WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

ГАНИН АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВАЛКОВОМ АППАРАТЕ В РЕЖИМЕ ПОДПОРА

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ярославль – 2012

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет».

Научный консультант: доктор физико-математических наук, доцент Капранова Анна Борисовна ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Падохин Валерий Алексеевич ФГБУН Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук доктор технических наук, профессор Гончаров Григорий Михайлович ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет» им. В.И. Ленина,

Защита состоится 25 декабря 2012г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.308.01 при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88, ауд. Г219.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет», 1500г. Ярославль, Московский пр. 88.

Автореферат разослан «___» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. х. н., доцент Ильин А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Получение ленточных материалов с заданными прочностными характеристиками путем прокатки в валковых устройствах широко используется в химической промышленности. Описанию технологической операции прокатки посвящено большое количество научных работ, но применительно к дисперсным вязкоупругим материалам этот процесс остается малоизученным. При этом наиболее перспективным представляется применение в валковых аппаратах принудительного питания с обеспечением стабильного давления подпора рабочими органами питателя.

Для описания процесса механического уплотнения (деаэрации) дисперсных материалов самым последовательным, с точки зрения математического моделирования, является использование методов механики многофазных систем.

Однако в имеющихся в настоящее время моделях прокатки указанных сред в валковых устройствах учитываются только упругие характеристики твердой фазы. В тоже время в процессе уплотнения дисперсного материала происходит значительное сжатие газа (воздуха), и его избыточное давление может быть сравнимо с упругими напряжениями «твердого скелета». В связи с этим, актуальной проблемой является разработка методов расчета процесса прокатки дисперсных материалов в валковом зазоре с учетом их деаэрации, как операции сокращения объема среды без разрушения составляющих элементов твердой фазы.

Целью работы является математическое моделирование процесса прокатки дисперсных вязкоупругих материалов в валковом аппарате в режиме принудительной подачи с использованием шнекового питателя и, на основе полученных данных, разработка методики инженерного расчета режимных и конструкционных параметров указанного устройства.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработка математической модели движения и уплотнения дисперсных вязкоупругих материалов в шнековом питателе на базе методов механики гетерогенных систем;

- проведение согласно гидродинамическим методам теории прокатки дисперсных сред математического описания движения вязкоупругих материалов в валковом аппарате в режиме подпора с учетом деаэрации;

- проведение серии сравнительных теоретико-экспериментальных исследований процесса уплотнения дисперсных вязкоупругих материалов в производстве ленточных изделий и обоснование использования шнекового питателя;

- разработка методики инженерного расчета валкового аппарата с использованием принудительной подачи дисперсного вязкоупругого материала вращающимся шнеком.

Научная новизна работы:

– с позиции механики гетерогенных сред создана математическая модель уплотнения (деаэрации) дисперсных вязкоупругих сред в шнеке и получена функция для давления материала на выходе из питателя как зависимость от физикомеханических характеристик рабочей среды, а также конструктивных и режимных параметров данного устройства;

– на основе гидродинамической теории изотермического вальцевания создана математическая модель движения дисперсных вязкоупругих материалов в валковом аппарате в режиме подпора с учетом деаэрации;

– для обоснования математического описания указанных процессов проведена серия теоретико-экспериментальных исследований операции уплотнения дисперсных вязкоупругих материалов, определены основные показатели процесса их прокатки в условиях деаэрации при использовании подпора шнековым питателем.

Практическая значимость и реализация Разработана научно-обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета процесса прокатки дисперсных вязкоупругих сред в валковом устройстве при использовании принудительной подачи материала вращающимся шнеком с учетом деаэрации, представлена соответствующая блок-схема. Приведен пример расчета аппарата.

Предложена технологическая схема операции прокатки дисперсных вязкоупругих сред в валковом аппарате в режиме подпора материала с помощью шнекового питателя. Научно-техническая документация по выпуску ленточных уплотняющих материалов, составленная по разработанной схеме, передана в ЗАО «Ярославский завод вентиляционных изделий». Запланирован выпуск данной продукции в 2013-2014 годах.

