employee from 01.01.2015 to 01.01.2022
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Russian Federation
UDK 62-1/-9 Характеристики и детали машин, аппаратов, установок, процессов, изделий и предметов
In this article, the main recommendations aimed at the optimal choice of body sizes and impact elements of the grinding and mixing rotary pulsation complex, taking into account the power consumption, were analyzed and given. These recommendations were aimed at solving design problems related to determining the dependencies of the size of the housing with its main technological parameters, with the possibility of using data in the design of these complexes. Calculations of a number of basic standard sizes of the complex have been made taking into account the ratios of the diameter and width of the complex, the dimensions of the working elements, their body area, the number of slots based on the following input values, productivity, power consumption and a parameter characterizing the efficiency of the complex – alternating pressure in the channels of the rotor and stator. In the work, the power criteria calculated for the turbulent regime were determined. Graphical dependences of the total power costs of the complex on the rotational speed of the stator and rotor elements for a number of basic sizes of the complex are obtained. The housing of the complex was designed taking into account the accepted standard sizes. Taking into account the obtained values of the total power costs for each gap of the complex, the maximum radius of the rotor was determined. Taking into account the conditions of structural strength of the cylinder wall thickness of the complex, calculations were made for the diameters of the stator and rotor for a number of standard sizes of the complex. Based on these calculations, we selected the number of slots on the rotor and stator, their width and height
grinding and mixing rotary pulsation complex, housing, power criteria, total power costs, slots
Введение. Требования, предъявляемые различными отраслями промышленности, таких как строительная, пищевая, фармацевтическая, нефтеперерабатывающая, молочная, пивная, парфюмерная, сельскохозяйственная и многими другими, всегда опережают внедрение в практику эффективного смесительного оборудования, способного не только перемешивать, но и при этом одновременно гомогенизировать, диспергировать, а если требует технология производства, то и поризовывать, а также частично измельчать и при этом механоактивировать компоненты смеси. С учетом такой подачи необходимых требований, итоговым результатом процесса смешения является обеспечение высокой степени однородности показателей, характеризующих смесь, для исходного объема произведенной смеси, а определяется как получение наиболее максимальных, имеющихся в его составе необходимых для промышленности параметров [1].
Процесс смешения – это целый комплекс химико-технологической системы, главной составной частью которой является смешивающее оборудование [2]. При этом должна быть высокая надежность узлов и деталей самой установки, её мобильность. Также возможность использования установки для смешения различных компонентов смеси для различных отраслей промышленности и пожеланий заказчика при сохранении высоких технологических параметров готового продукта. С учетом наличия множества актуальных аппаратов применяемых для решения задач смешения отлично себя показали следующие типы смесителей, помольно-смесительные роторно-пульсационные аппараты (РПА), основанные на принципах с реализацией электрогидравлического эффекта [3]. Их знаковыми особенностями являются небольшие габариты и при этом высокая производительность. Также конструктивной особенностью установок является создание значительных величин деформации и напряжений сдвига и обеспечение их равномерности в объеме рабочей камеры рабочего корпуса, что обеспечивает высокие показатели смешения компонентов многокомпонентной смеси.
Методы, оборудование, материалы. В качестве методов, применяемых к обоснованию рекомендаций к обоснованному выбору типоразмеров корпуса и ударных элементов роторно-пульсационного комплекса приняты работы [1–5].
Основная часть. Размер корпуса напрямую связан с тремя основными технологическими параметрами помольно-смесительного роторно-пульсационного комплекса производительностью, потребляемой мощностью и параметром, характеризующим эффективность работы комплекса – знакопеременное давление в каналах ротора и статора.
Размер корпуса его ширина и диаметр, и соотношение диаметра и ширины продиктованы размерами рабочих элементов сегмента статора и ротора и их площадями сечений, и количеством прорезей.
Для корпуса (рис. 1) диаметром 380 мм и шириной 125 мм. Расчет основных параметров мощности и производительности будет определен согласно аналитическим выражениям 1-7.
