Исследование истечения гранул через отверстия различной формы в вертикальных трубах гравитационных смесителей

Исследование истечения гранул через отверстия различной формы в вертикальных трубах гравитационных смесителей

А.И. Барвин*, канд. техн. наук; И.И. Багринцев**, канд. техн. наук;

В.Я. Стороженко***, канд. техн. наук, профессор

* Восточноукраинский национальный университет им. Владимира Даля

** Северодонецкий технологический институт

*** Сумский государственный университет

При проведении некоторых технологических процессов приходится усреднять или смешивать гранулированные или зернистые сыпучие материалы, причем это необходимо делать с использованием больших объемов материала. Поэтому для смешивания таких материалов могут быть использованы вертикальные трубчатые смесители (рисунок 1) [1].

Рисунок 1 - Смеситель гравитационный трубчатый CГГ - 125 000:

1 - корпус; 2 - трубы питающие; 3-4 - ребра; 5 - камера приемная; 6,7,8,9 - штуцеры; 10 - люки; 11,12 - указатели уровня; 13 - лапы опорные

В этих смесителях при смешивании гранулированных или зернистых материалов приходится их выпускать через отверстия в стенках вертикальных цилиндрических труб, причем эти отверстия расположены в определенном порядке и по всей высоте труб. Нижние концы труб собраны в приемной камере, которая прикреплена к днищу емкости и снабжена разгрузочным штуцером.

После заполнения смесителя материалом, который следует смешать (усреднить), производится его опорожнение, при этом материал равномерно из всего объема загрузки через питающие отверстия в стенках труб должен поступать во внутрь труб и по ним опускаться в приемную камеру, где отдельные потоки материала сливаются в один общий поток. Усредненный материал через штуцер в камере выводится из смесителя.

Для получения наилучшей эффективности работы гравитационного смесителя необходимо, чтобы производительность (пропускная способность) отверстий на боковых поверхностях вертикальных труб была максимальной.

Однако сведений о том, каких размеров должны быть в трубах эти отверстия и какова должна быть их форма, в технической литературе крайне мало.

Поэтому в Северодонецком технологическом институте были проведены исследования, основными задачами которых являлись определение размеров сечений отверстий, обеспечивающих устойчивое истечение гранулированного материала, а также установление производительности (пропускной способности) одного отверстия в зависимости от формы отверстия и площади его сечения, их количества.

Кроме этого, необходимо было установить характер влияния на производительность уровня материала над отверстием и толщины стенки вертикальной трубы, в которой выполнены отверстия.

Эксперименты для решения поставленных задач были проведены на модели смесителя - экспериментальной установке, имитирующей работу одной вертикальной трубы смесителя.

Эта установка (рисунок 2) состояла из вертикального цилиндрического сосуда 1 с плоским днищем 2.

Ш365

Рисунок 2 - Экспериментальная установка для изучения характера истечения гранул через отверстия в вертикальной трубе

По центру сосуда была размещена вертикальная труба4, имеющая размер Ш90х4,5 мм и проходящая через днище сосуда для вывода материала. Сосуд с трубой был установлен на опорную стойку 3. По высоте трубы в сосуде было выполнено три ряда отверстий для выпуска гранулированного материала, причем в каждом ряду было два отверстия, расположенные друг напротив друга. Ряды отверстий повернуты относительно друг друга на 90°. Диаметр каждого отверстия в трубе был равен 60мм.

Для изменения количества работающих отверстий, их размера и формы были изготовлены сменные поворотные цилиндрические кожухи 5 с толщиной стенки 0,4мм размером Ш90х0,4 мм. Кожухи имели отверстия круглой, овальной, треугольной, ромбической и квадратной формы. Данные об этих отверстиях приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Форма и размеры отверстий, выполненных в сменных кожухах

Работа на установке осуществлялась следующим образом. На трубе 4 попеременно устанавливался кожух с отверстиями нужной формы и размера. Затем в вертикальный сосуд 1 при закрытых отверстиях загружался гранулированный материал до верхнего обреза трубы 4. Под низ трубы устанавливалась емкость 7 для приема истеченного через отверстия материала.

