СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ МЕЛЬНИЦ ДИНАМИЧЕСКОГО САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СИСТЕМЫ «МАЯ»» И «МКАД»
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Обосновывается необходимость проведения серии экспериментов на физической модели мельницы системы «МАЯ» по определения энергозатрат при измельчении мергеля с исходной крупностью кусков dср=30 мм. Показана процедура по преобразованию мельницы системы «МКАД» в физическую модель мельницы динамического самоизмельчения системы «МАЯ», что позволит получить сопоставимые и объективные результаты. Приводятся результаты экс-периментальных исследований удельных энергозатрат мельницы систем «МАЯ» и «МКАД», полученных на опытных образцах при равных конструктивных и режимных параметрах. Построены графики зависимости энергопотребления от кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура, высоты засыпки исходного материала и диаметра выпускных отверстий в барабане мельниц сравниваемых систем. Представлены результаты удельных энерго-затрат для мельниц двух систем, показывающие более высокую энергоэффективность мельницы системы «МКАД», структурная схема которой имеет индифферентную группу. Это позволяет дополнительно использовать для разрушения частиц материала потенциальную энергию от скручивания вала приводного двигателя.

Ключевые слова:
энергоэффективность, энергозатраты, удельные энергозатраты, производительность, кинематическое несоответствие, циркулирующая мощность, индифферентные структурные группы
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

Одним из перспективных направлений совершенствования и развития измельчительного оборудования, использование которого позволит снизить энергозатраты, является созданный на основе разработанной классификации [1, 2] экспериментальный образец вертикальной мельницы динамического самоизмельчения системы «МКАД», структурная схема которой имеет индифферентную структурную группу [3].  Отличительной особенности мельницы этой системы является наличие в её кинематической цепи замкнутого контура.  Это позволяет при подводе потоков мощности от приводного двигателя по верхней и нижней ветви замкнутого контура к столбу измельчаемого материала за счёт их кинематического несоответствия использовать так называемую «циркулирующую» энергию, которая возникает при скручивании вала приводного двигателя и обеспечить дополнительное силовое воздействие на частицы измельчаемого материала [4–10].

Однако в процессе проведения эксперимента на опытном образце мельницы этой системы по ряду причин не исследовались факторы, которые могут повлиять на выходные технические показатели по производительности и энерзатратам. К таким факторам можно отнести способ выпуска измельчённого материала через отверстия, которые выполнены в боковой поверхности барабана, а не в роторе, как это осуществляется в мельнице системы «МАЯ» или через щелевые отверстия, находящиеся между ротором и неподвижным цилиндрическим корпусом [11–13]. Кроме того, одновременное вращение барабана и ротора в одном направлении, но с разными угловыми скоростями, приводит к изменению вектора движения частиц через выпускные отверстия, что способствует несвоевременной эвакуации достигших определённых размеров частиц измельчаемого материала и его переизмельчению и росту энергозатрат [14]. 

Так как теоретическое исследование этого фактора для мельницы данной системы является весьма сложной задачей, то на начальном этапе целесообразным и необходимым условием для оценки энергоэффетивности мельниц системы «МАЯ» и «МКАД» является экспериментальное подтверждение возможности полезного использования «циркулирующей» энергии, обеспечивающей более высокую энергоэффективность вертикальной мельницы динамического самоизмельчения с индифферентной структурной группой.  

Поэтому дополнительно проведена серия экспериментальных исследований на опытном образце, который с помощью его незначительной модернизации мельница системы «МКАД» была преобразована в мельницу системы «МАЯ», в которой цилиндрический корпус остаётся неподвижным в период измельчения.   Преобразование вертикальной мельницы динамического самоизмельчения системы «МКАД» в мельницу системы «МАЯ» достигается отсоединением приводной цепи верхней ветви приводной 5 и ведомой 3 звёздочек и заклинивания барабана 1 с помощью стопора 4, что позволило исключить передачу крутящего момента от электродвигателя 6 к барабану 1 (рис. 1). 