Рис. 1. Корпус ПСРПК с диаметром корпуса 380 мм и шириной 125 мм
Обоснование и выбор электродвигателя:
Определение объема твердой фазы V [2]:
V=G/r, (1)
где V – объем твердой фазы, м3;
G – величина загрузки твердых включений, из соотношений на 1 м3 для марки пенобетона средней плотностью в сухом состоянии 600 кг/м3, ПЦ 500Д0 503 кг, песок Мк=1,35 27 кг, G=530 кг;
r – плотность воды затворения, r = 1000 кг/м3.
V=530/1000= 0,53 кг/м3.
Величина концентрации твердой фазы в суспензии f [2]:
, (2)
где V1 – объем воды затворения, V1=0,292 м3.
.
Определяем значение коэффициента динамической вязкости суспензии (3) [2].
, (3)
где μж – динамический коэффициент вязкости, жидкости, в данном случае воды, μж =0,001 Па с.
Па·с.
Поскольку в конструкции ПСРПУ имеется три кольцевых зазора, то необходимо произвести расчет затрачиваемой мощности для каждого кольцевого пространства.
Рассчитываем центробежный критерий Рейнольдса ReЦ по формуле (4).
, (4)
где d – начальный диаметр зоны кольцевого пространства, м.
Находим ReЦ:
.
.
.
Поскольку значения центробежного критерия Рейнольдса ReЦ во всех кольцевых пространствах больше 3∙102, то во всех трех зонах доминирующим являются турбулентные течения и расчет параметра мощности KN, который зависит от конструктивных величин комплекса, а также от значений физико-химических параметров среды и расхода, будем производить для турбулентного режима.
Согласно [2] критерий мощности рассчитывается для турбулентного режима по формуле (5).
. (5)
Рассчитываем критерий мощности:
для первого зазора
,
для второго зазора
,
для третьего зазора
.
Затраты мощности рассчитываем по зависимости (6) [2].
, (6)
где Р – затраты мощности в зазоре, Вт.
Рассчитываем затраты мощности:
для первого зазора
Вт,
для второго зазора
Вт,
для третьего зазора
Вт.
Общие затраты мощности в кольцевых зазорах, PЗЦ, будут равны:
, (7)
Вт.
Зависимость мощности от размеров корпуса ПСРПК и его основных рабочих органов –статора и ротора, представлены в графическом виде на рисунке 2.
Для размерного ряда корпуса помольно- смесительного роторно-пульсационного комплекса рассмотрим расчет параметра потребляемой мощности комплексом размер корпуса 420 мм и длиной 142 мм, представленного на рисунке 3.
Рис. 2. Зависимость мощности от частоты вращения элементов статора и ротора размеры корпуса
380 мм и шириной 125 мм
Рис. 3. Корпус ПСРПК с диаметром корпуса 380 мм и шириной 125 мм
Для исходного материала пенобетона средней плотностью в сухом состоянии 600 кг/м3 коэффициент динамической вязкости суспензии берем из расчета, формула 3 равного Па·с.
Остальные параметры зависят от геометрических параметров корпуса ротора и соответственно параметров статора и ротора.
Находим ReЦ:
.
.
.
Поскольку значения центробежного критерия Рейнольдса ReЦ во всех кольцевых пространствах больше 3·102, то во всех трех зонах доминирующим являются турбулентные течения и расчет критерия мощности KN, который зависит от конструктивных величин комплекса, а также от значений физико-химических параметров среды и расхода, будем производить для турбулентного режима.
Согласно [2] критерий мощности рассчитывается для турбулентного режима по формуле (5).
Рассчитываем критерий мощности:
для первого зазора
,
для второго зазора
,
для третьего зазора
.
Затраты мощности рассчитываем по зависимости (6) [2].
Рассчитываем затраты мощности:
для первого зазора
Вт,
для второго зазора
Вт,
для третьего зазора
Вт.
Общие затраты мощности в кольцевых зазорах, PЗЦ, будут равны:
Вт.
Зависимость мощности от размеров корпуса ПСРПК и его основных рабочих органов -статора и ротора, представлены в графическом виде на рисунке 4.
