Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Требования, предъявляемые к семенному материалу зерновых культур, кормовых трав и машинам для их очистки 9
1.2 Анализ пневмосепараторов семян и их рабочих органов 12
1.3 Анализ методов моделирования пневмосепарации зерновых смесей 25
1.4 Постановка цели и задачи исследования 31
2 Теоретическое обоснование основных конструктивных параметров разделительной камеры 33
2.1 Обоснование схемы и рабочий процесс фракционного пневмосепа-ратора 33
2.2 Исследование процесса движения компонентов зернового материала в вертикальном пневмосепарирующем канале с использованием экспериментально-теоретического метода 37
2.3 Математическое моделирование поля скоростей воздушного потока в разделительной камере 48
2.3.1 Конечно-элементная модель воздушного потока 48
2.3.2 Результаты расчета поля скоростей воздушного потока в разделительной камере пневмосепаратора методом конечных элементов
2.4 Расчет траекторий движения частиц компонентов смесей в разделительной камере 59
2.5 Выводы 64
3 Программа и методика экспериментальных исследований 66
3.1 Программа экспериментальных исследований 66
3.2 Экспериментальные установки, приборы и оборудование 67
3.3 Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных 69
3.3.1 Методика определения коэффициента восстановления частицы после удара о стенку пневмосепаратора 69
3.3.2. Методика исследования вертикального пневмосепарирующего канала 71
3.3.3 Методика исследования разделительной камеры 75
3.3.4 Методика исследования инерционного жалюзийно-противоточного пылеуловителя 78
4 Результаты экспериментальных исследований 79
4.1 Исследование вертикального пневмосепарирующего канала с опорной сеткой 79
4.1.1. Влияние сплошной разделительной перегородки, длины и угла установки нижней части наружной стенки ПСК на качество сепарации..
4.1.2. Определение оптимального положения сплошной разделительной перегородки 83
4.1.3 Определение оптимальной высоты вертикального ПСК с опорной сеткой и сплошной разделительной перегородкой 86
4.2 Исследование разделительной камеры 89
4.2.1 Исследование разделительной камеры при очистке семян зерновых культур 89
4.2.2 Исследование разделительной камеры при очистке семян кормовых трав 96
4.2.3 Определение оптимального положения кромки перегородки разделительной камеры и длины поворотного клапана 100
4.3 Обоснование основных конструктивных параметров инерционного жалюзийно-противоточного пылеуловителя 102
4.3.1 Обоснование схемы инерционного жалюзийно - противоточного пылеуловителя 102
4.3.2 Оптимизация конструктивных параметров Г-образного жалюзий-но-противоточного пылеуловителя 106
4.4 Выводы 111
5 Испытания опытного образца фракционного пневматического сепаратора 114
5.1 Результаты ведомственных испытаний пневмосепаратора 114
5.1.1 Методика проведения испытаний 114
5.1.2 Определение качественных показателей работы пневмосепаратора 118
5.1.3 Исследование воздушного потока в пневмоканале машины 120
5.2 Результаты приемочных испытаний сепаратора 122
5.3. Технико-экономическое обоснование 127
5.4 Выводы 130
Заключение 132
Список основных обозначений и сокращений 134
Список использованной литературы
- Анализ пневмосепараторов семян и их рабочих органов
- Математическое моделирование поля скоростей воздушного потока в разделительной камере
- Методика определения коэффициента восстановления частицы после удара о стенку пневмосепаратора
- Определение оптимального положения кромки перегородки разделительной камеры и длины поворотного клапана
Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение сбора зерна и производства высококачественных кормов для животноводства является важнейшей задачей агропромышленного комплекса России. Одним из направлений решения данной задачи является повышение качества семян, которое во многом определяется применением высокоэффективных технологий и технических средств для послеуборочной обработки. При этом с целью снижения приведенных затрат на подготовку семян машины и оборудование технологических линий подбирают и размещают таким образом, чтобы требуемое качество получать за один пропуск.
В настоящее время для подготовки семян на стадии вторичной и окончательной очистки широкое применение получили отечественные зерновые пневмосепараторы. Основной недостаток большинства сепараторов заключается в отсутствии возможности делить семенной материал за один пропуск на фракции, соответствующие по чистоте категории не ниже ЭС и РСт, что при двукратной обработке увеличивает приведенные затраты.
