Investigation of compacting process on open passage presses

Abstract

Results of investigation of biomass compacting process in an open pressing passage are given. The method of passage length determination is given.

Full Text

УДК 631.364 ТСМ № 10-2014 Исследование процесса компактирования на прессах с открытым каналом Канд. техн. наук Ю.В. Подкользин (Институт энергетики и машиностроения Донского ГТУ, podkol45@yandex.ru) Аннотация. Изложены результаты исследований процесса компактирования биомассы в открытом канале прессования. Приведен метод определения длины канала. Ключевые слова: компактирование, гранулы, брикеты, биомасса, пресс, канал прессования, время выдержки, свойства материала. Биомасса - это все возобновляемые за короткое время органические материалы, используемые для приготовления кормов и получения энергии. Биомасса характеризуется высокой пористостью, т.е. низкой плотностью, чем обусловлены неудобства ее использования. Для улучшения технологических свойств ее подвергают уплотнению с приданием определенной формы получаемым компактам - брикетам, гранулам и др. С этой целью в основном применяются прессы с открытым каналом прессования (поршневые, матричные, шнековые), которые обеспечивают непрерывность процесса формирования компактов. В процессе уплотнения происходит изменение состояния материала - из рассыпного он превращается в монолитное тело, обладающее новыми характеристиками. Поиск наиболее благоприятных условий уплотнения материала требует знания характера изменения его свойств в процессе уплотнения. Сопротивление уплотнению определяется как прочностью частиц материала, так и прочностью связей между ними. Выделим в объеме уплотняемого материала призму, находящуюся на наклонной плоскости, и рассмотрим действующие на нее усилия (рис. 1). Под воздействием внешнего давления р на призму действует реакция ограничивающей стенки: боковое давление q, напряжение s, нормальное к площадке сдвига, и касательное напряжение t. Уравнения равновесия призмы имеют вид: } (1) где s - площадь поверхности сдвига; α = ± (p / 4 + j / 2) - угол наклона поверхности сдвига; j - угол внутреннего трения материала. Условие предельного равновесия на наклонной плоскости [1]: , (2) где τ0 - сцепление; tgj - коэффициент внутреннего трения. Из совместного решения уравнений (1) и (2) определим зависимость бокового давления q от внешнего давления p при нагружении материала: q = x (p - pстр), (3) где x = dq / dp = (1 - sinj) / (1 + sinj) - коэффициент бокового давления; pстр = 2 τ0 cosj / (1 - sinj) - структурная прочность. Процесс уплотнения вызывает структурные изменения в материале, изменяет его свойства, такие как внутреннее трение и сцепление, что сказывается на структурной прочности материала. При последующей разгрузке приобретенные новые свойства уплотненного материала сохраняются. В процессе разгрузки возникают явления гистерезиса. Это выражается в задержке уменьшения бокового давления после снижения уровня внешнего давления. На первом этапе разгрузки боковое давление при уменьшении осевого давления практически не меняется, и лишь на втором этапе начинает уменьшаться. После полного снятия внешнего давления р на стенки камеры уплотнения продолжает действовать остаточное боковое давление q0. Если при нагружении внутреннее трение и сцепление препятствуют деформации, и следовательно уменьшают давление, передаваемое на стенки камеры уплотнения, то при разгрузке они препятствуют расширению материала, удерживают слои на поверхностях трения и сохраняют боковое давление, действующее на стенки камеры. Схематический график изменения внешнего и бокового давлений представлен на рис. 2. Зависимость касательных напряжений t, действующих на площадке сдвига, от нормальных s изучалась с помощью диаграммы Мора (рис. 3). При построении диаграммы на оси абсцисс откладываются пары значений р и q, на разности между которыми, как на диаметре, строится круг напряжений. Огибающая к ряду последовательно построенных кругов напряжений представляет собой зависимость предельных касательных напряжений t от напряжений s, нормальных к площадкам сдвига. Касательная, проведенная к огибающей в точке В, находящейся на круге, который построен при максимальных значениях внешнего pmах и бокового qmах давлений, наклонена к оси абсцисс под углом, равным углу внутреннего трения материала φ, и отсекает на оси ординат отрезок, численно равный сцеплению τ0. По значениям τ0 и φ определяется давление связности ре = τ0 ctgφ, эквивалентное действию всех сил связности [1]. При нагружении по мере роста нормальных напряжений растут и касательные. Пока внешнее давление р не превысит структурную прочность рстр , боковое давление q не возникает. Боковое давление qmах в начале разгрузки не снижается, а внешнее уменьшается до величины, равной . Далее касательные напряжения меняют направление на противоположное и возрастают. Причиной служит превышение боковым давлением внешнего. Продолжение прямой, соответствующей второму этапу разгрузки, отсекает на оси ординат отрезок, равный t0. С учетом изменения знака касательных напряжений из уравнения (3) получим зависимость бокового давления от внешнего для второго этапа разгрузки: (4) При полном снятии внешнего давления на стенки камеры уплотнения продолжает действовать остаточное боковое давление q0: . При повторном нагружении боковое давление практически не увеличивается до тех пор, пока внешнее не достигнет значения . Далее зависимость между внешним и боковым давлениями имеет такой же вид, как и при нагружении на первом этапе, благодаря постоянному характеру поверхности сдвига слоев материала в повторных нагружениях. Однако полученные зависимости остаются в силе лишь до тех пор, пока интенсивность напряжений, равная , не превзойдет своего значения в первом цикле уплотнения. Если интенсивность напряжений в последующих циклах возрастает, что может быть только в случае увеличения внешнего давления рmах , то значения t0 и φ необходимо принимать в соответствии с новым максимальным значением р. При уплотнении дисперсного материала приращение внешнего давления пропорционально прочности σs и изменению пористости dП: (5) где а0 - коэффициент пропорциональности. Поскольку предел текучести σs согласно условию М. Губера - Р. Мизеса [2] равен интенсивности напряжений , а dП = - dρ / ρт (здесь dρ - приращение плотности материала; ρт - плотность частиц материала), после подстановки в формулу (5) получим значение давления, необходимое для уплотнения компакта до плотности ρ: где ρ0 - начальная плотность уплотняемого материала; а - коэффициент. Формирование компакта осуществляется в канале прессования. Уравнение равновесия элементарного слоя материала толщиной dx, находящегося в канале, имеет вид: , где f - коэффициент внешнего трения; u, s - периметр и площадь поперечного сечения канала. Учитывая, что в канале прессования происходит снижение нагрузки согласно зависимости (4), определим длину L канала: Для получения компактов необходимой плотности и прочности следует не только подвергнуть их давлению, но и обеспечить выдержку под давлением в течение определенного времени. Это обусловлено тем, что при формировании компакта в канале одновременно протекают два процесса - упрочнение связей в местах контакта частиц материала и нарушение контактов, вызываемое упругим расширением компактов после снятия нагрузки. При уплотнении биомассы связь частиц обеспечивается в основном за счет механической связи и наличия адгезива, который склеивает частицы между собой [3]. Минимальное время выдержки, позволяющее получить компакты, определим по формуле: t ≥ 1 / (1 / Tр + δ σ∞ / рmах), где Tр - период релаксации напряжений; δ - эмпирический коэффициент; σ∞ - прочность соединения при длительной выдержке (t →∞). Из этой формулы следует, что увеличение сил связи способствует уменьшению времени выдержки. Таким образом, введение в состав уплотняемого материала связующих веществ позволяет сократить время выдержки компакта и обеспечить тем самым увеличение производительности Q канала прессования: Q = ρср s L / t, где ρср - средняя плотность компакта, находящегося в канале. В процессе уплотнения компакт нагревается. Во время последующего охлаждения упрочняются связи между частицами уплотняемого материала, часть влаги удаляется с поверхности компакта. В результате возникшего градиента концентрации влаги происходит ее перемещение из внутренних областей компакта к внешним. Вместе с влагой происходит миграция находящихся в ней частиц дисперсной фазы [3]. При высыхании в наружном слое компакта оказывается повышенная концентрация дисперсной среды, скрепляющей частицы, что обеспечивает повышение его прочности. Выводы В результате проведенных исследований процесса уплотнения биомассы в компакты на прессах с открытым каналом определены зависимости структурно-механических свойств биомассы (коэффициента бокового давления, структурной прочности) от основных показателей - коэффициента внутреннего трения материала и сцепления. Определены зависимости между внешним и боковым давлениями при нагружении и разгрузке. Получены формулы для определения внешнего давления, обеспечивающего необходимую плотность компакта, а также длины канала прессования и минимального времени выдержки в канале. Результаты исследований могут быть использованы при разработке новых прессов с открытым каналом.