Моделирование процесса сепарации измельченного соломистого вороха в пневмосепараторе с тремя пневмоканалами

Автор: Ермольев Юрий Иванович, Дорошенко Артем Александрович, Белов Сергей Владимирович

Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu

Статья в выпуске: 2 (85) т.16, 2016 года.

Бесплатный доступ

Предметом настоящего исследования является многомерный анализ процесса пневмосепарации соломистого вороха с заданным фракционным составом, поступающего на очистку после барабанного разрушителя. Цель работы - выявление закономерностей процесса пневмосепарации соломистого вороха тремя пневмоканалами при вариации кинематических параметров пневмосепараторов. Метод исследования - аналитическое моделирование. Оценено влияние на процесс сепарации вероятностных характеристик подачи гетерогенного вороха, распределения скоростей воздушного потока по ширине пневмосепараторов и плотностей вероятности скоростей витания компонентов вороха. Рассмотрен процесс пневмосепарации вороха на каждом участке пневмоканала. С этой целью использовались математические выражения, усредняющие показатели пневмосепарации последовательно функционирующих трех пневмоканалов и стохастическая квазистатическая математическая модель процесса функционирования пневмосепаратора с тремя последовательными пневмоканалами. Приведены результаты параметрического синтеза пневмосепаратора, технологические показатели его функционирования. Показаны долевые составляющие компонентов вороха и их процентные доли в каждой выделенной фракции. Выявлена возможность пневмосепарации измельченного соломистого вороха на задаваемые фракции при заданной производительности 0,6-0,7 кг/м∙с. Установлено, что при рациональном функционировании пневмосепаратора содержание соломы в деловой фракции - 97,03 %. При этом содержание зерна минимально (0,03 %), минеральные примеси отсутствуют. Выявлено, что пневмосепаратор с тремя последовательными пневмоканалами достаточен для сепарации измельченного соломистого вороха с задаваемыми агропоказателями.

Еще

Пневмосепаратор, математическая модель, измельченный соломистый ворох, моделирование, показатели сепарации

Короткий адрес: https://sciup.org/14250210

IDR: 14250210 | DOI: 10.12737/19691

Текст научной статьи Моделирование процесса сепарации измельченного соломистого вороха в пневмосепараторе с тремя пневмоканалами

Введение. Использование измельченной соломы [1] для получения из нее целлюлозного полуфабриката требует соответствующей технологической обработки. В частности, необходимо добиться ограничения длины основной массы соломы в пределах 30–50 мм [2, 3, 4]. Таким образом, ставится задача по сепарации измельченной соломы из исходной измельченной соломистой массы с известным фракционным составом и технологическими свойствами компонентов.

Анализ этих технологических свойств позволил принять гипотезу о возможной сепарации гетерогенного вороха в пневмосепараторе с одним или несколькими последовательно функционирующими вертикальными пневмоканалами с выделением деловой соломистой фракции [5, 6].

При многомерном анализе этой технологической операции учитывали вероятностные характеристики: — ввода соломистого вороха в вертикальные пневмоканалы;

— распределения скоростей воздушного потока по ширине пневмоканалов;
— распределения скоростей витания всех компонентов, входящих в состав соломистого вороха [6–9].

Постановка задачи. Моделирование процесса сепарации измельченного соломистого вороха в пневмосепараторе с тремя последовательными пневмоканалами.

Методы исследований. Моделирование на ЭВМ процесса функционирования пневмосепаратора, многомерный анализ показателей сепарации.

Моделирование процесса сепарации. В качестве исходного вороха взят измельченный на специальном стенде соломистый ворох из тюков соломы, полученных после зерноуборочного комбайна. Измельчающее устройство предварительно настроено для заданной длины резки соломы — 40 мм [6]. Состав вороха представлен в табл. 1.

Таблица 1 Технологические свойства и подача измельченного соломистого вороха в пневмосепаратор

№	Компоненты исходного вороха	Содержание*	Подача, кг/м∙с
1	Щуплое зерно	0,000615	0,000418
2	Дробленое зерно	0,000861	0,000585
3	Корзинки осота	0,0054	0,003672
4	Колоски	0,0036	0,002448
5	Минеральные примеси	0,0123	0,008364
6	Полова	0,0203	0,013804
7	Зерно толщиной более 2,2 мм	0,009594	0,006524
8	Семена сорняков	0,0006	0,000408
9	Зерно толщиной от 1,7 до 2,2 мм	0,00123	0,000836
10	Сухая трава	0,0162	0,011016
11	Осты	0,0004	0,000272
12	Солома l = 20 мм	0,018578	0,012633
13	Солома l = 30 мм	0,074312	0,050532
14	Солома l = 40 мм	0,538762	0,366358
15	Солома l = 50 мм	0,204358	0,138963
16	Солома l = 60 мм	0,046445	0,031583
17	Солома l = 70 мм	0,023223	0,015791
18	Солома l = 80 мм	0,023223	0,015791
19	Солома	0,9289	0,631652
*Безразмерная величина.

