автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Центробежный сепаратор с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха

На правах рукописи ' * * ' *

( /) /рп м ...... - ■

дмитриенко виктор григорьевич

центробежный сепаратор с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха

05.02.13.-Машины и агрегаты (промышленность)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2000 г.

Работа выполнена в Белгородской Государственной Технологической Академии строительных материалов на кафедре "Механическое оборудование-предприятий ПСМ"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

В.С. Богданов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кандидат технических наук, доцент

В.А. Минко Н.Д. Балера

Ведущая организация: ОАО "Осколцемент"

Защита состоится " 15 " июня 2000 г. в 10°° часов на заседании диссертационного Совета К.064.66.03. при Белгородской Государственной Технологической Академии строительных материалов по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БелГТАСМ, главный корпус, ауд.242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан 'ллсих^_2000 г.

Ученый секретарь

кандидат технических наук, доцент

диссертационного совета,

А Ш. Р {- (О о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с развитием новых технологий на базе применения порошковых материалов в настоящее время огромные требования предъявляются к дисперсности конечного продукта. С увеличением дисперсности порошков повышаются механическая прочность, эластичность и долговечность изделий из него.

Современные тенденции в области производства тонкодисперсных порошков показывают, что доля рынка, связанная с применением тонкодисперсных порошков с заданным гранулометрическим составом, постоянно растет. Одним из направлений развития отечественного производства пенобетонных блоков является производство тонкодисперсного цемента, в производстве керамических изделий - производство тонкодисперсной глины, в резино - технической, лакокрасочной и бумажной промышленности - производство тонкодисперсного мела. Основной проблемой проникновения на данный сектор рынка связан с отсутствием высокоэффективных сепараторов для выделения сверхтонких порошков.

Анализ существующих конструкций сепараторов и основных направлений их совершенствования показал, что рабочий процесс в них изучен недостаточно. Не выявлено влияние определяющих режимных и конструктивных параметров на характеристики разделения. Нет достаточной теоретически обоснованной методики расчета. В тоже время опыт работы показывает, что имеются существенные резервы повышения эффективности классификации.

В связи с вышеизложенным можно сказать, что разработка и внедрение нового высокоэффективного сепаратора является актуальной научной и практической задачей.

Диссертационная работа выполнена в БелГТАСМ в рамках г/б НИР: «Исследование аэродинамических параметров противоточных струйных мельниц замкнутого цикла с целью оптимизации конструктивных элементов (трактов транспортировки и сепарации продуктов измельчения)»; «Разработка научных основ получения мелкодисперсных порошков в аппаратах с повышенной энергонапряженностью»; ГРАНТ - 98 «Научные основы и создания динамического сепаратора для разделения сверхтонких порошков».

Цель работы: Разработка технических средств и методов их расчета для повышения эффективности классификации высокодисперсных порошков в центробежных сепараторах с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха.

Научная новизна работы представлена математической моделью движения частиц классифицируемого материала в поле центробежных и кориолисовых сил с учетом количества дополнительного поддува воздуха в зону сепарации; системой уравнений для определения относительного движения частицы по наклонным и радиальным лопаткам ротора, а также системой уравнений, описывающую относительное перемещение частиц в межлопаточном пространстве с учетом аэродинамических, кориолисовых и центробежных сил; соотношением для расчета граничного размера в зависимости от радиуса равновесной траектории и высоты зоны сепарации; результатами экспериментальных исследований в виде соотношения для определения коэффициентов местных сопротивлений (К.М.С.) сепаратора и его конструктивных элементов, а также технологических и аэродинамических параметров.

Автор защищает.

1. Математическую модель движения частицы

классифицируемого материала в поле центробежных и

кориолисовых сил, учитывающую количество тангенциально подаваемого сжатого воздуха в зону сепарации.

2. Уравнения по определению траектории движения твердых частиц по лопатке ротора, в межлопаточном пространстве и в зоне сепарации при центробежной классификации порошка.

3. Методику расчета потерь давления в камере сепаратора и в его трубопроводах при слиянии и разделении воздушных потоков.

4. Результаты экспериментальных исследований: в виде соотношения для расчета K.M.С. сепаратора, патрубков подачи исходного материала и отвода грубой фракции, а также уравнений регрессии по определению удельной поверхности порошка и его производительности в зависимости от частоты вращения ротора, высоты подачи тангенциального поддува дополнительного воздуха в зону сепарации, давлений в сопле поддува и в сопле рабочего энергоносителя.

5. Инженерную методику расчета сепаратора и процесса классификации.

6. Патентно — чистую конструкцию сепаратора.

Практическая ценность. Разработана методика расчета и

соответствующая программа для определения основных технологических и конструктивных параметров процесса сепарации и рекомендации по выбору рациональных технологических режимов работы центробежных сепараторов для классификации тонкодисперсных порошков, обеспечивающих эффективность разделения за счет тангенциального поддува дополнительного воздуха в зону сепарации. Прикладные вопросы теории и экспериментов получили практическое применение при создании новой конструкции центробежного сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха в зону сепарации,

внедрение которого обеспечивает повышение эффективности разделения на 20 %.

Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе БелГТАСМ при изучении курсов «Механическое оборудование предприятий ПСМ», «Проектирование механического оборудования предприятий ПСМ», «Процессы и аппараты в ПСМ».

