ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТИРУЮЩИЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
PNEUMATIC TRANSPORTER FOR LOOSE MATERIALS

Изобретение относится к области пневматического транспорта, а именно к устройствам для ввода сыпучих материалов в пневмотранспортный горизонтальный трубопровод. Механизм может быть использован в строительной, деревообрабатывающей, сельскохозяйственной, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известно устройство для загрузки сыпучих материалов в трубопровод пневмотранспортной установки, содержащее сообщенные между собой конфузор и диффузор, приемную воронку и установленный под ней инерционный вибратор в виде пластины, отличающееся тем, что с целью повышения надежности, упругая пластина размещена в диффузоре и укреплена в конце конфузора на его нижней части (Авторское свидетельство СССР №1310313 А1, кл. B65G 53/40, 1985, опубликовано 15.05.87, БИ №18, 1987 г.).
Названное устройство может быть принято в качестве аналога.
Недостатками аналога являются: нерегулируемая жесткость и нижняя точка крепления в узком месте трубопровода упругой пластины ограничивают ее функцию, в основном, только в качестве упругого трамплина для падающего сверху на нее кускового сыпучего материала в виде корнеплодов (картофеля, свеклы и т.д.), при увеличении их подачи она может быть прижата весом этих корнеплодов к днищу и, воздействуя силой своей упругости в этом состоянии на кусковой сыпучий материал снизу, зажмет его в этом самом узком месте, что может привести к потере работоспособности устройства; заданное конструкцией сужение трубопровода в месте загрузки в виде сообщенных между собой конфузора и диффузора существенно увеличивает гидравлическое сопротивление линии, так как чтобы создать достаточную для транспортирования сыпучего кускового материала скорость воздуха, требуется значительно уменьшить диаметр трубопровода (сопла), тем более что при работе упругой пластины живое сечение трубопровода еще более сокращается, что увеличивает энергоемкость процесса пневмотранспортирования; в описании изобретения сказано, что "корнеплод, попадая на колеблющуюся пластину, подбрасывается вверх, приобретает начальное вращательное движение и увлекается воздушным потоком", что трудно представить в конфузоре, то есть в самом узком месте трубопровода, где просто нет для этого пространства, тем более находясь под весом загружаемого материала.
Известен пневматический транспортирующий механизм для сыпучих материалов, транспортирующий трубопровод которого снабжен, по меньшей мере, двумя входными отверстиями, перед и за каждым из них расположены поворотные заслонки, которые в одном конечном положении перекрывают входное отверстие, а в другом - передняя заслонка суживает в виде инжектора транспортирующий трубопровод, а задняя заслонка в открытом (поперечном) положении незначительно уменьшает поперечное сечение трубопровода (патент Германии DE 2645047 В1, МПК B65G 53/08, 1976, опубликован 09.03.1978 г.).
Указанное техническое решение может быть принято за прототип.
Недостатком прототипа является: невысокая эффективность пневматического транспортирования сыпучих материалов из-за повышенных гидравлических сопротивлений линии при рабочем положении пары заслонок у выгрузного отверстия и, как следствие этого, падение динамического напора транспортирующего газа (воздуха), особенно при одновременной работе нескольких бункеров, что, в свою очередь, сужает диапазон использования, затрудняя применение транспортирующего механизма в низконапорных вентиляторных установках.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности процесса пневматического транспортирования сыпучего материала и расширение диапазона использования предлагаемого механизма.
Сущность изобретения заключается в том, что передняя заслонка известного пневматического транспортирующего механизма снабжена подпружиненным рычагом с грузом, установленными с возможностью регулирования величины и направления действующего на заслонку момента.
Таким образом, может быть найден момент, когда под действием динамического напора газа наступит режим автоколебаний передней заслонки с некоторой частотой относительно среднего значения угла ее наклона, величина которого может быть оптимизирована на предмет минимизации гидравлических потерь и удельной энергоемкости на транспортирование.
Техническое решение обладает новой совокупностью признаков, дающих дополнительный экономический эффект, заключающийся в повышении эффективности процесса пневматического транспортирования сыпучего материала и расширения диапазона использования путем увеличения динамического напора газа за счет периодического изменения его скорости (пульсации) и увеличения при этом подъемной силы, действующей на осевшие в трубопроводе частицы сыпучего материала.
Такая схема с периодически действующим деформатором потока позволит повысить скорость воздуха у днища трубопровода, улучшить условия пневмотранспортирования и снизить при этом стоимость эксплуатации.
На фиг.1 представлен предлагаемый пневматический транспортирующий механизм для сыпучих материалов.