Автор защищает – математическую модель движения и уплотнения дисперсных материалов в шнековом питателе, выполненную с учетом деаэрации в аксиальном направлении;

– математическую модель движения дисперсных вязкоупругих материалов в валковом аппарате в режиме подпора с учетом деаэрации;

– результаты теоретико-экспериментальных исследований процесса уплотнения дисперсных вязкоупругих материалов в валковом аппарате со шнековым питателем, обоснование использования режима подпора.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научных и научно-технических конференциях «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (Иваново, 2010); «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-23) (Саратов, 2010); «Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии» (НЭРПО) (Москва, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня, утвержденного ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 105 наименований.

Общий объем работы 115 страниц основного текста, включая рисунки и таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, задачи и дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе приведен общий анализ современного состояния процесса прокатки дисперсных вязкоупругих материалов в валковых аппаратах, а также представлены основные известные конструктивные схемы соответствующих устройств. Показано, что наиболее эффективным способом организации процесса прокатки является использование принудительной подачи с целью создания предварительного подпора уплотняемой среды. Проанализированы основные подходы к моделированию процесса прокатки для указанного случая. Анализ зарубежных и отечественных литературных источников показал, что наиболее общими, с точки зрения описания процесса уплотнения дисперсных сред, являются методы механики многофазных систем. Установлено, что в процессе прокатки указанных материалов в валковом аппарате важную роль играет технологическая операция удаления газа (воздуха).

Вторая глава посвящена математическому моделированию процесса принудительной подачи дисперсного вязкоупругого материала шнековым питателем и его прокатки в валковом аппарате. В п. 2.1 приведено описание объекта исследования. Схема валкового уплотнителя со шнековым питателем представлена на рис. 1. В п. 2.2 на основе механики гетерогенных сред Рис. 1. Схема валкового уплотнителя рассматривается движение и уплотнение со шнековым питателем:

1 - бункер с материалом, 2 – шнековый дисперсного вязкоупругого материала в питатель, шнековом питателе (рис. 2, а) с внутренним 3 – валки, 4 – формируемая лента d и внешним D диаметрами шнека, шагом винта hш, длиной L и частотой вращения n. Применяется метод обращенного движения, согласно которому шнек остается неподвижным, а материал вращается с угловой скоростью относительно оси z.

а) б) Рис. 2. Расчетные схемы движения дисперсной среды в шнековом питателе:

а) вдоль оси вращения винта; б) в сечении канала шнека В пренебрежении массовыми и центробежными силами в сравнении с силами упругости система дифференциальных уравнений для случая плоскодеформационного равновесия дисперсной среды в полярной системе координат (r, ) согласно схеме на рис. 2, б имеет вид:

r 1r r - r 1 r + + =0 + +2 =,. (1) r r r r r r Предполагается, что компоненты тензора напряжений линейно зависят от составляющих тензора деформаций r=2[(+2µ)r+];

=2[(+2µ)+r]; r=2µr. Принимая допущение, что среда уплотняется только в аксиальном направлении, с учетом указанных реологических соотношений из второго уравнения (1) следует уравнение:

+2µ +2µrr +2 +r =0, (2) ( )u 2u u 2 r2 r u(r,0)=с граничными условиями для окружных смещений u в форме: ;

r =2µ u r = при r=d2; r = 2µ u r - r 1 D d =0+ f МgH при ( (- ) ) r=D2. В последнем случае касательные напряжения определяются диссипативными силами и связностью материала 0. Здесь для рабочей среды:

f = tgТ – коэффициент внутреннего трения, H – высота слоя в бункере.

Задача решалась стандартным методом сеток. Результаты моделирования позволили рассчитать относительные деформации и, соответственно, оценить порозность материала 2k и давление подпора PП на выходе из шнека:

PП=2k(+µ)(r+). (3) Сопоставление теоретических и экспериментальных данных зависимости давления подпора дисперсных смесей от падения объемного расхода Q при различной производительности шнековой установки приведено в главе 3 (рис. 6).

