СПОСОБ ОБЪЕМНОГО ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR VOLUME DOSING OF LOOSE MATERIALS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области дозирования сыпучих материалов, и может быть использовано в химической и смежных областях промышленности, а также в производстве строительных материалов для подачи заданного количества вещества в технологические объекты управления.
Дозирование сыпучих материалов в промышленности в настоящее время чаще всего осуществляется весовыми дозаторами с подвижными рабочими органами (ленточными, шнековыми, барабанными и др.) или с помощью взвешиваемых емкостей, периодически опорожняемых в объект управления. Весовой метод дозирования сыпучих материалов в промышленных условиях связан с существенными погрешностями, в основном определяемыми неконтролируемым изменением влажности материала. Кроме того, упомянутые выше дозаторы, реализующие весовой способ дозирования, содержат значительное число кинематических пар, непосредственно контактирующих с сыпучими материалами, часто обладающими абразивными свойствами.
Существенные преимущества в части точности и надежности дозирования обеспечивает импульсный объемный способ дозирования, в соответствии с которым заданное количество сыпучего материала перемещается при помощи потока газа. Данный способ описан в литературе (например, [1], с.145-148 и [2], с.158-161), а также реализуется в соответствии с рядом изобретений, защищенных патентами. В частности, в качестве аналога заявляемого, можно рассматривать способ и устройство для подачи сырья в электролитическую ванну, в котором дозатор имеет два независимых аэрожелоба, один из которых используется для заполнения мерных камер - труб, а другой - для сбрасывания накопленных доз через направляющие трубы пробойников на корку электролита (US 3901787, NIIZEKI et al., 204/245, 26.08.75). В изобретении (SU 1611993 Al, Таджикский алюминиевый завод и др., C25C 3/14, 07.12.90) описано также устройство для питания электролизера, в котором подача глинозема в дозатор и его разгрузка осуществляются посредством пневможелоба и системы аэрации. При этом величина подаваемой дозы неизменна (1-2,5 кг) и определяется объемом дозатора и насыпным весом глинозема.
Способ питания алюминиевого электролизера глиноземом и корректирующими добавками (патент RU 2121529, опубл. 10.11.1998), включающий дозированную подачу сыпучего материала из емкости в расплав электролита посредством пневматических импульсов с управляемыми параметрами, предусматривает отсечку материала при регулировании величины дозы за счет самозапирания выпускного отверстия после прекращения подачи аэрирующий пневматических импульсов.
Недостатком перечисленных технических решений является наличие в системе дозирования подвижных элементов (тяг, шарниров и др.), имеющих непосредственный контакт с сыпучим материалом. В последнем случае (пат. RU 2121529), кроме того, величина дозы определяется только длительностью выдачи материала через разгрузочную щель, что снижает точность отмеривания дозы по сравнению с весовым или объемным способами дозирования.
По А.С. SU 530184, являющемуся наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа дозирования и устройства для осуществления этого способа. Основными элементами прототипа (фиг.1) являются: загрузочный бункер 1, напорная шахта 2, смесительная камера 3, трубопровод для подачи газа 4, выпускной трубопровод 5, электропривод 6, реле давления 7, систему управления 8, перистальтический клапан 9, а также пробковый кран 10. Вход в камеру 3 из напорной шахты 2 перекрывается обратным грузовым клапаном 11. Материал самотеком поступает из бункера 1 в камеру 3, где смешивается с воздухом, непрерывно подаваемым в камеру, и переносится по выпускному трубопроводу 5 в объект управления. Выдача материала осуществляется в непрерывном потоке двухфазной смеси. Концентрация твердой фазы регулируется путем изменения проходного сечения перистальтического клапана 9. Величина проходного сечения клапана 9 регулируется в зависимости от заданной величины давления в камере с помощью реле давления 7, связанного через систему управления 8 с электроприводом 6. Величина мгновенного расхода материала на выходе из дозатора определяется степенью открытия клапана 9 и, как утверждают авторы в п.5 описания изобретения, величиной давления в камере 3.
Способ дозирования, реализуемый данным устройством, имеет ряд существенных недостатков.
