На правах рукописи Глущенко Григорий Анатольевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
реклама
На правах рукописи Глущенко Григорий Анатольевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПНЕВМОСЕПАРИРОВАНИЯ РУШАНКИ ПОДСОЛНЕЧНЫХ СЕМЯН Специальность 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Краснодар – 2012 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КубГТУ») Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Деревенко Валентин Витальевич Официальные оппоненты: Шаззо Аслан Юсуфович, доктор технических наук, профессор, директор ФГБОУ ВПО Института «КубГТУ», пищевой и перерабатывающей промышленности Ветелкин Геннадий Васильевич, кандидат технических наук, Кубанский филиал КФ ГНУ ВНИИЗ Россельхозакадемии, директор Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал ГНУ ВНИИЖ Россельхозакадемии, г. Краснодар Защита диссертации состоится 30 октября 2012 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 при Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, библиотеке Кубанского ул. Московская, 2, ауд. Г-248. С диссертацией можно ознакомиться в государственного технологического университета Автореферат диссертации разослан 28 сентября 2012 года Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент М.В. Филенкова 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В настоящее время в РФ переработку семян подсолнечника осуществляют более 200 маслодобывающих предприятий, из которых 14 маслоэкстракционных заводов (МЭЗ) имеют производительность более 1000 тонн в сутки по семенам подсолнечника, 12 заводов перерабатывают от 500 до 1000 тонн в сутки и 75 заводов – более 100 тонн в сутки. Подготовка семян подсолнечника к извлечению масла на большинстве предприятий ведется по типовой схеме рушально-веечного цеха (РВЦ). Обрушивание семян и разделение рушанки осуществляется в рушальновеечном агрегате, состоящем из бичевой семенорушки и семеновеечной машины Р1-МС-2Т, которая включает рассев и пятиканальную аспирационную камеру, где отделяют частички лузги наклонным воздушным потоком с получением ядровой фракции, недоруша, перевея и лузги. На участке контроля перевея и лузги рециклический используются поток перевея в семеновеечные РВЦ машины, составляет около при 20 этом % от производительности завода по перерабатываемым семенам, а количество отводимой из производства лузги 15–17 %. Основные безвозвратные потери масла с лузгой формируются на этапе разделения рушанки наклонным воздушным потоком в аспирационной камере семеновеечной машины за счет выноса частичек ядра в лузгу, достигающего 1 % и более при нормативных потерях не более 0,4 %. Только за счет выноса ядра с лузгой на 0,5 % сверх норматива МЭЗ производительностью 500 тонн в сутки теряет с лузгой не менее 82,8 тонн масла в год, что в стоимостном выражении составляет 2,48 млн рублей (при оптовой стоимости 30 рублей за 1 кг масла). Теоретические основы процесса разделения воздушным потоком зернового сырья, в том числе масличных семян и их компонентов, а так же разработка соответствующего оборудования отражены в работах А.Я. Малиса, А.Д. Демидова, А.Б. Демского, В.Ф. Веденьева, Е.В. Семенова, В.А. Масликова, В.В. Белобородова и ряда других ученых. 4 Разработка ресурсосберегающих технических решений по совершенствованию действующего технологического оборудования и создание высокоэффективного пневмосепаратора, обеспечивающие снижение выноса ядра в лузгу и исключение из схемы РВЦ контрольных операций фракций перевея и лузги, основанные на экспериментальном исследовании аэродинамических свойств частиц рушанки семян подсолнечника, процесса их разделения вертикальным воздушным потоком и математическом моделировании стесненного движения частичек рушанки в аэросепараторе, являются актуальными задачами. Научная работа выполнялась по гос. контракту №П424 «Научное обоснование и разработка ресурсосберегающих технических решений по совершенствованию рушально-веечного цеха маслоэкстракционного завода» (научный руководитель аспирант Глущенко Г.А.) в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы, по хоз. договору №6.34.03.03 - 2008 г. «Разработка технологических решений (раздел ТХ) для маслоэкстракционного завода производительностью 1000 т/сутки семян подсолнечника» с ООО "Инпротех" (проектный институт) и при материальной и финансовой поддержке ООО «Экотехпром», которое безвозмездно предоставило промышленный аэросепаратор МКА-400 для проведения исследований. Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – научнотехническое обоснование процесса разделения фракционированной рушанки семян подсолнечника вертикальным воздушным потоком и совершенствование пневмосепаратора, обеспечивающие снижение выноса ядра в лузгу, исключающие образование фракции перевея и участок контроля лузги в типовой схеме РВЦ. В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования: экспериментально изучить скорость витания компонентов рушанки семян подсолнечника заводской смеси; 5 определить в производственных условиях типового РВЦ основные параметры работы семеновеечной машины Р1-МС-2Т – нагрузку по рушанке для каждого раздела пятиканальной аспирационной камеры, ее фракционный и компонентный состав, необходимые для обоснования режимов работы при испытании в стендовых условиях промышленного аэросепаратора МКА-400; экспериментально исследовать в стендовых условиях аэродинамические условия работы промышленного аэросепаратора МКА-400 и его усовершенствованную конструкцию; экспериментально исследовать процесс отделения лузги из рушанки воздушным потоком в усовершенствованном аэросепараторе в стендовых условиях; разработать математическую модель стесненного движения частичек рушанки в приемном устройстве и вертикальном пневмосепарирующем канале аэросепаратора и определить его рациональные конструктивнотехнологические параметры; разработать методику инженерного расчета аэросепаратора для разделения рушанки; разработать технические решения по совершенствованию пневмосепараторов для разделения рушанки и семеновеечной машины Р1-МС-2Т. Научная новизна. Экспериментально определена средняя скорость витания частичек лузги и ядра рушанки семян подсолнечника заводской смеси, а также сечки, недоруша и масличной пыли. Впервые получены зависимости для расчета средней скорости витания от среднего диаметра частиц лузги и ядра различных фракций. Выполнены экспериментальные исследования функционирования усовершенствованного аэросепаратора в стендовых условиях. Получена зависимость для расчета потерь полного давления и исследовано влияние основных конструктивно-технологических параметров на эффективность отделения лузги из фракций рушанки воздушным потоком. Развиты представления о механизме движения частичек рушанки в 6 приемном устройстве и пневмосепарирующем канале с учетом их стесненного движения на основании экспериментальных исследований и разработанной позонной математической модели, учитывающей начальную скорость движения частичек, удельную нагрузку, угол наклона приемного устройства, силы тяжести и трения, а так же аэродинамического сопротивления воздушного потока. Полученные результаты позволили рассчитать среднюю скорость и определить путь, пройденный частичками при стесненном движении в приемном устройстве и вертикальном пневмосепарирующем канале, а также установить рациональные конструктивно-технологические параметры усовершенствованного аэросепаратора. Математическая модель идентифицирована по собственным экспериментальным данным, которые получены киносъемкой. Практическая значимость. Разработаны технические решения, новизна которых подтверждена одним патентом на изобретение РФ №2397027 «Пневмосепаратор для отделения аэроуносимых частиц» и двумя патентами на ПМ РФ №78794 «Пневмосепаратор» и №88020 «Аэросепаратор для отделения лузги». Показано, что модернизация семеновеечной машины с использованием разработанных технических решений позволяет исключить образование фракции перевея и соответственно исключить участки контроля перевея и лузги из схемы РВЦ. Разработана методика инженерного расчета аэросепаратора для разделения рушанки, в основу которой положена полученная математическая модель сложного движения частичек рушанки. Технические разработки (патенты РФ №2397027, №78794) соответственно удостоены серебряных медалей на XIV и XV Международном салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД – 2011» и «АРХИМЕД – 2012» г. Москва. Автор удостоен дипломом 1-й степени и награжден золотой медалью на краевом конкурсе «На лучшую научную и творческую работу преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных 7 заведений Краснодарского края за 2011 г.» Технические разработки использованы: ООО «Инпротех» (проектный институт) в рабочем проекте производительностью 1000 ЗАО комбинат «Сорочинский т/сут маслоэкстракционного по семенам хлебопродуктов» завода подсолнечника для Оренбургская обл.; ООО «Экотехпром» в предпроектном решении «Разработка технических предложений по реконструкции рушально-веечного цеха» для Усть-Лабинского ЭМЭК ЗАО «Флорентина» и в технических предложениях по реконструкции РВЦ, разработанных в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы для Бейсугского маслозавода ЗАО фирмы «Агрокомплекс». Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на 9-й и 11-й международных конференциях «Масложировая индустрия» (г. Санкт-Петербург, 2009, 2011 гг.); VII Международной научнотехнической конференции «Техника и технология пищевых производств» (г. Могилев, 2009 г.); X Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2009 г.); Всероссийской конференции с элементами научной школы «Инструментальные методы для исследования живых систем и пищевых производств» (г. Кемерово, 2009 г.); IV Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в пищевых технологиях» (г. Пятигорск, 2010 г.); V Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Интеллектуальный потенциал молодежи XXI века в инновационном развитии современного общества» (г. Усть-Каменогорск, Казахстан, 2012 г.); VII Международной конференции «Масложировой комплекс России: Новые аспекты развития» (г. Москва, 2012 г.), 5-й Всероссийской научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2012 г.). Публикации результатов исследований. Основные положения 8 диссертационной работы опубликованы в 17 научных работах, из них 5 статей в журналах рекомендованных ВАК, одна статья в иностранном издании; получены патенты РФ: один на изобретение и два на полезную модель. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературных источников из 126 наименований. Общий объем диссертации изложен на 147 страницах, содержит 46 иллюстраций и 3 таблицы. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении рассмотрено современное состояние переработки рушанки семян подсолнечника на маслодобывающих заводах, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. В первой главе проведен аналитический обзор информационных источников о современном состоянии техники разделения сыпучих материалов воздушным потоком, в том числе рушанки семян подсолнечника. Проанализированы на основе системного подхода структурные схемы типового рушально-веечного цеха (РВЦ) маслодобывающих предприятий РФ, фирм «Buhler» и «Allocco», конструктивные особенности технологического оборудования для разделения рушанки, пневмосепарирующего оборудования и теоретические аспекты пневмосепарирования сыпучих материалов. Проведенный анализ позволил обосновать выбор объекта исследования, сформулировать цели и задачи диссертационной работы. Во второй главе и далее объектами исследования были компоненты рушанки и рушанка семян подсолнечника заводской смеси влажностью от 6,8 до 7,0 %, отобранные на Белореченском МЭЗ в 2008 г., на Бейсугском МЗ в 2009 г., на МЖК «Краснодарский» в 2010 г. (Краснодарский край) и на ЗРМ «Новохоперский» Воронежской области в 2011 г. Изучение скорости витания частичек лузги и ядра проведено в стеклянной вертикальной цилиндрической трубе с внутренним диаметром 57 мм и длиной 1 метр на стендовой установке. Для выравнивания скорости 9 воздушного потока были установлены две сеточки в нижней части воздуховода перед стеклянной трубой. Скорость воздушного потока измеряли термоанемометром АТТ-1004 с точностью до 0,1 м/с. Объектами исследования были откалиброванные 5 фракций частичек лузги и 3 фракции ядра следующих характеристик: сход с сита/ проход через сито с отверстиями диаметром (Ø), мм: лузга: 1-я фракция – Ø 3/4; 2-я – Ø 4/5; 3-я – Ø 5/6; 4-я – Ø 6/7; 5-я – Ø 7/8; ядровая фракция: 7-я – Ø 3/4; 8-я – Ø 4/5; 9-я – Ø 5/6. Из каждой фракции лузги и ядра подряд отбирали по 50 штук частиц и при пятикратном повторении определяли их среднюю скорость витания вит (выполнено более 2500 измерений). Относительная ошибка средних измерений вит для частиц лузги не превышала ±6,9 %, а для ядровой фракции ±9,7 %. Среднюю скорость витания частичек лузги можно описать ступенчатой функцией (1), а частичек ядра – уравнением (2) в зависимости от их среднего диаметра: вит.л 2,13 при dср 5 3,29 при 5 dср 7 3,67 при dср 7 (1) вит.