Учебное пособие 800525

тельной лентой и снабжён куполом, имеющим форму усечённого конуса, обращённого меньшим основанием вверх, внутри резервуара установлено перемешивающее устройство, представляющее собой установленное перпендикулярно на горизонтальном валу, смещённого от центра резервуара вниз, двухлопастные мешалки, лопасти которых имеют сетчатую конструкцию трапецеидальной формы, сужающейся к оси вала, при этом размах лопастей, расположенных в центре вала, больше размаха соседних лопастей.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются наличие нового конструктивного элемента, а именно лопастных мешалок сетчатой конструкции, также обмотка резервуара нагревательной лентой.

Дополнительная обмотка резервуара нагревательной лентой позволяет ускорить процессы брожения в резервуаре, тем самым повысить производительность установки.

Существуют и другие установки получения биогаза, например, «Анаэробный реактор» разработанный обществом с ограниченной ответственностью «Центр новых энергетических технологий» (ООО «ЦНЭТ») и обществом с ограниченной ответственностью «Гильдия М» [5].

Анаэробный реактор, содержащий корпус с камерами гидролизного и метанового брожения, устройство загрузки субстрата, устройство для его перемешивания в камерах, гидравлический затвор, колонну для обогащения биогаза, разделённую перегородками на сборник биогаза и секции, заполненные иммобилизирующей засыпкой, патрубки, один из которых соединён между выходом субстрата из корпуса реактора и верхней частью колонны, другой подключён между выходом биогаза из корпуса реактора и нижней частью колонны, отличающийся тем, что дополнительно введён диафрагменный электролизер, выход которого с газом водородом подключён к нижней части колонны, выход с аналитом – к входу корпуса в гидролизную камеру, выход электролизера с католитом соединён с камерами метанового брожения, а к выходу сборника биогаза подключён гидравлический затвор, причём в качестве засыпки в секциях колонны обогащения газа использован волокнистый графитовый материал с большой развитой поверхностью.

Контролируя подачу необходимого объёма водорода в колонну, а также – аналита и католита в другие камеры реактора, обеспечивая при этом оптимальные pH и температуру субстрата в камерах, пред-

131

ставляется возможным существенно повысить объем получаемого метана и улучшить качество сброженного сырья.

Предложенное техническое решение найдёт широкое применение для использования в составе метантенков разных конструкций, с целью увеличения их производительности.

«Блочно–модульная биогазовая установка» [6], включает в себя приёмную ёмкость, насосы, загрузочный и выгрузочный трубопроводы, метантенк, трубопровод отвода биогаза, компрессор, газгольдер и газовый котёл, расположенные непосредственно в животноводческом помещении, имеющие общую магистраль для сбора биогаза и промежуточное хранилище эффлюента, отличающаяся тем, что биогазовая установка разделена на модульные блоки, содержащие дополнительное устройство очистки биогаза от влаги и имеющие общий блок управления, при этом количество модульных блоков определяется количеством животноводческих помещений в хозяйстве.

Плюсы данной установки:

–обеспечение устойчивой работы при широком диапазоне изменения температур окружающей среды;

–снижение затрат на транспорт сырья;

–снижение затрат на эксплуатацию и повышение эксплуатационной надёжности;

–создание комфортных условий для обслуживающего персонала. Таким образом предложенная блочно–модульная биогазовая

установка позволяет обеспечить устойчивую работу в зимний период года и снизить затраты на транспорт сырья, т.к. модульные блоки размещаются непосредственно в животноводческом помещении, следовательно, тепловые потери метантенка незначительны и расстояние от источника сырья до приёмного резервуара минимально. Также обеспечивается удобство в эксплуатации для рабочего персонала. При выходе из строя одного из модульных блоков, производится его ремонт, в то время как остальные продолжают свою работу.

Литература 1. Плахотина, С.Л. Аспекты внедрения биогазовых и пиролиз-

ных установок в Российской Федерации / С.Л. Плахотина, Г.Н. Мартыненко, В.И. Лукьяненко // Физико–технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды научно–

132

технической конференции молодых учёных аспирантов и студентов.

– Воронеж: ВГТУ, 2015. – С. 39–45.

