Малые гидротехнические сооружения в России. Водяные мельницы

Малые  гидротехнические  сооружения  в  России.  Водяные  мельницы.  Начало

 

   Вододействующие механизмы  были первыми машинами, которые  человек начал применять в  своей хозяйственной деятельности, и в течение многих столетий  уровень мельничного конструирования и строительства определял общий уровень технического развития страны. Мельничное дело было одним из важнейших в народном хозяйстве, сегодня об этом свидетельствуют книжные раритеты, отличающиеся тщательностью изложения материала. По имеющимся данным, во времена расцвета мельничного строительства в России действовало около 65 тыс. водяных мельниц.

   Водяные мельницы, наряду  с культовыми сооружениями, всегда  были сельскими социальными центрами, местами общения. Они формировали  природно-архитектурный ландшафт поселения и являлись источником вдохновения для многих поколений поэтов, писателей, художников, композиторов, выражавших через свое творчество историю народа и государства.

   Отдельные умельцы, реставрационные  мастерские, органы культуры прилагают  усилия для восстановления, воссоздания водяных и ветряных мельниц, и сегодня в России уже есть действующие мельницы. Однако очень мало мельниц у нас в стране. Большинство людей проживают свою жизнь, так и не увидев мельницы, не прикоснувшись к истории жизни наших предков.

   Хотелось бы восполнить  этот пробел. Мельницы и сегодня  нужны для того, чтобы молоть  муку, пилить доски, обрабатывать  кожу и обеспечивать механической  и электрической энергией множество  разных производств. В районах  глубинки не всегда достаточно электроэнергии. Нужно сохранить историю, отдать дань технической мысли, обеспечить село автономными источниками энергии, построить новые центры рекреации и коммерции, сочетая при этом приятное с полезным.

   Авторы этой статьи за  многие годы собрали богатый иллюстративный и текстовой материал по водяным и ветряным мельницам и считают необходимым познакомить с частью этого материала читателей журнала, приобретя в их лице новых союзников в деле воссоздания мельниц в России – технического образа нашей страны не такого уж далекого прошлого.

   Первые летописные сведения  о мельницах на Руси восходят  к XI в. «Устав» Ярослава о  земских делах предоставлял каждому  желающему право заводить мельницу, причем обязывал в случае затопления  полей «соблюдать беспакостное», то есть не допускать ущерба соседям, в противном случае требовал «да упразднится мельница». Ярославов «Устав» был законом, а закон мог появиться лишь при наличии большого количества мельниц.

   Известно сказание четвертой  новгородской летописи начала второй четверти XVI в. о «хитреце от Псковские страны» Невеже, задумавшем покорить силу могучей реки Волхов. Невежа Псковитин начал сооружать на Волхове ряжевую плотину и построил мельницу, которая успешно работала целый год, но была снесена небывалым паводком. Изобретенный Псковитиным способ установки и загрузки ряжей широко используется в гидротехническом строительстве и в наше время.

   Документы говорят о многочисленных  и разнообразных мельницах-колотовках  и мутовках, об одноколесных и  двухколесных мельницах, появившихся на Урале в XVI–XVII вв. Пермские писцовые книги Яхонтова 1579 г. и Кайсарова 1623–24 гг. упоминают мельницы, построенные с промышленной целью, а потому облагаемые оброком. Представление об элементах устройства первых уральских колесных мельниц дает следующая запись, относящаяся к 1635 г.: «Мы, заимщики, подписали игумены Максиму с братиею отца своего благословение по деловым в Усольском уезде над Усолкою рекою половину мельницы, и с мельничным заводом и с жерновы, которые в мельнице мелют, и с запасными жерновы, которые у мельницы, с большим, и с веретенами, и с жабками, и с обручи железными и с шинами и с валовым и который был запасной приготовлен на колеса и на круги, и на шестерни и на пальцы и всякую мельничную снасть железную, и деревянную во всем половину, и береги, что у тое мельницы по обе стороны Усолки реки...».

 

  Окончание следует.

 

 

Комплексный  критерий  эффективности  работы  строительных  мельниц  (I)

 

   Для обоснования правомерности  использования критериев h, ЭЗМ  при оценке энергетической эффективности процессов измельчения и оперативного управления работой мельниц по этим критериям был выполнен специальный комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, в ходе которых выявлялся характер изменения этих критериев при измельчении различных клинкеров; цементов; на мельницах различной геометрии с различными конструктивно-технологическими параметрами; при различных способах организации процессов измельчения и подачи материала в мельницу.

   Изложенное иллюстрируется шестью конкретными примерами.

   Пример 1. Объект исследований  – типовая лабораторная мельница  периодического действия Гипроцемента  размером 0,5х0,56 м, используемая на  заводах в основном для текущего  определения активности клинкера. Цель – определить кинетику измельчения и формирования при этом эксергии цемента. Измельчению подвергался клинкер с КН – 0,93; n – 2,06; р – 1,48; C3S – 61,21%; C2S – 12,95%; C3A – 8,98%; C4AF – 12,31%. Эксергия такого клинкера составила 1172 кДж/кг. Результаты экспериментов и расчетов традиционных параметров цемента и его новых эксергетических характеристик даны в таблице 1.