я 0,145 dср2 2,09 dср 0,561 (2) Здесь dср – средний диаметр частиц, который определяли как среднеарифметическую величину двух граничных размеров – диаметры отверстий сита для проходовой и сходовой фракций. Расхождения между рассчитанными по уравнениям (1) и (2) и экспериментальными данными соответственно не превышают ±14,6 % и ±13,6 %. Как видно из рисунка 1, c увеличением среднего диаметра частичек лузги от 3,5 до 7,5 мм скорость витания увеличивается от 1,8 до 4,5 м/с, а для частичек ядровой фракции с средним диаметром 3,5; 4,5 и 5,5 мм повышается от 5,0 до 9,8 м/с. При этом важно отметить, что вариационная кривая 6 – распределения скорости витания масличной пыли (проход через сито Ø3 мм, сход с сита Ø2 мм) занимает промежуточное положение с пересечением вариационных кривых фракций лузги 4, 5 и недоруша 10, что требует 10 Содержание классов в общей массе, % предварительного отделения масличной пыли из рушанки. 60 6 50 4 1 2 3 40 7 10 8 5 9 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 υвит, м/с Рисунок 1 - Вариационные кривые скорости витания: 1, 2, 3, 4, 5 – соответственно фракции частичек лузги с dср: Ø3,5; Ø4,5; Ø5,5; Ø6,5 и Ø7,5 мм; 6 – масличная пыль; 7, 8, 9 – соответственно фракции частичек ядра с dср: Ø3,5; Ø4,5 и Ø5,5 мм; 10 – недоруш. В третьей главе определены в производственных условиях основные параметры работы семеновеечной машины Р1-МС-2Т – нагрузка по рушанке для каждого раздела пятиканальной аспирационной камеры, фракционный и компонентный состав каждой фракции с целью обоснования рабочих параметров и проведены испытания промышленного аэросепаратора МКА-400 в стендовых условиях. Изучение параметров работы семеновейки Р1-МС-2Т проводилось на ОАО «МЖК Краснодарский» при переработке заводской смеси семян подсолнечника урожая 2010 г. Замеренная производительность рушально-веечного агрегата, состоящего из бичевой семенорушки марки МРН и семеновейки, составила 66,4 тонн в сутки по семенам подсолнечника (паспортная производительность – 70 т/сут). Относительная ошибка среднего измерения нагрузки для каждого раздела, рассчитанная по пяти параллельным замерам, колебалась в интервале 4,4 – 10,5 %. Выявлено, что нагрузка по рушанке в разделах аспирационной камеры 11 неравномерна и колеблется от 125 до 902 кг/ч, при этом количество масличной пыли (проход через сито диаметром Ø3 мм) в неветровом разделе достигает до 28 %, недоруша до 33 %, а нагрузка по свободной лузге существенно изменяется от первого до пятого разделов соответственно от 249,2 до 30,1 кг/ч. Установлен фракционный и компонентный состав рушанки по содержанию ядровой фракции, свободной лузги, недоруша и сечки недоруша в зависимости от среднего диаметра частиц для каждого раздела аспирационной камеры. Содержание свободной лузги в каждой фракции рушанки составляло от 13,6 до 27,6 %, а содержание масличной пыли изменялось от 0,2 % в первом разделе (недоруш) и до 53,3 % в пятом разделе. Полученные результаты позволили обосновать фракционный и компонентный состав модельных образцов рушанки, использованных при исследовании работы аэросепаратора МКА-400 в стендовых условиях. В стендовых условиях изучена неравномерность изменения скорости воздушного потока по высоте пневмосепарирующего канала промышленного аэросепаратора МКА-400 в пяти горизонтальных сечениях. В каждом сечении в 42 точках дифференциальным микроманометром ДМЦ-О измеряли скорость воздушного потока. В зоне ввода материала в пневмосепарирующий канал установлена заметная неравномерность воздушного потока, достигающая от 80 до 95%, что в определяющей степени обусловлено условиями подвода воздуха, положением рабочих заслонок и длиной выступающего участка горизонтального сита в вертикальном пневмосепарирующем канале, по которому в него поступает рушанка. На основании проведенных исследований была усовершенствована конструкция аэросепаратора МКА-400. Во-первых, перемонтировали сито с горизонтальным участком в приемное устройство. Во-вторых, переделали фиксатор, регулирующий угол наклона приемного устройства. Внесенные изменения позволили сократить неравномерность поля скоростей воздушного потока на 48 % и уменьшить угол наклона приемного устройства до 20º (в паспорте не менее 55º для перевея), что обеспечило снижение скорости 12 движения частичек рушанки, поступающих в пневмосепарирующий канал. В стендовых условиях изучена аэродинамическая характеристика усовершенствованного аэросепаратора при его работе на чистом воздухе и под нагрузкой на рушанке. Получено эмпирическое уравнение для расчета потерь полного давления: H H м 6,576 q , (3) где H м Q 2 – известная эмпирическая зависимость для расчета потери полного давления в пневмосепараторе на чистом воздухе, Па; ε – коэффициент сопротивления; Q – расход воздуха, м3/с; q – удельная нагрузка по рушанке, кг/(ч·см). Для усовершенствоанного аэросепаратора получена эмпирическая