Межцеховые пневмотранспортные установки зерноперерабатывающих предприятий перемещают зерно, муку, отруби, комбикорм и ингредиенты для его выработки, а также отходы производства к местам складирования, хранения, дальнейшей переработки или отгрузки. Применяются аспирационные и пневмотранспортные установки с низким и высоким содержанием перемещаемого продукта в воздушном потоке. На предприятиях хранения и переработки зерна весовая концентрация аэросмеси для межцеховых пневмотранспортных установок принимается до 3 кг продукта на 1 кг воздуха.

   Предположим, требуется спроектировать новую, или использовать существующую линию пневмотранспорта пшеничных, ржаных отрубей из-под бункера готовой продукции мельницы в склад сырья комбикормового завода или на отгрузку. Необходимая производительность «перекачки» 2÷2,5 тонны в час. Для расчёта аспирационной установки принимаем G= 2500 кг/час. Если поступление отрубей из бункера мельницы в приёмное устройство пневмотранспортёра осуществляется дозирующим механизмом – шнеком или шлюзовым затвором, то можно рассчитывать на то, что производительность загрузки линии будет достаточно равномерной и соответствовать расчётной. Если же поступление продукта регулируется ручной задвижкой или клапаном, то возможны некоторые колебания нагрузки, которые влияют на устойчивую работу пневмотранспортной установки. Значительное превышение нагрузки может привести к временной закупорке материалопровода и необходимости очистки закупоренного участка методом продувки. Слишком низкая нагрузка, по сравнению с расчётной, может уменьшить сопротивление аспирационной сети, тем самым увеличив расход воздуха установки. Если расход воздуха превысит пропускную способность циклона разгрузителя или циклона пылеотделителя, это может сказаться на степени разгрузки продукта, или на качестве очистки воздуха перед выбросом в окружающую среду.

 

Исходные данные.

 

   В качестве воздухопровода межцеховой пневмотранспортной установки вполне вероятно и достаточно распространено использование трубы диаметром 220 мм или 300 мм, с толщиной стенки до 2 мм. Несмотря на свою нестандартность в ряду аспирационных воздуховодов, для примера расчёта принимаем диаметр 300 мм. Площадь проходного сечения:

F=3,14∙D²/4; F=3,14∙0,3²/4=0,07065 (м²).

Скорость воздуха для пневматического транспортирования пшеничных отрубей:

v=k_з(10,5+0,57v_вит);

k_з – коэффициент запаса, учитывающий колебания нагрузки. В пневмотранспортной системе мукомольного завода для линии отрубей k_з=1,5; принимаем и в нашем расчёте. v_вит – средняя скорость витания продукта, в данном случае отрубей v_вит=2,5 м/сек.

v=1,5(10,5+0,57∙2,5)=17,9 (м/сек).

При такой скорости расход воздуха в воздуховоде:

Q=3600∙F∙v=3600∙0,07065∙17,9=4553 (м³/час).

Концентрация смеси продукта с воздухом:

µ=G/Q∙ρ кг/кг; µ=2500/4553∙1,2=0,458 (кг/кг), где ρ=1,2 кг/м³ – плотность воздуха при нормальных условиях.

Для межцехового пневмотранспорта при концентрации смеси до 0,5 кг/кг рекомендуется расчётная скорость 20 м/сек, при большей концентрации 22 м/сек. Принимая скорость 20 м/сек, уточняем необходимый расход воздуха в трубе диаметром 300 мм:

Q=3600∙F∙v=3600∙0,07065∙20=5087 (м³/час).

При этом расходе уточнённая концентрация смеси воздуха с отрубями:

µ=2500/5087∙1,2=0,41 (кг/кг), которая и будет принята для расчёта.

 

Схема установки.

 

Выбор и расчёт сопротивления приёмного устройства пневмотранспортной установки.

