ЧАСТЬ 1 ТЭП (МГУП 2012). Технология элеваторной промышленности

• Название: Технология элеваторной промышленности
• Анкор: ЧАСТЬ 1 ТЭП (МГУП 2012).pdf
• Дата: 15.12.2017
• Размер: 17.14 Mb.
• Имя файла: ЧАСТЬ 1 ТЭП (МГУП 2012).pdf
• Тип: Реферат; #11622
• страница: 4 из 13

4 Механика сыпучей среды
4.1 Понятие о сыпучей среде. Основные параметры сыпучей среды
Зерно относится к сыпучим телам и, как все сыпучие материалы, обладает свойствами, которые позволяют при относительно небольших затратах механизировать процессы его перемещения и хранения. Идеально сыпучее тело представляет собой совокупность мелких твердых однородных частиц, лишенных сцепления между собой, но обладающих трением. В связи с этим сыпучее тело может сохранять равновесие до тех пределов, пока не будет преодолена сила внутреннего трения между частицами.
Плотность укладки. Это основной параметр, характеризующий сыпучий материал.
Плотность укладки частиц сыпучего материала характеризуется коэффициентом, который выражается формулой (4.1)
К=β/γ
0
(4.1) где β – плотность твердой фазы, кг/м з
; т
γ
0
– объемная масса сыпучего материала.
Коэффициент плотности укладки частиц сыпучего материала – величина непостоянная и изменяется в зависимости от способа загрузки сосуда.
Возможны два способа загрузки: гравитационный и инерционный.
При гравитационном способе сыпучий материал падает в сосуд с незначительной высоты. При этом силы тяжести частиц преобладают над инерционными силами. Частицы сыпучего материала укладываются при минимальном числе их контактов с соседними, что обеспечивает наименьшее значение коэффициента плотности укладки частиц.
При инерционном способе загрузки сыпучий материал падает с большой высоты (более 3 м). При этом под влиянием удара частиц материал уплотняется и возрастает коэффициент плотности укладки частиц.
При влажности зерна 12,5...13,5 % коэффициент плотности укладки принимает следующие значения (таблица 4.1).
Таблица 4.1– Значение коэффициента плотности укладки.
Культура
Минимальный
Максимальный
Пшеница
0,555 0,645
Рожь
0,55 0,54
Гречиха
0,54 0,52
Ячмень
0,495 0,595
Кукуруза (зерно)
0,555 0,615
Соя
0,565 0,625
Внутреннее и внешнее трение. В слое сыпучего материала внутреннее

38 трение определяется площадями фактических контактов, их числом, зависящим от плотности укладки, упругими свойствами частиц сыпучего материала, размерами и формой частиц, состоянием их поверхности и другими факторами.
Величина коэффициента внутреннего трения изменяется от минимального (при наибольшей подвижности частиц сыпучего материала) до максимального значения (когда подвижность частиц стремится к нулю): f min
< f< f max
Заметное влияние на величину коэффициента внутреннего трения оказывает, гранулометрический состав сыпучего материла. Это объясняется тем, что с увеличением размера часа увеличивается фактическая площадь контактов между ними.
Влажность сыпучего материала по-разному влияет на величину коэффициента внутреннего трения. Это определяется формой содержания влаги в сыпучем материале. Для зерна по мере увеличения влажности вначале отмечается линейное изменение коэффициента трения (рис 4.1, 4.2), что объясняется изменением размера контактных площадок между частицами.
Рисунок 4.1 – Зависимости коэффициента внутреннего трения от влажности зерна пшеницы
Рисунок 4.2 – Зависимость коэффициента внешнего трения от нормального давления зерна пшеницы на стальную поверхность
При некоторой критической влажности зерна происходит изменение механических свойств частиц, что приводит к замене трения в местах контакта частиц срезом, сопротивление которому остается постоянным некоторого предела изменения влажности частиц (таблица 4.2).
Внешнее трение характеризует процесс сдвига сыпучего материала по ограждающей его поверхности. На рис.5 показана зависимость коэффициента внешнего трения от нормального давления зерна пшеницы на стальную поверхность. С увеличением нормального давления возрастает коэффициент внешнего трения.