Рис. 4. Зависимость мощности от частоты вращения элементов статора и ротора размеры корпуса
420 мм и шириной 142 мм
Для размерного ряда корпуса помольно – смесительного роторно – пульсационного комплекса рассмотрим расчет параметра потребляемой мощности комплексом размер корпуса 460 мм и длиной 146 мм, представленного на рисунке 5.
Для исходного материала пенобетона средней плотностью в сухом состоянии 600 кг/м3 коэффициент динамической вязкости суспензии берем из расчета, формула 3 равного Па·с.
Рис. 5. Корпус ПСРПК с диаметром корпуса 460 мм и шириной 146 мм
Остальные параметры зависят от геометрических параметров корпуса ротора и соответственно параметров статора и ротора.
Находим ReЦ:
.
.
.
Поскольку значения центробежного критерия Рейнольдса ReЦ во всех кольцевых пространствах больше 3·102, то во всех трех зонах доминирующим являются турбулентные течения и расчет критерия мощности KN, который зависит от конструктивных величин комплекса, а также от значений физико-химических параметров среды и расхода, будем производить для турбулентного режима.
Согласно [2] критерий мощности рассчитывается для турбулентного режима по формуле (5).
Рассчитываем критерий мощности:
для первого зазора
,
для второго зазора
,
для третьего зазора
.
Затраты мощности рассчитываем по зависимости (6) [2].
Рассчитываем затраты мощности:
для первого зазора:
Вт,
для второго зазора
Вт,
для третьего зазора
Вт.
Общие затраты мощности в кольцевых зазорах, PЗЦ, будут равны:
Вт.
Зависимость мощности от размеров корпуса ПСРПК и его основных рабочих органов - статора и ротора представлены в графическом виде на рисунке 6.
Рис. 6. Зависимость мощности от частоты вращения элементов статора и ротора размеры корпуса 460 мм и шириной 146 мм
Согласно полученным расчетным значениям потребляемой мощности, принимаем мощность электродвигателя Рн=30 кВт, выбираем электродвигатель марки АИР200М4, параметры занесем в таблицу 1.
Выбор электродвигателя марки АИР обусловлен высоким к.п.д. и коэффициентом мощности двигателей данной серии. Данная серия относится к двигателям пятого поколения, которые отличаются улучшенными характеристиками, что обусловлено применением новых ферромагнитных материалов.
Таблица 1
Параметры электродвигателя
|
Типоразмер |
Мощность кВт |
Синхронная частота мин-1 |
При ном. нагрузке |
Тп/Тном |
Тmax/Тном |
Тmin/Тном |
Iп/Iном |
||
|
АИР200М4 |
30 |
1500 |
3 |
90,5 |
0,89 |
1,9 |
2,9 |
1,8 |
7 |
Проведем расчет двигателя по перегрузу по формуле (8)
DP=(РН – Р)/РН ·100 %, (8)
DP=(30–24)/24·100 % = 25 %,
где DP- процент недогруза электродвигателя, %;
РН – мощность выбранного электродвигателя, кВт;
Р – расчетная мощность, потребляемая электродвигателем, кВт.
Условие D <20 % выполняется, следовательно, недогруз выбранного электродвигателя будет удовлетворять условиям экономичной работы.
Рассчитаем номинальную асинхронную частоту вращения вала электродвигателя по формуле (9).
nном=n0-n0 s/100 %, (9)
nном=1500–1500 ·3/100 %= 1455 мин-1,
где nном – номинальная частота вращения вала электродвигателя, мин-1;
n0 – синхронная частота вращения, мин-1;
s – скольжение, %.
Рассчитаем относительное отклонение частоты вращения, от принятого ранее значения для расчетов по формуле (10).
Dn=(nном – n)/ nном ·100 %, (10)
Dn=(1455–1450)/1455·100 % = 0,34 %,
где DP – относительное отклонение частоты вращения, %;
nном – номинальная частота вращения вала электродвигателя, мин-1;
n – частота вращения, принятая для расчетов, мин-1.
