Система непрерывной подачи порошка металла в установке синтеза нанооксидов

УДК 621.547

Е. С. Земерев, В. И. Малинин

СИСТЕМА НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧИ ПОРОШКА МЕТАЛЛА В УСТАНОВКЕ СИНТЕЗА НАНООКСИДОВ

Ключевые слова: система подачи порошка, бункер, камерный питатель, шлюзовая камера.

Проведен анализ работ по системам подачи порошковых материалов с высокой концентрацией. Выделены основные достоинства и недостатки разрабатываемых систем. Акцентированы ключевые условия для применимости в установке синтеза нанооксидов металлов. Разработана и представлена схема непрерывной подачи исходного порошкообразного продукта. Выполнена оценка основных геометрических размеров накопительного бункера. Подробно описан алгоритм работы и основное оборудование камерного питателя со шлюзовой камерой.

Keywords: system feed of powder, bunker, chamber feeder, lock chamber.

The analysis systems feeding powdered materials with a high concentration have been performed The basic advantages and disadvantages of the developed systems have been allocated. The key conditions for the applicability to install synthesis of nano oxides metals have been accentuated. Continuously feeding a diagram pulverulent starting product have been submitted and developed. The estimation of the basic geometrical dimensions storage bin have been performed. The algorithm works and basic equipment chamber feeder with airlock have been described in detail.

Дисперсные нанооксиды металлов находят свое применение в различных, в том числе наукоемких, отраслях промышленности. В связи с этим, исследование возможности получения нанодисперсных оксидов в промышленных масштабах представляет практический и теоретический интерес.

В ходе научно-исследовательских работ в ОКБ «Темп» при ПНИПУ по исследованию процессов горения металловоздушных смесей был разработан новый эффективный метод синтеза нанодисперсных оксидов металлов. Для исследования сжигания аэровзвесей металлических порошков и синтеза дисперсных оксидов, была разработана и испытана экспериментальная установка [1]. На данной установке проводились исследования процесса воспламенения и горения аэровзвеси порошков алюминия, синтез оксида алюминия, с улавливанием конденсированной фазы из потока продуктов сгорания. Одним из основных недостатков экспериментальной установки является цикличность работы системы подачи металлического порошка, которое связано с необходимостью периодического заполнения бака с порошком.

Промышленные установки для непрерывного производства каких-либо материалов, либо их компонентов основанные на быстротекущих процессах с высокими энергетическими параметрами, нуждаются в непрерывной подаче исходных компонентов с выполнением следующих условий: устойчивая подача с необходимым расходом, высокая степень безопасности, контроль и возможность регулирования процесса в широком диапазоне. Применительно к установке получения нанодисперсных порошков методом сжигания аэровзвеси металлов выполнение этих условий обязательно.

В конструкции опытно-промышленной установки синтеза НУДП оксидов металлов, предлагаемой авторами работ [1-3], имеется ряд

существенных недостатков системы подачи порошкообразного исходного материала.

Важнейшим недостатком системы подачи (СП), описанной в работе [1] является малое время работы, что в свою очередь не позволяет использовать описанную конструкцию для промышленного производства нанооксида алюминия.

При использовании нескольких емкостей, заправляемых порошком и включаемых в процесс поочередно (предлагается в работе [2]), не избежать пульсаций и сбоя параметров процесса на момент переключения, т.к. необходимо обязательно выполнять манипуляции, связанные со сбросом давления в опорожненном баке, наполнением бака, герметизацией и набором давления.

Схема работы и оборудование, описанное в работе [3], обладает неоспоримыми достоинствами, такими как:

- возможность регулирования в широком диапазоне технологических параметров;

- отсутствии на установке сосудов под значительным давлением;

- высокая надежность и безопасность системы при отсутствии трубопроводов со смесью горючего порошка и воздуха под высоким давлением.

Несмотря на вышеуказанные преимущества, данная схема обладает несколькими существенными недостатками: при насыщении газом порошка на выходном фланце винтового шнекового насоса будет возникать эффект фильтрации газа-носителя к входному фланцу насоса, т.е. в обратную сторону. Данный насос преимущественно предназначен для транспортировки пульп и других высоковязких текучих сред и не обеспечит должное уплотнение транспортируемой среды. Кроме того при транспортировке сыпучего порошка металла будет возникать существенный износ трущихся деталей насоса, и, как следствие, преждевременный выход из строя агрегата. Так же, предлагаемый винтовой

насос, является объемным насосом, включение и работа которого на закрытую напорную линию крайне не рекомендуется в связи с увеличением давления, что может привести к разрыву напорной линии или поломке самого агрегата. Подача исходного порошка в установку синтеза может происходить в момент запуска, когда отсечное устройство форсунки СП закрыто.

