1. Наука
  2. Публикации и обсуждения
  3. Инновационные процессы в пищевых технологиях: наука и практика - 2019
  4. Пути оптимизации для снижения энергозатрат при пневмотранспортировании сыпучих материалов

Пути оптимизации для снижения энергозатрат при пневмотранспортировании сыпучих материалов

Аннотация. В статье приводятся сведения о разработанном  ФГАНУ НИИХП и внедренном на хлебопекарных предприятиях России инновационном способе пневмотранспорта сыпучих материалов с использованием высоконадежных,малогабаритных и экономичных безмаслянных  турбокомпрессорных  агрегатов модельного ряда  Ш2-МБКА  с гибкой, саморегулируемой системой управления процессом
Abstract. There is information about innovative method of pneumatic pipeline of bulk material developed by State Scientific Institution Research Institute of the Baking Industry and introduced in Russian baking enterprises in this article. This method is applied with use of small-size, economic oil-free turbocompressor aggregate Ш2-МБКА model range with flexible self-regulating guidance system.


В различных отраслях промышленности широкое применение получили пневмотранспортные системы благодаря ряду преимуществ перед другими видами транспортного оборудования, используемого для перемещения сыпучих материалов. Такие системы требуют относительно малых площадей для оборудования, обеспечивают возможность перемещения сыпучих материалов по сниженной траектории, забор материала из труднодоступных мест, выдачу его в различных точках. И, хотя в сравнении с механическим транспортом, пневмотранспортные установки имеют повышенный расход энергии, этот недостаток стараются уменьшить  выбором более совершенного оборудования, повышением его эксплуатационной надежности и  точности расчетов.

Весьма актуальной проблемой в пищевой промышленности  является  повышенная энергоемкость  систем пневмотранспорта муки в складах бестарного хранения (БХМ), которую  снижают за счет реконструкции существующих пневмотранспортных установок и применения современной техники /3,4,5, 6,7,17/ с системам просеивания, учета и  дозирования. На основании выводов многих исследователей /24,25/ принято считать, что снижение энергоемкости пневмотранспортных систем может быть достигнуто за счет снижения скорости воздушного потока, скорости частиц  и весовой концентрации материала /1,2,8/.

Однако, в реальных условиях,  при колебаниях производительности по материалу,  эксплуатационные режимы всегда удалены от оптимальных за счет использования увеличенных скоростей  воздуха и давлений, т.е. малая энергоемкость и высокая надежность находятся в противоречии.

 Исследования последних лет /9,12,18, / были направлены на разрешение этих противоречий путем создания автоматических систем регулирования (АСР) для стабилизации режимов транспортирования. Однако анализ показывает, что улучшение качества регулирования за счет усложнения структуры АСР (сложность средств технической реализации АСР)  не приводит к пропорциональному росту их экономической эффективности /22,23/. 
Вопрос автоматизации нагнетательных пневмоустановок остается открытым, и задача дальнейших исследователей в данной области по-прежнему актуальна.

 В последние годы данная проблема успешно решается специалистами ФГАНУ НИИ хлебопекарной промышленности в содружестве со специалистами МАИ на ряде хлебозаводов Российской Федерации на основе применения турбокомпрессорных агрегатов нового поколения модельного ряда Ш2-МБКА с новой микропроцессорной системой управления /12,19,20/.

В условиях постоянно растущей стоимости электроэнергии энергоемкость пневмотранспортной установки определяет расходы на электроэнергию, что сказывается на увеличении себестоимости и цене готовой продукции хлебозавода. Анализ резервов энергосбережения при пневмотранспортировании муки позволил сгруппировать возможные пути, определяющие экономию электроэнергии за счет минимизации расхода воздуха и снижения давления в системах пневмотранспорта.

