметров движения частиц в двухфазном потоке

1.4.2. Расчет технологических параметров сепараторов

1.5. Цель и задачи исследований

1.6. Выводы

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КЛАССИФИКАЦИИ ПОРОШКОВ В СЕПАРАТОРЕ СО СМЕЩЕННЫМ РОТОРОМ

2.1. Аэродинамическое поле скоростей, формируемое в нижней части сепаратора

2.2. Определение границ зоны классификации

2.3. Определение поля скоростей энергоносителя в зоне сепарации

2.4. Поле скоростей частиц, движущихся в воздушном потоке сепаратора

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. ПЛАН И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Основные положения экспериментальных исследований

3.2. Поисковые эксперименты

3.3. Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля

3.4. Методика проведения эксперимента

3.5. Характеристика исследуемого материала

3.6. План многофакторного эксперимента для определения эффективности процесса измельчения

3.7. Выводы

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА

4.1. Исследование влияния основных факторов на эффективность процесса классификации

4.1.1. Анализ уравнения регрессии Grn(n; е; G; Q)

4.1.2. Анализ уравнения регрессии N(n; е; G; Q)

4.1.3. Анализ уравнения регрессии S(n, е, Q, G)

4.2. Влияние режимов работы сепаратора на граничный размер и зерновой состав готового продукта

4.3. Выбор рационального режима процесса классификации

4.4. Определение КПД сепаратора

4.5. Методика расчета сепаратора

Актуальность работы. Одними из важнейших направлений в промышленности строительных материалов и строительстве являются: применение композиционных отделочных материалов с высокой заводской готовностью; использование лаков, красок, обладающих большой покрывной способностью; применение пластмасс для изготовления широкой гаммы изделий, обладающих высокой прочностью.

Получение отделочных материалов, пластмасс, линолеума и других строительных материалов, обладающих высокими потребительскими качествами возможно на основе применения составляющих компонентов, размер частиц которых менее 5 мкм.

Как у нас, так и за рубежом в качестве таких компонентов наиболее широкое применение нашли мел, мрамор и различные пигменты с размером частиц менее 5 мкм.

В состав технологии получения таких порошков кроме сушки и измельчения обязательно входит процесс классификации.

Наибольшее распространение получили центробежные сепараторы различных модификаций. Многолетний опыт эксплуатации таких сепараторов показал, что достаточно эффективно они работают при классификации порошков с размером частиц до 20 мкм. При классификации порошков с размером частиц менее 20 мкм происходит, ввиду значительной адгезии, их агломерация, причем получаются достаточно прочные агломераты, которые требуют дополнительной операции по их дезагломерации в специальных устройствах по сухому, либо мокрому способу.

В связи с этим проблема создания сепараторов для классификации порошков особенно слипающихся пылей из мела, глины, пигментов, мрамора является весьма актуальной и сдерживает работы по производству высококачественных отделочных материалов.

Тематика работы соответствует одному из основных научных направлений Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова «Разработка технических средств и методов расчета для повышения эффективности классификации тонкодисперсных порошков в ПСМ».

Рабочая гипотеза — повысить эффективность процесса классификации мелкодисперсных слипающихся порошков в центробежном сепараторе можно путем организации в зоне разделения динамического воздушного потока с переменным полем скоростей.

Научная идея - необходимо исследовать такие режимы процесса классификации, при которых в зоне разделения сепаратора в течение одного цикла режим воздушного потока существенно изменяет свои скоростные параметры, что в целом изменяет условия процесса классификации.

Цель работы - создание центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне разделения для классификации мелкодисперсных порошков размером менее 20 мкм; определение рациональных режимов его работы; разработка методики расчета основных параметров.

Задачи исследований.

1. Провести всесторонний анализ научных работ и конструкций центробежных сепараторов для классификации мелкодисперсных порошков.

2. На основе исследования физических процессов движения частиц порошка в двухфазном вихревом потоке разработать математическую модель процесса классификации в центробежном сепараторе с переменным полем скоростей в зоне классификации.