2. Арбузова, Е.В. К проблеме энергетической эффективности биогазовых технологий в климатических условиях России / Е.В. Арбузова, С.Е. Щеклеин // Альтернативная энергетика и экология. –

2011. – № 7. – С. 108–110.

3.Пат. 2539100 РФ, МПК C02F3/28, C02F11/04, C12M1/107,

C12M1/00. Биогазовая установка / С.Е. Щеклеин, А.И. Попов, В.И. Велькин, Е.В. Арбузова, И.А. Бурдин, К.А. Горелый. – №

2013132095/10; заявл 10.07.2013; опубл. 10.01.2015; Бюл. № 1.

4.Пат. 2540326 РФ, МПК C02F11/04, A01C3/00. Биогазовая установка / С.С. Ямпилов, В.П. Друзьянова, Е.Н. Кобякова, А.В. Спиридонова. – № 2013159076/04; заявл 30.12.2013; опубл. 10.02.2015; Бюл. № 4.

5.Пат. 2518307 РФ, МПК C02F3/28, C12M1/00, C12M1/10,

C05F3/00, C05F3/06. Биогазовая установка / А.И. Попов, С.Е. Щеклеин, И.А. Бурдин, К.А Горелый. – № 2013106985/10; заявл 18.02.2013;

Бюл. № 16.

6. Пат. 2502684 РФ, МПК A01C 3/00, A01K 1/01, C02F 11/04.

Блочно–модульная биогазовая установка / Н.Ф. Кокарев, А.В. Садчико, В.Ю. Соколов, И.Н. Никоноров, А.Б. Идигенов. – №

2012114887/05; заявл 13.04.13; опубл. 10.06.2013; Бюл. № 36.

Воронежский государственный технический университет

133

УДК 658.26.004.18

О.В. Галицкий, студент; С.О. Набережнева, студент

ОПТИМИЗАЦИЯ РАСХОДА СЖАТОГО ВОЗДУХА ПРИ БАРБОТАЖНОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ

В ЗАКАЛОЧНЫХ БАКАХ

Аннотация: в данной статье рассмотрена проблема нерационального потребления сжатого воздуха, используемого для барботажного перемешивания жидкости в закалочных ёмкостях. Разработаны методики расчёта расхода сжатого воздуха, позволяющие сделать его использование более экономичным

Ключевые слова: оптимизация, экономия, барботаж, закалка, методика расчёта

Барботирование (от фр. barbotage — «перемешивание»), есть процесс пропускания газа через слой жидкости, что создаёт большую межфазную поверхность на границе раздела жидкость – газ, интенсифицируя тепло– и массообменные процессы. Барботаж нашёл широкое применение в таких отраслях промышленности, как химическая, металлургическая, нефтеперерабатывающая, горнорудная.

В металлургии барботирование используется в качестве метода перемешивания жидкости в закалочных баках. Этот способ обладает рядом преимуществ по сравнению с механическим перемешиванием. Отсутствие движущихся частей облегчает эксплуатацию закалочных резервуаров, не требующих частых профилактических работ. Так же отсутствие механических устройств перемешивания рабочей жидкости позволяет увеличить пространство внутри ёмкости. Снижается металлоёмкость и начальная стоимость закалочных баков в следствие отсутствия у них сложных механизмов циркуляции.

Но в то же время стоит отметить, что барботажное перемешивание обладает существенным недостатком. Сжатый воздух, который используется для создания циркуляции рабочей жидкости является довольно затратным ресурсом. При его производстве потребляется большое количество электроэнергии и воды. Большинство предприятий используют сжатый воздух без существующих нормативов и расчётов его потребления, что в свою очередь ведёт к необоснованным расходам и удорожанию конечной продукции. Поэтому, для более экономичного использования данного ресурса на

134

промышленных предприятиях необходимо разработать и внедрить нормы его потребления.

С этой целью была разработана методика определения количества сжатого воздуха, используемого при барботажном перемешивании с учётом требуемого режима закалки поковок и оптимального расхода.

Расчёт начинается с определения необходимого давления и расхода воздуха для барботирования жидкости. Оно находится по следующей формуле:

где ж – плотность жидкости, кг/м3; H – высота столба жидкости, м; g – ускорение земного притяжения м/c2; p0 – давление над

жидкостью в аппарате, Па.