   Характер изменения традиционных  параметров (пп. 2–7) очевиден и естественно,  что при t­ – S; RЇ; dсрЇ; А3; А28; Э. Одновременно с этим установлено, что изменение эксергии цемента может носить экстремальный характер, в то время как всегда [Е/dср]; (ЭЗМ1); (ЭЗМ2). Здесь параметр со стрелкой вверх или вниз соответственно означает увеличение или уменьшение рассматриваемых параметров:

   S – удельная поверхность цемента, м2/кг; R – остаток на сите № 008,%; dср – средний размер частиц, мкм; А3, А28 – активность цемента соответственно через 3 и 28 суток, МПа;

   Э – удельный расход  электроэнергии, кВт·ч/т; t – продолжительность  измельчения, мин. 

 

 

 

   Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем.

   Представляется возможным  по эксергетическим характеристикам  процесса измельчения в лабораторной  мельнице спрогнозировать их  значения для промышленных мельниц.  Результаты масштабирования [5] мельниц показали, что при прочих равных условиях (при измельчении в лабораторной и промышленной мельнице одинакового цемента)

  

   (Асж)лаб > (Асж)пром, (1)

  

   Элаб < Эпром, (2)

  

   (Р·Р)лаб  более узкое, чем (Р·Р)пром. (3)

  

   Следовательно, можно утверждать, что для эксергетических характеристик процесса измельчения в промышленных мельницах будут выполняться следующие неравенства:

  

   (Ецем/dср)лаб  > (Ецем/dср)пром, (4)

  

   ЭЗМлаб < ЭЗМпром. (5)

  

   Показана  адекватность уравнения, свидетельствующая о том, что с увеличением концентрации эксергии цемента активность цемента возрастает. Это означает, что по текущему изменению величины концентрации эксергии цемента и критерия ЭЗМ можно оперативно (через 15–20 мин.) прогнозировать соответствующее изменение активности этого цемента. Параметры Е/dср и ЭЗМ при этом являются масштабируемыми, т.е. могут быть заданными при переходе от одного вида цемента к другому, от одной мельницы к другой.

 

  Продолжение  следует.

 

  М.А.  ВЕРДИЯН, Д.П. СЕЛЮК, А.М. ВЕРДИЯН, Р.Т. ЛУКМАНОВ, Н.П. НЕСМЕЯНОВ

 

 

Комплексный  критерий  эффективности  работы  строительных  мельниц  (II)

 

   Пример 2. Объектом исследования явилась  пилотная полупромышленная цементная  мельница 1,0х4,0 м. Цель исследования  – определить влияние режимных параметров мельниц на критерий ЭЗМ. В качестве независимых переменных использовались Х1 – состав мелющих тел; Х2 и Х3 – степень заполнения первой (Х2) и второй (Х3) камер мельницы; Х4 – удельная поверхность готового цемента; Х5 – разрежение в мельнице.

   Получена  система полиномов второго порядка,  отражающая влияние независимых  переменных на производительность Y1(кг/час) и удельный расход  электроэнергии Y3 (кВт·ч/т) мельницы: остаток на сите № 008 Y2 (%); зерновой  состав цемента (%), оцениваемый содержанием зерен крупностью от 5 до 30 мкм – Y4 (%); активность цемента на сжатие через 28 суток – Y5 (кг/см2); эксергию цемента Y6, Y7 (кДж/кг) и на критерий энергетических затрат ЭЗМ мельницы Y8.

   Критерий  ЭЗМ является обобщенным параметром  для Y1 – Y7. Установлено, что критерий ЭЗМ информативен и его следует использовать при оперативном управлении процессом измельчения. Критерий ЭЗМ здесь выступает в качестве прямого энерготехнологического управляемого параметра. Время определения ЭЗМ составляет Ј0,5 часа.

   Пример 3. Объекты исследования – типовые  цементные мельницы открытого  цикла размером 2,6х13; 3х14,0; 3,2х15 и 4х13,5 м, работающие при непрерывной  подаче в них материала. 

   В  результате проведенных исследований  выявлено влияние геометрических характеристик мельниц на энергетическую эффективность процесса измельчения. Увеличение Дм с 2,6 до 4 м приводит к снижению степени эффективности измельчения, о чем свидетельствуют значения h1– h3, уменьшающиеся с ростом Дм.

   Пример 4. Объекты исследования  – обычная цементная мельница  № 5 открытого цикла 3,2х15 м при  непрерывной подаче материала  и мельница № 4 дискретно-непрерывного  действия (МДНД) при циклической  подаче материала, работающие  на АО «Осколцемент» и выпускающие ПЦ-500-Д0.

   Пример 5. Объект исследований  – мельница дискретно-непрерывного  действия (МДНД) № 4 открытого цикла  размером 3,2х15 м АО «Осколцемент»,  выпускающая цемент ПЦ 500-Д0.

