ПНЕВМОСИСТЕМА УСТАНОВКИ ДЛЯ ВОЗДУШНОЙ СЕПАРАЦИИ СЫПУЧЕЙ СМЕСИ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ
PNEUMATIC SYSTEM FOR INSTALLATION OF LOOSE MIXTURE AIR SEPARATION IN FLUID MEDIUM

-
Изобретение относится к пневмосистемам устройств для воздушной сепарации сыпучих материалов, например семян злаковых, овощных и травяных культур, и может быть использовано для очистки и сортировки зерна на селекционных станциях, элеваторах, в  фермерских хозяйствах, заводах для производства семян и круп, а также в мукомольной, комбикормовой, химической и других отраслях промышленности.
Известен сепаратор, пневмосистема которого включает вентилятор, от которого непосредственно отходит наклонный воздушный канал, в который питателем подается навстречу воздушному потоку сыпучий материал таким образом, чтобы направление подачи или вектор скорости подачи исходного материала образовывал острый угол с вектором средней скорости воздушного потока в канале. При этом легкие примеси с большими коэффициентами ветрености сразу же захватываются воздушным потоком и перемещаются по верхним траекториям к инерционному пылеотделителю. Более тяжелые компоненты исходной сыпучей смеси, имеющие малые коэффициенты ветрености, преодолевая сопротивление воздушного потока, некоторое время перемещаются в канале навстречу воздушному потоку за счет запаса кинетической энергии. Далее, они также захватываются воздушным потоком и по более коротким нижним траекториям попадают в соответствующие приемники продуктов сепарации, расположенные на более близком расстоянии от места подачи исходной сыпучей смеси. Такая конструкция устройства позволяет увеличить скорость подачи сыпучего материала и соответственно увеличить скорость воздушного потока, что повышает производительность сепарации при уменьшенных размерах длины воздушного канала [см. пат. Украины №9928U по классу В07В 4/02, опубликованный 17.10.2005 года].
Существенным недостатком этой пневмосистемы сепаратора является то, что воздушный канал выполнен коротким и примыкает непосредственно к вентилятору. Общеизвестно, что на выходе любого вентилятора формируется турбулентный воздушный поток, который не успевает в коротком канале преобразоваться (выровняться) в ламинарный поток. Следовательно, сепарация сыпучей смеси происходит в турбулентном воздушном потоке, и именно это обстоятельство не может, в принципе, обеспечить необходимое качество разделения сыпучей смеси на отдельные фракции, причем, при возрастании скорости воздушного потока, из-за усиления турбулентности, качество сепарации будет соответственно снижаться. Таким образом, известная пневмосистема не может обеспечить достаточное качество сепарации сыпучей смеси по той причине, что воздушный канал выполнен коротким и расположен в непосредственной близости от вентилятора.
Этот недостаток устранен в сепараторе, пневмосистема которого состоит из вентилятора, создающего горизонтальный воздушный поток вдоль рабочего канала, который далее переходит в трубопровод, имеющий значительно меньшее поперечное сечение, чем рабочий канал. Трубопровод соединен с циклоном, после которого, с другой стороны от рабочего канала, расположен вентилятор. То есть вентилятор находится на максимальном удалении от рабочего канала. Вентилятор, через трубопровод и циклон, засасывает воздух из окружающей среды и подает его в рабочий канал равномерно по всему его сечению, то есть ламинарным потоком. Под действием воздушного потока тяжелые частицы разделяемого материала попадают в ближайший к трубопроводу приемник, а легкие - в самый дальний приемник, расположенный непосредственно возле рабочего канала (возле зоны всасывания воздуха). Между крайними приемниками фракций расположены промежуточные приемники для фракций, которые по своему весу находятся между самыми тяжелыми и легкими фракциями. Пылевидные частицы перемещаются в циклон, где через воздушный затвор выводятся в атмосферу [см. пат. Украины №22962U по классу В07В 4/00, опубликованный 25.04.2007 года].
Недостатком этой пневмосистемы является то, что при ее использовании осуществляется довольно низкая эффективность разделения сыпучих смесей из-за сплошности воздушного потока, что влечет невысокое качество сепарации при увеличении подачи исходной сыпучей смеси в канал из-за взаимозахвата разных по весу частиц, или малую производительность при высоком качестве разделения при поштучной подаче сепарируемого материала. Для повышения эффективности сепарации необходимо значительно увеличивать размеры канала, что невозможно в современных зерноочистительных машинах.
