Авторы: А. Каттерфельд (Магдебургский университет им. Отто фон Герике), М. Дратт (IBAF – Институт строительной техники, трансмиссионной техники и конвейерной техники, Магдебург), К. Киршнек, Р. Фуртманн, Н. Фельтен (Компания «АУМУНД Фёрдертехник ГмбХ).
Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2018
Использование ковшовых элеваторов при проектировании новых производственных мощностей делает всю конструкцию более компактной и экономически эффективной. Существуют определенные предубеждения в отношении ковшовых элеваторов, а особенно ковшовых элеваторов со скоростью транспортировки более 1,0 м/с.В данной статье мы анализируем ударные силы, действующие на приллированные или гранулированные удобрения во время транспортировки ковшовыми элеваторами, и их влияние на ухудшение свойств материала в зависимости от скорости транспортировки. Один из наиболее серьезных вызовов, стоящих перед производителями ковшовых элеваторов, заключается в аккуратном обращении с транспортируемым материалом во избежание истирания и разламывания частиц. Это особенно важно для приллированного карбамида (мочевины), который обладает меньшей стойкостью против разламывания, чем гранулированный карбамид.
Во время транспортировки материал находится в основном в ковшах. Однако во время наполнения и освобождения ковшей могут возникнуть высокие ударные силы. На величину этих нагрузок влияют скорость транспортировки и геометрия ковша.
Для определения наиболее бережного режима транспортировки ковшовым элеватором было проведено математическое моделирование, основанное на методе конечных элементов (DEM). Это моделирование позволило проанализировать поток частиц в ковш и из ковша, а также возникающих сил, действующих на частицы. Были смоделированы два разных типа цепных ковшовых элеваторов с одинаковой пропускной способностью, но с разными скоростями и конструкциями ковша. Силы, действующие на частицы, были рассчитаны во время наполнения и опорожнения двух ковшовых элеваторов и сравнены со стойкостью против разламывания стандартных приллированных частиц, приведенной в литературе. Визуализация результатов DЕM позволила определить пространственное положение наибольших сил, действующих на частицы.
Статья содержит обзор использования технологии ковшовых элеваторов для бережной транспортировки удобрения, имитационную модель и результаты DEM-анализа.
Введение
Азотные удобрения зачастую гранулируются или приллируются для уменьшения пылевыделения во время их распределения, а также для обеспечения равномерного и длительного выделения химических элементов в почву. По сравнению с мелкодисперсным порошком в качестве основы удобрения приллированное или гранулированное удобрение является относительно крупнозернистым и имеет достаточно однородное распределение по размеру частиц, что дает значительные преимущества при транспортировке и других манипуляциях. В зависимости от технологического процесса производства и химического состава удобрения гранулы и приллированные частицы имеют разную прочность при сжатии отдельных частиц, которые очень малы по сравнению с другими минеральными сыпучими материалами. Низкая стойкость приллированных частиц диктует особые требования к используемому для различных манипуляций оборудованию для минимизации их разламывания или истирания. При транспортировке посредством, например ковшового элеватора, это означает, что силы, действующие на частицы во время перемещения, не должны превышать силу разламывания Fbreak, которая определяется прочностью дробинки. В целях дальнейшего анализа работа сконцентрирована на приллированных частицах карбамида, поскольку согласно Справочнику удобрений (Fertilizer Manual) [1] эти приллированные частицы имеют наименьшую прочность при сжатии. Таким образом, приллированные частицы карбамида требуют наиболее бережного обращения и могут быть названы «наихудшим вариантом» для изготовителей механического подъемно-транспортного оборудования. Согласно справочнику [1], стандартная прочность при сжатии приллированных частиц карбамида находится в диапазоне от 0,8 до 1,2 кг/дроб., что определяет Fbreak = 8…12 Н.
Можно выделить два основных типа элеваторов в зависимости от тягового элемента: ленточный ковшовый и цепной ковшовый. Для анализа ухудшения свойств материала тип тягового элемента не имеет значения, но важны скорость и геометрия ковша. Проанализированные ковшовые элеваторы — это два цепных элеватора производства компании «АУМУНД Фёрдертекник ГмбХ». В элеваторе BWZ используется центральная цепь, прикрепленная к задней стенке ковша, в элеваторе BWDK – две цепи, прикрепленные к боковым сторонам ковша. Оба типа элеваторов могут работать на разных скоростях ковшей vB и с геометрически разными ковшами (особенно с ковшами различной ширины bB), чтобы обеспечить одинаковую пропускную способность Im. На рис. 1 показаны оба цепных ковшовых элеватора.