С помощью произведённого преобразования была получена физическая модель мельницы системы «МАЯ», в которой реализован принцип подобия процесса измельчения для мельниц двух систем [15]. Это позволило для физической модели соблюсти равными геометрические и кинематические параметры сравниваемых вариантов мельниц, что позволяет объективно оценить выходные показатели по производительности и энергозатратам.

Выполненная процедура по преобразованию мельницы системы «МКАД» и систему «МАЯ» позволяет избежать необходимости изготовления дополнительной экспериментальной установки и обеспечить при проведении опытов равенство изменяемых параметров: высоты засыпки исходного материала Hсл (X2), диаметр выпускных отверстий в барабане dвып (X3), т. е.  влияние тех параметров на энергозатраты и производительность, которые были приняты в полнофакторном эксперименте для мельницы этой системы [16]. В этом случае вместо кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура в приведённой мельнице системы «МАЯ» частота вращения ротора устанавливалась таким образом, чтобы она была равна разности частот вращения ротора и барабана, т.е. такие режимы, которые используются в мельнице системы «МКАД»  ̶ nрот (МАЯ) = nрот(МКАД)nбар(МКАД) ≈ 350÷400 об/мин [17].

 

Рис. 1. Приведение мельницы системы «МКАД»

к мельнице системы «МАЯ» путём отсоединения привода верхней ветви и стопорением 

цилиндрического барабана:

1 – цилиндрический застопоренный барабан; 

2 – рама; 3 – ведомый шкив привода барабана; 4 – м стопор; 5 – ведущая звёздочка привода ротора;

6 – электродвигатель

 

Установление необходимой частоты вращения ротора в преобразованную мельницу системы «МАЯ» осуществлялась путём смены ведущей и ведомой звёздочки в нижней ветви.

В табл. 1 представлены некоторые конструктивные и кинематические параметры ведущей и ведомой звёздочек привода ротора, обеспечивающих сопоставимые частоты вращения ротора в мельницах системы «МКАД» по отношению к частоте вращения ротора в мельнице системы «МАЯ».

 

 

 

Таблица 1

Частота оборотов ротора в зависимости от соотношения ведущей и ведомой звёздочки привода ротора

п/п

Частота вращения электродвигателя nдв, об/мин

Число зубьев  ведущей  звёздочки нижней ветви,  Z1

Число зубьев  ведомой звёздочки нижней ветви,  Z2

Передаточное

отношение передачи, iпер

Частота вращения ротора nрот, об/мин

1

1750

13

69

0,188

329,0

2

1750

15

69

0,217

379,8

3

1750

17

69

0,246

430,5

4

1750

18

69

0,261

456,8

5

1750

19

69

0,275

481,3

6

1750

23

69

0,333

582,8

 

Таким образом, при одинаковых значениях влияющих факторов: высоты засыпки исходного материала (мергеля) с одинаковыми физико-механическими свойствами – Hсл, диаметре выпускных отверстий в барабане dвып, режим вращения ротора обеспечивался из расчёта, что разность между частотой вращения между частотой вращения ротора и барабана, которая устанавливалась на мельнице системы «МКАД» была равна частоте вращения ротора в мельнице системы «МАЯ» (табл. 2).

Такое соотношение частот вращения роторов позволяют обеспечить одинаковую физическую картину процесса измельчения в мельницах обеих типов и получить сопоставимые результаты энергозатрат измельчения исследуемого материала.

