- •Федеральное агентство по образованию московский государственный строительный университет
- •«Проектирование машин и оборудования»
- •270101 (653500) – Строительство__________________________________
- •270101 (171600) – Механическое оборудование и технологические______
- •1. Объем дисциплины и виды учебной работы
- •2. Цели изучения дисциплины
- •3. Содержание дисциплины
- •3.1. Разделы дисциплины и виды занятий
- •3.2 Содержание лекционных занятий
- •3.3. Перечень практических занятий
- •3.4. Лабораторный практикум
- •3.5. Перечень контрольных заданий
- •3.7. Самостоятельная работа студента
- •4. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
- •4.1 Перечень основной и дополнительной литературы
- •Раздел I. Конструирование дробилок для измельчения строительных материалов. Характеристика процесса измельчения.
- •Проектирование щековых дробилок.
- •Исходные данные для расчета щековых и конусных дробилок
- •Щековые дробилки
- •Конусные дробилки
- •Валковые дробилки
- •Дробилки ударного действия
- •Раздел II Конструирование мельниц для помола строительных материалов Барабанные (шаровые) мельницы для помола строительных материалов
- •Раздел III Конструирование и расчет основных параметров грохотов Назначение и сущность процессов сортирования.
- •Раздел IV Машины и оборудование для воздушной сепарации материалов Общие сведения о процессе, область применения и технологические показатели воздушных сепараторов
- •Основы теории воздушных сепараторов
- •Машины и оборудование для гидравлической классификации и обогащения строительных материалов
- •Раздел V
- •Конструирование дозаторов строительных
- •Материалов и жидкостей
- •Общие сведения
- •Раздел VI Машины для перемешивания материалов Общие сведения о процессах перемешивания и смесительных машинах
- •Раздел VII Машины и оборудование для правки, резки и гибки стержневой арматуры и арматурных сеток Классификация оборудования, виды арматурных сталей и изделий
- •Раздел VIII Вибрационное оборудование для уплотнения бетонных смесей. Типы вибрационных уплотняющих машин и области их применения
- •Раздел IX Механизированные линии и установки для производства бетонных и железобетонных изделий. Оборудование для радиального прессования железобетонных труб
- •Раздел X Расчет и конструирование оборудования для производства цемента Оборудование для обжига и охлаждения клинкера.
- •Раздел XI Оборудование для производства силикатного кирпича Состав основного оборудования линии для производства силикатного кирпича
- •Раздел XII Оборудование для производства асбестоцементных изделий
- •Раздел XIII Оборудование для производства глиняного кирпича, камня и черепицы. Основные сведения, технологические схемы производства кирпича и пустотелых блоков.
- •Расчет валковых машин
- •Расчет глинорастирателя
- •Определение среднего значения давления на криволинейную поверхность рабочей части лопасти
- •Определение градиента скорости на поверхности лопасти
- •Определение среднего значения градиента скорости на поверхности лопасти
- •Определение напряжения сдвига и силы трения, действующих на единицу ширины лопасти в зоне захвата материала
- •Расчет шнекового пресса для производства глиняного кирпича на основе реологических свойств глиномасс
- •Поток утечки в шнековом прессе при различных давлениях в формующей головке и зазорах
- •Определение характеристик формующих элементов пресса
- •Определение мощности привода шнекового пресса
- •Список используемых обозначений
- •Перечень основных терминов
- •Оглавление
- •Гоу впо мгсу
- •Методические указания для выполнения курсового проекта по дисциплине «Проектирование машин и оборудования»
Раздел IV Машины и оборудование для воздушной сепарации материалов Общие сведения о процессе, область применения и технологические показатели воздушных сепараторов
Сухие порошковые материалы крупностью менее 1 мм сортировать на механических грохотах становится затруднительно и малоэффективно. Рациональнее применять воздушную сепарацию, при которой более крупные частицы выпадают из потока газов под действием силы тяжести (а в некоторых случаях и под действием центробежных сил), а мелкие уносятся. Регулируя различными способами скорость газового потока, можно варьировать крупность выносимых частиц.
В промышленности строительных материалов воздушные сепараторы широко применяют в помольных установках, работающих по замкнутому циклу, при производстве гипса, извести, цемента и др. В этих случаях существенно повышается производительность и снижаются затраты энергии мельниц вследствие непрерывного отбора готового продукта. В воздушных сепараторах при использовании горячих газов легко совмещаются сортирование и сушка материалов.
Основным технологическим требованием, предъявляемым к сепараторам, является точность разделения смеси на фракции.