зависимость: 10700 70 S1 26,7 S2 0,19 S1 S2 , (4) где S1 – площадь рабочего сечения патрубка приемного устройства, см2; S2 – площадь рабочего сечения патрубка для отвода материала, см2. Расхождения рассчитанных значений ΔН по уравнению (3) и экспериментальных данных колеблются в интервале ±(0,4 – 15,5)%, что является достаточно точным при инженерных расчетах пнемосепараторов. Экспериментально изучен процесс разделения рушанки в стендовых условиях на усовершенствованном аэросепараторе (рис.2). Для проведения киносъемки установили из оргстекла верхнюю крышку приемного устройства и вставки в торцовых и вертикальной стенках пневмосепарирующего канала практически по всей их длине и ширине. Процесс отделения лузги из рушанки в усовершенствованном аэросепараторе исследовали при следующих параметрах: удельная нагрузка по рушанке q=3,3–22,1 кг/(см∙ч); средняя скорость воздушного потока в вертикальном пневмосепарирующем канале U=2,5-4,8 м/с; угол наклона приемного устройства α=30-40 °. Экспериментально установлены рациональные режимы процесса, обеспечивающие допустимый вынос ядра в лузгу от 0,15 до 0,3 %, при которых киносъемкой зафиксированы скорость и характер перемещения частичек лузги (рис. 3). 13 1 – загрузочный бункер; 2 - аэросепаратор; 3 – манометр ДМЦ-О; 4 – осадительная камера; 5 – бункер; 6 – заслонка; 7 – вентилятор. Рисунок 2 – Стендовая установка с аэросепаратором. На рис. 3 представлены траектории движения частичек лузги, которые были предварительно окрашены в оранжевый цвет. Точки на каждой траектории показывают нахождение частицы лузги через 1/30 секунды, зафиксированные киносъемкой. Заметное изменение траекторий движения частичек лузги от вертикали связано с соударением частиц между собой, со стенками канала, их вращением, поперечной силой Магнуса-Жуковского, неравномерностью воздушного потока и т.д. Поэтому математическое описание такого сложного движения разновеликих, сложных по форме и со смещенным центром тяжести частичек лузги при большом числе трудноучитываемых факторов в условиях турбулентного режима движения без определенных допущений не представляется возможным. В четвертой главе разработана позонная математическая модель стесненного движения частичек рушанки в усовершенстованном движение частичек рушанки аэросепараторе. В аэросепараторе рассматривали последовательно в следующих зонах (рис. 4). Первая зона ограничена длиной сита приемного устройства аэросепаратора, состоящего из двух участков: 14 Н, м 4 0,25 Н, м 2 7 3 0,25 6 4 6 1 5 0,2 1 3 7 Высота канала 0,15 4 5 6 3 0,1 5 3 2 Высота канала 0,2 2 4 6 2 0,15 1 5 3 4 0,1 1 2 7 4 2 6 4 1 3 0,05 1 2 3 5 4 6 1 3 0,05 7 1 2 5 24 4 6 5 L, м L, м 0 0,05 0,1 0,15 0 0,05 0,1 0,15 а) б) Рисунок 3 – Фрагмент схемы траекторий движения частичек лузги, зафиксированных киносъемкой, при удельной нагрузке по рушанке: а - q=4,9 кг/(ч·см); б - q=13 кг/(ч·см). наклонного (900 мм) и горизонтального (30 мм). Так как время прохождения частички по горизонтальному участку сита очень мало, то приняли допущение, что на этом участке скорость движения частиц не изменяется и принята за начальную скорость движения во второй зоне. Вторая и третья зоны находятся в пневмосепарирующем канале. Вторая зона – это участок криволинейного движения частичек (переход из горизонтального в вертикальное направление). Третья зона – это участок вертикального движения частичек лузги вверх. В зоне I практический интерес представляет случай, когда и движение частиц с начальной скоростью Н 0 в однонаправленном потоке воздуха обуславливает замедленное движение по наклонному ситу. Тогда сила трения Fтр больше силы сопротивления воздушного потока R0 и составляющей силы тяжести (рис. 4). 15 Зона III Y R U G U0 G sin G cos н Зо G R R0 Ry υ Rx а I Зона II U Fтр G 0 X Рисунок 4 – Схема сил, действующих на частицу в аэросепараторе При замедленном движении уравнение движения частичек вниз можно представить в следующем виде: d 2 aH K П U 0 d . (5) В этом случае K П U 0 aН 0 , где aH g(sin f c cos ) , м/с2; fс – 2 коэффициент трения стесненного движения частиц рушанки по наклонному ситу, учитывающий трение частиц рушанки о сито, трение между частицами рушанки и трение с металлическими вертикальными стенками приемного устройства, принят как коэффициент идентификации. После интегрирования уравнения (5) по времени от 0 до , при этом скорость движения частицы изменяется от Н 0 до , для замедленного движения вниз получено aH KП 1 B exp 2 U , 1 B exp 2 K П aH K П aH 0 (6) 16 где B aH K П H U 0 aH K П H U 0 (7) . Время движения частиц до полной остановки ост 1 ln 2 K П aH B aH U K П aH U K П . (8) Путь, пройденный частицами до полной остановки 3 aH S U0 KП B exp 2 K П aH ост 1 B ост ln KП B 1 . Параметрическое уравнение движения (9) одиночной частицы в пневмосепараторе, предложенное В.