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и получили одобрение на научно-технических конференциях, проводимых в БелГТАСМ: «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов изделий и конструкций» в 1995г., «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» 1997г.; на первой Всеукраинской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций» Полтава 1996г.; на Международной научно-технической конференции «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве» Старый Оскол 1999г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, получен патент РФ на изобретение.

Состав и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 195 страниц, в том числе 130 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 102 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, указана научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу современного состояния техники и технологии воздушной классификации тонких и сверхтонких порошков. Анализ исследований по определению эффективности сепарации проведенных В.П. Ромадиным, П.Г. Романковым, И.А. Яблонским, Н.Г. Тюренковым, Г.В. Ныотоным, В.Г. Ньютоным, П.В. Лященко, В.В. Клячкиным и Ю.И. Никитиным не позволяют дать полную и объективную характеристику совершенства конструкции сепаратора. Большинство применяемых методов основано на количественном сравнении совершенства процесса с идеальным разделением, при котором обеспечивается максимальное отличие во фракционных составах конечных продуктов. Ушаков С.Г., Зверев Н.И., Барский М.Д. показали, что работу сепаратора наиболее достоверно и полно можно характеризовать при помощи кривой парциальных выносов (К.П.В.).

Анализ работ фирм «Полизиус»(ФРГ), «ФЛС»(Дания), «СКБТ/САБ»(ФРГ), «Индустрианлаген» (ФРГ), «Фуллер»(ФРГ), «Сэисин»(Япония), «СетеЩ Сотрапу»(Япония), «З^ПеуаШ .1пс»(США), Ивановского энергетического института (ИЭИ, Россия), ТКЗ-ВТИ (Россия) позволил установить тенденцию к созданию супердинамических сепараторов для крупнотоннажного производства и небольших показателей этих машин - границы разделения(<$р«50мкм), эффективности классификации и коэффициента полезного действия (К.П.Д.), а также невозможностью выдавать более тонкие продукты. При имеющейся большой гамме разнообразных конструкций сепараторов нет машин, которые были бы предназначены для малотоннажного производства и были просты по своей конструкции, и не сложны в эксплуатации. На наш взгляд наиболее подходящей конструкцией, соответствующей вышеупомянутым требованиям, отвечает конструкция НИИ новых строительных материалов, которая характеризуется более высокой границей разделения. Однако наряду с достоинствами ученые:

М.Я. Сапожников, С.Г. Ушаков, В.Е. Мизонов, указывают на низкую эффективность разделения и высокое аэродинамическое сопротивление. В связи с вышесказанным, на наш взгляд, можно выделить наиболее перспективные направления. Первое связано с совершенствованием аэродинамики, второе с эффективностью сепарации в центробежном отбойно-вихревом сепараторе. Исследования Бокштейна С.Я., Маргулиса М.Л., Ушакова С.Г. , Зверева Н.И. и ряда других авторов позволили сформировать одно из направлений разделения сыпучих материалов в воздушно-проходных сепараторах. Данное направление основано на разделении частиц материала в вихревом потоке под действием центробежных сил, сил тяжести и сил инерции. Одним из способов интенсификации процессов разделения сыпучих материалов в сепараторах является создание вихревого потока за счет вращающихся частей (ротора, лопасти вентилятора, отбойника), находящихся внутри корпуса сепаратора. Анализ аэродинамики сепаратора показал, что с увеличением производительности сепаратора по исходному материалу и с образованием агломератов в тонкой фракции, а также налипанием, эффективность сепарации (фЦ) снижается, также снижается и граница разделения (¿>гр). Снижения коэффициента местного сопротивления сепаратора можно добиться за счет наиболее рациональной конструкции ротора и его частоты вращения. Предупреждение налипания тонкой пыли, а также разрушения скоплений пыли и агломератов в потоке может быть достигнуто за счет ввода дополнительного воздуха в зону сепарации.

Исходя из выше изложенного и поставленной цели, решению подлежат следующие задачи:

1. Разработать новую конструкцию центробежного сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха.

2. Рассмотреть режимы работы сепаратора с целью снижения аэродинамического сопротивления, увеличения эффективности сепарации.

3. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости производительности сепаратора и величины удельной поверхности порошка от входных конструктивно-технологических факторов и провести экспериментальную проверку в лабораторных условиях разработанной методики расчета и теоретических моделей.

4. Разработать методику расчета конструктивно технологических параметров центробежного сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха в зону сепарации.

5. Апробировать в производстве патентно-чистую конструкцию центробежного сепаратора для классификации тонкодисперсных порошков.

На рис.1 представлена конструкция центробежного сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха в зону сепарации, работающего как в автономном режиме, так и в комплексе с помольными агрегатами.

Классификация частиц в сепараторе происходит под действием разнонаправленных сил: центробежных, отбрасывающих частицы к периферии, и аэродинамических сил, стремящихся перенести частицу к оси вращения.

Во второй главе представлены теоретические исследования динамики воздушных потоков и твердых частиц в центробежном сепараторе. Выявлены особенности потери давления в тройниках системы

Воздух

Рис. 1. Принципиальная схема центробежного сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха 1 - сопло подачи рабочего энергоносителя; 2 - патрубок подачи исходного материала в сепаратор; 3 - корпус сепаратора; 4 - ротор; 5,6 -патрубки отвода грубой фракции; 7 — загрузочный патрубок; 8 — сопло подачи дополнительного воздуха; 9 - лопатки ротора; 10 - улитка отвода тонкой фракции; 11 - бункер сбора грубой фракции; 12 -классифицируемый материал.