3. Разработать конструкцию центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне классификации, определить основные факторы и параметры оптимизации режимов его работы.

4. Разработать план, программу и методику проведения экспериментов; определить уровни варьирования факторов на основе поисковых экспериментов.

5. Осуществить на лабораторном стенде экспериментальные исследования центробежного сепаратора с целью установления рациональных режимов его работы при классификации порошков с размером частиц менее 20 мкм.

6. Определить влияние факторов на параметры оптимизации, осуществить оптимизацию уровней факторов при Q—>max; N—>min.

7. Внедрить результаты работы в производство и учебный процесс.

Научная новизна.

1. Получены аналитические уравнения для построения поля скоростей потока энергоносителя в конической и цилиндрической части сепаратора, учитывающие его конструктивные и технологические параметры.

2. Установлена взаимосвязь скоростей энергоносителя в зоне диспергирования для центробежного сепаратора со смещенным ротором от его конструктивно-технологических параметров.

3. Разработана структурная схема и рассчитаны режимные параметры частицы в двухфазном потоке, позволяющие определить скоростные характеристики процесса классификации порошка методом малого параметра.

4. Получены уравнения для расчета траектории движения частицы в динамическом сепараторе со смещенным ротором с учетом режима его работы.

Практическая ценность работы. Разработана методика расчета и соответствующее программное обеспечение по определению конструктивных и технологических параметров центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне классификации.

На основании результатов исследований разработан принципиально новый центробежный сепаратор, конструкция которого защищена двумя патентами РФ, № 40606, положительное решение на выдачу патента по заявке №2004112121.

Автор защищает.

1. Аналитические зависимости по определению скоростных параметров энергоносителя в диффузоре и цилиндрической части центробежного сепаратора.

2. Математические зависимости, устанавливающие взаимосвязь скоростей энергоносителя в зоне диспергирования, позволяющие рассчитать конструктивно-технологические параметры сепаратора.

3. Структурную схему по определению режимных параметров частицы порошка, находящейся в двухфазном потоке.

4. Уравнения для расчета траектории движения частицы в динамическом сепараторе со смещенным ротором.

5. Результаты экспериментальных исследований в виде регрессионных моделей, позволяющие определить влияние основных факторов на формирование функций отклика: производительность сепаратора, удельную поверхность и зерновой состав готового продукта; инженерную методику расчета сепаратора.

6. Патентно-чистую конструкцию центробежного сепаратора со смещенным ротором.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в учебном процессе Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова на кафедре механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов, а также в ХГБТУ (Харьков), МГСУ (Москва); на предприятиях ООО «Боникс», ООО «Шебекино мел» при классификации порошка, мела и мрамора.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова; международных научно-технических конференциях - «Проблемы производства и использования мела в промышленности и сельском хозяйстве» в 2001г.; «Образование, наука, производство» в 2001г., 2004г.; «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» в 2003г.; международной интернет-конференции «Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии» в 2004г.; на заседаниях технических советов ЗАО «Белцемент», ООО «Осколцемент», ООО «Белгородский завод ЖБК-1» в 2001-2004гг.

Публикации. По результатам работы опубликовано 10 печатных работ, получено два патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из/#наименований. Работа изложена на 147 страницах, в том числе 54 рисунка, 6 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В ходе анализа основных направлений развития техники и технологии классификации порошковых материалов установлено, что наиболее целесообразным является применение центробежных сепараторов для классификации мелкодисперсных порошков, которые находят широкое применение при производстве высококачественных отделочных материалов, красок, пластмассовых изделий, что делает актуальной проблему совершенствования конструкций центробежных сепараторов.

2. Получены аналитические зависимости для построения поля скоростей потока энергоносителя в конической и цилиндрической части сепаратора, учитывающие его конструктивные и технологические параметры, установлена взаимосвязь скоростей энергоносителя в зоне диспергирования от конструктивно-технологических параметров центробежного сепаратора со смещенным ротором, при этом расхождения между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 18%.

