УДК 631.35

Теоретические исследования потерь давления при пневмотранспортировании зерна в разработанном питателе эжекторного типа

Савельева Екатерина Владимировна – кандидат технических наук, доцент Приморского государственного аграрно-технологического университета.

Аннотация: В статье выполнены теоретические исследования влияния конструктивных параметров разработанного эжекторного питателя на разгон зернового материала в зоне его поступления в нагнетательной пневмосистеме. На основе результатов исследования установлено, что параметры разработанного питателя позволяют придать зерновому материалу начальную скорость схода, которая приводит к значительному снижению потерь давления и ускорению перемещения зерна на разгонном участке.

Ключевые слова: эжекторный питатель, материалопровод, воздухопровод, транспортирование, зерновой материал, потери давления, скорость воздуха.

Пневмотранспорт является одним из прогрессивных и эффективных автоматизированных способов транспортирования сыпучих продуктов. В связи с его значительной производительностью и большим радиусом действия, экономией производственной площади, полным отсутствием остатков и потерь перемещаемого продукта, легкостью монтажа, гибкостью в эксплуатации и возможностью полной автоматизации управления пневмотранспортирование широко используют в аграрном секторе для перемещения зернового материала.

Для транспортировки зерна при выполнении погрузочно - разгрузочных работ на зернотоках, зерноперерабатывающих и очистительных комплексах по способу создания воздушного потока и условиям движения аэросмеси предпочтительнее применять пневмосистемы нагнетательного типа, т.к. они имеют более высокую производительностью, чем всасывающие, не требуют полной герметичности при перемещении зерна на расстоянии не более 10-15 метров, имеют достаточно простое конструктивное исполнении и др.

Основным звеном в нагнетательных системах является загрузочные устройства (питатели), где осуществляется поступление материала в материалопровод с избыточным давлением и происходит формирование аэросмеси надлежащей концентрации на разгонном участке.

Питатели нагнетающих пневмотранспортных установок имеют разнообразные конструкции. В нагнетательных системах при транспортировке зерна на расстоянии не более 20-25 метров обычно применяют питатели эжекторного типа. В отличие от шахтных и шлюзовых затворов они достаточно просты конструктивно, не имеют движущихся частей и утечки воздуха (выбивания) при избыточном давлении до 2500-3000 Па при транспортировке материала на расстояние не более 10 метров. В подобных питателях необходимо осуществлять формирование воздушного потока в местах поступления материала в материалопровод, чтобы уменьшить потери давления на разгонном участке.

Величина потерь на ускорение (разгон) частиц твердого компонента, по утверждению Ф.Г. Зуева [1], составляет значительную часть сопротивления всей установки и может превышать все вместе взятые потери давления на трение и подъем материала. В этой связи энергия на преодоление частиц составляет 35 - 45% всей энергии, затрачиваемой на перемещение частиц в материалопроводе.

В основном велики они при небольшой длине транспортирования. При длине l≤20 м потери давления на разгон частиц могут превышать вместе взятые потери давления на трение и подъем материал.

В.А.Успенский [2] исследовал влияние диаметра материалопровода и коэффициента μ на величину разгонного участка и потери давления. Для определения потерь напора на разгонном участке он предлагает формулу:

,      (1)

где ψ – коэффициент, учитывающий добавочное сопротивление в зоне входа материала в трубопровод; γ₁ – плотность среды; ξ – коэффициент сопротивления в местах засыпки материала;V₁ – скорость воздуха до смешения потока; G – секундный расход материала; V₀ – скорость частицы;

F₀ – площадь сечения трубопровода.

Анализ формулы (1) показывает, что в зоне входа материала наблюдается резкое повышение давления. Такое повышение давления зависит, во-первых, от динамического давления (напора) воздуха, который определяется местным сопротивлением  и, во-вторых, на преодоление инерции при разгоне материала  . Таким образом, В.А. Успенский утверждает, что касательные напряжения на участке разгона больше, чем на участке с установившимся движением.

Аналогичное исследование потери давления провел В.Р. Бурсиан [3], по его мнению потери давления пропорциональны приращению кинетической энергии транспортируемого материала и выразятся формулой:

,      (2)

где Р_разг – потери напора на разгон; F – сечение трубопровода;

V – средняя скорость воздуха на участке разгона; G_м – производительность установки; V_м – скорость движения материала при установившемся движении; V_мо – скорость в момент загрузки в трубопровод (принимается равной нулю).