При теоретическом исследовании процесса пневмосепарации большинство ученых принимают воздушный поток равномерным во всей зоне взаимодействия с частицей, что приводит к существенным погрешностям при расчетах. Учет неравномерности поля скоростей воздушного потока в зоне сепарации позволит более точно рассчитывать траектории движения компонентов очищаемого материала и определять конструктивные параметры пневмосепарирующего устройства.
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого» в соответствии с планом НИР по теме № 0767-2014-0037 (№ гос. регистрации АААА-А16-116021950082-7) «Совершенствование технологий и технических средств очистки семян зерновых культур и трав в условиях Евро-Северо-Восточного региона».
Целью исследования является снижение приведенных затрат на очистку семян за счет совершенствования технологического процесса и оптимизации основных конструктивных параметров фракционного пневмосепаратора.
Для достижения данной цели определены следующие задачи исследования:
- разработать конструктивно-технологическую схему фракцион
ного пневмосепаратора семян;
- теоретически рассчитать траектории движения компонентов
зернового материала в вертикальном пневмосепарирующем канале
(ПСК), его отводе и разделительной камере с учетом неравномерно
сти воздушного потока и обосновать в первом приближении основ
ные параметры разделительной камеры;
- изучить процесс функционирования вертикального пневмосе-
парирующго канала с опорной сеткой и сплошной разделительной
перегородкой, разделительной камеры с двумя секциями и поворот
ным клапаном, инерционного жалюзийно – противоточного Г-
образного пылеуловителя, встроенного в осадочную камеру, и обос
новать их основные конструктивные параметры;
- по результатам исследований разработать конструкторскую
документацию и изготовить опытный образец фракционного пневмо-
сепаратора семян;
провести испытания опытного образца фракционного пневмо-сепаратора семян в производственных условиях;
дать экономическую оценку применения нового фракционного пневмосепаратора.
Объект исследования. В качестве объектов исследования выбраны процесс очистки семян зерновых культур и трав воздушным потоком, экспериментальный и опытный образцы фракционного пневмосепаратора.
Методы исследования. При расчете траекторий движения компонентов зернового материала в ПСК и его отводе применен экспериментально - теоретический метод, в разделительной камере – метод конечных элементов.
Экспериментальные исследования проводили с использованием стандартных и разработанных нами методик. При реализации, подготовке и обработке результатов экспериментов использовали методы математической статистики и теории планирования многофакторного эксперимента с применением ЭВМ и пакета прикладных программ.
Научная новизна. Новизна исследования заключается в особенности технологического процесса пневмосепаратора по патентам РФ 2460592 и 2519237, содержащего вертикальный ПСК с опорной сеткой и сплошной разделительной перегородкой, последовательно соединенные с ним разделительную камеру, инерционный жалюзий-но-противоточный Г-образный пылеуловитель, осадочную камеру и
диаметральный вентилятор с дроссельной заслонкой, работающий на всасывание, устройства ввода материала и вывода его фракций.
Новизна теоретического исследования состоит в том, что расчет траекторий движения частиц компонентов зернового материала в ПСК и его отводе выполнен с учетом реальной неравномерности полей скоростей воздушного потока в продольно – вертикальной плоскости, которые описаны аналитическими зависимостями.
Достоверность подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований; положительными испытаниями опытного пневмосепаратора в хозяйственных условиях.
Практическая ценность и реализация результатов исследования. Аналитические зависимости, отображающие поля скоростей в ПСК и его отводе, позволяют более точно рассчитать траектории движения компонентов зернового материала, необходимые для расчета основных конструктивных параметров разделительной камеры на стадии проектирования.
Математические модели функционирования основных рабочих органов пневмосепаратора и полученные с их помощью оптимальные конструктивные параметры могут быть использованы при разработке семейства пневмосепараторов, отличающихся шириной проточной части (производительностью).
Предложенные технические решения, защищенные патентами РФ, повышают эффективность очистки семян и уменьшают габаритные размеры пневмосепаратора.
