ВАКУУМНО-ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКОЙ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ
AIR VACUUM DEVICE FOR TRANSFER OF LOOSE MATERIALS WITH HIGH WEIGHT CONCENTRATION

Изобретение относится к области всасывающего вакуумно-пневматического транспортирования сыпучих материалов, перемещаемых по трубопроводам с высокими массовыми концентрациями, соответствующих псевдоожиженному состоянию сыпучих материалов с коэффициентом массовой концентрации от 40 до 200 (Евтюков С.А., Шапунов М.М. «Справочник по пневмокомплексам и пневмотранспортному оборудованию». СПб: ООО «Изд. ДНК», 2005 г.,с.351-352). Иногда такой транспорт именуют как вакуумный транспорт плотным слоем (ВТПС).
Изобретение может быть использовано в различных отраслях техники, где необходимо интенсифицировать процессы транспортирования сыпучих материалов, и особенно в тех случаях, когда технологические процессы необходимо осуществлять с транспортированием сыпучего материала, имеющего высокую массовую концентрацию. Все известные устройства вакуумного транспорта осуществляются за счет разности между атмосферным давлением в месте начала движения сыпучих материалов по транспортному трубопроводу и величиной разрежения в месте завершения транспортирования сыпучих материалов. Эффективная аспирация, низкая энергоемкость при значительной протяженности транспортирования отличают вакуумный транспорт с высокой массовой концентрацией от бóльшей части известных устройств, основанных на пневматическом транспортировании сыпучих материалов, работа которых основана на использовании энергии сжатого воздуха. Эти устройства энергоемки, осуществляются при давлениях, значительно бóльших чем атмосферное, требуют компрессорного оборудования и оснащаются сложными системами для исключения пылеуносов и измельчения материалов.
Известно вакуумно-пневматическое устройство (патент РФ №2329938, МПК B65G 67/24 от 27.07.2008 г.) для разгрузки остатков транспортируемого груза, включающее заборный орган, подвижный по отношению к сыпучему материалу, всасывающий трубопровод, отделитель сыпучего материала с разгрузочным приспособлением, агрегат для формирования потока воздуха и нагнетательный трубопровод, связанный с заборным органом.
Недостатком этого устройства является то, что оно предназначено для вакуумного всасывания только незначительных количеств сыпучего материала при очень низких концентрациях и не может быть применено для непрерывной транспортировки сыпучего материала с высокой массовой концентрацией. В нем не предусмотрены элементы, обеспечивающие создание псевдоожиженного слоя как в начале транспортирования, так и при движении сыпучего материала в вертикальном и горизонтальных направлениях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототип) является всасывающая пневматическая установка для непрерывной погрузки и выгрузки сыпучего материала (патент РФ №2058256, МПК B65G 53/24 от 20.04.1996 г.), содержащая вакуумный насос, всасывающий трубопровод, имеющий вертикальный и горизонтальный участки, причем горизонтальный участок, выполненный с возможностью вращения от привода, соединен с всасывающим патрубком вакуумного насоса посредством разгрузителя сыпучего материала, снабженного шлюзовым затвором и фильтром, и узел ввода сыпучего материала во всасывающий трубопровод, а также вакуумметр, установленный в разгрузителе, регулируемую воздушную заслонку, установленную в напорном трубопроводе, датчик концентрации материаловоздушной смеси, установленный в полости всасывающего трубопровода, и датчик скорости воздушного потока и систему управления работой установки.
Недостатком известной установки является то, что она не позволяет осуществлять транспортирование сыпучего материала по трубопроводам при низких скоростях в пределах от 4 до 12 м/сек и высоких концентрациях. Забор сыпучего материала из насыпи в трубопровод потоком воздуха согласно прототипу происходит со скоростью более 15 м/сек, что выше скоростей витания бóльшей части сыпучих материалов. Это превышение нарушает условие обеспечения создания режима псевдоожижения сыпучих материалов и его транспортировки с высокой массовой концентрацией. Это происходит потому, что согласно прототипу часть воздуха, необходимого для транспортирования, подается из выхлопного патрубка вакуумного насоса и поступает в заборное устройство по напорному трубопроводу, увеличивая скорость сыпучего материала.
На горизонтальном участке транспортирования сыпучий материал склонен к оседанию с образованием неподвижных слоев на дне трубопровода, в результате чего происходят «завалы» с каналами в верхней части и проскоки воздуха, не совершающего полезной работы транспортирования. Вращение горизонтального участка трубопровода для псевдоожижения неэффективно, так как оно создает усилие прижатия сыпучего материала к стенкам трубопровода и вызывает дополнительное сопротивление движению, а также является причиной истирания материала о стенки и износа стенок трубопроводов. Наряду с этим следует отметить, что для протяженных горизонтальных участков транспортирования весьма сложно обеспечить создание конструкции вращающихся труб по соображениям надежности уплотнения в местах сопряжений между вращающимися и неподвижными деталями трубопровода, так как герметичность мест сопряжения должна исключать потери рабочего разряжения. Конструктивные решения этих узлов, как правило, металло- и энергоемки и превращают трубопроводный транспорт в механический конвейер.