В п. 2.3 на базе методов гидродинамики прокатки решается задача определения удельных давлений при движении дисперсных вязкоупругих смесей в валковом устройстве. Из теории переработки полимерных материалов валковыми аппаратами известно, что в межвалковом зазоре образуются две характерные области движения среды. По аналогии с этим представлением рассматриваются две условные зоны различного поведения дисперсного вязкоупругого материала (рис. 4, а): на первом этапе присутствует зона отставания (I), где скорость формируемой ленты меньше окружной скорости валков. После прохождения нейтральной точки на оси Ох в сечении В1-В2 следует зона опережения (II).

а) б) Рис. 3. Схемы прокатки дисперсного вязкоупругого материала в валковом зазоре:

а) – условное разделение на зоны движения: I – зона отставания, II – зона опережения;

б) - к расчету напряжений выделенного элемента среды Условие равновесия выделенного элемента abcd, положение которого определяется углом в зоне I (рис. 3, б), может быть записано в виде:

hdx+ P-x+ctg dh=0, (4) ( ) где h – половина толщины очага деформации в сечении с координатой x.

Введя безразмерную координату согласно (4) получим уравнение:

dP/d+F1 P=Ф, (5) ( ) ( ) где F1 и Ф - нелинейные функциональные зависимости, учитывающие ( ) ( ) значения безразмерных координат сечений соответственно входа 1 и нейтрального н положения материала в валковом зазоре. Граничное условие для уравнения (5) записывается как равенство давления валков P на уплотняемую среду при = P1 =PП удельному давлению подпора в сечении A1-A2 (рис. 3, а) в виде ( ).

В зоне II (рис. 3, а), которая соответствует области между сечениями В1-B2 и C1-C2 (рис. 3, б), согласно опытным данным плотность и толщина проката после прохождения нейтрального сечения В1-B2 при =н меняются незначительно. За счет гидростатического напора, создаваемого в зоне I силами трения и удельного давления, материал выдавливается в зазор между валками. Уравнение равновесия элемента a’b’c’d’ в зоне II н2 можно записать следующим образом:

( ) h0dx- Rd =0, (6) где удельная контактная сила трения учитывает значение безразмерной координаты 2 для сечения выхода С1-С2 из данной зоны.

При переходе к безразмерным координатам (6) имеет представление дифференциального уравнения, характеризующего процесс прокатки, в форме:

dP d=P F2 , (7) ( ) Pн =Pmax с граничным условием ( ), где F2() – нелинейная функция, учитывающая соотношение между 2 и н; Pmax - максимальное давление на участке опережения, которое достигается в нейтральной точке н, и вычисляется с помощью (5). Поиск приближенных решений уравнений (5), (7) выполнялся с помощью метода РунгеКутта 4-го порядка с автоматическим выбором шага.

Рис. 4. Зависимость P() – давления валков на формируемую ленту из смеси № 1:

1 – PП = 0,2 МПа;

2 – PП = 0,1 МПа;

n1 = 15 мин-Объединенный результат решения уравнений (5) и (7), который представлен на рис. 4, позволяет оценить зависимость максимального давления прокатки дисперсного материала от величины давления подпора при одних и тех же параметрах валков (на примере смеси №1, состав которой описан в главе 3). Вид графиков 1 и 2 на рис. 4 указывает на плавный экспоненциальный характер возрастания функции удельного давления прокатки среды P() в зоне I (рис 3, а) для движения дисперсного материала и ее резкое экспоненциальное убывание в зоне II. С увеличением давления подпора смеси № 1 шнековым питателем имеет место рост показателей давления между валками и формируемой в их зазоре лентой.

В п. 2.4 с помощью методов гидродинамического описания прокатки с учетом механики гетерогенных систем решается задача по определению деформаций в процессе движения дисперсного материала в валковом зазоре. Согласно общей теории упругости предполагается, что при деаэрации отсутствуют деформации «твердого скелета», в этом случае напряжения сжатия, возникающие в x=2[(+2µ)x+y] прокатываемой среде, определяются формулой, где относительные деформации x, y связаны со смещениями ux, uy по указанным координатам с помощью выражений: x = ux x,y = uy y. Уравнение (4) с учетом указанных реологических соотношений при переходе к безразмерной координате имеет следующее представление для оценки деформации в зоне I (рис. 3, а):

dx d+xG1()+G2()=0, (8) где величины G1() и G2() – нелинейные функциональные зависимости, учитывающие значения безразмерных координат сечений соответственно входа 1 и нейтрального положения н для материала в валковом зазоре. Граничное условие x=PП +2µ для уравнения (8) составляется из требования, чтобы на входе в ( ) область прокатки (сечение В1–B2) напряжение x было равно давлению подпора.

