СПОСОБ СЕПАРАЦИИ СЫПУЧЕЙ СМЕСИ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SEPARATING LOOSE MIX IN FLUID AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способам и устройствам для воздушной или жидкостной сепарации сыпучих материалов и может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве для подготовки семян к посеву и для селекционных целей.
Известен способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающийся в подаче частиц смеси с одинаковой скоростью, воздействии на них однородным потоком воздуха и выводе готовых фракций [см. а.с. СССР №1176976 по классу В07В 4/02, опубликованное 07.09.1985 в Бюл №33].
Известно устройство для сепарации сыпучих материалов в текучей среде, содержащее вентилятор с выходным патрубком, расположенный над ними загрузочный бункер и прилегающие к ним сборники готовых фракций с приспособлением для отделения легких частиц [см. а.с. СССР №1763051 по классу В07В 4/02, опубликованное 23.09.1992 в Бюл. №35].
В известных способе и устройстве воздействия потоком воздуха на отдельно взятую частицу сыпучей смеси происходит однократно и только с одной случайной стороны. Поэтому качество (точность) процесса сепарации является очень низким и приблизительным. По этой причине подобные способы и устройства используют, главным образом, для предварительной очистки сыпучей смеси от легких примесей, что и является их существенным недостатком.
Известен также способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающийся в гравитационной подаче частиц смеси, аэродинамическом монотонно растущем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй и выводе готовых фракций. При этом воздействие на частицы смеси осуществляют в режиме свободного знакопеременного силового сканирования с ростом амплитуды и угла сканирования. Устройство для осуществления указанного способа содержит бункер с вибролотком, установленный под ним генератор струй воздуха с расположенными друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху книзу. При этом генератор связан с источником подачи в него воздуха под давлением охвачен боковыми стенками. Устройство имеет сборники фракций, расположенные под соплами [см. пат. Украины №45881 по классу В07В 4/02, опубликованный 15.04.2002 в Бюл. №4 за 2002 г.].
В этом известном способе разделение частиц сыпучей смеси на фракции происходит за счет разницы соотношения их веса и силы аэродинамического сопротивления. Этот способ благодаря особенному режиму воздействия струй воздуха на частицы смеси более точный и более стабильный во времени, особенно при сепарации частиц неправильной формы. Это стало возможным потому, что воздействие потоком каскада струй в режиме сканирования позволяет многократно и разнонаправленно влиять почти на каждую частицу сыпучей смеси.
Но известному способу сепарации и устройству присущи следующие недостатки.
Знакопеременный и свободный режим истечения каскада струй неотвратимо приводит к периодическому, нестабильному во времени и пространстве возникновению в нем зон давления и разрежения с появлением прямых и обратных течений. В зоне обратных течений происходит втягивание частиц (особенно легких) в движение, обратное направлению движения основного потока воздуха, которое приводит к частичному смешиванию уже отсепарированного материала с неотсепарированным. Нестабильность во времени этого явления, в конце концов, приводит к размыканию (разрыву) каскада струй в любом случайном месте, что еще в большей мере усиливает обратное течение в этой зоне и, как результат, интенсифицирует смешивание отсепарированного материала с неотсепарированным. Кроме того, размыкание каскада струй воздушного потока способствует срыву генерации (прекращению колебательного процесса), что заметно снижает качество сепарации, приближая его к качеству сепарации обычной веялкой. Указанные недостатки известного способа обусловлены несовершенством конструкции устройства для его осуществления, в частности конструкции его генератора струй воздуха.
Наиболее близкими по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемыми за прототип являются способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде и устройство для его осуществления, сущность которых заключается в следующем.
Способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающийся в гравитационной подаче частиц сепарируемой смеси, аэродинамическом монотонно растущем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй, образованным из предварительно слитных за счет расширения воздушных струй с развитой турбулентностью и циркуляционных зон, и выводе готовых фракций, при этом аэродинамическое воздействие осуществляют в режиме резонансного автоколебательного движения каждой струи и всего каскада струй на частоте первой гармоники колебаний.