трубопроводов сепаратора (патрубка подачи исходного материала и отвода грубой фракции, а также в узле загрузки исходного материала в сепаратор), взаимодействия лопатки ротора с материалом, движения частицы в межлопаточном пространстве, а также поведения частиц в зоне сепарации при тангенциальном поддуве дополнительного воздуха.

В основу количественного анализа потерь давления при разделении потока воздуха на трактах подачи исходного материала и отвода продукта разделения положено фундаментальное уравнение аэродинамики -уравнение сохранения количества движения. Используя это уравнение при описании процессов разделения и слияния воздуха в тройниках, найдены соотношения для определения коэффициентов местных сопротивлений (К.М.С.), отнесенных к динамическому напору в патрубке подачи исходного материала. Установлены зависимость местных потерь давления от соотношения расходов воздуха и площадей поперечных сечений трубопроводов при характерных для сепарации тупых углах слияния и разделения воздушных потоков. Получены следующие расчетные формулы для определения К.М.С. соединяемых трубопроводов.

В зоне разделения воздуха в нижней части камеры сепаратора: для подающего трубопровода:

и^м!2+вп, а)

М е2,

¿п — ^п

для трубопровода отвода грубой фракции: & = Аб

Й2

+ 2—^¿-ссяа

(2)

где Бъ % - площади поперечного сечения патрубка подачи исходного материала, нижней части корпуса сепаратора и патрубка отвода грубой

фракции соответственно, м2; Qъ 65 - объемные расходы воздуха в патрубках подачи исходного материала и отвода грубой фракции, м3/с; Лп=-5,136; Вп=3,737; Л6=0,37; #6=0,53 - опытные коэффициенты, полученные нами в результате обработки специально поставленных экспериментов; а - угол между патрубком подачи исходного и отвода грубой фракции.

В зоне слияния воздушных потоков узла загрузки сыпучего материала в патрубок подачи исходного материала:

для прохода (вход потока из сопла для подачи рабочего энергоносителя):

in - ^п

1+

S2

+2-

07 102

Qi) Sil 02J s7 для бокового ответвления (загрузочного патрубка):

si

02 J ^102

02

(3)

(4)

где 57 - площади поперечного сечения патрубка подачи исходного рабочего энергоносителя, и загрузочного патрубка соответственно, м2; Q^ - объемный расход воздуха в загрузочном патрубке исходного материала, м3/с; Лп=0,0952; йп=0,026; Лб=0,646; £¡¡=-0,091 - опытные коэффициенты, полученные нами в результате обработки экспериментальных данных.

С целью определения технологических характеристик классификации частиц в сепараторе было рассмотрено поведение этих частиц при взаимодействии с лопаткой ротора и их движение в межлопаточном пространстве.

В основу анализа было положено уравнение относительного движения материальной точки в поле центробежных и кориолисовых сил.

и

В подвижной системе координат ХОУ, лежащей в мередиальной плоскости (рис.2), причем ось ОХ направлена вниз по оси вращения, получена следующая система дифференциальных уравнений скольжения частицы по радиальной лопасти:

ух

x = g-2a0f1

тр

у[х2+у2

у = а0~у-2а о/^

У2

(5)

4х2 + >>2.

Численное интегрирование этой системы показало, что при больших скоростях вращения ротора( СО0 > 50 рад/с), горизонтальная составляющая скорости движения намного выше вертикальной, и поэтому можно в правых частях уравнений положить ^х2 +у2 и у , Полученная при этом система линейных уравнений допускает решение в квадратурах:

х = Хо +

g

2/тр"0

/ + -

2/трОо

)//тр2 +1 -/тр ( х-,1 я,

2/грОо i ;

У =

2^+1

(6)

(7)

(8) (9)

где А| Д 2 _ характеристические числа; / - время перемещения частицы, с. Найденное решение позволяет получить координаты и скорость частицы при взаимодействии ее с лопаткой в поле центробежных и гравитационных сил, а также силы трения, обусловленной действием кориолисовых сил. Силы трения намного уменьшаются при наклонной

Рис.2. Схема действия сил на частицу материала, скользящую по радиально расположенной лопатке.

установке лопатки. Связано это с отрывающим действием центробежной силы. Уравнение скольжения частицы по такой лопасти имеет вид:

тр

2аоу-Оо2 ■/(/*<) + >«та)2 + (усохх)2 • соях

(10)

У = ~/тр У

2сЦ)у-а(}2у[(я0 +>?та)2 + (¿соях)2 • соях • + с\)2 + >зта)2 + (усоэа)2 • вта,

где ^-ускорение свободного падения, м/с2; - коэффициент трения; О)0 — угловая скорость ротора, рад/с; Я0 - радиус окружности для основания лопасти ротора, м; а — угол наклона лопатки, град.

При упругом ударе частиц о лопатки их взаимодействие носит кратковременный характер. Частица движется в вязкой среде межлопаточного пространства. Помимо центробежных и кориолисовых сил на частицу действуют силы сопротивления воздушного потока, направленного к оси ротора. При движении воздуха по закону стока и вязком обтекании частиц классифицируемого порошка перемещение их в межлопаточном пространстве описывается нормальной системой

дифференциальных уравнений: У\ = Уъ

V

У2~-

У\

, У 4

Уг=\—-ао

У\

■У{ —

ч.