Численное решение уравнения (8), полученное методом Рунге-Кутта 4-го порядка с переменным шагом, позволяет оценить степень уплотнения и скорость движения вдоль оси x «твердого скелета» (рис. 3, б). Анализ полученных результатов расчета показал изменение порозности дисперсного вязкоупругого материала при движении в межвалковом зазоре в переделах (12 – 14)% от начального значения. В зоне I 1н сеточная функция V2x() является монотонно возрастающей.

( ) В п. 2.5 на основе методов механики многофазных систем приведен расчет движения и уплотнения газообразной фазы при прокатке дисперсных вязкоупругих материалов в зоне I межвалкового зазора (рис. 3, а). Система уравнений, описывающих движение газа, включает в себя соответственно уравнения:

фильтрации, состояния газа и неразрывности несущей фазы kµг–1dPг dx=-wx; Рг г=const ; d(гVгx) dx=0 (9) при выполнении соотношения wx = Vгх – V2x. Здесь для газа: Рг – давление; µг – вязкость; wx – относительная и Vгх – абсолютная скорости движения; а также V2x – скорость движения твердой фазы. Коэффициент газопроницаемости k зависит от пористости 1 дисперсной среды с начальным значением 10 = 1 – 20 и определяется формулой k=k0(1/10)n', где k0 – газопроницаемость при 10; n’ – константа, зависящая от свойств среды.

Взаимные подстановки уравнений системы (9) приводят к ее упрощению в форме обыкновенного дифференциального уравнения:

kµг-1dPг / dx-PV2x(x)=P20V20 (10) г с граничным условием Pг|x=0=P20, где Р20 и V20 – соответственно давление газа и скорость материала в точке с координатой х = 0 (рис. 3, б). Анализ численного решения для (10), полученного методом Рунге-Кутта 4-го порядка, показывает, что давление газа в процессе прокатки может быть одного порядка с напряжениями между валками и формируемой лентой из дисперсного материала.

В третьей главе представлены результаты оценки физико-механических характеристик дисперсных вязкоупругих материалов двух видов, а также теоретикоэкспериментальных сравнительных исследований процесса уплотнения дисперсных вязкоупругих сред в шнековом устройстве (рис. 5, а) и в валковом зазоре (рис. 5, б).

В состав рабочих веществ, кроме основных наполнителей для смеси № 1 – барит (27%), базальтовая вата (15%), а для смеси № 2 – неорганический волокнистый наполнитель (26%), графит (9%), входят и другие компоненты со связующим веществом. Упругие свойства указанных материалов определялись при их одноосном сжатии. В частности, согласно полученным компрессионным кривым для смеси № 1: = (8,68-8,79)103 Па; µ= (7,90-8,20)103 Па; для смеси № 2:

= (1,13-1,31)104 Па; µ= (1,02 -1,21) 104 Па. Опытные испытания образцов дисперсных сред позволили оценить по стандартной методике Дженике характеристику их связности (0 = (0,9 -1,2) 103 Па для смеси № 1;

0 = (0,7 - 0,9) 103 Па для смеси № 2).

а) б) Рис. 5. Схемы лабораторных стендов для исследования движения и уплотнения дисперсного материала: а) в шнековом питателе: 1 – смесь, 2 – двигатель, 3 – ременная передача, 4 – бункер, 5 - шнек, 6 – поршень, 7 – динамометр; б) в валковом зазоре: 1 – материал ; 2 – шнек;