Разделение сплошного воздушного потока на каскад потоков с разной скоростью истечения воздуха предложено в пневмосистеме сепаратора, включающей вентилятор, наклоненный воздушный канал, в котором дополнительно устанавливается приспособление с механизмом регуляции скорости воздушного потока по высоте канала. Это приспособление выполнено в виде набора поворотных пластин, смонтированных на осях, проходящих через осевые линии боковин приспособления, причем оси поворотных пластин закреплены параллельно нижней (верхней) стенкам приспособления. Положение поворотных пластин фиксируется прижимной планкой. При сепарации сыпучей смеси исходный материал подается в наклонный воздушный канал, то есть в зону действия воздушного потока, создаваемого вентилятором, а с помощью поворотных пластин воздушный поток преобразуется в неравномерный по высоте канала, причем более интенсивный в верхней части канала и более умеренный в нижней его части. При повороте пластин приспособления добиваются, чтобы эпюра изменения скоростей описывалась выпуклой параболой в направлении подачи воздуха и асимметричной к верхней части канала. Под действием такого воздушного потока самые тяжелые компоненты сыпучей смеси, имеющие малые коэффициенты ветрености, попадают в соответствующий приемник, а компоненты (зерна) с большими коэффициентами ветрености отделяются и попадают в другие приемники, предназначенные для сбора, и составляют измельченные и мелкие зерна основной культуры, или семян (примесей) других культур (например, сорняков). Биологические примеси (шелуха) и пыль попадают в пылеотделитель. В зависимости от засоренности исходного материала, разницы числовых характеристик кривых деления коэффициентов ветрености семян основной культуры и примесей, высоты и длины канала, средней скорости воздуха и подачи исходного материала в канал, изменяют степень кривизны эпюры путем изменения каскада скоростей воздуха по высоте канала. При этом, при очистке семенных смесей с большой разницей числовых характеристик кривых деления коэффициентов ветрености семян основной культуры и примесей и высокой засоренностью исходной смеси, степень кривизны эпюры изменения скоростей воздушных потоков в каскаде увеличивают. Это обеспечивает большую скорость транспортировки компонентов смеси в верхней части канала, уменьшая их концентрацию в зоне загрузки. Кроме того, легкие примеси, отделяемые от исходного материала более интенсивным воздушным потоком, полностью выносятся из зоны разделения (интенсивно разгружается основная часть канала), что способствует не только повышению производительности сепаратора, но и улучшению условий для разделения компонентов с более близкими коэффициентами воздушности в средней и нижней частях (по высоте) канала. Для разделения приблизительно равных по коэффициентам ветрености смесей, степень кривизны эпюры изменения скоростей в каскаде уменьшают, что, естественно, приводит к уменьшению производительности сепаратора, но обеспечивает высокое качество разделения сыпучей смеси на фракции. Повышают же производительность при разделении более однородных смесей путем увеличения средней скорости воздушного потока в канале и скорости подачи исходного материала в воздушный канал, или, при соответствующей кривизне эпюры, увеличением высоты или длины канала. Изменение степени кривизны эпюры скоростей воздушного потока в канале осуществляют изменением углов наклона поворотных пластин механизма регуляции [см. пат. Украины №70667 по классу В07В 4/02, опубликованный 15.10.2004 года].
Вышеуказанное исполнение пневмосистеми сепаратора не обеспечивает однородность струй воздуха на выходе из щелей поворотных пластин приспособления. Это приводит к разрыву каскада струй, в результате чего частицы сепарируемого материала могут смешиваться между собой. Все это отражается в худшую сторону на качестве отсепарированного материала.
Этот недостаток устранен в пневмосистеме устройства для сепарации сыпучей смеси в текучей среде, включающей вентилятор, соединенный со струйным генератором с плоскими соплами, выполненными разными по высоте поперечного сечения их каналов, установленными с разным шагом между ними и расположенными под разными острыми углами к вертикали, при этом величины указанных высот поперечного сечения канала, шага и острого угла увеличиваются в направлении сверху вниз. Сепарация сыпучей смеси заключается в гравитационной подаче частиц исходного материала, аэродинамическом монотонно возрастающем действии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй и выводе готовых фракций в сборники, которые расположены в донной части камеры сепарирования [см. пат. Украины №45881 по классу В07В 4/02, опубликованный 15.04.2002 года].
