книги из ГПНТБ / Бурсиан В.Р. Пневматический транспорт на предприятиях пищевой промышленности

где: Qg —секундный объемный расход воздуха, входящий в воздуходувку, в м2/сек;

%Др—сумма всех потерь давления в установке в кг/м2-, т] вр — к. п. д. воздуходувной машины.

2. Движение по трубам смеси воздуха с материалом

При движении по трубам смеси воздуха с материалом основ­ ные приведенные выше закономерности остаются в силе, но по­ тери энергии потока, а следовательно, потери давления уве­ личиваются в связи с необходимостью сообщать частицам ма­ териала ускорения, компенсировать затраты энергии на подъем частиц, на трение частиц о стенки труб и т. п. Характер движе­ ния частиц материала в потоке воздуха зависит оттого, происхо­ дит ли это движение в вертикальном или горизонтальном тру­

бопроводе и движется ли отдельная частица материала или мас­ са их.

В связи с этим при рассмотрении явлений, возникающих при

движении по трубам смеси воздуха с материалом, приходится учитывать новый параметр, характеризующий соотношение ко­ личества воздуха и материала в смеси, движущейся по трубам. Этот параметр называется коэффициентом концентрации смеси

Gs — секундный весовой расход воздуха в кг/сек.

а) Скорости воздуха и материала

Наблюдая за движением единичного тела, зерна или частицы в прозрачной вертикальной трубе, можно заметить, что в зави­

симости от скорости воздуха в трубе частица опускается, под­ нимается или находится в относительном равновесии, колеблясь около какого-то среднего положения. Скорость воздуха, при ко­ торой частица данного однородного по составу материала на­ ходится в этом последнем положении, называется скоростью ви­ тания данного материала. Она является его основной аэродина­

мической характеристикой. Результаты экспериментальных опре­ делений скорости витания различных материалов пищевой про­ мышленности, проведенных многочисленными исследователями,

сопоставлены в таблице III—1.

Теоретически скорость витания может быть определена толь­ ко для отдельных частиц шаровой формы из следующих сообра­ жений. Частица в вертикальной трубе находится под действием

двух противоположно направленных сил: силы тяжести, нап­ равленной вниз, и силы лобового давления воздуха, направлен­ ной вверх. Сила тяжести для шара диаметром d из материала с

удельным весом ум определяется по такой формуле:

О

Лобовое давление воздуха на частицы состоит из непосредст­ венного давления струи воздуха на частицу, из реакции силы трения струи воздуха о поверхность частицы и подъемной силы,

возникающей вследствие получающегося разрежения за части­ цей при срыве с ее верхней поверхности вихрей. Это лобовое

давление определяется по такой формуле:

шара, очевидно, г0= —— ;

(ув— vM)—относительная скорость воздуха относительно ча­

стицы;

vM —скорость материала, которая считается положи­ тельной при движении частицы вверх и отрица­ тельной при движении частицы вниз; при равнове­ сии частицы в струе воздуха с'.к=0; в этом случае скорость воздуха ve называется скоростью вита­ ния veum-,

(П-15) вставлять вместо d так называемый эквивалентный диа­ метр тела d3KS, который определяется по такой формуле:

20

где: V — объем частицы в л3;

G —вес частицы в кг;

Ум —удельный вес материала частицы в кг!мъ.

Как установлено опытом, скорость витания, определенная по этой формуле при любой форме частицы, не будет меньше дей­

ствительной. Таким образом, для обеспечения движения единич­ ной частицы в потоке воздуха в вертикальной прямой трубе средняя расчетная скорость воздуха должна быть больше скоро­ сти витания иеит, а действительная скорость частицы vубудет близка такогй разности:

vm = Увит- (Н 17)

При перемещении в вертикальной трубе не единичной час­ тицы, а массы, как это имеет место в реальных установках пнев­

матического транспорта, в потоке воздуха будет двигаться большое количество частиц разных размеров и веса, имеющих, следовательно, различную скорость витания и различную ско­ рость в потоке. При этом отдельные частицы между собой будут сталкиваться, и поэтому визуальное определение скоро­

сти витания материала, состоящего из отдельных фракций, прак­ тически невозможно. Тем более затруднено ее теоретическое

определение.

Для определения аэродинамической характеристики смеси

прибегают к методу воздушной классификации. Для этого при медленном возрастании скорости воздуха в вертикальной трубе наблюдают, при какой скорости воздуха, какая фракция выно­

сится из трубы воздушным потоком. Для определения необхо­ димой минимальной скорости воздуха для перемещения такой смеси достаточно знать скорость, при которой выносятся части­ цы наиболее тяжелой фракции.