3 – валки; 4 – датчик давления; 5 – тензометрический сенсор; 6 – формируемая лента Экспериментальные исследования указанных смесей показали, что они относятся к текучим дисперсным материалам с характерным пределом изменения степени уплотнения = (22 – 28)%. Для смеси №1 при 20 = 0,50 и 2K = 0,62 данный параметр составляет = 23% ( = (1-Н/к)·100. Согласно методике Керра оценки текучести дисперсных материалов используемые смеси №1 и №2 имеют IV класс из семи и входят в группу № 10 (первую из трех для данного класса) с суммарным показателем баллов в пределах (60 – 69). Расчет баллов производится по указанной методике со стандартными таблицами Керра для оценки физико-механических характеристик материалов (углов естественного откоса, обрушения, однородности, сцепления, виброуплотнения и т. д.). Фильтрационные свойства газа в процессе деаэрации дисперсных сред исследовались в установке с переменным расходом воздуха. Пределы изменения коэффициента газопроницаемости соответственно для смесей № 1 и № 2 равны k= (2,16 - 2,31) 10-11 м2 и k= (1,95 - 2,07) 10-11 м2.

Уплотнение материала при его подаче шнековым питателем в режиме подпора изучалось на экспериментальной установке (рис. 5, а) с геометрическими (d= 210-м; D= (6 - 8) 10-2 м; L= 310-1 м; hш = 310-3 м) и режимным n=(20-60) мин-параметрами. Согласно указанной схеме при вращении шнека от двигателя 2 через передачу 3 дисперсная смесь 1 захватывается ребордой, продвигается из питательного бункера 4 вдоль канала шнека 5 и давит на стенку поршня 6. Сопоставление расчетных согласно (3) и экспериментальных данных по давлению подпора различных смесей представлено на рис. 6.

а) б) Рис. 6. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных для зависимости давления подпора дисперсных вязкоупругих материалов от падения объемного расхода: n = 30 мин-1;

а) смесь № 1: 1 – Q1 = 5,6·10-4 кг/ч, 2 – Q1 = 6,9·10-4 кг /ч, 3 – Q1 = 8,3·10-4 кг /ч;

б) 1 – смесь № 1; 2 – смесь № 2; кривые – теория; точки – опытные данные Анализ графиков 1-3 (рис. 6, а) показывает очевидное возрастание давлений подпора в случае увеличения значений Q. При фиксированной величине падения объемного расхода наблюдается рост давления подпора с уменьшением производительности Q шнекового питателя. Выявлено, что зависимость указанного давления от показателя изменения расхода (рис. 6, а и б) имеет нелинейный характер, близкий к возрастающему экспоненциальному при удовлетворительном согласии с опытными результатами с относительной ошибкой порядка (9-11)%. Проявление вязкоупругих свойств используемого набора смесей приводит к тому, что давление подпора данных дисперсных материалов при одинаковых значениях падения расхода имеют разброс не более 0,2 МПа.

Процесс прокатки дисперсных вязкоупругих материалов исследования с помощью лабораторного стенда, часть которого показана на рис. 6, б. Материал 1 из бункера подается шнековым питателем 2 в зазор между валками 3, уплотняется и выходит в виде ленты 6. В верхний валок 3 вмонтирован датчик давления 4, состоящий из плунжерной пары, плунжер которой опирается на тензометрический сенсор 5. Конструкция установки позволяет использовать шнеки с различными геометрическими параметрами согласно схеме на рис. 2, а. Опытные испытания позволили проанализировать влияние изменения режимных параметров валкового устройства на процесс деаэрации дисперсных сред различных составов при следующих параметрах: конструктивных (R=(0,1-0,2) м; l=610-2 м) и режимном n1=(10-20) мин-1. Показания датчика в виде диаграмм удельных давлений в зазоре в зависимости от длины дуги контакта между материалом и поверхностью верхнего валка позволили выполнить сравнение (рис. 7) соответствующих им опытных кривых 1’ – 3’ и расчетных данных 1 – 3, согласно численным решениям уравнений (5) и (7) для зон I и II (рис. 3, а), соответственно. Случай практического отсутствия подпора материала шнековым питателем характеризуется семейством кривых 3 и 3’. Данный режим процесса прокатки испытуемых материалов обеспечивается увеличением расстояния между валом шнека и сечением A1-A2 (рис. 3, а).