Перечень этих путей можно расположить в следующем порядке:
  1. Использование воздуходувной машины (турбокомпрессорного агрегата) с наиболее высоким КПД, а также обеспечение наиболее рационального согласования аэродинамических характеристик пневмотранспортной установки и воздуходувной машины.
  2. Применение эффективного и в то же время имеющего небольшое значение аэродинамического сопротивления фильтра на входе в турбокомпрессор. Своевременная замена или очистка фильтровального материала этого фильтра.
  3. Обоснование рационального значения диаметра воздуховода, подводящего воздух от турбокомпрессора к шлюзовым питателям. Скорость воздуха в воздуховоде желательно обеспечить значением, не превышающем 10 м/с /8,14/.
  4. Применение наиболее совершенных шлюзовых питателей, переключателей направлений транспортируемого продукта, запорных вентелей с минимальными утечками воздуха.
  5. Пневмотранспортная установка должна иметь по возможности минимальную  длину воздуховодов между турбокомпрессорным агрегатом и шлюзовыми питателями, а также минимальное количество фасонных деталей (отводов и т.д.).
  6. Обоснование наиболее рационального значения скорости воздуха V в материалопроводе, концентрации продукта μ в транспортирующем воздухе и диаметра материалопровода d /10,12,16/.
  7. Применение автоматической системы стабилизации расхода воздуха при снижении аэродинамического сопротивления пневмотранспортной установки за счет изменения ее производительности по продукту или длины трассы транспортирования продукта.

8. Использование пылеуловителя (после разгрузителя) с автоматической регенерацией фильтровального материала.

Рассмотрение  возможных путей энергосбережения, представленных в данном перечне, показывает, что энергоемкость пневмотранспортной установки зависит прежде всего (см. формулу 1) от производительности (подачи) компрессора установки Qк и развиваемого им давления Рк равного аэродинамическому сопротивлению пневмотранспортной установки Нуст /8/.
Производительность (подача) предопределена, главным образом,  минимальным значением надежно транспортирующей скорости воздуха в материалопроводе и компенсацией утечек воздуха в отдельных элементах установки /1/.

Мощность N на валу турбокомпрессора определяется зависимостью:
Nв= Pк .Qк / 3600.1000.ηк , кВт, (1)
где: Рк – давление, развиваемое турбокомпрессором, Па;
Qк – производительность турбокомпрессора по воздуху (подача), м3/ч;
ηк – коэффициент полезного действия турбокомпрессора.

Потребляемая мощность на привод турбокомпрессора:
Nк= ηз * Nв,
где: ηз – коэффициент записи мощности (ηз=1,1 при Nв>5 кВт; ηз=1,15 при Nв<5 кВт).

Давление Рк, развиваемое турбокомпрессором, равно аэродинамическому сопротивлению пневмотранспортной установки Нуст, т.е. Рк=Нуст.
В свою очередь Нуст складывается из отдельных составляющих, которые зависят как от конструкции отдельных элементов пневмотранспортной установки, так и от параметров процесса пневмотранспортирования.

Далее рассмотрим наиболее значимые из них /15,24/.

Для повышения достоверности экспериментальных исследований  таких сложным систем и процессов, каковыми являются  пневмотранспортные системы с многофакторными и сложно коррелирующими  зависимостями,  принят экспериментально-статистический подход. Поэтому основные исследования, выполненные на  экспериментальных стендах НИИХП и МАИ, дополнялись экспериментальными данными, полученными на ряде заводах.

Так, проводились исследования и аналитическая оценка практического применения компрессорных агрегатов модельного ряда Ш2-МБКА в производственных условиях работы систем транспортирования муки на действующих линиях хлебозаводов в г.г. Москва, Магнитогорск, Тюмень, Братск, Калининград (РФ) и др. На ЗАО «Самарский булочно-кондитерский комбинат» с использованием информационных технологий были  установлены параметры работы агрегата Ш2-МБКА-7,0/1,5 (скорость потока, концентрации, расхода, частоты вращения рабочего колеса компрессора  на холостых и рабочих режимах и др.), обеспечивающие оптимальное энергопотребление /11,13,15,19,24/.

Представленная на рис.1 аэродинамическая характеристика турбокомпрессорного агрегата Ш2-МБКА-7,0/1,5 построена по результатам  как стендовых, так  и производственных испытаний, проведенных совместно со специалистами ФГАНУ НИИХП и МАИ. Наиболее эффективная зона аэродинамической характеристики агрегата в выбранном диапазоне расходов воздуха расположена между значениями КПД равными 0,95.ηmax.



Рисунок 1 – Аэродинамическая характеристика турбокомпрессорного
агрегата Ш2-МБКА-7,0/1,5.

