Определение давления и расчет скорости в пневмосепарирующем канале: Методические указания по курсу ''Вентиляционные установки и пневмотранспорт''

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Кафедра машин и аппаратов химических и пищевых производств

И.Ш.ТАВТИЛОВ, Е.В. ГАНИН, С.В. АНТИМОНОВ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАСЧЕТ СКОРОСТИ В ПНЕВМОСЕПАРИРУЮЩЕМ КАНАЛЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КУРСУ ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ И ПНЕВМОТРАНСПОРТ

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Оренбург 2003

ББК 36.81-5Я7 Т 13 УДК 621.928.6(07)

Рецензент кандидат технических наук, доцент кафедры "Технология пищевых производств" Т.А. Никифорова

Тавтилов И.Ш., Ганин Е.В., Антимонов С.В. Т 13 Определение давления и расчет скорости в пневмосепарирующем канале: Методические указания по курсу вентиляционные установки и пневмотранспорт. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. - 17 с. Методические указания предназначены для получения навыков по испытанию эффективности работы пневмосепарирующих каналов в ходе изучения дисциплины “Вентиляционные установки и пневмотранспорт” для студентов специальности 170600 и 270100 всех форм обучения.

А

ББК 36.81-5Я7 © Тавтилов И.Ш., Ганин Е.В., Антимонов С.В.,2003 © ГОУ ОГУ, 2003 2

1 Цель работы Научиться производить измерения давления и рассчитывать скорость воздуха в воздухопроводах пневмосепараторов и вентиляционных установок.

2 Необходимые приборы и принадлежности Лабораторный стенд – экспериментальная установка представляющая собой парусный классификатор, состоящий из вентилятора ВЦП-3 (Ц6-46 № 3), циклона, загрузочного окна; микроманометр ММН-240; пневмометрическая трубка с гибкими шлангами; металлическая линейка; рулетка или метр; шнур; справочная литература.

3 Общие положения Зерновая смесь, полученная после уборки урожая, состоит из различных семян культурных и сорных растений, а также содержит примеси минерального и органического происхождения. Выделение семян основной культуры в чистом виде является одной из важнейших и трудоемких технологических операций в процессах приема, хранения и переработки зерна. Удаление из зерна семян сорных растений, их стеблей, обмолоченных колосков и других примесей органического и неорганического происхождения не только значительно повышает товарную ценность зерна, улучшает его семенные качества, урожайность и стойкость при хранении, но и определяет нагрузку и эффективность работы остальных технологических машин. Сепарирование зерна и продуктов его переработки возможно лишь в тех случаях, когда частицы компонентов исходной смеси имеют достаточно различные аэродинамические и физико-механические свойства. Для очистки или сортирования частиц по их аэродинамическим свойствам применяется продувка зерна потоком воздуха. Способ сепарирования зерновой смеси в вертикальном воздушном потоке применяют в современных зерновых сепараторах, пневмосепараторах и аспираторах отечественного и зарубежного производства. Воздушный сепаратор, являющийся машиной для обработки зерновых смесей воздушным потоком, обычно состоит из питающего устройства, пневмосепарирующего канала, устройства для очистки воздуха после сепарации и вентилятора. В существующих воздушных сепараторах встречаются пневмосепарирующие каналы трех форм: прямоугольной, цилиндрической, и кольцевой. Пневмосепарирующие каналы прямоугольной формы (рисунок 3.1) преобладают в современных воздушно-ситовых машинах, так как они 3

позволяют равномерно подавать зерновую смесь равномерно по ширине и отвечают требованиям рациональной компоновки пневмосепарирующих устройств в этих машинах. В прямоугольных каналах ряда конструкций негерметичность в местах поступления зерна обусловливает подсос воздуха и снижает эффективность очистки.

