СПОСОБ СЕПАРАЦИИ СЫПУЧЕЙ СМЕСИ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR SEPARATION OF BULK MIXTURE IN FLUID MEDIUM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам и устройствам для воздушной или жидкостной сепарации сыпучих материалов и может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве для подготовки семян к посеву и для селекционных целей.
Известен способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающийся в гравитационной подаче частиц, аэродинамическом монотонно возрастающем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй и выводе готовых фракций. При этом воздействие осуществляют в режиме свободного знакопеременного силового сканирования с ростом амплитуды и угла сканирования. Устройство для осуществления указанного способа содержит бункер с вибролотком, установленный под ними генератор воздушных потоков, с расположенными друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки, увеличиваются сверху вниз. При этом генератор связан с источником подачи воздуха под давлением и охвачен боковыми стенками. Устройство имеет сборники фракций, расположенные под соплами [см. пат. Украины №45881 по классу В07В 4/02 опубликованный 15.04.2002 года в этом способе разделение частиц происходит за счет разницы соотношения их веса и силы аэродинамического сопротивления. Этот способ, благодаря особенному режиму воздействия струй, более точный и более стабильный во времени, особенно при сепарации частиц неправильной формы. Это стало возможным потому, что воздействие потоком каскада струй в режиме сканирования позволяет многократно и разнонаправлено подойти к каждой частице сыпучей смеси.
Но известные способ и устройство имеют следующие недостатки.
Знакопеременный и свободный режим работы каскада струй неотвратимо приводит к периодическому, нестабильному во времени и пространстве возникновению в нем зон давления и разряжения с появлением прямых и обратных течений. В зоне обратных течений происходит втягивание частиц (особенно легких) в направлении, обратном движению основного потока, что приводит к частичному их смешиванию с уже отсепарированным материалом. Нестабильность во времени этого явления, в конечном итоге, приводит к размыканию (разрыву) каскада струй в любом случайном месте, что еще в большей мере усиливает обратное течение в этой зоне и, как результат, интенсифицирует процесс смешивания. Кроме того, размыкание струй способствует срыву генерации (прекращению колебательного процесса), что заметно снижает качество сепарации, приближая его к качеству сепарации обычной веялкой.
Известен также способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающийся в гравитационной подаче частиц, аэродинамическом монотонно возрастающем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй и выводе готовых фракций. При этом аэродинамическое воздействие осуществляют в режиме резонансного автоколебательного движения каждой струи и всего каскада струй на частоте первой гармоники колебаний. Устройство для реализации описанного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде содержит бункер с вибролотком, установленный под ними генератор воздушных струй, с расположенными друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху вниз, и который связан с источником подачи воздуха под давлением, а также охваченный боковыми стенками, и сборники фракций. При этом каждая пара смежных сопел оснащена резонансной камерой, связанной с их межсопловым пространством. Кроме того, камеры оснащены устройством для регулирования их объема, причем отношение высоты поперечного сечения сопел к шагу их установки находится в пределах 0,2-0,25, а отношение крайнего верхнего и крайнего нижнего углов установки сопел - 0,65-0,75 [см. пат. Украины №60254 по классу В07В 4/02, A01F 12/44 опубликованный 15.07.2005 года в Бюл. №7].
Использование каскада плоских струй для процесса сепарации, безусловно, обеспечивает достаточное качество разделения сыпучей смеси на фракции, но лишь в том случае, когда указанный каскад струй находится в автоколебательном режиме взаимодействия друг с другом на частоте первой гармоники. Но образование автоколебательного режима нуждается в оснащении устройства резонансными камерами, что, естественно, усложняет устройство. К тому же, для точного выхода на резонансную частоту, резонансные камеры оснащены регуляторами их объема, а для исключения возможности возникновения автоколебательного процесса на частотах высших гармоник вынуждает достаточно точно выдерживать шаг и углы установления сопел. Следовательно, невзирая на то, что описанный способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде обеспечивает необходимое качество разделения смеси на фракции, но его реализация нуждается в существенном усложнении устройства и его применения, в частности, в регулировании объема резонансных камер, что и является их взаимосвязанным недостатком. Упростить же устройство, без отказа использования каскада плоских струй, можно лишь при условии изменения принципа формирования такого каскада.