При движении единичной частицы в горизонтальных трубо­ проводах лобовое давление воздуха направлено не прямо, а под прямым углом к направлению силы тяжести, и, естественно, что

частицы будут стремиться опуститься на дно трубы, и в нижней части трубы частиц всегда больше, чем в верхней части.

Но частица, опустившись на дно горизонтальной трубы, бу­ дет омываться сверху воздухом, движущимся с большей скоро­ стью, чем снизу (рис. 6), где скорость воздуха может считаться

равной нулю. Вследствие этого, согласно законам аэродинамики,

возникает поперечная подъемная сила, которая может преодо­ леть силу тяжести и поднять частицу в сферу больших осевых скоростей, где она под действием давления воздуха будет пере­ мещаться в осевом направлении. Подъем частиц со дна трубы будет вызываться также вихревыми движениями воздуха, неизбежно возникающими при соприкосновении потока воздуха с неподвижными частицами на дне. Кроме того, движение час­

тиц к центру трубы будет вызываться поперечными потоками

21

воздуха с циркуляционными скоростями турбулентного воздуш­

ного потока.

Таким образом, в горизонтальных трубах пневмотранспортных установок единичные частицы движутся по разным, доволь­

но сложным траекториям. При малых скоростях воздуха они пе­ рекатываются по дну, при очень больших—перемещаются по взвешенном состоянии параллельно оси потока, при средних — могут перемещаться скачкообразно.

Рис. 6. Возникновение подъема частиц в горизонтальной трубе.

При движении смеси, как видно из визуальных наблюдений,

подтвержденных скоростной киносъемкой, при малых скоростях воздуха наибольшая часть частиц движется сплошной массой в нижней части трубы. Только небольшое количество частиц дви­

жется свободно в струе воздуха во взвешенном состоянии. По мере увеличения средней скорости и соответственно составляю­

щих циркуляционных скоростей все большее количество частиц

переходит во взвешенное состояние, и при определенной скоро­ сти, которую некоторые авторы предлагают назвать скоростью витания в горизонтальных трубах, вся масса частиц может отор­ ваться от дна. Эта скорость витания значительно больше ско­ рости витания для вертикальных труб. Следует, однако, заме­ тить, что движение материала в горизонтальных трубах возмож­ но и при меньших скоростях воздуха, чем эта скорость витания,

однако при этом материал осаждается на дно трубы.. В на­

чальной стадии образования отложений (из-за снижения скоро­ сти воздуха или увеличения поступления материала в пневмо­ провод) они уменьшают свободное сечение для прохода воздуха и этим увеличивают его скорость в данном сечении. Отложе­ ния начинают перемещаться по направлению движения смеси и иногда полностью исчезают. Однако, дальнейшее уменьшение средней скорости воздуха или увеличение подачи материала увеличивают объем отложений и сопротивление движению уве­ личивается. Вследствие уменьшения сечения при достижении скоростью или концентрацией смеси некоторых критическихзна­

чений, отложения закупоривают трубопровод и получается так

называемый завал. Критическая скорость завала, ниже которой устойчивой работы быть уже не может, по нашим наблюдениям, меньше для грубых зернистых материалов и выше для порошко­ образных и тонкодисперсных материалов; очевидно, это объяс­

22

няется тем, что вследствие молекулярных сил сцепления частиц тонкодисперсных материалов раньше получаются отложения и они имеют более устойчивый характер.

Критические значения скорости воздуха (о3) и концентрации (Р3) связаны между собой и с величиной диаметра трубопрово­

да (d) [23] для определенного материала такой зависимостью:

t/ dg — const,

v3

т. e. завал трубопровода может наступить тем раньше, чем мень­

ше скорость воздуха или чем больше концентрация смеси и диа­ метр трубопровода при сохранении постоянства остальных двух факторов.

В большинстве литературных источников указывается, что в горизонтальных трубопроводах пневматических установок ско­

рость движения материала при установившемся движении стре­ мится к пределу:

Um vM = ve.

Однако опыты некоторых исследователей и, в частности, ско­ ростная киносъемка движения материала (зерна) в горизонталь­ ных трубах в лаборатории МТИППа указывают на то, что эта скорость составляет обычно не больше. 0,75—0,80 от средней скорости воздуха. В горизонтальной трубе при движении массы частиц отдельные частицы имеют различные и непостоянные ско­ рости. Поэтому до настоящего времени не удалось установить среднюю скорость массы частиц, которую можно было бы поло­ жить в основу при разработке теории пневматического транс­ порта.

Все до сих пор сказанное о структуре потока и о скоростях

воздуха и материала в вертикальных и горизонтальных трубах относится к условиям установившегося движения смеси, т. е. к условиям постоянства удельного расхода энергии воздуха на участке. Однако на ряде участков сети пневматических устано­ вок эти условия не имеют места. К таким участкам относится,

например, так называемый участок разгона. На этом участке,

начинающемся около места забора материала, скорость его дол­ жна возрасти от нуля до скорости установившегося движения,

т. е. должна быть затрачена энергия воздушной струи на преодо­ ление инерции материала. В то же время на этом участке обра­ зуется структура потока.