Рисунок 3.1 – Пневмосепарирующий канал прямоугольной формы Каналы цилиндрической формы (рисунок 3.2) редко применяют в машинах для очистки зерна воздушным потоком. Машины такого типа отличаются низкой производительностью и не могут конкурировать с устройствами на базе прямоугольных и кольцевых каналов. В каналах цилиндрической формы создаются различные условия очистки, зависящие от того, в каком месте зерно пересекает канал, что снижает общий эффект сепарирования. Кольцевой канал (рисунок 3.3) образуется двумя вертикальными концентрично расположенными цилиндрами: внутренним и наружным. Нижнее отверстие внутреннего цилиндра закрыто коническим клапаном, который удерживается в закрытом положении пружиной, действующей на клапан с помощью рычага. Верхняя часть наружного цилиндра имеет несколько больший диаметр, чем остальной цилиндр. Образующееся в верхней части расширение (коллектор) способствует равномерному распределению воздуха по окружности канала. Каналы кольцевой формы компактны и удобно компонуются в самостоятельных пневмосепарирующих машинах. В таких каналах сравнительно просто достигают равномерности потока по ширине канала. 4

Значительно труднее обеспечить в этих каналах равномерность потока по окружности, то есть длине канала в связи с односторонним или местными отсосами воздуха. Основой разделения зернового материала при воздушном сепарировании является скоростная направленная тонкослойная подача зерна в воздушный поток. Это позволяет увеличить действующую на компоненты зернового материала аэродинамическую силу, повышая тем самым значимость данного признака разделения. Тонкослойная подача позволяет свести до минимума взаимодействие между компонентами, что существенным образом повышает эффективность работы воздушного потока.

1 – вентилятор; 2 – диффузор; 3, 5, 9 – лоток; 4 – труба; 6 – камера; 7 – конус; 8 – отверстие; 10 – проволочная сетка. Рисунок 3.2 – Схема воздушного сепаратора с цилиндрическим пневмосепарирующим каналом. От условий ввода зерновой смеси в канал во многом зависит эффективность процесса пневмосепарирования. Зерновую смесь в канал современных пневмосепарирующих машин вводят в основном тремя способами (рисунок 3.4): самотеком по наклонной направляющей под 5

действием гравитационных сил и подпора зерна; вибрирующим лотком; рифлеными питающими валками-побудителями.

Рисунок 3.3 - Общий вид кольцевого пневмосепарирующего канала.

Рисунок 3.4 – Способы подачи зерновой смеси в пневмосепарирующий канал: а – самотеком по наклонной направляющей; б – вибрирующим лотком; в – рифленым питающим валиком. 6

Задача совершенствования питателей воздушных сепараторов заключается в создании питателей подающих зерновую смесь в воздушный канал, равномерно распределяющих ее по площади поперечного сечения при разных скоростях воздушного потока, что в итоге позволяет повысить эффективность работы питающего устройства, а значит и всего процесса сепарирования в целом. Решение их должно осуществляться путем создания пневмосепарирующего канала с одним или с двумя поперечными окнами для ввода сепарируемого материала. В канал через окна должен непрерывно подаваться материал с помощью питателей, обеспечивающих равномерное распределение по всему его сечению. Исследования по равномерному распределению зерновой смеси попневмосепарирующему каналу сводятся к изысканию рациональных методов выполнения требований, предъявляемых в общем виде к целевой функции: m

n

∑∑

UijKij→max

(3.1)

j =1 i =1

где Uij – дополнительный эффект от улучшения равномерности распределения значений дальности полета элементов зерновой смеси подаваемых i-м элементом подающего рабочего органа на j-м участке; Kij – коэффициент эффективности влияния каждого i-го элемента на каждом j-м участке сечения канала. Принимая каждый элемент зерновой смеси за материальную точку и, пренебрегая сопротивлением воздуха на участке в пределах питателя, составим дифференциальные уравнения движения, дважды их проинтегрируем при начальных условиях, исключив время, получим уравнение траектории элемента зерновой смеси после схода с подающего устройства, и, приравняв его к нулю, получим дальность полета элемента зерновой смеси в пределах воздушного канала, которая является абсциссой точки пересечения траектории полета с плоскостью рассматриваемого сечения канала. При этом условие удовлетворительного распределения элементов зерновой смеси по площади рассматриваемого сечения воздушного канала сепаратора запишется: v02 sin 2α 0 х0 + + v02 sin 2 α 0 + 2 gz0 ≥ x j , 2g

(3.2)

где x j - расстояние до элементарного участка j-го участка поперечного сечения воздушного канала; v0 – начальная скорость движения элементов смеси после схода; 7

α0 - угол начальной скорости v0 к горизонту; z0 – высота установки питателя относительно рассматриваемой плоскости сечения воздушного канала; x0 – величина выхода элемента подачи в воздушный канал (x0→ 0).