Техническая задача заявляемого изобретения состоит в обеспечении транспортирования сыпучего материала с высокой массовой концентрацией на горизонтальных, в особенности протяженных, участках при низких энергозатратах.
Поставленная техническая задача достигается тем, что вакуумно-пневматическое устройство для транспортирования сыпучих материалов, содержащее вакуумный насос, разгрузитель сыпучего материала, снабженный шлюзовым затвором и вакууметром, связанный с всасывающим патрубком вакуумного насоса, всасывающий трубопровод с узлом ввода сыпучего материала, имеющий вертикальный и горизонтальный участки, связанный в свою очередь с разгрузителем, и систему управления, согласно изобретению снабжено двумя или более вакуумными ресиверами, соединенными между собой параллельно воздуховодами с быстродействующими клапанами так, что с одной стороны от ресиверов воздуховоды связаны с всасывающим патрубком вакуумного насоса, а с другой стороны от ресиверов воздуховоды связаны с разгрузителем.
Узел ввода сыпучего материала во всасывающий трубопровод может быть выполнен в виде тройника, один из патрубков которого соединен с входом всасывающего трубопровода, во втором патрубке тройника, соосном первому, последовательно установлены регулируемая заслонка и датчик скорости воздушного потока, а на третьем, верхнем патрубке, последовательно установлены затвор-питатель с регулируемым приводом и расходный бункер исходного сыпучего материала.
Затвор-питатель может быть выполнен как роторно-шлюзовой.
Устройство может быть снабжено датчиком концентрации материаловоздушной смеси, установленным во всасывающем трубопроводе.
Предложенная совокупность признаков заявляемого изобретения позволяют обеспечить постоянное транспортирование псевдоожиженных частиц сыпучего материала, характеризуемого высокой массовой концентрацией и скоростями меньшими, чем скорость витания на горизонтальных, в особенности протяженных участках, при снижении энергозатрат.
Это достигается обеспечением поддержания требуемой массовой концентрации по сечению трубопровода, что позволяет осуществлять псевдоожижение сыпучего материала на всех участках трубопровода, не создавая завалов, благодаря попеременному воздействию на воздух в разгрузителе и транспортном трубопроводе вакуумными импульсами от одного из двух или более вакуумных ресиверов, попеременно подключаемых и отключаемых по командам системы управления, формирующих фронт снижения давления, распространяющийся вдоль всего канала транспортирования и поддерживающий сыпучий материал в псевдоожиженном состоянии.
На фигуре схематично изображено устройство для вакуумно-пневматического транспортирования сыпучих материалов с высокой массовой концентрацией. Оно состоит из узла ввода сыпучего материала 20, включающего в себя бункер сыпучего материала 1, находящийся под атмосферным давлением, затвор-питатель с регулируемым приводом 2, расположенный в нижней части бункера 1, и тройник узла ввода 3, связанный с затвором-питателем 2 своим верхним патрубком, всасывающего транспортирующего трубопровода с горизонтальным и вертикальным участками 4, соединенного с одним из патрубков тройника узла ввода 3 с одной стороны и разгрузителем 5 со шлюзовым затвором 6 с противоположной стороны с другим патрубком, соосным предыдущему, вакуумных ресиверов 9 и 10, соединенных между собой параллельно посредством воздуховодов 7 с быстродействующими клапанами 11, 12, 13 и 14, связывающих всасывающий патрубок вакуумного насоса 8 с разгрузителем 5. Тройник узла ввода 3 снабжен регулируемой заслонкой подачи воздуха 15 и датчиком скорости воздушного потока 16, а транспортный трубопровод 4 - датчиком концентрации материаловоздушной смеси 17. В разгрузителе 5 установлены датчики верхнего и нижнего уровней сыпучего материала 18 и вакуумметр 19. Система управления 21 своим входом связана со средствами контроля 16, 17, 18 и 19, а своим выходом с быстродействующими клапанами 11, 12, 13 и 14, приводами регулируемой заслонки 15, затвора-питателя 2 шлюзового затвора 6 разгрузителя 5.
Работа устройства для вакуумно-пневматического транспортирования сыпучих материалов с высокой массовой концентрацией осуществляется следующим образом.