Недостатком данного способа дозирования является, в первую очередь, наличие систематических и случайных погрешностей дозирования. Источником систематической погрешности является изменение суммарной высоты столба материала в загрузочном бункере и напорной шахте. Этот материал в той или иной степени насыщен воздухом, и, следовательно, к нему применим основной закон гидростатики Р=ρ·g·H. В процессе опорожнения бункера высота материала в нем непрерывно уменьшается, что приводит к постоянному уменьшению давления в камере. Последнее, как показано выше, определяет количество материала поступающего в камеру при одной и той же степени открытия дроссельного регулирующего органа 11. Источником случайной составляющей погрешности дозирования для прототипа и аналогичных устройств является температура газа. При изменении температуры несущая способность газа изменяется в силу изменения его плотности и вязкости, следовательно, неконтролируемым образом изменяется и количество переносимого материала.
Недостатком является также то, что для реализации данного способа дозирования необходимо наличие подвижных элементов (9, 10, 11), непосредственно контактирующих с сыпучим материалом, что существенно снижает надежность работы.
Еще один недостаток прототипа состоит в том, что подача воздуха в дозатор производится непрерывно, т.к. расход воздуха коррелирован с расходом материала. Такой режим связан с неоправданно большими затратами электроэнергии на перемещение материала, поскольку отсутствует возможность работы в энергосберегающем режиме.
Предлагается способ объемного дозирования, позволяющий избежать перечисленных недостатков.
Цель изобретения - повышение точности и надежности дозирования, а также оптимизация удельных энергетических затрат.
Поставленная цель достигается тем, что дозирование производится в импульсном режиме при объемном отмеривании единичных доз. Сущность предлагаемого способа дозирования сыпучего материала поясняется фиг.2.
Дозируемый материал под действием силы тяжести поступает из загрузочного бункера 1 по напорной шахте 2 в смесительную камеру 3, выполняющую также функции мерной емкости. Загрузка продолжается до окончания естественного заполнения смесительной камеры. Объем дозы определяется размерами камеры, углом естественного откоса и насыпной плотностью материала. Затем через трубопровод для подачи газа 4 в мерную емкость подается газ. Материал приходит в псевдо-ожиженное состояние и выносится в потоке газа через выпускной трубопровод 5. При этом расход газа устанавливается постоянным и таким, что давление в смесительной камере будет заведомо большим, чем давление столба ожиженного материала в напорной шахте. Таким образом, в течение выдачи дозы материал в камеру 3 не поступает. После окончания выдачи дозы давление в камере 3 падает, что является сигналом для прекращения подачи газа. Одновременно происходит естественное заполнение емкости материалом под действием силы тяжести. Дозатор готов к выдаче следующей дозы. Средний во времени массовый расход материала при выдаче нескольких доз определяется как
0
Здесь М - масса дозы, f и Т частота и период выдачи доз соответственно.
M
м
-3
3
Исследования макета дозатора, реализующего предлагаемый способ дозирования сыпучего материала, были проведены на кафедре автоматизации процессов химической промышленности Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). В качестве дозируемого материала использовались сферические гранулы органического вещества, имеющие диаметр d=(2,0±0,1)·10 м и плотность ρ=1200±70 кг/м.
B
M
B
Экспериментально подтверждено, что зависимость удельных затрат несущего газа на единицу массы сыпучего материала F/F от абсолютной величины расхода газа F имеет минимум (фиг.3). Зависимости приведены для трех значений одного из конструктивных параметров дозатора.
BT
Определено также, что минимум удельного расхода имеет место при абсолютной величине расхода газа, с определенной степенью точности соответствующей удвоенной скорости витания ν для частиц сыпучего материала. Эта же величина скорости несущего газа рекомендуется различными источниками, в частности, [4, 5] как скорость устойчивого транспортирования.
Таким образом, для реализации предлагаемого способа дозирования необходимо выполнение следующих условий.
К
З
1. Для удержания материала в напорной шахте при выдаче дозы давление P в смесительной камере 3 должно быть определенно больше давления Р столба псевдоожиженного материала в напорной шахте:
2. Для минимизации удельных затрат энергии при выдаче дозы и обеспечения устойчивого транспортирования сыпучего материала необходимо, чтобы расход газа-носителя при выдаче материала был постоянным и соответствовал удвоенной скорости витания для частиц дозируемого материала:
CI>
На основе соотношений (2) и (3) возможен априорный, опирающийся только на заданную величину среднего расхода материала F, размеры и плотность частиц, а также плотность и вязкость газа, расчет параметров исполнительного устройства дозатора и воздуходувной машины.
