PRACE Instytutu Ceramiki i Materia³ów Budowlanyh Sientifi Works of Institute of Ceramis and Constrution Materials Nr 7 ISSN 1899-3230 Rok IV Warszawa Oole 2011
EWA JÓŚKO * PAWEŁ SKOTNICKI ** W ray rzedstawiono wyniki badań nad określeniem wływu kształtu dyszy ssąej na wydajność i oory rzeływu dwufazowego gazu i iała stałego w tyowej instalaji odiśnieniowego transortu neumatyznego. Do analiz wykorzystano łaskie dysze ssąe o kąie rozwaria α = 40 o i 60 o. W rzyadku łaskih dysz stożkowyh, dzięki rozwinięiu owierzhni kontaktu dyszy z lustrem materiału, więej owietrza jest obierane rzez dyszę, rzez o maleje ryzyko blokady ruroiągu. Takie rozwiązanie ozwala na zastosowanie tego tyu dysz do transortu materiałów drobnoziarnistyh, które ze względu na ogranizone możliwośi dysz rurowyh nie mogły być transortowane odiśnieniowo. Transort neumatyzny jest metodą, która wykorzystuje ruh owietrza owstały w wyniku różniy iśnień omiędzy ozątkiem a końem rzewodu transortowego, do rzemieszzania materiałów sykih. Ze względu na łatwość alikaji, możliwość rowadzenia ruroiągów w ionie i oziomie, hermetyzność, a także niskie koszty jest jednym z najoularniejszyh sosobów transortu materiałów sykih. Każda instalaja transortu neumatyznego zbudowana jest z nastęująyh elementów: * Mgr inż., Politehnika Oolska, Wydział Mehanizny. ** Mgr inż., Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanyh w Warszawie, Oddział Inżynierii Materiałowej, Proesowej i Środowiska w Oolu.
OCENA WPŁYWU KSZTAŁTU DYSZY SSĄCEJ NA WYDAJNOŚĆ... 109 źródła owietrza, którym może być: wentylator, dmuhawa, komresor lub oma różniowa; urządzeń odająyh, takih jak: dysze ssąe, inżektory, dozowniki elkowe, odajniki komorowe; ruroiągów transortowyh, które stanowią: rury stalowe, rzewody elastyzne, kolana, rozdzielaze dwu- i wielodrogowe; urządzeń odbierająyh, takih jak: yklony, filtry, filtroyklony, bufory i silosy. W zależnośi od sosobu wytwarzania różniy iśnień układy transortu neumatyznego można odzielić na: ssąe (odiśnieniowe), tłoząe (nadiśnieniowe) i mieszane (ssąo-tłoząe). Powszehnie w instalajah rzemysłowyh do rozładunku autoystern i rzemieszzania materiału sykiego w roesie tehnologiznym stosuje się instalaje nadiśnieniowe wykorzystująe urządzenia odająe, takie jak: dozowniki elkowe, inżektory, omy Fullera, odajniki komorowe it. Z kolei systemy transortu odiśnieniowego i układy mieszane stosowane są do rzemieszzania materiałów sykih z otwartyh bezek, zbiorników, otwartyh ryzm i ładowni statków (ry. 1). W tego rodzaju systemah elementem obierająym surowie jest dysza ssąa. W ssąym transorie neumatyznym, ze względu na stosowanie odiśnienie do 0,05 MPa, długość drogi transortu jest ogranizona do ok. 100 m, o ozwala na rzemieszzanie niewielkih ilośi materiału sykiego. Niemniej jednak tego rodzaju transort jest wykorzystywany w roesah dozowania materiałów sykih. Ry. 1. Przykłady zastosowania odiśnieniowego transortu neumatyznego: a) maszyna ssąo-tłoząa [1], b) załadunek silosu [2], ) rozładunek statku [3] Dysze ssąe stosuje się w rzyadku bezośredniego dostęu do górnej owierzhni materiału sykiego. Jej konstrukja owinna umożliwiać swobodny rzeływ materiału bez ulsaji i blokowania się ruroiągu, nawet w rzyadku głębokiego zanurzenia w materiale. W tym elu do wlotu dyszy należy dostarzyć odowiednią ilość owietrza koniezną do transortu materiału sykiego.