Недостатком этой пневмосистемы является то, что знакопеременный и свободный режим работы 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 воздушного потока происходит втягивание частиц (особенно легких) в направление, обратное направлению движения основного потока, что приводит к частичному смешиванию уже отсепарированного материала. Нестабильность во времени этого явления, в конечном итоге, приводит к размыканию (разрыву) каскада струй в любом случайном месте, что еще больше усиливает обратное течение в этой зоне и, как результат, интенсифицирует смешивание. Кроме того, размыкание способствует срыву генерации (прекращению колебательного процесса), что заметно снижает качество сепарации, приближая его к качеству сепарации обычно веялкой.
Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является пневмосистема установки для воздушной сепарации сыпучей смеси в текучей среде, включающей вентилятор высокого давления, соединенный с ним генератор струй, с расположенными в нем друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху вниз, а также камеру сепарации, образованную боковыми стенками для исключения подсоса воздуха в межсопловое пространство и срыва генерации, и разделяющее устройство, расположенное снизу камеры сепарации и включающее сборники для прямых фракций, развернутых в одну сторону, и сборники для промежуточных фракций, развернутых в другую (противоположную) сторону, и через воздуховод соединенные с бункером для накопления исходного материала. Сепарация сыпучей смеси с помощью этой пневмосистемы устройства заключается в гравитационной подаче частиц исходного материала из бункера, аэродинамическом монотонно растущем действии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй и выводе фракций в разные сборники и возврате промежуточных фракций в бункер для повторной сепарации [см. пат. Украины №60254 по классу В07В 4/02, A01F 12/44, опубликованный 15.07.2005 года в Бюл. №7].
Основной недостаток известной пневмосистемы - ограниченность ее функциональных возможностей - просматривается при использовании устройства для сепарации семян некоторых сельскохозяйственных культур из-за того, что она не может влиять на физическое состояние семян промежуточных фракций, поскольку не связана с их сборниками. Этот недостаток поясняется следующим. Зерна некоторых сельскохозяйственных культур могут слипаться между собой, например, семена тыквы, из-за наличия на них поверхностной пленки, или на них остаются остяки из-за недомолота, например, на зернах ячменя, шелуха и тому подобное. Такой исходный материал при сепарации, естественно, оказывается в сборниках промежуточных фракций, откуда он попадает с помощью воздуховода в бункер для повторной сепарации. Поскольку воздуховод никоим образом не влияет на такие семена (не изменяет их физического состояния), то при повторной сепарации такое зерно снова попадет в сборники промежуточных фракций, и этот процесс будет повторяться бесконечно, поскольку физическое состояние таких семян не изменяется. Следовательно, неизменные условия сепарации промежуточных фракций семян приводит к постепенному накоплению отмеченных фракций в бункере, и из-за этого, естественно, будет снижаться производительность установки для сепарации семян.
В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей пневмосистемы установки для сепарации сыпучей смеси с одновременным повышением ее производительности и эффективности сепарации за счет изменения физического состояния промежуточных фракций сепарируемого материала путем аэродинамического домолота и разделения слипшегося материала на отдельные части.
Решение поставленной задачи достигается тем, что известная пневмосистема установки для воздушной сепарации сыпучей смеси в текучей среде, содержащей вентилятор высокого давления, соединенный с ним генератор струй, с расположенными в нем друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху вниз, а также камеру сепарации, образованную боковыми стенками для исключения подсоса воздуха в межсопловое пространство и срыва генерации, и разделяющее устройство, расположенное снизу камеры сепарации и включающее сборники для прямых фракций, развернутые в одну сторону, и сборники для промежуточных фракций, развернутые в противоположную сторону, и через воздуховод соединенные с бункером для накопления исходного материала, согласно предложению, под сборниками промежуточных фракций установлен дополнительный общий бункер с наклонными стенками, а пневмосистема имеет дополнительную ветвь, образованную вентилятором высокого давления и дополнительным воздуховодом, конец которого направлен в общий бункер, причем, на конце дополнительного воздуховода установлено подвижное сужающееся сопло, а также соосно с ним, под выходным отверстием общего бункера, расположено сопло Лаваля, соединенное с воздуховодом, в котором расположено съемное устройство для домолота сыпучего материала промежуточных фракций, выполненное в виде набора штырей, установленных поперечно воздуховоду, конец которого примыкает к полуциклону.