В реальных условиях работы аппаратов точное разделение получить невозможно, так как невозможно обеспечить стабильное протекание процесса. Режим движения частиц непрерывно изменяется в результате изменения концентрации частиц в потоке, их формы, местных завихрений потока и т. д. Вследствие этого мелкая фракция оказывается «загрязненной» крупными частицами, и наоборот.
Точность разделения в сепараторах наиболее часто оценивают коэффициентом полезного действия и эффективностью разделения.
К. п. д. в % выражается отношением массы одного из продуктов (мелкого или крупного) к массе продукта того же класса, содержащегося в исходном материале:
, (246)
где и — масса мелкого продукта, вышедшего из сепаратора, и масса этого
же продукта в исходном материале.
К. п. д. сепаратора дает возможность легко определить его производительность по мелкой или крупной фракции, но оценить с его помощью степень загрязнения фракций нельзя. Эту оценку можно произвести с помощью э ф ф е к т и в н о с т и р а з д е л е н и я
, (247)
где и — производительность по фракции меньшей границы раздела в мелком
продукте и в исходном материале;
и — производительность по фракции большей границы раздела там же.
В промышленных условиях к. п. д. сепараторов составляет 65—70%, а эффективность разделения в среднем 55%. Более конкретные сведения о качестве сепарации дает график классификации, построенный по экспериментальным исследованиям.
Основы теории воздушных сепараторов
В рабочих зонах сепараторов, где смесь разделяется на фракции, на частицу могут действовать силы давления, тяжести и центробежные силы инерции. В зависимости от схемы взаимодействия сил и их величины частица движется в том или ином направлении.
Силы, действующие на частицы разной крупности, будут неодинаковыми, поскольку силы давления потока на частицу пропорциональны второй степени ее диаметра, а силы тяжести и инерции, зависящие от массы, пропорциональны третьей степени диаметра.
Воздушные сепараторы должны быть такой конструкции, чтобы в рабочих зонах наиболее полно выполнялись следующие условия:
1.Силы, действующие на частицу любого размера, должны регулироваться. При этом поле скоростей потока должно оставаться однородным.
2.Силы, действующие на частицу, должны находиться в различной функциональной зависимости от их размера и быть противоположно направленными.
3.Частицы «граничного» размера должны находиться в динамическом равновесии, а частицы других размеров выноситься из зоны разделения; причем, более мелкие в одном направлении, а более крупные в другом.
На рис. 30, а, б показаны принципиальные схемы наиболее распространенных сепараторов. Обычно в сепараторах используют несколько схем зон разделения, но, как правило, одна из них имеет преобладающее значение для процесса сортирования.
В сепараторе проходного типа (рис. 30, а) используются противоточная центробежная (рис. 30, I) и вертикальная поточная гравитационная зоны разделения (рис. 30, II). В циркуляционном сепараторе (рис. 30, б) использованы вертикально-поточная гравитационная (рис. 30, II), центробежная поперечно-поточная гравитационная (рис. 30, III) и циклонная (рис. 30, IV) зоны разделения.
При расчете процесса сепарации стремятся получить зависимость скорости движения газа от размера частиц (с учетом их физических свойств) и геометрических размеров элементов сепаратора.
Проанализируем некоторые характерные зоны разделения.
В е р т и к а л ь н о п о т о ч н а я г р а в и т а ц и о н н а я з о н а (с противоточным разделением частиц). На частицу (рис. 30, II), находящуюся в потоке газа, действуют сила тяжести G, направленная вниз, и сила давления потока Р, направленная вверх. Если для какой-либо частицы выполняется условие равенства сил, т. е.
Р = G, (248)
то частица зависает (витает) в потоке. Размер такой частицы является «границей» разделения. Более мелкие частицы выносятся потоком со скоростью , образуя «тонкий» (мелкий) продукт, а более крупные — выпадают из него со скоростью и образуют «грубый» (крупный) продукт.
Частицы граничного размера движутся с потоком или оседают в результате столкновений с частицами, а также из-за местных завихрений потока, трения о стенки и других случайных причин.
Р ис. 30. Схемы сепараторов:
а – проходного;
б – циркуляционного;
I -IV – зоны противопоточная
центробежная, вертикальнопоточная гравитационная, центробежная поперечнопоточная, циклонная
Согласно законам аэродинамики сила давления потока на частицу (Н)
, (249)
где С — коэффициент аэродинамического сопротивления;
— проекция частицы на плоскость, перпендикулярную относительной
скорости потока, м2;
— коэффициент формы частицы: для шаровидных =1,0, для
овальных — 1,1, для угловатых — 1,53, для продолговатых — 1,76,
для пластинчатых — 3,8;
d — приведенный диаметр частицы, м;
— плотность газа, кг/м3;
— относительная скорость потока (скорость обтекания частицы
газом), м/с;
— коэффициент аэродинамического сопротивления частицы
шаровидной формы.