110 EWA JÓŚKO, PAWEŁ SKOTNICKI Ry. 2. Budowa rurowej dyszy ssąej [4] Najbardziej oularnym tyem dyszy jest dysza zbudowana z dwóh wsółoiowyh rur wewnętrznej i zewnętrznej, określana zęsto jako rurowa (ry. 2). Utworzona omiędzy rurami ierśieniowa szzelina umożliwia zassanie materiału sykiego i doływ zewnętrznego owietrza. W tym obszarze tworzy się mieszanina dwufazowa materiału sykiego i owietrza, która jest transortowana dalej ruroiągiem do urządzenia odbiorzego. Powietrze z otozenia zasysane jest rzez otwór znajdująy się na wysokośi a rury zewnętrznej owyżej linii materiału. Regulaji wydajnośi transortu neumatyznego można dokonać rzez zmianę wysokośi szzeliny b. Obniżenie tej wysokośi owoduje zwiększenie konentraji iała stałego w owietrzu, a zatem zwiększa się wydajność. Odwroty efekt uzyska się zwiększają wysokość b. Inne sosoby regulaji wydajnośi rurowyh dysz ssąyh rzedstawiono na ryinie 3. Ry. 3 Sosoby regulaji rurowyh dysz ssąyh [4]
OCENA WPŁYWU KSZTAŁTU DYSZY SSĄCEJ NA WYDAJNOŚĆ... 111 Dysze rurowe osiadają jednak sore ogranizenia: nie mogą być stosowane do materiałów drobnoziarnistyh ze względu na duże ryzyko blokowania się ruroiągu oraz są nieefektywne w instalajah bezobsługowyh. Do oblizeń inżynierskih zęsto stosuje się literaturowe modele oblizeniowe, n.: Strumińskiego [5] lub Piątkiewiza [6], które ozwalają na oblizenie oorów rzeływu w rzewodah transortowyh (tab. 1). Modele te oierają się o równanie Dary ego-weisbaha stosowane do oblizania strat iśnienia dla rzeływów jednofazowyh i uwzględniają wływ ząstezek iała stałego orzez modyfikaję wsółzynników oorów ruhu λ lub dodatkowe wsółzynniki doświadzalne. Stosowane są do oblizania różniy iśnień na ozątku i końu rzewodu transortowego rzy transorie neumatyznym w fazie rzadkiej, gdzie dominująą fazą jest gaz. T a b e l a 1 Modele oblizeniowe Model Strumińskiego [5] Nr wzoru Model Piątkiewiza [6] Nr wzoru 2 w 2 2 2 L (1) P 1 P w 2 2 2 L (2) P (1 tg ) 2 d 2 P 2 2 d gdzie: gdzie: 0,221 0,032 (1.1) (2.1) 0, 237 Re 1 tg f ( w ) 2lg ( Re ) 0,8 (2.2) Oznazenia: ΔP straty iśnienia (oory rzeływu) [Pa], λ wsółzynnik oorów rzeływu, L długość rzewodu transortowego [m], d średnia rzewodu transortowego [m], μ konentraja masowa [kg/kg], tgα wsółzynnik doświadzalny, λ wsółzynnik oorów rzeływu wg Nikuradse, w rędkość owietrza w rzewodzie [m/s], ρ gęstość owietrza [kg/m 3 ], P 1 iśnienie na ozątku rzewodu [Pa], P 2 iśnienie na końu rzewodu [Pa], 2,1 0,3 w 0,25 Fr 1 Fr d d z Fr Fr w w 2 2 1 2 2ˆ gd ˆ 2ˆ gd ˆ w 2 2 1 2 w 2 rędkość rzeływu owietrza na końu rzewodu [m/s], d 0,1 (2.3) (2.4) (2.5)
112 EWA JÓŚKO, PAWEŁ SKOTNICKI w 1 rędkość rzeływu owietrza na ozątku rzewodu [m/s], ρ 2 gęstość owietrza na końu rzewodu [kg/m 3 ], Fr w lizba Frouda dla owietrza, Fr lizba Frouda dla iała stałego, d z średnia zastęza ząstki iała stałego [m], ĝ rzysieszenie ziemskie [m 2 /s], 1 rędkość rzeływu iała stałego na ozątku rzewodu, 2 rędkość rzeływu iała stałego na końu rzewodu, Re lizba Reynoldsa. W elu rzerowadzenia badań zarojektowano i wykonano stanowisko omiarowe tyowej instalaji transortu neumatyznego, gdzie elementem zasilająym ruroiąg jest dysza ssąa (ry. 4). W badaniah wykorzystano dysze stożkowe łaskie o kąie rozwaria α = 40, 60 oraz stosunku ola rzekroju wlotowego do ola rzekroju ruroiągu transortowego F 1 /F 2 = 8,5 (ry. 5). Ź r ó d ł o: Oraowanie własne. Ry. 4. Shemat stanowiska badawzego