Выбранный  режим работы турбокомпрессорного агрегата Ш2-МБКА-7,0/1,5, соответствующий расходу Qк=7м3/мин, вполне обоснован с точки зрения минимально возможного энергопотребления, т.к. КПД компрессора ηк при этом составляет ~0,61, что соответствует ~97% от ηmax, т.е. η=0,63. Следовательно, алгоритм микропроцессора, настроенный на обеспечение подачи турбокомпрессора Qк=420 м3/ч вполне обоснован.

В дальнейшем при анализе параметров работы пневмотранспортной установки будем опираться именно на это значение подачи /12,16/. К тому же, следует отметить, что при данном значении подачи рабочая точка при всех значениях частоты вращения рабочего колеса компрессора располагается на нисходящей ветви характеристики Рк. Это также свидетельствует о наиболее устойчивом режиме работы турбокомпрессорного агрегата.

При расходе Qк=420 м3/ч и диаметре Dвх.внутр=0,07 м скорость воздушного поток υв а составляет:
υв= Qк / 3600.πD2внутр/ч = 420 / 3600.0,00385 = 30,30 м/с.

На всасывающей стороне компрессора находится фильтр и короткие воздуховоды. Потери давления в этих элементах предопределены аэродинамическим сопротивлением фильтра. Участки воздуховодов коротки и ими можно пренебречь. Важным моментом  является периодичность замены или  принудительной  очистки фильтровального материала. В этом заключается одна хоть и незначительная часть энергосбережения на привод турбокомпрессорного агрегата за счет уменьшения сопротивления фильтра на всасывающей стороне турбокомпрессора. То же относится и к фильтру-разгрузителю, который устанавливается в конце линии нагнетания.

Далее, по ходу перемещения воздуха проанализируем аэродинамическую характеристику турбокомпрессора модельного ряда  Ш2-МБКА-7,0/1,5 (см. рис. 1).
Цифры 7,0 и 1,5 в данном типоразмере турбокомпрессора обозначают соответственно подачу Qк=7 м3/мин=420м3/ч и абсолютное развиваемое давление 1,5 ата или избыточное давление 0,5 атм=50000 Па.

Если принять во внимание максимальное значение КПД турбокомпрессора ηк max ≈0,63 и выделить диапазон расходов (подачи) Qк, выбирая рабочую точку в диапазоне ηк = ηк max – ηк max.0,05=0,63–0,0315≈0,6 (см. заштрихованную зону аэродинамической характеристики на рис.1), , то рациональный с точки зрения энергосбережения режим работы турбокомпрессорного агрегата должен соответствовать диапазону расхода в пределах 5 – 7 м3/мин. (см. ниже  и графические зависимости  на рис.2 и рис.3).



Рисунок 2 – Зависимость потребляемой мощности от расхода воздуха (при различных частотах вращения ротора компрессора Ш2-МБКА-7,0/1,5).



Рисунок 3 – Зависимость степени сжатия от расхода воздуха (при различных частотах вращения ротора компрессора Ш2-МБКА-7,0/1,5)

Установлено, что величина удельного энергопотребления в рассмотренных выше пневмосистемах составляет 0,04 – 0,085 кВт × ч/ т × м , при этом достигнуто снижение энергопотребления более, чем в 5 раз. Показано, что турбокомпрессорный агрегат Ш2-МБКА 7,0/1,5 в диапазоне подачи воздуха от 4 м3 /мин (240 м3/ч) до 7 м3/ч (420 м3/ч) развивает полное избыточное давление до 50 кПа и имеет коэффициент полезного действия около 0,65.

ВЫВОДЫ. Экспериментально-статистический подход  при проведении данных исследований на различных производственных линиях  позволил решить сложные компромиссные задачи по отдельным выбранным критериям. Были определены критерии оценки режимов пневмотранспортирования муки: концентрация потока, коэффициент запаса и минимальная скорость, критическая скорость транспортирования и удельная энергоемкость.  

Концентрация потока. При возможных колебаниях нагрузки Gшп, вызванного, например, поочередным включением различных шлюзовых питателей пневмотранспортной установки, но при постоянной подаче воздуха агрегатом Ш2-МБКА-7,0/1,5,обусловленной алгоритмом стабилизации расхода воздуха в системе управления агрегата зависимость концентрации μ от производительности по продукту выражается графиком представленном на рис. 4.


Рисунок 4 – Зависимость концентрации μ от производительности
по продукту

Коэффициент запаса и минимальная скорость. При автоматическом регулировании пневмотранспортной установки со стабильно заданным и поддерживаемым на постоянном уровне расходе воздуха (Q=420 м3/ч) коэффициент запаса Кз для определения минимальной скорости  может быть принят равным 1,1.
Vмин=(1,15…1,2)Кз(10,5 +0,57*Vвит ) ,
где: Vвит – скорость витания муки в воздушном потоке – 1 м/с.

Это уравнение оказалось справедливым на всех испытательных линиях промышленных установок в период экспериментальных работ.
Критическая скорость транспортирования. Получена зависимость действительной  концентрации от расхода воздуха  при условии постоянства загрузки мукой материалопровода. Определена зона возможного «завала» или прекращения транспортирования при снижении Vмин  ниже критической (рис.5).



Рисунок 5 – Зависимость концентрации µ от расхода Q / µ=f(Q)

Удельная энергоемкость. Установлено, что превалирующим фактором, судя по результатам аэродинамических измерений, являются утечки воздуха через шлюзовые питатели.
Проведена оценка удельной энергоемкости при пневмотранспортировании муки с использованием турбокомпрессорного  агрегата  Ш2-МБКА. В зависимости от длины трассы транспортирования уд. энергоемкость составила 0.085 – 0.1 кВт ч/ т м. Установлено, что имеется резерв по уд.энергоемкости за счет снижения скорости воздушного потока до величины минимально допустимой скорости (Vмин= 14 – 14,5 м/с ), при условии устранения  утечек через неплотности оборудования системы.

Разработанная  система управления позволяет при колебаниях нагрузки по материалу и соответственно концентрации, а также при изменении величины утечек стабилизировать расход воздуха на заданном уровне и  обеспечить надежность транспортировании без «завалов»  продукта.

КПД турбокомпрессорного агрегата Ш2-МБКА-7,0/1,5, полученного на основании экспериментальных данных, приведен в таблице 1. Из последней следует, что при номинальном расходе воздуха с увеличением развиваемого давления повышается КПД нагнетателя и при номинальном расходе воздуха составляет 0,68.

Таблица 1
КПД одноступенчатого центробежного компрессора Ш2-МБКА-7,0/1,5
в зависимости от частоты электрического тока при номинальном
расходе воздуха

 
Частота электрического тока,Hz Подача воздуха, Qн, м3/мин Развиваемое давление, Рк, кПа Полезная мощность нагнетателя, Nпол, кВт Потребная мощность двигателя, Nпот, кВт КПД нагнетателя
575 6,9 18 2,07 3,5 0,59
600 6,9 28 3,22 5,0 0,64
625 6,9 40 4,6 7,0 0,65
650 6,9 47 5,4 8,2 0,66
675 6,9 52 6,0 8,8 0,68

Проведенные исследования позволили  выявить  пути обеспечения энергосбережения. А именно:
  • обеспечение наиболее рациональных скоростей воздуха V  в материалопроводе, концентрации продукта µ в транспортирующем воздухе  и оптимального диаметра материалопровода;
  • применение совершенных шлюзовых питателей, переключателей направления транспортирования продукта, запорной арматуры с минимальными утечками транспортирующего воздуха;
  • применение гибкой саморегулируемой  автоматической системы стабилизации расхода воздуха при изменении аэродинамического сопротивления пневмотранспортной установки вследствие изменения ее  производительности по продукту или длины трассы транспортирования  продукта;
  • использование воздуходувной машины с наиболее высоким КПД и согласование ее аэродинамических характеристик с характеристиками пневмотранспортера;
  • использование пылеуловителя с автоматической регенерацией фильтровального материала.

Литература
 
1. Веденьев, В.Ф. Вентиляционные и аспирационные установки предприятий хлебопродуктов / В.Ф. Веденьев, В.А. Веселов. – М., Колос, 2004.
2. Вельшоф, Г. Пневматический транспорт при высокой концентрации перемещаемого материала / Г. Вельшоф; пер. с нем.З.Л. Тица. – М., 1964.
3. Винтовые воздушные компрессоры DALGAKIRAN.
4. Винтовые компрессоры «Renner», Madein Germany.
5. Винтовые насосы и компрессоры: Каталог. – 2007 фирма «Nash ELMO».
6. Воздушные компрессоры «Atlas Copco» серии ZL100-8200. Ротационная воздуходувка объемного сжатия: Каталог изделий. – 2006.
7. Воздуходувки типа ROBOX производства фирмы «Robuschi» (Италия): Проспект. Промышленная группа «Дюкой».
8. Володин, Н.П. Справочник по аспирационным и пневмотранспоритным установкам / Н.П. Володин, М.Г. Касторных, А.И. Кривошеин. – М., Колос, 1984.
9. Гусев, М.В. Снижение энергоемкости процесса транспортирования зернопродуктов в мельничных пневмоустановках: дис. / Гусев М.В. – М., 1983.
10. Дмитрук, Е.А. Исследование минимально допустимых скоростей воздуха при вертикальном пневмотьранспорте зернопродуктов: дис. / Дмитрук Е.А. – М., 1966.
11. Ейвин, П.С. Турбокомпрессорные агрегаты модельного ряда Ш2-МБКА на Магнитогорском хлебокомбинате / П.С. Ейвин // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2011. – №3. – С.18-21.
12. Ейвин, П.С.Техника высокоресурсных и энергоэффективных пневмотранспортных систем / П.С. Ейвин, А.П. Косован, Ю.А. Равикович, Т.П. Турчанинова. – М., Дели плюс, 2015.
13. Ейвин, П.С. Реконструкция пневмотранспортных линий / П.С. Ейвин, Т.П. Турчанинова // Пищевая индустрия. – 2011. – №3. – С.38-39.
14. Касторных, М.Г. Скорость движения муки при аэрозольтранспорте / М.Г. Касторных, Н.П. Володин // Труды ВНИИЗ. – 1969. – Вып. 67.
15. Косован, А.П. Внедрение турбокомпрессорных агрегатов Ш2-МБКА в пневмотранспортные системы хлебозаводов / А.П. Косован, В.Ф. Веденьев, П.С. Ейвин и др. // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2010. – №8. – С.58-61.
16. Максимчук, Б.М. Исследование скорости зернопродуктов при вертикальном пневмотранспорте: дис. / Б.М. Максимчук. – ОТИПП, 1965.
17. Проспект фирмы «Reimelt», Германия, 2009.
18. Тарасов, В.П. Совершенствование работы нагнетательных пневмотранспортных установок: автореф. дис. / В.П. Тарасов. – М., 1986.
19. Турчанинова, Т.П. Техника и технология бестарного хранения муки / Т.П. Турчанинова. –  М.: ООО «Пищепромиздат», 2009.
20. Линия подачи муки к тестоприготовительному агрегату: пат. 2449538 Рос. Федерация / Т.П. Турчанинова, П.С. Ейвин, В.Е. Леве, А.П. Косован, Ю.А. Равикович, Д.П. Холобцев. – 14.01.2011.
21. Способ подачи муки к тестоприготовительному агрегату: пат. 2449539 Рос. Федерация / Т.П. Турчанинова, П.С. Ейвин, В.Е. Леве, А.П. Косован, Ю.А. Равикович, Д.П. Холобцев. – 14.01.2011.
22. Шилкин, И.Ю. Нагнетательный пневмотранспорт муки потоками высокой концентрации: дис. … канд. техн. наук / Шилкин И.Ю. – М., 1984.
23. Штительман, Б.А. Исследования и разработка автоматической системы регулирования скорости воздуха на границе устойчивости процесса в пневмотранспортных установках мукомольных заводов: дис. … канд. техн. наук / Штительман Б.А. –  М., 1975.
24. Kitazume, Masaki. Field Strength Properties of Cement Stabilized Soil by Pneumatic Flow Tube Mixing Method / Masaki Kitazume, Ali Maher, Masoud Janbaz, с соавторами // International Foundations Congress and Equipment Expo (IFCEE), Orlando, FL MAR 05-10, 2018.
25. Li, Z. The simplified calculation model of pneumatic garbage transportation at acceleration period in horizontal straight pipe / Z. Li, J. Li, W. Yang, JB. Liang // INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND TECHNOLOGY. – 2017. – Т. 35. – Вып. 3. – С.683-687. – DOI: 10.18280/ijht.350330.


Ейвин П.С., Турчанинова Т.П., канд. техн. наук
ФГАНУ НИИ хлебопекарной промышленности, Москва.
 
 
Наверх ↑