Дополнительные затраты энергии и изменения структуры по­ тока имеют место при всех изменениях скорости потока по вели­ чине и направлению, т. е. при изменении диаметра трубопровода,

при проходе через различные местные сопротивления и особенно в криволинейных участках трубопровода — в отводах и коленах.

При входе смеси в такой участок на частицы воздуха и материа-

23

ла начинает действовать различной величины центробежная си-

жимает частицы материала из струи воздуха к наружной стенке отвода. При этом увеличивается трение материала о стенку и замедляется его движение. Это явление тем интенсивнее прояв­ ляется, чем больше скорость воздуха, с которой смесь входит з

отвод, и чем меньше радиус закругления отвода. В горизонталь­ ном трубопроводе скорость материала больше, чем в вертикаль­ ном; поэтому затрата энергии воздуха на поддержание движе­ ния смеси в отводе с горизонтального направления на вертикаль­ ное больше, чем в отводе с вертикального направления на гори­ зонтальное. Затрата энергии при восстановлении структуры по­ тока в вертикальной трубе после отвода с горизонтального на­

правления на вертикальное тоже должна быть больше, так как прибавляется затрата энергии на подъем материала. В таких отводах чаще всего образуются завалы. Поэтому рекомендуется по возможности избегать отводы; если же они необходимы, то

направления на вертикальное.

Приведенные соображения о структуре потока на отдельных участках сети должны учитываться при общей компоновке пнев­ матических установок, а также при выборе расчетной скорости воздуха. Так как в формулу для падения давления скорость вхо­

дит во второй степени, то не следует завышать расчетные скоро­ сти. Наименьшие скорости можно назначать для установок, ко­

торые имеют только вертикальные участки, при транспортирова­ нии зерновых и других легко сыпучих материалов. Они могут быть в 1,3—1,7 раза больше скорости витания. Для установок с горизонтальными участками большой протяженности и особен­ но с большим количеством отводов и других местных сопротив­ лений расчетная скорость должна быть в 2,5—3 раза больше скорости витания.

Высокие расчетные скорости (ив > 5 — 10ueum) приходится назначать для сложных трасс трубопроводов при транспортиро­ вании порошкообразных материалов с большим удельным весом

и склонных к комкованию и слеживанию.

б) Концентрация смеси

Весьма важным параметром пневматического транспорта яв­ ляется соотношение количества материала и воздуха в смеси, определяемое обычно коэффициентом весовой концентрации

смеси

ц — кг кг. о»

24

Для определения содержания пыли в воздухе часто пользу­

характеризующей содержание твердого вещества в единице объ­ ема воздуха.

Для более ясного представления о структуре потока смеси в трубопроводе иногда оперируют с коэффициентом концентрации,

характеризующим отношение объема материала к объему возду­ ха в трубе или решетку, создаваемую материалом для прохода воздуха по трубе,

Все приведенные коэффициенты концентрации являются, од­ нако, только средними величинами и не дают действительной картины распределения материала в различных сечениях воз­ душного потока.

Фактически, как указано выше, в различных точках трассы скорости частиц материала более или менее значительно отли­ чаются от скорости воздуха. Так, например, на участках разго­

на концентрация смеси имеет максимальное значение, а по мере достижения материалом скорости установившегося движения концентрация падает. Эта же картина имеет место после мест­ ных сопротивлений, в частности, после отводов, когда скорость материала падает ниже установившейся. Действительную кон­ центрацию для отдельных сечений можно определить по такой

формуле:

Однако до настоящего времени еще не найдено надежного метода для определения скорости материала vmb различных се­ чениях; поэтому нельзя определить действительную концентра­ цию.

При назначении коэффициента концентрации для конкретной пневматической установки необходимо учитывать, предназначе­ на ли установка только для транспортирования или она должна

попутно выполнять технологические функции. В первом случае приходится учитывать, что с увеличением концентрации умень­ шается расход воздуха и, следовательно, удельный расход элек­ троэнергии. Желательно, чтобы расход воздуха и падение давле­ ния в сети при выбранной концентрации соответствовали бы оптимальному режиму выбранной воздуходувной машины. Пре­ делом увеличения концентрации является значение ее, вызываю­ щее завал трубопровода.

25

В установках небольшой производительности увеличение кон­ центрации ведет к слишком малым диаметрам трубопроводов, которые в обычных пневмотрэкспортных установках не должны

быть меньше 50—60 мм.