Наиболее близкими по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемыми за прототипы, является способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающимся в гравитационной подаче частиц, аэродинамическом монотонно растущем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй и выводе готовых фракций, причем перед аэродинамическим воздействием на частицы смеси, течение каждой струи переводят в режим развитой турбулентности путем расширения их по вертикали до слияния друг с другом со сбойной или близкой к ней формой течения и образовании в начале каждого межструйного пространства всех смежных струй не менее двух циркуляционных зон отличающихся по величине. Устройство для реализации описанного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде содержит бункер с вибролотком, установленный под ними генератор, с расположенными одно под другим и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху вниз, и который связан с источником подачи воздуха под давлением и охваченный боковыми стенками, а также сборники фракций, причем каждое сопло снабжено прямоугольной жесткой стенкой, примыкающей к нему сверху по всей ширине [см. пат. России №2403096 по классу В07В 4/02, В07В 11/00 опубликованный 10.11.2010 года].
Использование высокотурбулентных плоских струй для процесса сепарации, безусловно, обеспечивает очень высокое качество разделение сыпучей смеси на фракции по удельному весу. Но данным способом не удается разделять сыпучую смесь, состоящую из частиц, длина которых в несколько раз превышает их ширину (например, семена мятлика лугового, пастбищного пырея, остра безостого, овса и т.п.), то есть выполнять триерные функции, поскольку «битые» семена имеют такой же удельный вес, что и целые. Поскольку известный способ сепарации не может воздействовать на семена иным каскадом турбулентных струй, что обусловлено конструкцией сопел устройства, эти известные объекты техники имеют ограниченные функциональные возможности, ссужающие область их применения, что и является их общим технико-технологическим недостатком.
В основу изобретения поставлена задача создания способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде и устройства для его осуществления, обеспечивающих разделение удлиненных частиц, как по удельному весу, так и по их длине за счет изменения условий аэродинамического воздействия на семена находящихся в свободном полете путем изменения взаимной пространственной ориентации и размеров плоских стенок в генераторе воздушных струй.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающимся в гравитационной подаче частиц, аэродинамическом монотонно возрастающем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом расширяющихся турбулентных воздушных струй и отводе готовых фракций, согласно предложению, верхняя и нижняя стенки каждого сопла расположены под острым углом друг к другу, причем ширина верхней стенки составляет не менее 3,5 размера высоты наименьшего поперечного сечения сопла, а ширина нижней стенки - соизмерима с ней.
Решение поставленной задачи достигается также и тем, что в устройстве для сепарации сыпучей смеси в текучей среде, включающем бункер с вибролотком для гравитационной подачи смеси в зону сепарации, установленный под ними струйным генератор, с расположенными одно под другим плоскими соплами разной величины, образованные верхней и нижней плоскими стенками и охваченные боковыми стенками камеры сепарации, а также сборники фракций, согласно предложению, верхняя и нижняя стенки каждого сопла расположены под острым углом друг к другу, причем ширина верхней стенки составляет не менее 3,5 размера высоты наименьшего поперечного сечения сопла, а ширина нижней стенки - соизмерима с ней.
Отличительной особенностью предложенного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде является использование эффекта Коанда и
положительной обратной связи струй с воздухом в межструйном пространстве для перевода нижней плоскости каждой струи в автоколебательное движение с последующим апериодическим силовым воздействием на верхнюю плоскость нижерасположенной струи.
Такое формирование струй позволяет оказывать аэродинамическое воздействие на частицы не только в направлении суммарного воздушного потока, но и в направлении колебания струй, что, за счет сил инерции и продольного вращения частиц, выстаивает их преимущественно длинной осью вдоль суммарного воздушного потока.
Поскольку Миделево сечение битой и целой частиц, в этом случае оказывается одинаковым, то происходит «унос» (перенос) битых частиц воздушным потоком, как более легких в соответствующий для них сборник фракций.
При этом сохраняется и, даже, улучшается качество сепарации по удельному весу, частиц шаровидной и эллипсоидной форм.