Определить коэффициент аэродинамического сопротивления частиц разной формы и шероховатости довольно сложно, поэтому реальную частицу обычно заменяют эквивалентным шаром того же объема и массы, а эту замену учитывают коэффициентом формы.
Коэффициент аэродинамического сопротивления для частиц шаровидной формы в основном зависит от режима движения газов, оцениваемого числом Рейнольдса и может быть рассчитан по следующим формулам для различных чисел Re:
при 0 < Re < 1
;
при 1 < Re < 10
;
при 10 < Re < 1000
,
где v — кинематическая вязкость газа, м2/с.
Определив силу Р по формуле (249) и зная силу
,
запишем условие равновесия частицы:
. (250)
Из этой зависимости можем определить границу разделения в м п р и
з а д а н н о й скорости движения воздуха :
, (251)
где — плотность материала, кг/м3, или скорость потока (м/с), обеспечивающую «витание» частицы размером
. (252)
Если частица движется в потоке (т. е. Р G), то скорость ее установившегося движения равна разности между действительной скоростью потока газов и скоростью газа, при которой частица «витает», т. е.
, (253)
где — скорость движения газа.
Подставив в формулу (251) и (252) значения С0 (например, для интервала
0 < Re < 1 ), получим значение (м) границы разделения материала при данной скорости
, (254)
откуда
, (255)
и скорость витания (м/с) для частицы размером d
. (256)
Аналогично можно получить формулы для других значений Re и С0.
Пределы применимости формул для расчета С0 можно найти, решая выражение для определения числа Re относительно размера частиц. Например, для области
0 < Re < 1, приняв Re = 1 запишем
.
Откуда
. (257)
Приняв для шаровидной частицы = 1, v = 1,5·10 м2/c, = 1,22 кг/м3,
= 2650 кг/м3, получим
мм.
Таким образом, формула для области 0 < Re < 10 применима для материалов с размером частиц не более 50 мкм.
Аналогично можно установить, что формула для области 10 < Re < 1000 действительна для частиц с размерами в интервале от 0,1 до 1,0 мм.
В п р о т и в о т о ч н о й ц е н т р о б е ж н о й з о н е разделения (рис. 30, I) на частицу действуют центробежная сила , направленная по радиусу от центра, сила давления потока газа P, направленная к центру, и сила тяжести G. Воздух в этой зоне движется по архимедовой спирали, а частица — по кривой, близкой к логарифмической спирали. Мелкие частицы, для которых сила давления больше центробежных сил, движутся к центру, крупные — к периферии. Частицы граничного размера движутся по окружности и попадают в грубый или тонкий продукт под действием случайных причин. Условие равновесия частицы граничного размера (пренебрегая действием силы тяжести)
.
Заменив (где — центробежное ускорение), а силу давления потока согласно формуле (249), получим
; (258)
откуда граница разделения (м)
, (259)
где и — радиальные и касательные составляющие скорости потока, м/с;
R — средний радиус зоны разделения, м.
В ц е н т р о б е ж н о й п о п е р е ч н о п о т о ч н о й з о н е разделения (рис. 30, III) на частицу действуют центробежная сила при вращении ее потоком газа, сила давления Р, направленная вверх, и сила тяжести G. В результате действия этих сил частица движется по конической спирали.
Крупные частицы, на которые преобладающее значение оказывает центробежная, сила, преимущественно движутся в горизонтальном направлении и при касании стенки, потеряв скорость, оседают. Мелкие частицы под действием сил давления быстрее движутся по вертикали и выносятся потоком вверх. Частицы граничного размера за некоторое время перемещаются по вертикали на расстояние h и одновременно по горизонтали на некоторое расстояние l.
Таким образом, границу разделения можно определить из равенства времени движения частицы по вертикали на величину h и времени движения по горизонтали на величину l:
(260)
или
. (261)
Скорость движения частицы по вертикали
. (262)
Горизонтальную скорость движения частицы найдем из равенства
. (263)
Давление потока на частицу в радиальном направлении
; (264)
тогда
; (265)
откуда горизонтальная скорость движения частицы в м/с
, (266)
где — коэффициент аэродинамического сопротивления при движении
частицы в радиальном направлении.
Подставив значение скорости в формулу (261), получим
, (267)
где — коэффициент аэродинамического сопротивления при движении
частицы в вертикальном направлении.
Откуда граница разделения (м) при заданной вертикальной скорости потока составит
. (268)
Конструирование и расчет основных параметров воздушных сепараторов
Проработать по учебнику “Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций” В.А.Бауман, Б.В.Клушанцев, В.Д.Мартынов, издательство “Машиностроение” 1975 г. стр. 184 – 194.