Таким образом, ни один из рассмотренных в работах [1-3] подходов к подаче порошкового компонента не обеспечивает требуемых условий для нормальной непрерывной работы системы подачи установки синтеза нанооксида алюминия.

Целью настоящей работы является разработка системы подачи, обеспечивающей непрерывность работы установки синтеза нанооксидов с выполнением обязательных условий указанных выше.

Наиболее целесообразно осуществлять рабочий процесс перемещения исходного порошка к выпускному отверстию форсунки и истечения в камеру сгорания установки синтеза за счет объемных сил сжатого газа. Экспериментальная реализация такого процесса описана в работах [1, 2, 4, 5].

Ключевые преимущества пневмотранспорта:

• сыпучие материалы могут перемещаться в любом направлении (по горизонтали, по вертикали или под наклоном);

• отсутствие потерь сыпучих материалов и загрязнения, запыления за счет герметичности трубопроводов;

• простота конструкции системы пневмотранспорта позволяет вкладывать минимум средств и времени в ее обслуживание;

• автоматизация процесса транспортировки сыпучих материалов позволяет сократить время на проведение операций, увеличить объемы работ, сократить затраты на использование;

• непрерывность выполнения операций.

Но наряду с исключительными преимуществами применение пневмотранспорта обладает и недостатками, такими как:

- повышенный расход электроэнергии на единицу транспортируемого материала при значительных расстояниях переноса;

- сложные системы очистки транспортирующего газа, особенно, если он представляет собой специальный состав;

- износ системы трубопроводов и шлюзов за счет повышенного трения.

Среди узлов системы пневмотранспорта выделяют следующие элементы:

• секторные питатели;

• роторные питатели;

• шлюзовые затворы;

• шлюзовые дозаторы;

• распределители и переключатели потока;

• перепускные клапаны;

• воздушные клапаны.

На рис.1 представлена предлагаемая схема системы непрерывной подачи порошка металла в установке синтеза нанооксидов. За основу схемы

подачи порошка примем камерный питатель со шлюзовой камерой [5].

Бункер 1 необходим для накопления исходного порошка с объемом, рассчитанным на одну смену работы установки синтеза. Кроме того данный бункер выполняет функцию дальнейшей постепенной отгрузки порошка посредством спирального транспортера 2 в шлюзовую камеру 3 системы подачи. Загрузка исходного порошка в бункер осуществляется с помощью вакуумного загрузчика, т. к. исходный продукт, распыленный в воздухе, будет являться взрывоопасной смесью.

©

!

5  I

Л

Рис. 1 - Схема предлагаемой системы подачи: 1 -накопительный бункер, 2 - транспортер с гибкой несущей спиралью, 3 - шлюзовая камера, 4 -отсечные клапаны, 5 - камерный питатель, 6 -трубопровод подачи порошка в установку синтеза

Транспортировка исходного продукта на участке от бункера 1 до шлюзовой камеры 3 происходит механически при атмосферном давлении, без дополнительных затрат на пневмотранспорт с минимальными энергетическими затратами и без создания пыли, т. к. транспортер представляет собой безосевую спираль, которая вращается внутри трубы. Данная схема транспортировки имеет следующие преимущества:

• возможность подавать продукт по наклонам и изгибам;

• отсутствие застойных зон при транспортировке;

• отсутствие при работе транспортера пыли;

• бесшумность;

• низкое энергопотребление;

• простой монтаж, долгий срок и безопасность эксплуатации.

Следующим ключевым элементом системы подачи является шлюзовая камера 3, в которой обеспечивается полная предварительная аэрация (газонасыщение) порошка и транспортировка порошка в камерный питатель 5 после газонасыщения и открытия отсечного клапана 4. Таким образом, в камерном питателе 5 на момент пуска установки находится предварительно аэрированный, уплотненный порошок.

Камерный питатель обеспечивает подачу исходного порошка в форкамеру установки синтеза

и по конструкции и принципу действия подобен разработанной и опробованной системе подачи описанной в [1, 4]. Как показывают эксперименты, массы газа закаченного в уплотненный в емкости порошок (порошковый элемент) при предварительном насыщении, недостаточно для стабильного истечения порошка [4]. Поэтому необходима дополнительная подача газа в камерный питатель.

