Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
В статье представлены выражения для расчета объемного расхода воздуха при пневмотранспортировании, расходной концентрации материала, а также выведена формула критической скорости воздуха в цементопроводе, при которой частицы не выпадают на дно трубопровода. Во всех стадиях процесса пневматического транспортирования цемент находится в газодисперсном состоянии, т.е. в виде смеси частиц и воздуха. Свойства таких смесей определяются не только свойствами самих частиц и находящегося между ними воздуха, но и соотношением их содержания.
пневмокамерный насос, пневмотранспортирование, псевдоожижение, скорость истечения воздуха, двухфазная среда
Введение. Соотношение обеих составляющих частей цементной аэросмеси характеризуется несколькими количественными показателями, важнейшим из которых является пористость или газосодержание. В установках для перекачки цемента пневмокамерными насосами реализуется наиболее экономичный режим пневмотранспортирования потоками с высокими концентрациями материала и низкими скоростями. Установлено, что расходная концентрация уменьшается с увеличением дальности транспортирования [1, 2, 5].
Основная часть.
В таких потоках объемная концентрация материала может достигать значений, близких к насыпному состоянию
(1)
Такие высокие концентрации материала возникают на входе в цементопровод. Дальше по мере ускорения движения материала его концентрация снижается до уровня Массовые расходы воздуха и цемента в цементопроводе определяются соотношениями
(2)
(3)
где – площадь поперечного сечения трубопровода, м2;
– плотности воздуха и цемента, кг/м3;
– их скорости, усредненные по площади поперечного сечения трубы, м/с.
Загрузка цементопровода материалом характеризуется его действительной или мгновенной массовой концентрацией, равной отношению массы материала к массе воздуха в каком-либо выделенном отрезке трубопровода
(4)
Величина является локальной характеристикой потока цементной аэросмеси, которая меняется вдоль цементопровода. Пневмотранспортную установку в целом характеризует расходная концентрация материала, равная отношению массовых расходов цемента и воздуха
(5)
При ≥10 кг/кг концентрация цемента считается высокой, а при
≥60 кг/кг в цементопроводе устанавливается плотный слой материала.
Основные параметры потока цементной аэросмеси, скорости фаз, концентрация частиц и другие показатели непрерывно меняются как во времени, так и вдоль цементопровода, поэтому при описании процесса пневмотранспортирования часто используются скорости фаз, приведенные к поперечному сечению камеры насоса или трубопровода
(6)
(7)
где – объемные расходы воздуха и материала.
Приведенные скорости воздуха и материала
фиктивны. Реальные среднерасходные скорости, определяемые из формул (2, 3), всегда больше фиктивных, поскольку находящийся в аэросмеси материал приводит к уменьшению живого сечения цементопровода.
Показателями эффективности пневмотранспортного процесса является удельная нагрузка на поперечное сечение цементопровода
(8)
а также удельный расход сжатого воздуха на транспортирование
(9)
где – объемный расход воздуха, приведенный к нормальным условиям, м3/с.
Характерной особенностью двухфазных потоков является опережающее движение несущего воздушного потока относительно частиц материала. Отношение скорости транспортирующего воздушного потока к скорости цементных частиц, т.е. коэффициент скольжения можно оценить с помощью следующей эмпирической зависимости
(10)
Верхним пределом скорости воздуха в цементопроводе следует считать критическую скорость, при которой частицы не выпадают на дно трубопровода. Ее величину можно оценить с помощью эмпирического соотношения
(11)
При использовании пневмокамерных насосов надёжно транспортирующая скорость воздушного потока, исключающая завалы цементопровода, как правило, ниже критической, но ее величина подбирается опытным путем.
Протекание процессов пневмотранспортирования цемента в значительной мере зависит от свойств самого транспортирующего агента – сжатого воздуха.
Параметры сжатого воздуха, связаны между собой уравнением состояния идеального газа [3, 4]
(12)
где P –давление воздуха, Па; V – объем, занимаемый воздухом, м3; – масса воздуха, кг; T – абсолютная температура воздуха,
K (Т=273+t ºС); R - удельная газовая постоянная воздуха, R= 287,3 Дж/кг·К.
Из уравнения (2.37) следует зависимость плотности воздуха от давления и температуры
(13)
При нормальных условиях (P0 = = 1 атм = 101325 Па, t = 20 ºС, = 293 К) плотность воздуха ρ = 1,2 кг/м3, а в емкости пневмокамерного насоса (P = 0,6 МПа, t = 140 ºС) достигает ρ = 5,12 кг/м3.
Вязкость воздуха с увеличением температуры возрастает. Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры имеет вид
(14)
Коэффициент кинематической вязкости воздуха зависит не только от температуры, но и от давления
(15)
При нормальных условиях = 15⋅10-6 м2/с, а в камере насоса снижается до 7,4⋅10-6 м2/с.
Приведение объемного расхода воздуха к нормальным условиям можно выполнить по формуле
(16)
где – давление, температура и объемный расход воздуха в рабочих условиях.
Давление включает в себя и атмосферное давление
(17)
где - избыточное давление, Па.
Скорость истечения воздушной струи через ограниченный слой дисперсной среды составляет от 10 до 50 % скорости звука в воздухе, которая определяется соотношением
(18)
где = 1,405,
,
– показатель адиабаты, давление и плотность воздушной фазы соответственно. Для струй, истекающих в цемент из сопел аэрационного устройства пневмокамерного насоса, скорость истечения может принимать значения от 80 до 130 м/с. При таких скоростях в толще цемента вблизи сопел возникают факелы (каверны), заполненные газовзвесью с газосодержанием
= 0,9–0,98. Длину факелов струй можно оценить с помощью эмпирического соотношения [2]
(19)
где – объемный расход струи, м3/с.
По мере затухания струй их скорость снижается, ее можно определить
(20)
где – скорость истечения струи, м/с;
– диаметр сопла, м; l – расстояние, м.
Выводы. Цементно-воздушная смесь, образуемая аэрационным устройством в нижней зоне камеры насоса, нагнетается сжатым воздухом в разгрузочный патрубок в виде пульсирующего газодисперсного потока, в котором сгустки (пробки) сильно концентрированной смеси перемещаются воздушными пузырями, в которых материал находится в виде газовзвеси. При переходе на горизонтальные участки цементопровода цемент выпадает на дно и перемещается в виде волн или гребней. Сильно выраженная неоднородность потоков цементной аэросмеси, создаваемых пневмокамерными насосами, исключает возможность применения для их расчета методов, разработанных для расчета пневмотранспорта во взвешенном (аэрозольном) состоянии.
1. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия, 1984. 104 с.
2. Урбан Я. Пневматический транспорт. Под ред. Л.М. Шведова. М.: Машиностроение, 1967. 253с.
3. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1975. 223 с.
4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1991. 600 с.
5. Богданов В.С., Фадин Ю.М., Шаптала В.В., Гавриленко А.В. Расчет параметров псевдоожиженного слоя в пневмокамерном насосе // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 2. С. 65–67.