Расход газа, необходимый для перемешивания определяется по уравнению:

где k 24–60 – опытный коэффициент, зависящий от интенсивности перемешивания. При слабом перемешивании k 24–30; при среднем 30–45; при интенсивном 45–60; F – площадь поверхности жидкости в аппарате перед перемешиванием, м2; p – давление воз-

духа (или газа), Па.

Таким образом, для определения необходимого давления воздуха нужно знать высоту столба перемешиваемой жидкости и её плотность, а для определения расхода – интенсивность перемешивания, площадь поверхности и давление воздуха.

Затем производится расчёт закалочных ёмкостей, установленных в кузнечном цехе. Наиболее распространёнными являются масляные баки типа ПТ–236. Они представляют собой цилиндрические металлические резервуары, установленные вертикально. Одна из ёмкостей заполнена водой, другая индустриальным маслом общего назначения марки И–40А. Непрерывная циркуляция масла обеспечивается подачей сжатого воздуха в нижнюю часть бака с помощью трубопровода диаметром 25 мм. Оба бака имеют одинаковые размеры: диаметр 3500 мм и высоту 6800 мм.

Для расчета необходимого давления и расхода воздуха на барботирование воды принимается высота столба жидкости равная 6000 мм с учетом того, что подвод воздуха осуществляется на некотором

135

расстоянии от дна и даже при наличии закаливаемых изделий уровень воды не достигает верхней кромки бака.

Площадь поверхности жидкости находится по формуле:

жидкости берется равное нормальному атмосферному давлению: p0 101325, Па.

Давление воздуха, необходимое для перемешивания воды в закалочном баке находится с помощью уравнения (1).

Расход воздуха, как уже сказано выше, определяется в зависимости от необходимой интенсивности перемешивания. Поскольку по условиям технологии возможно использование различных режимов перемешивания, рассматриваются следующие варианты:

1.Минимальных расход.

2.Средний расход при слабой интенсивности перемешивания.

3.Средний расход при среднем перемешивании.

4.Средний расход при интенсивном перемешивании.

5.Максимальный расход.

Для этих вариантов выбираются следующие значения K : 1) K 24 ; 2) K 30 ; 3) K 40 ; 4) K 50 ; 5) K 60 .

Подставляя значения K , F и P в формулу (2) определяются все варианты расхода воздуха в закалочном баке. Результаты расчёта приведены в табл. 1.

Поскольку масляный закалочный бак имеет те же размеры, отличие в расчёте будет только из–за разности плотностей масла и воды. Плотность масла принимается равной ж 800 кг/м3. Произво-

дятся аналогичные расчёты по формулам (1) и (2). В табл. 2 представлены результаты расчёта расхода воздуха в масляном закалочном баке.

136

Рис. Сравнение результатов расчёта расхода сжатого воздуха для водяного

имасляного закалочных баков:

•– расход воздуха в водяном закалочном баке, ▪ – расход воздуха

вмасляном баке.

В то же время существуют приближенные рекомендации для определения расхода воздуха на пневматическое перемешивание. В соответствии с этими рекомендациями минутный расход воздуха на 1 м2 свободной поверхности смешиваемой жидкости в аппарате можно принимать равным: при слабом перемешивании 0,4 м3; при среднем – 0,8 м3; при интенсивном – 1 м3.

Таким образом, необходимо знать площадь свободной поверхности жидкости во всех ёмкостях. Эти рекомендации не учитывают высоту столба и плотность жидкости. Однако для сравнения целесообразно выполнить и этот расчёт.

Свободная площадь жидкости F в закалочном баке находится по формуле (3). F 9,621 м2.

Затем рекомендуемый расход воздуха при слабом, среднем и интенсивном перемешивании рассчитывается следующим образом:

– при слабом перемешивании: Vсл 0, 4 60 9,621 231 м3/ч;

137

–при среднем перемешивании: Vср 0,8 60 9,621 462 м3/ч;

–при интенсивном перемешивании: Vин 1 60 9,621 577 м3/ч.

Таким образом, на перемешивание жидкости в обоих закалочных баках рекомендуется расходовать:

–при слабом перемешивании: Vсл 462 м3/ч;

–при среднем перемешивании: Vср 924 м3/ч;

–при интенсивном перемешивании: Vин 1154 м3/ч.