Как видно из рис. 7, использование подпора при PП = (1,0 – 1,9) МПа изменяет показатель давления валков в нейтральном сечении В1-В2 (рис. 3, а) в (2,0 – 2,5) раза в сравнении с его значением без применения принудительной подачи испытуемых смесей. Данный факт свидетельствует, что применение шнекового питателя для получения формируемых лент шириной, сравнимой с внешним диаметром его винта, приводит к значительному снижению металлоемкости прокатного оборудования вследствие применения валков существенного меньшего радиуса.

Анализ зависимости P() согласно рис. 7 и 8 показал плавное экспоненциальное возрастание давления валков на формируемую ленту в зоне I (рис. 4, а) и резкое экспоненциальное убывание в зоне II. Например, изменение характерного параметра на величину =0,3 в первом случае приводит в увеличению показателя давления в (1,5-2,0) раза, а во втором — к снижению в (3,0-3,5) раза.

а) б) в) Рис. 7. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по давлению прокатки смеси № 1 в валковом зазоре: а) R = 1,0·10-1 м, б) R = 1,5·10-1 м, в) R = 2,0·10-1 м;

(1, 1’) - PП = 1,9 МПа, (2, 2’) - PП = 1,0 МПа, (3, 3’) - PП = 0; n1 = 15 мин-1;

(1’-3’) – опытные данные, (1-3) – теория Кроме того, наблюдается отставание расчетных искомых значений давления дисперсного материала (смесь № 1, рис. 7 и 8) от опытных при возрастании скорости прокатки указанной среды. В то же время, достижение значения, равного 0,1 м/c, линейной скорости движения формируемой ленты приводит к относительной ошибке, не превышающей 13%, между теоретическими и экспериментальными данными. При удвоении показателя скоростного режима имеет место рост относительной погрешности расчетов до 30 %. Данное обстоятельство можно объяснить влиянием на процесс движения материала в зазоре суммарного напряжения для твердой и газообразной фаз. Расчетные результаты, полученные в главе 2, учитывают влияние движения только твердого скелета. Однако при возрастании скорости поступательного перемещения формируемой ленты наблюдается сжатие газа в порах уплотняемого материала в валковом зазоре, т.к.

воздух не успевает просачиваться через пористую среду.

а) б) в) Рис. 8. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по давлению прокатки смеси № 1 в валковом зазоре: а) n1 = 10 об/мин, б) n1 = 15 об/мин, в) n1 = 20 об/мин;

PП = 0,1 МПа, R = 0,10 м; 1 – опытные данные, 2 – теория В четвертой главе изложена инженерная методика расчета режимных и конструктивных параметров валкового устройства, работающего в режиме шнекового подпора и предназначенного для уплотнения (деаэрации) дисперсной среды. В п. 4.1 содержится расчет для шнековых питателей: производительности Q1= hшnD2Т2k / 240 с учетом степени уплотнения материала и мощности привода N1=Q1Lf / (367ш)+ hшnD2PП / 240 в зависимости от конструктивных и режимных параметров шнека. В п. 4.2 описан способ оценки производительности валкового -аппарата согласно выражению Q2=2Rlh1Т (-x(н ) 2(н ) с учетом совпадения ) значений скорости ленты, формируемой из дисперсного материала и окружных скоростей точек соприкосновения с поверхностями валков в сечении В1–B2 (рис. 3, а). При этом мощность привода N2 вычисляется в соответствии с полученной сеточной функцией скорости движения твердого скелета вдоль оси формирования ленты от безразмерного параметра .

В п. 4.3 на базе проведенных в главах 2 и 3 теоретических и экспериментальных исследований, а также результатов главы 4, предложен способ расчета основных технологических и конструктивных параметров указанного валкового устройства (блок-схема на рис. 9). Вводный блок 1 содержит следующие исходные данные: производительность, толщину формируемой ленты из пористой зад Pmax среды и максимальное давление валков на уплотняемый материал. К технологическим параметрам процесса относятся частота вращения валков и ширина зазора между ними. Конструктивными параметрами являются диаметр и длина валков, а также параметры загрузочной зоны. Кроме того, учитываются физико- механические характеристики дисперсного материала, отражающие их упругие, вязкие и фильтрационные свойства (, , г, 20, k, 0, S, Т, Т).

