УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ СЫПУЧЕЙ СМЕСИ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ

Полезная модель относится к оборудованию для сортировки твердых сыпучих материалов с помощью воздушных потоков, а более конкретно к автоматическим устройствам для очистки семян зерновых, овощных и травяных культур, и может быть использована на селекционных станциях, семенных заводах, фермерских хозяйствах, зерновых элеваторах, в мукомольном и комбикормовом производстве.
Из уровня техники известны устройства для сепарации сыпучих материалов каждое из которых включает загрузочный бункер, камеру сепарации, сопло для подачи воздушного потока соединенное с нагнетательным вентилятором, сборники готовых фракций, см., пат. RU 63716 на полезную модель, кл. B07B 4/02, опубликован 10.06.2007, или пат. RU 68930 на полезную модель, кл. B07B 4/02, опубликован 10.12.2007, или пат. RU 88584 на полезную модель, кл. B07B 4/02, опубликован 20.11.2009, или пат. RU 2270061 на изобретение, кл. B07B 4/02, опубликован 20.02.2006, или пат. RU 2340411 на изобретение, кл. B07B 11/00, опубликован 10.12.2008. Общим недостатком перечисленных известных устройств является отсутствие восходящего воздушного потока, направленного навстречу сепарируемому сыпучему материалу, что сокращает эффективное время пребывания сыпучего материала в камере сепарации и ухудшает условия разделения, а также ведет к неоправданному увеличению габаритных размеров камеры сепарации и всего устройства в целом.
Известна Установка для разделения разнородных материалов, кторая включает в себя разделительную камеру, в верхней части ее есть дозатора для обрабатываемого материала, который свободно падает в указанную камеру, средство для введения в указанную камеру газовых потоков приводящих в движение с соответствующей скоростью и направляющих материалы, устройства и системы сбора материалов в различных точках сбора фракций, при этом бункеры, в которые собираются готовые фракции, могут быть оснащенысредствами создания восходящего газового потока для возгонки более легких продуктов, а точки сбора фракций могут быть отделены друг от друга подвижными закрылками для регулирования состава полученного продукта, см., патент FR 975556, опубликовано 1951.03.07. В указанной известной установке встречный восходящий поток нагнетается из бункеров сбора фракций, а подвижные закрылки при этом выполняют не роль регуляторов восходящего потока, а средств регулирования количественного соотношения фракций, как и в некоторых перечисленных выше известных решениях.
Известно устройство для сепарации сыпучей смеси в текучей среде, включающее средства загрузки и подачи сыпучей смеси, расположенный под ними струйный генератор с соплами и нагнетателем воздуха, сепарационную камеру, сборники готовых и повторных фракций, по крайней мере, один отбойник воздушного потока, выполненый в виде поверхности выпуклой формы, расположенной на задней стенке сепарационной камеры и формирователь восходящего воздушного потока выполнен в виде эжекционных окон для прохода атмосферного воздуха, расположенных в днище сепарационной камеры между несколькими сборниками фракций, при этом поверхность выпуклой формы выполнена волнообразной, длина сепарационной камеры составляет 1,3-1,5 высоты сепарационной камеры, а ширина сепарационной камеры составляет 2,1-2,3 высоты сепарационной камеры, эжекционные окна для прохода атмосферного воздуха выполнены между вторым, третьим и четвертым сборниками готовых и повторных фракций, каждое эжекционное окно для прохода атмосферного воздуха имеет форму щели, ширина которой составляет 0,02-0,03 высоты сепарационной камеры, или в виде набора отверстий круглой или прямоугольной формы, расположенных рядами с переменным шагом, см., пат. RU, 2336131 на изобретение, кл. B07B 4/02, опубликован 20.10.2008. Устройство, как следует из описания, также может содержать одну или несколько решеток для выравнивания воздушного потока и позволяет увеличить время эффективного пребывания частиц сыпучего сепарируемого продукта в камере сепарации и снизить степень турбулентности сепарирующего воздушного потока при сохранении высокого качества переработки сепарируемого продукта с различными механическими свойствами.