39
Таблица 4.2 – Величина коэффициента внутреннего трения зерна пшеницы, различной глубины слоя
Глубина слоя зерна
H, м
Коэффици- ент внутреннего трения f
Угол внут- реннего трения φ, град
Глубина слоя зерна
H
Коэффици- ент внутреннег о трения f
Угол внутреннег о трения φ
2 0,72 36 18 2,02 64 4
1,17 49 20 2,06 64,3 6
1,3 52 22 2,11 64,7 8
1,5 56 24 2,14 65 10 1,66 59 26 2,17 65,3 12 1,75 60 28 2,19 65,5 14 1,85 61,5 30 2,2 65,7 16 1,94 63 32 2,21 65,7
4.2 Давление зерна на стену склада
Согласно теории Кулона, давление сыпучего тела, в данном случае зерна, на подпорную стену можно определить так. За подпорной стеной АБ (рисунок
4.3, а) расположено сыпучее тело с поверхностью БВ произвольного сечения.
Угол естественного откоса этого тела φ и объемная масса γ. По длине стены мысленно вырезаем участок длиной, равной 1 м, так как все соседние участки будут находиться в точно таких же условиях. Чтобы выяснить давление, Кулон предположил бесконечно малое перемещение стены. Если представить, что такое перемещение будет направлено в сторону тела, последнее придет в движение, а именно в движение придет его объем, ограниченный снизу следом плоскости обрушивания, имеющей угол наклона к горизонту θ
1
, который будет меньше угла естественного откоса φ. Это произойдет вследствие трения зерна о зерно и в результате воздействия массы зерна в сдвинувшейся призме. Если переместить стену в сторону от сыпучего тела, некоторая часть зерновой насыпи тоже придет в движение. Плоскость обрушивания АГ в этом случае будет проходить к горизонту под углом обрушивания θ, который всегда окажется больше угла естественного откоса φ, так как вследствие трения зерна о зерно некоторая дополнительная часть сыпучего тела над плоскостью естественного откоса будет удерживаться в покое. Этот случай называется активным давлением сыпучего тела на подпорную стену. Величина давления на ограждающие конструкции в последнем случае всегда меньше, чем при пассивном сопротивлении.
В практике элеваторной промышленности он встречается обычно при работе оборудования, перемещающего зерно (отжим хлебного щита в вагоне, работа щита механической лопаты или лопаток скребковых конвейеров).

40 а – общая; б – при горизонтальном уровне зерна; в – при поверхности насыпи зерна в процессе загрузки склада; г – при поверхности насыпи зерна в процессе выгрузки из склада
Рисунок 4.3 – Схемы давления зерна на стену склада
Для выяснения величины давления на стену определяют массу призмы обрушивания АБГ, равную площади АБГ, умноженной на длину призмы (1 м) и объемную массу γ. При этом призму в целом рассматривают как клин, оказывающий давление R на подпорную стену и R
1
на часть сыпучего тела, оставшуюся в покое. При многократном повторении описанного опыта угол плоскости обрушивания θ может быть различным, поэтому при выводе формулы устанавливают такой угол θ, который даст наибольшие величины давления на подпорную стену.
Вывод формул активного давления сыпучего тела на подпорную стену в общем виде сложен, а сами формулы громоздки, но при сохранении точности расчета, достаточной для практических целей, можно внести некоторые упрощения. Обычно трением зерна о стену пренебрегают (это несколько увеличивает давление).
Для встречающихся в практике случаев положения подпорной стены и очертаний сыпучего тела формулы намного упрощаются. Формулы для расчета подпорных стен приведены на рисунок 4.3 б, в, г. Формулы дают возможность определить как величину суммарного давления R на стену, так и удельного давления Р на единицу площади на глубине h.

41
4.3 Давление зерна на стены и дно силосов
Зерно – сыпучий материал, поэтому между ним и поверхностью стен силосов возникают силы трения. Зерно оказывает давление не только на дно хранилища, в котором оно хранится, но и на его стены. Чтобы показать принципиальное различие в давлении различных сред на дно и стены сосудов, возьмем три одинаковых сосуда (рисунок 4.4) и заполним: первый – твердым телом, входящим в него свободно; второй – жидкостью; третий – сыпучим телом (зерном).
а – твёрдого тела; б – жидкости; в – сыпучего тела (зерна)
Рисунок 4.4 – Давление на стены и дно емкости
В первом случае твердое тело будет оказывать давление только на дно сосуда, причем суммарная величина этого давления будет равна полной массе твердого тела.
Жидкость оказывает гидростатическое давление на дно и стены сосуда.
При этом давление на элементарную площадку в любой точке будет перпендикулярно стене или дну и равно массе столба жидкости, находящейся над данной площадкой.
В третьем случае сыпучее тело также оказывает давление на дно и стены сосуда. Но давление на дно меньше массы столба сыпучего тела вследствие передачи части давления на стены в результате сил трения между сыпучим материалом и стенами сосуда. При этом давление на дно распределяется неравномерно: оно меньше у стен и больше на середине дна. Горизонтальное же давление по глубине сосуда увеличивается не по закону прямой линии, как у жидкости, а по кривой.
В свете современной теории давления зерна на стены и дно силосов недостаточно учитывать только то давление, которое возникает в состоянии зерна в покое. Большое значение имеет дополнительное давление, возникающее при движении зерна во время заполнения силоса, особенно при его опорожнении.
По современной теории зерно, загруженное в силос (рис.8), образует бесчисленное количество сводов, опирающихся по периметру на стены силоса.
Чем больше величина трения зерна о стены, тем больше вертикальная составляющая реакции опор сводов на стены, т. е. тем большая часть массы

