РЕГУЛЯТОР РАСХОДА СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА
LOOSE MATERIAL FLOW CONTROL

I. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к оборудованию для технологических процессов, где требуется непрерывная регулируемая с высокой точностью подача сыпучего мелкодисперсного материала, и может быть использовано в порошковой металлургии, в химической и атомной промышленности, в частности в производстве микротвэлов для ядерных реакторов.
II. Уровень техники
Ряд технологических процессов с сыпучими материалами требует повышенной точности их дозирования и возможности быстро изменять расход в соответствии с изменением параметров технологического процесса. Например, нанесение защитных покрытий из углеродных материалов на топливные керны при изготовлении микротвэлов ведется газофазным осаждением в кипящем слое, где необходимо постоянно и с высокой точностью поддерживать баланс между подачей сыпучего материала и расходом газовой смеси при меняющемся весе частиц.
Дозированная подача сыпучего материала в зависимости от технологического процесса может быть дискретной или непрерывной, объемной или весовой. Объемное дозирование основано на заполнении мерных емкостей (патент RU №1518677 «Питатель-дозатор сыпучих полимерных материалов», МПК G01F 11/40, В65В 1/24, опубл. 30.10.1989) с последующей подачей материала из емкостей в зону обработки материала или подачей из бункера с помощью лопаточных машин (патент RU №2114399 «Дозирующее и шлюзующее устройства», МПК G01F 11/24, опубл. 27.06.1998). Точность дозирования объемными методами невысока. Для лопаточных машин требуется прецизионная точность изготовления сопряженных подвижных и неподвижных элементов для исключения заклинивания устройств при попадании мусора или мелких частиц в щели между лопатками и корпусом, возможно истирание частиц материала. Более точное весовое дозирование (патент RU №2485450 «Весовой дозатор дискретного действия для порошкообразных материалов», МПК G01F 11/00, опубл. 20.06.2013) включает операцию взвешивания, устройство не позволяет быстро изменять расход при необходимости.
Известно устройство для равномерной непрерывной подачи тонкоизмельченного сыпучего материала (патент RU №2117258, «Дозатор», МПК G01F 11/24, опубл. 10.08.1998), состоящее из вибробункера с коническим дном, которое завершается цилиндрическим насадком с продольными ребрами на внутренней поверхности и размещенным в насадке шнеком в виде щетки из упругого материала со спиральным каналом. Материал подают по спиральному каналу шнека. Жесткие ворсинки шнека, при его вращении соприкасаясь с продольными ребрами, отряхивают с себя дозируемый материал в спиральный канал, не допуская тем самым неконтролируемые перетечки материала из бункера по зазору между шнеком и внутренней поверхностью насадка. Расход дозируемого материала может регулироваться изменением скорости вращения шнека.
Недостаток известного устройства - нарушение стабильности дозирования при изменении частоты и амплитуды вибрации питающего бункера, истирание материала и загрязнение из-за возможного выпадения ворсинок шнека. Кроме того, плотность сыпучего материала на дне бункера при отборе материала шнеком может зависеть от высоты материала в бункере и, следовательно, весовой расход будет изменяться по мере изменения загрузки бункера.
Известное устройство (патент RU №2246700, «Дозирующее устройство», МПК G01F 11/24, опубл. 20.02.2005) для непрерывной дозированной подачи порошкового материала лишено таких недостатков, как истирание порошка и загрязнение продуктами износа материала элементов конструкции. Дозирующий элемент, выполненный в виде ролика, размещен под выходным отверстием вибробункера. Материал под действием веса и вибрации заполняет зазор между дозирующим роликом и выходным отверстием и сбрасывается вращающимся роликом на сетку приемного устройства. Количество материала на сетку в единицу времени определяется зазором между роликом и выходным отверстием, диаметром отверстия, линейной скоростью вращающегося ролика.
Устройство улучшает регулирование расхода, однако громоздко и сложно в аппаратурном оформлении.
Известно устройство непрерывной дозированной подачи сыпучего материала, содержащее горизонтально расположенную трубу с диафрагмами на входе и выходе, привод вращения трубы и узел выдачи отдельных порций материала в трубу через входную диафрагму (патент RU №2138783 «Способ непрерывного дозирования сыпучих материалов», МПК G01F 11/00, опубл. 27.09.1999). Вращением трубы обеспечивается непрерывность потока сыпучего материала на выходе при дискретной (порционной) подаче материала на вход трубы, за счет чего повышается точность дозирования. Расход сыпучего материала определяется величиной порций и промежутком времени между их выдачей.