Расчет производительности помольно-смесительного роторно-пульсационного комплекса рассчитываем, на основе использования в качестве подающего устройства в ПСРПК шнекового преднасоса.
Значение параметра производительности аппарата обуславливается тем объемом пропускаемой смеси, которое подает шнек преднасоса.
Соответственно объем смеси, передаваемой шнеком, то есть объемная производительность ПСРПК Q определяется согласно выражению [5] рисунок 7:
, (11)
где Q – объемная производительность преднасоса, м3;
Dнар – наружный диаметр шнека, Dнар = 0,1 м;
t – шаг шнека, t=0,04 м;
n – частота вращения, n = 1450 мин-1;
dвн – внутренний диаметр шнека, dвн = 0,07 м;
K1 – коэффициент возврата смеси, K1=0,95;
d – толщина лопасти шнека, d= 0,003 м [5].
Подставляя значения в формулу 11, получаем:
Расчет рабочих диаметров цилиндров роторно-пульсационного аппарата.
Согласно [2] допускаем, что диспергирование смеси осуществляется главным образом в зоне между сегментами ротора и статора, для вычислений применяем зависимость [2]
(12)
или, выражая радиус R, получим выражение (13)
, (13)
где R – максимальный радиус ротора, м;
ρ – значение плотности среды, ρ=822 кг/м3;
τЗ – предельное напряжение сдвига, при котором газовая среда остается вовлеченной в суспензию, τЗ=0,8 105 Па;
ω – значение угловой скорости вращения ротора, рад/с;
χ – величина коэффициента турбулентного обмена в зазоре, χ=0,3 [2].
Рис. 7. Расчетная схема к определению производительности ПСРПК
Для данного насоса принимаем двигатель с частотой вращения вала 1450 мин-1, тогда угловая скорость вращения ротора равна:
w=2 p
n/60, (14)
w=2 3,14 1450/60=151,84 рад/с,
где n – частота вращения вала, n= 1450 мин-1.
Подставляя полученные значения в формулу (13), получаем максимальный радиус ротора:
или максимальный диметр ротора будет равен:
dmax= R 2= 0,217
2=0,434 м.
Согласно рекомендациям, приведенным в [2], наибольший диаметр ротора принимаем равным dP2= 0,420 м.
Для предотвращения проскальзывания необработанной среды применяют двух- и трехцилиндровые роторы, а также двух- и трехцилиндровые статоры. Исходя из параметров, заложенных для конструктивной прочности, стенки цилиндров должны быть толщиной 10 мм [2], и величине зазора между ротором и статором минимум h=5 мм [2], вычисляем величину диаметров для цилиндров ротора dP1= 0,280 м, dP2= 0,340 м; и для цилиндров статоров dС1= 0,250 м, dС2= 0,310 м. (1 типоразмер корпуса 380 мм), dP2= 0,310 м, dP2= 0,380 м; для цилиндров статоров dС1= 0,280 м, dС2= 0,340 м. (2 типоразмер корпуса 420 мм) а для 3 типоразмера корпуса диаметр 460 мм dP2= 0,330 м, dP2= 0,390 м; для цилиндров статоров dС1= 0,360 м, dС2= 0,420 м.
Далее, исходя из размеров роторов и статоров и технологических условий, выбираем число прорезей на роторе и статоре их ширину и высоту.
По рекомендациям, приведенным в [2], для первой входной пары сегментов ротор – статор возможно сделать 30 прорезей с шириной 10 мм, zP1= zC1=30, bP1= bC1=0,01 м, на второй – 45 прорезей с шириной 8 мм, zP2= zC2=45, bP2= bC2=0,008 м. Высота прорезей на всех цилиндрах – 30 мм, l =0,03 м.
Выводы.
1. Получены значения для затрат мощности для каждого зазора в отдельности и общие затраты мощности, для ряда основных типоразмеров комплекса с учетом соотношений диаметра и ширины комплекса.
2. Получены графические зависимости мощности от частоты вращения элементов статора и ротора с учетом соотношений диаметра и ширины комплекса.
3. Разработаны корпуса комплекса с учетом принятых типоразмеров корпуса и соотношений его диаметра и ширины.