3. Методом малого параметра рассчитаны режимные характеристики частицы пыли, движущейся в двухфазном потоке, учитывающие частоту вращения ротора, геометрические параметры зоны классификации, объем воздуха, проходящего через сепаратор.

4. Получены аналитические выражения для расчета траектории движения частицы пыли, составляющих ее скоростей по всей траектории движения, что положено в основу определения граничного размера частиц для сепаратора со смещенным ротором.

5. На основании реализации плана многофакторного эксперимента получены уравнения регрессии (Grn, N, S)=f(n, Q, Gn, e). Выявлено влияние исследуемых факторов n, Q, Gn, е на формирование функций отклика Gm, N, S. Дана оценка влияния, как отдельных факторов, так и эффектов взаимодействия, на уровни параметров оптимизации.

6. Решена задача оптимизации. Установлен оптимальный режим работы сепаратора, при котором выполняются эти условия: е = 12 - 16 мм; п = 1500 мин"1; QB = 120 м3/ч; G = 60 кг/ч. Удельный расход энергии при этом составил 4,16 кВт-ч/т.

7. На основе теоретических, экспериментальных исследований и промышленной апробации разработана инженерная методика расчета центробежного сепаратора со смещенным ротором, позволяющая определить его конструктивные и энергетические параметры: диаметр корпуса, высоту зоны осаждения, габариты ротора, граничный размер частиц, скорость осаждения, создаваемый напор и потеря давления, мощность привода ротора.

8. Разработана принципиально новая конструкция центробежного сепаратора с переменным полем скоростей в зоне классификации, которая защищена патентами РФ №40606; №2004112121.

9. Промышленное внедрение результатов работы на ООО «БОНИКС» в виде центробежного сепаратора со смещенным ротором позволило получить порошок микрокальцита с высокими потребительскими качествами, за счет чего экономический эффект составил около 600 тыс. руб. в год.

1. 1 Hanke Е. MKT air Separator with externdl fanoperational results. «World Gement» , 1986 , 3, p.46-50

2. High performance air Separator / каталог фирмы «ONODA CEMENT CO., LTD», «ONODA ENGINEERING AND CONSULTING CO., LTD». -Япония, 6 с.

3. Keiser F. Der Zicrzak sichter - eine Windsichter nach neure Prinzip // Chem Jng. Tech, 1963. Bd. 35. №4. S. 273-282.

4. Kershaw M., Yardi J. Analysis of О SEPA Separators at Blue Gircle, Australia. «Word Gement», 1989,11, p. 400-405

5. Klumpar J.V., Zoubov N.N. New Sturtevant higt efficience SD classifier at Keystone Gement.»World Gement» , 1985, 10

6. Mayer F. Allgemeine Grungladen der T-Kurveb. Aufbereitungs Technik, 1967, teil 1 - 8, s. 429 - 440; 1967, teil 11 - 12, s. 673 - 678; 1968, will 111 — 1, s. 14-23.

7. Mayer F. Probleme der Erforlgsermittlung bei Trennungs-vorgangen an Kornigen Massengun. Chem. - Ing. - Technik, Bd 32, 1960, №3 s. 155 — 163.

8. Molerus O. Stochastisches Modell der Gleichgewichts Sichtung. - Chemie Jng. Technik, 1967, Bd. 39, p. 792-798.

9. Nagel R. Klassifizirung der Windsichter. «Staub Reinhalt. Luft», 1968, Bd 28, № 6.

10. Nagel R., Joing R. Staubabsheidung Staubaichtung (Ahnlichkeiten-Unterschiede). - Staub, 4, 1955, s. 51 - 63.

11. Onuma E., Fururova Т. O- SEPA a higt perfomance air-classifier. «World Gement», 1986 , 3, p.46-50

12. Rumpf H., Kaiser F. Der Mikroplex Spiralwindsichter eine neuere Einrichtung zur Scharfen korntrennung // Fette und Seifen Anstrichmittel. -1954. №3. S.63 - 72.13.14,15,16,17,18,1920,21