Недостаток известного устройства - неудовлетворительная точность дозирования в процессах, где расход сыпучего материала связан с технологическими параметрами процесса, например температурой и давлением в аппарате, в который подают материал. Большое время выхода на заданный расход в пусковом режиме (в начале подачи материала) и низкая скорость изменения расхода при его корректировке не соответствуют быстрым изменениям параметров в аппарате и не позволяют обеспечивать оптимальный расход сыпучего материала.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому при использовании изобретения техническому результату является устройство (авторское свидетельство SU №371154 «Питатель сыпучих материалов», МПК B65G 65/30, опубл. 22.11.1973), состоящее из бункера и регулятора расхода сыпучего материала. Регулятор расхода состоит из установленной в бункере трубы, соединяющей зону истечения материала из бункера с атмосферой, механизма перемещения трубы и телескопического патрубка для выгрузки сыпучего материала. Известное устройство выбрано в качестве прототипа.
Регулирование расхода сыпучего материала в известном устройстве осуществляют изменением давления в зоне истечения за счет осевого перемещения трубы в бункере (изменением толщины слоя сыпучего материала между зоной истечения и атмосферой) и изменением длины телескопического патрубка.
Недостаток известного устройства - ограниченная возможность применения для разных сыпучих материалов, в частности для материалов из частиц округлой (сферической и близкой к сферической) формы размером более 0,1 мм. Такие материалы составляют преобладающую долю в используемых сыпучих материалах. Засыпки из округлых частиц имеют высокую проницаемость для газов, поскольку порозность, т.е. доля не занятого твердыми элементами объема слоя, таких засыпок составляет не менее 30%. Поэтому управление давлением в зоне истечения перемещением трубы, связывающей зону истечения с атмосферой, эффективно лишь при большой высоте слоя сыпучего материала в бункере, когда перепад давления на слое становится существенным. Компенсация роста давления в зоне истечения с понижением уровня материала в бункере возможна лишь увеличением расстояния между зоной истечения и торцом трубы, то есть при движении трубы вверх навстречу снижающемуся уровню сыпучего материала в бункере. В тот момент, когда торец трубы оказывается выше слоя материала, управление расходом прерывается. Поддержание равномерности расхода в этом случае возможно лишь непрерывным изменением длины телескопического патрубка, которая ограничена размерами конструкции.
Таким образом, в известном устройстве расход сыпучего материала зависит от высоты материала в бункере и обеспечение равномерного расхода для ряда сыпучих материалов невозможно без специальных мер по поддержанию уровня материала в бункере постоянным.
III. Раскрытие изобретения
Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - обеспечение равномерности расхода, а следовательно - повышение точности дозирования сыпучего материала в процессах с изменяющимися во времени технологическими параметрами за счет улучшения регулирования расхода.
Технический результат достигается тем, что в регуляторе расхода сыпучего материала, выполненном в виде трубы, верхний конец которой подсоединен ко дну бункера, а нижний конец открыт в зону истечения сыпучего материала, согласно изобретению труба состоит из трех частей: верхняя часть трубы выполнена в виде патрубка длиной не менее пяти его внутренних диаметров с установленной на дне патрубка диафрагмой диаметром не более 0,8 диаметра патрубка, средняя часть представляет собой соединенную с патрубком стационарную трубу с внутренним диаметром, равным диаметру диафрагмы, а нижняя часть выполнена в виде подвижной трубы, которая установлена снаружи стационарной трубы коаксиально с зазором, не превышающим размеры частиц сыпучего материала, и выполнена с возможностью перемещения относительно последней.
Необходимость выполнения верхней части трубы в виде патрубка длиной не менее пяти его внутренних диаметров объясняется тем, что при таких соотношениях длины и диаметра давление перед диафрагмой и, соответственно, расход сыпучего материала через диафрагму не зависят от высоты слоя материала в бункере (П.И. Лукьянов. «Уравнение истечения сыпучих материалов из отверстий». Теоретические основы химической технологии. 1968, том 2, №2, с. 279).
Условие непревышения диаметра диафрагмы (выпускного отверстия) величины, равной 0,8 от внутреннего диаметра патрубка, следует из экспериментальных данных по истечению сыпучих материалов из цилиндрических емкостей (труб) через донные отверстия различных площадей. При увеличении площади отверстия равномерное, безразрывное (без нарушения сплошности, или однородности, потока) истечение сыпучего материала в трубе, необходимое для стабильного дозирования, возможно лишь до определенных соотношений площадей диафрагмы и сечения трубы. Нарушение однородности потока сыпучего материала происходит при отношении площади диафрагмы к площади трубы, равном 0,65…0,70, поэтому предел отношений диаметров диафрагмы и патрубка для дозатора выбран равным 0,8.