Включение вакуумного насоса 8 производят при закрытых клапанах 11 и 13 и открытых клапанах 14 и 12 и закрытой заслонке 15. После достижения давления в ресиверах 9 и 10 заданного значения синхронно с открытием клапана 11 закрывают клапан 12. В результате этого в приемной зоне разгрузителя 5 и транспортном трубопроводе 4 создается импульс вакуума с давлением, достаточным для начала транспортирования. Находящийся под атмосферным давлением сыпучий материал поступает в транспортный трубопровод 4. Благодаря величине разницы давлений, достигнутой между бункером 1 и разгрузителем приемной зоны 5, и открытию заслонки 15 на величину, соответствующую подаче воздуха для требуемой высокой массовой концентрации сыпучего материала, создаются условия для транспортирования.
Одновременно с открытием клапана 11 поток сыпучего материала из бункера 1 затвором-питателем 2 подается в полость тройника узла ввода 3. Откуда сыпучий материал непрерывно перемещается по трубопроводу 4, состоящему из вертикального и горизонтального участков, в разгрузитель 5 потоком воздуха, всасываемым через регулируемое сечение заслонки 15, благодаря разрежению, создаваемому в всасывающем трубопроводе 4 и разгрузителе 5 с помощью вакуумных ресиверов 9 или 10, связанных воздуховодами 7 с клапанами 11, 12, 13, 14 с вакуумным насосом 8. Движение сыпучего материала, начавшееся благодаря воздействию созданного импульсом вакуумного ресивера 10 фронта снижения давления на начальном участке транспортного трубопровода, характеризуется высокой по сечению транспортного трубопровода массовой концентрацией сыпучего материала. Прохождение фронта снижения давления вакуумно-импульсного воздействия вдоль канала приводит также к дополнительному увеличению составляющей скорости частиц, направленной в сторону приемной зоны.
При дальнейшем перемещении сыпучего материала из исходной зоны в вертикальном и горизонтальном направлениях увеличиваются потери скорости частиц из-за трения о стенки канала и взаимного соударения и роста давления в подключенном вакуумном ресивере. Происходит постепенное замедление частиц, вплоть до торможения слоев сыпучего материала в донной части, чаще всего, горизонтального канала. Движение, начавшееся равномерным, может нарушиться из-за перераспределения концентрации по поперечному сечению и осаждения частиц в пристенной области транспортного трубопровода.
В разгрузителе 5 поток воздуха отделяется от сыпучего материала и через открытый клапан 11 поступает в ресивер 10. Значение давления в разгрузителе 5 возрастает до величины, при которой происходит замедление частиц сыпучего материала и их осаждение в транспортном трубопроводе. По показаниям датчиков 16, 17 и 19, поступающим в систему управления, она формирует команду на открытие клапанов 13 и 12 и синхронное с ним закрытие клапанов 11 и 14. Повторное импульсное уменьшение давления в разгрузителе 5 после открытия клапана 13 приводит к тому, что распространение фронта снижения давления вдоль канала в сторону исходной зоны, происходящее со звуковой скоростью, обеспечивает поддержание псевдоожижения и перемещения сыпучего материала.
Для поддержания процесса постоянного транспортирования сыпучего материала открытием или закрытием клапанов 11, 12, 13 и 14 производят поочередное подключение ресиверов 10 и 9 к разгрузителю 5.
Время, в течение которого происходит замедление частиц сыпучего материала, сопровождающееся повышением давления в разгрузителе 5 и нарушением однородности массовой концентрации по сечению после начала транспортирования сыпучего материала, соизмеримо со временем вакуумно-импульсного воздействия и временем набора вакуума в вакуумных ресиверах. При перемещении сыпучего материала, имеющего высокую массовую концентрацию, потери, вызванные трением, резко уменьшаются, что делает возможным увеличить дальность транспортировки при неизменной производительности вакуумного насоса.
Показания датчика скорости воздуха 16, расположенного непосредственно вслед за регулируемой заслонкой 15, датчика концентрации материаловоздушной смеси 17, расположенного в полости всасывающего трубопровода, и вакуумметра 19 наряду с регулируемой подачей сыпучего материала затвором-питателем 2 и датчиков верхнего и нижнего уровня 18 позволяют с помощью системы управления создавать режим транспортирования с высокой массовой концентрацией. Воздействие на воздух в разгрузителе 5 вакуумными импульсами формирует фронт снижения давления, распространяющийся вдоль всего канала транспортирования, и поддерживает сыпучий материал в псевдоожиженном состоянии с однородной по сечению канала высокой массовой концентрацией, компенсируя тем самым потери скорости частиц и обеспечивая транспортирование на протяженных участках трубопровода. Периодическое повторение этого воздействия путем подключения и отключения одного из двух или более ресиверов позволит обеспечить постоянство процесса транспортирования.
Таким образом, поочередное импульсное воздействие фронта снижения давления, распространяющегося вдоль всего канала транспортирования на сыпучий материал, позволяет осуществить его постоянное перемещение с высокой массовой концентрацией на вертикальных и горизонтальных протяженных участках, в том числе на насыщенных элементами, изменяющими направление перемещения, при одновременном снижении энергозатрат.