 Анализируя проведенные исследования, заметим, что наименее благоприятным для взвешенных частиц, является начальный участок материаловода. Из-за низкой скорости движения материала в момент поступления в трубопровод создается высокая объемная концентрация, которая вызвана следующими причинами:

• начальная скорость движения сыпучего материала в момент поступления в материалопровод равна нулю;
• отсутствие начальной скорости движения, малая площадь сечения загрузочной горловины, создают высокую объемную концентрацию материала на дне материалопровода в области разгонного участка, что может вызвать негативное явление «завал».

Однако опыты показывают [3,4], если материалу придать начальную скорость V_нх, в дальнейшем он устойчиво транспортируется с установившейся скоростью V_уст, при значительных коэффициентах µ.

Чтобы придать материалу начальную скорость V_нх при поступлении в материалопровод, нужно учитывать: скорость воздушного потока V_в, скорость витания частиц V_вит, диаметр материалопровода, коэффициент концентрации, а также конструктивные и технологические параметры питателей эжекторного типа.

Для этих целей разработано загрузочное устройство [5,6,7], (рисунок 1) представляющее собой открытый сверху короб, где его длина превосходит ширину в 8-10 раз. Короб содержит смесительную камеру, соединенную с материалопроводом (1), в которой установлена рама (4) с регулируемым углом наклона, на которой закреплены лотки (2). Лотки расположены последовательно вдоль смесительной камеры с образованием между ними конфузорно - диффузорных зазоров (3).

Рисунок 1. Схема загрузочного устройства для пневмотранспортирования зерна:  1 – материалопровод; 2 – лотки; 3 – конфузорно-диффузорные зазоры; 4 –рама; 5 –балка; 6 – кромка воздухонаправляющей лопасти; 7 - воздухонаправляющей лопасти; 8 – кромка отражательного козырька; 9 – отражательный козырёк.

Воздухопроводящий материалопровод (1) снабжен подпружиненным козырьком (9), лотки (2) имеют задание и передние криволинейные образующие, представляющие собой в сечений форму подков. Причем к основаниям задних образующих лотков прикреплены подпружиненные воздухонаправляющие лопасти (7), контактирующие выпуклыми сторонами с балками (5), установленными между образующими.

Во время работы зерно поступает на верхнюю часть лотков. Весь поток зерна растекается на всю ее ширину и движется по поверхности тонким слоем рассредоточено без внутренних связей, что позволяет основной массе зерна, начинать свое движение отдельными струйками по криволинейным поверхностям передних образующих лотков. В результате зерно при отрыве (сходе) с каждой кромки передних образующих лотков приобретает начальную скорость схода V_нх от 0,8 до 1,4 м/с, что позволяет снизить потери давления на разгонном участке на 35-45% и увеличить производительность пневмосистемы и надежность процесса пневмотранспортирования.

Величина потерь давления на ускорение (разгон) частиц твердого компонента составляет значительную часть сопротивления всей установки. Особенно они велики при небольшой длине транспортирования [1].Для определения потерь давления Δp_p на разгон материала в зоне входа воспользуемся начальной осевой скоростью схода V_нх. На этом участке разгона справедливо равенство приращения количества движения материала и импульс от воздушного потока:

PΔt = m(V_m – V_нх),      (3)

где PΔp_pF - сила действия воздушного потока на материал, находящийся в пределах разгонного участка; Δt - время разгона; m - масса материала, проходящего на участке разгона за время Δt; F - площадь сечения трубопровода; V_m - скорость, приобретаемая материалом к концу разгона.

Преобразуя уравнение (3), имеем:

ΔpFΔt = m(V_m – V_нх).      (4)

Разделив обе части равенства уравнения (4) на произведение FΔt и умножив числитель и знаменатель правой части на 2ρV_в², получим:

.      (5)

Учитывая, что - массовый расход материала в килограммах, а FρV_в = М_в - массовый расход воздуха в килограммах за одну секунду, имеем:

,      (6)

так как , то

,      (7)

где μ - коэффициент концентрации смеси.