Ф. Веденьевым (зона 2), преобразовали и развили его математическое описание с учетом стесненного движения, основываясь на следующих допущениях: во-первых, рассматривали движение частиц по оси 0Y, которую разместили по высоте канала, а ось 0X – по ширине канала (рис. 4); во-вторых, так как частички поступают в вертикальный канал по горизонтальному участку сита, то их направление движения сориентировано в горизонтальной плоскости и имеет в момент поступления в пневмосепарирующий канал только горизонтальную составляющую скорости; в-третьих, ввели поправочные коэффициенты kX и kY, учитывающие сложное движение частичек при соударении между собой, стенками канала, их вращение и т.п. С учетом вышеизложенного, уравнения движения частицы в координатах X0Y предложено записать в следующем виде: X exp K П U K k X ; Y kY g K П U 2 K П U (10) exp K П U K 1 (11) , где – начальная скорость движения частички в зоне 2, определяемая из уравнения (6), м/с. 17 Путь, пройденный частицей SX kX K П U SY kY g K 1 exp K П U K k X (12) ; U 2 1 exp K П U K K K П U K П U . П (13) В случае, если K П U 2 g частицы двигаются по горизонтали, если g K П U 2 0 , то частицы падают вниз. В случае, когда g K П U 2 0 , то частицы движутся вверх, который представляет практический интерес при разделении рушанки. Уравнение вертикального движения частички вверх в восходящем потоке воздуха с учетом сил, действующих на частицу в зоне 3 (рис. 4), можно записать в следующем виде d В 2 k В K П U В g d В (14) где kВ - поправочный коэффициент, учитывающий соударение между частичками лузги, с внутренней поверхностью стенок вертикального канала при движении вверх, сложное вращательное движение, неравномерность воздушного потока и т.п. После интегрирования уравнения (14) по времени от 0 до B , при котором скорость движения частицы изменяется от BН до В , получено 1 C exp 2 B k B K П g g B k B K П 1 C exp 2 B k B K П g где C U , (15) g k B K П BH U g k B K П BH U (16) . Путь, пройденный частицами, SB C 1 exp 2 B k B K П g g 1 ln U k B K П C exp 2 B k B K П g 1 kB K П B (17) . 18 Начальную скорость ВН рассчитывали методом последовательного приближения при прочих равных условиях до достижения расхождения 0,01 м/с по уравнениям (10, 11) и по уравнению (15). Идентификация математической модели движения частиц рушанки в аэросепараторе выполнена на основании собственных экспериментальных данных, полученных киносъемкой, функционирующего усовершенствованного аэросепаратора. Коэффициенты идентификации аппроксимированы следующими зависимостями: f c 0,643 0,006 q ; (18) kY exp 0,13 q ; (20) k X 1 0,055 q ; (19) k B 1,33 0,045 q , (21) где q = 3,3 – 22,1 кг/(ч·см) – удельная нагрузка по рушанке. Полученные υ, м/с 3.0 зависи- мости для расчета средней 1 скорости движения частиц 2.5 рушанки в аэросепараторе 3 2.0 проверены на адекватность по критерию Фишера. 1.5 На 1.0 0.5 представлены: 2 2 рисунке кривая 5 1, рассчитанная по уравнениям В.Ф. Веденьева для одиноч- 0.0 0 0.05 0.1 0.2 τ, с 0.15 ■ – экспериментальные значения; ной частицы (расхождения с экспериментальными дан- 1,2,3 – рассчитанные. ными от 24,2 до 223,8%), Рисунок 5 – Изменение скорости движения кривая 2, рассчитанная по частичек лузги в вертикальном аспирационном уравнениям (10, 11) для вто- канале от времени. рой зоны и кривая 3, рассчи- танная по уравнению экспериментального (15) для исследования третьей и зоны. математического По результатам моделирования 19 обоснованы рациональные конструктивно-технологические параметры аэросепаратора при заданной q: α, U, длина приемного устройства, а также ширина пневмосепарирующего канала. В пятой главе приведено описание разработанных конструкций пневмосепараторов, которые предлагается установить вместо пятиканальной аспирационной камеры в семеновеечной машине Р1-МС-2Т. Для отделения лузги из недоруша и рушанки (первый и второй разделы) использован аэросепаратор, представленный на рисунке 6 (патент на ПМ №88020). Для отделения лузги из рушанки, получаемой в трех последних разделах рассева семеновеечной машины Р1-МС-2Т, использованы пневмосепараторы для отделения аэроуносимых частиц (патент на изобретение №2397027), где предусмотрена возможность регулирования положения перегородок и соответственно оперативного управления скоростью воздушного потока, что обеспечивает снижение выноса ядра в отводимую лузгу (рис. 7). 