С помощью рычага 6 поворачивался кожух 5 до совмещения отверстий в нем с отверстием в трубе 4 с одновременным включением секундомера. После истечения 5 или 10 секунд с помощью этого рычага производилась отсечка подачи. Размер пробы материала, прошедшего через отверстия в кожухе, определялся взвешиванием.

Таким образом, при исследовании каждой формы отверстий в кожухе 5 отбиралось по 10 проб.

После завершения исследования характера истечения материала через отверстия в одном кожухе производилась замена кожуха для дальнейших исследований.

В качестве гранулированного материала, который использовался при проведении экспериментов, был полиэтилен низкого давления, состоящий из гранул диаметром 3мм и длиной 2-5мм, а также селикогель, представляющий собой зернистый материал, состоящий из сферических частиц размером от 1 мм до 5 мм.

Форма и размер гранул полиэтилена практически такие же, как у многих полимерных материалов.

Насыпная плотность гранул полиэтилена с_н = 550 кг/м³, а селикогеля- - с_н = 475 кг/м³.

Проведенные исследования показали, что истечение гранул через отверстия круглой формы в вертикальных трубах начинается при условии, что размер отверстий более 20мм.

Установлено, что зависимость пропускной способности Qc отверстий круглой формы от диаметра отверстия d и числа отверстий в вертикальной трубе п может быть представлена в виде уравнения

Qc = 3,06· d^3,44 п^0,89 , г/с (1)

где d - диаметр отверстия в трубах, см.

Аналогичные исследования истечения гранул через отверстия овальной, ромбической, треугольной и квадратной формы показали, что наибольшую пропускную способность имеют отверстия квадратной формы. Данные о секундной производительности исследованных отверстий приведены в таблице 2.

Площадь сечения всех исследованных отверстий была примерно одинакова и составляла 7,0 - 7,14 см².

Таблица 2 - Сведения о секундной производительности отверстий исследуемых форм и соотношение их производительностей в процентах

Анализируя данные этой таблицы, можно отметить, что наибольшая пропускная способность у отверстий квадратной формы и ее можно рассчитать по формуле

Qc = 1,06 · F^1,72 п^0,89 , г/c (2)

где F - площадь квадратного отверстия, см²

Производительность отверстий всех вертикальных труб смесителя, количество которых обозначим через z шт., тогда уравнение (2) примет вид

Qc = 1,06 · F^1,72 п^0,89 · Z , г/c.

В ходе проведенных исследований на экспериментальной установке проверялась также пропускная способность отверстий круглой и квадратной формы с площадью отверстий 7 см² с использованием вместо гранул полиэтилена селикогеля, состоящего из частиц сферической формы диаметром от 1 мм до 5 мм.

Эти исследования показали, что секундная производительность одного круглого отверстия составляла 24,75 г/с и квадратного отверстия - - 24,48 г/с. Таким образом, секундная производительность этих двух форм отверстий практически равна и близка к производительности отверстий при пропускании через них гранулированных полимерных материалов.

Исследования позволили также установить, что изменения высоты слоя материала над отверстием, через которое истекает материал, существенно не влияет на его пропускную способность.

Было также выявлено то, что в смесителях такого типа следует использовать вертикальные трубы с отверстиями с минимальной толщиной стенки, причем эти отверстия должны быть квадратной или круглой формы, причем площадь сечения отверстий должна быть более 7-10 см².

Summary

The results of the investigations of the gravitation mixer with vertical pipes whose side surfaces have holes for taking material from different places of the mixer volume for mixing this material are given in this article.

While making research the character of flowing of granulated polymer materials through the holes of round, oval, triangle, rhombic and square forms was studied experi-mentally.

The processing of the experimental data made it possible to find out that minimum square of the hole of any form must be more than 7 cm² for the qranulas though them. It was also.

Список литературы

Орлов Г.И., Куприянов Н.И., Растегаев П.С., Багринцев И.И. Новые смесители для химической промышленности. Химическое машиностроение // Сборник научных трудов. Оборудование для механических процессов химических производств. - М.: НИИХИММАШ, 1976г. - Вып. 73.