ШНЕКОВЫЙ КОНВЕЙЕР ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА, В ЧАСТНОСТИ ЦЕМЕНТА ИЛИ ПОДОБНОГО
SCREW CONVEYOR FOR MOVEMENT OF POWDER MATERIAL, IN PARTICULAR CEMENT OR SIMILAR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к шнековому конвейеру для перемещения порошкового материала, в частности, цемента или подобного.
Фактически, такой шнековый конвейер также подходит для других квазитекучих «скользящих продуктов», которые при использовании поступают в шнековый конвейер, будучи уже насыщенными воздухом; к таким материалам относятся, например, цемент, известь, наполнители и т.д.
Таким образом, нижеследующее неприменимо к таким материалам как песок и гравий, которые не являются скользящими продуктами в обозначенном выше смысле.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники хорошо известно, что такие скользящие продукты (цемент, известь, наполнители и т.д.) обычно содержатся в силосных башнях, которые внутри оснащены одним или несколькими устройствами (такими как одна или несколько форсунок сжатого воздуха) для ожижения газом порошкового продукта еще до его входа в желоб шнекового конвейера.
Таким образом, термин «аэрация» относится здесь к свойствам конкретных материалов, состоящих из тонкодисперсных частиц (например, таких материалов, как цемент, известь, наполнители и т.д.), в массе которых частицы разделены за счет абсорбции и распределения ожижающего воздуха.
По этим причинам плотность материалов во время использования снижается, а у смеси твердых частиц и газа временно проявляются некоторые свойства текучей среды.
Обычно чем больше аэрация, тем выше текучесть аэрированной массы.
Кроме того, известно, что вероятность того, что такой аэрированный материал имеет квазитекучие свойства, обратно пропорциональна размеру частиц, образующих массу материала.
В некоторых вариантах осуществления изобретения нагнетание ожижающего воздуха в материал может происходить вместе с механическими или пневматическими колебаниями, возбужденными в массе материала для получения квазитекучих свойств.
Кроме того, хорошо известно, что, помимо воздуха, для обеспечения надлежащей текучести порошкового материала могут быть использованы другие газы, такие как азот, углекислый газ и т.д.
При этом было обнаружено, что эффективность системы повышается при ограничении в максимально возможной степени турбулентности внутри квазитекучего материала.
В этом отношении было экспериментально установлено, что турбулентность прямо пропорциональна дискретным скачкам шага винтовой линии шнека конвейера; по этому же вопросу можно отметить, что сварка отдельных отрезков шнека создает дискретные скачки с потерей в результате эффективности транспортного устройства.
Таким образом, существует потребность в исследованиях, направленных на создание конвейерных шнеков (также известных как «архимедовы винты»), предназначенных для перемещения аэрированных порошковых материалов с оптимальным потреблением электроэнергии, значительно ниже, чем у существующих устройств.
Соответственно, одна из задач изобретения состоит в снижении количества энергии, потребляемой устройством при перемещении материала, посредством ряда конструктивных приемов.
В общем случае в известных технических решениях весь шнековый конвейер имеет одинаковый шаг винтовой линии шнека в любой точке.
Однако, недавние подробные исследования механических и гидродинамических явлений, возникающих в шнековом конвейере, показали важность разделения шнекового конвейера на участки шнека с разными функциональными характеристиками, с целью максимизации эффективности каждого шнекового участка.
В результате были созданы шнековые конвейеры, разделенные на последовательно расположенные шнековые участки с разными геометрическими характеристиками; каждый шнековый участок имеет постоянный шаг, отличный от шага предыдущего шнекового участка и шага следующего шнекового участка.
В таких обновленных решениях разные шнековые участки имеют разные значения шага для осуществления отдельных функций, таких как извлечение, прессование и транспортировка материала.
Например, из EP-A2-0816 938 (MITA INDUSTRIAL CO. LTD) известно решение, предусматривающее использование разных расположенных последовательно шнековых участков с разными значениями шага. При этом каждый шнековый участок имеет в любой из своих точек одинаковый шаг.