Уз+У о"

У\

У 4

2<Чо -

у±

У\

■Уз---У4,

ч.

(11) (12)

(13)

\

которая решилась численными методами. Здесь у ¡-г ~ радиус вектор движения частицы относительно горизонтальной плоскости, жестко связанной с ротором сепаратора, м; у2= Ф - угол поворота радиус

вектора, рад; у3= Уг и у4= 1>ъ -соответственно радиальная и тангенциальная составляющие скорости относительного движения частицы, м/с; Ц -скорость витания частицы, м/с; £/0- радиальная скорость воздуха у основания лопатки (при г = Л0), м/с.

Из всевозможных траекторий частиц в межлопаточном пространстве и зоне сепарации наиболее неустойчивой является движение по окружности. Незначительное отклонение частицы от этой окружности приводит к выносу либо в тонкий, либо в грубый продукт.

Нами получено соотношение для определения размера частиц (6 ), которые движутся по окружности радиуса 2?0 с угловой скоростью ротора а0:

где ц- коэффициент динамической вязкости воздуха, Пас; Р2 -плотность

Для теоретических исследований поведения частиц при дополнительном поддуве воздуха в сепараторе была выбрана модель плоского спирального воздушного сепаратора. Определен профиль тангенциальных скоростей потока по радиусу, который приближается к профилю квазитвердого вращения. Аналитически получено соотношение для определения тангенциальной скорости воздушного потока в зоне сепарации с учетом воздуха подаваемого при выходе из сопла поддува:

(15)

частицы, кг/м3.

3,42 4,017

.4!' 1 .

где г - текущий радиус, м; п - частота вращения ротора, с"1; У0 - начальная скорость воздушного потока в месте поддува дополнительного

энергоносителя, м/с; / = — - относительная длинна струи; - высота

ь0

щели сопла, м; / = 2ята - длинна струи, м; га - наружный радиус зоны сепарации, м.

Рассмотрен характер движения частиц в зоне сепарации и определена формула, связывающая граничный размер частицы (<5 гр ) с радиусом ее равновесной траектории (г) при заданной высоте зоны сепарации (И):

<*ф =

(с+4с2

+ 4 АВ

где для простоты записи положено:

лр2

А = -

жгп+-

2 А

3,42 4,017

(17)

6г

В = ЪцжУг\ С0пУ?Р1

с =

8

где /Vплотность частицы, кг/м ; К,-радиальная составляющая скорости воздуха, м/с; С0-коэффициент лобового сопротивления в области автомодельности для частиц неправильной формы (С0 =1,8).

Эти соотношения верны как для тонких, так и для грубых частиц классифицируемого материала, поскольку коэффициент

аэродинамического сопротивления нами определен по формуле озееновского типа.

В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований и описание экспериментального оборудования. -

В связи с тем, что исследования сепаратора проводились в два этапа, был разработан план проведения экспериментов сепаратора с целью определения его аэродинамической характеристики, и для определения эффективности процесса сепарации. В качестве плана для второго этапа экспериментов был выбран центральный композиционный ратотабельный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКРП 24. В качестве функции отклика на воздействие факторов определяющих характер протекания процесса, выбраны: часовая производительность сепаратора <2; удельная поверхность 5 получаемых порошков; массовый расход рабочего энергоносителя (воздуха) отвечающие ряду

требований, предъявляемых к параметрам функции отклика: универсальность, возможность выражения одним членом и представления в количественном виде.

В качестве исследуемых факторов при проведении экспериментов по классификации порошков в сепараторе были приняты: частота вращения ротора сепаратора п; высота подачи тангенциального поддува дополнительного воздуха в зону сепарации А; давление в сопле

тангенциального поддува дополнительного воздуха Рсд в зону сепарации; давление в сопле рабочего энергоносителя, подаваемого в патрубок подачи исходного материала Рс.

В четвертой главе рассмотрены экспериментальные исследования сепаратора согласно плану экспериментальных исследований. Исследования аэродинамических характеристик включали в себя два

этапа. На первом этапе рассматривали вентилирующую способность сепаратора. Установлено, что замеренные величины очень малы и не дают полной картины о работе сепаратора как вентилятора. Поэтому, для определения рациональной работы сепаратора с точки зрения аэродинамики, исследовали работу сепаратора на изменение коэффициента аэродинамического сопротивления.

Варьируемыми параметрами брали частоту вращения ротора с пределами варьирования 500 мин"1 - 1500 мин"1, шаг 250 мин"1 и угол конусности ротора а.\ = 55°; а2 = 30°; а3 = 20°.

Замеры на участках движения воздуха проводились по стандартной методике.

После обработки экспериментальных значений получили окончательный вид формулы для определения коэффициента местного сопротивления сепаратора:

4еп = (0,0034- 10~6а2 +0,225- 1СГ6а +2,93-1(Гй,)я2+

+(910_ба2 -0,632-10~6а + 3,482-1(Г3>+ (18)

+ 1,6-10~3а2 -0,14а + 10 При этом наименьшее значение £сеп =5 достигает при «=500 мин"1

и а=40°.