Проанализировав расчёты по этим двум методикам, можно сделать вывод, что расчёт по удельному расходу воздуха на единицу свободной поверхности жидкости даёт более низкие результаты. Это, по–видимому, объясняется большой глубиной рассматриваемых ёмкостей и, следовательно, относительно малой свободной поверхностью, а также значительной плотностью перемешиваемой среды (суспензии).

Таким образом, используя изложенную выше методику, можно добиться более точного выполнения технологии обработки изделий металлургических предприятий, а также уменьшить расход такого ценного ресурса, как сжатый воздух. Это в свою очередь позволит достигнуть заданного качества продукции при существенной экономии электрической энергии, воды и масла на предприятии.

Литература

1.Бенедикт, Э. Невесомость. Физические явления и биологические эффекты / Э. Бенедикт; пер. с англ. К.А. Гильзина. – М.: Мир,

1964. – 276 с.

2.Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б Варгафтик. – М.: Физматгиз, 1963. – 708 с.

3.Соколов, К.Н. Оборудование термических цехов / К.Н. Соко-

лов. – М.: Машгиз, 1957. – 420 с.

4.Мордасов, А.Г. Оптимальное использование и экономия энергоресурсов на промышленных предприятиях: учебное пособие / А.Г. Мордасов, В.Е. Добромиров, В.Г. Стогней. – Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 1997. – 240 с.

Воронежский государственный технический университет

138

УДК 66.096.5

А.Ю. Андреев, студент; С.А. Ярковой, студент; А.А. Надеев, к.т.н.

УСТАНОВКА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СУШКИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕ

Аннотация: в данной работе представлена опытная сушильная установка периодического действия с центробежным псевдоожиженным слоем, предназначенная для сушки трудновысыхающих и высоковлажных дисперсных материалов. Рассмотрена её конструкция и принцип действия. Приведены результаты первой (предварительной) серии экспериментов по сушке силикагеля. На основании проведённого анализа полученных опытных данных сделан вывод о высокой интенсивности протекающих в данной сушилке процессов тепломассообмена и подтверждена её работоспособность

Ключевые слова: сушилка, псевдоожиженный слой, силикагель, сушильный агент, экспериментальное исследование

Одним из самых энергозатратных теплотехнологических процессов является сушка твёрдых материалов, отдельным классом которых являются дисперсные (сыпучие) материалы. Они составляют значительную часть продукции химической, строительной промышленности и агропромышленного комплекса.

Для сушки дисперсных материалов наиболее часто применяют конвективные сушилки, так как газ в них может использоваться не только как сушильный агент (теплоноситель), но и как транспортирующий агент. Среди аппаратов данного типа особый интерес представляют сушилки с псевдоожиженным слоем. Они применяются для сушки зерна, хлебопекарных дрожжей, сахара, овощей, а также песка, силикагеля, полимеров и др. [1]. Реже их используют для сушки пастообразных и жидких материалов. При этом конструкция аппарата сильно зависит от объекта сушки (см., например, классификацию материалов в [1]) и диапазон его применения по данному признаку достаточно узок даже для материалов одной группы.

Сушилки с псевдоожиженным слоем разнообразны по конструкции и принципу действия, но в каждой из них происходит интенсивный тепло– и массообмен между дисперсным материалом и сушильным агентом, обусловленный большой поверхностью контакта твёрдой и газовой фаз, а также высокой теплопроводностью самого слоя [1, 2]. При этом задача интенсификации этих процессов актуальна и в настоящее время.

139

Один из перспективных способов интенсификации заключается в организации центробежного псевдоожиженного слоя, частицы которого движутся с высокой скоростью вдоль кольцевого канала аппарата. Данный способ был применён в регенеративных теплообменных аппаратах и абсорберах [3, 4].

Схема и общий вид разработанной сушильной установки с центробежным псевдоожиженным слоем представлена на рис. 1. Она представляет собой аппарат периодического действия с вертикальной подачей сушильного агента и предназначена для сушки высоковлажных и трудновысыхающих дисперсных материалов диаметром от 1 до 5 мм, не подверженных комкованию.

Рис. 1. Схема и общий вид экспериментальной сушильной установки с центробежным псевдоожиженным слоем: 1 – рабочая камера;

2 – загрузочный патрубок; 3 – разгрузочный патрубок; 4 – входной участок; 5 – выходной участок; 6 – газораспределительное устройство

140