Предложенный базовый вариант алгоритма расчета указанных характеристик валкового устройства, согласно которому в пределах автономного ограничения (RminRRmax) на область изменения конструктивного параметра – радиуса валков – выбирается начальное его значение. Затем, согласно предложенному математическому описанию указанного процесса - с учетом формулы (3) и численного решения уравнения (8) - производится последовательное вычисление значений величин (блоки 3-5), необходимых в расчетах показателей частоты вращения шнекового питателя и валков, избыточного давления газа в порах, зазора между валками и затрачиваемой мощности (блоки 6-8). При этом условный блок предназначен для проверки требования, в соответствии с которым напряжение газа в порах деаэрируемого дисперсного материала не должно превышать 20% от максимального давления, действующего на указанную среду со стороны уплотняющих валков. Вывод искомых параметров устройства и показателей рассматриваемой технологической операции производится с помощью блока 9.

В работе рассмотрен пример расчета валкового аппарата при прокатке № 1 с содержанием блока 1 в виде: исходных данных зад Q2 = 1,8·102 кг/ч; h1 = 3·10-3 м; Pmax = 6,0 МПа;

конструктивных параметров установки:

м; м;

d= 210-2 D=810-2 м; L= 310-R= 1,510-hш = 310-2 м; м; l=610-2 м.

Физико-механические характеристики материала: = 8,73·103 Па; = 8,05·103 Па;

г = 1,72·10-5 Па·с; k = 2,24·10-11 м2;

0 = 1,05·103; 20 = 0,5; S = 0,79; Т = 440;

Т =8,4·102 кг/м3. В результате расчетов согласно блок-схеме (рис. 10) получены искомые показатели: n = 27 мин-1; n1 = 11 мин-1;

Pг = 0,6 МПа; h0 = 2,5 мм; N1 = 0,78 кВт;

N2 = 1,12 кВт. Предложенная инженерная методика оценки режимных параметров и интегральных характеристик процесса прокатки дисперсных материалов в валковом устройстве была использована при изготовления опытного Рис. 9. Блок-схема расчета параметров образца в научной лаборатории Ярославского валкового устройства с режимом подпора государственного технического университета и апробирована в ЗАО «Ярославский завод вентиляционных изделий». Опытные испытания указанного устройства подтвердили правильность расчетных параметров.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ d, D – внутренний и внешний диаметры шнека, м; h0 – межвалкового зазора, м;

h1 – толщины ленты, м; hш – шаг шнека, м; k – коэффициент газопроницаемости среды, м2; – длина шнека L, м; N1 и N2 – мощности привода шнекового питателя и валкового уплотнителя, кВт; n и n1 – частоты вращения шнека и валков, мин-1;

P – удельное давление на среду со стороны валков, Па; Pг – избыточное давление газа, Па; PП – давление подпора, Па; Q1 и Q2 – производительности шнекового питателя и валковой машины, кг/с; Q – потеря объемного расхода шнекового питателя, м3/с; R – радиус валков, м; S – коэффициент проскальзывания; u – окружные смещения, м; 1 и 2 – пористость и порозность; 20 и 2K – порозность материала до и после уплотнения; r, , r и x, y – компоненты тензора деформаций в системах (r, ) и (x, y), м; – нормальные деформации в системе – степень уплотнения материала, %; ш – КПД привода шнека; , – параметры Ламе, Па;

; 1, 2, н – значения на входе в зоны I и II, на выходе из зоны II; Т,Н, =x / 2RhК – плотности среды – истинная, насыпная, после уплотнения, кг/м3; r, , r и x – компоненты тензора напряжений в системах (r, ) и (x, y); – удельная контактная сила трения, Па; 0 – связность материала, Па; – угловая скорость вращения валков, с-1.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Анализ современных литературных источников показал, что принудительная подача дисперсных сред и ее влияние на основные режимные и конструктивные параметры работы валкового аппарата в производстве ленточных материалов – малоизученный процесс, как с теоретической, так и практической сторон.

2. На основе методов механики гетерогенных сред разработана математическая модель движения и уплотнения дисперсного вязкоупругого материала в шнековом питателе, и впервые получена зависимость давления подпора с учетом деаэрации, как функция от относительной величины падения объемного расхода, имеющая нелинейный характер. Показано, что в исследуемом диапазоне падения объемного расхода (1,2 – 2,0)·10-5 м3/с разброс значений искомого давления подпора для используемых смесей не превышает 0,2 МПа.

3. На базе гидродинамической теории прокатки выполнено математическое моделирование движения дисперсного вязкоупругого материала в валковом аппарате с учетом деаэрации. Выявлено, что на основе предложенного математического описания данного процесса можно достичь необходимого значения максимального давления на уплотняемую среду с помощью использования шнекового питателя при значительно меньших размерах валков по сравнению с режимом работы аппарата без подпора.

4. Теоретико–экспериментальные исследования механизма протекания процесса деаэрации дисперсного вязкоупругого материала в валковом устройстве показали, что в рассматриваемых пределах изменения режимных параметров давление газа при достижении определенных значений существенно влияет на качество ленты.

5. При проведении серии сравнительных теоретико-экспериментальных исследований прокатки дисперсных вязкоупругих материалов в валковом аппарате доказана удовлетворительная сходимость опытных и расчетных данных.

6. На базе предложенных в работе зависимостей основных показателей процесса прокатки дисперсных вязкоупругих сред с учетом деаэрации, разработана методика и составлена блок-схема расчета основных режимных и конструктивных параметров валкового аппарата в процессе получения ленточных материалов в режиме принудительной подачи. Приведен пример расчета промышленной установки.

Выданы рекомендации по проектированию валкового аппарата в режиме подпора для частоты вращения вала шнека и валков соответственно в пределах n = (25 – 30) мин-и n1 = (10 – 15) мин-1 при достижении заданных значений давления прокатки материалов в диапазоне (5,5 - 7,0) МПа.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Ганин, А. В. Математическое описание прокатки вязкоупругих материалов в валковой машине с давлением подпора [Электронный ресурс]/ А. В. Ганин, А. Б.

Капранова // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – Режим доступа: URL: www.science-education.ru/106-732. Деформационная модель вертикального движения порошков в центробежном деаэаторе / А.Б. Капранова, А.И. Зайцев, А.В. Ганин, А.М. Васильев // Изв. ВУЗов. сер. «Химия и химическая технология». – 2012. – Т.55, № 10. – С. 99-101.

3. Исследование трехмерного поля скоростей при движении порошков в центробежном деаэраторе / А. Б. Капранова, А. И. Зайцев, А. В. Ганин, А. М. Васильев // Изв. ВУЗов. сер. «Химия и химическая технология». – 2012. – Т. 55, № 10. – С. 102-104.

4. Ганин, А. В. Определение удельных давлений при прокатке вязкоупругих смесей с давлением подпора / А. В. Ганин, А. С. Алексеев, А. А. Мурашов // IX международная научная конференция. Сборник трудов. (Иваново.2010).–С. 31-34.

5. Ганин, А. В. Исследование процесса прокатки вязкоупругих смесей с давлением подпора / А. В. Ганин, А. С. Алексеев, А. А. Мурашов // Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-23. : сб. трудов ХХIII Междунар. науч. конф.

Т. 11. – Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. – С. 43-6. Капранова, А. Б. Исследование движения несущей фазы при деаэрации тонкодисперсной среды в центробежном лопастном уплотнителе / А. Б. Капранова, А. М. Васильев, А. В. Ганин // Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии - НЭРПО-2011 : материалы 2-ой Междунар. науч.-техн. конф. – Москва : Изд. МГОУ, 2011. – С. 253-256.

7. Капранова, А. Б. Оценка коэффициента проскальзывания порошков вдоль эвольвентной лопасти центробежного деаэратора / А. Б. Капранова, А. М. Васильев, А. В. Ганин // Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии - НЭРПО-2011 :

материалы 2-ой Междунар. науч.-техн. конф. – Москва : Изд. МГОУ, 2011. – С. 260264.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.