 

Таблица 2

Соотношение частот вращения роторов в мельнице системы «МКАД» и физической модели мельницы системы «МАЯ»

опытов

Параметры  процесса

Мельница системы «МКАД»

Физическая модель

мельницы системы «МАЯ»

Кинематическое

несоответствие iкн  

Высота засыпки

материала Hсл, мм

Диаметр выпускных

отверстий в барабане,

dвып, мм

Частота вращения

барабана nбар (МКАД ), об/мин

Частота вращения

ротора nрот(МКАД ), об/мин

Разность  

частот вращения

ротора  и барабана, ∆n

 

Частота вращения барабана nбар(МАЯ ), об/мин

Частота вращения ротора nрот (МАЯ ), об/мин

Разность 

частот вращения

ротора  и барабана ∆n, об/мин

 

1

0,42

500

9,0

292,4

614,4

322

0

329

329

2

0,42

500

5,0

292,4

614,4

322

0

329

329

3

0,42

260

9,0

292,4

614,4

322

0

380,4

329

4

0,42

260

5,0

292,4

614,4

322

0

380,4

329

5

0,32

500

9,0

196,4

614,4

418

0

431,2

431,2

6

0,32

500

5,0

196,4

614,4

418

0

431,2

431,2

7

0,32

260

9,0

196,4

614,4

418

0

431,2

431,2

8

0,32

260

5,0

196,4

614,4

418

0

431,2

431,2

9

0,22

380

7,0

172

768

596

0

582,8

582,8

10

0,38

380

3,4

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

11

0,38

178

7,0

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

12

0,48

380

7,0

292,4

614,4

322

0

329,7

329,7

13

0,38

380

10,4

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

14

0,38

581,2

7,0

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

15

0,38

380

7,0

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

16

0,38

380

9,0

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

17

0,38

500

7,0

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

18

0,42

500

7,0

292,4

614,4

322

0

380,4

380,4

19

0,42

380

9,0

292,4

614,4

322

0

380,4

380,4

20

0,38

260

7,0

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

21

0,38

380

5,0

292,4

768

475,6

0

481,9

481,9

22

0,32

380

5,0

196,4

614,4

418

0

431,2

431,2

23

0,32

260

7,0

196,4

614,4

418

0

431,2

431,2

 

 

Сравнение частот вращения роторов в мельницах системы «МАЯ» и «МКАД» показывает, что минимальная разность частот вращения составляет 1,3%, а максимальная 3,1%, что не может существенно повлиять на протекание режима измельчения и показатели по производительности и энергопотреблению

В результате проведения эксперимента 2-го этапа были определены минутная производительность мельницы системы «МАЯ» (Gвыхi) и   удельные энергозатраты за период измельчения – eудi  (кВт·ч/т), (табл. 2).

Энергопотребление за период измельчения  определялось, как 

                   (1)

где Ni – мощность, потребляемая из сети  в i-й момент времени, кВт; ti –  продолжительность измельчения материала, ч. 

Так как в мельнице системы «МАЯ» потребляемая мощность будет равна мощности, потребляемой из сети при заторможенном барабане, то справедливым будет записать 

  ,            (2)

где Nзатi – мощность, потребляемая из сети при заторможенном барабане, кВт.

На рис. 2 приставлен график зависимости изменения мощности, потребляемой из сети, полученный в одном из опытов на мельнице системы «МАЯ», а на рис. 3 – график изменения мощности в замкнутом контуре и мощности потреблённой из сети в мельнице системы «МКАД».

 При этом мощность при заторможенном барабане в мельнице системы «МАЯ» будет равна мощности, потребляемой из сети для мельницы этой системы. 

Удельные энергозатраты для мельницы системы «МКАД» определиться из выражения

 кВт·ч/кГ             (3)

 

Рис. 2. Изменение мощности на роторе Nзат и в замкнутом контуре Nзк из опыта № 8  в мельницах системы «МАЯ» и «МКАД» при параметрах:

 а) высота засыпки материала в барабане Hсл =260 мм; б) диаметр выпускных отверстий в барабане dвып=5,0 мм

 

Рис. 3. Изменение мощности на роторе Nзат и в замкнутом контуре Nзк из опыта № 23  в мельницах системы «МАЯ» и «МКАД» при параметрах:

а) высота засыпки материала в барабане Hсл =260 мм; б) диаметр выпускных отверстий в барабане dвып=7,0 мм

 

 

Вычисление энергозатрат для опыта №8 для мельницы системы «МАЯ» на основе полученных графических зависимостей (см. рис. 2) по формуле (1) за период измельчения t, равный 3 мин (0,05 ч) даёт следующий результат

 

= 0,093 кВт·ч

Так как в мельнице системы «МКАД» мощность в замкнутом контуре превышает мощность, потребляемую из сети за счёт возникновения «циркулирующей» энергии, то для мельницы этой системы   в 8-м опыте определятся из выражения               

0,074 кВт·ч

 

Аналогично произведено вычисление энергзатрат для опыта №23 (см. рис. 3)

= 0,145 кВт·ч

= 0,11 кВт·ч

 

Аналогично проведены и остальные вычисления для опытов №1-8, и №23.

Удельные энергозатраты определялись по формуле

   кВт·ч/кГ                     (3)

где Gвыхi – вес материала, вышедшего из мельницы за период измельчения ti.

Полученные результаты удельных энергозатрат для физической модели мельницы системы «МАЯ» сведены в табл. 3.

 

Таблица 3

Результаты вычисления энергозатрат физической модели мельницы 

системы «МАЯ» для опытов 1-23

№п/п

Частота

вращения ротора nрот, об/мин

Энергозатраты за период измельчения Еi,  кВт·с /(кВт·ч)

Производительность мельницы за период измельчения Gвыхi, кГ/3 мин

Период

измельчения ti, мин /ч

 

Удельные энергозатраты eудi, кВт·ч/кГ (кВт·ч/т)

1

380,4

0,112

6,49

3,0/0,05

5,75

2

380,4

0,181

4,97

3,0/0,05

12,14

3

380,4

0,12

6,42

3,0/0,05

6,23

4

380,4

0,12

4,14

3,0/0,05

9,62

5

431,2

0,181

7,65

3,0/0,05

7,89

6

431,2

0,144

3,71

03,0/0,05

12,94

7

431,2

0,112

6,33

3,0/0,05

5,99

8

431,2

0,093

3,78

3,0/0,05

8,21

9

582,8

0,247

10,06

3,0/0,05

8,18

10

481,9

0,186

2,98

3,0/0,05

20,81

11

481,9

0,099

3,90

3,0/0,05

8,46

12

329,7

0,213

5,91

3,0/0,05

12,01

13

481,9

0,21

11,1

3,0/0,05

6,31

14

481,9

0,258

6,22

3,0/0,05

13,26

15

481,9

0,225

6,69

3,0/0,05

10,87

16

481,9

0,211

9,95

3,0/0,05

7,07

17

481,9

0,25

6,42

3,0/0,05

12,98

18

380,4

0,23

6,13

3,0/0,05

12,51

19

380,4

0,17

7,27

3,0/0,05

7,79

20

481,9

0,187

3,88

3,0/0,05

16,65

21

481,9

0,175

4,41

3,0/0,05

13,23

22

431,2

0,108

3,76

3,0/0,05

9,57

23

431,2

0,145

6,06

3,0/0,05

7,98

 

 

В табл. 4 представлены обобщённые результаты экспериментальных исследований энергоэффективности мельниц систем «МАЯ» и «МКАД» при измельчении мергеля с исходной крупностью исходных кусков dср=30 мм. 

 

Таблица 4

Обобщённые результаты удельных энергозатрат вертикальных мельниц динамического

самоизмельчения системы «МКАД» и «МАЯ»

опытов

Частоты вращения роторов, об/мин

Разность

частот

вращения между ротором и барабаном, об/мин

Относительное отклонение частоты вращения роторов, %

Период измельчения t, ч

Производительность за период измельчения, кГ

Gвых(МКАД)

Gвых(МАЯ)

Удельные энергозатраты Eуд,   кВт·ч/т

eуд(МКАД)

eуд(МАЯ)

1

2,1

0,05

2

2,1

0,05

3

2,1

0,05

4

2,1

0,05

5

3,1

0,05

 

 

 