Коэффициент учитывает начальную осевую скорость V_нх зерна при поступлении в трубопровод и конечную V_m, приобретенную в зоне поступления. Тогда выражение (7) примет вид:

Δp_p = μρB₁V_в².      (8)

При определении потерь давления на разгонном участке необходимо учитывают скорость витания материала V_вит, которую выразим через коэффициент, где  - скорость зерна при установившемся движении.

Выражение (8) примет вид:

.      (9)

Преобразуя, получим:

Δp_p = μρ(V_m – V_нх) (V_в – V_вит).      (10)

Из формулы (10) следует, что потери давления в пределах разгонного участка можно выразить через следующие параметры: V_нх; V_вит; μ; V_m; V_в. Причем они оказывают различное влияние на потери давления Δp_p. С увеличением V_нх, V_вит, потери пропорционально уменьшаются, а с увеличением μ, V_m, V_в возрастают. Определение потерь давления производилось при μ=1,3, в результате установили, что при скорости схода не менее 0,8 м/с, потери Δp_p на разгон зерна уменьшаются на 20-25%.

 Выводы

1. Для устойчивого транспортирования материала в пневмосистеме, при значительных коэффициентах µ, материалу при поступлении в материалопровод необходимо придать начальную скорость V_нх, учитывая скорость воздушного потока V_в, скорость витания частиц V_вит, диаметр материалопровода, коэффициент концентрации, а также конструктивные и технологические параметры питателей эжекторного типа.

2. Для получения наименьших потерь в загрузочном устройстве необходимо выполнить следующие работы:

• кромку отражательного козырька расположить ниже осевой линии подводящего воздухопровода и установить на одну линию с кромками воздухонаправляющих лотков с образованием диффузора с углом подъема 10⁰-12⁰;
• линию, проведенную через кромки воздухонаправляющих лотков в положение относительно дна смесительной камеры от конфузора с углом наклона до 6⁰ и до диффузора с углом подъема 8⁰-10⁰;
• лотки на раме загрузочного устройства расположить с образованием между ними конфузорно-диффузорный зазор в пределах 22-25 мм;
• длину загрузочного окна смесительной камеры принимать 4-5 диаметров материалопроводов.

3. Потери давления ∆р на ускорение зерна на разгонном участке снизятся на 30-35%, при скорости схода V_нх зерновки лотка в пределах 0,8 – 1,2 м/с.

Список литературы

1. Зуев, Ф.Г. Пневматическое транспортирование на зернообрабатываю­щих предприятиях / Ф.Г. Зуев. - М.: Колос, 1976. - 344 с.
2. Успенский, В.А. Пневматический транспорт материалов во взвешенном состоянии / В.А. Успенский. - Свердловск; М.: Гос. науч.- техн. изд-во лит. по черн. и цветной металлургии, 1952. - 229 с.
3. Бурсиан, В.Р. Пневматический транспорт на предприятиях пищевой промышленности / В.Р. Бурсиан. - М.: Пищевая промышленность, 1964. – 276 с.
4. Кузнецов, Ю.М. Пневмотранспорт: теория и практика / Ю.М. Кузнецов. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - 60 с.
5. Патент на изобретение RU № 2333144 МПК⁷. В65G 53/40. Загрузочное устройство нагнетательной пневмосистемы для транспортировки зерна в зерноуборочном комбайне / В.Ф. Паринов, Е.В. Савельева (ФГБОУ ВПО Приморская гос. с.-х. академия) (RU). - № 2006125162; Заявл. 12.07.2006; Опубл. 10.09.2008; Бюл. № 25.
6. Савельева, Е.В. Исследование влияний конструктивных параметров загрузочного устройства на движение воздушного потока при пневмотранспортирований мелкого вороха в зерноуборочном комбайне /Е.В. Савельева, Ю.Н. Рубан // Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. - Благовещенск, 2015. С. 95-107.
7. Савельева, Е.В. Анализ и определение потерь давления в зоне поступления сыпучего материала в горизонтальный материалопровод с избыточным давлением / Е.В. Савельева, Д.В. Здор, Д.А. Ломоносов, И.Э. Островская //Естественные и технические науки. 2020, №8 (146).- С.200-206.