Как было указано в главе 3, для второго этапа экспериментов был выбран центральный композиционный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКРП 24.

Его реализация позволила получить уравнения регрессии, описывающие процесс сепарации в натуральных величинах: для производительности:

Q = 34,67 - 0,026и -11,02PC + 14,2РД + 0,125ft + + 0,000006 n2 -7,ЗР2 -70Рд2 -О.ОООЗЛ2 + (19)

+ 0,007Pcn + 0,0028Рсд • л -0,00001и-А + 40Рд Pc для удельной поверхности:

S = 15701,3 + 3622,6РС + 4605,8РД + 5,16ft + 0,09« -10240Рд2 -0,02ft2 +0,00074и2 + 0,5РД Рс + (20) + 0,00066«-ft-0,63РС -и-3866,7Рс -0,3Рсд и Одновременное изучение двух полученных уравнений, учитывая количество независимых входных факторов, представляет собой довольно сложную математическую задачу. Поэтому, прежде чем перейти к ней и с целью выяснения физического содержания характера влияния интересующих нас параметров - частоты вращения ротора п, высоты подачи тангенциального поддува дополнительного воздуха h в зону сепарации, давления в сопле тангенциального поддува дополнительного

воздуха Рсд и давление в сопле рабочего энергоносителя в патрубке подачи исходного материала Рс,, нами были рассмотрены парные воздействия варьируемых факторов на выходные величины: производительность Q, удельную поверхность S и массовый расход воздуха Gp, которые дали следующие результаты: -при увеличении частоты вращения ротора п от 500мин"' до 1500мин~' удельная поверхность возрастает от 17900см2/гр до 18750см2/гр при h = 185мм, Pz = 0,35МПа, Рсд = 0,2МПа. Однако, при этом происходит снижение производительности с 34,5кг/ч до 18,7кг/ч.

Так как Gp = f(Pc; Рд), то при соответствующих параметрах Рс и

расход рабочего энергоносителя при различных параметрах Лип будет неизменным.

Определив физическое содержание характера влияния (п, И, Рс, Р§) на выходные величины: производительность Q и удельную поверхность 5, определим параметры, наиболее полно характеризующие работу сепаратора по методике описанной С.Г. Ушаковым, Р. Мауегош, V. Ес1егот при максимальных значениях этих величин.

Экспериментальные данные по эффективности классификации нового сепаратора приведены в таблице 1.

Экспериментальные данные по эффективности классификации усовершенствованного сепаратора при Рс = 0,35МПа

Таблица 1

мин"1 9 й-р, мкм е 1 а кг/ч см2/гр

С поддувом при Ъ = 185мм, Р£ - 0,2МПа

500 0,67 28 0,072 0,76 34,5 17500

1500 0,46 15 0,336 0,86 18,75 18750

Без под дува при А = 185мм, = 0 МПа

500 0,69 48 0,24 0,716 17,9 17000

1500 0,69 40 0,12 0,72 13,8 18400

Применение данного сепаратора позволило повысить производительность оборудования в 1,5 раза и снизить удельный расход электроэнергии в 1,1 раза. Экономический эффект от внедрения составил 96000 рублей (в ценах 1999 года).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основании анализа современного состояния техники и технологии воздушной классификации сверхтонких порошков установлено, что

одним из прогрессивных способов выделения сверхтонких порошков является тангенциальный поддув дополнительного воздуха в зону сепарации.

2. Теоретически исследована динамика воздушных потоков и твердых частиц в центробежном сепараторе с дополнительным поддувом воздуха. Установлены соотношения для определения К.М.С., трубопроводов сепаратора для условий слияния и разделения воздушных потоков.

3. Получена система уравнений для определения относительного движения частиц по наклонным и радиальным лопаткам, а также система уравнений, описывающая относительное перемещение частицы в межлопаточном пространстве с учетом центробежных и кориолисовых сил. Получено соотношение для определения размера частиц (5), которые движутся по окружности радиуса /?0 с угловой скоростью ротора сепаратора ы0 ■

4. Аналитически получено соотношение для определения тангенциальной скорости воздушного потока в зоне сепарации с учетом количества воздуха, подаваемого при выходе из сопла поддува.

5. 'Рассмотрен характер движения частиц в зоне сепарации и определена формула, связывающая граничный размер частицы (б^р ) с радиусом ее

равновесной траектории (г), при заданной высоте зоны сепарации {И).

6. Экспериментально установлены оптимальные конструктивно-технологические параметры сепаратора:

- наименьшее значение К.М.С. сепаратора находится в области при «=500 мин"1 и а=30°- 40°;

- дополнительный поддув воздуха влияет на все показатели разделения и основные параметры работы сепаратора (так при я=500мин"' граница разделения ( би,) уменьшается с 48мкм до 28мкм, производительность (0

увеличивается с 17,9кг/ч до 34,5кг/ч; при и=1500мин"' уменьшается с

40мкм до 15мкм, производительность увеличивается 13,8кг/ч до 18,7кг/ч).

7. Тазработана новая конструкция сепаратора, защищенная патентом на изобретение 'РФ №2123392 от 2.08.96 г.

8. Тазработана инженерная методика расчета сепаратора, а также процесса классификации.

