Изучение движения частиц хлопка и тяжёлых примесей в рабочей камере пневматического очистителя

DOI: 10.32743/UniTech.2021.83.2-2.51-56

АННОТАЦИЯ

Для отделения тяжелых примесей из состава хлопка на хлопкоочистительных предприятиях используются устройства камнеуловители предназначенные для улавливания тяжелых примесей расположенные в трубопроводе пневмотранспорта. В данной статье описано движение летучки хлопка и закономерности скорости воздушного потока в рабочей камере камнеуловителя нового типа на основе теоретических решений.

ABSTRACT

To separate heavy impurities from the composition of cotton, cotton gin plants use stone catchers designed to capture heavy impurities located in the pneumatic transport pipeline. This article describes the movement of the cotton fly and the regularities of the air flow velocity in the working chamber of a new type of stone catcher based on theoretical solutions.

Ключевые слова: рабочая камера, летучка хлопка-сырца, масса, тяжелых примесей, скорость, трубопровод.

Keywords: the working camera, raw cotton, weight, heavy impurities, speed, pipeline.

При сборке, заготовке, хранении и подаче хлопка в производство в его массу попадают различные инородные примеси, в том числе минеральные – пыль, песок, куски земли, асфальта, кирпича, камни различных размеров,  металлические – болты, гайки, шайбы, шурупы, гвозди, куски металлических частей машин и механизмов, органические – сухие и свежие листья, коробочки, ветки, створки  и отломленные части  хлопчатника и других растений , лоскут, тряпки и другие предметы оказавшихся на территории хлопкового поля, хирманов (площадок для хранения и сушки хлопка) полевых стан, заготовительного пункта хлопкозаводов.  Их процентное соотношение в массе хлопка называют засорённостью хлопка. Однако, на практике при определении засорённости хлопка как случайное явление не учитывается наличие в хлопке крупных, в т.ч. тяжелых примесей -  камней, металлических предметов, хотя их содержание, особенно в хлопке низких сортов доходит до 3 %

Технология первичной обработки хлопка предусматривает очистку хлопка от сорных примесей двух видов – от мелких (размером более 10 мм) и крупных (размером более 10 мм) сорных примесей. Однако, очистка хлопка от тяжелых, особенно твердых примесей, не зависимо от их размера в этих очистителях невозможно из-за того, что процессы очистки протекают в ударном режиме а такие примеси при ударах вызывают взлом и деформацию рабочих органов машин, а также возрождению искр, вызывающих пожарные явления. По этому, не допускается попадание твердых примесей в камеры очистителей и последующих технологических машин, что обеспечивается применением линейных очистителей – уловителей тяжелых примесей в составе пневмотранспортных установок [1].

Проведенные аналитические исследования показывают, что существующие устройства по очистке хлопка от тяжелых примесей не вполне отвечают требованиям  промышленности из-за низкого  показателя очистки, что приводит к прохождению твердых масс технологическим машинам и к нежелательным последствиям. По этому, учеными и специалистами в области хлопкоочистки и нами в том числе, ведутся обширные исследования по разработке уникальных очистителей хлопка от тяжелых, твердых примесей, имеющих  высокий очистительный эффект [2].

Мы разработали универсальный пневматический очиститель хлопка, который очищает хлопок как от тяжелых, так и от мелких и крупных сорных примесей. На рис.1 представлена схема нового пневмоочистителя, где 1 –входной, 6 – выходной патрубки, 2 – рабочая камера очистителя, 3 и 4 – отражательные стенки из перфорированного материала, 5 – соросборник. При работе очистителя хлопок сырец  в составе воздушного потока через входной патрубок 1 поступает в камеру 2 очистителя и ударяется об отражательную стенку 3, встряхивается и проскальзывая по поверхности отражателя 3 через просвет между отражателями 3 и 4 выходит из камеры и через выходной патрубок 6 проходит в материалопровод пневмотранспорта. Тяжелые и крупные сорные примеси отделяясь от хлопка под  действием силы тяжести падают вниз в соросборник 5. Мелкий сор при ударе хлопка об стенку 3 проходит  через перфорацию  и в составе воздуха выходит из камеры 2 занимая верхний слой потока. Очиститель устанавливают перед сепаратором пневмотранспорта. По этому, мелкий сор далее не успевает смещиваться с хлопком и в составе воздуха выходит из сепаратора [3,4].