OCENA WPŁYWU KSZTAŁTU DYSZY SSĄCEJ NA WYDAJNOŚĆ... 113 α = 60 α = 40 200 mm 200 mm 30 mm 30 mm 400 mm 490 mm Ź r ó d ł o: Jak w ry. 4. Ry. 5. Płaska stożkowa dysza ssąa Materiał syki obierany był z dolnego zbiornika umieszzonego na wadze za omoą dyszy ssąej i transortowany ruroiągiem do górnego zbiornika materiału znajdująego się w urządzeniu ssąym. Zbiornik materiału, dysza ssąa oraz ruroiągi transortowe zostały wykonane z transarentnego PMMA, dzięki zemu możliwa była obserwaja i rejestraja obrazu struktur rzeływu. Strumień owietrza był regulowany rzez autotransformator zmieniająy naięie na urządzeniu ssąym i kontrolowany za omoą rotametrów umieszzonyh na ruroiągu wylotowym owietrza. Na długośi ruroiągu rozmieszzono elektronizne zujniki do omiaru iśnienia, z któryh dane orzez kartę omiarową były rejestrowane na dysku komutera. Metodyka badań olegała na omiarze sadków iśnienia ruroiągu transortowego rzy stałym strumieniu rzeływająego owietrza oraz omiarze zasu transortu znanej ilośi materiału. Jako materiał modelowy do badań wykorzystano mak niebieski o średniej gęstośi nasyowej 640 kg/m 3. Dla dyszy stożkowej łaskiej o kąie rozwaria α = 40 oraz α = 60 wykonano harakterystyki rzebiegu sadków iśnienia w ruroiągu transortowym (ry. 6). Pomiary rzerowadzono dla stałej wartośi strumienia objętośiowego owietrza V ɺ 80 m 3 /h. W zależnośi od zastosowanej dyszy otrzymano różne wartośi wydajnośi transortu neumatyznego mɺ. Zauważono również, że na wydajność ma wływ tworząa się wewnątrz dyszy struktura rzeływu materiału sykiego z owietrzem. Etay tworzenia się struktury rzedstawiono na ryinah 7 i 8.
114 EWA JÓŚKO, PAWEŁ SKOTNICKI m = 436 kg/h V = 80 m 3 /h m = 546 kg/h V = 80 m3/h oory rzeływu [Pa/m] oory rzeływu [Pa/m] a) zas s b) zas s Ź r ó d ł o: Jak w ry. 4. Ry. 6. Przebieg sadków iśnienia w zasie dla dyszy stożkowej łaskiej: a) α = 40, b) α = 60 W rzyadku dyszy stożkowej łaskiej o kąie rozwaria α = 60 uzyskano większą wydajność transortu neumatyznego niż w rzyadku dyszy o kąie α = 40 o. Sowodowane jest to mniejszymi zaburzeniami strugi materiału w dyszy, w orównaniu z dyszą α = 40, w wyniku zego wzrasta konentraja materiału sykiego, a tym samym wydajność. W dyszy o kąie α = 40 zęść odniesionego materiału nie osiąga wysokośi wlotu do ruroiągu, rzez o oada, tworzą yrkulayjne zaburzenia. Dla dyszy o kąie α = 60 średnie oory rzeływu wyniosły ok. 1800 Pa/m, natomiast dla dyszy α = 40 kształtowały się na oziomie 1400 Pa/m. Ta różnia sowodowana jest większą wydajnośią dyszy α = 60. Ź r ó d ł o: Jak w ry. 4. Ry. 7. Formowanie się struktury rzeływu dla dyszy stożkowej łaskiej α = 40