Определение истечения материала из емкости

Истечение сыпучих материалов из бункеров бывает нормальное, сплошное и гидравлическое [6]. При нормальном истечении частицы находятся в движении лишь в зоне столба материала, расположенного над выпускным отверстием бункера. Насыпной груз, расположенный около стенок бункера, образует застойные зоны. Частицы груза в этих зонах неподвижны до тех пор, пока воронка, не достигнет нижней части бункера. Так же в таких зонах может происходить окисление, спекание и другие процессы. Бункер с нормальным истечением целесообразно применять только для кусковых, стабильных материалов. При сплошном истечении все частицы груза в бункере находятся одновременно в движении. Все точки сыпучего тела опускаются одновременно, причем на скорость не влияет высота столба груза в бункере, она зависит от размера выпускного отверстия. Пылевидные материалы в бункерах сплошного истечения деаэрируются, что препятствует образованию сбросов. Стенки бункеров с таким истечением имеют очень большой угол

наклона к горизонтали (а=70-800). Гидравлическое истечение происходит при выпуске из бункера сильно аэрированного насыпного груза, насыщении груза влагой, придающей ему вид суспензии, а также при интенсивной вибрации.

Наиболее целесообразным будет применение сплошного вида истечения, но процесс подачи порошка в шлюзовую камеру является прерывистым, так же принимая во внимание то, что порошок алюминия является хорошо сыпучим, пылевидным материалом применяем нормальное истечение. Кроме этого при увеличении угла наклона значительно увеличится вертикальный габарит бункера. Принимаем угол наклона конической образующей бункера а = 50°.

Выбор конструкции бункера

Наиболее широкое распространение в промышленности получили бункеры прямоугольной и круглой в поперечном сечении форм. Прямоугольные бункеры распространены значительно шире, что поясняется удобством их размещения в сетке колонн и возможностью монтажа из линейных и плоских элементов. К их недостаткам следует отнести неизбежность образования застойных зон груза в местах пересечения смежных стенок. Стенки бункеров не должны иметь шероховатостей, уступов, выбоин, выступающих закладных частей. Более эффективно работают симметричные бункера.

Конусные и конусно-цилиндрические бункера с центрально расположенным круглым

выпускным отверстием хорошо удовлетворяют условию возможно меньшей толщины застойной зоны, так как их форма довольно близка к форме зоны потока сыпучих грузов. Их большое преимущество - отсутствие вертикальных и наклонных ребер. Опираясь на вышеизложенное, выбираем закрытый бункер цилинд°роконической формы, с углом наклона стенки а = 50°.

Геометрия бункера

Зная требуемый расход исходного порошка, рассчитаем необходимый объем бункера на рабочую смену, равную 8 часам:

О = 0,1 кг/с - расход за 1 секунду;

М = 360^8 = 2880 кг - масса порошка, прошедшего за 8 часов работы.

Общий объем порошка составит:

V = -

М

2880 , 92 3 - = 1,92 м ,

Им 1500

где Yм — плотность порошка, V - объем порошка, необходимый для 8 часов работы.

Размерный эскиз накопительного бункера системы подачи представлен на рис. 2.

Рис. 2 - Накопительный бункер системы подачи: 1 - выпускной клапан, 2 - накопительный бункер, 3 - транспортер с гибкой несущей спиралью, 4 - загрузочное устройство, 5 - привод транспортера с инвертором, 6 - трубопровод наполнения бункера, 7 - трубопровод к вакуум-насосу

Процесс заполнения бункера

осуществляется следующим образом:

1) трубопровод наполнения бункера 6 соединяют с емкостью порошка алюминия;

2) закрывают выпускной клапан 1 и открывают трубопровод 7 к вакуум-насосу;

3) включают вакуум-насос;

4) после заполнения бункера до необходимого уровня отключают вакуум-насос, закрывают клапан 6 и 7, открывают выпускной клапан 1.

Рабочий объем бункера взят с запасом, таким образом, чтобы исключить возможность полного опустошения бункера за рабочую смену. На корпусе данного бункера необходимо предусмотреть 2 сигнализатора уровня порошка в бункере -минимального и максимального. При достижении минимального уровня сигнализировать оператору, чтобы тот обеспечил засыпку следующей партии исходного продукта, при достижении максимального - отключать вакуумный загрузчик.

Выпускной клапан 1 связывает внутренний объем бункера с атмосферой, для избегания возникновения увеличения избыточного давления внутри бункера свыше 0,07 МПа.

Определение скорости истечения

Скорость истечения V насыпных материалов из бункера при нормальной форме струи зависит от диаметра выпускного отверстия. Критический гидравлический радиус отверстия истечения

находят по формуле из работы [6]:

R _То + a

RKP - — + ,

Г 2

Оценка давления груза на стенки бункера

Расчет на прочность выполняется по методике [6]. При расчете давления сыпучих грузов на стенки бункеров исходят из следующих предпосылок:

- сыпучий груз состоит из частиц столь малых, что размерами их по сравнению с размерами бункера можно пренебречь;

- между частицами груза могут возникнуть силы сцепления, не зависящие от нормального давления.

Давление хорошо сыпучих грузов на вертикальные стенки бункеров с определяется по формуле:

a — пД  е  К  h у,

где Пд - коэффициент динамичности (Пд = 1,4), £ -коэффициент зависания груза (£ = 1), К -коэффициент бокового давления (К = 0,4), Л -расчетная высота (Л = 2 м). Подставляя численные значения в итоге получаем:

= 1,4.1. 0,4 • 2 • 14700 = 16464Н/м2.

где а' - средний размер частицы (т.к. диаметр частицы мал, этим слагаемым пренебрегаем), у -объемный вес, т0 - начальное сопротивление сдвигу. Объемный вес Y равен:

Давление хорошо сыпучих грузов на наклонные стенки можно вычислить по формуле:

a — пД  h  у {m'  sin2« + cos2«) — 25  103 Н/м2,

у= ym  g = 1500  9,81 = 14,7 ÍO3 Н/кг. Таким образом, критический гидравлический

радиус:

R — 45 кр 14700

— 0,003м.

где а — угол наклона стенок бункера к горизонтали (а = 50и), т' - коэффициент подвижности сыпучей среды, вычисляемый по формуле:

m' — 018 — 0,33. f

Гидравлический радиус RB определяется по формуле:

_D _0,2 rb=4 = —

0, 05м

где й - диаметр выпускного отверстия.

При гидравлическом радиусе отверстия истечения Ив>Икр, скорость истечения V по данным работы [6] вычисляется по формуле:

v — Xl 2g

f

где А - коэффициент истечения (И = 0,6), д -ускорение свободного падения, т0 = 45 Н/кг, f -коэффициент внешнего трения ^ = 0,55).

Подставляя численные значения в выше приведенную формулу, получаем, что скорость истечения порошка из бункера в загрузочное устройство равна:

v — 0,6 2  9,81  (1,6  0,05-

45

14700  0,55

— 0,7 м/с.

Толщину стенок б определяют по формуле:

° 2-Н'

где йв - диаметр бункера, [с] - допустимое значение напряжений (для углеродистой конструкционной стали [с] = 110 МПа).

Расчетная толщина стенки конической части бункера составляет:

3= 25-103-1,6 = 1,8-10-4 м.

2-110-106

Максимальную нагрузку будет

воспринимать коническая часть бункера, следовательно, для цилиндрической части расчетная толщина стенки должна составлять так же не менее 1,8-10-4м.

Стенки стальных бункеров в процессе эксплуатации подвергаются износу под действием абразивных грузов и эрозии. С учетом этих факторов расчет проектной толщины стенок производят по формуле:

бп = б + (1 ^ 2) мм.

Исходя из этого условия, принимаем толщину стенок 5 = 2 мм.

Напряжение растяжения ор, возникающее в стенках, считается по формуле:

• у-г-{рж

-% •у )•c

2 • 8 • sin а

где у - расстояние рассматриваемого сечения от вершины конуса, НК - высота конуса.

Напряжение ар достигает максимума при у = 0,75Нк [6]:

3- п Д •у • НК •cosa

max Д ' К

16 8• sin2 а

Кольцевое напряжение о", отнесенное к единице длины образующей бункера, вычисляется по формуле:

n Д

•у • у • (Н К - у) • (m' + ctg 2a)cos а 8 '

При у = 0,5НК напряжение а'' достигает максимума [6]:

пД •у • Н2К • (m' + ctg 2a)cosa

4 8

Максимальные напряжения растяжения и кольцевые напряжения, рассчитанные по выше приведенным формулам, равны:

J-7" = 1,46 •ÍO6 н/. Cx = 1,18 •ÍO3 H/м

Оценка потребной мощности привода транспортера

Мощность привода спиральных (шнековых) транспортеров определяется по формуле, приведённой в работе [7]:

М = к3 • К  6-{1ГН) 367•ц '

где к3 - коэффициент запаса (кз=1,8), к1 -коэффициент, учитывающий условия работы винта (к1=1,2), ¡-Г - длина горизонтальной проекции пути перемещения груза (^ =20м), ш - коэффициент сопротивления движению груза (ш = 8,3), О -производительность спирального транспортера (О = 1,5 кг/с), Н - высота подъема груза (Н=3м), п - КПД привода (п=0,9).

N =

= 1,8 ^1,2 • 3 • (2O • 8,3 + 3) =

= 5кВт.