Для каждого конкретного сыпучего материала (со своим гранулометрическим составом, плотностью) патрубок с установленной на дне диафрагмой при соблюдении указанных выше геометрических соотношений обеспечивает стабильный (базовый) расход, величина которого определяется площадью выпускного отверстия (диафрагмы). Корректировать расход можно изменением давления на выходе из диафрагмы. Подвижная и неподвижная (стационарная) трубы образуют канал для сыпучего материала, длина канала изменяется при перемещении подвижной части трубы. После диафрагмы частицы сыпучего материала падают с ускорением, создавая разрежение вблизи диафрагмы подобно поршню насоса. Степень разрежения зависит от длины хода «поршня» из частиц, т.е. от длины образованного частями трубы канала. С уменьшением давления на выходе из диафрагмы (увеличением длины канала) расход возрастает.
Равенство диаметра диафрагмы и внутреннего диаметра стационарной (неподвижной) трубы оптимально для устройства, так как для труб с диаметром, большим или меньшим диаметра диафрагмы в месте перехода от диафрагмы к трубе, появляются возмущения потока.
Величина зазора между неподвижной и подвижной трубами определяется требованием безотказного перемещения подвижной трубы без применения значительных усилий. Требование выполняется при изготовлении труб с ходовой посадкой по сопрягаемым поверхностям не ниже второго класса, в этом случае зазор между трубами не превышает 10…20 мкм, что существенно меньше размеров частиц сыпучего материала.
3
Данные о количественных соотношениях между расходом сыпучего материала и геометрией проточной части регулятора расхода получены экспериментально для материалов с различными гранулометрическим составом (0,06…3,0 мм) и насыпной плотностью (0,8…5 г/см). Зависимость расхода от длины канала, образованного стационарной (неподвижной) и подвижной трубами, для исследованных материалов линейна. Прирост расхода с увеличением длины канала зависит от диаметра канала и возрастает с увеличением диаметра.
3
Для оценочных расчетов геометрии регулятора можно использовать эмпирическую зависимость расхода сыпучей среды G (г/с) с насыпной плотностью ρ (г/см) от площади выпускного отверстия S (см) и изменения длины Δl (см) канала G=33ρ(S-0,52)±0,15Δl. Точные значения характеристик регулятора (величины и диапазона расхода конкретного материала) обеспечиваются метрологической аттестацией.
IV. Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется фигурами графических изображений.
На фиг. 1 схематично показано устройство регулятора расхода.
На фиг. 2 представлены полученные экспериментально зависимости весового расхода сыпучего материала от длины канала при разных диаметрах канала.
Регулятор расхода сыпучего материала (фиг. 1) состоит из подсоединенного к нижней части бункера 1 патрубка 2 с размещенной на его дне диафрагмой 3, стационарной (неподвижной) трубы 4 и подвижной трубы 5 с подвижным уплотнительным узлом 6, соединенным с приводом перемещения 7, и крышки 8 на подвижной трубе 5. Патрубок 2, диафрагма 3, неподвижная 4 и подвижная 5 трубы размещены на одной общей оси.
Патрубок 2, заполненный сыпучим материалом, обеспечивает равномерную без нарушения сплошности подачу материала через диафрагму 3 в трубу 4 до полного освобождения бункера 1. В трубе 4 поток свободно падающих частиц под действием сил гравитации ускоряется, создавая разрежение под диафрагмой 3, за счет чего перепад давления на диафрагме и, соответственно, расход через диафрагму увеличиваются и остаются постоянными при неизменном положении трубы 5. Регулирование расхода осуществляют перемещением подвижной трубы 5. При выдвижении трубы 5 (удлинении канала) расход увеличивается, и наоборот, при сокращении длины канала расход уменьшается. Подача материала начинается при открытии крышки 8.
3
Зависимость расхода от длины канала для разных диаметров канала показана на фиг. 2. Расход сыпучего гранулированного материала (диаметр гранул 0,7…1,0 мм, насыпная плотность 1,2 г/см) увеличивается пропорционально росту длины канала. Прирост расхода от длины для каналов большего диаметра возрастает.