 

   Для загрузки вертикального материалопровода применяются пневмоприёмники типа «Сопло» и ПТО-28. Для пневмотранспортёра с горизонтальным участком в начале трассы применяются пневмоприёмники типа «Тройник» или «Отвод». Иногда, при отсутствии приёмного устройства, загрузка пневмотранспорта осуществляется путём всасывания продукта в открытый конец трубы или гибкого рукава. Такой способ требует постоянного обслуживания, не обеспечивает равномерного режима нагрузки и создаёт условия для неустойчивой работы пневмоустановки. Наиболее практичен в эксплуатации пневмоприёмник типа «Тройник». При отсутствии серийно выпущенного типоразмера, конструкция этого приёмника пригодна к самостоятельному изготовлению силами одного сварщика не самого высокого разряда.

Сопротивление входу воздуха и движению аэросмеси в приёмном устройстве зависит от его типа и от соответствия площадей сечения трубы приёмника и материалопровода. Надо отметить, что сопротивление выбранного пневмоприёмника «Тройник» - не самое маленькое среди других типов. Потери давления пневмотранспортной установки на преодоление сопротивления в приёмном устройстве определяются:

Н_пр= ξ_пр∙ ρ∙v²_пр/2;

ξ_пр – коэффициент сопротивления приёмного устройства, для типа «Тройник» ξ_пр=1,5; плотность воздуха ρ=1,2 кг/м³; v_пр – скорость воздуха в приёмнике. Если диаметры материалопровода и пневмоприёмника не одинаковы, то v_пр=v∙F/F_пр. (F и F_пр – площади сечений трубы пневмотрассы и приёмного устройства.)

Н_пр=1,5∙1,2∙202/2=360 (Па).

 

Потери давления на разгон смеси.

 

В самом начале пути часть энергии пневмотранспортной установки тратится на сообщение продукту заданной скорости движения. Чтобы разогнать одну тонну продукта, в материалопроводе нужно создать дополнительное давление:

i=M∙v/D²; где М – коэффициент свойств материала. Для мягких продуктов, в том числе пшеничных или ржаных отрубей М=0,35.

i=0,35∙20/0,3²=77,8 (Па/т).

Для производительности нашей линии потери давления на разгон составят:

Н_разг=i∙G=77,8∙2,5=194,5 (Па).

 

Потери давления на восстановление скорости после отводов.

 

При прохождении поворотов трассы движение отрубей и воздуха немного тормозится. Компенсация потерь давления на разгон смеси после одного отвода:

Н_{разг отв}=∆y∙i∙G

∆y – коэффициент, зависит от параметров отвода, принимается по справочным таблицам, в данной сети ∆y=0,5.

Н_{разг отв}=0,5∙77,8∙2,5=97,25 (Па).

В схеме рассматриваемой пневмотранспортной установки материалопровод имеет четыре отвода, в составе воздуховодов после циклона-разгрузителя их ещё четыре, но для расчёта восстановления скорости считаем только те, где движется продукт:

∑Н_{разг отв}=97,25∙4=389 (Па).

 

Потери давления в отводах пневмотрассы.

 

Все повороты материалопровода являются препятствием движению смеси продукта и воздуха. Потери располагаемого давления пневмотранспортной или аспирационной установки в отводе:

Н_отв=Н_{отв чист}∙(1+К_отв∙µ)

Потери давления в отводе пневмотранспортной или аспирационной сети при движении чистого воздуха:

Н_{отв чист}=∆_отв∙ ξ_отв∙ ρ∙v²/2;

∆_отв - экспериментальный коэффициент, учитывающий угол поворота, для отводов 76÷90^о табличное значение ∆_отв=1,0. ξ_отв - коэффициент сопротивления, зависящий от размеров отвода, для отводов данной сети ξ_отв=0,25.

Н_{отв чист}=1∙0,25∙1,2∙20²/2=60 (Па).