4. На основе полученных значений общих затрат мощности для каждого зазора комплекса определили максимальный радиус ротора, с учетом предложенного размерного ряда.
5. Учитывая конструктивную прочность толщины стенки цилиндров комплекса, рассчитали для диаметров статора и ротора для предложенного ряда типоразмеров комплекса число прорезей на роторе и статоре. На основе расчетов выбрали их ширину и высоту.
1. Balabudkin M.A., Borisov G.N. On the use of rotary pulsation type apparatuses for the preparation of dispersed medicines [O primenenii apparatov rotorno - pul'sacionnogo tipa dlya prigotovleniya dispergirovannyh lekarstvennyh sredstv]. Chem. - pharm. journal. 1973. Vol.7. No. 6. Pp. 29-32. (rus)
2. Balabudkin M.A. Rotary pulsating devices in the chemical and pharmaceutical industry [Rotorno - pul'sacionnye apparaty v himiko - farmacevticheskoj promyshlennosti]. M.: Medicine, 1983. 160 p. (rus)
3. Braginsky L.N., Begachev V.I., Barabash V.M. Mixing in liquid media. Physical foundations and engineering methods of calculation [Peremeshivanie v zhidkih sredah. Fizicheskie osnovy i inzhenernye metody rascheta]. L.: Chemistry, 1984. 336 p. (rus)
4. Bogdanov V.V., Khristoforov E.I., Klotsung B.A. Efficient low-volume mixers [Effektivnye maloob"emnye smesiteli]. Moscow: Higher School. 1985. 220 p. (rus)
5. Kurmaz L.V., Skoybeda A.T. Machine parts design [Detali mashin proektirovanie]. Textbook. M. V. S.: 1995. 308 p. (rus)
6. Scheibe W. Formation and dispersion of agglomerates during dry fine-grindings. ZKG International. 1991. No.2. Pp. 57-62.
7. Xiongwei Ni, Colin C. Stevenson. On the effect of gap size between baffle outer diametr tube inner diameter on the mixing characterristics in an oscillatory baffied column. Jouernal of Chemical Technology and Biotechnology. 1999. No.74. Pp. 587-593.
8. Boev E.V., Shulaev N.S., Nikolaev E.A., Ivanov S.P. Design development of a low-volume rotary-disk disintegrator -mixer for obtaining heterogeneous mixtures [Razrabotka konstrukcii maloob"emnogo rotorno-diskovogo dezintegratora - smesitelya dlya polucheniya geterogennyh smesej]. Chemical industry today. 2008. No. 3. Pp. 42-44. (rus)
9. Laponov S.V., Shulaev N.S., Ivanov S.P., Ibragimov I.G. Influence of design features of rotary-disk mixers on the dispersed composition of emulsions [Vliyanie konstruktivnyh osobennostej rotorno-diskovyh smesitelej na dispersnyj sostav emul'sij]. Proceedings of Gubkin Russian State University of Oil and Gas. 2018. No. 1/290. Pp. 72-81. (rus)
10. Udodov S.A., Charikov G.Yu. Optimization of activation parameters in rotary pulsation devices [Optimizaciya parametrov aktivacii v rotorno-pul'sacionnyh apparatah]. Electronic network polythematic journal "Scientific works of KubSTU". 2020. No. 8. Pp. 258-263. (rus)
11. Shafray A.V., Safonova E. A., Borodulin D. M., Golovacheva Ya. S., Ratnikov S. A., Kerlos V. B. Modeling of the process of intensification of isohumulone extraction in a rotary pulsation apparatus using neural networks [Modelirovanie processa intensifikacii ekstrakcii izogumulona v rotorno-pul'sacionnom apparate pri pomoshchi nejronnyh setej]. Technique and technology of food production. 2021. Vol. 51. No. 3. Pp. 593-603. DOIhttps://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-3-593-603. (rus)
12. Kartashov S.G., Klychev E.M. Modernization of rotary pulsating devices for use in liquid feed preparation technologies [Modernizaciya rotorno-pul'sacionnyh apparatov dlya ispol'zovaniya v tekhnologiyah prigotovleniya zhidkih kormov]. Bulletin of the All-Russian Scientific Research Institute of Animal Husbandry Mechanization. 2018. No. 4. Pp. 27-30. (rus)