Однако, несмотря на некоторые положительные аспекты, данные решения не решают проблему минимизации потребления электроэнергии для перемещения порошкового материала и максимизации заполнения витков.
Было также отмечено, что если передаточные шнеки выполнены в соответствии с EP-A2-0816 938 (MITA INDUSTRIAL CO. LTD) с наклоном под определенным углом (например, для подъема порошкового материала с грунта до пола в здании), они демонстрируют низкую эффективность (потеря мощности) при перемещении порошкового материала.
Кроме того, в US-B-3056 487 (KIPPER) раскрыт передаточный шнек для перемещения волокнистых отходов производства, образующихся, например, при переработке сахарного тростника.
Шнековый конвейер, известный из US-B-3 056 487 (KIPPER), включает передаточный шнек и желоб, содержащий передаточный шнек. Шаг шнека меняется по закону непрерывного изменения.
Однако, шнековый конвейер, описанный в документе US-B-3056 487 (KIPPER), не подходит для установки на комплексных предприятиях для перемещения аэрированного порошкового материала, например, смеси порошкового цемента и воздуха (или любого другого подходящего газа). В частности, такой шнековый конвейер не подходит, поскольку не позволяет оптимальным образом заполнять витки передаточного шнека во время этапа заполнения с одной стороны и во время этапа ускорения и пуска с другой стороны.
Соответственно, техническое решение, предлагаемое изобретением, направлено на преодоление вышеупомянутых недостатков.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом вышесказанного, основная задача изобретения состоит в создании шнекового конвейера для перемещения аэрированного порошкового материала, в котором минимизированы потери электроэнергии за счет специально сконструированных различных шнековых участков в шнековом конвейере, в частности, за счет специального выбора для каждого шнекового участка закона, регулирующего изменения шага в точках, принадлежащих данному конкретному шнековому участку.
В этой связи изобретением предусмотрено создание шнекового конвейера для перемещения порошкового материала в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения или любым из пунктов формулы, прямо или опосредованно зависящим от пункта 1 формулы изобретения.
В частности, на «передаточном шнековом участке» для порошкового материала, значения шага в разных точках, принадлежащих данному «передаточному шнековому участку», изменяются в большей степени, чем значения шага в точках, принадлежащих «шнековому участку извлечения», который находится «выше по потоку» от указанного «передаточного шнекового участка» в направлении продвижения материала.
Таким образом, как более подробно раскрыто ниже, плотность материала уменьшается (разрежение) при прохождении от «передаточного шнекового участка» к «шнековому участку извлечения».
Постепенное увеличение шага точек, принадлежащих одному и тому же шнековому участку, значительно сопротивление продвижению материала, поскольку вместо агломерированных и спрессованных мелких частиц, которые для движения вперед должны скользить по шнеку, имеются довольно тонкие и разреженные мелкие частицы, которые необходимо проталкивать.
Кроме того, увеличение шага точек, принадлежащих «шнековому участку ускорения и пуска» для порошкового материала, должно быть еще более резким, поскольку такой «шнековый участок ускорения и пуска» находится ниже по потоку от упомянутого выше «передаточного шнекового участка».
Фактически, энергия квазитекучей среды, обеспечиваемая внутренним смешиванием частиц с газом (воздухом, азотом, углекислым газом и т.д.) на конце указанного «шнекового участка ускорения и пуска», должна с легкостью преодолевать любую промежуточную, бесшнековую опору шнекового конвейера.
Кроме того, как показано на частном примере осуществления изобретения, между «передаточным шнековым участком» и «шнековым участком ускорения и пуска» предпочтительно вводится «антисифонный шнековый участок» для предотвращения так называемого «сифонного эффекта», причем указанный антисифонный шнековый участок характеризуется резким и мгновенным уменьшением шага точек, принадлежащих этому шнековому участку.
«Сифонный эффект» имеет место, когда эффективная скорость потока шнекового конвейера превышает ту, что была вычислена заранее и является теоретически возможной. Такое явление возникает в текучих средах или квазитекучих средах, в силу самой их природы или из-за их ожижения. Таким образом, ожиженный материал имеет высокую текучесть и инертность, и самопроизвольно стремится вытечь из шнекового конвейера; и даже когда установка останавливается, ожиженный материал продолжает самопроизвольно вытекать из установки по инерции.