Недостатком прототипа является неуправляемый характер восходящего воздушного потока, что обусловлено отсутствием средств обеспечивающих возможность изменения интенсивности и направленности эжектируемого в сепарационную камеру потока атмосферного воздуха. Указанная особенность прототипа чревата тем, что при недостаточной интенсивности восходящего воздушного потока, часто возникающей на переходных и нестабильных режимах, частицы фракций сепарируемого продукта могут выпадать из сепарационной камеры через эжекционные окна, минуя сборники готовых и повторных фракций, что снижает качество и полноту переработки. Указанные недостатки прототипа ограничивают область его эффективного применения и не позволяют использовать для целей настоящей полезной модели.
Предлагаемая полезная модель направлена на достижение нового технического результата, который выражается в том, что в устройстве для сепарации сыпучей смеси реализована возможность регулирования интенсивности и направленности восходящего воздушного потока поступающего в сепарационную камеру через эжекционные окна вплоть до полного перекрытия. В конечном итоге, указанный технический результат позволяет повысить полноту сепарации сыпучей смеси, тем самым улучшить производительность. При этом в конструкции максимально сохранены все положительные свойства прототипа, в том числе увеличенное время эффективного пребывания частиц сыпучего сепарируемого продукта в камере сепарации и пониженная степень турбулентности сепарирующего воздушного потока.
Положительный результат достигается тем, что устройство для сепарации сыпучей смеси в текучей среде, включающее средство загрузки и подачи сыпучей смеси, расположенный под ним струйный генератор с соплами и нагнетателем воздуха, сепарационную камеру с крышкой, отбойником воздушного потока расположенным на ее задней стенке и расположенными в ее днище сборниками готовых и повторных фракций, при этом в днище сепарационной камеры выполнен формирователь восходящего воздушного потока в виде, расположенных между сборниками фракций, эжекционных окон для прохода атмосферного воздуха отличается от прототипа тем, что, оно снабжено спрямляющим аппаратом, расположенным в струйном генераторе перед соплами, регулятором расхода нагнетателя воздуха и, по меньшей мере, одной направляющей заслонкой установленной на выходе формирователя восходящего воздушного потока.
Предпочтительно выполнение: спрямляющего аппарата в виде, по меньшей мере, одной плоской решетки, расположенной в воздуховоде струйного генератора перпендикулярно направлению воздушного потока; регулятора расхода нагнетателя воздуха в виде шиберной заслонки, расположенной между нагнетателем воздуха и спрямляющим аппаратом с возможностью перекрытия проходного сечения воздуховода струйного генератора; направляющей заслонки в виде прямоугольной пластины, установленной с возможностью поворота и перекрытия проходного сечения формирователя восходящего воздушного потока, при этом в крайнем открытом положении пластина расположена вертикально, а в промежуточном - с возможностью отклонения восходящего воздушного потока в сторону сопел. Улучшению аэродинамических свойств устройства способствует волнообразная форма поверхности крышки и отбойника воздушного потока сепарационной камеры. Оптимальной с точки зрения достижения указанного технического результата является длина сепарационной камеры составляющая 1,3-1,5 высоты сепарационной камеры, и ширина сепарационной камеры составляющая 2,1-2,3 высоты сепарационной камеры. Целесообразно выполнение эжекционных окон для прохода атмосферного воздуха расположенными между вторым, третьим и четвертым сборниками готовых и повторных фракций. Возможно выполнение эжекционных окон в форме щели, ширина которой составляет 0,02-0,03 высоты сепарационной камеры. Альтернативно возможно выполнение эжекционных окон для прохода атмосферного воздуха в виде набора круглых или прямоугольных отверстий.