9. Осуществлено внедрение опытно-промышленного образца на УНПК «ТЕХНОЛОГ» для классификации тонкодисперсной глины. Полученная глина соответствует техническим требованиям к керамическим массам для изготовления низковольтных изоляторов по ТУ 3493-002022066339-98. Применение данного сепаратора позволило повысить производительность оборудования в 1,5 раза и снизить удельный расход электроэнергии в 1,1 раза. Экономический эффект от внедрения составил 96000 рублей (в ценах 1999 года).

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Богданов В. С., Дмитриенко В. Г. Получение сверхтонкого мелового порошка в противоточной струйной мельнице.// Механизация и автоматизация технологических комплексов в промышленности строительных материалов. Охрана окружающей среды: Сб. докл. Междунар. конф. "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций". -Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1995.-Ч4-С. 5-6

2. Богданов В. С., Логачев И. Н., Дмитриенко В. Г. К вопросу аэродинамического расчета противоточной струйной мельницы замкнутого цикла.//Тезисы докладов первой всеукраинской научно-практической конференции: Сб. докл. Междунар. конф. "Прогрессивные

технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций". -Полтава, 1996. -С.43-45.

3. Богданов В. С., Логачев И. Н., Уваров В. А., Дмитриенко В. Г., Гаврилов Р. В. Аналитические исследования потерь давления при разделении воздушных потоков в камере сепаратора противоточной струйной мельницы.//Повышение эффективности технологических комплексов и оборудования в промышленности строительных материалов и строительстве: Сб. докл. Междунар. конф. "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережения в условиях рыночных отношений". -Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1997.-Ч4 -С. 94-100

4. Богданов В. С., Павленко В. И., Маракин О. А., Дмитриенко В. Г.

Механохимическая активация композиционных материалов в противоточной струйной мельнице.//Повышение эффективности технологических комплексов и оборудования в промышленности строительных материалов и строительстве: Сб. докл. Междунар. конф. "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережения в условиях рыночных отношений". -Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1997.-Ч4-С.148-154

5. Богданов B.C., Дмитриенко В.Г., Гусев Д.А. Исследование вентилирующей способности сепаратора для разделения сверхтонких порошков // Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. Междунар. конф.-шк.-сем. молод, учен, и асп.-Белгород: изд-во БелГТАСМ, 1998.-Ч.2.-С.472-474.

6. Богданов B.C., Дмитриенко В.Г., Гусев Д.А. Сепаратор для разделения сверхтонких порошков // Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. Междунар. конф.-шк.-сем. молод, учен, и асп.- Белгород: изд-во БелГТАСМ, 1998.-Ч.2.-С.475-477.

7. Дмитриенко В. Г. Состояние и совершенствование конструкции сепараторов для сверхтонких порошков.//Горнорудное производство. Металлургия. Обработка металлов давлением. Диагностика, эксплуатация технических систем: Сб. докл. Междунар. конф. "Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве". - Старый Оскол: изд-во СОФ МИСиС, 1999.-Ч1 -С.148

8. Булгаков С.Б., Дмитриенко В.Г., Дмитриенко А.Г., Несмеянов Н.П.

Получение уравнения регрессии, описывающего процесс сепарации в центробежном отбойно-вихревом сепараторе. // Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века: Сб. докл. II Междунар. научно-практич. конф.-шк.-сем. молод, учен., аспир. и докторантов - Белгород: изд-во БелГТАСМ, 1999. - Ч.З. - С. 7 -10.

9. Богданов В. С., Логачев И. Н., Дмитриенко В. Г., Потапенко Н.Я. Центробежный отбойно-вихревой сепаратор. Патент на изобретение ТФ №2123392 от 2.08.96 г.

Подписано в печать 30.04.2000г.

Усл. п. л. 1,4. Тираж 100.

Формат 60x84/16. Заказ № 252

Отпечатано в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

Введение.

Глава I. Современное состояние техники и технологии классификации тонких и сверхтонких порошков.

1.1. Тенденции развития тонкодисперсного сепарирования.

1.2. Анализ конструкций центробежных воздушно-проходных сепараторов.

1.3. Конструкция нового центробежного сепаратора с дополнительным поддувом воздуха.

1.4. Обзор существующих методик расчета сепараторов с противоточной центробежной зоной разделения.

1.5. Цель и задачи исследования*,*.9.*.^.

1.6. Выводы.

Глава II. Теоретические исследования динамики воздушных потоков и твердых частиц в центробежном сепараторе.

2.1. Потери давления воздушного потока в тройниках системы трубопроводов сепаратора.

2.1.1 Потери давления при разделении воздуха в камере сепаратора.

2.1.2. Потери давления при слиянии воздушных потоков в узле загрузки сепаратора.

2.2. Взаимодействие лопатки ротора с частицами сепарируемого материала.

2.2.1. Динамика скольжения частицы по радиальной лопатке.

2.2.2. Особенности динамики скольжения частицы по наклонной лопатке.

2.3. Движение частицы в межлопаточном пространстве.

2.3.1. Основное уравнение относительного движения частицы.

2.3.2. Критические траектории частиц.

2.4. Поведения частиц в сепараторе при тангенциальном поддуве дополнительного воздуха

2.4.1. Исходные предпосылки.

2.4.2. Изменение скорости воздуха в струе поддува дополнительного энергоносителя.

2.4.3. Характер движения частиц в зоне сепарации.

2.5. Выводы.

Глава III. Методика проведения исследований и характеристика исследуемого материала.