Некоторые частицы хлопка при ударе об стенку 3 могут отделяться от общего потока и падать вниз в сторону соросборника. Такие частицы по инерции попадают на поверхность отражателя 4, который установлен под углом, меньшим относительно угла естественного откоса хлопка не позволяющим проскальзывания хлопка по поверхности отражателя 4 вниз и уносится потоком воздуха в верх и поступает в основной состав аэросмеси.

Рисунок 1. Схема пневмоочистителя

Настоящие исследования посвящаются изучению движения аэросмеси и его отдельных частей в камере нового очистителя в целях установления закономерностей их движения и определения рациональных параметров пневмоочистителя.

Теоретические исследования движения механической системы, состоящей из хлопка и сорных примесей в камере пневмоочистителя.

По мере поступления в камеру пневмоочистителя частиц хлопка, имеющей сорные примеси их скорость снижается [5]. Начинается отделение аэросмеси по фракциям. Однако полного отделения не происходит. Далее частицы ударяются об отражательную стенку.

1. Основные физические и механические параметры.

Обозначим совместную массу хлопка и сорных примесей:

                                                          (1)

Где:  –(0.01kg) масса летучки хлопка;  - масса сорных примесей. Пусть, между ними имеется зависимость:

         (n=3-5)

(t) – закон горизонтального движения летучки хлопка в камере пневмоочистителя.

(t) – закон горизонтального движения cора в камере пневмоочистителя.

 - (0.05m) - длина расширения летучки хлопка при максимальном пропуске воздуха.

Под действием аэродинамической силы происходит расширение объема хлопковых частиц, в связи с чем хлопок после пневмотранспортировки станет более распущенным (рис.2).

Если, летучка под действием воздушного потока достигнет максимального удлинения, то силы крепления инородных частиц к хлопку ослабляются, в связи с чем, тяжелая масса отделяется от неё и она начинает двигаться самостоятельно.

Рисунок 2. Схема расширения объема частиц хлопка

При математическом моделировании этого процесса воспользуемся функцией Хевисайда:

                                                          (2)

Скорость воздуха при поступлении в рабочую камеру очистителя примем равным . В рабочей камере его скорость будет равным:

 ,                                                                     (3)

Здесь :

 ,                                                                 (4)

площадь поперечного сечения входного патрубка, . их единицы измерения таковы:

          (  25-30m/cek,0.1m²,   )       

Где:  - площадь поперечного сечения площадь поперечного сечения камеры.

2. Математическая  модел процесса

Пусть, летучка хлопка сырца с тяжелым сором составит двухкомпонентную систему. Тогда движение этой системы до отражательной стенки можно описать следующей математической моделью [6]:

а) Обобщенная  масса :

                       (5)

Здесь:

=1-η();                              (6)

b)   Масса тяжелой фракции:

* η()=                                     (7)

с) Активные силы, действующие на летучку;

Аэродинамическая движущая сила:

                   (8)

Сила тяжести:

                                                              (9)

Здесь:- (0.3-0.5) коэффициенты аэродинамического сопротивления летучки, которые определяются экспериментально.

 - площадь поперечного сечения камеры в вертикальном направлении:   

  - площадь поперечного сечения камеры в горизонтальном направлении: 

    -(t) – закон горизонтального движения летучки хлопка по оси ох.

    - закон вертикального движения летучки хлопка по оси оу;

   Скорость воздуха в камере:

                                                                       (10)

d)    Пассивные силы, действующие на летучку:

Сила эластичности хлопка, сопротивляющая движению воздушного потока:

                                                  (11)

Здесь:  - коэффициент эластичности хлопка,   -  аргумент функции  Хевисайда.

е) Активные и пассивные силы, действующие на тяжелые примеси:

Аэродинамическая движущая сила:

Сила тяжести:

;                                              (12)

Здесь:     -  (0.5-0.7)  коэффициенты аэродинамического сопротивления тяжелых примесей, которые также определяются экспериментально.

Площадь поперечного сечения тяжелых примесей:  ,  - (0.003-0.007м) - радиус поперечного сечения тяжелых примесей.  - плотность воздуха (1.2кг/м³).

Дифференциальные уравнения механической системы “хлопок тяжелые примеси”

Дифференциальные уравнения механической системы “хлопок тяжелые примеси” составим по принципу Даламбера:

                                                  (13)

                                         (14)

или

               (15)

                 (16)

Отсюда видно, что математическая модель механической системы “хлопок тяжелые примеси”, отображается системой нелинейных дифференциальных уравнений 2 – го порядка. Эти уравнения в связи с их нелинейностью решается численно программой MAPLE-9.5 [7].