К_отв – коэффициент сопротивления отвода при движении продукта:

К_отв=В^Ɩ∙D / [v^1,25∙(r/D)m]

Для отводов, меняющих направление движения мягких продуктов в сети воздуховодов с горизонтали на вертикаль m=0,15; B^Ɩ=400. Для отводов с вертикали на горизонталь коэффициенты m=0,23; B^Ɩ=320. Для горизонтальных отводов m=0,18; B^Ɩ=370. r – радиус закругления отвода.

К_{отв г-в}=400∙0,3 / [20^1,25∙(1,5/0,3)0,15] = 2,23

К_{отв в-г}=320∙0,3 / [20^1,25∙(1,5/0,3)0,23] = 1,57

Н_{отв г-в}=60∙(1+2,23∙0,41)=115 (Па)

Н_{отв в-г}=60∙(1+1,57∙0,41)=98,6 (Па)

Потери давления на преодоление сопротивления во всех четырёх отводах материалопровода пневмосистемы:

∑Н_отв=115∙2+98,6∙2=427 (Па).

Потери давления в отводах аспирационной сети после разгрузки отрубей и очистки воздуха в циклонах будут рассчитаны отдельно и добавлены к общим потерям.

 

Потери давления в прямых участках аспирации и пневмотранспорта.

 

   При движении по трубопроводам чистого, запылённого воздуха или его смеси с каким-либо продуктом, происходит трение о стенки воздуховода. Чем больше запылённость или содержание в воздухе частиц материала, тем выше сопротивление трения. Потери давления в прямых вертикальных и горизонтальных участках материалопровода, а также при движении в них чистого воздуха рассчитываются по формулам:

Н_{тр верт}=Н_чист∙(1+К_в∙µ)

Н_{тр гор.} =Н_чист∙(1+К_г∙µ)

Н_чист=R∙L (Па); где L – длина прямого участка, м;

R – потери давления при движении чистого воздуха в одном метре воздухопровода, Па/м:

R=(л/D)∙ρ∙v²/2

л – коэффициент сопротивления с учётом шероховатости внутренней поверхности воздуховода, вычисляется по формуле Никурадзе:

л=1 / [1,75+2∙lg(D/2k)]²

или по формуле А. Альтшуля:

л=0,11∙[k/D+68/Re]^0,25

где D – диаметр воздухопровода, k – высота выступов шероховатости (оба значения выразить в одинаковых единицах: в метрах или в мм). Шероховатость материалопроводов для зерна принимать 0,1∙10^-3 м, для промежуточных продуктов размола 0,2∙10^-3 м. Те же значения шероховатости принимаются для воздуховодов при расчёте аспирации линий зерна и размольного отделения мельницы.

Re – число, или критерий Рейнольдса:

Re=v∙D/u где u – кинематическая вязкость воздуха, u=15∙10-6 м²/сек.

л=1 / [1,75+2∙lg(0,3/2∙0,2∙10^-3)]2 = 0,018.

R=(0,018/0,3)∙1,2∙20²/2 = 14,2 (Па/м).

Суммарная длина вертикальных участков материалопровода 50 метров, горизонтальных 100 метров. Соответственно, потери давления в вертикальных и горизонтальных участках при движении чистого воздуха:

Н_{чист верт} =14,2∙50= 710 (Па);

Н_{чист гор.}=14,2∙100= 1420 (Па);

Коэффициенты К_в и К_г определяются по формулам:

К_в=А_в∙(D - 0,04)/v^1,33

К_г=А_г∙D/v^1,25

Для отрубей и для других мягких продуктов коэффициенты А_в=160 и А_г=110.

К_в=160∙(0,3 - 0,04)/20^1,33 =0,774

К_г=110∙0,3/20^1,25 =0,78

Н_{тр верт}=710∙(1+0,774∙0,41)=935 (Па)

Н_{тр гор.} =1420∙(1+0,78∙0,41)=1874 (Па).

 

Потери давления на подъём продукта.

 

Н_под=1,2∙µ∙S (кг/м²); где S=50 метров – общая высота подъёма.

Н_под=1,2∙0,41∙50=24,6 (кг/м²);

Н_под=24,6∙9,806=241 (Па).