3.1. Основные положения экспериментальных исследований.

3.2. Описание экспериментального оборудования и средств контроля.

3.3. Характеристика исследуемого материала.

3.4. План многофакторного эксперимента для определения эффективности процесса сепарации.

3.5. Выводы.

Глава IV. Экспериментальные исследования центробежного сепаратора с дополнительным поддувом воздуха.

4.1. Исследование аэродинамических характеристик сепаратора.

4.1.1 .Исследование вентилирующей способности сепаратора.

4.1.2.Исследование влияния угла конусности и частоты вращения. ротора на аэродинамическое сопротивление сепаратора.

4.2. Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса сепарации в центробежном отбойно-вихревом сепараторе.

4.2.1 .Экспериментальные исследования парных воздействий варьируемых факторов на величину удельной поверхности тонкого продукта и производительности сепаратора.

4.2.2.0пределение кривой парциальных выносов центробежного сепаратора по экспериментальным данным.

4.2.3.Уточнение теоретического соотношения для расчета границы

разделения сепаратора.

4.3. Апробация центробежного сепаратора в промышленных условиях.

4.3.1. Методика расчета центробежного отбойно-вихревого сепаратора.

4.3.2. Промышленное внедрение.

4.3.3. Расчет экономической эффективности.

4.4. Выводы.

В связи с изменением объема и номенклатуры производства в последнее время огромные требования предъявляются к дисперсности конечного продукта. В производстве пластмасс и в кабельной промышленности высококачественные наполнители должны состоять из 90 % частиц менее 10 мкм, а остальные 10 % не крупнее 40 мкм, [1,2]. При создании композиционных материалов-для защиты от радиации, частицы смеси компонентов органосиликата свинца и полистирола не должны превышать 5 мкм [3]. Известно, что основными агрегатами для получения сверхтонких порошков являются мельницы струйной энергии [4,5,6,7]. Однако дальнейшему развитию производства сверхтонких порошков мешает отсутствие высокоэффективных сепараторов. Применение этих аппаратов позволило бы, не только значительно повысить производительность установки, но и в широком диапазоне регулировать тонкость получаемого продукта без изменения режима работы мельницы. В свою очередь, эффективность работы самого сепаратора оказывает существенное влияние, как на экономичность размалывающего устройства, так и качества готовой пыли.

Как было сказано выше интенсивность или эффективность большинства технологических процессов, использующих материал в порошкообразном состоянии, увеличивается с ростом величины его удельной поверхности.

С изменением характерного размера порошка поведение его частиц обнаруживает качественно новые стороны. Чрезвычайно развитая удельная поверхность особо тонких порошков приводит к появлению различных форм ее активности, в частности к образованию агломератов частиц, которые появляются благодаря поверхностным силам и силам аутогезии [1,8-13]. Это приводит к снижению производительности мельничной установки и ухудшению работы классифицирующего оборудования, т.к. происходит залипание частичек на внутренней поверхности корпуса сепаратора [2]. В тоже время большое содержание крупных частиц в готовом продукте, например, в химической промышленности при производстве фосфорных удобрений - ухудшает условия грануляции, в цементной промышленности - снижает марку цемента, в теплоэнергетике, использующей твердое топливо - снижает к.п.д. парогенератора и т. д. [14-17]. Таким образом, задачами сепаратора являются, во-первых, -максимально полное извлечение мелких, пригодных для использования частиц в готовый продукт, во-вторых, - возврат на домол крупных частиц, засоряющих готовый (тонкий) продукт.

Несмотря на давнее и широкое применение классификаторов пыли, в частности центробежных сепараторов воздушно-проходного типа, рабочий процесс в них изучен недостаточно. Не выявлено влияние определяющих режимных и конструктивных параметров на характеристики разделения. Нет теоретически обоснованной методики расчета. В тоже время опыт работы показывает, что имеются существенные резервы повышения эффективности классификации. Перечисленное, позволяет сделать вывод об актуальности данной проблемы и определяет цель настоящей работы: разработка технических средств и методов их расчета для повышения эффективности классификации высокодисперсных порошков в центробежных сепараторах с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха.

Выбор указанной конструкции для исследования обусловлен точностью разделения и остатком на сите № 0063 от 15 до 0 %, а также возможностью выдавать более тонкие продукты [2,3,17,18] и использование этих сепараторов для работы в комплексе с помольными агрегатами [2,3,5-8,69]. Наряду с достоинствами этого сепаратора, авторы [17,18] отмечают и ряд недостатков -повышенное энергопотребление (большое аэродинамическое сопротивление) и низкая эффективность классификации. Разработанные методы исследования и полученные результаты в полной мере относятся и к другим классам и конструкциям воздушных сепараторов.

Поскольку явления в газодисперсной среде значительно сложнее, чем в однофазной жидкости, при исследовании процесса сепарации пыли эксперимент должен играть особенно важную роль.

В ряде практически важных случаев возможно создание математической модели процесса (системы дифференциальных уравнений), которая, отличаясь, в силу принятых допущений, от реального процесса позволяет получить как некоторые интегральные эффекты, так и изучить детали исследуемого процесса движения частиц в широком диапазоне изменения определяющих параметров. Численные методы при использовании современной вычислительной техники дают возможность существенно снизить число принимаемых упрощений и повысить достоверность получаемых результатов. Надежность полученной модели к степени адекватности ее реальному процессу позволяет дополнить математическое описание и применять его для расчета оптимизации аппаратов.

