22 | 11 | 2017
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Расчетный анализ внутренней аэродинамики пневмосепарирующей машины.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 Голос)

Послеуборочная сепарация зерна является одним из важных этапов технологического процесса зернового производства [1]. Сепарация включает в себя удаление из зерна посторонних примесей и калибровку или разделение зерна на фракции по размеру и плотности. Традиционно задачи сепарации решаются аэромеханическими и вибромеханическими способами: воздушной продувкой зернового вороха, перемещающегося на вибрирующих решетах. Технологические линии сепарации зерна включают в себя, как правило, несколько машин, выполняющих различные стадии очистки и калибровки [2, 3].

Перспективными представляются безрешетные устройства сепарации как обладающие большей производительностью, легкостью обслуживания, низкими металлоемкостью и энергоемкостью. Некоторые из таких устройств претендуют на комплексное выполнение задач сепарации, то есть замену нескольких традиционных машин одной безрешетной машиной [4, 5].

Цель настоящей статьи – выполнить расчетные оценки показателя качества сепарации комплексной аэромеханической безрешетной сепарирующей машины и рассмотреть способы повышения эффективности процесса сепарации в потоке воздуха. Прототипом проточной части сепарирующей машины выбрана проточная часть машины «АЛМАЗ» [6]. Именно эта машина по заявленным характеристикам осуществляет одновременное удаление примесей и разделение зерна на фракции, благодаря различному горизонтальному смещению частиц свободно падающего вороха зерна в горизонтальном сносящем потоке воздуха (см. рис.1).

Схема работы сепарирующей машины

Рис.1. Схема работы сепарирующей машины «АЛМАЗ» [5].

Качество сепарации аэромеханической машины определяется различием величины горизонтального смещения или сноса различных фракций зернового вороха при движении в сносящем потоке воздуха. Для количественной оценки величины горизонтального смещения зерен используем модель динамического равновесия частицы сферической формы в поле силы гравитации и динамического напора сносящего потока воздуха:

; (1)

, (2)

где h – высота падения, м; l – величина горизонтального смещения, м; t – время падения, с; Wx, Wy – горизонтальная и вертикальная составляющие скорости движения частицы, м/с; Wxо, Wyо – горизонтальная, направленная против движения сносящего потока, и вертикальная составляющие скорости движения частицы в начальный момент времени, м/с; Wcx, Wcy - горизонтальная и вертикальная составляющие скорости сносящего потока, м/с; k=(Cx· ρ ·S)/(2·m), ρ – плотность воздуха, кг/м3; Cx – коэффициент аэродинамического сопротивления частицы; m – масса частицы, кг; S – площадь поперечного сечения сферической частицы, м2.

При постоянстве во времени скорости сносящего потока и величины коэффициента аэродинамического сопротивления решением уравнений (1) и (2) будут выражения:

; (3)

. (4)

Вычисленные по (3) и (4) высота h и длина l позволяют строить траектории движения сферических частиц во времени. Решение уравнения (3) относительно t определяет время падения частицы для заданной высоты h:

,где . (5)

Подстановка (5) в (4) дает возможность вычислять величину горизонтального смещения l для заданного значения высоты h падения частиц различной плотности, размера и значений скорости движения.

Для определения численных значений величины l зададимся диапазонами физических величин, входящих в выражения (4), (5) и характерных для устройства-прототипа:

- высота падения h: 800 – 1000мм;

- скорость сносящего потока Wc: 5 – 15м/с;

- диаметр сферической частицы : 2 – 5мм;

- плотность частицы ρч: 600 – 1400кг/м3.

Давление в потоке воздуха примем равным атмосферному. Для свободно падающих частиц примем, что их движение можно описывать как движение частицы, обтекаемой бесконечным потоком воздуха. Значение коэффициента аэродинамического сопротивления для обтекания бесконечным потоком, выбранных диапазонов скорости сносящего потока и диаметра частиц в соответствии с данными [6] примем равным Cx = 0,4.

На рис.2 приведена зависимость горизонтального смещения свободно падающих с высоты 800мм частиц в горизонтальном сносящем потоке от плотности и диаметра частицы (коэффициент k). Для выбранного диапазона параметров частиц k изменяется в пределах 0,053 – 0,306.

Маркерами на рис.2 выделены значения для частиц радиусом 2мм и плотностью 1120кг/м3, 1220кг/м3 и 1320кг/м3. Такие параметры частиц характерны, например, для зерна пшеницы, сепарируемой по плотности. Как следует из графика, разница горизонтального смещения указанных фракций не превышает 100мм при скорости сносящего потока Wcx=15м/с. Учитывая, что в процессе работы сепарирующей машины скорость сносящего потока может незначительно изменяться, практически осуществить отбор каждой отдельной фракции на длине 100мм представляется затруднительным.