13. Novoseltseva M.A., Gutova S.G., Kagan E.S., Borodulin D.M. Structural-parametric identification of the technological process model using a rotary pulsating apparatus [Strukturno-parametricheskaya identifikaciya modeli tekhnologicheskogo processa pri ispol'zovanii rotorno-pul'sacionnogo apparata]. Bulletin of Tomsk State University. Management, computer engineering and computer science. 2019. No. 49. Pp. 63-72. DOIhttps://doi.org/10.17223/19988605/49/8. (rus)
14. Udodov S.A., Charikov G.Yu. Optimization of activation parameters in rotary pulsation devices [Optimizaciya parametrov aktivacii v rotorno-pul'sacionnyh apparatah]. Development and innovation in construction. Collection of materials of the III International Scientific and Practical Conference. 2020. Pp. 257-263. (rus)
15. Korol A.A., Erenkov O.Yu. Improving the design of the rotary pulsating apparatus [Sovershenstvovanie konstrukcii rotorno-pul'sacionnogo apparata]. Nauka segodnya: reality and prospects. materials of the international scientific and practical conference. Scientific center "Disput". 2017. Pp. 15-17. (rus)
16. Karpov A.G., Vasilishin M.S., Kuhlenko A.A., Ivanov O.S., Egorov V.Yu. To assess the pressure-flow characteristics of a rotary pulsating apparatus [K ocenke naporno-raskhodnyh harakteristik rotorno-pul'sacionnogo apparata]. Chemical industry today. 2017. No. 2. Pp. 27-30. (rus)
17. Kuhlenko A.A., Vasilishin M.S., Ivanova D.B. Methodology for calculating the area of the passage section of the interrupter of a multistage rotary pulsation type apparatus [Metodika rascheta ploshchadi prohodnogo secheniya preryvatelya mnogostupenchatogo apparata rotorno-pul'sacionnogo tipa]. Chemical technology. 2017. Vol. 18. No. 5. Pp. 233-239. (rus)
18. Prosin M.V., Stabrovskaya E.I., Vasilchenko N.V., Safonova E.A. The effect of product recirculation on the efficiency of the rotary pulsating apparatus [Vliyanie recirkulyacii produkta na effektivnost' rotorno-pul'sacionnogo apparata]. Innovations in food biotechnology. Proceedings of the International Symposium. 2018. Pp. 349-353. (rus)
19. Shcherbinina O.A., Shcherbinin I.A., Uvarov V.A. Calculation of the radial component of the velocity vector of a viscous material in a rotary pulsation installation [Vychislenie radial'noj komponenty vektora skorosti vyazkogo materiala v rotorno-pul'sacionnoj ustanovke]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2014. No. 5. Pp. 106-109. (rus)
20. Shcherbinina O.A., Shcherbinin I.A., Uvarov V.A. Calculation of the tangential component of the velocity vector of a viscous material in a rotary pulsation installation [Vychislenie tangencial'noj komponenty vektora skorosti vyazkogo materiala v rotorno-pul'sacionnoj ustanovke]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2015. No. 6. Pp. 170-173. (rus)
21. Makarov Yu.I., Kolesnikov G.E., Karpenko L.A. On the question of optimal design of rotary pulsating apparatuses [K voprosu ob optimal'nom proektirovanii rotorno-pul'sacionnyh apparatov]. Optimal design in problems of chemical engineering. Moscow: MIKHM, 1983. Pp. 5-8. (rus)
22. Meshcheryakov I.V., Anushenkov A.N. Development and research of a rotary-type hydraulic shock-cavitation apparatus [Razrabotka i issledovanie gidroudarno-kavitacionnogo apparata rotornogo tipa]. Scientific journal of the Siberian Federal University series "Technique and Technologies". Krasnoyarsk. 2013. No. 7. Pp. 786-799. (rus)
