Технические науки/2. Механика

К.т.н. Васечкин М.А., асп. Рыжкова Е.А., асп. Проскурин А.В.,

соис. Стоянова Н.В.

Воронежская государственная технологическая академия, Россия

К вопросу об определении режима импульсной подачи газа систем с газовым буфером

Применение сжатого воздуха в технологическом процессе обуславливается рядом преимуществ, во-первых, его получение требует незначительных энергозатрат, во-вторых, создаваемый газовый слой между опорной поверхностью изделий и поверхностью технологического оборудования предотвращает их контакт, что очень важно при производстве пищевых продуктов.

Наряду с перечисленным пневмоустановки обладают следующими достоинствами: отсутствие движущихся механических частей, простота обслуживания и эксплуатации, возможность совмещения процесса транспортирования с какими либо технологическими операциями.

Однако устройства с газовым буфером имеют один существенный недостаток – поле давления в буферном слое неоднородно, то есть имеет «пики» и «провалы», которые оказывают заметное влияние на эффективность функционирования систем с газовым буфером.

Снизить неоднородность поля давления можно используя импульсный режим подачи газа в буфер. Одним из рациональных способов создания импульсной подачи газа является применение псевдоожиженного слоя.

Псевдоожиженный слой – это состояние зернистого сыпучего материала, при котором под влиянием проходящего через него потока газа или жидкости частицы твердого материала интенсивно перемещаются одна относительно другой. В псевдоожиженном состоянии относительная скорость движения газа и частиц равна нулю.

При скорости W потока ниже некоторого критического значения W_n (скорости начала псевдоожижения) слой зернистого материала находится в неподвижном состоянии. По достижении W скорости начала псевдоожижения гидравлическое сопротивление зернистого слоя становится равным его весу, отнесенному к площади сечения аппарата.

При дальнейшем увеличении скорости потока до некоторого критического значения W_у частицы перемещаются интенсивнее, порозность и высота слоя продолжают возрастать при практически постоянном гидравлическом сопротивлении. Скорость W_у называют скоростью уноса, это критическое значение соответствует началу массового уноса частиц и разрушению псевдоожиженного слоя.

Таким образом, рабочая скорость W потока в псевдоожиженном слое должна находиться в пределах W_n < W < W_у. Отношение рабочей скорости к скорости начала псевдоожижения называют числом псевдоожижения :

.

Число псевдоожижения характеризует интенсивность перемешивания частиц. Наиболее интенсивное перемешивание частиц достигается уже при = 2 [2].

При импульсной подаче газа в газовом буфере возникает волна, давление которой определяется по выражению [1]:

,

где - давление звуковой волны на расстоянии от центра отверстия, Па; - волновое число; r – текущий радиус, м; t – текущее время; - радиус отверстия, м; - частота волны, численно равная числу попадания в «зону чувствительности» взвешенных частиц зернистого слоя в 1 с.

Число попаданий частиц в «зону чувствительности» будет зависеть от размеров частиц и «зоны чувствительности», скорости движения частиц и их количества в зернистом псевдоожиженном слое:

,

где D – эквивалентный диаметр, м; n – количество частиц зернистого слоя; V_к – объем камеры, м³.

Выражение для определения поля давления в газовом буфере:

,

где - скорость звука в газообразных средах, м/с; h – толщина прослойки, м; Q_min – минимальный расход газа, м³/с; – радиус изделия, м; H_к – высота камеры, м.

Требуемый минимальный расход газа при запитывании газового буфера через одно центральное отверстие:

,

где µ - вязкость сплошной среды, Па∙с; – масса изделия, кг; , – площадь проходного сечения при максимальном и минимальном расходе газа соответственно, м³.

Давление в питающем тракте можно определить из выражения:

,

где p_a – атмосферное давление, Па; – гидравлическое сопротивление зернистого слоя:

,

– гидравлическое сопротивление, необходимое на удержание изделия на газовом буфере:

,

где – коэффициент расхода; – давление в газовом буфере напротив питающего отверстия:

,

где – безразмерный коэффициент, зависит от числа отверстий, расхода газа:

.

Представленные зависимости позволяют определить параметры функционирования устройств с газовым буфером, образованного за счет импульсной подачи газа в буфер.

Литература:

1. Горелик Г.С. Колебания и волны / М.: Физматлит, 1959. 572 с.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические тепловые процессы и аппараты М.: Химия, 1995. – 400 с.: ил.