СПОСОБ ОБЪЁМНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR BULK AUTOMATIC DISPENSING OF BULK MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области дозирования сыпучих материалов, и может найти применение в системах управления технологическими процессами химической, пищевой, фармацевтической промышленности, в агропромышленном комплексе, в производстве строительных материалов, и других технологиях, где необходимо осуществлять подачу доз сыпучих материалов в технологические объекты или выгрузку в тару.
Целью изобретения является расширение диапазона производительности, повышение быстродействия и безотказности функционирования автоматического дозатора сыпучих материалов, при одновременном снижении энергетических затрат на процесс дозирования. Поставленная цель достигается за счет изложенной ниже последовательности операций, обеспечивающих осуществление процесса дозирования с характеристиками, улучшенными по сравнению с характеристиками аналогов и прототипа. Из дозирующей емкости через воздушный фильтр, по всасывающей линии воздуходувного агрегата откачивается газ, в результате чего, за счет силы внешнего давления в эту емкость по загрузочному трубопроводу поступает дозируемый материал, при этом в емкости измеряется разрежение, по величине которого определяется количество находящегося в ней материала. В момент, когда количество материала в емкости достигает заданной величины, по определяемому этой величиной значению разрежения формируется управляющий сигнал, в соответствии с которым откачка газа из емкости прекращается, и к емкости через фильтр подключается линия нагнетания воздуходувного агрегата. В результате материал выгружается под действием избыточного давления. После опорожнения емкости давление в ней падает до некоторого минимального значения. По сигналу о достижении минимальной величины избыточного давления линию нагнетания отключают и соединяют с областью внешнего давления, а линию всасывания воздуходувного агрегата подключают к емкости, в результате чего происходит заполнение последней очередной дозой материала.
Предлагаемый способ дозирования имеет ряд преимуществ перед известными техническими решениями. Повышается быстродействие дозатора, вследствие чего увеличивается верхний предел его производительности, происходит более полная очистка емкости от материала, что способствует повышению точности дозирования. За счет? обратной продувки газом обеспечивается очистка воздушного фильтра, в результате чего повышается надежность работы дозатора. Кроме того, в процессе дискретного дозирования работа воздуходувного агрегата не прекращается, вследствие чего отсутствуют затраты энергии, возникающие при включении и выключении его привода и повышается ресурс.
В настоящее время наибольшее распространение в промышленных технологиях получили объемный или весовой способы дозирования сыпучих материалов, реализуемые с применением механических дозаторов и питателей для сыпучих материалов [1, 2]. По принципу действия механические дозаторы весьма разнообразны, однако во всех конструкциях присутствуют подвижные элементы (клапаны, задвижки, шлюзы, подшипники, редукторы и др.), вследствие чего снижается надежность функционирования этих систем при контакте с мелкими фракциями сыпучих материалов.
Существенной проблемой в системах дозирования сыпучих материалов является необходимость обеспечения максимальной производительности при условии полного опорожнения емкостей и трубопроводов. От качественного выполнения этой операции зависит точность дозирования и быстродействие автоматических дозаторов.
Для интенсификации истечения материала и обеспечения полной разгрузки емкостей в транспортных и дозирующих системах для сыпучих материалов используют механическое, пневмомеханическое и пневматическое воздействие на материал.
В частности, по патенту на изобретение №: 2511634 «Устройство для дозированного выпуска связных трудносыпучих материалов» [3] в дозирующей емкости размещены пневматические надувные элементы, к которым подведены трубки для нагнетания избыточного давления или создания вакуума. Устройство также оснащено механическим сводоразрушителем, выполненным в виде рабочих органов Т-образной формы.
По патенту на изобретение №: 2450963 «Вакуумное устройство для разгрузки сыпучих материалов» [4] при опорожнении емкости с сыпучим материалом с целью очистки от зависающего материала осуществляется ее продувка сжатым воздухом, подаваемым из ресивера.
В широко применяемом в пищевой и фармацевтической промышленности устройстве для вакуумного транспортирования и дозирования сыпучих материалов фирмы PIAB [5] во время цикла всасывания установленный в фильтрующем элементе бачок, наполняется сжатым воздухом. При опорожнении емкости за счет расширения сжатого воздуха в бачке фильтрующего элемента происходит продувка и очистка фильтра.
Выполненное по патенту РФ №2215268 [6] «Устройство для объемного порционного дозирования сыпучего материала» содержит мерную камеру, в которую для ее полной очистки через дополнительные сопла подается воздух.