Данная проблема также связана с наклоном шнекового конвейера. В частности, чем больше угол наклона шнекового конвейера, тем меньше «сифонный эффект».
Как отмечено выше, сифонирования ожиженного материала на конкретном отрезке шнекового конвейера можно избежать путем уменьшения шага, создав тем самым своего рода «скопление продукта» (по существу, наподобие «пробки» материала) для увеличения уровня заполнения устройства.
Экспериментальным путем было обнаружено, что изменение шага точек в пределах заданного шнекового участка в шнековом конвейере максимально повышает эффективность перемещения и существенно снижает количество энергии, потребляемой для перемещения.
Таким образом, объектом изобретения является шнековый конвейер для перемещения порошкового материала, в частности цемента. Шнековый конвейер содержит:
- передаточный шнек; и
- желоб, вмещающий шнек; указанный желоб оснащен впускной секцией и выпускной секцией для порошкового материала.
Шнековый конвейер отличается тем, что шнек содержит:
- по меньшей мере, первый шнековый участок, имеющий первый закон непрерывного изменения шага винтовой линии шнека, который может быть графически представлен с помощью первой функции, имеющей по меньшей мере на одном отрезке первую производную, отличную от нуля; и
- по меньшей мере второй шнековый участок, имеющий второй закон непрерывного изменения шага винтовой линии шнека, который может быть графически представлен с помощью второй функции, имеющей по меньшей мере на одном отрезке первую производную, отличную от нуля; первый закон непрерывного изменения шага отличается от второго закона непрерывного изменения шага.
Иными словами, первая графически представимая функция соответствует первому закону непрерывного изменения шага винтовой линии шнека, а вторая функция, также графически представимая, соответствует второму закону непрерывного изменения шага винтовой линии шнека.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания изобретения ниже описаны некоторые примеры осуществления, три из которых относятся к известным из уровня техники, а другие два относятся к настоящему изобретению, при этом:
фиг.1 (с соответствующим графиком на фиг.1а) схематично показывает продольное сечение шнекового участка, имеющего постоянный шаг (уровень техники);
фиг.2 (с соответствующим графиком на фиг.2а) схематично показывает продольное сечение шнекового участка, имеющего шаг, изменяющийся согласно ступенчатой функции (уровень техники);
фиг.3 (с соответствующим графиком на фиг.3а) схематично показывает продольное сечение шнекового участка, имеющего шаг, непрерывно изменяющийся согласно наклонной прямой линии или кривой (уровень техники);
фиг.4 (с соответствующим графиком на фиг.4а) схематично показывает продольное сечение первого примера шнекового конвейера, выполненного в соответствии с изобретением;
фиг.5 (с соответствующим графиком на фиг.5а) схематично показывает продольное сечение второго примера шнекового конвейера, выполненного в соответствии с изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Можно отметить, что осевое расстояние (вдоль продольной оси симметрии шнека), разделяющее любую точку гребня от идентичной на следующем гребне, здесь будет определяться как «шаг» точки шнекового гребня («PTC»). При этом «шнековый участок» («SEC») обозначает любой участок шнека, по возможности навитый вокруг центральной трубы согласно одному и тому же закону изменения шага точек; указанный закон изменения шага точек представляется с помощью функции, в любой точке имеющей первую производную, отличной от нуля.
В данном контексте понятие «отрезок» обозначает «интервал» в пределах упомянутого выше «шнекового участка» («SEC»).
Далее, как уже известно из теоремы Ферма о стационарных точках, первая производная любой функции равна нулю, когда касательная горизонтальна; т.е. в точках максимума, в точках минимума или в точках перегиба с горизонтальной касательной.
В первом примере, относящемся к уровню техники, проиллюстрированном на фиг.1 и соответствующем графике на фиг.1а, любая точка («PN1») шнека 70 имеет шаг («PTC1»), равный шагу другой точки («PNT2») рядом с ней (где (L) есть общее расстояние от любой точки шнека 70 до начальной точки («P0») (нулевой точки)).