Увеличить разницу горизонтального смещения различных фракций сепарируемого потока частиц позволяет увеличение времени пребывания частицы в сносящем потоке (см. выражение (4)). К увеличению времени t (см. выражение (5)), приводит наличие вертикальной составляющей Wcy сносящего потока и начальной скорости Wyo движения частицы в вертикальном направлении, направленными против действия силы тяжести. На рис.3 приведена зависимость времени падения частиц (данные и обозначения соответствуют рис.2). Выражение (5) и график на рис.3 демонстрируют нелинейную зависимость времени от Wcy сносящего потока. К существенному (более 10%) увеличению времени падения частицы приводит вертикальная составляющая Wcy>4м/с. Указанная нелинейность обуславливает нелинейный характер изменения величины горизонтального смещения, и, как следствие, нелинейный характер изменения разницы горизонтального смещения различных фракций.

Рис.2. Рис.3.

Увеличение времени падения частицы приводит к росту абсолютной величины горизонтального смещения, то есть к увеличению длины проточной части сепарирующей машины. Сократить длину позволяет наличие начальной скорости частицы Wxo, то есть частица должна быть вброшена навстречу сносящему потоку воздуха. На рис.4 представлены траектории движения частиц (обозначения на рис.2) при Wcx=10м/с, Wcy=8м/с, Wyo=1м/с (Wxo=0м/с – рис.4а, Wxo=4м/с – рис.4б). Наличие вертикальных скоростей увеличило разброс фракций до 300мм, а вбрасывание частиц против потока (рис.4б) уменьшило длину проточной части в 2раза.

a) б)

Рис.4.

Рис.5 представляет зависимость разницы горизонтального смещения различных фракций dl от скоростей Wcy и Wxo при Wcx=10м/с, Wyo=0м/с (на рисунке буквами обозначены разности фракций: а - 1120 и 1220 кг/м3, б – 1220 и 1320 кг/м3). Из графика рис.5 следует, что при отсутствии вертикальной составляющей сносящего потока Wcy увеличение скорости Wxo встречного вбрасывания частиц в сносящий поток приводит к росту разницы горизонтального смещения dl, с ростом Wcy влияние Wxo на dl падает. График демонстрирует также нелинейность влияния Wcy на величину dl: при Wcy=5м/с разница горизонтального смещения фракций растет в среднем в 2 раза, а при Wcy=8м/с – в 5 раз.

Таким образом, вертикальная составляющая скорости сносящего потока Wcy>5м/с, а также вбрасывание частиц в сносящий поток с вертикальной и горизонтальными составляющими, направленными вверх и против горизонтальной составляющей сносящего потока соответственно, позволяют существенно (до 5 раз) увеличить разницу горизонтального смещения сепарируемых фракций при длине проточной части, не превышающей 800-1000мм (высота проточной части 800мм).

Рис.5.

Недостатком модели (1) – (2) является неучет взаимного действия всех частиц сепарируемого вороха в сносящем потоке, а также пульсационных составляющих всех скоростей. Для решения задачи сепарации вороха в турбулентном сносящем потоке нами использована конечно-элементная модель турбулентного взаимодействия в поле сил гравитации потока воздуха и вороха - потока, содержащего смесь воздуха с частицами различного размера и массы. Модель позволяет варьировать объемную долю частиц в ворохе, моделируя тем самым процесс сепарации различной массовой производительности. В качестве решателя конечно-элементной модели использована программа Fluent [7].

Конечно-элементная модель представляет собой двумерную прямоугольную сеточную область размером 800х800 мм, содержащую 160000 – 180000 четырехугольных элементов со стороной размером 2мм. В качестве частиц использованы сферические гранулы диаметром 4мм. Гранулы подавались во входное отверстие сверху массовым расходом 1,5 – 2,0кг/с. Сносящий поток поступал в расчетную область через границу слева. Для решения использована k-e турбулентная модель течения и эйлерова модель многофазного течения [7]. На рис.6 представлены результаты расчета траектории движения гранул (объемной доли фракции гранул в потоке) для случая свободного падения гранул массовым расходом 1,5 кг/с в поле горизонтального сносящего потока.

а) б)

а) – Wcx=10м/с; плотность гранул – 640кг/м3; б) – Wcx=8м/с; плотность гранул – 1320кг/м3; линиями обозначены контуры объемных долей фракции в потоке, точками – траектория, рассчитанная по модели (1) – (2).

Рис.6.

Конечно-элементная модель «строит» траекторию движения массы частиц ниже по сравнению с моделью (1) – (2), при этом данные расчетов по обеим моделям достаточно хорошо отслеживают друг друга. На рис.7 приведены результаты расчета моделей для случая падения гранул трех различных плотностей с равными объемными долями в ворохе общим расходом 1,5 кг/с. Расчет для смеси гранул не привел к существенным отличиям результатов модели (1) - (2) и конечно-элементной модели по сравнению с расчетом для гранул одной плотности.