Транспортирующий трубопровод 1 снабжен, по меньшей мере, двумя входными отверстиями 2, каждое из которых расположено под соответствующим бункером 3. Каждое входное отверстие 2 имеет переднюю 4 и заднюю 5 поворотные заслонки для закрытия отверстия в исходном положении.
Передняя поворотная заслонка 4 снабжена подпружиненным рычагом 6 с грузом 7, установленными с возможностью регулирования величины и направления действующего на заслонку момента сил посредством прикрепленной к грузу пружины 8 и регулировочного винта 9, служащего для изменения натяжения этой пружины.
Работа заявляемого механизма происходит следующим образом. В исходном положении передняя 4 и задняя 5 заслонки закрывают входное отверстие 2 бункера (передняя заслонка - под действием груза 7, установленного на рычаге 6 с возможностью относительного продольного перемещения и фиксации в определенном положении, при этом пружина 8 растянута; задняя заслонка - посредством отдельного рычажного механизма). Масса подаваемого в нижнюю камеру бункера сыпучего материала ограничивается работоспособностью устройства в режиме автоколебаний передней заслонки, исключая ее завал сыпучим материалом. При этом в момент наклона заслонки вниз (соответствует процессу выгрузки находящегося на ней аэрированного сыпучего материала в трубопровод) живое сечение трубопровода сужается, и скорость транспортирующего газа у днища трубопровода в зоне выгрузки увеличивается, что улучшает условия транспортирования сыпучего материала (газ путем инжекции захватывает сыпучий материал). Транспортирующий газ насыщает (аэрирует) массу сыпучего материала, находящегося в зоне выгрузки нижней камеры бункера, улучшая его истечение и облегчая движение поворотной заслонки вверх в процессе ее колебания. Вес поворотной заслонки 4 с сыпучим грузом на ней и усилие растяжения пружины 8 стремятся опустить заслонку, а вес груза 7 и сила давления газа - поднять ее в верхнее положение. Изменяя положение груза 7 и натяжение пружины 8 посредством регулировочного винта 9, подбирается требуемый режим автоколебаний передней заслонки 4 в потоке проходящего по трубопроводу 1 газа. Наступивший под действием напора потока газа режим автоколебаний, с некоторой частотой относительно среднего значения угла наклона передней заслонки, может быть оптимизирован на предмет минимизации гидравлических сопротивлений и удельной энергоемкости на транспортирование сыпучих материалов. Подача сыпучего материала на колеблющуюся поворотную заслонку, то есть ее загрузка, происходит как на фазе ее движения вверх, так и вниз, а выгрузка - когда угол наклона заслонки становится более угла внешнего трения аэрированного сыпучего материала о поверхность заслонки. Таким образом, вес поворотной заслонки 4 за счет различной степени ее загрузки сыпучим материалом в процессе колебательного движения является переменным и служит фактором дисбаланса моментов действующих на нее сил, что подпитывает автоколебания заслонки за счет энергии газового потока. После настройки передней заслонки 4 открывается задняя заслонка 5, и транспортирование материала осуществляется с полной подачей. Задняя заслонка 5 в открытом положении незначительно уменьшает поперечное сечение трубопровода. Конструкция двухкамерного бункера 3 с двумя коническими днищами позволяет предотвращать возникновение статического свода сыпучего материала в зоне входного отверстия 2, обеспечивая устойчивое истечение сыпучего материала через него.
Физический смысл процесса возникновения и поддержания автоколебаний передней поворотной заслонки предлагаемого механизма рассмотрен на расчетной схеме механизма, представленной на фиг.2.
N
x
4N
При работе данного устройства происходит периодическое изменение нормальной составляющей F силы давления потока газа на переднюю поворотную заслонку 4, вызывающей ее подъем, величины растяжения пружины х, а также препятствующей подъему заслонки 4 силы F=kx (где k - коэффициент жесткости пружины, Н/м), прямо пропорциональной величине этого растяжения и нормальной составляющей веса поворотной заслонки G вместе с находящимся на ней сыпучим материалом переменной массы.
2
2
Регулируя величину растяжения пружины х и положение груза 7, то есть плечо действия его момента, можно подобрать такое соотношение моментов действующих на поворотную заслонку сил (с учетом изменяющегося веса находящегося на ней сыпучего материала), когда взаимная подпитка энергией двух плеч колеблющегося тела (поворотной заслонки 4 и ее рычага 6) в состоянии поддерживать их принудительные колебания вокруг горизонтальной оси, проходящей через точку О. Таким образом, будет осуществляться переход мощности кинетической энергии потока газа mν/2 (где m - массовый расход газа, кг/с) в мощность механической энергии колеблющегося посредством пружины тела kx/2Δt (где Δt, с - отрезок времени, в течение которого происходит изменение величины растяжения пружины х), то есть поддерживаться режим автоколебаний передней поворотной заслонки, и как следствие, пульсация потока транспортирующего газа в месте выгрузки сыпучего материала.