Если подробнее, график на фиг.1а графически представляет закон изменения шага (в данном случае постоянного) шнека, причем продольная ось (Х) симметрии принята в качестве оси абсцисс, а ось значений шага принята в качестве оси ординат.
Таким образом, в данном случае «закон изменения шага точек» представлен прямой линией на оси ординат, параллельной оси абсцисс (то есть, продольной оси (Х) симметрии шнека 70), причем прямая линия указывает в рассматриваемом случае на постоянство значения шага («PTC») в любой точке («PNT1»), («PNT2») шнека 70.
Если же, с другой стороны, (см. фиг.2 и соответствующий график на фиг.2а - уровень техники) имеется дискретный переход от «первого шнекового участка» («SEC1») шнека 70 ко «второму шнековому участку» («SEC2») (всегда шнека 70), это значит, что имеется переход от шага («PTC1») к шагу («PTC2») всех точек, принадлежащих второму шнековому участку («SEC2»); эта ситуация на самом деле описана и показана в EP-A2-0 816 938 (MITA INDUSTRIAL CO. LTD).
Таким образом, как показано на фиг.2, во всяком случае относящейся к уровню техники, имеется первый «закон изменения шага точек», представленный первой прямой линией, параллельной оси абсцисс (график на фиг.2а), что указывает на постоянство значения шага («PTC1») в любой точке («PNT1'»), («PNT2'») «первого шнекового участка» («SEC1») шнека 70.
Кроме того, во всяком случае на фиг.2 (уровень техники) имеется второй «закон изменения шага точек», представленный второй прямой линией, параллельной оси абсцисс (график на фиг.2а), что указывает на постоянство значения шага («PTC2») в любой точке («PNT1”»), («PNT2”») «второго шнекового участка» («SEC1») шнека 70.
Можно отметить, что график на фиг.2а также графически представляет закон изменения шага шнека, при этом продольная ось (Х) симметрии шнека принята в качестве оси абсцисс, а ось значений шага принята в качестве оси ординат.
На фиг.3 и соответствующем графике с фиг.3а, относящихся к третьему случаю, который полностью принадлежит уровню техники, показана ситуация, в которой шнековый участок («SEC3») имеет один и тот же закон изменения шага («PTC») отдельных точек («PNTs»), образующих шнек 70.
Также график с фиг.3а графически представляет закон изменения шага шнека, при этом продольная ось (Х) симметрии принята в качестве оси абсцисс, а ось значений шага принята в качестве оси ординат.
Как уже известно, изменение скорости (ускорение) может быть пропорционально времени (равноускоренное движение) или может быть привязано к квадрату времени (см. ниже) или к другим типам функций.
Таким образом, если, как показано на фиг.3 и графике с фиг.3а, центральная труба 50 подвержена ускорению вдоль направления продвижения, любая первая точка («PNT1») шнекового участка (SEC3) будет иметь шаг («PTC1»), отличный (в данном случае меньше) от шага («PTC2») второй точки («PNT2») (смежной с первой точкой («PNT1»)), принадлежащей тому же самому шнековому участку («SEC3»).
Другими словами, две точки («PNT1») и («PNT2»), принадлежащие одному и тому же шнековому участку («SEC3»), имеют тот же закон изменения скорости (ускорения), что и центральная труба 50 только тогда, когда шнек 70 навивается вокруг нее на стадии строительства. Это приводит к разнице шага, поточечно, на одном и том же шнековом участке («SEC3»).
Очевидно, что при нормальном использовании шнека для перемещения порошкового материала или зерен все точки, принадлежащие гребню заданного шнекового участка, имеют одинаковую угловую скорость и одинаковую тангенциальную скорость, поскольку они расположены на одном и том же расстоянии от оси (Х).
Таким образом, так называемый «структурный» аспект шнека, как описано выше, следует отличать от «функционального» аспекта шнека, когда тот фактически установлен в шнековом конвейере.
Если коротко, на фиг.3а показана прямая линия («LN»), когда изменение шага для каждой точки, принадлежащей одному и тому же шнековому участку («SEC3»), является постоянным, или кривая линия («CV»), когда изменение шага для каждой точки, принадлежащей одному и тому же шнекового участка («SEC3»), возрастает (или сокращается), например, с квадратом расстояния между точкой шнека и начальной точкой («P0») (нулевой точкой).
На фиг.4 цифрой 100 обозначен в целом первый пример осуществления шнекового конвейера для перемещения порошкового материала, изготовленный в соответствии с изобретением.
Шнековый конвейер 100 содержит винтовую лопасть 90 шнека 70, навитую вокруг центральной трубы 50 и размещенную во внешнем желобе 80, оснащенном впускной секцией 81 и выпускной секцией 82 ожиженного порошкового материала; секции известны из уровня техники.
При этом, непосредственно у загрузочного отверстия («HP») шнекового конвейера 100, имеется шнековый участок («ESEC») для извлечения порошкового материала, который относится к известному типу и потому настоящем описании детально не рассматривается.
При использовании данный шнековый конвейер 100 создает понижение давления всасывания.
Таким образом, впускная секция 81 имеет первое поперечное сечение непосредственно за разгрузочным отверстием («HP») бункера.
Шнек 70 вращается посредством электрического двигателя («MT»).
Конструктивно шнек 70, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, получают в ходе вращательно-поступательного движения центральной трубы 50 (вокруг и/или вдоль продольной оси (Х) симметрии шнека 70) и навивки вокруг нее винтовой лопасти 90.
В данном случае, продольная ось (Х) симметрии шнека 70 совпадает с продольной осью симметрии центральной трубы 50.
Кроме того, согласно настоящему изобретению центральная труба 50 имеет определенный закон ускорения вдоль оси (X).
Согласно настоящему изобретению, законы ускорения центральной трубы 50 меняются при переходе от «шнекового участка» («SEC») к другому участку, при этом всегда и в любом случае используется одинаковая винтовая лопасть 90 для одного и того же шнека 70.
Первый пример осуществления, проиллюстрированный на фиг.4 и 4а, имеет общую длину (L1) шнекового конвейера (от впускной секции 81 до выпускной секции 82), и содержит следующие два разных шнековых участка 70 (отличных от упомянутого выше шнекового участка («ESEC») извлечения, ширина которого по существу совпадает с шириной загрузочного отверстия («HP»)):
- первый передаточный шнековый участок («TSEC»), имеющий длину (L2) и проходящий между впускной секцией 81 и промежуточной секцией 83; первый передаточный шнековый участок («TSEC») имеет, в предпочтительном варианте осуществления, непрерывно увеличивающийся шаг (согласно первому закону изменения), и, соответственно, имеет первую производную, отличную от нуля; и
- второй шнековый участок («LSEC») ускорения и пуска, имеющий длину (L3) и проходящий, в свою очередь, от промежуточной секции 83 до выпускной секции 82; второй шнековый участок («LSEC») ускорения и пуска имеет, в предпочтительном варианте осуществления, непрерывно изменяющийся шаг (согласно первому закону изменения), и, соответственно, имеет первую производную, отличную от нуля.
В общем случае законы изменения шага точек, принадлежащих участкам («TSEC») и («LSEC»), отличаются друг от друга.
При этом два участка («TSEC») и («LSEC») одного шнека 70 предпочтительно изготовлены с использованием одной и той же предпочтительно металлической винтовой лопасти 90, навитой вокруг одной и той центральной трубы 50.
Однако, шнек 70 согласно изобретению также может быть изготовлен формованием или с помощью другого подобного процесса.
Фактически, как показано на фиг.4а, динамика изменения шага на основании расстояния от точки шнекового гребня до начальной точки («P0») (нулевой точки) может быть представлена ломаной линией с двумя наклонными сегментами («RT1») и («RT2»); наклонный сегмент («RT1») относится к соответствующему шнековому участку («TSEC»), а наклонный сегмент («RT2») относится к соответствующему шнековому участке («LSEC»), причем один является продолжением другого.
Кроме того, на графике 4а графически показан закон изменения шага шнека, при этом продольная ось (Х) симметрии принята в качестве оси абсцисс, а ось значений шага принята в качестве оси ординат.