Техническим результатом изобретения является возможность путем внесения незначительных изменений в размеры и пространственное взаимное расположение стенок сопел, изменить характер истечения и свойств воздушных струй, теперь способных разделять на фракции, как семена обычной формы, так и удлиненный, выделяя из них «битые» (некачественные) семена и, тем самым, значительно расширить технико-функциональные возможности заявляемых объектов техники, следовательно, и области их совместного использования.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков предложенных технических решений, полученных благодаря внесению соответствующих конструктивных изменений в сопла генератора, обеспечивает достижение технического результата, сформулированного в постановке задачи.
Дальнейшая сущность заявленных технических решений поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг. 1 - схема заявляемого устройства для осуществления заявляемого способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде; фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1 (сечение сопла). Пунктирными линиями показано движение воздушных струй в зоне сепарации.
3
3
4
Устройство для осуществления способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде состоит из бункера 1 с вибролотком 2 для гравитационной подачи частиц смеси в зону сепарации. Под вибролотком 2 установлен струйный генератор 3, представляющий собой замкнутый объем с набором ряда плоских сопел 4. Каждое сопло 4 образовано верхней стенкой 5 и нижней стенкой 6. Все сопла закрыты по торцам боковыми стенками камеры сепарации 7 для исключения подсоса воздуха из атмосферы, который неизбежно приведет к срыву генерации струй. Генератор 3 связан с источником подачи воздуха под давлением Р. Количество сопел 4 зависит от необходимой производительности устройства, но не может быть меньше трех. Высота поперечного сечения сопел 4 h и шаг Z между соплами 4 увеличиваются сверху вниз. Верхняя стенка 5 и нижняя стенка 6 каждого сопла 4 расположены под острым углом α друг к другу. Ширина верхней стенки 5 составляет не менее 3,5 размеров высоты наименьшего поперечного сечения сопла 4, а ширина нижней стенки 6 - соизмерима с ней. К генератору 3 со стороны сопел 4 снизу примыкают сборники фракций 8.
Предложенный способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде с помощью описанного выше устройства осуществляется следующим образом.
Сначала осуществляют гравитационную подачу частиц сыпучего материала. Для осуществления этой операции используют вибролоток 2. На частицы, находящиеся в свободном падении, действуют под острым углом к вертикали каскадом плоских струй (показаны пунктиром) в режиме
развитой турбулентности, которая возникает благодаря искривлениям струй во время их расширения в соплах 4, а наличие верхней стенки 5 определенного размера и нижней стенки 6, установленных под углом друг к другу, обеспечивает возникновение эффекта Коанда и положительной обратной связи струй с воздухом в межструйном пространстве для перевода нижней плоскости каждой струи в автоколебательное движение с последующим апериодическим силовым воздействием на верхнюю плоскость нижерасположенной струи.
Для возникновения эффекта Коанда, необходимо чтобы длина стенки, прилегающей к щели (собственно говоря, образующей сопло), превышало его (зазор) не менее, чем в два раза. В противном случае эффект Коанда отсутствует. Как видно на фиг. 1 верхняя стенка сопла имеет длину, превышающую размер щели, в несколько раз, что обеспечивает присутствие эффекта Коанда (верхняя часть струи, вы ходящей из щели, «прилипает» к верхней стенке, то есть изменяет направление своего движения и снижается ее скорость из-за трения о верхнюю стенку). Нижняя стенка сопла имеет длину, соизмеримую с размером щели, примерно одинаковы, что обеспечивает отсутствие эффекта Коанда (верхняя часть струи, выходящей из щели, продолжает свободно двигаться в межструйном пространстве с первоначальной скоростью).
Благодаря «прилипанию» части струи к верхней стенке, она (струя) отклоняется вверх, в то время как часть струи, оказавшаяся около нижней стенки продолжает двигаться горизонтально. Как только оканчивается нижняя стенка, нижняя часть струи начинает постепенно разворачиваться вниз и врезается в верхнюю часть нижней струи (выходящей под углом вверх от верней стенки нижестоящего сопла), то есть, оказывая на нее силовое воздействие. Это вызывает турбулентность суммарно далее движущейся струи и ее автоколебание за счет хаотического возникновения в турбулентной среде вихрей разного размера и формы (круглых, овальных).