При осуществлении точной многофракционной сепарации и тонкой очистки сыпучей смеси в текучей среде посредством горизонтального воздушного потока, определяющую роль играет длительность эффективного пребывания частиц сепарируемого сыпучего продукта в указанном воздушном поток, т.е. в камере сепарации. Чем больше время пребывания частиц, тем большее количество фракций сепарируемого продукта возможно выделить и тем большее количество легколетучих фракций возможно удалить. Увеличение длительности эффективного пребывания за счет наращивания габаритной высоты сепарационной камеры более одного метра сопряжено с повышенными энергозатратами и материалоемкостью устройства. Создание восходящего потока атмосферного воздуха навстречу частицам товарных фракций сыпучей смеси, позволяет замедлить их падение под воздействием силы тяжести и увеличить эффективное время пребывания в рабочей зоне сепарационной камеры. При этом формирование восходящего воздушного потока не требует дополнительных энергозатрат, поскольку осуществляется за счет эжекции атмосферного воздуха через эжекционные окна. Восходящий воздушный поток позволяет осуществить выделение не менее четырех товарных фракций с содержанием некондиционного материала во фракции не более 1,5-2,0% при высоте сепарационной камеры не превышающей 0,9 метра. Производительность устройства в основном определяет ширина сепарационной камеры и при ее отношении к высоте в пределах 2,1-2,3 обеспечивается оптимальная рентабельность. Длина сепарационной камеры зависит от механических свойств перерабатываемого материала и при ее величине 1,3-1,5 высоты обеспечивается наибольшая универсальность устройства. Экспериментально установлена ширина щели эжекционных окон, составляющая 20…25 мм, при которой возникающий эжекционный эффект достигает максимального значения. Выполнение эжекционных окон в виде круглых или прямоугольных отверстий с определенным шагом, позволяет простыми средствами достигнуть выравнивания поля скоростей восходящего воздушного потока по всей ширине сепарационной камеры. Стабилизации скорости восходящего воздушного потока способствуют автоколебания поворотных направляющих заслонок установленных на эжекционных окнах. Стабилизации скорости и направленности основного воздушного потока от струйного генератора способствуют регулятор расхода нагнетателя воздуха и спрямляющий аппарат, последовательно смонтированные в проходном сечении воздуховода струйного генератора. Таким образом в сепарационной камере поддерживается оптимальное соотношение интенсивности основного и восходящего воздушных потоков.
Качество сепарации и тонкой очистки сыпучей смеси в текучей среде, а также стабильность работы устройства в большой степени зависит от характера течения воздушного потока в сепарационной камере. При возникновении срывов воздушного потока, образовании зон турбулентности или застойных зон происходит резкое снижение эффективности работы устройства. Указанные явления возникают в сепарационной камере также вследствие взаимодействия воздушного потока с элементами ее конструкции. Вероятность турбулизации воздушного потока максимальна при взаимодействия воздушного потока с крышкой и задней стенкой сепарационной камеры, поэтому для улучшения условий обтекаемости она оснащена отбойником воздушного потока. Поверхность крышки и отбойника воздушного потока сепарационной камеры выполнена выпукло-вогнутой и волнообразной. Такая форма поверхности позволяет улучшить обтекаемость, минимизировать аэродинамическое сопротивление воздушному потоку и исключить возникновение застойных зон.
Таким образом, все отличительные от прототипа признаки устройства для сепарации сыпучей смеси в текучей среде направлены на получение технического результата, а именно, обеспечение возможности регулирования интенсивности и направленности восходящего воздушного потока.
Техническое решение, характеризующееся описанной совокупностью существенных признаков, является новым и промышленно применимым.
Техническое решение иллюстрировано чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид устройства для сепарации сыпучей смеси в текучей среде; фиг.2 - узел I на фиг.1 увеличено, направляющая заслонка расположена в промежуточном положении; фиг.3 - вид A на фиг.1; фиг.4 - узел II на фиг.3 увеличено, в исполнении эжекционного окна для прохода атмосферного воздуха в виде набора отверстий; фиг.5 - то же что и на фиг.4, в исполнении отверстий прямоугольными.
Устройство для сепарации сыпучей смеси в текучей среде включает средство 1 загрузки и подачи сыпучей смеси, струйный генератор 2, сепарационную камеру 3, сборники 4 готовых и повторных фракций. Средство 1 загрузки и подачи сыпучей смеси включают бункер 5, снабженный шибером 6 и виброприспособлением 7 (на фигуре условно изображено в виде пружины) для равномерной подачи частиц сыпучей смеси в сепарационную камеру 3.