На основании результатов исследований разработана конструкторская документация и изготовлен опытный образец фракционного пневмосепаратора семян СП-2Ф производительностью 2,0 т/ч (по пшенице), который прошел ведомственные испытания в условиях опытного поля ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока» и приемочные испытания в ФГБУ « Кировская МИС». Годовой экономический эффект от применения нового пневмосепаратора за счет снижения приведенных затрат на очистку семян составил 52,1 тыс. рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях «Наука-Технология-Ресурсосбережение» в Вятской ГСХА (2012, 2013, 2015, 2016 гг.), 1-я Молодежная конференция «Молодые ученые – аграрной науки Евро-Северо-Востока» в ГНУ Северо-Восточный региональный научный центр (2013 г).
На защиту выносятся:
-конструктивно-технологическая схема фракционного пневмо-сепаратора семян;
-аналитические зависимости для расчета траекторий движения компонентов зернового материала в вертикальном ПСК, его отводе и разделительной камере в неравномерном воздушном потоке;
-математические модели функционирования и оптимальные конструктивные параметры вертикального ПСК с опорной сеткой и сплошной разделительной перегородкой, разделительной камеры с двумя секциями и поворотным клапаном, инерционного жалюзийно-противоточного Г-образного пылеуловителя;
-результаты функционирования опытного образца фракционного пневмосепаратора семян в производственных условиях;
-результаты экономической оценки применения нового фракционного пневмосепаратора.
Публикации. Основные положения работы отражены в 14 публикациях, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК, и в двух патентах РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы, приложений. Работа содержит 178 страниц компьютерного текста, в том числе 50 рисунков, 24 таблицы, 20 приложений. Список использованной литературы включает 125 наименований.
Анализ пневмосепараторов семян и их рабочих органов
Скорости витания семян основных культурных и сорных растений приведены в приложении А. О разделимости компонентов очищаемого материала воздушным потоком можно судить по их графикам (вариационным кривым) плотности распределения скоростей витания. Эффективность пнев-мосепарирования определяется по результатам количественно-качественного анализа выделения фракций. При этом эффективность оценивается эффектом Е или полнотой П выделения воздухом примесей, содержанием а полноценного зерна в отходах и удельным расходом энергии Nуд на процесс очистки при обеспечении посевных качеств зерна.
Одним из основных требований, предъявляемых к семенному материалу зерновых и зернобобовых растений [43], является его чистота в процентном отношении и по содержанию семян других растений, в т.ч. сорных в шт/кг, а также примесь головневых образований и склероций спорыньи в %. К качеству семян кормовых и медоносных трав помимо чистоты (%), содержанию семян других видов трав и сорняков (%) предъявляется требование по содержанию семян наиболее вредных сорняков в шт/кг.
Полнота выделения примесей при предварительной, первичной и вторичной очистке должна быть не менее 50, 60 и 80 % соответственно [53, 110]. Потери полноценного зерна в отходы не должны превышать 0,2, 3,0 и 5,0 % соответственно при предварительной, первичной и вторичной очистке. При этом дробление d семян допускается не более 0,1 %. При окончательной очистке, когда выделяются трудноотделимые примеси (овсюг, семена дикой редьки и др.) и семенной материал доводится по чистоте до требований национального стандарта на семена [43], потери зерна в отход допускаются не более 10 %, дробление семян - не более 0,05 %.
Для кормовых и медоносных трав важным является еще одно свойство - текучесть, обусловливающее особое требование к питающему устройству машины [11]. Это устройство должно обеспечивать равномерную стабильную подачу как сыпучих (клевер, тимофеевка и др.), так и слабосыпучих (мятлик луговой, ежа сборная, кострец безостый и др.) семян.