Компьютерное моделирование на основе Метода конечных элементов (DEM) было использовано для определения того, какой из элеваторов обеспечивает более бережную транспортировку приллированных частиц карбамида. Основы данного модельного подхода подробно описаны в работах [2] и [3].АУМУНД использует данный метод моделирования для оптимизации транспортного оборудования в рамках нескольких исследовательских и опытно-конструкторских работ в сотрудничестве с Университетом Магдебурга и компанией «ИБАФ ГмбХ» (IBAF GmbH).
DEM-моделирование основано на подходе, который предполагает рассмотрение конкретной системы как числа одиночных частиц упрощенной геометрии. Второй закон механики Ньютона применяется к каждой частице для маленьких дискретных временных интервалов. DEM-моделирование является численно затратным методом из-за большого числа рассматриваемых частиц и требуемых малых интервалов времени (< 10–5с).
Основной целью представляемого исследовательского проекта являлось определение и сравнение сил, действующих на частицы во время наполнения и опорожнения для ковшовых элеваторов обоих типов – BWZ и BWDK. Для анализа результатов моделирования в соответствии с работой [1] использовался предел разламывания Fbreak > 8 Н.
Имитационная модель
Изучение свойств частиц
В DEM-моделировании приллированные частицы карбамида рассматриваются как сферические. Для сокращения времени расчетов фактическое распределение частиц по размеру dk = 2…10 мм было идеализировано до DPart = 4…10 мм. Масса отброшенной мелкой фракции была добавлена к наименьшей фракции в модели. В качестве контактной модели была использована модель Херца–Миндлина (Hertz–Mindlin model) вместе с моделью упруго-пластического пружинного демпфера согласно работе Венсриха и соавторов [5] для учета трения качения. Ниже приведены наиболее важные параметры DEM, которые были откалиброваны с помощью угла естественного откоса и испытаний на опорожнение.
Для DEM-моделирования необходимо учитывать только поверхности ковшового элеватора, контактирующие с сыпучим материалом. Зоны наполнения и опорожнения моделируются в разных моделях с целью экономии времени моделирования. Вместо рассмотрения полной ширины ковша в имитационной модели берется в расчет только узкий участок ковшового элеватора. Ширина этого узкого участка была выбрана равной пятикратному максимальному диаметру частицы. bSim = 5 ? ? dk, max = 50 мм. Таким образом, была рассмотрена модель участка с периодическими границами. Периодические границы использованы на границе участка так, что частицы, выходящие из рассмотрения модели на границе одного участка, вновь включаются в нее на противоположной границе. Хотя действующие на частицы силы были измерены на небольшом участке имитационной модели, окончательное число частиц с высокими действующими на них силами масштабировано до полной ширины b Bэлеватора. Из-за разной ширины BWZ и BWDK использовались разные коэффициенты масштабирования.
Имитационная модель наполнения ковша
Моделирование начинается с подачи частиц над спускным лотком, наклоненным под углом в 45° (рис. 2), откуда они попадают в отверстие элеватора. Сыпучий материал подается напрямую в ковши элеватора в случае элеваторов обоих типов – BWZ и BWDK. Мы намеренно проводим сравнение типов элеваторов с прямой подачей, поскольку элеваторы черпающего типа вызвали бы более значительное ухудшение свойств материала независимо от скорости. Оба элеватора сконструированы для транспортировки с пропускной способностью Im = 200 т/ч. Скорость ковша элеватора BWZ vB, BWZ = = 1,893 м/с и расстоянием между ковшами lT, BWZ = = 356 мм. Скорость ковшей элеватора BWDK vB, BWDK = = 0,62 м/с значительно ниже, а расстояние между ковшами lT, BWDK = 458 мм больше, чем у элеватора BWZ. Причинами этих различий являются больший объем и большая ширина ковшей BWDK.
Из-за рассмотрения маленького участка в имитационной модели пропускная способность должна быть снижена. Поправочный коэффициент зависит от реального размера ковшей: он больше для BWDK, чем для BWZ, из-за большей ширины ковшей BWDK. При моделировании рассматриваются следующие значения пропускной способности: Im, Sim, BWZ = 20 т/ч и Im, Sim, BWDK = 13,16 т/ч.
Время моделирования tSim = 4 с было признано достаточным для наблюдения процесса наполнения в стационарных условиях. В течение этого времени действующие на частицу силы FPart измеряются в специальной измерительной зоне, показанной на рис. 2. Этот измерительный участок содержит три ковша, которые находятся в зоне наполнения.
Имитационная модель опорожнения ковша
Наполненные ковши направляются на верхнюю часть элеватора. В зависимости от скорости перемещения ковша сыпучий груз будет высыпаться из ковша в особом режиме. Из-за достаточно высокой скорости элеватор BWZ демонстрирует комбинацию центробежной разгрузки и разгрузки самотеком, которая называется смешанной или гибридной разгрузкой. Элеватор BWDK демонстрирует режим опорожнения самотеком.