Для реализации изложенного способа дозирования предлагается автоматический импульсный объемный дозатор сыпучих материалов (фиг.4).
Дозатор содержит загрузочный бункер 1, соединенный напорной шахтой 2 со смесительной камерой 3. Выдача дозы осуществляется через выпускной трубопровод 5. Для подачи воздуха в мерную емкость по аэрирующему трубопроводу 4 служит воздуходувный агрегат 12 с электроприводом 6. Давление в смесительной камере 3 контролируется при помощи реле давления 7, выходной сигнал которого через систему управления 8 подается на привод 6 воздуходувного агрегата 12. Устройство 13, представляющее собой участок напорной шахты, например, выполненный в виде сильфона, предназначено для перемещения выпускного среза напорной шахты относительно днища смесительной камеры с целью предварительной регулировки объема дозы. На выходном срезе выпускного трубопровода установлена расширительная камера 14.
Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени привод 6 воздуходувного агрегата 12 обесточен, и мерная емкость 1 путем свободного истечения по напорной шахтой 2 заполняется сыпучим материалом. Объем материала, находящегося в исходном положении в емкости, определяется ее размерами и углом естественного откоса материала. При подаче внешнего сигнала на выдачу дозы, через систему управления 8 включается привод воздуходувного агрегата, и в емкость 1 подается газ. Параметры газа соответствуют условиям (1) и (2). Частицы твердого материала подхватываются потоком и в составе двухфазной смеси покидают смесительную камеру через выпускной трубопровод 5. При выходе из выпускного трубопровода двухфазная смесь попадает в расширительную камеру 14, где давление падает. Материал под действием силы тяжести перемещается на выход из дозатора, а запыленный воздух выносится в аспирационную систему. В соответствии с условием (1), в процессе выдачи дозы материал через напорную шахту 2 в смесительную камеру не поступает. После опорожнения мерной емкости давление в ней падает до величины, определяемой потерями напора на пустом выпускном стволе, что вызывает срабатывание реле давления 8. Импульс от реле 8 через систему управления 9 выключает привод воздуходувного агрегата. Смесительная камера вновь заполняется материалом. Дозатор готов к выдаче очередной дозы.
Основные преимущества предполагаемого изобретения по сравнению с прототипом состоят в следующем:
- отсутствует погрешность величины дозы от изменения высоты столба материала в напорной шахте;
- отсутствует погрешность величины дозы от изменения температуры несущего воздуха;
- дозатор не содержит подвижных элементов (кинематических пар), контактирующих с сыпучим материалом, т.о. обладает повышенной надежностью;
- дозирование ведется в условиях минимизации удельных затрат энергии на выдачу единицы массы дозируемого материала.
Обработка результатов многократных повторных измерений величины дозы, выполненных при испытаниях макета заявляемого устройства, показали, что относительная погрешность величины единичной дозы, определенная по массе, не превышает 1,7% (фиг.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Пневмотранспортное оборудование: Справочник / Под общ. ред. М.П. Калинушкина. - Л.: Машиностроение, 1986.
2. А.В. Каталымов, В.А. Любартович. Дозирование сыпучих и вязких материалов. - Л.: Химия, 1990.
3. П.Н. Дмитриев, В.Т. Прокопович. Дозатор сыпучих материалов. А.С. №530184. Опубликовано 30.09.76, Бюллетень №36.
4. Голобурдин А.И., Донат Е.В. Пневмотранспорт в резиновой промышленности. - М., Химия, 1983.
Краткое описание схем и рисунков
Фигура 1 - Схема, поясняющая заявляемый способ дозирования,где: 1 - загрузочный бункер; 2 - напорная шахта; 3 - смесительная камера; 4 -трубопровод для подачи газа; 5 - выпускной трубопровод.
Фигура 2 - Зависимости удельных затрат несущего газа от абсолютной величины расхода газа.
Фигура 3 - Импульсный объемный автоматический дозатор сыпучих материалов, где:
1 - загрузочный бункер; 2 - напорная шахта; 3 - смесительная камера; 4 -трубопровод для подачи газа; 5 - выпускной трубопровод; 6 - электропривод; 7 - реле давления; 8 - система управления; 12 - воздуходувный агрегат; 13 - устройство для предварительной регулировки объема дозы; 14 - расширительная камера.
Фигура 4 - Зависимость массы дозы, отмеренной объемным методом, от скорости несущего воздуха.