Продолжение таблицы 4

6

3,1

0,05

7

3,1

0,05

8

3,1

0,05

9

2,2

0,05

10

1,3

0,05

11

1,3

0,05

12

2,1

0,05

13

1,3

0,05

14

1,3

0,05

15

1,3

0,05

16

1,3

0,05

17

1,3

0,05

18

2,1

0,05

19

2,1

0,05

20

1,3

0,05

21

1,3

0,05

22

3,1

0,05

23

3,1

0,05

 

 

Анализ результатов частот оборотов роторов мельниц системы «МАЯ» и «МКАД» показывает, что относительная их разность не превышает 3,1 %. Поэтому можно c высокой долей уверенности утверждать, что при таких режимах вращения роторов мельниц обеих систем это не может существенно повлиять на протекание режима самоизмельчения, который протекает в мельнице системы «МАЯ», основные закономерности этого процесса установлены в исследованиях А.В. Ягупова, М.В. Гегелашвили и А.В. Выскребенца [18–21].

Проведённая серия экспериментов и анализ полученных результатов позволяют сделать следующие выводы.

1. Возникновение явления «циркуляции» энергии в вертикальной мельнице динамического самоизмельчения связано с выполнением верхней и нижней ветви замкнутого контура с кинематическим несоответствием относительного друг друга. Такой способ передачи потока мощности от приводного двигателя к верхней и нижней части столба измельчаемого материала приводит к скручиванию вала двигателя и накоплению в нём потенциальной энергии, которая является источником дополнительного силового воздействия на разрушаемые в процессе движения частицы измельчаемого материала.   

2. Производительность физической модели мельницы системы «МАЯ» в среднем превышает производительность мельницы системы «МКАД» на 4,1 %, что существенно не влияет на способ эвакуации измельчённого продукта из мельниц двух систем и влиять на результаты удельных энергозатрат измельчения.

3. Процесс эвакуации измельчённого до определённого размера частиц материала в пределах установленных диаметров выпускных отверстий, выполненных в боковых стенках вращающегося барабана, существенно не влияет на энергозатраты.

4. Среднее значение снижение удельных энергозатрат в мельнице системы «МКАД» по результатам 23-х опытов полнофакторного эксперимента составило 14,3 %.

5. Во всех 23-х опытах практическим путём доказана возможность полезного использования так называемой «циркулирующей, а фактически даровой) энергии, которая позволяет при неизменной производительности   обеспечить дополнительное силовое воздействие на частицы измельчаемого материала, что позволит снизить энергозатраты в мельницах, имеющих индифферентную структурную группу.

Список литературы

1. Дровников А.Н., Остановский А.А., Маслов Е.В. Классификация вертикальных мельниц динамического самоизмельчения как основа создания измельчительного оборудования нового поколения // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. 2014. № 6. С. 12-17.

2. Дровников А.Н., Остановский А.А. Создание измельчителя динамического самоизмельчения // Инженерный вестник Дона. 2012. № 3. С. 5-6.

3. Дровников А.Н., Остановский А.А. Си-стемы мельниц динамического самоизмельчения контурного типа. Южно-российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ(НПИ), 2017. 183 с.

4. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 560 с.

5. А.А. Остановский. Анализ и выбор рациональной структурной схемы вертикальной мельницы динамического самоизмельчения // Известия Высших учебных заведений. Севе-ро-Кавказский регион. Технические науки. С. 66-73.

6. Пат. на изобретение №2465960 Российская Федерация. МПК В02С13/14. Измельчитель динамического самоизмельчения/ Дровников А. Н., Остановский А.А., Никитин Е.В., Павлов И.А, Осипенко Л.А., Агафонов Н.А.; Заявка: 2011106231/13, за-явл.17.02.2011; Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)", опубл. 10.11 2012 г. Бюл. №31. 5 с.

7. Пат. на изобретение № 2496581 Российская Федерация. МПК В02С13/14. Мельница/ Дровников А.Н., Остановский А.А., Маслов Е.В., Бурков Н.В., Романенко Г.Н.; Заявка: 2012124864/13, заявл. 14.06.2012; Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" (RU), Опубл. 10.11 2012 г. Бюл. №31. 5 с.