Плотности вероятности скоростей витания компонентов соломистого вороха, описанные уравнениями регрессии [6], представлены в табл. 2.

Таблица 2

Величины коэффициентов для уравнения регрессии, описывающего плотности вероятностей скоростей витания компонентов соломистого вороха f (V ) = C1 ∙ V 4 + C2 ∙ V 3 + C3 ∙ V 2 + C4 ∙ V + C0

№	Компоненты вороха	Скорости витания		Коэффициенты при переменных
№	Компоненты вороха	min	у max	C 1	C 2	C 3	C 4	C 0
1	Щуплое зерно	5,18	7,052	–0,0613	0,6892	–1,0939	–1,844	4,3889
2	Дробленое зерно	5,68	7,273	0,1094	–2,357	15,902	–34,215	22,556
3	Корзинки осота	3,32	5,48	0,0657	–1,2994	7,5321	–11,603	11,028
4	Колоски	7,57	10,144	0,0721	–1,6725	11,868	–25,888	18,194
5	Минеральные примеси	8,05	11,02	0,0029	–0,3504	3,9323	–9,4644	7,7778
6	Полова	1,12	3,487	–0,0568	1,3939	–12,311	42,655	–29,167
7	Зерно толщиной более 2,2 мм	7,1	9,107	0,0248	–0,5997	4,0389	–6,0867	3,3889
8	Семена сорняков	2,8	6,967	–0,0412	0,7939	–5,6101	18,221	–10,722
9	Зерно толщиной 1,7–2,2 мм	5,92	8,09	0,0248	–0,5997	4,0389	–6,0867	6,3889
10	Сухая трава	2,5	4,3	0,0165	–0,4223	2,8339	–3,9774	8,2222
11	Осты	2,1	3,144	0,0721	–1,6725	11,868	–25,888	18,194
12	Солома l =20мм	2,5	3,3	7,2938	–86,831	347,81	–533,35	273,41
13	Солома l = 30мм	3	3,8	7,2979	–87,993	358,02	–559,26	290,26
14	Солома l = 40мм	3,45	4,25	8,6854	–103,25	414,89	–646,85	333,53
15	Солома l = 50мм	3,85	4,65	4,8667	–57,01	221,23	–319,29	156,86
16	Солома l = 60мм	4,2	5	5,5583	–65,59	258,76	–387,19	198,46
17	Солома l = 70мм	4,5	5,3	6,2542	–73,938	293,12	–443,92	230,15
18	Солома l = 80мм	4,75	5,55	5,9063	–69,626	275,11	–413,21	210,15

В качестве объекта исследования принят процесс сепарации соломистого вороха в пневмосепараторе с тремя последовательными вертикальными пневмоканалами с нагнетательным воздушным потоком (рис. 1).

Машиностроение и машиноведение

Р^^Ж^ДОи^Д

F^Qmnl^lpWJ^BYfW^

Подающее устройство

Пневмоканал

^>Ш

^з.ф {й.ф ’^з.ф/ I

Накопитель деловой "зерноб ой" фракции

Накопитель деловой "леской" фракции

Накопитель "тяжелой" фракции

Накопитель "лёгких" отходов

^,№A

Пнебмаканал

^JAB)}

Вц {2д > ^сол ’ ^м.пр ’ ^з ’ ^740 > £дс ’ ^едс40 }

б)

Рис. 1. Схемы пневмосепаратора с тремя пневмоканалами: общая ( а ), структурная и расчетная ( б )

В соответствии с требованиями по агропоказателям функционирования пневмосепаратора с тремя пневмоканалами задача первого пневмоканала — выделить из исходного измельченного соломистого вороха легкие сорные компоненты со скоростями витания 2-4 м/с.

Для оценки показателей пневмосепарации, в отличие от существующих теорий пневмосепарации [ 10-13], в каждом пневмоканале использовалась известная математическая модель [5]. При этом подача Q соломистого вороха в каждый пневмоканал и содержание aj в них j-х компонентов определялись при моделировании в соответствии со структурной расчетной схемой (рис. 1, б), где показаны векторы F , Fn1, Fn2 , Fn3 входных воздействий, векторы Апу , An1, An2, An3 управляющих воздействий и векторы Вотхл , Вд , Вз.ф , Вотх , характеризующие выходные фракции отсепарированного соломистого вороха.

Для учета вероятностных характеристик f_V ( В ), fg ( В ) условно разделим каждый пневмоканал по ширине В на равные участки ( P = 1, 2, ..., e ) (рис. 2). Количество участков определяется из условий точности расчетных показателей процесса пневмосепарации в зависимости от числа е .

\В

Рис. 2. Вероятностные характеристики распределения воздушного потока f v ( В ), подачи соломистого вороха f Q ( В ) по ширине В пневмоканала и плотности вероятностей f ( V) j распределения скоростей витания компонентов соломистого вороха на участках 1, 2, . _, e ширины пневмоканала

Для этих условий оцениваются показатели сепарации соломистого вороха на каждом p- м участке ширины B пневмоканала (рис. 2). На каждом участке на обрабатываемый материал воздействует скорость воздушного потока VP (табл. 3), подача QP обрабатываемого материала [6] (табл. 1, 2). Вероятностные характеристики f ( V ) j скоростей витания j -х компонентов соломистого вороха приняты постоянными для каждого p -го участка.

Таблица 3

Распределение рациональных скоростей воздушных потоков пневмосепаратора с тремя пневмоканалами

№ пневмоканала	p- й участок ширины В пневмоканала
№ пневмоканала	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	2,54	3,17	2,43	1,47	2,33	3,36	2,83	2,61	2,66	2,41	3,67
2	5,34	5,97	5,23	4,27	5,13	6,16	5,63	5,41	5,46	5,21	6,47
3	8,39	9,02	8,28	7,32	8,18	9,21	8,68	8,46	8,51	8,26	9,52

На первом этапе исследований использовались вертикальные пневмоканалы шириной B = 1 м, с нагнетательным воздушным потоком, формируемым центробежным вентилятором [14] с известной вероятностью fV ( B ) распределения скоростей воздушного потока по ширине В пневмоканалов (см. рис. 2). Плотность вероятности распределения fQ (B) принята в виде нормального закона:

(Q - m Q ) ²

- 2

fQ(B) = ■ Q " ‘ где Q — случайная величина подачи соломистого вороха на интервале О — B, матожидание случайной величины mQ = 2,27 т/ ^ac, дисперсия ^Q = 1, 838[кг/м с]2 (по результатам стендовых испытаний).

Анализ совмещенных кривых плотностей вероятностей f(V)j , распределения скоростей витания j -х компонентов соломистого вороха и предварительные подсчеты определили необходимость выполнения агротребований к процессу пневмосепарации.

Полнота выделения легкой соломистой фракции в первом пневмоканале:

(1 -£хП^ ^max , где j = соломины заданной длины, l = 30–50 мм.

Содержание в легкой соломистой фракции минеральных примесей и зерна:

bп.мин. ≤ 1%,(3)

bп.зер.≤0,5%.(4)

Первый пневмоканал пневмосепаратора с тремя пневмоканалами ( рис. 1) функционировал, выделяя деловую легкую фракцию.

Результаты моделирования на ЭВМ процесса сепарации исходного измельченного соломистого вороха в первом пневмоканале пневмосепаратора с учетом выполнения указанных агротребований приведены на рис. 3.

6,2%

61,52%

0,18%

0,7%

0,05%

0,47%

31,58%

Корзинки осота Полова Семена сорняков Сухая трава Осты Солома l=40мм

Машиностроение и машиноведение

0,06%

21,24%

0,13%

63,23%

1,28%

0,37%

1,44%

5,86% 0,02%

0,06%

0,09%

0,55%

Щуплое зерно

Минеральные примеси

Зерно b= 1,7...2,2мм

Солома l=30мм

Дроблёное зерно

Полова

Сухая трава

Солома l=40мм

Корзинки осота

Зерно b> 2,2мм

Осты

Солома l=50мм

Колоски

Семена сорняков

Солома l=20мм

Солома l=60мм

б)

Рис. 3. Содержание j-х компонентов измельченного соломистого вороха в легкой (а) и тяжелой (б) фракциях первого пневмоканала пневмосепаратора с тремя пневмоканалами

Выявлены показатели удельной подачи на 1 м ширины пневмоканала за единицу времени. При выходе всех компонентов в легкую фракцию первого пневмоканала это 0,0258 кг/м∙с, или 0,093 т/м∙ч, в течение 8-часовой смены — 0,743 т/м. Полнота прохода всех соломин разной длины в легкую фракцию — 2,514 %, в тяжелую — 94,485 %. Вывод всех компонентов в тяжелую фракцию — 0,6047 кг/м∙с, или 2,177 т/м∙ч, в течение 8-часовой смены — 17,42 т/м.

Второй пневмоканал выделяет из тяжелой промежуточной фракции первого пневмоканала деловую легкую в соответствии с принятыми агротребованиями (рис. 4). Для реализации агротребований моделирование процесса пневмосепарации проведено для интервала рабочих скоростей воздушного потока во 2-м пневмоканлае от 2,5 до 5 м/с.

22,33%

0 91%

0,04%

0,01%

0,02%

0,01%

67,04%

0,53%

Щуплое зерно

Семена сорняков

Солома l=40мм

Солома l=80мм

Дроблёное зерно

Зерно b= 1,7...2,2мм

Солома l=50мм

Корзинки осота

Сухая трава

Солома l=60мм

Полова

Осты

Солома l=70мм

11,68%

14,97%

3,1%

17,57%

0,9%

0,41%

2,21%

17,66%

2,22%

1,44%

0,04%

6,54%

,61%

0,87%

Щуплое зерно Дроблёное зерно

Минеральные примеси Зерно b> 2,2мм

Сухая трава Солома l=50мм

Солома l=80мм

Корзинки осота

Семена сорняков

Солома l=60мм

Колоски

Зерно b= 1,7...2,2мм

Солома l=70мм

б)

Рис. 4. Содержание j-х компонентов соломистого вороха в легкой (а) и тяжелой (б) фракциях 2-го пневмоканала пневмо- сепаратора с тремя пневмоканалами

Установлено, что выход всех компонентов в деловую легкую фракцию — 0,617 кг/м∙с, или 2,221 т/м∙ч, в течение 8-часовой смены — 17,77 т/ч. Содержание зерна и зерновых примесей — 0,03 %, сорных минеральных примесей — 0 %. Эта легкая фракция на 97,03 % состоит из соломин. Полнота прохода всех соломин (от исходных) в эту деловую фракцию — 97,223 %.

Третий пневмоканал выделяет из тяжелой фракции, полученной во 2-м пневмоканале, легкую фракцию. Она содержит большую долю зерна, зерновых примесей и длинных соломин и может быть использована в кормопроизводстве.

Для реализации этой технологической операции при моделировании на ЭВМ использованы принятые агротребования для 3-го пневмоканала. Результаты соответствующего моделирования приведены на рис. 5.

9,02%

1,28%

7) 20,84%

2,04%

21,22%

4,39%

3,06%

Щуплое зерно

Минеральные примеси

Сухая трава

Солома l=80мм

Дроблёное зерно

Зерно b> 2,2мм

Солома l=50мм

Корзинки осота

Семена сорняков

Солома l=60мм

Колоски

Зерно b= 1,7...2,2мм

Солома l=70мм

Машиностроение и машиноведение

а )

10,04%

16,86%

Колоски

Зерно b> 2,2мм

Минеральные примеси

Зерно b= 1,7...2,2мм б)

Рис. 5. Содержание j-х компонентов вороха в легкой (а) и тяжелой (б) фракциях 3-го пневмоканала пневмосепаратора с тремя пневмоканалами

Установлено, что выход всех компонентов в легкую (зерновую) фракцию 3-го пневмоканала — 0,026 кг/м∙с, или 0,094 т/м∙ч, в течение 8-часовой смены — 0,75 т/ч. Содержание зерна и зерновых примесей — 27,17 %. Выход зерна и зерновых примесей — 0,0071 кг/м∙с, или 0,0255 т/м∙ч, в течение 8-часовой смены — 0,2044 т/м. Выход сорных отходов (тяжелая фракция) — 0,0109 кг/м∙с, или 0,0392 т/м∙ч, в течение 8-часовой смены — 0,314 т/ч.

Выявлено, что использование пневмосепаратора с тремя пневмоканалами достаточно для сепарации измельченного соломистого вороха с задаваемыми агропоказателями.

Окончательные показатели функционирования пневмосепараторов будут уточнены по результатам стендовых экспериментов.

Обобщение результатов моделирования процессов функционирования рассмотренного пневмосепаратора приведено в обобщенной табл. 4.