 

Подбор циклона для разгрузки продукта, или проверка установленного циклона на соответствие параметрам сети.

 

   Для выделения отрубей из аспирационного воздуха в данной установке применяется центробежный отделитель – одиночный циклон типа ЦОЛ. Его относительно не высокая степень очистки от мучной пыли, которая присутствует в отрубях, будет подстрахована установкой дополнительного пылеотделителя. Пропускная способность циклона-разгрузителя должна соответствовать расходу воздуха в материалопроводе пневмотрассы с учётом возможных подсосов через не плотности и в соединениях. Величину непродуктивных подсосов по длине воздухопроводов и продуктопроводов ориентировочно можно принять не менее 5%, на практике зачастую больше – в зависимости от состояния сети или линии.

Q_цр=1,05∙Q=1,05∙5087=5342 м³/час.

По технической характеристике ближе всего к этому расходу воздуха подходит производительность циклона ЦОЛ-6. Диаметр наружного цилиндра 1107 мм, размеры входного патрубка: а∙b=229∙400 мм, оптимальная входная скорость 18 м/сек, коэффициент сопротивления 4, эффективность очистки 90÷95 %. При использовании циклона типа ЦОЛ в качестве рагрузителя из его конусной части обязательно удалить противоподсосный клапан и все детали его крепления. Для надёжной герметизации выгрузки отрубей и мучной пыли под выпускным отверстием циклона или в схеме самотечного трубопровода установить шлюзовой затвор. При использовании циклона в качестве первой ступени очистки воздуха защитный зонт демонтировать и заменить на отвод.

Площадь входного сечения выбранного или установленного циклона:

F=a∙b=0,229∙0,4=0,0916 м².

Входная скорость в циклон:

v_вх=Q_цр/3600∙F=5342/3600∙0,0916=16,2 (м/сек).

Входная скорость оказалась несколько ниже оптимальной, но не критически, возможное понижение эффективности очистки компенсируется в пылеотделителе. Сопротивление циклона-разгрузителя:

Н_цр= ξ_цр∙ ρ∙v²_вх/2 = 4∙1,2∙16,2² / 2 = 630 (Па).

 

Подбор пылеотделителя или проверка установленного циклона на соответствие параметрам аспирационной сети.

 

   В качестве пылеотделителей на зерноперерабатывающих предприятиях широко применяются батарейные циклоны типа 4БЦш и УЦ. Для очистки воздуха аспирационных установок от зерновой пыли используются циклоны 4БЦш, на мучной пыли эффективнее работают улучшенные циклоны марки УЦ и УЦ-38. Так как наш перемещаемый продукт содержит муку и мучную пыль, то в этой пневмотранспортной системе целесообразно в качестве второй ступени очистки применить циклон УЦ. Пропускная способность пылеотделителя равна объёму воздуха, поступающего в разгрузитель, с учётом дополнительного подсоса в шлюзовом затворе и в соединительном воздуховоде. Для циклонов ЦОЛ нормальным считается подсос в количестве 150 м³/час.

Q_по=Q_цр+150=5342+150=5492 (м³/час).

Принимается батарейная установка 2х2УЦ-700, составленная из четырёх одиночных циклонов диаметром 700 мм, диапазон производительности которой 4400÷6200 м³/час. Оптимальная скорость входа воздуха в циклоны марки УЦ v_вх=10÷12 м/сек, эффективность очистки достигает 99 %. Коэффициент сопротивления циклонов УЦ прямо пропорционален диаметру: ξ_ц=(20÷22)∙D_ц. В данном случае диаметр D_ц=0,7 м, ξ_ц=22∙0,7=15,4. Размеры входного патрубка одного циклона выбранной батарейной установки 175х175 мм, общая площадь входного сечения:

F=4∙0,1752=0,1225 м².

Скорость воздуха на входе в циклон:

v_вх=Q_по/3600∙F=5492/3600∙0,1225=12,4 (м/сек).