Наклон (β2) наклонного сегмента («RT2») отличается от наклона (β1) наклонного сегмента («RT1»).
В данном случае углы (β1), (β2) наклона сегмента («RT1») и, соответственно, сегмента («RT2») отражают так называемые «первые производные» двух сегментов («RT1»), («RT2»), при этом такие углы (β1), (β2) наклоны оба отличны от нуля.
В частности, предпочтительно, но не обязательно, наклон (β2) наклонного сегмента («RT2») больше наклона (β1) наклонного сегмента («RT1») (фиг.4а).
Второй пример осуществления изобретения показан на фиг.5 и 5а, где соответствующие элементы обозначены теми же цифрами и символами, что и на фиг.4 и 4а; при этом показаны следующие три разных шнековых участка 70 (отличных от вышеупомянутого шнекового участка («ESEC») извлечения, ширина которого по существу совпадает с шириной загрузочного отверстия («HP»):
- первый участок («TSEC») передаточного шнека, имеющий длину (L2), по существу равную длине аналогичного первого участка с фиг.4 и 4а;
- второй шнековый участок («LSEC») ускорения и пуска, имеющий длину (L3), по существу равную длине аналогичного второго участка с фиг.4 и 4а, и
- третий антисифонный шнековый участок («ASEC»), имеющий длину (L4); третий антисифонный шнековый участок («ASEC») расположен между первым передаточным шнековым участком («TSEC») и вторым шнековым участком («LSEC») ускорения и пуска; третий антисифонный шнековый участок («ASEC») имеет непрерывно уменьшающийся шаг, поточечно, и увеличивающийся угол наклона (с первой производной, которая отлична от нуля).
Кроме того, на фиг.5а графически проиллюстрирован закон изменения шага шнека, причем продольная ось (Х) симметрии принята в качестве оси абсцисс, а ось значений шага принята в качестве оси ординат.
При этом три участка («TSEC»), («LSEC») и («ASEC») одного и того же шнека 70 изготовлены с использованием одинаковой, предпочтительно металлической винтовой лопасти 90, навитой вокруг одной и той же центральной трубы 50.
Таким образом, во втором примере осуществления (фиг.5, 5а), также предусматривающем антисифонный шнековый участок («ASEC») (задан промежуточными участками 83 и 84) между первым наклонным сегментом («RT1»), имеющим угол (β1) наклона (с первой производной, отличной от нуля), и вторым наклонным сегментом («RT2»), имеющим угол (β2) наклона (с первой производной, отличной от нуля), имеется третий наклонный сегмент («RT3») с третьим углом (β3) наклона (с первой производной, отличной от нуля), имеющим противоположное направление относительно углов (β1) и (β2) наклона. В данном случае, углы (β1), (β2), (β3) наклона трех сегментов («RT1»), («RT2»), («RT3») представляют так называемые «первые производные» третьих сегментов («RT1»), («RT2») и («RT3»), причем указанные углы (β1), (β2) и (β3) наклона все отличатся от нуля.
В еще одном, не показанном примере осуществления, первый закон изменения шага («PTC») шнека является линейным законом (соответствующим функции, которая может быть графически представлена наклонным сегментом), причем второй закон изменения шага («PTC») шнека представляет собой нелинейный закон (соответствующий функции, которая может быть графически представлена в виде кривой).
Два смежных участка («TSEC»), («ASEC»), («LSEC») могут быть непрерывно соединены без перегибов в зонах соединения.
Данное техническое решение позволяет дополнительно повысить эффективность устройства, а также избежать турбулентности, создаваемой резкими скачками шага между разными шнековыми участками.
Основной преимущество шнекового конвейера согласно изобретению состоит в том, что при одинаковой интенсивности потока порошкового материала потребляется меньше электроэнергии (например, электрической энергии, потребляемой двигателем («МТ»)) для вращения передаточного шнека.
Дополнительное преимущество шнекового конвейера согласно изобретению состоит в том, что он работает более эффективно, даже когда он имеет некоторый наклон по отношению к грунту. Например, данные шнековые конвейеры сохраняют высокую производительность даже при углах наклона к грунту свыше 35°.