Для оценки эффективности работы воздушного канала сепаратора необходимо определить скорость воздуха в любой точке воздушного потока пневмоканала, это возможно сделать используя значения замеров динамического давлению в определенных точках по следующей формуле: υ=

2H д

ρ

, м/с

(3.3)

где Нд - динамическое давление в точке, Па; ρ – плотность воздушного потока, кг/м3, для стандартного воздуха плотность принимаем равной ρ =1,2 кг/м3. При нормальных условиях среды, формула (3.3) после некоторых преобразований примет вид υ =1,29 H д

(3.4)

Величину измеряемого динамического давления можно найти, производя измерения с помощью микроманометра ММН статическое давление и производя расчет по следующей формуле: ±H = lK g∆,

(3.5)

где l – длина шкалы микроманометра отсчитанная при замерах, мм; K – коэффициент прибора (нанесен на скобе), зависящий от угла наклона; g - ускорение свободного падения g =9,81м/с2; ∆ - поправочный коэффициент на атмосферные условия отклонения от стандартного воздуха, ∆≈ 0,99. Величину динамического давления возможно определить, исходя из того, что статическое и динамическое давления связаны друг с другом следующей зависимостью:

H д = 0,98 H ст H ст = 1,02 H д

(3.6)

8

4 Порядок выполнения работы и ее оформление Общие сведения о конструкции и режимах работы лабораторной установки. Лабораторный стенд (рисунок 4.1) – экспериментальная установка представляющая собой парусный классификатор состоящий из вентилятора, циклона, загрузочного окна. Установка работает во всасывающем режиме. Привод ее осуществляется электродвигателем, который посредством клиноременной передачи приводит в движение вентилятор. Для наблюдения пневмосепарирования в вертикальном воздушном потоке часть воздухопровода выполнена из органического стекла. Воздух вместе с унесенными частицами по воздухопроводу поступает в циклон, где происходит выделение продукта и накопление его в стакане.

1 – питающее устройство; 2 – циклон; 3 – стакан; 4 – вентилятор; 5 – электродвигатель; 6 – прямоугольный канал из оргстекла; 7 – воздухопровод; 8 – передача клиноременная. Рисунок 4.1 – Схема лабораторной установки Экспериментальная установка работает следующим образом. Смесь зерна и примесей поступает на приемный участок скатных лотков и под действием силы тяжести перемещается по их поверхности к вертикальному пневмосепарирующему каналу где подвергается воздействию потока воздуха. При этом легкие примеси поднимаются вверх и удаляются за 9

пределы пневмосепарирующего канала в отходы, а очищенный материал отводят через нижний конец вертикального пневмосепарирующего канала. Равномерность распределения очищаемого сырья обеспечивается тем, что сепарируемый материал поступает в пневмосепарирующий канал по скатным лоткам установленными в поперечном окне под различными углами, что обуславливает его подачу с разными скоростями. Также это обеспечивает подачу сепарируемого материала в различные участки пневмосепарирующего канала, в соответствии с углом наклона скатного лотка. Причем, если пневмосепарирующий канал условно разделить на элементарные участки, сепарируемый материал поступает со скатных лотков в соответствии с углом их наклона на эти участки равномерно. Студенты знакомятся со схемой лабораторной установки и с испытываемымпневмосепарирующим каналом.