Сопротивление циклона-пылеотделителя:

Н_по= ξ_ц∙ ρ∙v²_вх/2 = 15,4∙1,2∙12,4² / 2 = 1420 (Па).

Батарея циклонов установлена на одном бункере сбора отходов, выпуск из которого осуществляется через шлюзовой затвор. Подсос воздуха в пылеотделителе и шлюзовом затворе принимается 150 м³/час. В итоге общий расход воздуха пневмотранспортной установки составит:

Q_о=Q_по+150=5492+150=5642 м³/час.

 

Расчёт воздуховодов запылённого воздуха.

 

   На участке между разгрузителем и пылеотделителем проходит воздух, в котором содержится мучная пыль и часть лёгкой фракции отрубей, не отделившихся в циклоне ЦОЛ. Принимая степень очистки первой ступени минимум 0,9, оставшееся количество мучной пыли и отрубей можно считать 2500∙0,1=250 кг/час. Расход воздуха на этом участке 5492 м³/час. Концентрация смеси:

µ=G/Q∙ρ кг/кг; µ=250/5492∙1,2=0,038 (кг/кг).

Потери давления в воздуховоде с повышенной концентрацией рассчитываются по формуле:

Н_{в п} = Н_чист ∙(1 + k∙µ)

Н_чист – потери давления при перемещении чистого воздуха, Па.

Для пыли коэффициент k=1,4; для грубых промежуточных продуктов размола зерна k=0,65(D–30)/v^1,5. В данном воздуховоде логично принять коэффициент для муки: k=0,54(D–30)/v^1,5.

D – диаметр воздуховода, мм. v – скорость воздуха, м/сек, принимаем по рекомендациям для расчёта аспирационных установок на комбикормовых заводах. Надёжно транспортирующая скорость в горизонтальных воздуховодах аспирации линий минерального сырья и влаготепловой обработки не менее 18 м/сек. Для аспирационных установок всех остальных линий не менее 14 м/сек. В наклонных и вертикальных воздуховодах скорость может быть меньше. В «таблице данных для расчёта круглых стальных воздуховодов» по расходу 5492 м³/час принимаем ближайшее табличное значение 5556 м³/час в воздухопроводе стандартного диаметра 355 мм. Скорость воздуха 15,6 м/сек, динамическое давление Нд=148,8 Па, потери давления по длине R=6,77 Па/м. Более точно эти значения можно рассчитать по формулам без приближения к табличным, но при небольшой протяжённости рассматриваемого участка разница будет не существенной. В составе участка прямой воздуховод длиной L=4м, один отвод и переход на входе в циклон-пылеотделитель. Отвод и переход являются местными сопротивлениями, потери давления в которых рассчитываются с учётом их коэффициентов сопротивления. Для прямого отвода из звеньев круглого сечения ξ_отв=0,35. Коэффициент сопротивления переходного конфузора или диффузора определяется по справочным таблицам в зависимости от его размеров и конструкции, в данном случае ξ=0,2.

Н_чист=R∙L+Н_д∙∑ ξ_мс=6,77∙4+148,8∙(0,35+0,2)=109 (Па).

k=0,54(D–30)/v^1,5=0,54(355-30)/15,6^1,5=2,85.

Н_{в п} = Н_чист∙ (1 + k∙µ)=109∙(1+2,85∙0,038)=121 (Па).

 

Расчёт воздуховодов чистого воздуха.