Wcx=12м/с; плотность гранул – 1120, 1220, 1320кг/м3; линиями обозначены контуры объемных долей фракции в потоке, точками – траектории, рассчитанные по модели (1) – (2).

Рис.7.

Wcx=8м/с; Wcy=4м/с; Wxo=2м/с; плотность гранул – 1000кг/м3; линии - контуры объемных долей фракции в потоке: 1 – массовый расход гранул 2,5кг/с; 2 – массовый расход гранул 1,25кг/с; 3 – массовый расход гранул 0,15кг/с; 4 - траектория, рассчитанная по модели (1) – (2).

Рис.8.

На рис.8 приведены результаты расчета траектории движения гранул в сносящем потоке, направленном под углом 30º к линии горизонта. Поток гранул подается по горизонтали навстречу сносящему потоку воздуха. На рис.8 видно существенное отличие траекторий, рассчитанных конечно-элементной моделью и моделью (1) – (2). В случае подачи гранул навстречу сносящему потоку траекторию движения потока гранул можно разделить на две зоны: зона встречного движения – от подающего сопла до места разворота потока, и зона спутного движения – от места разворота потока до плоскости падения гранул. В зоне встречного движения гранулы обтекаются сносящим потоком в «решетке» других гранул, что приводит к изменению отрывного режима обтекания (для случая бесконечного потока) на струйный режим обтекания. Результатом изменения режима обтекания является уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления [6] и, как следствие, увеличение горизонтальной протяженности зоны встречного движения. Эффект «решетки» ослабевает при уменьшении массового расхода гранул через сопло (см. кривые 1, 2 и 3 на рис.8). В зоне спутного движения гранул из-за существенного удаления гранул в потоке друг от друга режим обтекания становится близким к обтеканию бесконечным потоком, а траектория движения гранул удовлетворительно описывается моделью (1)–(2) при Сх=0,4. Уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления в зоне встречного движения потока гранул приводит к усилению эффекта разделения фракций – разница горизонтального смещения сепарируемых фракций по результатам расчета конечно-элементной модели больше, чем по модели (1)-(2) при постоянном значении Cx. На рис.9 приведено сравнение траекторий движения гранул различной плотности, рассчитанные по конечно-элементной модели и по модели (1)-(2).

Wcx=8м/с; Wcy=4м/с; Wxo=2м/с; массовый расход гранул 1,25кг/с; 1 - плотность гранул 1100кг/м3; 2 - плотность гранул 1000кг/м3; линии - контуры объемных долей фракции в потоке; точки - траектории, рассчитанные по модели (1)–(2).

Рис.9.

Выводы.

1. Использование в процессе сепарации зернового вороха вертикальных составляющих скорости движения сносящего потока и подаваемого вороха, а также подача вороха навстречу сносящему потоку позволяют существенно увеличить разницу горизонтального смещения частиц вороха различной плотности и размеров, а также уменьшить габаритные размеры проточной части сепарирующей машины. Эти изменения позволят упростить конструкцию проточной части и повысить качество сепарации в условиях непостоянства скорости сносящего потока.

2. Для решения задач эскизного проектирования проточной части и выбора диапазонов режимных параметров сепарирующей машины для различных видов зерна возможно применение модели (1) – (2).

3. Для решения задач проектирования, установления места положения приемных каналов и задания режимных параметров для сепарации конкретного вида зерна следует использовать конечно-элементную модель.

Литература

1. Карпенко А. Н., Халанский В. М. Сельскохозяйственные машины. М: Колос, -1983. 495с.

2. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. Под ред. А. В.Красниченко. М: ГНТИ, 1961. 860с.

3. Электронный источник. Режим доступа: www. petkus. com.

4. Головков А. Н. Пневмосортировальные машины семейства ПСМ. // Центрально-Черноземная государственная зональная МИС. Эл. источник. Режим доступа: http://rmz. menzelinsk. ru/smi/4.html.

5. Электоронный источник. Режим доступа: http://www. agrotech-almaz. com/ production/ general. html.

6. Цаплин С. В., Романов А. Е., Болычев С. А., Давыденко С. В., Тютьмин Д. В. Гидродинамика и газовая динамика Лабораторный практикум // Самарский государственный университет, физический факультет, кафедра физики твердого тела и неравновесных систем. Межкафедральная лаборатория «Взаимодействие излучения с веществом», Издательство «Универс-групп», 2005.

7. Электронный источник. Режим доступа: http://www. fluent. com.

Завалий А. А.

 


Расчетный анализ внутренней аэродинамики пневмосепарирующей машины. - 4.0 out of 5 based on 1 vote

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить