ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 6, с. 630-633
УДК 621.867.8
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКОСКОРОСТНОГО ПНЕВМОТРАНСПОРТА
© 2007 г. В. А. Смоловик, А. Т. Росляк
Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета roslakat@ngf.tomsk.ru Поступила в редакцию 10.04.2006 г.
На основании анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных при низкоскоростном пневматическом транспортировании тонкодисперсных материалов, определены основные их свойства, оказывающие существенное влияние на транспортабельность и эффективность пневмотранспорта. Проведен анализ влияния стандартного коэффициента внутреннего трения материала на стабильное транспортирование при различной загруженности и длине трубопровода. Для анализа использована кинематическая вязкость, учитывающая совместное влияние на эффективность низкоскоростного пневмотранспорта динамической вязкости и плотности насыпного слоя.
Строгое теоретическое решение задач, связанных с движением двухкомпонентных потоков, включая пневматический транспорт, представляет собой сложную и в общей постановке до сих пор нерешенную проблему. Это связано со сложным и весьма разнообразным взаимодействием перемещающихся частиц между собой и со стенкой трубопровода, т.е. формированием внутренних напряжений в потоке.
Существующие теоретические разработки, с помощью которых созданы методы расчета, касаются некоторых предельных случаев: пневмотранспорта крупных частиц при низкой их концентрации в потоке и малой вероятности столкновения друг с другом, но с ударным взаимодействием со стенкой трубы; перемещение мелких (пылевых) частиц в турбулентном потоке, когда возможно их увлечение в пульсационное движение при сравнительно равномерном распределении концентрации твердой составляющей смеси по поперечному сечению трубы [1]. В случае транспортирования сыпучих материалов высокой концентрации предполагается их движение за счет сопротивления при относительном движении с несущей средой. Учитывается также сопротивление при взаимодействии со стенкой трубы. При этом предполагается, что составляющие сопротивления могут быть определены опытным путем. На такой основе устанавливаются интегральные условия сохранения непрерывности, импульса и энергии в замкнутой форме относительно неизвестных параметров потока. Вместе с тем, появляются трудности перехода к дифференциальной форме уравнений из-за внезапности изменения плотности на поверхности раздела твердых частиц и несущей среды, изменения вектора скорости и
энергетических характеристик. Условия непрерывности полей параметров потока устанавливаются допущениями о возможности их усреднения в пределах некоторого малого, но конечного объема компонентов рассматриваемой смеси, что условно обеспечивает непрерывность функций усредненных параметров. Правомерность известных способов усреднения тем выше, чем больше поперечное сечение канала и чем меньше размер твердых частиц [2]. Весьма сложным является установление закономерностей, определяющих внутренние напряжения потока, связанные с взаимодействием частиц между собой, с несущим потоком и со стенками канала [3]. Обычно эту проблему решают опытным путем.
Созданные на такой теоретической базе установки пневматического транспорта материала во взвешенном состоянии действуют практически во всех отраслях промышленности, где используют или перерабатывают сыпучие материалы. Очевидными недостатками этого вида пневмотранспорта являются высокая энергоемкость установок, отсутствие условий для бережного транспорта без разрушения или истирания продукта, быстрая изнашиваемость элементов установок при транспортировании абразивных материалов. Кроме того, при нарушении регламента работы установки происходит образование плотных "пробок" с закупоркой трубопровода, т.к. для преодоления высокого сопротивления требуется более высокое давление, на которое не рассчитано используемое оборудование.
Были проведены широкие теоретические и экспериментальные исследования по осуществлению высоконапорного поршневого пневмотранспорта, особенностью которого является дозирован-
ная периодическая подача в трубопровод сыпучего материала, поддержание необходимых начальных параметров потока, при которых энергетические затраты сжатого воздуха соответствуют затратам энергии на сопротивление трения, преодоление гравитационных и инерционных сил [4]. Довольно плотная укладка каждой порции материала обеспечивается поддержанием необходимого перепада давления. Такой вид транспорта реализован на предприятиях, где перемещаемый материал пожаро- и взрывобезопасен или имеет весьма высокую плотность (оксид урана и т.п.). Опыт эксплуатации экспериментальных и опытно-промышленных установок поршневого пневмотранспорта показывает, что для большинства материалов он связан с неоправданно высокими энергетическими затратами, хотя и имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным транспортом материала во взвешенном состоянии.
Дальнейшие исследования пневмотранспорта с порционной подачей в трубопровод порошковых, мелкозернистых и гранулированных материалов показали, что поддержание устойчивых режимов их транспортирования при высокой концентрации возможно и при более низких давлении и расходе воздуха, чем при транспортировании, материалов невысокой концентрации. Коэффициент полезного действия работы установок при этом возрастает, улучшаются условия пылеулавливания в конце транспортной магистрали. На экспериментальной установке, позволяющей проводить опыты с различной длиной (до 240 м) и пространственным расположением при наличии прозрачных участков [5], выявлено, что вдоль трубопровода одновременно возникают различные структуры перемещаемого материала: поршни, волны (дюны) и слоистое течение. Визуальные наблюдения и киносъемка показывают, что верхние слои этих элементов в горизонтальном трубопроводе имеют скорость выше, чем нижние. В связи с таким сдвиговым характером движения структура потока переменна как в пространстве, так и во времени. Очевидно, что принять определенную математическую модель такого потока не представляется возможным. Однако наблюдаемая картина движения позволяет провести аналогию с вязким течением и использовать уравнения гидродинамики, а также критерии подобия, характеризующие вязкое сопротивление трения. Как и для ламинарного одномерного течения вязкой жидкости вводится понятие "вязкости" материала [5].
Поскольку концентрация движущихся по трубопроводу структурных элементов близка к насыпной, то основные исходные характеристики материала плотность рр, коэффициент внутреннего трения / и динамическая вязкость цр определяют для образцов данного материала в насыпи. Сопротивление образца сдвигу определяют три-бометром [6], причем, в случае работы прибора в
режиме "слой по слою" при различных нормальных напряжениях а находят соответствующее им касательное напряжение сдвигу т. В общем случае зависимость т = Ф(а) представляет кривую, касательная к которой, исходящая от величины начального сопротивления сдвига, образует с осью абсцисс угол, тангенс последнего в соответствии с принятой терминологией [6] назван углом внутреннего трения / данного сыпучего материала. В механике сыпучих материалов эта величина табулируется под названием коэффициента внутреннего трения и используется как физическая константа. Однако следует иметь ввиду, что численное значение / данного материала зависит от его гранулометрического состава и влажности. Так, опыты по пневмотранспорту хлористого калия показали, что после многократного его использования значительно изменяются параметры транспортирования, т.к. происходит измельчение частиц материала с увеличением f. В связи с этим для сыпучих материалов, используемых на конкретном производстве, и которые предполагается перемещать по пневматическим линиям с низкой скоростью, рекомендуется предварительно определить насыпную плотность и коэффициент внутреннего трения.
При проектировании и эксплуатации установок низкоскоростного пневмотранспорта решаются два важных вопроса: надежность и эффективность. Надежность работы установки связана со стабильными режимами движения сыпучих материалов без закупоривания трубопровода. Для достижения этой цели используют различные технические решения формирования и поддержания желаемой структуры потока в начале трубопровода и при движении. Технические решения этой задачи хорошо известны, но выбор наиболее целесообразного с учетом свойств материала вызывает затруднения.
Для определения влияния коэффициента внутреннего трения материала / на стабильность транспортирования по горизонтальному трубопроводу длиной 22 м и диаметром 50 мм без использования каких-либо аэрирующих устройств были проведены опыты с различными порошковыми материалами в пределах изменения / от 0.4 до 0.7. Возможное стабильное транспортирование определяется некоторой загруженностью трубопровода материалом. Причем, предельный случай загрузки может быть осуществлен при наполнении трубопровода по всей его длине сыпучим материалом с истинной объемной концентрацией ер. Стабильный транспорт возможен при некоторой средней концентрации г., т.е. загруженности % = г./гр. Усредненные значения %(/) по длине опытного трубопровода представлены на рис. 1, где кривые имеют вид степенных функций X = аЬЬ при Ь ~ -0.4. Из этой графической зависимости видно, что для стабильного транспортиро-
632
СМОЛОВИК, РОСЛЯК
X 1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
П 1.0
10
15
20
25 Ь, м
п
= оье
Рис. 1. Оптимальная загруженность трубопровода при транспортировании материалов с различными ^ 1 - 0.4, 2 - 0.5, 3 - 0.6, 4 - 0.7.
вания на заданную длину с возрастанием внутреннего трения уменьшается возможная загруженность трубопровода.
Представленная зависимость показывает также, что при непрерывной подаче в трубопровод материала с концентрацией, близкой к насыпному слою, сохранение сплошного потока без образования расслоений и размываний принадлежит в большей степени материалам с меньшим внутренним трением. Такой неожиданный факт, веро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.