Общими недостатками рассмотренных выше технических решений, в том числе, использующих пневматическую очистку емкостей, являются необходимость использования дополнительного источника давления, а также низкая надежность функционирования, определяемая сложностью конструкции устройств и наличием в них подвижных элементов, кинематические пары которых подвержены интенсивному износу при работе в контакте с сыпучим материалом. Кроме того, негерметичные исполнительные устройства с механическими очистителями не отвечают требованиям экологической безопасности, а дозируемый материал в них подвергается воздействию атмосферной влаги. Перечисленных недостатков лишены бесклапанные пневматические системы дозирования и непрерывного управления расходом сыпучих материалов, в которых силовое воздействие на материал осуществляется напором газа, чаще всего, воздуха. Способ объемного дозирования сыпучего материала в потоке газа по патенту RU 2503932 С2 [7] имеет улучшенные характеристики в плане точности и надежности, однако, недостатком этого способа является значительное время заполнения мерной емкости и невозможность изменять, при необходимости, величину дозы.
Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому является способ автоматического дозирования сыпучих материалов и устройство для его осуществления по патенту РФ №2620905 «Способ автоматического дозирования сыпучих материалов и устройство для его осуществления» [8], в соответствии с которым в процессе заполнения сыпучим материалом бункера за счет создания в нем разрежения, измеряют перепад давления между верхней и нижней точками бункера и по заданной величине перепада давления отключают линию вакуума, при этом гидравлическое сопротивление разгрузочного трубопровода при всасывании по нему воздуха больше, чем гидравлическое сопротивление загрузочного патрубка при всасывании через него смеси материала с воздухом. Последнее условие позволяет отказаться от применения каких-либо подвижных элементов (клапанов, заслонок), функционирующих в контакте с сыпучим материалом.
Однако эксплуатация прототипа показала, что данному способу присущи некоторые недостатки, а именно:
- недостаточно высокое быстродействие при выдаче дозы;
- недостаточная эксплуатационная надежность вследствие работы воздуходувного агрегата в старт-стопном режиме и засорения воздушного фильтра;
- значительные энергозатраты, вызванные старт-стопным режимом.
Низкое быстродействие, в основном, определяется тем, что опорожнение емкости происходит под действием силы тяжести через выпускной трубопровод, который принципиально должен иметь большое аэродинамическое сопротивление, обеспечивающее удержание материала в емкости при ее загрузке. Недостаточная надежность и повышенные энергозатраты определяются тем, что работа устройства происходит в старт-стопном режиме работы привода воздуходувного агрегата (вакуум-насоса или всасывающего вентилятора в зависимости от плотности частиц дозируемого материала). Наличие пусковых режимов привода воздуходувного агрегата при выдаче каждой дозы, кроме того, также приводит к увеличению времени дозирования и снижает производительность дозатора.
Для преодоления перечисленных недостатков предлагается следующий алгоритм выполнения операции дозирования.
При непрерывной работе вакуум-насоса, после набора дозы по сигналу от датчика разрежения от емкости дозатора отключают линию всасывания воздуходувного агрегата и подключают к емкости линию нагнетания, обеспечивая при этом необходимую связь всасывающей линии воздуходувного агрегата с областью внешнего давления, например, с атмосферой. При подаче материала в герметичный аппарат областью внешнего давления может быть также газовый объем аппарата. Таким образом, выдача дозы производится под избыточным давлением по отношению к внешнему давлению, что уменьшает время опорожнения емкости. После опорожнения емкости давление в ней падает, что также фиксируется датчиком давления, по сигналу от которого производится очередное подключение к емкости дозатора линии всасывания, а линии нагнетания - к области внешнего давления, в результате чего емкость заполняется очередной дозой сыпучего материала.
Для реализации предлагаемого способа автоматического дозирования разработана система автоматического дозирования (САД), схема которой представлена на фигуре 1. Здесь 1 - расходная емкость, 2 - загрузочный материалопровод, 3 - дозирующая емкость; 4 - воздуходувный агрегат, 5 - воздуховод, 6 - воздушный фильтр, 7 и 8 - трехходовые клапаны, 9 - линия всасывания воздуходувного агрегата, 10 - линия нагнетания воздуходувного агрегата, 11 - разгрузочный трубопровод; 12 - датчик давления-разрежения, 13 - регулятор.