8. Пат. на изобретение №2520008 Российская Федерация. МПК В02С13/14. Измельчитель динамического самоизмельчения материала/ Дровников А.Н., Остановский А.А., Маслов Е.В., Рыбальченко А.Н.; 2013105689/13; заявл. 11.02. 2013; Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС"), опубл. 20.06 2014 г., Бюл. №17. 4 с.

9. Пат. на изобретение №2526668 Российская Федерация МПК В02С13/14. Устройство для измельчения материала / Дровников А.Н., Остановский А.А. Заявка: 2012149328/13, заявл. 19.11.2012; Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU) Опубликовано: 27.08.2014. Бюл. №19. 5 с.

10. Пат. на изобретение №2558205 Российская Федерация МПК В02С13/14. Мельница. Дровников А.Н., Остановский А.А., Никитин Е.В., Маслов Е.В., Городнянский В.М., Черкесов В.Ю.; заявка: 2014110456/13, заявл. 18.03.2014; Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ), опубл. 27.07.2015, Бюл. №21. 6 с.

11. А. c. № 651845 (СССР), МПК4 В 02 С13/14. Способ измельчения материала / Ягу-пов А.В.; заявитель Северо-Кавказский горно - металлургический институт. - № 2331562; заявл. 09.06 1976, опубл. 15.03. 1979, Бюл. №11. 3 c.

12. Ягупов А.В. Новый способ измельчения руд // Горный журнал. 1976. №11. С.71-73.

13. А.c. № 710632 (СССР), МКИ В 02 С 13/00. Мельница динамического самоизмельчения «МАЯ»/ Ягупов А.В.; заявитель Северо-Кавказский горно-металлургический институт, заявка № 2325134; заявл. 17.02. 1976, опубл. 25.01.1980, Бюл. №3. 4 с.

14. Гегелашвили М.В. Теоретические ос-новы расчёта и конструирования мельниц динамического самоизмельчения. Дисс ... докт. техн. наук, Владикавказ: 2001. 331 С.

15. Кирпичев М. В. Теория размерности и теории подобия. Сборник «Теория подобия и моделирование», изд. АН СССР, 1951 г.

16. Остановский А.А., Маслов Е.В. К определению производительности и удельных энергозатрат в вертикальной мельнице динамического самоизмельчения с силовым за-мкнутым контуром // Известия высших учеб-ных заведений. Северо-Кавказский регион. 2015. № 3. С. 59-67.

17. Ягупов А.В., Гегелашвили М.В. Некоторые закономерности движения материала в мельнице МАЯ / Сев.- Осет. гос. ун-т Сев-Кавк. горно-металлург. ин-т. Орджоникидзе. 1984. 16 с Деп. в ЦНИИЭИцветмет. 3.05, 84. №1151-84 Деп.

18. Ягупов А.В., Хетагуров В.Н. Вертикальные мельницы динамического самоизмельчения и результаты их практического применения / Дробильно-размольное обору-дование и технология дезинтеграции: Меж-дувед. сб. науч. тр.// «Механобр». Л., 1991.

19. Хетагуров В.Н. Некоторые аспекты механизма разрушения материалов в центробежной мельнице вертикального типа // В юбилейном сборнике трудов, посвященных 50-летию электромеханического факультета и 50-летию научно-педагогической деятельности д.т.н., проф. Колева К.С. Владикавказ, 1995.

20. Гегелашвилн М.В., Хетагуров В.Н. К вопросу определения метода разрушения ма-териалов в вертикальной мельнице самоизмельчения // Сб. науч. тр. СКГТУ №7. Владикавказ, 2000. С. 253-256.

21. Выскребенец А.С. Исследование процесса динамического самоизмельчения углеродистых материалов и его промышленное освоение: Дисс… канд. техн. наук, Владикавказ, СКПМИ. 1983. 168 с.


Войти или Создать
* Забыли пароль?