Подготовка микроманометра ММН к работе Перед началом выполнения микроманометр ММН к работе:

измерений

подготавливают

1) устанавливают прибор на устойчивом столе и регулируют горизонтальное положение корпуса винтами по уровням так, чтобы пузырьки стояли в центре; 2) устанавливают раму с измерительной трубкой наболее высокий предел измерения, например (К =0,6), чтобы при замерах давления спирт не перелился .через верхний конец измерительной трубки; поворачивают: ручку трехходового- крана против часовой стрелки до правого, упора на «нуль»; Затем проверяют наличие спирта в чашке по мениску в трубке около нулевого деления шкалы; если спирт не залит, то открывают пробку, заливают спирт и закрывают пробку до отказа; 3) устанавливают мениск в трубке на нуль шкалы вращением винта регулятора уровня, поворачивают ручку трехходового крана по часовой стрелке до левого упора на замер; 4) далее подсоединяют резиновую трубку от измеряемого давления в воздухопроводе к штуцеру «плюс» чашки, если, давление больше атмосферного, или к штуцеру «минус» трубки, если измеряемое давление меньше атмосферного. Перед началом замеров проверяют прибор на отсутствне воздушных пробок в столбике спирта и на герметичность соединений. Наличие воздушных пробок в столбике спирта проверяют подсосок уровня спирта в стеклянной измерительной трубке примерно до конца шкалы. В случае обнаружения воздушных пробок выдувают их вместе, со спиртом а чашку прибора. Герметичность соединений микроманометра проверяют следующим образом: осторожно вдувают воздух в отверстие пневмометрической трубки, поднимают сортовой столбик по шкале на 100-150 мм, затем зажимают 10

отверстие. Если при этом уровень спирта опускается, то в системе есть неплотности. Необходимо уплотнить места соединений резиновых трубок со штуцерами и добиться, чтобы столбик спирта оставался неподвижным при проверке на герметичность. Если уровень спирта в трубке при замерах давления поднимается незначительно, то следует уменьшить угол наклона трубки и принять меньший коэффициент К (например, К=0,3 вместо К=0,6). Самые точные замеры получают при минимальном угле наклона К=0,2. При этом нельзя допускать переливания спирта через верхний конец измерительной трубки в трехходовой кран, так как прибор выходит из строя. Установив минимально возможное положение угла наклона шкалы, поворачивают трехходовой кран к правому упору на «нуль», окончательно корректируют «нуль» шкалы, предварительно проверив горизонтальное положение прибора по уровням, затем приступают к замерам, отсчитывая на шкале показания. Во время работы контролируют положение прибора. Знак «плюс» у избыточного давления принимают, если резиновую трубку от измеряемого давления подсоединяют к штуцеру «плюс» чашки. Знак «минус» будет при замерах, когда измеряемое давление воздухопровода подсоединялось к штуцеру «минус» трубки микроманометра. Для лучшей видимости мениска на шкале рекомендуется заливать этиловый спирт, предварительно подкрашенный фуксином или метиловым красителем (метилротом). На 1 л спирта берут 50 мг красителя. Внутренний диаметр капиллярной стеклянной трубки принимают не более 3 мм. Для однократной заливши чашки микроманометра необходимо 100 см3 спирта. Коэффициент микроманометра на скобе К =0,2, 0,3, .:., 0,8 дан для плотности спирта ρ =0,8095 г/см3 при t = 20 0С. Если при измерениях применяют жидкость с другой плотностью рН при другой температуре tж, тогда пересчитывают полученные; показания Нпок на стандартные условия по следующей формуле: Н= или

ρж

⋅

1

0,8095 1 + β (tж − 20) Н = n H пок

⋅ Н ПОК ,

(4.1)

(4.2)

где β -коэффициент объемного расширения жидкости. Для спирта0,0011, воды -0,00015, толуола -0,0011, керосина -0,00096; n - поправочный коэффициент па плотность спирта и температуру измерения.

11

Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности: 1) по заданию преподавателя, студенты взвешивают навеску зерна массой 150 – 200 гр, и равномерно засыпают ее на приемный участок скатных лотков, предварительно включив пневмосепаратор; 2) предварительно поделив всю величину пневмоканала условно на 5 участков, замеряя величину давления в каждом из участков с помощью пневмометрической трубки микроманометра, полученные данные заносятся в таблицу 1; 3) продув продукт, выключаем пневмосепаратор и полученные относы из стеклянного стакана циклона высыпают на разборную доску. После разбора полученных фракций данные заносятся в таблицу 2. Каждый эксперимент выполняется в трех повторностях. Обработка результатов полученных, в ходе выполнения лабораторной работы. Величину измеряемого избыточного давления (в Па) находят согласно формуле (3.5): Эффект очистки представляет собой отношение веса примесей, выделенных из зерна, к весу примесей в исходной зерновой смеси, которые могут быть выделены воздушным потоком:

