Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
аспирант
Белгородская область, Россия
Россия
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ББК 347 Технология производства оборудования отраслевого назначения
В настоящее время дезинтеграторы являются одним из видов оборудования, применяемого при помоле, смешении и активации ряда материалов. В данной статье предложено описание конструкции дезинтегратора с патрубком рецикла материала, обеспечивающим необходимую тонкость продукта помола. Патрубок рецикла содержит отводной канал для отделения тон-кого продукта, расположенный в верхней части конструкции. Высокая частота вращения ро-торов дезинтегратора обеспечивает измельчение материала в рабочей камере и получение высокой скорости рециркулируемого двухкомпонентного потока «воздух – частицы материала». Данный процесс требует дополнительных затрат мощности электродвигателей на преодоление аэродинамического сопротивления конструктивных элементов патрубка рецикла. Используя фундаментальные труды профессора И.Е. Идельчика, в статье получено аналити-ческое выражение, позволяющее определить суммарный напор, создаваемый дезинтегратором, через сумму потерь во всех ранее рассмотренных элементах патрубка рецикла, учиты-вая его аэродинамическое сопротивление. Представлена расчетная схема для определения аэродинамического сопротивления в патрубке рецикла дезинтегратора. При проведении экспериментов определялись потери давления, учитывая коэффициенты местного сопротивления. В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что суммарный напор зависит от конструктивных и технологических параметров патрубка рецикла дезинтегратора. Результаты подстановки численных значений данных параметров показывают, что основные потери давления приходятся на преодоление сопротивления поворотной заслонки. При площади поперечного (в проекции на вертикальную плоскость) сечения сегмента с высотой h = 8 мм, через которую проходит реверсируемый поток воздуха, данные потери составляют 84,5%, при этом потери давления на сопротивление кольцевой трубы составляют 14,1 %.
дезинтегратор, сопротивление, патрубок, материал
Экспериментальная установка дезинтегратора для обеспечения необходимой тонкости помола оснащена патрубком рецикла материала (обеспечивающего его многократное пребывание в камере помола), представляющей собой цилиндрический корпус с двумя патрубками: на входе (загрузочный) и на выходе (разгрузочный). Значительная скорость вращения роторов (более 3000 мин-1) обеспечивает не только тонкое измельчение, но и вызывает высокие скорости рециркулируемого двухкомпонентного потока «воздух-частица материала», что требует большой мощности используемых электродвигателей на преодоление аэродинамического сопротивления элементов патрубка рецикла (рис.1).
Оценим величину сопротивления патрубка рецикла с помощью расчетов, используя фундаментальную работу профессора Идельчика И.Е. [1].
Определим потери давления при плавном повороте воздуха в резиновом рукаве 1. Коэффициент сопротивления рукава:
(1)
где – сопротивление на трение в рукаве;
– местное сопротивление на поворот потока.
Сопротивление на трение в рукаве (1):
(2)
где р – коэффициент гидравлического сопротивления;
– длина рукава; d0 – диаметр переходника (конфузора).
Учитывая значительные величины скорости воздуха в резиновом рукаве ( м/с) и большое число Рейнольдса, которое составляет (при
м и
м2/с при t0 =
20 °C):
коэффициент гидравлического сопротивления р уменьшается [1, 2]:
Рис. 1. Расчетная схема для определения аэродинамического сопротивления в патрубке рецикла
дезинтегратора:
1 – рукав из гладкой резины при d0 = 0,05 м, α = 180°; Rср = 0,425 м; 2 – стальной тройник;
3 – поворотная заслонка; 4 – переходник (конфузор) с d0 = 0,05 м на квадратное сечение 0,03×0,03 м;
5 – кольцевая труба с наружным диаметром dн = 0,045 м и внутренним dв = 0,029 м;
6 – загрузочный патрубок с внутренним диаметром dп = 0,025 м и толщиной стенок 0,002 м;
7 – роторы камеры помола; 8 – корпус
Местное сопротивление определяется по формуле [1, 3, 4]:
(3)
где – коэффициент, учитывающий угол изогнутости патрубка, определяемый по формулам [4] , при
:
(4)
– коэффициент, учитывающий влияние относительного радиуса кривизны патрубка, где
, определяется по формуле [1]:
(5)
– коэффициент, учитывающий влияние относительной вытянутости поперечного сечения патрубка
в нашем случае для круглого сечения
Потери давления на первом участке патрубка рецикла определяются по формуле:
, (6)
где плотность воздуха,
кг/м3.
Определим потери давления на втором участке патрубка рецикла (тройник с поворотной заслонкой). Скорость в нижнем отводе тройника , и сопротивление на трение ствола тройника пренебрежимо мало в силу малой его длины. Наибольшая скорость воздуха в зазоре между поворотной заслонкой и стенкой ствола тройника:
(7)
где 
– площадь поперечного сечения ствола тройника (
= 0,05 м); 
– площадь поперечного (в проекции на вертикальную плоскость) сечения сегмента с высотой h = 8 мм, через которую проходит реверсируемый поток воздуха с расходом 
, (предполагая, что скорость воздуха в нижнем отводе тройника пренебрежимо мала), 
.