2 3 1 1 2 1- аспирационный канал; 1 -приемное устройство; 2 - аспирационный 2 - приемное устройство. канал; 3 - осадительная камера. Рисунок 6 - Аэросепаратор Рисунок 7 - Пневмосепаратор для отделения для отделения лузги аэроуносимых частиц 20 Предлагаемые технические решения позволяют исключить образование фракции перевея и участок контроля лузги, а также снизить удельные энергозатраты с 9,6 до 8,3 кВт на одну тонну перерабатываемых семян для МЭЗ производительностью 500 тонн в сутки по семенам подсолнечника. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Экспериментально изучена скорость витания фракционированных частичек рушанки семян подсолнечника заводской смеси: лузги, ядра, недоруша, сечки недоруша и масличной пыли. Результаты представлены в виде вариационных кривых и уравнений для расчета средней скорости витания лузги и ядра семян подсолнечника в зависимости от их среднего диаметра. Скорость витания частиц лузги при изменении dср=3,5–7,5 мм составила 1,8–4,5 м/с; частиц ядра и сечки недоруша при изменении dср=3,5–5,5 мм составила 5,0–9,8 м/с; масличной пыли – 4,1–6,1 м/с, недоруша – 5,4–8,6 м/с. 2. Определены в производственных условиях основные параметры работы семеновеечной машины Р1-МС-2Т. Нагрузка по рушанке для разделов пятиканальной аспирационной камеры изменялась от 125 до 902 кг/ч, содержание свободной лузги колебалось от 13,6 до 27,6 %, а масличной пыли – от 0,2 до 53,3 %. На основании полученных данных обоснованы удельная нагрузка по рушанке и ее состав при испытании аэросепаратора в стендовых условиях. 3. Изучены аэродинамические условия работы промышленного аэросепаратора МКА-400 и на основании полученных результатов была усовершенствована его конструкция. Получено уравнение для расчета потерь полного давления усовершенствованного аэросепаратора в зависимости от удельной нагрузки по рушанке, расхода воздуха, площадей рабочих сечений патрубков приемного устройства и для отвода материала. Установлено, что при увеличении удельной нагрузки по рушанке от 3,3 до 22,8 кг/(см∙ч) потери давления изменялись от 93 до 220 Па. 4. Исследован процесс отделения лузги из пяти фракций рушанки семян подсолнечника воздушным потоком в усовершенствованном 21 аэросепараторе при q=3,3–22,1 кг/(см∙ч), U=2,5–4,8 м/с и α=30–40°. Установлено сложное и стесненное движение частичек лузги в вертикальном воздушном потоке, что связано с соударением частиц между собой и со стенками канала, их вращением, неравномерностью воздушного потока и т.д. Определены рациональные режимы процесса для каждой фракции рушанки, обеспечивающие допустимый вынос ядра в лузгу от 0,1 до 0,3 % и содержание свободной лузги в ядровой фракции от 4,7 до 9,8 %. 5. Разработана математическая модель движения частичек рушанки в усовершенствованном аэросепараторе с учетом их начальной скорости, позволяющая рассчитать скорость и путь при стесненном движении в приемном устройстве и вертикальном пневмосепарирующем канале. 6. Моделированием установлена рациональная ширина вертикального пневмосепарирующего канала для разделения соответствующих фракций рушанки, получаемых после рассева семеновеечной машины. Для фракций рушанки I и II разделов ширина канала 115 мм, для III раздела – 140 мм, для IV и V разделов – 180 мм. 7. Разработана методика инженерного расчета аэросепаратора для разделения рушанки, в основу которой положена полученная математическая модель сложного движения частичек рушанки. 8. Разработанные технические решения (патенты РФ №2397027, №78794 и №88020) использованы при совершенствовании семеновеечной машины, что позволяет исключить образование фракции перевея и участок контроля лузги. В связи с этим из схемы РВЦ высвобождаются четыре семеновеечных машины Р1-МС-2Т (для РВЦ МЭЗ производительностью 500 тонн в сутки по семенам подсолнечника) и обеспечивается снижение удельных энергозатрат до 13,5 %. 9. Расчетный экономический эффект от внедрения пневмосепараторов для разделения рушанки в РВЦ МЭЗа производительностью 500 т/сут по семенам подсолнечника составил 440 тыс. руб. в год только за счет снижения выноса ядра в лузгу, не менее чем на 0,1 %. 22 Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 1. Деревенко В.В., Глущенко Г.