Устройство для реализации этого способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде содержит бункер с вибролотком, установленный под ними генератор струй с расположенными друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху книзу, а также генератор связан с источником подачи в него воздуха под давлением и охвачен боковыми стенками для предотвращения подсоса воздуха из окружающей среды в генератор, кроме того, устройство содержит сепарирующую камеру, под которой расположены сборники фракций, а также каждая пара смежных сопел оснащена резонансной камерой, соединяющей их межсопловые пространства. Каждая резонансная камера, в свою очередь, оснащена устройством для регулирования их объема, причем отношение высоты поперечного сечения сопел к шагу их установления находится в пределах 0,2-0,25, а соотношения крайнего верхнего и крайнего нижнего углов установки сопел - 0,65-0,75 [см. пат. Украины №60254 по классу В07В 4/02, A01F 12/44, опубликованный 15.07.2005 в Бюл. №7 за 2005 г.].
Основной недостаток известного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде заключается в том, что зоны развитой турбулентности формируют плоскими струями. Именно это обстоятельство ограничивает производительность известного процесса сепарации сыпучей смеси и качество разделения ее на отдельные фракции. Сущность этого недостатка поясняется следующим. Как известно, качество сепарации при аэродинамическом воздействии на частицы смеси каскадом струй полностью зависит от количества и размера циркуляционных зон: чем больше количество струи и из-за этого количество указанных циркуляционных зон, тем выше качество разделения смеси на фракции. В данном способе количество плоских струй минимально и определяется высотой генератора, а размеры циркуляционных зон максимальны, поскольку ширина каждой струи соответствует ширине генератора. Следовательно, указанные физические параметры струй (их количество и ширина, благодаря которым образуется соответствующее количество циркуляционных зон) и определяют производительность и качество процесса сепарации: какие они положены в основу конструкции (количество и размеры) струйного генератора, такую производительность и качество будет иметь и способ сепарации. Повысить же производительность и качество процесса сепарации посредством увеличения скорости течения воздуха в струях не представляется возможным, поскольку при увеличении скорости воздуха наблюдается ухудшение качества процесса сепарации из-за того, что большинство частиц смеси просто не будут попадать в соответствующие сборники фракций (они будут просто сдуваться воздухом на более отдаленное расстояние, чем это необходимо). Следовательно, известный способ вынуждает осуществлять процесс сепарации на малых скоростях воздуха, то есть он обеспечивает лишь минимальную производительность. К тому же формирование широких струй нуждается в соответствующем большом расходе воздуха для обеспечения слияния струй в соответствии с законами аэродинамики, а это, в свою очередь, приводит к неоправданному увеличению энергозатрат на процесс сепарации сыпучей смеси. Кроме того, в известном способе невозможно уменьшить размеры циркуляционных зон и повысить степень турбулентности, поскольку для процесса сепарации применяются непрерывные струи, из-за невозможности их прерывания во времени и пространстве.
Указанные недостатки известного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде вызваны конструктивным несовершенством устройства, с помощью которого он осуществляется, а именно: в конструкции устройства применен «щелевой» струйный генератор каскада плоских струй. Его сопла выполнены в виде горизонтальных щелей на вертикальной стенке генератора на всю ширину сепарирующей камеры. Суммарная площадь щелевых сопел достаточно большая и нуждается для формирования струй в значительном расходе воздуха. К тому же конструкция известного струйного генератора неизменна и неподвижна, что не позволяет перерывать каскад струй во времени для обеспечения течения воздуха через сопла в пульсирующем режиме. Это не ограничивает возможность дальнейшего развития турбулентности или повышения качества сепарации сыпучей смеси в текучей среде.
Таким образом, отмеченные выше недостатки, присущие известному способу сепарации сыпучей смеси в текучей среде, находятся в причинно-следственной связи с конструктивными недостатками устройства, с помощью которого он осуществляется, в частности с конструкцией его генератора каскада воздушных струй.