Струйный генератор 2 смонтирован под бункером 5 и состоит из нагнетателя воздуха 8 выполненного, например, в виде вентилятора, воздуховода 9 и набора плоских ориентированных сопел 10. Внутри воздуховода 9, непосредственно перед соплами 10 смонтирован спрямляющий аппарат 11 для выравнивания воздушного потока, выполненный в виде плоской решетки (на фигуре условно изображена одна плоская решетка, а направление основного воздушного потока обозначено группой стрелок расположенных перпендикулярно решетке). Возможно выполнение спрямляющего аппарата 11 в виде нескольких последовательно установленных решеток или сеток, которые при этом монтируются в проходном сечении воздуховода 9 перпендикулярно направлению основного воздушного потока. Внутри воздуховода 9, между нагнетателем 8 воздуха и спрямляющим аппаратом 11 расположен регулятор расхода 12, указанного нагнетателя 8 воздуха, выполненный в виде шиберной заслонки, расположенной с возможностью перекрытия проходного сечения воздуховода 9 струйного генератора 2 (на фигуре шиберная заслонка изображена в промежуточном положении, а двухсторонней стрелкой обозначено возможное направление ее перемещения). Регулятор расхода 12 принципиально может быть установлен на входе в нагнетатель 8, а его исполнение может включать различные механические и электронные элементы.
Сепарационная камера 3 представляет собой прямоугольный замкнутый объем, характерным размером которой является высота. На фигурах высота сепарационной камеры 3 обозначена буквой H, соответственно длина сепарационной камеры 3 составляет (1,3-1,5)H, а ширина сепарационной камеры 3 составляет (2,1-2,3)H. На внутренней поверхности задней стенки сепарационной камеры 3, напротив сопел 9 расположен отбойник 13 воздушного потока. Верхняя часть сепарационной камеры 3 имеет крышку 14. Отбойник 13 воздушного потока и крышка 14 выполнен в виде выпукло-вогнутой поверхности волнообразной формы. Боковые стенки сепарационной камеры 3 также могут иметь волнообразной форму. Над отбойником 13, в верхней части задней стенки сепарационной камеры 3, выполнен проем 15 для отвода из сепарационной камеры 3 воздушного потока и легколетучих фракций. Днище сепарационной камеры 3 представляет собой совокупность чередующихся в определенной последовательности сборников 4 готовых и повторных фракций. Деление сборников 4 по предназначению для готовых и повторных фракций является условным и зависит от свойств перерабатываемой сыпучей смеси. Существенным является порядковый номер сборника 4 исходя из его удаленности от передней (сопловой) стенки сепарационной камеры 3. Так в первом или наиболее близком к передней стенке сборнике 4 будут собираться наиболее плотные фракции, а по мере удаления сборника 4 плотность собирающейся в нем фракции будет убывать. Сборники 4 представляют собой, расположенные поперек сепарационной камеры 3 на всю ее ширину, делительные желоба, каждый из которых имеет разгрузочную горловину (на фигурах горловины условно не показаны).
Кроме сборников 4 в днище сепарационной камеры 3 смонтирован формирователь восходящего воздушного потока, который выполнен в виде совокупности эжекционных окон 16 для прохода атмосферного воздуха. Эжекционные окна 16 на фигурах изображены расположенными между вторым и третьим, третьим и четвертым, четвертым и пятым сборниками 4. Тем не менее, эжекционные окна 16 могут быть расположены и между другими сборниками 4, в том числе и между всеми. В самом простом случае реализации устройства (см. фиг.3), каждое эжекционное окно 16 для прохода атмосферного воздуха имеет форму прямоугольной щели протяженность которой составляет 2,1-2,3 высоты сепарационной камеры 3, а ширина составляет 0,02-0,03 высоты сепарационной камеры 3. Возможна реализация устройства (см. фиг.5) в котором каждое эжекционное окно 16 для прохода атмосферного воздуха выполнено в виде рядов круглых отверстий 17, или (см. фиг.5) прямоугольных отверстий 18. При этом отверстия 17 и 18 в рядах расположены с переменным шагом, т.е. межцентровые расстояния отверстий 17 или 18 различны.