V. Осуществление изобретения
Примеры исполнения и применения устройства
Пример 1 - регулятор расхода порошкового топливного материала (кернов из диоксида урана) в аппаратах для нанесения защитных покрытий.
Получение качественных углеродных покрытий на кернах топливных материалов микротвэлов газофазным осаждением в псевдоожиженном слое возможно лишь при строгом соответствии количества сыпучего материала расходу ожижающей газообразной рабочей смеси, ее температуре и времени выдержки материала в слое. Изменение расхода и температуры смеси требуют корректировки расхода частиц так, чтобы частицы находились во взвешенном слое время, необходимое для осаждения покрытия заданной толщины.
Для аппарата, предназначенного для нанесения на керны буферных защитных слоев из пирографита и рассчитанного на непрерывную подачу 30 г/с порошка (кернов диаметром 0,5 мм) топливного материала, регулятор расхода выполнен из трех частей - патрубка с диафрагмой, неподвижной и подвижной трубы из нержавеющей стали. Патрубок с внутренним диаметром 14 мм и высотой 80 мм подсоединен к бункеру с кернами. На дне патрубка установлена диафрагма с выпускным отверстием диаметром 10 мм. Неподвижная труба с внутренним диаметром, равным диаметру выпускного отверстия, и длиной 0,5 м соединена соосно с патрубком. Подвижная труба длиной 0,5 м выполнена с внутренним диаметром 12 мм. Внешняя поверхность неподвижной трубы обработана для обеспечения зазора с внутренней поверхностью подвижной трубы, равного 0,03-0,05 мм. Герметичность соединения неподвижной и подвижной трубы достигается применением подвижного уплотнения. Перемещение подвижной трубы осуществляется электроприводом, включающимся по сигналу датчика, отслеживающего один из параметров технологического процесса, например давление на входе ожижающей смеси в реакционную камеру аппарата. Снижение давления потребует снижения расхода сыпучего материала, чтобы поток смеси удерживал в псевдоожиженном слое встречный поток материала в течение времени, которое необходимо для нанесения покрытия.
Наибольшая длина канала, образованного подвижной и неподвижной трубой, равна 0,98 м. Для снижения расхода материала подвижную трубу поднимают, уменьшая общую длину канала. Номинальный расход порошка топливного материала (30 г/с) обеспечивается при длине канала регулятора 0,75 м. Уменьшением или увеличением длины канала можно изменять расход в пределах 26-34 г/с, что превышает более чем на 10% отклонение от номинального значения. Для рассматриваемого в примере процесса с использованием регулятора такого диапазона изменения расхода достаточно, чтобы исключить снижение качества покрытия при отклонении технологических параметров от нормы.
Пример 2 - регулятор расхода для аппаратов с кипящим слоем.
В аппаратах для грануляции, графитизации, сушки, обжига сыпучих материалов термической обработкой в кипящем слое необходимо постоянно поддерживать верхнюю границу материала на одном уровне, например на уровне переточного устройства (полезная модель 108323, «Аппарат кипящего слоя», МПК B01J 8/18). Граница слоя может меняться с изменением условий обработки - расхода и температуры несущего (ожижающего) газа. Поддерживать верхнюю границу кипящего слоя на нужном уровне предпочтительно изменением расхода сыпучего материала, снижая его расход при низком уровне слоя и повышая при высоком.
3
Регулятор расхода, поддерживающий верхнюю границу слоя на постоянном уровне, состоит из патрубка диаметром 50 мм и высотой 250 мм, диафрагмы с выпускным отверстием диаметром 40 мм, соединенной с патрубком неподвижной трубы диаметром 40 мм и толщиной стенки 1 мм и подвижной трубы диаметром 42 мм. Длина неподвижной и подвижной труб 1 м, максимальная длина канала при полном раздвижении труб 1,98 м. Регулятор с указанными размерами обеспечивает возможность изменения расхода сыпучего материала с насыпной плотностью ~1 г/см в пределах 350-450 г/с и позволяет поддерживать верхний уровень кипящего слоя неизменным корректировкой расхода.
Предложенный регулятор расхода обеспечивает высокую равномерность расхода и отличается высокой точностью дозирования (отклонения от заданного расхода не более 0,5% весовых) при широком диапазоне расходов (от долей грамма до килограммов в секунду). Корректировка расхода под изменяющиеся технологические параметры в зоне обработки материала (температура, давление) или под программу расхода материала по времени в технологическом процессе занимает доли секунды. Конструкция регулятора проста в эксплуатации и для изготовления.