367 • 0,9

Камерный питатель со шлюзовой камерой

Ключевую роль в подаче порошка в форкамеру установки синтеза выполняет камерный питатель со шлюзовой камерой (рис.3).

Рис. 3 - Камерный питатель со шлюзовой камерой: 1 - транспортер с гибкой несущей спиралью, 2 - разгрузочное устройство, 3 -привод транспортера с инвертором, 4.1, 4.2 -фильтр и э/м клапан для сброса давления, 5 -шлюзовая камера, 6.1, 6.2 - фильтр и перепускной клапан для дополнительной подачи газа, 7 - камерный питатель, 8 - запорно-регулирующий клапан, 9 - трубопровод подачи порошка в камеру сгорания установки синтеза, 10 - струевыпрямитель, 11.1, 11.2 -фильтр и перепускной клапан для поддержания заданного давления в камерном питателе, 12, 13 - отсечные клапаны, 14 - э/м клапан для подачи газа в шлюзовую камеру

Приведенная на рис. 3 система работает следующим образом. Через отверстие, расположенное в верхней части шлюзовой камеры 5, загружается материал при открытом отсечном клапане 13. После заполнения камеры до определенной высоты закрывается загрузочное отверстие и открывается э/м клапан 14, при этом происходит подача сжатого газа в камеру. Через определенное время т, за которое произойдет газонасыщение насыпанного материала и при достижении над слоем материала определенного давления рВ, открывается отсечной клапан 12 между шлюзовой камерой и камерным питателем и материал пересыпается в емкость 7, давление в которой рК<рВ. После опорожнения емкости 5 закрывается клапан 12 и открывается э/м клапан 4.1 для сброса давления. Посредством открытия или закрытия перепускного клапана 6.1 осуществляется поддержка заданного давления газа в камерном питателе. Далее открывается запорно-регулирующий клапан подачи порошка в камеру сгорания установки синтеза 8. Одновременно с этим открывается отверстие в верхней части шлюзовой камеры и процесс подачи порошка металла повторяется.

Установленный перепускной клапан 11.1 осуществляет сброс давления, превышающего

п

<т„ =

Р

max

2

заданное для камерного питателя. Дополнительно данный клапан выполняет роль предохранительного клапана. Фильтры 4.2, 6.2, 11.2 осуществляют защиту седел клапанов от засорения порошком и, таким образом, обеспечивают герметичность.

Струевыпрямитель 10 необходим для устранения или уменьшения вихрей потока частиц порошка и газа.

Выводы

В данной работе разработана и представлена схема непрерывной подачи порошка металла в установке синтеза нанооксида алюминия. Приведенная схема обладает необходимыми условиями для применения:

• устойчивая подача с необходимым расходом;

• высокая степень безопасности;

• контроль и возможность регулирования процесса в широком диапазоне.

Подробно описан алгоритм работы и основное оборудование ключевого узла системы подачи - камерного питателя.

Литература

1. Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С. Воспламенение и горение аэровзвеси алюминия в реакторе высокотемпературного синтеза

порошкообразного оксида алюминия // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38, №5. С. 41-51.

2. Крюков А.Ю. Адаптация внутрикамерных процессов и элементов конструкции энергоустановок на порошковом горючем к технологиям получения ультра- и нанодисперсных материалов: монография. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. - 236 с.

3. Малинин В.И., Чернов Ф.Н., Шатров А.В. Технологический комплекс производства наноультрадисперсных оксидов сжиганием аэровзвесей порошков металлов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010. № 3. С. 233 - 239.

4. Обросов А.А., Земерев Е.С., Малинин В.И. Фильтрация и истечение порошково-газовой смеси из струйной форсунки установки синтеза нанооксида алюминия // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2013. № 35. С. 115-124.

5. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. - Л: Химия, 1984, 104 с.

6. Зенков Р.Л., Гриневич Г.П., Исаев В.С. Бункерные устройства. - М.: «Машиностроение», 1977, 225 с.

7. Ромакин Н.Е. Машины непрерывного транспорта : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н.Е. Ромакин.- М.: Издательский центр «Академия», 2008. -432 с.

© Е. С. Земерев - асп. каф. «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ФГБОУ ВПО ПНИПУ, Пермь, zemerev.ewgen@yandex.ru; В. И. Малинин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, malininvi@mail.ru.

© E S. Zemerev - postgraduate student of the department "Rocket Space Technique and Energy Systems" Perm National Research Polytechnic University, zemerev.ewgen@yandex.ru; V. I. Malinin - Doctor of Technical Sciences, professor of the department "Rocket Space Technique and Energy Systems", malininvi@mail.ru.