Пневмосепараторы применяются в основном на конечной стадии очистки семян, когда в семенном материале остаются трудноотделимые примеси. Поэтому к качеству выполнения технологического процесса и рабочим органам пневмосепараторов предъявляются особые требования. Промышленностью выпускаются пневмосепараторы различной производительности (от 0,5 до 30 т/ч и более) и назначения (для очистки зерновых, зернобобовых, масличных, кормовых и др. культур). По конструкции и технологическому процессу пневмосепараторы имеют большое разнообразие. По способу подвода воздушного потока в ПСК пневмосепараторы бывают с нагнетательным, со всасывающим и нагнетательно-всасывающим потоком, по типу источника воздушного потока - с радиальным и диаметральным вентиляторами, по на 13 правлению движения воздушного потока в зоне сепарации - с вертикальным, наклонным и горизонтальным потоком, по типу устройства ввода материала в зону сепарации - с пассивным и активным устройством, по типу устройства для очистки отработанного воздуха - с пылеуловителем гравитационного, инерционного, фильтрационного типа. Пневмосортировальные машины ПСМ-0,5; ПСМ-2,5; ПСМ-5; ПСМ-10; ПСМ-25 производительностью от 0,5 до 25 т/ч предназначены для очистки и сортирования семян зерновых, зернобобовых, крупяных культур, подсолнечника от щуплого и дробленого зерна, семян других культур и сорных растений [58, 118, 119]. Машина типа ПСМ (рис. 1.1) состоит из приемного бункера 1 с заслонкой 11, пневмосепарирующего канала 2 с опорной сеткой 9, выравнивающими перегородками 3, входным окном 10, радиального вентилятора 4, осадочной камеры 5, устройств 7 и 8 вывода легких примесей и чистого зерна.
Машина обеспечивает высокую эффективность очистки за счет большой глубины канала (0,45 м и более), опорной сетки, увеличивающих время взаимодействия воздушного потока с материалом, и перегородок 3, выравнивающих воздушный поток по глубине канала.
К недостаткам конструкции сепаратора можно отнести пассивное устройство ввода, затрудняющее стабильную и равномерную подачу слаботекучего материала, применение для очистки отработанного воздуха осадочной камеры гравитационного типа, что приводит к быстрому забиванию тканевого фильтра и необходимости частого его обслуживания. Кроме того, радиальный вентилятор создает неравномерный поток воздуха по ширине пнев-мосистемы. Недостаток технологического процесса машин типа ПСМ заключается в разделении материала только на две фракции - чистое зерно и отход.
Математическое моделирование поля скоростей воздушного потока в разделительной камере
Инерционный жалюзийно-противоточный пылеуловитель 14 состоит из последовательно расположенных горизонтального 8 и вертикального 16 участков жалюзийного и противоточного 17 очистителей. С целью уменьшения габаритных размеров пневмосепаратора пылеуловитель установлен внутри осадочной камеры 18, имеет общую смежную стенку 10 с разделительной камерой, а горизонтальный участок 8 жалюзийного очистителя расположен над разделительной камерой 5 и примыкает к верхней стенке пнев-мосепаратора. Устройство ввода 2 материала в ПСК 3 представляет собой лопастной питающий валик, закрытый сверху заслонкой-вибратором и установленный в нижней части приемного бункера.
Пневмосепаратор работает следующим образом. Очищаемый материал устройством 2 ввода подается в пневмосепарирующий канал 3 и движется по опорной сетке 1. Воздушный поток, создаваемый диаметральным вентилятором 11, проходит сквозь опорную сетку 1 и продувает находящийся на ней очищаемый материал. В начальной стадии продувки (в первой части канала) материал разрыхляется и из него выносится вверх по крутой траектории самая легкая фракция, которая через отвод 6 поступает в разделительную камеру 5. Отдельные полноценные зерновки, щуплое, дробленое зерно движутся по более пологим траекториям и ударяются о сплошную разделительную перегородку 4, тормозятся, а затем, находясь в зоне малых скоростей воздуха, падают вниз на движущийся по опорной сетке 1 основной поток очищаемого материала, что обеспечивает снижение потерь полноценного зерна в отходы. Во второй части пневмосепарирующего канала 3 (после перегородки) материал продувается воздушным потоком с более высокими скоростями, что достигается соответствующим положением конца разделительной перегородки в отводе 6. Здесь выделяются оставшиеся легкие примеси, щуплое, дробленое и мелкое зерно основной культуры (средняя фракция), которые поднимаются вверх и тоже направляются через отвод 6 в разделительную камеру 5. Под воздействием горизонтального воздушного потока и силы тяжести выделенные в пневмосепарирующем канале 3 компоненты материала движутся в разделительной камере по разным траекториям. Наиболее легкие частицы (пыль, полова, семена некоторых сорных растений) движутся благодаря наличию перегородки 4 преимущественно в верхних слоях воздушного потока вдоль горизонтального участка 8 жалюзийного очистителя и поступают во входной патрубок вертикального участка 16 очистителя. Средняя фракция материала при входе в разделительную камеру 5 располагается ниже легкой фракции, что способствует более четкому ее осаждению. При этом легкие частицы поступают во входной патрубок вертикального жалюзийного очистителя, фуражная фракция (щуплое, дробленое зерно) осаждается в секцию II, а продовольственное зерно или семена второго сорта - в секцию I разделительной камеры 5. Из секций I и II продовольственное зерно (фракция II) и фуражная фракция III устройствами 21 и 20 выводятся наружу. Очищенный материал (тяжелая фракция I - семена первого сорта) устройством 22 выводится из пневмосепаратора.