42 переходит на стены, разгружая нижележащие слои зерна. Такая же картина наблюдается и во время выпуска зерна, но в процессе движения зерна своды непрерывно разрушаются и восстанавливаются. При этих условиях и во время выпуска зерна величина давления на дно намного меньше массы зерна в силосе.
С начала 30-х годов в нашей стране началось интенсивное строительство железобетонных элеваторов с силосами d = 6, 7, 8 и 9 м и более. На элеваторах стали применять транспортирующее оборудование большой производительности: 100, 175, 350 и 500 т/ч. Это привело к тому, что силосы после некоторого срока эксплуатации становились аварийными, что побудило вновь исследовать законы давления зерна на стены силосов. В 1963...1964 гг.
ЦНИИ «Гипрониисельхоз» провел натурные исследования давления зерна на
Елецком элеваторе. Эти данные легли в основу Указаний по проектированию силосов для сыпучих материалов, в которых приведены следующие формулы для определения нормативного горизонтального и вертикального давления
(т/м
2
) на стены и дно силоса:
A
f
å
f
Ð
f
Y
Êf
í
ã






)
1
(
(4.2)
A
Кf
е
Кf
К
Р
Р
Y
Кf
н
г
н
в








)
1
(
, где γ– натура зерна (принимают 0,8 т/м); ρ – гидравлический радиус поперечного сечения силоса, определяемый по формуле ρ = F/V, здесь F, V – соответственно площадь и периметр поперечного сечения силоса, м;) f – коэффициент трения сыпучего материала о стену силоса (при трении зерна по бетону и стали 0,4); К – коэффициент, зависящий от угла естественного откоса
(для зерна 0,44); Y – расстояние от поверхности сыпучего материала до рассматриваемого сечения, м; А=
)
1
(

Y
Кf
е

– определяют по таблице, приведенной в приложении к Указаниям по проектированию силосов для сыпучих материалов.
Исследованиями установлено, что величины давления при заполнении силосов, особенно при их опорожнении, резко отличаются от расчетных. Кроме того, большое значение имеет вид истечения зерна из силоса, т. е. вытекает ли оно всей массой или только центральным столбом с образованием на поверхности насыпи воронки.

43 1 – теоретическое по Янсону; 2 – фактическое при загрузке; 3 – то же, при выгрузке; 4 – то же, в силосе с трубой при загрузке; 5 – то же, при выгрузке
Рисунок 4.5 – Горизонтальное давление зерна на стены силоса
Наибольшие величины горизонтального давления были получены в силосах с нецентральным выпуском, а также при движении всей массы зерна.
Максимальные величины давления преобладают примерно в средней трети высоты стен силосов (см. рисунок 4.5). При заполнении силоса величина горизонтального давления близка к величине давления, определенной по формуле Янсона, а иногда даже меньше. Однако при выпуске зерна из силоса горизонтальные давления увеличиваются в 1,5...1,6 раза по сравнению с давлениями, определенными по формуле Янсона. Горизонтальные давления зернового потока при перекачке зерна из силоса «на себя» увеличиваются в
1,8...2,1 раза по сравнению с расчетными. Исследования показали необходимость и возможность управления давлением зерна на стены при его движении в силосе.
В Инструкции по проектированию элеваторов, зерноскладов я других предприятий, зданий и сооружений по обработке и хранению зерна (СН-261 –
77) указано, что при проектировании силосов следует предусматривать снижение горизонтального давления зерновых продуктов при их выпуске
(рисунок 4.5).

44 а – через разгрузочную трубу; б – через звездочки; в – через внутренний силос: 1 – силос 1а – пассивный, 1б – активный; 2 – разгрузочная труба; 3 – звездочка; 4 – отверстия в стенах; 5 – самотечная труба; 6 – конвейер
Рисунок 4.6 – Выпуск зерна из силоса
Для этого в круглых силосах устанавливают разгрузочные центральные перфорированные трубы или при наличии соответствующих технологических условий зерно из силоса выпускают через отверстия в стенах межсилосных звездочек. Силосы квадратной формы объединяют в группы для упрощения загрузки и выгрузки. Загрузку и выгрузку, как правило, проводят через отверстия в стенах смежных внутренних силосов. При определении горизонтального давления сыпучих материалов на стены силосов во время их заполнения и опорожнения, а также в процессе хранения следует учитывать давления, равномерно распределенные по периметру, совместно с эквивалентными давлениями: кольцевыми и локальными.
Профессор Д. В. Шумский с достаточной для практических целей точностью составил номограмму для определения горизонтального давления на стену силоса. Порядок пользования номограммой следующий. Определяют гидравлический радиус силоса, затем численное значение приведенной

45 глубины ρ, представляющей собой отношение глубины, для которой необходимо найти давление, к гидравлическому радиусу. Из точки, соответствующей гидравлическому радиусу восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с прямой, соответствующей определенному значению глубины μ.
Зная величины ρ и μ, по горизонтальной оси номограммы находят точку, соответствующую найденному гидравлическому радиусу. Из этой точки восстанавливают перпендикуляр до пересечения с лучом, соответствующим нужному значению μ.
Рисунок 4.7 – Номограмма профессора Д.В. Шумского для определения расчетного давления зерна на стенку силоса.
От найденной точки пересечения проводят горизонтальную прямую к шкале давлений и определяют искомое горизонтальное давление.