   В ходе испытаний используются  различные схемы подачи материала  в мельницу, формирующие различную гидродинамическую структуру потока размалываемого материала.

   1 схема – непрерывная  и совместная подача (традиционный  однопоточный способ) материала  в МДНД с Кп = 1,0;

   2 схема – циклический  способ подачи всего размалываемого материала с Кп = 1,33;

   3 схема – циклическая  подача двух потоков одного  и того же клинкера, например, с соотношением 0,5: 0,5 и значением  Кп для 1-го потока = 1,0 и 2-го  потока = 1,33.

   Цель исследований –  определить влияние способа подачи  материала в мельницу на изменение критериев h1 – h3; ЭЗМ; Д(Р·Э); Д(Асж) при практически неизменных традиционных энерготехнологических, дисперсных и прочностных показателях по Q; Э; R008; S; dср; Асж для каждой схемы.

   Таким образом, представляется  возможным решение на каждом заводе задачи стабилизации качества цемента, которая традиционным путем не решается. И главным, определяющим параметром при этом служат новые критерии

   h1 – h3 и ЭЗМ.

   Подробные данные по примерам 2–5 даны в работе [1].

 

  Окончание следует.

 

  М.А. ВЕРДИЯН, Д.П. СЕЛЮК,  А.М. ВЕРДИЯН, Р.Т. ЛУКМАНОВ, Н.П.  НЕСМЕЯНОВ

 

 

 

Комплексный  критерий  эффективности  работы  строительных  мельниц  (III)

 

   Пример 6. Цель исследований  – оценить, имеет ли место  изменение критерия ЭЗМ при  выпуске различных партий одного и того же вида – марки цемента. Это наиболее сложный, но типовой случай, когда при выпуске одной видомарки цемента одновременно меняются и Екл, и условия измельчения К0. Величину Э (кВтЧч/т) принимаем постоянной для каждой партии, она составляет 33,6 кВт·ч/т. Эксергетические характеристики качества различных партий цемента ПЦ-500-Д0, полученные на МДНД 3,2х15 м АО «Осколцемент», приведены в таблице 2.

 

 

 

   Из таблицы 2 видно, что  для каждой партии цемента  имеют место свои конкретные  значения критерия ЭЗМ, наилучшими партиями, как это доказано в [3], являются партии № 1 и № 2. Значения критерия для них минимальны и их следует считать заданными при выпуске других партий ПЦ-500-Д0. Следует сказать, что критерий ЭЗМ1 и ЭЗМ2 всегда необходимо рассматривать совместно, и что окончательную оценку отдельных проб и партий цемента нужно проводить по критерию ЭЗМ2, которая жестко связана с активностью цемента.

   В работе [2] представлена  блок-схема определения критерия  ЭЗМ для цементных мельниц.  Особых пояснений здесь не требуется. Отметим, что для расчета ЭЗМ необходимо дискретно-непрерывное определение численных значений N, Q; условного «химико-минералогического» состава цемента и его эксергетических характеристик: Р·Р, dср, Ецем, Ецем/dср.

   В случае оценки эффективности работы всего цеха «Помол» критерий определяется как средняя величина по формуле:

  

   ЭЗМср = Х2 ·SХ1·ЭЗМi,

  

   где Х1 и Х2 – доли  и вид цементов, выпускаемых на  каждой конкретной мельнице с  конкретным значением ЭЗМi.

   Преимущества и научно-практическое значение оценки энергетической эффективности процессов измельчения по новым критериям заключается прежде всего в следующем.

   1. Для конкретного типа  и класса прочности цемента  заданное значение критерия ЭМЗ  достаточно просто устанавливается на лабораторной мельнице Гипроцемента 0,5х0,56 м при определении активности клинкера и кинетики измельчения. Поскольку лабораторная мельница работает в режиме идеального вытеснения (по координате времени), то при получении заданного цемента имеют место получение Эmin и [Ецем, Ецем/dср]max. На промышленной мельнице необходимо так организовать процесс измельчения и его управление, чтобы достигнуть [(ЭЗМ)I – (ЭЗМ)зад]-Ю min. Экстремальные значения критериев (h1 – h3) и ЭЗМ обеспечивают Д(Р·Э)min и Д(Асж)min, что позволяет оперативно решить задачу стабилизации активности цемента по этим новым критериям.

   2. Само определение эксергии  цемента как меры его работоспособности  говорит в пользу того, что  полученные на ее основе значения  критериев (h1 – h3) и ЭЗМ также могут служить мерой стоимости и должны учитываться при объективном обосновании цены цемента.

 

   3. Критерии Ецем, h1 – h3 и  ЭЗМ являются гибкими ценообразующими  показателями. Цемент всегда будет  дороже при увеличении h1 – h3, уменьшении ЭЗМ и стабильном качестве цемента, т.е. при Д(Асж)min.

   4. Управление процессом  измельчения по

   h1 – h3 и ЭЗМ обеспечивает  для конкретных условий минимальную  себестоимость цемента и выполнение  требований потребителя к качеству  используемого цемента.