Отработанный воздух очищается последовательно в жалюзийных 8 и 16 и противоточном 17 очистителях и через общую воздухоотводящую камеру 15 поступает в диаметральный вентилятор 11, а из него по выходному патрубку 13 - в атмосферу или, при необходимости, в дополнительное пылеулавливающее оборудование (циклон, тканевый фильтр). Уловленная легкая фракция (неиспользуемые отходы) собирается в осадочной камере 18 и устройством 19 выводится из машины.
Скорость воздушного потока в пневмосепарирующем канале 3 устанавливается по качеству очистки тяжелой фракции (семена первого сорта) с помощью дроссельной заслонки 12. Чистота продовольственного зерна (семена второго сорта) регулируется положением поворотного клапана 7. Для повышения чистоты продовольственного зерна клапан 7 поворачивается в сторону отвода 6, а для уменьшения содержания полноценного зерна в фу 37
ражной фракции - в сторону смежной стенки 10. Подача материала в пневмо-сепаратор устанавливается заслонкой-вибратором устройства ввода 2 в соответствии с требуемым качеством семенного материала.
Для определения основных параметров разделительной камеры необходимо знать местоположение частицы зерновой смеси, направление и величину ее скорости на выходе из отвода пневмосепарирующего канала с учетом неравномерности скорости воздушного потока в его проточной части.
Определим траекторию движения частицы зерновой смеси, вводимой в вертикальный пневмосепарирующий канал с опорной сеткой и сплошной разделительной перегородкой, в который всасывается воздушный поток.
Существует ряд методов расчета траектории движения частиц в вертикальном ПСК [1, 42, 57, 78, 111], однако большинство из них не учитывает фактическую неравномерность скорости воздушного потока по глубине и высоте канала. Для учета данного фактора нами использован экспериментально-теоретический метод расчета. Он заключается в следующем [69].
Он включает в себя три этапа: на первом этапе экспериментально определяются направления и величины скоростей воздушного потока в продольно-вертикальной плоскости пневмосепарирующего канала и его отвода; на втором этапе полученные данные систематизируются и обрабатываются при помощи программы Microsoft Excel [79]. По результатам данной обработки выводятся системы уравнений, описывающие зависимость величины и направления скорости V от ее положения в системе координат x0y для каждого элемента участка канала (рис. 3.5).; на третьем этапе рассчитываются траектории движения частиц в данном канале [69]. При исследовании скоростей воздушного потока в пневмосепарирую-щем канале и его отводе принято допущение, что при изменении средней Vв.ср скорости воздушного потока в исследуемом диапазоне (5…15 м/с) направление скоростей Vi в различных точках канала и его отвода остается неизменным, а их величина изменяется пропорционально изменению среднего значения. Данное допущение обусловлено тем, что моделирование потоков в жидкостях и газах, зависит от соотношения вязкости, плотности, скорости и линейных размеров элемента потока, выражаемого числом Рейнольдса (Re). Область значений чисел Re, при которых они не влияют на характер течения, называют автомодельной Reавт. В воздуховодах эта область наступает при значениях Re 0,1105 [57]. В нашем случае число Рейнольдса находится в диапазоне от 0,8105 (при 5 м/с) до 2,5105 (при 15 м/с), что соответствует области автомодельности.
Методика определения коэффициента восстановления частицы после удара о стенку пневмосепаратора
Принимая начальную скорость V0 =0,2 м/с (рис 2.4) и угол ввода частиц в канал 1=00 [59], решая систему уравнений (2.8), определяем траектории движения частиц компонентов семенного материала в неравномерном воздушном потоке вертикального пневмосепарирующего канала, снабженного опорной сеткой и разделительной перегородкой. Расчет и построение траекторий велось при помощи программы Mathcad [88, 95]. Средняя скорость воздушного потока в ПСК выбиралась для каждой культуры исходя из требований ТЗ (эффект очистки от легких примесей не менее 80%) на пневмосе-паратор и с учетом допустимых потерь полноценного зерна в отходы. Так, для семенного материала яровой пшеницы для первой части канала I приняли скорость равную 8,5 м/с. В связи с этим системы уравнений (таблица 2.2 ), описывающие изменение скоростей Vвy, Vвx воздушного потока, необходимо скорректировать. Так как в нашем случае диапазон исследуемых скоростей находится в автомодельной области, то значение скоростей Vi в различных точках канала будет изменятся пропорционально изменению средней скорости, а их направление изменяться не будет. Для корректировки значений скоростей введем поправочный коэффициент В, равный отношению скоростей. Для семенного материала яровой пшеницы В=Vв. срII/Vв.срI =8,5/6,0=1,4.
Пример расчета траектории движения частицы со скоростью Vвит =7 м/с, движущейся в прямом участке первой части канала, при средней скорости воздушного потока 8,5 м/с представлен в приложении Г.
На рисунке 2.6, и в приложении Д представлены расчетные траектории движения частиц компонентов семенного материала различных сельскохозяйственных культур в ПСК при следующих его конструктивных параметрах: высота НПСК = 0,55 м, глубина канала и его отвода h = hотв = 0,3 м, глубина первой части канала h1 = 0,21 м, глубина отвода первой части канала hотв.1 = 0,18 м, угол установки опорной сетки 300.
На форму траектории движения частицы в вертикальном пневмосепа-рирующем канале большое влияние оказывают величина ее коэффициента парусности, абсолютная скорость и угол ввода частицы в ПСК. На представленных рисунках (рис. 2.6 и приложение Д) легко различимы области движения основной культуры и ее примесей. Видно, что при данной конфигурации пневмосепарирующего канала, в его первой части, на всех представленных культурах удается выделить большую часть легких примесей. Более тяжелые частицы сорной примеси, а также часть щуплых и дробленых частиц основной культуры, достигая сплошной разделительной перегородки, тормозятся, а затем падают на движущийся по опорной сетке основной поток очищаемого материала.
Во второй части канала, попадая в зону больших скоростей, из материала выносятся остатки легких примесей и все сорные примеси, а также часть основной очищаемой культуры (щуплое, дробленое и мелкое зерно). Оставшийся очищенный материал выводится из канала.
-Расчетные траектории движения частиц в неравномерном воздуш ном потоке в ПСК с опорной сеткой и разделительной перегородкой при средней скорости воздушного потока: в первой части канала I - 8,5 м/с, во второй части канала II - 12,0 м/с; яровая пшеница; зерно вая примесь; легкие примеси; I и II - первая и вторая части ПСК Также следует отметить, что некоторые частицы, (например, частицы со скоростью Vвит = 6,0 м/с, рис. 2.6), достигая стенок пневмоканала под острым углом и имея при этом достаточную скорость, рикошетят и не падают вниз, а продолжают движение с изменившимися составляющими скорости.
В результате расчета и построения траекторий движения частиц компонентов трех различных смесей в обеих частях ПСК были получены сведения (таблица 2.3, рис. 2.6 и приложение Д) о их местоположении, направлении и величине скорости на выходе из отвода пневмосепарирующего канала с учетом неравномерности скорости воздушного потока.
Аналитическое решение прикладных задач, связанных с движением воздушного потока, сталкивается с проблемой учета различных граничных условий. Поэтому выбор метода решения инженерных задач, связанных с движением воздуха в механических устройствах, имеет важное значение.