А. Особенности движения частиц рушанки по полочкам в аспирационной камере // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2008. – №4. – С. 116 – 117. 2. Деревенко В.В., Глущенко Г.А. Динамика движения подсолнечной рушанки в приемной камере пневмосепаратора // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2009. – №2-3. – С. 122 – 123. 3. Замедленное движение частичек масличного материала в однонаправленном потоке воздуха в пневмосепараторе / В.В. Деревенко [и другие] // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2010. – № 1. – С. 67– 68. 4. Деревенко В.В., Глущенко Г.А., Ткаченко Ю.Ю. Некоторые аэродинамические характеристики семян современных сортов подсолнечника и их плодовой оболочки // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2010. – № 2-3. – С. 116 – 117. 5. Деревенко В.В., Глущенко Г.А. Скорость витания ядра и лузги семян подсолнечника // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2011. – № 1. – С. 89–90. Патенты 6. Пат. на изобретение 2397027 РФ, МПК C 11 B 1/02. Пневмосепаратор для отделения аэроуносимых частиц / Деревенко В.В., Глущенко Г.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "КубГТУ" – 2009121606/03; заявл. 05.06.2009; опубл. 20.08.2010. – 5 с. 7. Пат. на ПМ 78794 РФ, МПК C 11 B 1/02. Пневмосепаратор /Деревенко В.В., Глущенко Г.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "КубГТУ" № 2008115564/22; заявл. 21.04.2008; опубл. 10.12.2008. – 3 с. 8. Пат. на ПМ 88020 РФ, МПК C 11 B 1/02. Аэросепаратор для отделения лузги /Деревенко В.В., Глущенко Г.А.; заявитель и патентообладатель ООО «Экотехпром» - 2009110425/22; заявл. 23.03.2009; опубл. 27.10.2009. – 3 с. 23 Статьи и доклады на международных конференциях 9. Деревенко В.В., Глущенко Г.А. Интеграция теоретических и практических проблем при разработке ресурсосберегающих процессов и оборудования для производства растительных масел // Научно-практический журнал «Олiйно-жировий комплекс». (Украина) – 2008. – №4. – С. 64 – 67. 10. Деревенко В.В., Глущенко Г.А. Усовершенствованная схема рушально- веечного отделения // Масла и жиры. – 2008. – №5. – С. 30 – 31. 11. семян Деревенко В.В., Глущенко Г.А. Потери масла с лузгой при переработке подсолнечника // Масложировая индустрия 2009: материалы 9-й международной конференции. – СПб, 2009. – С. 12 – 14. 12. Глущенко Г.А., Щербаков П.И. Пневмосепаратор для отделения лузги семян подсолнечника // Пищевые технологии и биотехнологии: тез. докл. X международной конференции молодых ученных. – Казань, 2009. – С. 169. 13. Деревенко В.В., Глущенко Г.А., Тищенко А.Г. Повышение эффективности работы рушально-веечного отделения при переработке семян подсолнечника // Масла и жиры. – 2010. – №1–2. – С. 20 – 21. 14. Деревенко В.В., Глущенко Г.А. Научно-техническое обоснование разработки высокоэффективного оборудования для разделения подсолнечной рушанки // Масложировая индустрия 2011: материалы 11-й международной конференции. - СПб, 2011. – С. 37 – 39. 15. Глущенко Г.А., Ткаченко Ю.Ю., Вьюркова А.А. Определение потерь давления аэросепаратора // Интеллектуальный потенциал молодежи XXI века в инновационном развитии современного общества: материалы V Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов. – Усть-Каменогорск, 2012. – С. 274 – 276. 16. Деревенко В.В., Глущенко Г.А. Пути снижения потерь масла с лузгой при переработке семян подсолнечника // Масложировой комплекс России: Новые аспекты развития: материалы VII международной конференции. – М., 2012. – С. 51 – 55. 24 17. Глущенко закономерности Г.А., Деревенко сепарирования В.В., рушанки Ткаченко семян Ю.Ю. Основные подсолнечника в аэросепараторе // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 5-й всероссийской научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. – Бийск, 2012. – С.166 – 169. Условные обозначения α – угол наклона приемного устройства; φ – угол трения; m – масса частицы, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2; KП – коэффициент парусности, м-1; Н – начальная скорость движения частицы по наклонной поверхности, м/с; U0, U – скорость воздушного потока соответственно в приемном устройстве (зона 1) и в вертикальном пневмосепарирующем канале (зона 2, 3), м/с; , K , В – соответственно время движения частиц лузги в зонах 1, 2 и 3, с. Подписано в печать 27.09.2012. Печать трафаретная. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 718. Отпечатано в ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120, тел. 8-918-41-50-571 e-mail: [email protected] Сайт: http://id-yug.narod2.ru