К.т.н. Джапаров Р.Р., Джаналиев Е.М.

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана, г. Уральск, Казахстан

Оптимальная скорость воздушного потока

         Воздушная сепарация вороха осуществляется за счет того, что в результате силового взаимодействия между воздушным потоком и находящимися в нем твердыми телами последние движутся по различным траекториям. Траектории составных частей вороха зависят от значения и направления, действующих на них внешних сил, т.е. сил, приложенных со стороны других тел и силовых полей. При рассмотрении изолированного движения частицы в воздушном потоке приходится иметь дело с двумя группами внешних сил: массовыми и поверхностными. К массовым силам, значения которых пропорциональны массе частицы, относится, прежде всего, сила тяжести; к поверхностным – сила воздействия воздушного потока на частицу. При сепарации в воздушном потоке поведение тяжелых составляющих вороха определяется в основном массовыми силами. На поведение легких частиц, выделяемых из вороха, решающее влияние оказывает аэродинамическая сила.

         При движении частиц стебельного корма в воздушном потоке площадь поперечного сечения частиц, перпендикулярная направлению воздушного потока, постоянно меняется, поэтому меняется действие на частицу воздушного потока. Это создает неопределенность при оценке очистки и теоретических расчетах процессов.

         На основе анализа работ [1,2] можно сделать вывод, что при очистке существует определенная оптимальная скорость воздуш­ного потока, при которой эффективность процесса достигает наи­высших значений. Следует заметить, что скорость воздушного пото­ка находится в определенной зависимости от аэродинамических характеристик разделяемых компонентов. При этом должно наблюдаться наибольшее рассеяние пучков разделяемых компонентов. Для выясне­ния этого вопроса предположим, что воздушный поток постоянен по величине и направлению скорости в любой точке его протекания, а частицы стебельного корма перемещаются свободно, без столк­новений между собой. Рассмотрим рис. 1, на котором показана схема действия наклонного воздушного потока и схема сил, дейс­твующих на частицу стебельного корма или частицу инородных при­месей.

                  

 

Рисунок 1 - Схема к определению оптимальной скорости

воздушного потока

 

         Сила R сообщает частице с массой m ускорение aR, которое равно:

         аR, (1)

         Математически оценить влияние всех факторов, действующих на тело в воздушном потоке, представляет весьма сложную задачу. Приближенная зависимость аэродинамической силы от наиболее важных из этих факторов может быть получена из выражений:

         , (2)

где Сх – безразмерный коэффициент лобового сопротивления;

          – плотность воздуха, кг/м3;

         FТ – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению потока (миделево сечение), м2;

          - относительная скорость частицы, м/с.     

         Как видно из формулы (2), аэродинамическая сила пропорциональна квадрату скорости воздушного потока. На самом деле такая квадратичная зависимость существует не при всех скоростях. Опыт показывает, что при скорости воздушного потока меньше 2 м/с эта зависимость линейная, а при скорости выше 0,7 скорости звука – кубическая. В применяющихся в сельском хозяйстве пневмосепарирующих устройствах используется воздушный поток, имеющий скорость в пределах 3 - 50 м/с, поэтому для расчета этих систем будет справедлива квадратичная зависимость.

         При сепарации сельскохозяйственных материалов для оценки способности частицы сопротивляться воздушному потоку были предложены различные коэффициенты (летный коэффициент, коэффициент парения, коэффициент парусности и др.) и их аналитические выражения. В настоящее время в сепарации наиболее часто употребляют коэффициент парусности kП, имеющий размерность м-1 и определяемая из выражения:

, (3)

         Коэффициент парусности kП, оценить однозначно нельзя, поэтому данная характеристика определяется нижним и верхним пределами для коэффициента, оценивающим определенный тип частиц материала. Имея опытные величины коэффициента парусности, можно судить о возможности и полноте разделения заданного исходного материала.

         С учетом выражений (2) и (3) формула (1) имеет вид:

аR =, (4)

         Связь коэффициента парусности со скоростью витания найдем следующим образом: при = uвит сила R = mg, поэтому .

Следовательно,

, (5)

         Следовательно, коэффициент парусности обратно пропорционален квадрату скорости витания. Скорость витания разделяемых компонентов при очистке стебельного корма определяется экспериментально парусным классификатором. Изучением аэродинамических свойств сельскохозяйственных материалов занимались многие исследователи. В результате этих работ были определены скорость витания и коэффициенты парусности различных материалов, которые приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Аэродинамические свойства разделяемых компонентов

Наименование материала

Скорость витания, м/с

Коэффициент парусности, м-1

Солома:

 - яровой пшеницы

 - озимой пшеницы

 - ячменная

 - овса

 

10 – 16

11 – 18

7 – 11

9 - 14

 

0,098 – 0,038

0,081 – 0,031

0,200 – 0,081

0,121 – 0,050

Металлические примеси

Свыше 35

0,008

Камни

Свыше 35

0,008

 

Решить задачу о сепарации вороха наклонным воздушным потоком в зависимости от скорости витания затруднительно вследствие сложности явлений, происходящих при этом процессе. Максимум рассеяния в этом случае будет наблюдаться при скорости, определяемой из выражения [2]:    , (6)

где  - оптимальная скорость воздушного потока, при которой будет максимальное рассеяние, м/с;

  - наименьшая скорость витания инородных примесей, м/с;

 - наивысшая скорость витания частиц грубого стебельного корма, м/с;

  - наименьший коэффициент парусности стебельных кормов, м-1;

  - наибольший коэффициент парусности инородных приме­сей, м-1.

         Таким образом, имея крайние значения скорости витания uвит разделяемых компонентов возможно определить оптимальную скорость воздушного потока uопт, при которой будет наблюдаться максималь­ное рассеяние пучков траекторий. Теоретичес­ки определяя и задавая оптимальную скорость воздушного потока, возможно, сократить объем исследований по определению конструк­тивных параметров пневмо-сепарирующей системы и кинематических режимов процесса очистки. Принимая во внимание данные исследова­ний можно сделать вывод о том, что при очистке стебельных кормов от твердых инородных примесей опти-мальная скорость воздушного потока находится в пределах 15,6 – 24,95 м/с.

 

Литература:

1.                 Нелюбов А.И., Ветров Е.Ф. Пневмосепарирующие системы сельскохозяйственных машин. - М.: Машиностроение, 1977. - 192 с.

2.                 Турбин Б.Г. Вентиляторы сельскохозяйственных машин. М. – Л.: Машиностроение, 1968.-160 с.