Процессы в воздушном сепараторе с диаметральным вентилятором

Продовольственная программа СССР на период до 1990 года предусматривает дальнейшее развитие крупяной промышленности. Объем выработки крупы к 1990 году планируется довести до 5 млн. тоннна крупяных предприятиях в одиннадцатой и двенадцатой пятилетках будут введены в действие мощности по переработке 8−8,5 тысяч тонн зерна в сутки /2/. Значительное увеличение производства крупы, повышение ее качества, более полное использование зерна на пищевые цели требует создания высокоэффективного технологического оборудования.

Воздушный сепаратор (аспиратор, дуоаспиратор) — одна из-наиболее распространенных, а при производстве некоторых круп, самая распространенная технологическая машина на крупозавэде. Воздушные сепараторы выполняют следующие операции.

1. Выделение легких примесей из зерна.

2. Выделение лузги и мучки из продуктов шелушения.

3. Контроль лузги (выделение ядра).

4. Выделение мучки из крупы после шлифовальных систем (для риса).

5. Контроль дробленого ядра (выделение мучки и лузги).

6. Контроль крупы (выделение мучки и лузги).

Эффективность каждой операции имеет существенное влияние на технологические показатели крупозавода. Легкие примеси, оставшиеся в зерне перед первым шелушением (после операции I), лузга и мучка, оставшиеся в зерне перед повторным шелушением (после операции 2), вызывают снижение количества шелушеных зерен и увеличивают количество дробленого ядра. Ядро, не выделенное из лузги (после операции 3), идет вместе с лузгой в отходы, В соответствие с /53/ содержание дробленого ядра в лузге, идущей в отходы, не должно превышать 1% от ее массы. Мучка и лузга, оставшиеся в крупе после операций 4−5-6, снижают качество готовой продукции. Содержание мучки и лузги в крупах ограничивается десятыми и сотыми долями процента, а в некоторых крупах вообще не допускается /53/. Таким образом задача возможно более полного разделения зерновых смесей при производстве крупы имеет важное значение.

Степень разделения зерносмеси принято оценивать коэффициентом выделения легкого компонента I?, равным отношению количества выделенного легкого компонента к его количеству в исходной смеси. На применяемых в крупяной промышленности воздушных сепараторах коэффициент выделения лузги при содержании полезного продукта в относах 1,5−2 $ составляет 40−90 $ в зависимости от продукта, удельной нагрузки и марки сепаратора /67/. Учитывая отрицательные последствия, к которым приводит неполное разделение зерносмеси, эффективность воздушных сепараторов следует признать низкой. Этот вывод находит практическое подтверждение в том, что наиболее ответственные операции на крупозаводах выполняют два последовательно установленных сепаратора.

С 1980 года Московский технологический институт пшцевой промышленности с нашим участием, совместно с лабораторией сепарирования Всесоюзного научно-исследовательского института зерна и продуктов его переработки (ВНИИЗ) проводит работы по созданию высокоэффективного сепаратора на замкнутом цикле воздуха (з.ц.в.) для крупозаводов. Выполняемая работа включена в координационный план научных исследований Минзага СССР на 198 185 г. г. Исследования осуществляются в направлении совершенствования широко применяемых воздушных сепараторов с вертикальным каналом прямоугольного сечения и осадочной камерой центробежного типа.

Низкая эффективность сепарирования применяемых в крупяной промышленности сепараторов (СТ-121, А1-БДА, А1-БВЗ) объясняется главным образом неравномерностью воздушного потока в рабочем канале. Так как полигоны распределения скоростей витания разделяемых компонентов зерносмесей частично перекрываются, или их смежные участки близки /67/, то в областях канала с повышенной скоростью воздушного потока происходит перенос полезного продукта в относы, а в областях с пониженной скоростью — уменьшается количество выделенного легкого компонента. Применяемые в серийных сепараторах центробежные вентиляторы обуславливают весьма неравномерное поле скоростей воздушного потока в рабочем канале. В связи с этим в разрабатываемом сепараторе использован о о диаметральный вентилятор, создающий в силу своих конструктивных особенностей поле скоростей со значительно меньшей неравномерностью по длине канала, что обеспечивает существенное повышение эффективности сепарирования.

На первом этапе работ аспирантка Ханова Л. А. определила аэродинамические свойства продуктов шелушения крупяных культур и исследовала процесс осаждения частиц в осадочной камере сепаратора. В результате был получен вывод о возможности выделения лузги и мучки по скоростям витания из всех смесей крупяного производства и определена эффективность осаждения лузги в осадочной камере. Данные результаты позволили обосновать возможность создания универсального высокоэффективного сепаратора с з.ц.в. для крупяной промышленности.

Целью нашей работы является создание высокоэффективного сепаратора с диаметральным вентилятором на замкнутом цикле воздуха для крупозаводов. Для создания такой машины требуется совершенствование всех основных составных частей сепаратора и определение оптимальных параметров ввода продукта в канал. Ниже показаны основные задачи, которые были решены наш в связи с этим.

Эффективность процесса сепарирования зависит от распределения скорости воздушного потока по ширине рабочего канала. Известно /45−69/, что эпюра скоростей выше места поступления продукта домна быть равномерной. Влияние на эффективность сепарирования распределения скоростей воздушного потока ниже места поступления продукта изучено недостаточно. Определение оптимальной эпюры скоростей и создание устройства, обеспечивающего ее получение, является актуальной задачей.

Из рабочего канала легкий компонент воздушным потоком по транспортному каналу переносится в осадочную камеру. От формы и размеров транспортного канала зависит: а/ положение частицы во входной части осадочной камеры и, следовательно, вероятность ее осаждения в камереб/ положение частицы в канале и, следовательно, вероятность ее осаждения в нем.

Осаждение и накопление продукта на нижней стенке канала сужает его сечение, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления сепаратора и нарушает режим его работы. Осевший здесь продукт может стать источником зараженности. В настоящее время оптимальная форма и размеры транспортного канала не определены.

В осадочной камере центробежного типа оседает 98−99% лузги, имеющей соответственно скорость витания 1−4 м/с /67/. В сепараторе, работающем на замкнутом цикле воздуха, не осевший в камере легкий компонент переносится воздушным потоком в зону сепарирования, где, проходя через слой очищенного продукта, засоряет его. По этой причине сепараторы с з.ц.в. имеют более низкую эффективность, чем сепараторы на разомкнутом цикле воздуха. Создание осадочной камеры, где оседает более 99% лузги, поступающей в нее, является необходимым условием высокоэффективной работы сепаратора на з.ц.в.

Технологические машины крупозаводов, в том числе и воздушные сепараторы, испытывают колебания зерновой нагрузки. Это вызывает изменение сопротивления сети сепаратора и, следовательно, изменение расхода воздуха. При увеличении расхода, увеличивается унос зерна из рабочего канала в осадочную камеру, при уменьшении — снижается количество выделяемой лузги и мучки. Важно, чтобы отклонения названных параметров от номинальных значений, установленных в соответствие с требованиями технологического процесса, были минимальными. Данная задача стабилизации показателей процесса сепарирования при колебаниях зерновой нагрузки в серийных сепараторах не решена.

Теоретические и экспериментальные исследования, имевшие целью создание сепаратора с диаметральным вентилятором на з.ц.в. для крупозаводов, проведенные в соответствие с изложенными выше задачами, позволили получить следующие новые научные результаты.

— Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена модель движения частиц легкого компонента в транспортном канале воздушного сепаратора, позволяющая определить его оптимальную форму и размеры.

— Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения эффективности пневмосепарирования путем обеспечения требуемой жесткости характеристики давления вентилятора. Получена методика определения оптимального угла наклона характеристики.

— Установлено, что увеличение скорости воздушного потока в рециркуляционном канале диаметрального вентилятора обеспечивает повышение полного давления, производительности, КПД вентилятора и коэффициента жесткости характеристики давления.

Часть представленной наш работы выполнена совместно: экспериментальные стенды созданы совместно с аспиранткой Хановой Л. А., исследование транспортного канала, осадочной камеры и диаметрального вентилятора — совместно со стажером Барабаш Ю.Г.

Реализация результатов работы и их практическая полезность.

В 1977 г. Горьковское отделение ВНИЭКИПродмаш по исходным требованиям 'МТШШ изготовило первый экспериментальный воздушный аспиратор с диаметральным вентилятором на з.ц.в. AI-БДЗ. Он был установлен в рисоцехе Красноармейского комбината хлебородуктов. Впоследствие аспиратор был усовершенствован по нашим рекомендациям. При испытании аспиратора на операции очистки зерна, проведенном Хановой I.A. /67/, и на операции разделения продуктов шелушения, проведенном нами (Приложение 3), он показал значительно более высокую эффективность, чем применяемый в цехе аспиратор CT-I2I, имеющий центробежный вентилятор. При выделении лузги и мучки из продуктов шелушения риса аспиратор AI-БДЗ способен заменить два последовательно установленных аспиратора CT-I2I.

Приведенные в нашей работе исследования, позволили еще более повысить эффективность сепарирования. С учетом полученных данных разработаны исходные требования на проектирование двух усовершенствованных экспериментальных аспираторов производительностью 5 и 10 т/ч. В настоящее время ГО ВШЭКИпродмаш разрабатывает на них конструкторскую документацию.

По материалам диссертации опубликовано три печатных работы и получено авторское свидетельство на изобретение «Сепаратор зерно-продуктов» в соавторстве с научными руководителями.

I. Состояние вопроса. Задачи исследования.

— 186-Общие выводы.

1. В зерноперерабатывающей промышленности в последние годы отмечается тенденция создания воздушных сепараторов с диаметральным вентилятором (д.в.). Данный вентилятор в отличии от центробежного генерирует плоскопараллельный равномерный по длине рабочего канала сепаратора воздушный поток, что обеспечивает значительное повышение эффективности сепарирования.

2. Несмотря на возросшую благодаря д.в. эффективность воздушных сепараторов, ее следует считать недостаточной при разделении продуктов крупяного производства, где дальнейшее повышение эффективности пневмосепарирования обеспечивает снижение потерь продукта и повышает качество крупы.

3. Повышение эффективности воздушных сепараторов может быть достигнуто за счет совершенствования его основных элементов: рабочего и транспортного каналов, осадочной камеры, вентиляторастабилизации показателей процесса сепарирования при колебаниях зерновой нагрузкиоптимальных условий ввода зерносмеси в рабочий канал.

4. Установлено, что транспортный канал, имеющий конфузорный участок в зоне, примыкающей к рабочему каналу, уменьшает область возможного залегания легкого компонента на нижней стенке канала. Сужение транспортного канала в 1,4 раза обеспечивает движение лузги вдоль внешней стенки на большей его частиэто является необходимым условием стабильной и эффективной работы транспортного канала и осадочной камеры.

5. Наши исследования показали, что при разделении продуктов шелушения крупяного производства оптимальная ширина рабочего канала сепаратора равна 140−160 мм, оптимальная удельная нагрузка 2−2,5 кг/м-с, оптимальная скорость ввода зерносмеси в рабочий канал 0,6 м/с.

— 1876. Установлено, что на эффективность разделения зерносмеси существенно влияет распределение скоростей воздушного потока по ширине рабочего канала сепаратора ниже места ввода продукта. Оптимальное поле скоростей под зерновой струей характеризуется: а) расположением максимума скорости в середине каналаб) соотношением максимальной и средней скорости Утах^ Ь7 Мер Такое поде соответствует полю скоростей на «чистом» воздухе, имеющему максимум на’расстоянии 2/3 ширины канала от внешней стенки при коэффициенте вариации менее 1%. Требуемое поде скоростей на «чистом» воздухе в сепараторе на з.ц.в. можно получить, используя направляющий аппарат в нижней части рабочего канала.

7. Установлено, что при наличии отражательной стенки в осадочной камере, обеспечивающей увеличение скорости и концентрации частиц в зоне осаждения, эффективность камеры существенно возрастает. При разделении продуктов шелушения риса в сепараторе на з.ц.в. с отражательной стенкой в камере коэффициент выделения лузги увеличивается с 98% до 99,1%.

8. Для повышения эффективности осаждения лузги в осадочной камере сепаратора транспортный канал должен обеспечивать ввод продукта вблизи внешней поверхности канала.

9. Изменение эффективности сепарирования при колебаниях зерновой нагрузки на воздушный сепаратор существенно зависит от коэффициента жесткости характеристики давления вентилятора к — йРх 60 ' гдеполное давление жнтидятора;

0 -производительность вентилятора. В сепараторах следует использовать вентиляторы, характеристика давления которых в рабочей области производительности имеет оптимальный коэффициент жесткости.

10. Изменение содержания полезного продукта в относах (X при колебаниях нагрузки в диапазоне Л^ будет минимальным при Аой. ДдРс /Дда)1 АоП, *л АО А^ ЛО где д л — изменение содержания полезного продукта в отно-н сах при изменении нагрузки в диапазоне Д££ и при номинальном расходе воздуха через рабочий канализменение содержания полезного продукта в относах при изменении расхода воздуха в диапазоне ДО и при номинальной зерновой нагрузке;

АгРсизменение сопротивления сети сепаратора при изменении зерновой нагрузки в диапазоне дд и при номинальном расходе воздуха;

А0РСизменение сопротивления сети сепаратора при изменении расхода в диапазоне а (} и при номинальной зерновой нагрузке.

Для продуктов шелушения риса при сепарировании в канале длиной I м и шириной 140 мм 1700 Па-м .с. Данное значение при-емлимо для продуктов шелушения других крупяных культур вследствие близости их аэродинамических свойств.

11. Характеристика давления, имеющая коэффициент жесткости, является крутонисходящей и не позволяет изменять производительность вентилятора в широком диапазоне. При необходимости регулировать расход воздуха в сепараторе в значительных пределах следует использовать вентилятор с характеристикой, имеющей Кж."р= 400−800 о.

Па*м «с, которая достаточно полога и обеспечивает небольшое изменение эффективности сепарирования при колебаниях зерновой нагрузки.

12. Исследование диаметральных вентиляторов с открытым «карманом», с полуоткрытым «карманом» и с рециркуляционным каналом показало, что наибольшее полное давление, производительность и к.п.д. в области изменения коэффициента производительности (р = 0*0,7 имеет д.в. с рециркуляционным каналом. Вентилятор с закрытым «карманом» имеет наименьшие показатели. Д.в. с полуоткрытым «карманом» занимает промежуточное положение. Из анализа исследованных вентиляторов следует, что перекрытие рабочего колеса языком, затрудняющее вход или выход воздуха из колеса, приводит к уменьшению расхода циркулирующего через колесо воздуха и снижает показатели вентилятора (р — (р — Г). Вентилятор с закрытым «карманом» имеет восходящий и нисходящий участок характеристики давления. У д.в. с полуоткрытым «карманом» в зависимости от расхода циркулирующего через колесо воздуха характеристика давления изменяется от пологой до крутонисходящей. Вентилятор с рециркуляционным каналом имеет нисходящую характеристику. Требованиям, предъявляемым к вентиляторам воздушных сепараторов, в наибольшей степени удовлетворяет д.в. с рециркуляционным каналом. 13. В диаметральном вентиляторе с рещркуляционным каналом наибольшую скорость и мощность имеет воздух в рециркулирующем потоке. Внутри рабочего колеса более энергонасыщенный рециркулирующий поток передает часть своей энергии транзитному потоку. В экспериментах энергообмен внутри колеса обеспечивает увеличение полного давления вентилятора на 8−12%. Увеличение скорости рециркулирующего потока обеспечивает увеличение полного давления, производительности, к.п.д. вентилятора и коэффициента жесткости характеристики давления. В диаметральном вентиляторе с рециркуляционным каналом по крайней мере для исследуемой аэродинамической схемы, которая близка к оптимальной, расход рециркулирующего потока и полный расход воздуха через колесо не зависят от сопротивления сети. Производительность д.в. с рециркуляционным каналом в области ц> - 0,2−0,65 можно определять по формуле где Ур — скорость воздушного потока в рециркуляционном каналеи — скорость на наружной окружности колесацентральный угол, определяющий границы рецирку-лирующего потока на наружной окружности колеса- ^ - угод, определяющий положение рециркуляционного канала.

14. Производственные испытания аспиратора с диаметральным вентилятором А1-БДЗ на разделении продуктов шелушения риса показали его значительно более высокую эффективность, чем аспиратора с центробежным вентилятором СТ-121.

15. Результаты нашего исследования, позволившие усовершенствовать аспиратор А1-БДЗ, реализованы в исходных требованиях на два новых экспериментальных аспиратора с диаметральным вентилятором на замкнутом цикле воздуха.