OCENA WPŁYWU KSZTAŁTU DYSZY SSĄCEJ NA WYDAJNOŚĆ... 115 Ź r ó d ł o: Jak w ry. 4. Ry. 8. Formowanie się struktury rzeływu dla dyszy stożkowej łaskiej α = 60 W trakie badań dokonano omiarów sadków iśnienia w oziomym odinku ruroiągu transortowego. Uzyskane wyniki zostały orównane z wartośiami oblizonymi według modeli Strumińskiego i Piątkiewiza. Dodatkowo do badań została włązona dysza ssąa rurowa, którą stanowił odinek rostej rury o średniy równej średniy ruroiągu transortowego. Wyniki badań zarezentowano na ryinie 9. oblizone wg modelu Strumińskiego oory rzeływu [Pa/m] oblizone wg modelu Piątkiewiza oory rzeływu [Pa/m] zmierzone oory rzeływu [Pa/m] a) b) zmierzone oory rzeływu [Pa/m] Ry. 9. Porównanie zmierzonyh i oblizonyh wartośi oorów rzeływu: a) wg modelu Strumińskiego, b) wg modelu Piątkiewiza
116 EWA JÓŚKO, PAWEŁ SKOTNICKI Po analizie otrzymanyh wyników stwierdzono, że w rzyadku modelu Strumińskiego zmierzone wartośi sadków iśnienia różnią się od wartośi oblizonyh o onad 50% błędu względnego. Tylko nielizne unkty mieszzą się w rzyjętej graniy błędów. Można również zauważyć, że wartośi oblizone według tego modelu są zawyżone w orównaniu z wartośiami zmierzonymi. W rzyadku modelu Piątkiewiza większość unków mieśi się w rzyjętej graniy błędu. Model ten daje dokładniejsze wyniki w orównaniu z modelem Strumińskiego. W wyniku rzerowadzonej oeny wływu kształtu dyszy ssąej na wydajność i oory rzeływu w odiśnieniowym transorie neumatyznym można stwierdzić, że: 1. Do oblizeń inżynierskih i rojektowyh strat iśnienia w ruroiągah transortu neumatyznego korzystnie jest stosować model Piątkiewiza, onieważ model ten oiera się na wsółzynnikah oorów ruhu wyznazanyh z równań emiryznyh, rzez o uzyskane wyniki w większośi okrywają się z rzezywistymi wartośiami. 2. Stosowanie modelu Strumińskiego do oblizeń może owodować rzewymiarowanie urządzeń zasilająyh linię transortu neumatyznego. 3. Kształt dyszy ssąej ma wływ na wydajność i oory rzeływu w odiśnieniowym transorie neumatyznym. 4. Powstająe w stożkowej dyszy ssąej zaburzenia i yrkulaje materiału sykiego determinują wydajność transortu neumatyznego. 5. Oory rzeływu rosną wraz ze wzrostem ilośi rzenoszonego materiału sykiego. [1] Materiały firmy Kongskilde, Denmark, www.kongskilde.om (23.05.2011). [2] Materiały firmy Gerike, www.gerike.net (23.05.2011). [3] Materiały firmy Neuero, Germany, www.neuero.de (23.05.2011). [4] M i l l s D., Pneumati onveying design guide, 2 ed., Elsevier, London 2004. [5] S t r u m i ń s k i J., Transort neumatyzny, Biuro Studiów i Projektów Tyowyh Budownitwa Przemysłowego, Warszawa 1963. [6] P i ą t k i e w i z Z., Transort neumatyzny, Wydawnitwo Politehniki Śląskiej, Gliwie 1999.
OCENA WPŁYWU KSZTAŁTU DYSZY SSĄCEJ NA WYDAJNOŚĆ... 117 EWA JÓŚKO PAWEŁ SKOTNICKI EVALUATION OF SUCTION NOZZLE SHAPE INFLUENCE AT EFFICIENCY AND PRESSURE DROP IN VACUUM PNEUMATIC CONVEYING The aim of the researh was to determine influene of the sution nozzle shae at nature of two hase gas-solid flow and ressure dro in tyial vauum neumati onveying systems. In the researh there were used flat sution nozzles with flare angle α = 40 o, 60 o. Flat onial nozzles, due to exanded ontat surfae with material level, suk more air what dereases risk of ieline logging. This solution enables use of the above nozzles for transort of fine-grained materials, whih beause of limited ossibilities of ie nozzles ould not be vauum transorted.