Изучение параметров воздушного потока в разделительной камере обусловлено необходимостью анализа траекторий движения частиц, вводимых в камеру, с целью проверки возможности разделения поступающего материала на фракции и обоснования (в первом приближении) ее конструктивно-технологические параметров.
Для построения поля скоростей воздушного потока в разделительной камере проведено исследование потенциального движения потока воздуха с помощью конечно-элементной модели.
В данном методе матрица для всей области создается из матриц отдельных элементов, которые выражаются как функции узловых неизвестных. Последующий учет главных граничных условий приводит к изменениям общей матрицы. Аналогично величины, заданные в узлах элемента, образуют вектор обобщенной узловой нагрузки. Они разрешают полученную систему уравнений, определяя значения искомой функции в узлах. Применение метода конечных элементов можно разделить на следующие этапы [52, 89, 94]: - дискретизация задачи, то есть представление области в виде совокупности конечных элементов, взаимосвязанных в узловых точках; - получение матриц элементов; - построение матрицы для всей области и вектора нагрузки; - наложение граничных условий; - решение системы уравнений; - расчет любой другой функции, зависящей от узловых неизвестных.
Первый этап заключается в разбиении области потока на ряд элементов. Затем каждый элемент рассматривается отдельно. При этом его свойства выводятся применением формулы метода Галеркина после выбора аппроксимирующих функций. Эти функции должны удовлетворять условиям допустимости и полноты для рассматриваемой задачи. Условия полноты аппроксимирующих функций должны обеспечить стремление к постоянным производных при уменьшении размеров элемента. Допустимость предполагает непрерывность искомой функции и ее производных между элементами, обеспечивающую корректность определения неизвестных в рамках вариационной формулировки [63].
Определение оптимального положения кромки перегородки разделительной камеры и длины поворотного клапана
Траектория движения кромки клапана при его повороте относительно точки крепления наилучшим образом проходит около оптимальных положений 1, 2, 3 (с учетом компоновки секций камеры) при длине lк = 0,28 м и установке его на кромке перегородки, расположенной на расстоянии LР.К1 = 0,40 м от входной кромки передней стенки и ниже ее уровня на Нпер = 0,30 м [23].
Таким образом, в процессе проведенного исследования разделительной камеры при очистке семян зерновых культур и кормовых трав была установлена возможность получения II фракции зерновых культур, соответствующей по чистоте категории РСТ репродукционных семян товарного назначения, и семян кормовых трав, соответствующей по чистоте категории РС репродукционных семян, при чистоте семян I фракции, соответствующей категории не ниже ЭС, и допустимых потерях семян в отходы. Необходимая чистота II фракции обеспечивается при минимальной длине LР.К 0,55 м, длине lк поворотного клапана 0,28 м, установленного на кромке перегородки, расположенной на расстоянии 0,40 м от входной кромки передней стенки и ниже ее уровня на 0,30 м. При этом наиболее высокая чистота III фракции при допустимых потерях полноценных семян в отходы (IV фракция) достигается при расположении выходной кромки стенки разделительной камеры на одном уровне с входной кромкой (hвх = 0,21 м).
Устройства для очистки воздушного потока от примесей являются, как правило, неотъемлемой частью пневмосепарирующих систем зерноочистительных машин. Воздушный поток, проходя в пневмосепарирующих каналах сквозь зерновую струю, выносит легкие частицы. Эти частицы необходимо удалять из воздушного потока, чтобы не загрязнять окружающую среду и обеспечивать необходимые санитарно- гигиенические условия для обслуживающего персонала.
В зерноочистительных машинах для очистки воздуха от пыли и легких примесей наибольшее применение нашли инерционные пылеуловители упрощенного типа – жалюзийные и циклонные. Методика расчета, выбор необходимого типа пылеуловителя широко освещены в литературе с учетом различных условий производства [32, 33, 87, 93, 97, 109, 116]. Однако применение некоторых пылеуловителей для машин послеуборочной обработки зерна связано с большими расходами металла и энергии на очистку воздуха. Например, циклоны имеют высокое сопротивление – до 1200 Па и более, что затрудняет использование для этих целей вентилятора зерноочистительной машины и вызывает необходимость установки дополнительного вентилятора.
