1.8. Теорія конструювання преса-гранулятора

Конструювання преса-гранулятора зв'язане з розрахунком геометричних розмірів матриці і ролика, що пресує. На практиці застосовують пресуючу пару, що має від одного до трьох роликів, при цьому ролики, як і матриця, можуть мати привод. Частіше ролики розташовують усередині кільцевої матриці, однак має місце зовнішня установка пресуючого ролика.

Розглянемо найбільш типовий випадок, коли ролик розташований усередині кільцевої матриці, де радіус матриці R більше радіуса ролика r (рис. 1.18). У результаті геометричних побудов одержують теоретичний кут α - початку пресування продукту, побудований з центра матриці O двoма радіусaми R, де один з них проведений через центр ролика О', а другий проведений через крапку А, розташовану на поверхні ролика і радіуса r, перпендикулярного до радіуса матриці R. Тоді з ΔООА (рис. 1.17) випливає, що tg α = О'А/ОО' = r/(R-r) (1.29)

Теоретичний кут початку пресування утворить теоретичний шар пресування продукту Н, що визначають з побудови паралелограма сил пресування, де при обертанні матриці по годинниковій стрілці головна сила пресування спрямована від внутрішньої поверхні матриці до центра ролика.

Теоретичну точку В початку пресування одержують на внутрішній поверхні матриці шляхом торкання радіуса матриці R, проведеного через крапку А, розташовану на поверхні ролика (рис.1.18).

Паралелограм сил пресування одержують шляхом проведення з центра ролика О' двох перпендикулярних ліній ОУ _┴ ОАВ і ОХ _┴ ВХ.

Теоретичний шар початку пресування продукту Н розташований на діагоналі паралелограма сил ОВ і дорівнює величині відрізка ВС, де точка С отримана при перетинанні діагоналі ОВ з поверхнею ролика. Тоді з ∆ОВУ шляхом геометричних перетворень визначають величину шару пресування Н в залежності від кута пресування α і величини радіусів матриці R і радіуса ролика r, де

(1.30)

Тобто шляхом зміни геометричних розмірів пари, що пресує, визначають оптимальний шар пресування продукту при розрахунку преса-гранулятора з кільцевою матрицею, або в залежності від заданого шару пресування визначають оптимальні геометричні розміри пари, що пресує. Товщина шару пресування впливає на швидкість пресування, що лежить в основі розрахунку продуктивності преса-гранулятора.

Для розрахунку швидкості пресування продукту визначають висоту спресованої гранули h за один оберт матриці, у залежності від Н:

h = Н·r_п /r_r = Н/b, (1.31)

де r_п - щільність продукту,

r_r - щільність гранули,

b - коефіцієнт щільності гранули.

Середню швидкість переміщення гранули у філь’єрі матриці V_r визначають, як

V_r =h/t, (1.32)

де t - період одного оберту матриці.

Як відомо, t = 1/n_m , (1.33)

де n - кількість обертів матриці.

Однак швидкість руху гранули у філь’єрі залежить від часу і числа повторюваностей деформування одного клиноподібного елемента з центральним кутом (за один оберт матриці, де

t = α / 360 n_m (1.34)

Тоді швидкість руху гранули у філь’єрі матриці визначають виразом:

(1.35)

Тоді теоретична продуктивність Q преса-гранулятора з кільцевою матрицею складає:

Q = 3,6kψZ_рmVrπd₀²/4, (1.36)

де k- коефіцієнт перфорації матриці: k = S_ф/S_m (1.37)

S_ф - сумарна площа поперечних переріз філь’єр матриці,

S_м - внутрішня поверхня матриці,

ψ - об'ємна маса гранульованого продукту,

Z_p - кількість роликів,

m - кількість філь’єр у матриці,

d₀ - діаметр філь’єр матриці,

V_г- середня швидкість переміщення гранули у філь’єрі матриці.

Визначення потужності N головного електропривода гранулятора зв'язано з величиною сили пресування продукту F_p і сили крутного моменту F_k, тобто

М = RF_k (1.38)

Як відомо N = МW, (1.39)

де М – крутний момент матриці,

W - кутова швидкість матриці.

Співвідношення величин сил пресування визначають з паралелограма сил, прикладених до точки В початку пресування продукту (рис. 1.18).

Сумарна сила пресування F_р спрямована від точки В до центру ролика О'.

З ∆ОВУ випливає, що сила крутного моменту матриці дорівнює

F_k=F_рсоsβ (1.40)

У результаті перетворення соs β виражають через соs α, тоді

(1.41)

Тобто при повороті матриці на кут (від точки В до D максимального стиску продукту перед філь’єрами матриці сила крутного моменту переходить у силу пресування продукту через філь’єри матриці, тобто при

α = 0, F_k=F_р (1.42)

При розрахунку сили пресування продукту використовують експериментальні дані міцності гранульованих продуктів.

Силу пресування визначають по відомій формулі:

F = σ_rS_rС, (1.43)

де σ_r - межа міцності гранули,

S_r - поверхня поперечного перерізу гранули,

С - кількість філь’єр, розташованих у двох рядах по ширині матриці.

При цьому S_г = πd₀/4, (1.44)

де d₀ - діаметр гранули, м,

С - кількість фільєр у двох рядах ширини матриці.

Рис. 1.18. Схема пресуючого механізму 1 - кільцева матриця; 2 – ролик пресуючий

Поверхня пресування прийнята рівною двом рядам філь’єр у зв'язку з конструктивним перекриттям одного ряду іншим.

Силу пресування F також розраховують з експериментальних діаграм розподілу нормальних і дотичних напружень на контактній поверхні матриці при пресуванні (рис. 1.19). З діаграми випливає, що зміна нормальних напруг у залежності від повороту матриці при пресуванні може бути представлено експонентною функцією виду:

σ = σ_мах е^(-γφ) (1.45)

де σ_мах - максимальна нормальна напруга в зоні видавлювання гранул, Па,

φ - кут повороту матриці,

γ - експериментальна постійна.

Теоретичну потужність головного електропривода преса-гранулятора з кільцевою матрицею визначають по відомій формулі

N = 2 Z_pF_k/102ηg , (1.46)

де W - кутова швидкість матриці,

η - КПД електропривода,

g - прискорення сили тяжіння.

Рис. 1.19. Діаграма розподілу нормальних напруг на контактній поверхні матриці при гранулюванні.

Контрольні запитання

1. Загальна характеристика процесу гранулювання?

2. Паливна гранула?

3. Порівняльна характеристика властивостей різних видів палива?

4. Технологія виробництва паливних гранул? Технологічна схема.

5. Крупнофракційне (грубе) дроблення? Обладнання для дроблення?

6. Сушка? Обладнання для сушіння при виробництві паливних гранул?

7. Мілкофракційне дроблення та водопідготовка?

8. Процес пресування при виробництві паливних гранул?

9. Шнекові гранулятори? Принцип дії та опис роботи?

10. Гранулятори з вертикальним розміщенням осей пресуючих валків? Принцип дії та опис роботи?

11. Гранулятори з горизонтальним розміщенням осей пресуючих валків? Принцип дії та опис роботи?

12. Брикетування. Принцип роботи брикетера.

13. Методика розрахунку прес-гранулятора.