С помощью этой программы получены соответствующие графики движения механической системы “хлопок тяжелые примеси”, которые представлены ниже.

Рисунок 3. Закон вертикального движения хлопка и тяжелых примесей. - масса летучки хлопка,  -  масса тяжелых примесей, 1-n=0.25; 2-n=0.5; 3-n=0.75; 4-n=1;     у1(м) ,х1(м) .

Рисунок 4. Закон изменения скорости летучек хлопка вместе с тяжелыми примесьями по горизонтальной оси.    масса летучек хлопка вместе с тяжелыми примесьями. 1-n=0.25;2-n=0.5; 3-n=0.75;4-n=1;v1(м/с), х1(м) .

Рисунок 5. Закон изменения скорости летучек хлопка вместе с тяжелыми примесьями по вертикальной оси.    масса летучек хлопка вместе с тяжелыми примесьями. 1-n=0.25;2-n=0.5; 3-n=0.75;4-n=1;v1(м/с), х1(м) 

Рисунок 6. Закон изменения скорости тяжелых примесей по вертикальной оси.  . - масса дополнительных тяжелых примесей. 1-n=0.25; 2-n=0.5; 3-n=0.75; 4-n=1;u1(м/с), х1(м) 

Выводы

Графики показывают, что частицы хлопка и тяжелых примесей в камере очистителя в течении 0.005 сек проходят по горизонтальной плоскости расстояние 10-15 см как одна система (см. Рис.3-4). Потом, расширение камеры вызывает обьемного расширения системы “хлопок тяжелые примеси”. В результате тяжелые примеси системы отделяются от нее, что видно из рис. 3, где траектория летучек хлопка имеет восходящий характер. Из рис. 4 также можно наблюдать, что горизонтальная составляющая скорости летучек хлопка при поступлении в камеру очистителя падает. Полученные графики показывают, также, что снижение скорости не превыщает 10-13 %. Снижение скорости летучек по мере увеличения их массы показывает адекватность математических моделей. Частично отделенные от летучек хлопка тяжелые примеси продолжают двигаться дальше по рабочей камере очистителя. На рис. 5 и 6 представлены гафики перемещения и скорости тяжелых примесей по вертикали, из которых видно что,  более тяжелые частицы начинают оседать в соросборник а легкие частицы продолжают двигаться дальше.

Список литературы:

1. Akramjanov D., Boltabayev B., Khusanov S., Muradov R. On Determining The Conditions For Effective Operation Of The Vacuum Valve Of Cotton Separators// The American Journal of Engineering and Technology. Vol. —II, Issue —VII, July—2020. 2689—0984рр.
2. Khusanov S., Makhkamov A., Muradov R., Karimov A. Theoretic observation of the cotton movement in the operating camera of the new separator// International Journal of Psychosocial Rehabilitation. ISSN: 1475—7192. Vol. —24, Issue —5, —2020. 6356—6364pp.https://www.psychosocial.com/article/PR2020619/27391/
3. Khusanov S., Makhkamov A., Muradov R.,Imomaliyeva Sh. Study of the Effect of the Mobile floor of the Separator Device on the Cotton Section// International Journal of Psychosocial Rehabilitation. ISSN: 1475—7192. Vol. —24, Issue —5, —2020. 6473—6481 pp. https://www.psychosocial.com/article/PR2020633/27917/
4. Sarimsakov O., Muradov R., Khusanov S. The ways to improve the air transportation of raw cotton.// The American Journal
   of Engineering and Technology. Vol. —II, Issue —VII, July —2020. 2689—0984рр.
5. X.Ахмедходжаев, А.Каримов, А.Турсунов. Пахта чигитининг горизонтал хаво окими таъсиридаги харакатини назарий тадкикоти. Тукимачилик муаммолари.2013.3.69-73
6. А.Каrimov, Sh.Аzizov, М.Ismanov. Mathematical Modeling Of the Technological Processes Original Processing Of Cotton. International Journal of Innovation and Applied Studies .ISSN 2028-9324 Vol. 6 No. 1 May 2014, pp. 28-39  © 2014 Innovative Space of Scientific Research Journals .http://www.ijias.issr-journals.org/
7. Sidikov A., Karimov N., Abdusattarov B., Sarimsakov O. The Study of Law of Distribution by Pipe Length and Transparency on Transportation of Cotton with Pneumatic Transport.// Psychology and education,  ISSN: 0033 —3077. —2021  —58(2): 291-295pp. http://psychologyandeducation.net/pae/index.php/pae