46
4.4 Поведение зерна как сыпучего материала
Зерновые, семена масличных культур, побочные продукты и заменители имеют определенные физические и механические свойства, и их поведение как сыпучей массы зависит от свободы истечения, размера и формы частиц, плотности, угла естественноro откоса, внутреннего и внешнего трения, сцепляемости, влажности, электрического заряда и т. п.
По законам физики, в обычных условиях любое вещество существует в определенном состоянии, например в газообразном, жидком или твердом.
Газообразное состояние не обсуждается в этой главе, однако оно будет рассмотрено в разделе, посвященном взрывам пыли. Ниже перечисляются основные различия между веществом в жидком и твердом состоянии.
1. Статическое давление на жидкость передается одинаково во всех направлениях в отличие от твердого вещества, где давление передается только в одном направлении.
2. В отличие от жидкости твердое вещество оказывает сопротивление поперечной силе при скольжении.
3. При выгрузке на горизонтальную поверхность сыпучая масса образует конус с углом естественного откоса. Жидкость, вылитая на горизонтальную поверхность, образует лужу с углом естественного откоса, равным нулю.
4. Твердое вещество при сжатии сохраняет свою форму и силу сцепления.
Таким образом, основные характеристики массы гранулированного продукта представляют собой сочетание характеристик жидкости и твердого тела, т.е. «полужидкость».
Фактически гранулированные продукты упруги и обладают пластической деформацией. Они, подобно жидкости, приобретают форму емкости, в которой хранятся. Но в то же время гранулированные продукты – твердые вещества, так как образуют угол естественного откоса при высыпании продукта на горизонтальную ровную плоскость. Величина их прочности сцепления располагается между обладающим большей сцепляемостью твердым телом и жидкостью, характеризующейся меньшей сцепляемостью.
При исследовании физико-механических свойств гранулированных сыпучих материалов их представляют как комплекс очень большого числа мелких твердых частиц, которые могут перемещаться относительно друг друга и таким образом образовывать сыпучую массу.
4.4.1 Характер истечения
Идеальный гранулированный сыпучий продукт состоит из круглых или многоугольных, взаимно не связанных частиц, которые перемещаются под влиянием силы тяжести. Этот процесс называют характером истечения продукта.
Наиболее показательным методом иллюстрации этого гравитационного потока является использование прозрачного бункера, в который засыпают различные окрашенные горизонтальные слои одинакового продукта.

47 а – схемы, показывающие движение слоев в силосе с центральным выпускным отверстием; б – в силосе с эксцентрично расположенным выпускным отверстием.
Рисунок 4.8 – Схемы движения продукта слоями
Рисунок 4.8 показывает шаг за шагом движение различных слоев продукта после открытия разгрузочного клапана бункера с центральным выпускным отверстием. На рисунке 1, б показан тот же процесс в силосе с эксцентричным выпускным отверстием. Если этот опыт повторить с другими сыпучими материалами, то станет ясно, что свойства продукта влияют на характер истечения.
Продукты с отличной сыпучестью характеризуются как легкосыпучие, и к ним относятся классические виды зерна – пшеница, кукуруза, семена сои и ячмень.
Сыпучие продукты с менее благоприятным характером истечения называют трудносыпучими; к ним относятся такие, как тапиока, соевый шрот, копра и различные гранулированные сыпучие продукты.
У продуктов, обладающих хорошей сыпучестью, силы притяжения

48 входящих в их состав компонентов незначительны, поэтому сыпучую массу можно легко побуждать к истечению под действием силы тяжести, даже если она была подвергнута уплотнению. При истечении такие материалы разделяются на отдельные частицы. В общем, продукты, обладающие хорошей сыпучестью, представляют мало проблем, связанных с выбором и проектированием разгрузочной системы. У трудносыпучих продуктов силы сцепления между частицами достаточно высоки и препятствуют свободному истечению; при истечении таких продуктов образуются комки. Это сопротивление истечению может привести к многочисленным проблемам, например проблеме загрузки, закупорки самотеков, сводообразования.
Следовательно, свойства истечения продуктов определяют тип системы транспортировки и ее компонентов.