Составим сумму моментов всех сил, действующих в механизме передней поворотной заслонки 4, относительно точки О при растянутой пружине 8:
4
6,7
x
6,7
6,7
4N
4N
4
N
N
4
4N
N
8
x
4
6,7
Здесь G и G- соответственно, вес поворотной заслонки 4 вместе с находящимся на ней сыпучим материалом и ее рычага 6 вместе с грузом 7; F - сила, действующая на рычаг 6 со стороны растянутой пружины 8; F - сила давления газа на переднюю поворотную заслонку; l - плечо действия силы тяжести (веса) рычага 6 вместе с грузом 7, то есть силы G, G - нормальная составляющая веса передней поворотной заслонки 4 вместе с находящимся на ней сыпучим материалом, G=G cosα; F - нормальная составляющая силы давления газа на переднюю поворотную заслонку, F=Fsinα; l - плечо действия сил G и F; l- плечо действия силы F; пружины 8; α - мгновенный угол наклона передней поворотной заслонки к оси горизонтального трубопровода; С, С - мгновенные центры масс передней поворотной заслонки 4 с находящимся на ней сыпучим материалом и ее рычага 6 с установленным на нем грузом 7.
N
В начальный момент работы устройства согласно теореме механики о количестве движения нормальное усилие F воздействия потока газа на переднюю поворотную заслонку 4, расположенную под углом α к направлению потока, равно секундному импульсу силы
N
F=mνsinα=Qρνsinα,
3
3
где m и Q - массовый (кг/с) и объемный (м/с) расход газа, воздействующий на заслонку; ν - скорость потока газа, м/с; ρ - плотность газа, кг/м.
Так как средний объемный расход газа, воздействующий на заслонку, может быть приближенно найден как произведение средней скорости газа на контактирующую с ним площадь поверхности заслонки S, то есть Q=νS, то можно записать
N
4N
x
Синусоидальные колебания передней поворотной заслонки 4 под действием изменяющихся нормальной составляющей силы давления газа на поворотную заслонку F, зависящей при постоянном расходе газа от угла α наклона заслонки, нормальной составляющей веса поворотной заслонки G, зависящей от массы находящегося на ней сыпучего материала, а также силы F пружины, зависящей от величины ее растяжения х, вызывают различные гидравлические сопротивления трубопровода в месте ее установки.
При увеличении проходного сечения (движение заслонки вверх), гидравлическое сопротивление (Па) на рассматриваемом участке составит
а при уменьшении проходного сечения (движение заслонки вниз)
1
2
1
2
где ν и ν - скорость газа до и после увеличения проходного сечения трубопровода, м/c; f и f- площади живого сечения в месте сужения и расширения трубопровода; ζ - коэффициент местного сопротивления, зависящий от угла наклона поворотной заслонки α к оси горизонтального трубопровода.
Таким образом, колебания заслонки вызывают изменение гидравлического сопротивления в месте выгрузки материала, а соответственно, динамического напора и давления транспортирующего газа, то есть его пульсацию.
N
4
Подставив значение силы F из выражения (2) в выражение (1) и проведя преобразования, можно получить интересующий параметр предлагаемого устройства в сбалансированном состоянии при прочих заданных условиях, например вес поворотной заслонки G вместе с находящимся на ней сыпучим материалом
Поворот вниз передней заслонки, нагруженной сыпучим материалом, суживает транспортирующий трубопровод в виде инжектора, что благоприятствует подаче материала в трубопровод без залегания его на днище. Эпюра изменения скорости потока транспортирующего газа по живому сечению трубопровода при этом показывает смещение максимальной скорости потока газа ниже продольной оси горизонтального трубопровода, ближе к его днищу. Создание ускорения потока газа под осевой линией сечения трубопровода на участке загрузки сыпучего материала важно с точки зрения уноса оседающих в нем частиц материала. Это достигается за счет увеличения разности давлений в пограничном ламинарном слое на поверхности стенки трубопровода и вышележащем живом сечении трубопровода под осевой линией (так как скорости газа в этих зонах различные) и появления при этом подъемной силы, вызывающей отрыв осевших частиц со дна трубопровода.
Таким образом, пульсация газа, наблюдаемая при работе механизма, снижает вероятность оседания материала на днище трубопровода, что позволяет повысить эффективность транспортирования сыпучего материала (увеличить производительность, снизить удельную энергоемкость) и реализовать основное преимущество предлагаемой схемы с поворотными заслонками - отсутствие питателя с механическим приводом, то есть уменьшить затраты на изготовление и эксплуатацию транспортирующего механизма.