Столкновение верхней и нижней частей одной струи с нижней и верхней частями соседней струи и есть обратная связь с воздухом в межструйном пространстве.
После прохождения частицами каскада струй осуществляют отвод готовых фракций. Одновременно с этим осуществляют отбор промежуточных фракций и возврат их на повторную сепарацию.
Предложенные технические решения проверены на практике. Предложенный способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде, а также устройство для его осуществления, не содержат в своем составе технологических операций, режимов обработки или конструктивных элементов, деталей, кинематических схем и узлов, которые невозможно было бы воспроизвести на современном этапе развития науки и техники, в частности, в области сельскохозяйственного машиностроения, следовательно, считаются соответствующими критерию «промышленная применимость» поскольку могут быть реально изготовлены и реализованы в сепараторах для сепарации зерна и семян злаковых, травянистых и прочих сельскохозяйственных культур.
В известных источниках патентной, научно-технической и другой информации не обнаружено аналогичных или подобных технических решений, содержащих в своем составе всю совокупность существенных признаков, присущих предложенным способу сепарации сыпучих материалов в текучей среде и устройству для его осуществления, поэтому предложенные технические объекты считаются соответствующими критерию «новизна».
Поскольку для специалистов в данной области знаний указанные существенные признаки не вытекают и вообще не могут вытекать из существующего уровня техники, а также технический результат, заключающийся в удовлетворении определенной потребности потребителей в одновременном качественной, производительной и эффективной сепарации
сыпучих материалов любого вида, попытки получить который до этого времени не удавался специалистам, можно сделать вывод о соответствии предлагаемых технических решений критерию «изобретательский уровень».
К техническим преимуществам предложенных технико-технологических решений является возможность изменить характер истечения и свойств воздушных струй, теперь способных разделять на фракции, как семена обычной формы, так и удлиненный, выделяя из них «битые» (некачественные) семена и, тем самым, значительно расширить функциональные возможности заявляемых объектов техники, следовательно, и области их совместного использования. Это позволило сделать предложенные технические решения универсальными, способными обрабатывать любой вид сыпучего материала в соответствии с поставленными технологическими целями.
Экономический эффект от внедрения предложенных технических решений, по сравнению с использованием прототипов, получают за счет повышения качества готового продукта и универсальности устройства и способа.
Социальный эффект от внедрения предложенных технических решений, по сравнению с использованием прототипов, получают за счет возможности обработки семенного материала любого происхождения, а также использование для обработки материалов небиологического происхождения.
После описания предложенного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде и устройства для его осуществления, специалистам в данной отрасли знаний должно быть очевидным, что все вышеописанное является лишь иллюстративным, а не ограничительным, будучи представленным данным примером. Многочисленные возможные модификации элементов устройства, в частности, количества сопел и их размеров, используемых
материалов, могут изменяться в зависимости от исходного состояния и вида сепарируемого материала и, понятно, находятся в пределах объема одного из обычных и естественных подходов в данной области знаний и рассматриваются таковыми, как находящиеся в пределах объема предложенных технических решений.
Квинтэссенцией предложенных технических решений является то, что сепарация осуществляется каскадом воздушных струй с измененными свойствами, которые удалось получить путем специального изменения размеров и взаимного расположения верхней и нижней стенок каждого сопла, что позволило разделять на фракции, как семена обычной формы, так и удлиненный, тем самым расширить область применения этих объектов и одновременно повысить качество разделения сыпучей смеси на фракции, и именно эти обстоятельства позволили приобрести предложенному способу и устройству перечисленные выше и другие преимущества. Изменение предложенного принципа формирования каскада струй, режима их истечения на иной и влияния на частицы смеси, находящиеся в свободном полете, естественно, ограничат спектр преимуществ, перечисленных выше, и не могут считаться новыми техническими решениями в данной области знаний, поскольку иные, подобно заявленному способу сепарации сыпучей смеси в текучей среде и устройству для его осуществления, уже не требует никакого творческого подхода от конструкторов и инженеров, а потому не могут считаться результатами их творческой деятельности или новыми объектами интеллектуальной собственности, подлежащими защите охранными документами.