В связи с этим определенный интерес исследователей направлен на разработку инерционных жалюзийных пылеуловителей [6, 12, 19, 100]. Они обладают меньшей по сравнению с циклонами степенью очистки воздуха (до 90…95%), но имеют более низкое гидравлическое сопротивление (до 300 Па) и возможность применения в проточной части плоскопараллельного движения воздуха.
На основании анализа конструкций и характеристик существующих устройств очистки воздуха от пыли в пневмосепараторах [20, 113], для исследования был предложен инерционный жалюзийно-противоточный пылеуловитель, технологическая схема которого изображена на рисунке 4.14. о - опил; и— - - воздух с мелкодисперсионной пылью; в - воздух; т » - тяжелая фракция Технологическая схема инерционного жалюзийно-противоточного пылеуловителя: 1,5-устройства вывода и ввода материала; 2-пылеосадительная камера; 3- инерционный жалюзийно-противоточный пылеуловитель; 4-воздуховод; 6-диаметральный вентилятор; 7- заслонка регулировки скорости воздушного потока; 8-тканевый фильтр
Основной отличительной особенностью данного пылеуловителя является размещение диаметрального вентилятора внутри пылеуловителя над пылеосадительной камерой.
На основе данной технологической схемы была изготовлена экспериментальная установка, рабочий процесс которой осуществляется следующим образом. Диаметральный вентилятор 6, работающий на всасывание, равномерно подает воздушный поток в воздуховод 4. Одновременно в воздуховод 4 при помощи устройства ввода 5 подаются легкие примеси, которые вместе с воздушным потоком перемещается в зону работы инерционного жалюзий-но-противоточного пылеуловителя 3, где под действием инерционных и гравитационных сил уловленные легкие примеси в дальнейшем осаждаются в пылеосадительной камере 2, а затем удаляются устройством 1 наружу. Воздух, содержащий мелкодисперсионную пыль, из инерционного жалюзийно-противоточного пылеуловителя и пылеосадительной камеры направляется через проточную часть диаметрального вентилятора 6 в тканевый фильтр 8, где очищается и выбрасывается в атмосферу. Скорость воздушного потока в пылеуловителе регулируется заслонкой 7.
Однофакторными экспериментами изучено влияние длины Lж жалю-зийной решетки (0,8; 0,9; 1,0 м), высот hЖ и hП выходных отверстий жалю-зийного и противоточного очистителей (0,050; 0,075; 0,100; 0,125; 0,150 м) и скорости Vв воздушного потока на входе в пылеуловитель (4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0 м/с) на эффект Е очистки воздуха и гидравлическое сопротивление РГ пылеуловителя.
При уменьшении длины LЖ от 1,0 до 0,8 м эффект Е очистки увеличивается на 6,5 % за счет повышения скорости воздушного потока в противо-точном очистителе и соответственно инерционных сил, действующих на частицы. При этом возрастает гидравлическое сопротивление РГ. Например, при увеличении скорости Vв воздушного потока на входе в пылеуловитель от 4,0 до 8 м/с РГ возрастает от 230 до 310 Па.
При малых значениях hЖ и hП (0,50; 0,075 м) выходных отверстий жа-люзийного и противоточного очистителей увеличение скорости Vв от 4,0 до 8,0 м/с снижает эффект Е очистки воздуха от 90 до 30 % и повышает гидравлическое сопротивление РГ от 130 до 380 Па. Снижение эффекта Е очистки обусловлено резким ухудшением условия осаждения частиц в пылеосади-тельной камере. Увеличение hЖ и hП до 0,125 м стабилизирует процесс очи 105 стки воздуха. Эффект Е очистки составляет 85…93 % во всем диапазоне скоростей Vв, а гидравлическое сопротивление не превышает 280 Па. Однако проведенные однофакторные эксперименты выявили конструк тивные недостатки экспериментальной установки и разработанной схемы. Наличие вертикально расположенного инерционного жалюзийно противоточного пылеуловителя в пылеосадительной камере приводит к большим габаритным размерам по высоте [67]. Поэтому была разработана новая схема с применением Г-образного инерционного жалюзийно-противоточного пылеуловителя [80] (рис. 4.15).