ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Производство строительных материалов представляет собой сложные технологические процессы, связанные с переработкой сырья с различными физико-механическими свойствами, а также с использованием разнообразной степени сложности технологического оборудования и вспомогательных механизмов.

Высоконапорный пневматический транспорт нашел применение на предприятиях строительной, огнеупорной, химической и других отраслей и широко используется для транспортирования мелкозернистых сыпучих материалов, таких как цемент, глинозем, сода, апатиты, зола, глина, синтетические средства, минеральные удобрения.

Пневмотранспортирование имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными средствами транспортировки сыпучих материалов: большая высота подъема и дальность транспортирования (до 1000 м), использование площадей, непригодных для других способов транспортировки, полное отсутствие остатков и потерь перемещаемого продукта в трубопроводах, исключение нарушений технологических и гигиенических режимов воздушной среды в производственных помещениях в связи с отсутствием пыления, легкость монтажа, возможность полной автоматизации управления, компактность. Но при пневмотранспортировании расходуется большой объем сжатого воздуха. Так, для некоторых материалов расход воздуха достигает 250 м³ на тонну [56, 60, 73, 77, 82, 107, 111, 129].

Процесс пневмотранспортирования происходит за счет действия сжатого воздуха на перемещаемый материал. Но при этом, как правило, возникают сквозные каналы в слое материала, что влечет за собой повышенный расход сжатого воздуха, часть невыгруженного материала остается на дне камеры насоса, что снижает производительность. Для повышения эффективности процесса транспортирования необходимо организовать эффективное псевдоожижение материала, то есть равномерное

смешивание транспортируемого материала с воздухом.

Ввиду того, что при использовании некоторых псевдоожижающих устройств могут образовываться сквозные каналы в слое материала и учитывая большие объемы транспортируемого материала, актуальной задачей является повышение эффективности работы пневмокамерных насосов и снижение расхода сжатого воздуха, необходимого для транспортировки сыпучих материалов.

Степень разработанности темы исследования.

Значительный вклад в исследования процесса пневмотранспортирования сыпучих материалов и разработку методов математических расчетов внесли такие ученые, как Островский Г.М., Разумов И.М., Калинушкин М.П., Успенский В.А., Малис А.Я., Сукомел А.С., Сегаль И.С., Урбан Я., Вельшоф Г., Девидсон И.Ф., Харрисон Д., Кунии Д., Клячко Л.С., Сегаль И.С., Дзядзио А.М., Страхович К.И., Догин М.Е., Костюк Г.Ф., Gidaspow D., Klinzing G.E., Ogawa S. и другие. Их труды и исследования способствовали изучению проблем процесса пневмотранспортирования сыпучих материалов.

Вместе с тем, процесс пневмотранспортирования с помощью пневмокамерных насосов, обеспечивающих псевдоожижение транспортируемого материала, не получил достаточного изучения, поэтому существует необходимость в проведении дополнительных исследований в рассматриваемой области.

Объект исследования - мультисопловое аэрационное устройство для псевдоожижения цемента в пневмокамерном насосе.

Предмет исследования - процесс разгрузки камеры пневмокамерного насоса при его различных режимах работы.

Цель работы.

Снижение расхода сжатого воздуха и увеличение производительности пневмокамерных насосов при транспортировании цемента за счет эффективного псевдоожижения транспортируемого материала с использованием новой конструкции мультисоплового аэрационного устройства.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Произвести анализ существующих конструкций пневмокамерных насосов и систем псевдоожижения цемента.

2. Определить основные параметры потока цементно-воздушной смеси.

3. Произвести моделирование движения цементной загрузки в камере пневмокамерного насоса.

4. Получить теоретические зависимости для определения расхода сжатого воздуха и производительности насоса, а также систему уравнений, выполнение условий которых обеспечит качественную разгрузку его камеры.

5. Разработать методику проведения экспериментальных исследований, получить экспериментальные уравнения регрессии для определения времени разгрузки камеры, производительности и расхода сжатого воздуха.

6. Разработать методику расчета основных конструктивных параметров пневмокамерного насоса от заданной производительности.

7. Разработать принципиальную схему мультисоплового аэрационного устройства пневмокамерного насоса, обеспечивающего эффективное псевдоожижение транспортируемого материала для снижения расхода сжатого воздуха и увеличения производительности насоса, а также рекомендации и конструкторскую документацию для промышленного внедрения мультисоплового аэрационного устройства пневмокамерного насоса.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Работа соответствует паспорту специальности 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы», а именно областям исследований:

3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций.

5. Разработка научных и методологических основ повышения производительности машин, агрегатов и процессов и оценки их экономической эффективности и ресурса.

Научная новизна.

С использованием компьютерного моделирования разработана математическая модель транспортирования цемента пневмокамерными насосами, учитывающая влияние давления в камере и его конструктивно­технологических параметров на свойства потоков цементно-воздушной смеси; разработаны выражения для определения скорости воздуха в поровых каналах, скорости витания частиц; получено выражение для определения концентрации цементно-воздушной смеси от конструктивно­технологических параметров насоса; получены теоретические выражения для определения производительности и расхода сжатого воздуха пневмокамерным насосом; получены уравнения регрессии зависимостей времени разгрузки камеры, секундной производительности и расхода воздуха в зависимости от основных параметров пневмокамерного насоса.

Теоретическая значимость работы.

Получена математическая модель транспортирования цемента пневмокамерными насосами; разработаны выражения для определения скорости воздуха в поровых каналах, скорости витания частиц, концентрации цементно-воздушной смеси; получены выражения для определения производительности насоса и расхода сжатого воздуха.

Практическая значимость работы.

На основании результатов исследований разработано новое мультисопловое аэрационное устройство для пневмокамерного насоса, конструкция которого защищена патентом на полезную модель № 153059, МПК B65G53/40. Мультисопловое аэрационное устройство позволяет повысить эффективность псевдоожижения цемента в камере насоса, за счет чего сокращение расхода сжатого воздуха составляет 10-12%. Реализовано промышленное использование мультисоплового аэрационного устройства в пневмокамерном насосе ТА-29 при транспортировании цемента в силоса на ЗАО «Белгородский цемент». Разработана методика расчета основных конструктивных параметров пневмокамерного насоса, которая внедрена для закрепления материала в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению 15.03.02-21 - Технологические машины и комплексы

предприятий строительных материалов.

Методы исследований.

В процессе исследований применяются теоретический метод анализа, экспериментальные методы: визуального наблюдения, лабораторного эксперимента, математической статистики, абстрагирования, сравнения теоретических и экспериментальных результатов.

Автор защищает следующие основные положения:

1. Математическую модель движения цементно-воздушной смеси в камере пневмокамерного насоса.

2. Теоретические зависимости для определения скорости воздуха в поровых каналах, скорости псевдоожижения.

3. Выражение для определения концентрации цементно-воздушной смеси от конструктивно-технологических параметров пневмокамерного насоса.

4. Теоретические зависимости для определения производительности пневмокамерного насоса и расхода сжатого воздуха.

5. Результаты экспериментальных исследований в виде регрессионных моделей, позволяющие определить влияние основных факторов на

формирование функций отклика: время разгрузки, производительность насоса и удельный расход сжатого воздуха.

6. Конструкцию пневмокамерного насоса с мультисопловым аэрационным устройством, защищенную патентом РФ на полезную модель и обеспечивающую повышение эффективности пневмотранспортирования цемента.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций соответствует современным требованиям и обоснована использованием фундаментальных законов, точных контрольно-измерительных устройств, согласованием результатов расчетов с данными экспериментальных исследований и промышленного внедрения.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова, а также международных научно-технических конференциях «Молодежь и научно­технический прогресс» - г. Губкин; «Образование, наука, производство» - г. Белгород; «Интерстроймех-2015» - г. Казань; «Энергосберегающие процессы и оборудование, моделирование и оптимизация процессов, прикладная механика неоднородных сред» - г. Санкт-Петербург, а также на Юбилейной Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова «Наукоемкие технологии и инновации».

Публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 27 научных статей, в том числе 4 работы опубликованы в ведущих рецензированных журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 статья в международном журнале, индексируемом в базе данных Scopus. Получено 2 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 134 наименований. Работа изложена на 167 страницах, в том числе содержит 48 рисунков, 6 таблиц, 5 приложений.