В случае использования установок для технологических це­ лей необходимо учитывать, что увеличение концентрации может привести к повреждению продукта, вследствие ударов частиц друг о друга (табак, чай). Иногда? установка должна обеспечить

достаточно интенсивное и продолжительное взаимодействие воз­ духа с продуктом во время транспортировки для его охлажде­ ния, нагрева или сушки. В этих случаях необходимая скорость воздуха или концентрация также не должны быть большими. В ответственных случаях эти параметры определяются тепловым расчетом. Поэтому концентрации, так же как другие параметры, приведенные в табл. II—1, являются ориентировочными и могут быть использованы только для предварительных расчетов.

Таблица II—1

Ориентировочные пределы параметров для различных групп материалов

Примечания: 1. Верхний ряд цифр для всасывающих установок низ­ кого и среднего вакуума, нижний — для установок высокого вакуума.

2. Нижние пределы скорости и коэффициента сопротивления для легко сыпучих материалов, верхние пределы для менее сыпучих и склонных к сле­ живанию и комкованию.

в) Потери давления при движении смеси

Потери давления на трение, смеси в трубах при установив­ шемся движении принято по предложению Гастерштадта [2] ис­ числять как потери при движении чистого воздуха, умноженные на коэффициент

26

где: X, I и d — имеют те же значения, что в формулах для чи­

стого воздуха;

------- динамическое давление в кг/м?-, ?g

ц— средняя весовая концентрация в кг/кг; tga(/<)— коэффициент, учитывающий увеличение потерь

давления при движении материала по сравнению с потерями давления при движении чистого воз­

духа.

Значение коэффициента tgu.(K) для прямолинейных трубо-' проводов зависит от ряда факторов; из них главным является

скорость воздуха. Чем выше скорость, тем меньше tga, так как при увеличении скорости воздуха все большее количество частиц втягивается в ядро потока и тем меньшее их количество сопри­ касается со стенками трубопроводов. На значение tga влияет

диаметр трубы; это, видимо, также объясняется тем, что при больших диаметрах увеличивается путь частиц от стенок к цент­ ру и требуется большая затрата энергии воздушного потока для сосредоточения его. Наконец, значительное влияние на величи­ ну tga имеет род транспортируемого продукта, вернее вес, фор­

ма, парусность и другие свойства частиц материала.

Исследования, проведенные в МТИППе по движению продук­

тов помола в горизонтальных трубопроводах диаметром 50 и 94 мм при установившемся движении потока [32], позволили вы­ явить для продуктов переработки зерна такую зависимость:

где: АгОр —коэффициент, зависящий от рода и свойств продук­

d — диаметр трубопровода в мм; v — скорость воздуха в м/сек.

Во ВНИИЗе [30] были исследованы потери давления в верти­ кальных трубопроводах до осуществления этих работ в МТИППе. ВНИИЗом получена аналогичная зависимость:

для грубых продуктов

Успенский [19] нашел, что при перемещении золы этот коэф­ фициент пропорционален й0-8,

27

Как первые исследования Гастерштадта [2], так и многие дру­

гие, включая исследования ВНИИЗа и МТИППа, показали, что коэффициент tga от концентрации ц не зависит.

Приведенные выше зависимости подтверждаются практикой назначения tga при расчете установок пневматического транс­

порта для транспортирования различных материалов. Так, на­

пример, при расчете установок для легких материалов (для хлопка, древесных стружек и т. п.) принимают малые концент­

рации и соответственно невысокие скорости при диаметрах труб 300—400 мм; для этих же установок значения tga принимают: для хлопка [19] tga > 2, для древесных стружек [19] tga= 1,4; это примерно соответствует выведенным выше зависимостям.

Наоборот, установки для транспортирования зерна проекти­ руются с трубами диаметром 100—150 мм и со скоростями 25— 30 м/сек. Соответственно tga принимается в пределах 0,25-7-0.4

[9].

Таким образом, эти зависимости могут быть использованы для ориентировочного назначения tga при расчетах пневматиче­ ских установок для разных материалов и при обычных значе­ ниях прочих параметров (см. табл. II—'1).

Для ответственных расчетов установок большой производи­ тельности при отсутствии точных данных для tga их нужно опре­ делять предварительно на экспериментальных установках. Такие установки имеются в МТИППе, ОТИ и других вузах, а также в отраслевых научно-исследовательских институтах.

Падение давления в большинстве местных сопротивлений при

движении смеси можно определять по такой формуле:

(п-26)

где ^рмчвСопр—падение давления в местном сопротивлении при

поскольку для отводов различной конфигурации эти потери мо­ гут достигнуть большой величины. Исследования, проведенные в МТИППе [32], позволили разделить потери давления в отво­ дах на две составляющие:

где: Ьроте — полное падение давления в отводах;

ДДз — падение давления непосредственно в закруглении; Ьрразг—падение давления при восстановлении скорости

материала в прямолинейном участке, следующем за отводом.

28