В основу изобретения поставлена задача повышения производительности способа аэродинамической сепарации и повышения качества разделения сыпучей смеси на отдельные фракции путем формирования воздействующей (влияющей на смесь) воздушной системы из отдельных и подвижных одновременно струй и увеличение количества циркуляционных зон и с одновременным уменьшением их размеров за счет изменения конструкции струйного генератора.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающемся в гравитационной подаче частиц сепарируемой смеси, аэродинамическом монотонно растущем воздействии на них под острым углом к вертикали аэродинамическим потоком, имеющим циркуляционные зоны, и отводе готовых фракций, согласно предложению аэродинамический поток формируют в виде постоянно перемещаемых снизу вверх системы отдельных струй, аэродинамически взаимодействующих между собой благодаря расширению и эффекту Коанда, а циркуляционные зоны формируют равновеликими и в виде торроидов, каждый из которых концентричен своей струе.
Решение поставленной задачи достигается также и тем, что в известном устройстве для реализации предложенного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде, содержащем бункер с вибролотком, установленный под ними струйный генератор, связанный с приводом подачи воздуха под давлением, сепарирующую камеру, под которой расположены сборники фракций, согласно предложению генератор струй выполнен в виде пустотелого принудительно вращающегося дырчатого барабана, образующая поверхность которого имеет множество отделенных друг от друга протоков для формирования системы отдельных струй, причем сепарирующая камера и привод подачи воздуха под давлением в генератор струй связаны между собой через указанный барабан диаметрально.
Кроме того, в предложенном устройстве для сепарации сыпучей смеси в текучей среде, в частности, в барабане протоки для формирования системы струй могут быть выполнены в виде патрубков, закрепленных на образующей поверхности вращающегося дырчатого барабана под острым углом к ее касательной в направлении, совпадающем с направлением вращения указанного барабана.
Отличительными особенностями предложенного способа является возможность максимально уменьшить размеры циркуляционных зон и максимально увеличить их количество, что в итоге позволяет максимально развить турбулентность, благодаря которой существенно возрастает качество сепарации сыпучей смеси, а также благодаря увеличению скорости течения воздуха в системе воздушных струй возрастает производительность способа сепарации, причем без влияния скорости течения воздуха на качество процесса разделения сыпучей смеси на отдельные фракции. Кроме того, постоянное перемещение системы струй снизу вверх как бы поддерживает (подбрасывает, вынуждает вибрировать) частицы сыпучей смеси в свободном полете, то есть во время пребывания в зоне сепарации, что позволяет увеличить общее время аэродинамического воздействия на частицы смеси и именно таким образом повысить еще в большей мере качество процесса разделения сыпучей смеси на отдельные фракции.
Отличительной особенностью предложенного устройства является, во-первых, использование не линейных («щелевых») сопел (каналов для формирования каскада струй), а точечных («круговых») протоков, что позволило увеличить в разы общее количество струй в воздушной системе и, соответственно, общее количество равновеликих циркуляционных зон в виде торроидов, которые полностью заполняют пространство между струями, за счет чего повышается качество сепарации и производительность устройства в результате получения возможности увеличения скорости течения воздуха в струях, и, во-вторых, выполнение генератора струй в виде пустотелого принудительно вращающегося дырчатого барабана позволяет системе струй задать пульсирующий режим, что позволило достичь целостности аэродинамического потока (системы) по ширине сепарирующей камеры и создать воздушную «подушку» для поддержания или подкидывания частиц сыпучей смеси в зоне аэродинамического воздействия на них, что, в свою очередь, позволило еще в большей мере повысить качество разделения на фракции сыпучей смеси. Диаметральная подача воздуха в полость принудительно вращающегося дырчатого барабана позволяет не преломлять или сгибать, не изменять направление воздушного потока и благодаря этому не терять его кинетическую энергию. Выполнение протоков в виде патрубков, закрепленных на образующей поверхности вращающегося дырчатого барабана под острым углом к ее касательной в направлении, совпадающем с направлением вращения указанного барабана, позволяет расширить технические возможности предложенного устройства путем изменения размеров, формы и угла установления указанных патрубков.
Техническим результатом изобретения является получение нового процесса воздействия на сыпучую смесь во время сепарации подвижной системой воздушного потока с максимально развитой турбулентностью, полученной за счет формирования в воздушной системе множества равновеликих циркуляционных зон в виде торроидов, образующихся благодаря конструктивным изменениям струйного генератора в устройстве для осуществления предложенного процесса, в частности, использованием в его конструкции пустотелого вращающегося дырчатого барабана, установленного между устройством для подачи воздуха под давлением и сепарирующей камерой. Эти изменения позволили существенно повысить качество процесса сепарации и производительности устройства, применяемого для реализации предложенного процесса.