Устройство оснащено, по меньшей мере, одной направляющей заслонкой 19 установленной на выходе формирователя восходящего воздушного потока, т.е. вдоль кромки эжекционного окна 16. На фигуре 1 изображено устройство с тремя направляющими заслонками 19 установленными на всех трех эжекционных окнах 16 для прохода атмосферного воздуха. Каждая направляющая заслонка 19 выполнена в виде прямоугольной пластины, шарнирно укрепленной вдоль длинной стороны эжекционного окна 16 с возможностью поворота и полного перекрытия проходного сечения эжекционного окна 16. На фигуре 1 направляющие заслонки 19 изображены в трех различных положениях, так ближайшая к соплам 10 направляющая заслонка 19 изображена в крайнем открытом положении, т.е. ориентирована вертикально, средняя - в положении полного перекрытия проходного сечения эжекционного окна 16, т.е. ориентирована горизонтально, а наиболее удаленная от сопел 10 - в промежуточном т.е. наклонном (см. также фиг 2). Положение каждой направляющей заслонки 19 в каждый конкретный момент работы устройства может быть визуализировано, например, посредством флажка (на фигурах условно не показан) соединенного с этой направляющей заслонкой 19 и вынесенного за пределы сепарационной камеры 3. Направление восходящего воздушного потока на фигуре 2 в проходном сечения формирователя восходящего воздушного потока условно обозначено группой стрелок.
Устройство функционирует следующим образом.
Сыпучую смесь, подлежащую сепарации, например, зерно засыпают в бункер 5 средства 1 загрузки и подачи сыпучей смеси. При подключении устройства к линии электропитания включается виброприспособление и струйный генератор 2. После того как струйный генератор 2 заработает в установившемся режиме приподнимают шибер 6 и в сепарационную камеру 3 осуществляется равномерная подача частиц исходной сыпучей смеси. Выбор оптимального режима работы струйного генератора 2 осуществляется посредством перемещения шиберной заслонки регулятора расхода 12 нагнетателя 8 воздуха. Недостаточная производительность нагнетателя 8 характеризуется падением направляющих заслонок 19 в положении полного перекрытия проходного сечения эжекционных окон 16 и как результат повышенным содержанием сепарируемого материала в первых сборниках 4. Избыточная производительность нагнетателя 8 характеризуется полным открытием всех направляющих заслонок 19, повышенным содержанием сепарируемого материала в последних сборниках 4 и даже выбросом легких фракций семян через проем 15. Наличие в проходном сечении воздуховода 9 спрямляющего аппарата 11 в виде нескольких последовательно установленных решеток или сеток, позволяет создать на входе в сопла 10 равномерный основной поток, характеризующийся минимальным градиентом скорости и направления по всему сечению, что очень важно для стабильной работы сопел 10 и всего струйного генератора 2. При этом важно для минимизации потерь напора и турбулентности, чтобы поток воздуха из нагнетателя 8 входил в спрямляющий аппарат 11 под прямым углом.
Струйный генератор 2, благодаря набору плоских ориентированных сопел 10, обеспечивает подачу в сепарационную камеру 3 равномерного и практически горизонтально направленного воздушного потока. Воздушный поток из струйного генератора 2 подхватывает массу свободно падающего из бункера 5 сепарируемого материала. В результате воздействия на сыпучую смесь сканирующего каскада плоских воздушных струй происходит разделение частиц сепарируемого материала на фракции отличающиеся плотностью и аэродинамическими характеристиками. Более плотные и обтекаемые частицы опускаются в зону первого сборника 4, а менее плотные с развитой поверхностью отбрасываются к последующим сборникам 4. В зону первого сборника 4, таким образом, поступают камни и тяжелые примеси, второго - посевное зерно, третьего - продовольственное зерно, четвертого и пятого -фуражное зерно, последующих - нетоварные фракции сыпучей смеси. Легколетучие и пылевидные фракции увлекаются воздушным потоком струйного генератора 2 и выносятся из сепарационной камеры 3 через проем 15 для отвода воздушного потока. Стабилизации ламинарного (безвихревого) течения воздушного потока в сепарационной камере 3 способствует обтекаемая выпукло-вогнутая волнообразная форма поверхности крышки 14 и отбойника 13 воздушного потока.