Рис. 2. Схема тройника 2 с поворотной заслонкой (рассекателем) 3
Коэффициент местного сопротивления поворотной заслонки, отнесенный к скоростному давлению в патрубке рецикла диаметром = 0,05 м, определяется по формуле [5]:
, (8)
где потери давления на поворотной заслонке, определяемые по формуле:
(9)
Определим потери давления в переходнике 4. Для инженерных расчетов общий коэффициент сопротивления переходников представляется в виде суммы коэффициентов местных сопротивлений ( ) и коэффициента сопротивления трения(
):
(10)
где потери давления;
скорость воздуха в переходнике 4.
Величина коэффициента местного сопротивления при турбулентном течении определяется по формуле [6, 1]:
(11)
где рад (где
измеряется в градусах);
(
площадь квадратного отверстия переходника 4).
Рис. 3. Расчетная схема переходника (конфузора) между патрубком рецикла и кольцевой трубой
Коэффициент сопротивления на трение рекомендуется определять по формуле для труб (при α<100):
(12)
где lк – длина переходника (конфузора 4); dк – меньший диаметр переходника; определяется по формуле [1, 7]:
при и
(13)
Потери давления в переходнике 4 определяются по следующей формуле:
(14)
Максимальные потери давления реализуются при выходе воздуха из переходника в открытое пространство (в этом случае
(15)
Определим потери давления в кольцевой трубе (позиция 5 рисунка 1) со спиральными ребрами.
Величина коэффициента сопротивления трубы кольцевого поперечного сечения определяется [8, 9, 1] по формулам:
(16)
где Hс – высота спирали; Hс = 2Т. D0 – внутренний диаметр кольцевой трубы; Т – шаг витка спирали; определяется по формуле (13);
коэффициент, определяемый по формуле:
(17)
Коэффициент определяется по графику (а) [1].
Гидравлический диаметр определяем из рис. 4:
(18)
(19)
Определим скорость W0 в поперечном сечении спирального канала кольцевой трубы. Для этого определим расстояние между ребрами h0 (см. развертку спирального канала на рис. 4).
(20)
При зазоре между цилиндрическими поверхностями δр, площадь поперечного сечения для спирального потока воздуха определяется следующим образом:
(21)
Рис. 4. Развертка спирального канала
Гидравлический диаметр винтового канала определяется как:
(22)
Тогда средняя скорость:
(23)
Потери давления в кольцевой трубе со спиральными ребрами:
(24)
Потери давления на выходе из кольцевой трубы в приемную камеру дезинтегратора при
W0 = 48,2 м/с и коэффициент сопротивления составляют:
(25)
Суммарные потери кольцевого канала:
(26)
Тогда суммарный напор, создаваемый дезинтегратором-нагнетателем, через сумму потерь во всех ранее рассмотренных элементах патрубка рецикла, равен:
(27)
Подстановка численных значений геометрических и технологических параметров, а также коэффициентов местного сопротивления на всех участках патрубка рецикла показывает, что основные потери давления приходятся на преодоление сопротивления поворотной заслонки. При h = 8 мм данные потери составляют 84,5 %, при этом потери давления на сопротивление кольцевой трубы составляют
14,1 %. Таким образом, из выражения (27) можно заключить, что суммарный напор зависит от конструктивных и технологических параметров патрубка рецикла дезинтегратора.
1. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., «Машиностроение», 1975. 559 с.
2. Тольцман В.Ф., Шевелев Ф.А. Гидравлическое сопротивление резиновых рукавов. В кн.: Исследование по гидравлике. 1952. 190 с.
3. Абрамович Г.Н. Аэродинамика местных сопротивлений // Сб. Промышленная аэродинамика. Труды ЦАГИ, вып. 211. 1935. С. 65–150.
4. Некрасов Б.Б. Гидравлика. ВВА, 1954, 290 с.
5. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления (физико-механические основы). Госэнергоиздат, 1954, 356 с.
6. Levin I., Clermont F., Etude des pertes de charge singulieres dans les convergents, "Le Genie Civil" 1970. Vol. 147. No. 10. Pp. 11–20.
7. Альтшуль А.Д., Калицун В.М. О коэффициенте сопротивления конфузоров // Известия ВУЗов. Энергетика. 1960. №7. С. 130–136.
8. Золотов С.С. Гидравлическое сопротивление каналов кольцевого сечения. Труды Ленинградского кораблестроительного института, вып. 74. 1971. С. 41–49.
9. Субботин В.И., Ушаков П.А., Шейнина А.В. Гидравлическое сопротивление узких кольцевых каналов со спиральными ребрами. "Атомная энергия", 1966. Т. 25. №1. С. 13–16.