В общем, предложенное изменение принципа формирования системы воздушного потока из отдельных струй и замена статического (неподвижного) струйного генератора на динамический (подвижной), безусловно, влечет за собой повышение производительности способа аэродинамической сепарации и повышение качества разделения сыпучей смеси на отдельные фракции.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков предложенного технического решения обеспечивает достижение поставленной цели изобретения.
Дальнейшая сущность изобретения поясняется совместно с иллюстрирующим его материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - схема предложенного устройства для осуществления предложенного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде, вид сбоку с разрезом для лучшего показа конструкции; фиг.2 - вид спереди на пустотелый вращающийся дырчатый барабан; фиг.3 - вид с торца на пустотелый вращающийся дырчатый барабан с патрубками внутри, расположенными под острым углом в направлении, совпадающем с направлением вращения барабана. Одинарными стрелками на фиг.1 показано движение воздушного потока в устройстве, двойными - выход готовых фракций.
Предложенное устройство для сепарации сыпучей смеси в текучей среде состоит из бункера 1 с вибролотком 2 для гравитационной подачи частиц 3 сыпучей смеси в зону сепарации, то есть непосредственно в сепарирующую камеру 4. Под вибролотком 2 установлен струйный генератор 5, выполненный в виде пустотелого принудительно вращающегося дырчатого барабана 6, образующая поверхность которого имеет множество отделенных друг от друга протоков 7 для формирования системы отдельных струй. Струйный генератор 5 отделяет сепарирующую камеру 4 от привода 8 аэродинамической подачи воздуха под давлением в струйный генератор 5, причем вращающийся дырчатый барабан 6 развернут к ним своей образующей, то есть расположен относительно сепарирующей камеры 4 и привода 8 диаметрально.
Сепарирующая камера 4 представляет собой замкнутый объем, образованный боковыми и верхней стенками с отверстием 9 на конце для выхода отработанного воздуха. Под этой сепарирующей камерой 4 расположены сборники фракций 10.
Предложенный способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде с помощью предложенного устройства осуществляют таким образом (на примере сепарации зернового материала).
Зерновой материал загружают в бункер 1. Затем начинают гравитационную подачу частиц 3 сепарируемого зернового материала в сепарирующую камеру 4 со стороны расположения струйного генератора 5. Для осуществления этой операции используют вибролоток 2. На частицы 3 сыпучей смеси зернового материала, находящиеся в свободном падении, воздействуют под острым углом к вертикали аэродинамическим потоком воздуха, сформированным в виде подвижных снизу вверх системы отдельных струй, аэродинамически взаимодействующих между собой благодаря расширению и эффекту Коанда. Турбулентности аэродинамическому потоку прибавляют еще и равновеликие циркуляционные зоны, образующиеся в виде торроидов, каждый из которых концентричен каждой отдельной своей струе. Частицы 3 сыпучей смеси зернового материала, находясь под воздействием турбулентного аэродинамического потока, многократно вращаются в воздушном пространстве (поэтому их форма абсолютно не важна для процесса сепарации), поддерживаясь в потоке некоторое время благодаря постоянному перемещению последнего снизу вверх и постепенно пронизывая вниз поток, качественно разделяются и гарантированно попадают в соответствующий сборник фракций 10.
Понятно, что от вида сыпучей смеси, ее исходного состояния, скорости воздушного потока (мощности привода 8), количество, форма и размеры протоков 7 в барабане 6 могут быть разными, а также в них могут быть закреплены любым известным способом патрубки 11 разнообразной конструкции, превращающие конструкцию дырчатого барабана 6 в сопловый барабан. Благодаря наклону патрубков 11 можно увеличить общую толщину аэродинамического потока и, соответственно, увеличить количество фракции разделения.