Эжекционные окна 16 для прохода атмосферного воздуха расположены, преимущественно, между сборниками 4 товарных фракций и обеспечивают кондиционирование последних. В процессе перемещения воздушного потока от струйного генератора 2 по длине сепарационной камеры 3 с образованием текучей среды, в последней возникает разрежение по отношению к окружающей устройство атмосфере, результатом чего является эжектирование (подсос) атмосферного воздуха в сепарационную камеру 3 через эжекционные окна 16 формирователя восходящего воздушного потока. Эжектируемый восходящий поток атмосферного воздуха поднимается через эжекционные окна 16 снизу в верх навстречу частицам товарных фракций сыпучей смеси, падающим к соответствующим сборникам 4. Таким образом, возникает встречное движение восходящего потока атмосферного воздуха и частиц товарных фракций сыпучей смеси, что приводит к замедлению падения (взвешиванию) последних, увеличению эффективного времени пребывания их в рабочей зоне сепарационной камеры 3 и повышению точности разделения товарных фракций до 98-98,5% т.е. когда наличие некондиционного материала во фракции не превышает 1,5-2,0%. Фракции сепарируемой сыпучей смеси накапливаются в соответствующих сборниках 4 и периодически выгружаются из них на дальнейшую переработку.
Поскольку интенсивность восходящего воздушного потока поступающего в сепарационную камеру 3 через эжекционные окна 16 зависит от степени разрежение в ней, то при недостаточном разрежении (скорости основного потока) расход эжектируемого атмосферного воздуха в сепарационную камеру 3 через эжекционные окна 16 также уменьшается, однако благодаря повороту направляющих заслонок 19 и частичному перекрытию проходного сечения формирователя восходящего воздушного потока скорость восходящего воздушного потока сохраняется, что позволяет поддерживать оптимальный режим сепарации с обеспечением эффективного времени пребывания частиц товарных фракций сыпучей смеси в рабочей зоне сепарационной камеры 3. При этом за счет изменения направления восходящего воздушного потока при отражении его от наклоненных направляющих заслонок 19 в сторону сопел 10, эффективная зона сепарации также смещается в сторону сопел 10 и поддерживает свои свойства. Направляющие заслонки 19, преимущественно свободно установлены в шарнирах, за счет чего обеспечивается процесс авторегулирования интенсивности восходящего воздушного потока, вплоть до полного перекрытия проходного сечения формирователя восходящего воздушного потока под собственным весом направляющих заслонок 19. Полное, или почти полное перекрытие возникает на переходных и нестабильных режимах, не является оптимальным и сигнализирует о необходимости перемещения шиберной заслонки регулятора расхода 12 нагнетателя 8 воздуха в сторону увеличения производительности струйного генератора 2. Вместе с тем при существенном снижении интенсивности восходящего воздушного потока и перекрытии направляющих заслонок 19, предотвращается возможное проникновение частиц фракций сепарируемого продукта из сепарационной камеры 3 через эжекционные окна 16, указанные частицы скатываются по внешней поверхности направляющих заслонок 19 в соседние сборники 4 готовых или повторных фракций.
Описанные выше примеры реализации устройства для сепарации сыпучей смеси не является исчерпывающими и приведены только с целью пояснения полезной модели и подтверждения ее промышленной применимости. Специалисты в данной области могут улучшить ее и (или) осуществить альтернативные варианты в пределах сущности данной полезной модели, отраженной в ее описании.
Устройство эффективно при использовании его для осуществления точной многофракционной сепарации сыпучей смеси, в том числе зерновых культур простой и сложной формы, что очень важно в сельском хозяйстве для селекционных целей, а также при обработке и подготовке семян для посева. Кроме того устройство не требует специальной квалификации персонала при его использовании и обслуживании, надежно и рентабельно в эксплуатации.