Исходя из изложенного, в работе для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать новую конструкцию центробежного сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха.

2. Рассмотреть различные режимы работы сепаратора с целью снижения аэродинамического сопротивления, увеличения эффективности сепарации.

3. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости производительности сепаратора и величины удельной поверхности от входных конструктивно-технологических факторов, и провести экспериментальную проверку в лабораторных условиях разработанной методики расчета и теоретических моделей.

4. Разработать методику расчета конструктивно - технологических параметров сепараторах с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха в зону сепарации.

5. Апробировать в производстве патентно-чистую конструкцию центробежного сепаратора для классификации тонкодисперсных порошков.

Научная новизна работы представлена математической моделью движения частиц классифицируемого материала в поле центробежных и кориолисовых сил с учетом количества дополнительного поддува воздуха в зону сепарации; системой уравнений для опредления относительного движения частицы по наклонным и радиальным лопаткам ротора, а также системой уравнений, описывающей относительное перемещение частиц в межлопаточном пространстве с учетом аэродинамических, кориолисовых и центробежных сил; соотношением для расчета граничного размера в зависимости от радиуса равновесной траектории и высоты зоны сепарации; результатами экспериментальных исследований в виде соотношения для определения коэффициентов местных сопротивлений (К.М.С.) сепаратора и его конструктивных элементов, а также конструктивных и технологических параметров.

Практическая ценность работы заключается в методике расчета и соответствующего программного обеспечения определения основных технологических и конструктивных параметров процесса сепарации и рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов работы центробежных сепараторов для классификации тонкодисперсных порошков, обеспечивающих эффективность разделения за счет тангенциального поддува дополнительного воздуха в зону сепарации.

По результатам работы разработана новая конструкция сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха в зону сепарации, внедрение, которого обеспечивает повышение эффективности разделения на 20%.

Реализация работы. Диссертационная работа проводилась в БелГТАСМ в рамках выполнения г/б НИР: «Исследование аэродинамических параметров противоточных струйных мельниц замкнутого цикла с целью оптимизации конструктивных элементов (трактов транспортировки и сепарации) продуктов измельчения»; «Разработка научных основ получение мелкодисперсных порошков в аппаратах с повышенной энергонапряженностью»; ГРАНТ - 98 «Научные основы и создания динамического сепаратора для разделения сверхтонких порошков». Основные результаты исследований докладывались на научно технических конференциях, проводимых в БелГТАСМ: «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов изделий и конструкций» в 1995г., «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» 1997г.; на первой Всеукраинской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций» Полтава

1996г.; на международной научно-технической конференции «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве», Старый Оскол 1999г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, получен патент РФ на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 195 страниц, в том числе 130 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 102 наименований и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.Ha основе анализа современного состояния техники и технологии воздушной классификации сверхтонких порошков было установлено, что решить проблему выделения сверхтонких порошков можно путем поддува дополнительного воздуха в центробежный отбойно-вихревой сепаратор.

2.Теоретически исследована динамика воздушных потоков и твердых частиц в центробежном сепараторе с дополнительным поддувом воздуха. Установлены соотношения для определения К.М.С. трубопроводов сепаратора для условий слияния и разделения воздушных потоков.

3.Получена система уравнений для определения относительного движения частиц по наклонным и радиальным лопаткам, а также система уравнений описывающая относительное перемещение частицы в межлопаточном пространстве с учетом центробежных и кориолисовых сил. Получено соотношение для определения размера частиц (d)^), которые движутся по окружности радиуса Rq с угловой скоростью ротора сепаратора щ.

4. Аналитически получено соотношение для определения тангенциальной скорости воздушного потока в зоне сепарации с учетом количества воздуха подаваемого при выходе из сопла поддува.

5.Рассмотрен характер движения частиц в зоне сепарации и определена формула, связывающая граничный размер частицы (б^,) с радиусом ее равновесной траектории (г), при заданной высоте зоны сепарации. б.Экспериментально установлено, что:

- наименьшее значение К.М.С. сепаратора находится в области при п=500 мин'1 и а = 30°-40°;

- дополнительный поддув воздуха влияет на все показатели разделения и основные параметры работы сепаратора (так при п=500мин"1 граница разделения (Sуменьшается с 48мкм до 28мкм, производительность (Q) увеличивается с

120

17,9кг/ч до 34,5кг/ч, при п=1500мин"1^гр уменьшается с 40мкм до 15мкм, производительность увеличивается 13,8кг/чдо 18,7кг/ч).

7.Разработана новая конструкция сепаратора защищенная патентом на изобретение РФ №2123392 от 2.08.96 г.

8.Разработана инженерная методика расчета сепаратора, а также процесса классификации.

9.Осуществлено внедрение опытно-промышленного образца на УНПК «ТЕХНОЛОГ» для классификации тонкодисперсной глины. Полученная глина соответствует техническим требованиям к керамическим массам для изготовления низковольтных изоляторов по ТУ 3493-002-022066339-98. Применение данного сепаратора позволило повысить производительность оборудования в 1,5 раза и снизить удельный расход электроэнергии в 1,1 раза. Экономический эффект от внедрения составил 96000 рублей (в ценах 1999 года).