η=

А − аА ,%, Б

(4.3)

где А - вес отходов, кг; а - количество нормального зерна в отходах в % от веса отходов; Б - вес примесей в исходной зерновой смеси, которые могут быть выделены воздушным потоком, кг. Отчет должен содержать дату выполнения, название работы, цель работы, сведения о необходимом для проведения работы оборудования. В отчете должна быть приведена схема пневмосепаратора, заполненные таблицы 1 и 2. В конце нужно сделать вывод о причинах различия значений скоростей потока в разных участках пневмоканала. Отчет о лабораторной работе подписывается исполнителем, а после проверки преподавателем.

5 Анализ результатов измерений и выводы Анализируя полученные результаты замеров и расчетов, необходимо ответить на следующие вопросы. 1 От чего зависит эффективность подачи зерна в пневмосепаратор? 2 В чем причина различия значений скоростей потока в разных участках пневмоканала? 12

3 Каково оптимальное значение значений скоростей потока в разных участках пневмоканала? 4 Чем определяется процентное содержание фракции в относе?

6 Необходимые знания для защиты лабораторной работы Для успешной защиты лабораторной работы необходимые знания следующих глав и параграфов из списка использованных источников: /1/ раздел I гл. III “Общие методические положения” § 2 “Способы и приборы для измерения скоростей воздуха”, /4/ § 1 “Устройство и классификация воздушных сепараторов” и /5/ гл. 7 “Пневматическое сепарирование” § 1 “Сепарирование в вертикальном воздушном потоке”; гл.12 §1 “Пневмосепарирующие каналы”. Знать формулы (3.1)-(3.6), (4.1) - (4.3).

7 Вопросы для самоконтроля знаний к лабораторной работе 1 Какие бывают сепараторы? 2 Какие способы ввода зерновой смеси в канал Вы знаете? 3 Охарактеризуйте формы пневмосепарирующих каналов. 4 Расчетные формулы. 5 Как подготовить микроманометр ММН-240 к работе? 6 Ход выполнения работы.

13

Список использованных источников 1 Веселов С. А. Проектирование вентиляционных установок предприятий по хранению и переработке зерна. М.: Колос, 1974.- 40 с. 2 Веселов С. А. Практикум по вентиляционным установкам. 2-е изд. М.: Колос, 1982.- 90 с. 3 Ковриков И.Т. Обоснование некоторых параметров распределителя семян. //Техника в сельском хозяйстве. 1976 №4 С.26-28. 4 Малис А.Я. и Демидов А.Р. Машины для очистки зерна воздушным потоком. – М., Машгиз, 1962.- 176с. 5 Гортинский В.В. и др. Процессы сепарирования на зерноперерабатывающих предприятиях. – М Колос, 1980 – 304с.

14

Приложение А (обязательное) Таблица А.1 – Расчет скорости в пневмосепарирующем канале № Измеренные величины Длина Длина Длина Средняя Коэффициент участка шкалы l1, шкалы 13, шкалы длина шкалы прибора K 12,мм 1ср, мм мм мм 1 2 3 4 5

Рассчитанные величины Давление H, Па

Скорость воздуха v , м/с

Приложение Б (обязательное) Таблица Б.1 – Расчет эффекта очистки пневмосепаратора Измеренные величины Кол-во Кол-во Среднее Вес Вес Вес Средний норм. норм. кол-во приме- приме- примевес зерна в зерна в норм. сей Б, сей Б, сей Б, примесей отходах отходах отходах зерна в кг кг кг Б, кг отходах а, % а, % а, % а, %

Вес Вес Вес Средний Кол-во № вес норм. учас отходов отходов отходов А1, кг А2, кг А3, кг отходов зерна в тка

Аср, кг

1 2 3 4 5

Рассчитанные величины Эффект очистки η, %