 

   После очистки в пылеотделителе, при условии исправного шлюзового затвора и герметичности пылесборного конуса циклона, в воздуховодах проходит чистый или мало запылённый воздух. Расход воздуха на последнем участке сети равен общему расходу установки Q_о=5642 м³/час. Для воздуховода диаметром 355 мм назначается ближайший табличный расход 5698 м³/час. Приближение в сторону увеличения вполне оправдано возможными сверхнормативными подсосами в сети. При скорости 16 м/сек скоростное давление Нд=156,6 Па, потери на трение о стенки воздуховода R=7,11 Па на 1 метр длины. Суммарная длина прямых воздуховодов после пылеотделителя L=11 метров. В составе участка три прямых отвода, коэффициенты сопротивления которых ξ_отв=0,35. Коэффициенты переходов к вентилятору и от него можно принять равными ξ_{п в}=0,2. Коэффициент сопротивления имеющегося диффузора на выхлопе зависит от размеров, в данном случае ξ_выхл=0,29. Коллектор батарейного циклона имеет коэффициенты сопротивления на входе ξ_{к вх}=0,8÷1 и на выходе ξ_{к вых}=0,5. (Сведения о сопротивлении сборных коллекторов из разных источников или методических указаний могут отличаться).

Потери давления в части сети чистого воздуха:

Н_{в ч}=R∙L+Н_д∙∑ ξ_мс

∑ ξ_мс= 0,35∙3+0,2∙2+1+0,5+0,29=3,24.

Н_{в ч}=7,11∙11,0+156,6∙3,24=586 (Па).

 

Итоговые потери давления и расход воздуха пневмотранспортной установки.

 

Общие потери давления в системе складываются из отдельных потерь на каждом этапе движения смеси пшеничных отрубей и воздуха.

Н_с=Н_пр+Н_разг+∑Н_отв+∑Н_{разг отв}+Н_{тр гор}+Н_{тр верт}+Н_под+Н_цр+Н_по+Н_вп+Н_{в ч}.

Н_с=360+194,5+427+389+1874+935+241+630+1420+121+586=7177,5 (Па).

Расход воздуха установки с учётом подсосов в воздуховодах, циклонах и шлюзовых затворах:

Q_с=5698 м³/час.

Подбор вентилятора.

 

   Давление, которое должен развивать вентилятор, принимается равным общим потерям давления в системе с коэффициентом запаса 1,1 на неучтённые потери и сопротивления:

Н_в=1,1∙7177,5=7895 Па.

Производительность вентилятора принимается равной итоговому расходу воздуха пневмотранспортной системы: Q_в=Q_с=5698 м³/час.

Вентилятор выбирается по аэродинамическим характеристикам, в диапазон значений которых входят рассчитанные параметры. Из всех подходящих вентиляторов следует выбрать тот, у которого наибольший коэффициент полезного действия при заданном давлении и производительности, и рабочая точка находится на нисходящей части кривой характеристик. При равных значениях кпд предпочтение отдаётся вентиляторам с меньшей частотой оборотов рабочего колеса и уровнем шума. Также принять во внимание возможность изменить частоту оборотов вентилятора в случае коррекции режима работы аспирационной или пневмотранспортной установки.

 

Расчёт мощности электродвигателя.

 

Мощность, необходимая на валу вентилятора, рассчитывается:

N_в=Q_в∙H_в / 3600∙1000∙ƞ∙ƞ_пер∙ƞ _подш

ƞ – коэффициент полезного действия вентилятора, определяется по характеристике.

ƞ_пер – коэффициент полезного действия способа передачи мощности от электродвигателя вентилятору. При посадке рабочего колеса на вал двигателя ƞ_пер=1; для клиноремённых передач принимается ƞ_пер=0,95÷0,98; для передачи с помощью муфты ƞ_пер=0,98.

ƞ_подш. – коэффициент, учитывающий потерю мощности в подшипниках, ƞ_подш.=0,98÷0,99.

Мощность установленного электродвигателя принимается с запасом на пусковой момент. Для двигателей мощностью свыше 5 кВт коэффициент запаса 1,1:

N_эл=1,1∙Nв (кВт).

Необходимая частота оборотов рабочего колеса вентилятора выводится подбором передаточного отношения ведущего и ведомого шкивов клиноремённой передачи. Пуск электродвигателя производить при закрытой задвижке или клапане перед входным отверстием вентилятора. Останавливать вентилятор только при полном освобождении пневмотранспортной системы от находящегося в трубопроводах продукта.