ЗД
ЗП
ВД
Реализация предлагаемого способа автоматического дозирования иллюстрируется циклограммой. К7 и К8 - состояние трехходовых клапанов, Р и (-Р) - избыточное давление и разрежение относительно давления в точке сопряжения емкости с разгрузочным трубопроводом (-Р) заданные значения избыточного давления и разрежения, при которых происходит переключение трехходовых клапанов, Q и Q - объемные расходы сыпучего материала при заполнении дозирующей емкости и при выдаче дозы соответственно, t - текущее время.
ЗД
ЗД
Устройство работает следующим образом. Сигналом от регулятора клапан 7 переключается в положение 1, при котором через воздушный фильтр 6 и воздуховод 5 дозирующая емкость 3 соединяется с линией всасывания 9 воздуходувного агрегата 4. Одновременно клапан 8 устанавливается в положение 2, при котором линия нагнетания 10 воздуходувного агрегата соединяется с областью внешнего давления. При работающем воздуходувном агрегате воздух поступает в дозирующую емкость 3 через разгрузочный трубопровод 11, а также, в смеси с материалом, из расходной емкости 1 по загрузочному материалопроводу 2. Далее воздух проходит через воздушный фильтр 6, воздуховод 5 и выбрасывается в область внешнего давления через линию нагнетания воздуходувного агрегата. Когда разрежение в емкости, измеряемое датчиком давления-разрежения 12, достигает заданного значения (-Р), сигналом от регулятора 13 клапаны переключаются таким образом, что линия всасывания 9 оказывается связанной с областью внешнего давления через клапан 7, а линия нагнетания 10 - связанной с воздуховодом 5 через клапан 8. При этом воздух проходит через воздушный фильтр 6 в дозирующую емкость, в которой создается избыточное давление, способствующее увеличению скорости истечения материала через разгрузочный трубопровод 11. Одновременно происходит непрерывная очистка фильтра 6 от мелких частиц материала, осевших на фильтре в ходе заполнения дозирующей емкости. В момент полного опорожнения емкости 3 от материала, избыточное давление в ней принимает минимальное значение Р. По данным датчика давления-разрежения 12 регулятор 13 своим выходным сигналом переключает клапан 7 в положение 1, при котором дозирующая емкость подключается к линии всасывания 9, а линия нагнетания 10 через клапан 8 соединяется с областью внешнего давления. Происходит заполнение емкости следующей дозой сыпучего материала. Все этапы процесса дозирования осуществляются при непрерывной работе воздуходувного агрегата.
Положительный эффект от применения предлагаемого способа дозирования заключается в повышении быстродействия и, следовательно, в увеличении диапазона производительности, а также в повышении надежности системы автоматического дозирования и в снижении энергетических затрат.
Эксперименты, выполненные на лабораторном макете системы автоматического дозирования, показали, что длительность выдачи дозы в предлагаемом способе автоматического дозирования (без изменения режимных параметров процесса дозирования и конструкции исполнительного устройства дозатора относительно прототипа) в зависимости от гранулометрического состава дозируемого материала уменьшается в 8-10 раз по сравнению с прототипом. При этом погрешность выданных доз, определенная по весу с применением методики ГОСТ Р 8 739-2011 [9], не превышает 1,3%.
Список использованных источников информации
1. С.В. Першина, А.В. Каталымов, В.Г. Однолько, С.Ф. Першин. Весовое дозирование зернистых материалов. - М., Машиностроение, 2009.
2. Юсупов И.В. и др. Краткий анализ средств дозирования сыпучих материалов малыми объемами. Бутлеровские сообщения. 2009. Т. 16. №4. С. 58-66. ROI: jbc-01/9-16-4-58 (Russian Abstract)
3. Устройство для дозированного выпуска связных трудносыпучих материалов. Патент RU №: 2511634. Опубл. 10.04.2014
4. Вакуумное устройство для разгрузки сыпучих материалов. Патент RU №: 2450963. Опубл. 20.05.2012
5. Электронный ресурс http://vibro-separator.ru/piab-vacuum-transporter.html Вакуумный транспортер PIAB
6. Устройство для объемного порционного дозирования сыпучего материала Патент RU №2215268. Опубл. 20.01.1995
7.. Способ объемного дозирования сыпучих материалов и устройство для его осуществления. Патент RU №2503932. Опубл. 10.01.2014, Б.И. №1.
8. Способ автоматического дозирования сыпучих материалов и устройство для его осуществления. Патент RU 2620905 С2. Опубл. 30.05.2017.
9. ГОСТ Р 8 739-2011. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений.