РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Теоретические основы движения сыпучих материалов в процессах дозирования
Первые исследования истечения сыпучих материалов из бункеров относятся к началу
20 века. Многочисленные эксперименты подтверждают, что характер истечения
различных материалов разнообразен и находится в зависимости от целого ряда
причин [26,67]. Движение частиц носит характер сложной структурной деформации.
Нарушение равновесия материала сопровождается перераспределением напряжений
внутри него, возникновением новых напряжений и изменением их направлений. До
настоящего времени физический анализ процессов, сопутствующих истечению сыпучих
материалов из отверстий бункеров, трактовался по – разному. Ряд исследователей
- Ю.Д. Видинеев, Э. Дженике, В.А. Любартович и другие применяли гипотезу
саморазружающегося свода [26,43,67]. Сущность гипотезы состоит в том, что при
истечении сыпучих материалов из бункеров над отверстием, расположенным в дне,
образуется своеобразная динамичная структура – возникающий и разрушающийся свод
материала.
Проходя через динамический свод, частицы материала выпадают в отверстие в
соответствии с законом свободного падения твердых тел. Согласно этой теории,
скорость истечения зависит от высоты свода (пропорционально диаметру отверстия)
и не зависит от высоты столба сыпучего материала (СМ) в бункере. Таким образом,
основными параметрами уравнения расхода являются размер и форма выпускного
отверстия.
Гипотеза саморазгружающегося свода имеет своих сторонников и противников. Так,
например, ряд исследователей [36] утверждают, что существование динамического
свода опытами не подтверждается, а гипотеза носит искусственный характер и
ничего не дает для выяснения действительных закономерностей движения. Другие
ученые [67] утверждают, что динамический свод является реальной структурой,
хотя непосредственное его наблюдение затруднительно. Ряд авторов [26,43]
объясняют истечение образованием над выпускным отверстием эллипсоидов движения
и выдвигают гипотезу истечения СМ из объемов, равновеликих эллипсоидам
движения. Ученые – Зенков Р.Л., Алферов К.В. признают, что расход СМ зависит от
высоты слоя в бункере, но не учитывают влияния размера выпускного отверстия
бункера, а другие приходит к выводу, что скорость истечения не зависит от
высоты столба СМ в питателе при условии, если форма бункера не конусообразная
[10, 68].
Некоторые исследователи считают, что расход зависит от формы движения потока
СМ: движутся ли частицы внутри бункера по откосу (в форме конической воронки)
или же по стенкам бункера, когда вся масса приходит в движение и напоминает
картину движения жидкости, вытекающей через отверстие в днище бункера [15,27].
У ряда ученых расходятся мнения о влиянии угла наклона воронки бункера на
скорость истечения дозируемых материалов [42]. Другие же авторы, в своих
работах, признают влияние размеров частиц СМ на скорость истечения [67].
На основе анализа рада представленных гипотез производится заключение, что на
появление динамического свода и, соответственно, изменения расхода сыпучего
материала, оказывают влияние физико-механические характеристики такового, форма
и размеры питателя, а также внешние возмущения ( изменения условий окружающей
среды). Выявить влияние каждого из указанных факторов на истечение в условиях
производства весьма затруднительно.
Как физическое явление процесс истечения СМ сложен, и взаимодействие
возникающих при этом деформаций и напряжений трудно поддается изучению.
Упрощенное мнение о том, что для истечения СМ из отверстия в днище бункера
достаточно, чтобы размер выпускного отверстия, был несколько больше размера
самых крупных частиц, является ошибочным. Как показывают экспериментальные
исследования, а также опыт производства – беспрепятственное истечение материала
возможно при условии, если размер выпускного отверстия соответствует
определенному значению, т.е. при соблюдении определенных соотношений между
размерами отверстия и частиц СМ. Так, если для зернистых материалов движение
потока возможно при размере выпускного отверстия, превышающем размер частиц не
менее, чем в 4 – 8 раз ( в зависимости от физико – механических свойств
материала), то для равномерного потока мелкодисперсных материалов выпускное
отверстие должно превышать размер составляющих частиц в сотни и более раз
[43].
Под дозированием понимается отмеривание или отвешивание определенного
количества (дозы) материала и перемещение этой дозы к рабочим органам аппарата,
выполняющим технологические операции. Дозирование материалов осуществляется с
помощью механических и автоматических устройств, которые широко применяются в
периодических и непрерывных технологических процессах. Величиной,
характеризующей процесс дозирования, является расход дозируемого материала.
Значение расхода, который стремятся поддерживать, называют заданным расходом,
значение расхода в рассматриваемый момент времени – мгновенным значением.
При работе дозатора в качестве устройства для равномерной подачи материалов из
бункеров к транспортирующим или перерабатывающим машинам и аппаратам обычно
называют питателем. Питатели выполняют функции и запорного устройства.
Одна из наиболее важных характеристик дозирующих устройств – точность
дозирования. На точность дозирования оказывает влияние большое число факторов.
К ним относятся погрешности, обусловленные собственными и вынужденными
колебаниями дозировочной системы, характер ее взаимодействия со взвешенным
материалом. Следует учитывать изменение физико – механических и технологических
свойств материала под воздействием внешних факт