Существенное отличие предложенного технического решения от ранее известных заключается в новом принципе формирования «рабочего» аэродинамического потока воздуха из системы подвижных снизу вверх отдельных струй, а также в том, что струйный генератор устройства выполнен в виде принудительно вращающегося пустотелого дырчатого барабана с протоками на его образующей поверхности. Указанные отличия в совокупности позволяют существенно увеличить турбулентность аэродинамического потока воздуха, образовать поддерживающий слой воздуха, что в итоге позволяет существенно повысить качество процесса сепарации и производительность устройства. Ни один из известных способов сепарации и устройства для их осуществления не могут обладать указанными свойствами, поскольку почти все устройства имеют конструктивно неподвижные струйные генераторы, преимущественно с щелевыми соплами, а известные способы сепарации исчерпали свои возможности дальнейшего развития турбулентности, а если она все-таки и есть, то с большими циркуляционными зонами. Поэтому их технические возможности оказываются ограниченными.
Предложенное техническое решение проверено на практике, состоит из обычных деталей и узлов, не содержит элементы или процессы, которые невозможно было бы воспроизвести на современном этапе развития науки и техники, из чего следует, что оно промышленно применимо. В известных источниках информации не обнаружено подобных способов сепарации и устройств для их осуществления аналогичного назначения с указанными отличными существенными признаками и преимуществами, что являются подтверждением возможности достижения указанного технического результата, а потому считается таковым, что может получить правовую защиту.
К техническим преимуществам предложенного технического решения в сравнении с прототипом можно отнести следующее:
- получение аэродинамического потока с более развитой турбулентностью за счет его формирования из системы отдельных струй с одновременным образованием множества равновеликих циркуляционных зон в виде торроидов;
- уменьшение расхода воздуха из-за уменьшения суммарной площади протоков в сравнении с щелевыми соплами;
- уменьшение энергозатрат на формирование аэродинамического потока по этой же причине;
- увеличение времени пребывания сыпучей смеси в активной зоне аэродинамического потока за счет его постоянного перемещения снизу вверх;
- повышение качества сепарации сыпучей смеси за счет увеличения турбулентности аэродинамического потока, времени пребывания, частиц смеси в нем, увеличения подвижности частиц смеси, то есть времени;
- расширение технико-функциональных возможностей устройства за счет оснащения его струйного генератора вращающимся пустотелым дырчатым барабаном;
- повышение производительности процесса сепарации за счет возможности увеличения скорости аэродинамического потока.
Социальный эффект от внедрения изобретения по сравнению с использованием прототипа получают за счет повышения качества процесса сепарации сыпучей смеси, благодаря чему получат большее количество сепарированного материала в каждой фракции, а также за счет исключения необходимости повторной сепарации некачественно разделенной смеси.
Экономический эффект от внедрения изобретения по сравнению с использованием прототипа получают благодаря повышению производительности устройства, что в итоге уменьшает чисто технологическое время его эксплуатации.
После описания предложенного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде и устройства для его осуществления специалистам в данной отрасли знаний должно быть очевидным, что все вышеописанное является лишь иллюстративным, а не ограничительным, будучи представленным данным примером. Многочисленные возможные модификации элементов устройства, в частности конструкции барабана, струйного генератора, их размеры, могут изменяться в зависимости от вида и состояния исходного сепарируемого сырья, степени загрязнения воздуха, вида и свойств загрязнений и, понятно, находятся в пределах объема одного из обычных и естественных подходов в данной области знаний и рассматриваются таковыми, что находятся в пределах объема предложенного технического решения.
Квинтэссенцией предложенного технического решения является то, что благодаря выполнению струйного генератора в виде дырчатого вращающегося барабана удалось открыть путь для дальнейшего развития турбулентности аэродинамического потока, увеличить длительного времени пребывания сепарируемой смеси в активной части сепарирующей камеры, иначе влиять системой струй на сепарируемый материал, и именно эти обстоятельства позволили приобрести предложенному способу сепарации и устройству для его осуществления перечисленные выше и другие преимущества. Изменение предложенного принципа формирования аэродинамического потока из системы отдельных струй на другие, естественно, ограничивает спектр преимуществ, перечисленных выше, и не может считаться новыми техническими решениями в данной области знаний, поскольку другие подобные описанному способу сепарации и устройству для его осуществления уже не требуют никакого творческого подхода от конструкторов и инженеров, а потому и не могут считаться результатами их творческой деятельности или новыми объектами интеллектуальной собственности, подлежащими защите охранными документами в соответствии с действующим законодательством.