Дополнительная ветвь пневмосистемы обеспечивает функцию транспортировки промежуточных фракций к воздуховоду, выполняющему дополнительную функцию: влияние на физическое состояние этих фракций, а именно, разделяя слипшийся материал на отдельные частицы (зерна) и обмолачивая те зерна, которые в этом нуждаются за счет наличия в нем съемного приспособления для домолота. Наличие полуциклона предотвращает возврат в бункер пыли и отходов обмолота, что в целом позволяет повысить производительность и эффективность сепарации сыпучей смеси в воздушном потоке.
Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется совместно с иллюстративным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - пневмосистема установки для воздушной сепарации сыпучей смеси в текучей среде, вид сбоку; фиг.2 - продольный разрез участка воздуховода с устройством для обмолота промежуточных фракций, процесс разделения слипшихся в комки семян; фиг.3 - то же самое, процесс домолота семян с остяками. Стрелками показано движение воздушных потоков. Черные пятнышки - условное изображение частиц сепарируемого материала.
Пневмосистема установки для воздушной сепарации сыпучей смеси в текучей среде содержит вентилятор 1 высокого давления, соединенный с ним генератор струй 2, с расположенными в нем друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами 3, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху вниз, а также камеру сепарации 4, образованную боковыми стенками для исключения подсоса воздуха в межсопловое пространство и срыва генерации. Под камерой сепарации 4 расположено разделяющее устройство, включающее сборники для прямых фракций 5, развернутые в одну сторону, и сборники для промежуточных фракций 6, развернутые в другую (противоположную) сторону. Все сборники для промежуточных фракций 6 направлены в единый общий бункер 7. Транспортирующее устройство промежуточных фракций сепарируемого материала выполнено в виде дополнительной ветви пневмосистемы установки, образованной вентилятором высокого давления 8 и дополнительным воздуховодом 9, конец которого направлен в общий бункер 7. На конце дополнительного воздуховода 9 установлено подвижное сужающееся сопло 10. Под выходным отверстием общего бункера 7 расположено сопло Лаваля 11, которое вместе с соплом 10 образует узел эжекторного всасывания промежуточных фракций материала в воздуховод 12. В воздуховоде 12 расположено съемное устройство 13 домолота сыпучего материала промежуточных фракций, выполненное в виде набора штырей 14, установленных поперек воздуховода 12. В конце воздуховода 12, над бункером 15 расположен полуциклон 16, в котором происходит аэродинамическое отделение сыпучего материала промежуточных фракций от отходов процесса домолота. Промежуточные фракции сыпучего материала возвращаются в бункер 15 для повторной сепарации, а отходы процесса домолота удаляются за пределы установки через воздуховод 17.
Дальнейшая сущность изобретения поясняется совместно с принципом работы предложенной пневмосистемы установки для воздушной сепарации сыпучей смеси в текучей среде.
Вначале осуществляют гравитационную подачу частиц сепарируемого материала из бункера 15 в камеру сепарации 4. На частицы сепарируемого материала, находящиеся в свободном падении, действуют под острым углом к вертикали каскадом плоских струй воздуха в режиме развитой турбулентности, который образуется благодаря искривлениям струй во время их расширения в соплах 3. Во время прохождения частицами материала каскада струй происходит разделение материала на отдельные фракции и, далее, осуществляется вывод прямых фракций в сборники 5. Одновременно с этим происходит отбор промежуточных фракций в сборники 6 для возврата их на повторную сепарацию. Процесс возврата промежуточных фракций на повторную сепарацию происходит следующим образом. Поскольку под всеми сборниками 6 расположен общий бункер 7, то материал промежуточных фракций оказывается в нем и скатывается вниз по наклонным стенкам бункера 7. Под действием воздушного потока в дополнительном воздуховоде 9 и при наличии узла эжекторного засасывания материала, образованного соплом Лаваля 11 и суживающимся соплом 10, материал промежуточных фракций засасывается в воздуховод 12, по которому транспортируется к устройству домолота 13. В устройстве домолота 13 частицы (зерна и фрагменты слипшихся зерен) материала сталкиваются с неподвижными штырями 14. Благодаря кинетической энергии подвижных частиц, слипшиеся комья зерен разбиваются и домолачиваются (сбиваются остяки) зерна, которые в этом нуждаются. Далее, отделенные и домолоченные зерна, а также пыль и отходы домолота продвигаются по воздуховоду 12 к полуциклону 16, в котором происходит возврат сыпучего материала в бункер 15 для повторной сепарации и удаление отходов процесса домолота за пределы установки. Мощность эжекторного всасывания материала можно регулировать путем передвижения суживающегося сопла 10 с помощью регулятора 18.
Таким образом, предложенная пневмосистема позволяет повысить эффективность и производительность разделения семенных смесей на фракции благодаря влиянию на физическое состояние материала промежуточных фракций с помощью устройства для домолота 13. Если нет необходимости в таком устройстве для домолота 13, его снимают с пневмосистемы и на его место устанавливают фрагмент воздуховода 12.
Существенное отличие заявляемого объекта от ранее известных заключается в том, что пневмосистема установки для сепарации снабжена дополнительной ветвью с устройством для эжекторного всасывания материала и устройством для домолота. С точки зрения энергозатрат никакого изменения не произошло: пневматическая транспортировка промежуточных фракций сыпучего материала нуждается в определенных расходах энергии. Но пневматическая транспортировка позволяет разогнать частицы материала и именно таким образом обеспечить их запасом кинетической энергии, благодаря которой в устройстве для домолота происходит воздействие штырями на физическое состояние частиц материала, в частности, разбивка на отдельные составляющие слипшиеся комки, и домолот зерен, нуждающихся в этом. Указанные отличия, в совокупности, позволяют расширить функциональные возможности пневмосистемы, из-за которых автоматически повышается эффективность и производительность процесса сепарации сыпучей смеси на отдельные фракции.
К техническим преимуществам предложенного технического решения, в сравнении с прототипом, можно отнести следующее:
- расширение функциональных возможностей пневмосистемы за счет введения в ее состав дополнительной ветви;
- возможность разбивания комков материала и домолота за счет включения в состав дополнительной пневмоветви и приспособления для домолота;
- повышение эффективности повторной сепарации за счет изменения физического состояния промежуточных фракций материала;
- повышение производительности устройства для сепарации за счет того, что частицы промежуточных фракций уже не возвращаются в соответствующие сборники;
- сокращение времени сепарации за счет однократного возврата промежуточных фракций на повторную сепарацию;
- универсальность за счет того, что устройство для домолота выполнено съемным.
Социальный эффект от внедрения предложенного технического решения, в сравнении с использованием прототипа, получают за счет увеличения выхода готового продукта, а также за счет более качественного процесса сепарации.
Экономический эффект от внедрения предложенного технического решения, в сравнении с использованием прототипа, получают за счет повышения производительности процесса сепарации сыпучей смеси.
Предложенное техническое решение проверено на практике, следовательно, приемлемо для промышленного применения, в известных источниках информации не обнаружено подобной пневмосистемы с отмеченными существенными признаками, а потому считается таковым, что может получить правовую защиту.
После описания предложенной пневмосистемы установки для сепарации сыпучей смеси в текучей среде, 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 пневмосистемы, в частности устройства для домолота, его размер, могут изменяться в зависимости от состояния и вида исходного сыпучего сепарируемого материала, 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 пневмосистема снабжена дополнительной ветвью для транспортировки и устройством для влияния на физические параметры промежуточных фракций в процессе транспортировки за счет ударной нагрузки на частицы материала при сталкивании их с устройством для домолота, и именно это обстоятельство позволило приобрести предложенной пневмосистеме перечисленые выше и другие преимущества. Изменение предложенного принципа возврата промежуточных фракций и принципа влияния на их физическое состояние на другие, естественно, ограничивает спектр преимуществ, перечисленных выше, и не может считаться новыми полезными техническими решениями в данной области знаний, поскольку другая подобно описанной пневмосистема уже не требует никакого творческого подхода от конструкторов и инженеров и не может считаться результатами их творческой деятельности или новыми объектами интеллектуальной собственности, подлежащими защите охранительными документами.