Таблица 4

Сравнительные расчетные показатели функционирования различных вариантов пневмосепараторов

Деловой продукт	Qg, кг/м ■ с Выход конечного делового продукта, т/ м ⋅ ч		0 , 61701 2 , 22124
	Содержание зерна и зерновых примесей, а_з ,%		0,03
	Содержание минеральных примесей, а_м.пр ,%		0
	Содержание соломин, %	Всего, а_сол,%	97,03
		Длиной 40 мм, a_t ₄₀ ,%	67,04
	Полнота выделения соломин в деловую фракцию, %	Всего, ε_дс	97,22
		Длиной 40 мм, ε_дс 40	100
Другой продукт	Выход зерновой фракции, Q₃ ф	кг/м ⋅ с Всего, т/ м ⋅ ч	0 , 02604 0 , 09374
		Доля зерна и зерновых примесей, Ь_з4 , %	В отходах: 27,170
	Выход отходов, Q_omx	кг/м ⋅ с Всего, т/ м ⋅ ч	0 , 010907 0 , 039264
		Доля минеральных примесей, ^Ьм пр . %	72,930

Выводы. Основываясь на анализе расчетных показателей функционирования пневмосепаратора с тремя пневмоканалами, можно утверждать следующее. Применение данного оборудования позволяет выполнить все показатели с учетом принятых технологических критериев:

— обеспечивается выход в деловую фракцию 100 % измельченных соломин;
— создается зерновая фракция с большой долей выделенного зерна и зерновых примесей для возможного использования ее в кормопроизводстве;
— в отходы выделяется максимальный объем (72,93 %) сорных минеральных примесей.

Список литературы Моделирование процесса сепарации измельченного соломистого вороха в пневмосепараторе с тремя пневмоканалами

Параметрический анализ устройства для разрушения тюков соломы/Ю. И. Ермольев //Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2015. -№ 2 (81). -С. 108-116.
Recent innovations in analytical methods for the qualitative and quantitative assessment of lignin/J. S. Lupoi //Renewable and Sustainable Energy Reviews. -2015. -Vol. 49. -P. 871-906.
Padkho, N. A new design recycle agricultural waste materials for profitable use rice straw and maize husk in wall/N. Padkho//Procedia Engineering. -2012. -Vol. 32. -P. 1113-1118.
Junjun, L. U. Flexural properties of Rice Straw and Starch Composites/L. U. Junjun, J. A. Chanjuan, H. E. Chunxia//AASRI Procedia. -2012. -Vol. 3. -P. 89-94.
Моделирование процесса сепарации измельченного соломистого вороха в пневмосепараторе с двумя пневмоканалами/Ю. И. Ермольев //Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2014. -Т. 10, № 2 (77). -С. 93-102.
Технологические операции и технические средства для современных технологий агропромышленного комплекса/под ред. Ю. И. Ермольева. -Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2012. -158 с.
Ермольев, Ю. И. Моделирование воздушно-решетной зерноочистительной машины/Ю. И. Ермольев//Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2010. -Т. 10, № 8 (51). -С. 1245-1254.
Ермольев, Ю. И. Энергосберегающие технологии сепарации зерновых отходов на предприятих приема, переработки и хранения зерна/Ю. И. Ермольев, Г. И. Лукинов. -Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2007. -234 с.
Проектирование технологических процессов и воздушно-решетных и решетных зерноочистительных машин/Ю. И. Ермольев //Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2010. -638 с.
Ермольев, Ю. И. Оценка основных закономерностей функционирования подсистемы решетный ярус -пневмосепаратор воздушно-решетной зерноочистительной машины/Ю. И. Ермольев, В. Д. Шафоростов, А. В. Бутовченко//Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2011. -Т. 11, № 4 (55). -С. 480-488.
Саитов, В. Е. Оптимизация конструктивно-технологических параметров первого пневмосепарирующего и дополнительного каналов замкнутой малогабаритной пневмосистемы/В. Е. Саитов, Р. Г. Гатауллин//Problemy intensyfikacji produkcji zwierzecej z uwzglednieniem ochrony srodowiska I standardow UE: XIV Miedzynarodowa Konferencja Naukowa. -Warszawa, 2008. -P. 71-79.
Saitov, V. E. Determination technique of key parameters the closed small-sized grain separators /V. E. Saitov, V. G. Farafonov, A. N. Suvorov//International Journal Of Applied And Fundamental Research. -2013. -№ 2. -Режим доступа: URL:http://www.science-sd.com/455-24135 (дата обращения 06.11.13).
Саитов, В. Е. Математическое моделирование разделения воздушным потоком отходов при очистке зерна/В. Е. Саитов//Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2007. -№ 5. -С. 39-41.
Ермольев, Ю. И. Моделирование процесса функционирования центробежных вентиляторов в воздушно-решетной очистке зерноуборочного комбайна/Ю. И. Ермольев, Д. К. Муратов//Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2011. -Т. 11, № 8 (59), вып. 1. -С. 1238-1246.

Еще

Статья научная