СПОСОБ СЕПАРАЦИИ СЫПУЧЕЙ СМЕСИ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF LOOSE MIX SEPARATION 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 сепарируемого материала с одинаковой скоростью, воздействии на них однородным потоком воздуха и выводе готовых фракций [см. а.с. СССР №1176976, по классу B07B 4/02, опубликованное в 07.09.85 г. в Бюл №33].
Известно также устройство для сепарации сыпучих материалов, содержащее вентилятор с входным патрубком, расположенный над ними загрузочный бункер и прилегающие к ним сборники готовых фракций с приспособлением для отсева легких частиц [см. а.с. СССР №1763051, по классу B07B 4/02, опубликованное в 23.09.92 г. в Бюл. №35].
В известных способе и устройстве воздействие потоком воздуха на отдельно взятую частицу сыпучей смеси осуществляется однократно и только с одной случайной стороны. Потому качество (точность) процесса сепарации довольно низким и приблизительным. По этой причине подобные способы и устройства используют, главным образом, для предварительной очистки сыпучей смеси от легких примесей.
Известен также способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающийся в гравитационной подаче частиц, аэродинамическом монотонно возрастающем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй и выводе готовых фракций. При этом воздействие осуществляют в режиме свободного знакопеременного силового сканирования с ростом амплитуды и угла сканирования. Устройство для осуществления указанного способа содержит бункер с вибролотком, установленный под ними генератор воздушных потоков с расположенными друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки, увеличиваются сверху вниз. При этом генератор связан с источником подачи воздуха под давлением и охвачен боковыми стенками. Устройство имеет сборники фракций, расположенные под соплами [см. пат. Украины №45881, по классу B07B 4/02, опубликованный 15.04.2002 г. в Бюл. №4 за 2002 г.].
В этом способе разделение частиц происходит за счет разницы соотношения их веса и силы аэродинамического сопротивления. Этот способ, благодаря особенному режиму воздействия струй, 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 подойти к каждой частице сыпучей смеси.
Но известный способ и устройство имеют следующие недостатки.
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 происходит втягивание частиц (особенно легких) в направлении, обратном движению основного потока, что приводит к частичному их смешиванию с уже отсепарированным материалом. 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 процесс смешивания.
Кроме того, размыкание способствует срыву генерации (прекращению колебательного процесса), что заметно снижает качество сепарации, приближая его к качеству сепарации обычно веялкой.
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, аэродинамическом монотонно возрастающем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй 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 описанного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде содержит бункер с вибролотком, установленный под ними генератор воздушных струй с расположенными друг под другом и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху вниз, который связан с источником подачи воздуха под давлением и охвачен боковыми стенками, и сборники фракций, а каждая пара смежных сопел оснащена резонансной камерой, связанной с их межсопловым пространством. Кроме того, камеры оснащены устройством для регулирования их объема, причем отношение высоты поперечного сечения сопел к шагу их установки находится в пределах 0,2-0,25, а отношение крайнего верхнего и крайнего нижнего углов установки сопел - 0,65-0,75 [см. пат. Украины №60254 по классу B07B 4/02, A01F опубликованный 15.07.2005 г. в Бюл. №7 за 2005 г.].
Использование каскада плоских струй для процесса сепарации безусловно, обеспечивает достаточное качество разделения сыпучей смеси на фракции, но лишь в том случае, когда отмеченный каскад струй находится в автоколебательном режиме взаимодействия друг с другом на частоте первой гармоники. Но образование автоколебательного режима нуждается в оснащении устройства резонансными камерами, что, естественно, усложняет устройство. К тому же, для точного выхода на резонансную частоту резонансные камеры оснащены регуляторами их объема, а для исключения возможности возникновения автоколебательного процесса на частотах высших гармоник вынуждает достаточно точно выдерживать шаг и углы установления сопел. Следовательно, невзирая на то, что описанный способ сепарации сыпучей смеси в текучей среде обеспечивает необходимое качество разделения смеси на фракции, его реализация нуждается в существенном усложнении устройства и его применения, в частности, в регулировании объема резонансных камер, что и является их взаимосвязанным недостатком. Упростить же устройство, без отказа использования каскада плоских струй, можно лишь при условии изменения принципа формирования такого каскада.
В основу изобретения поставлена задача создания способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде и устройства для его осуществления, которые обеспечивали бы повышение качества сепарации за счет достижения более глубокой турбулентности и упрощения обслуживания за счет самонастройки системы путем оптимизации аэродинамического воздействия на частицы исходного сепарируемого материала путем предварительного перевода течения каждой струи в режим развитой турбулентности, что исключает частичное смешивание конечного сепарированного материала и обеспечивает повышение качества сепарации при многофракционном разделении частиц неправильной формы.
Поставленная задача решается тем, что в способе сепарации сыпучей смеси в текучей среде, заключающемся в гравитационной подаче частиц, аэродинамическом монотонно растущем воздействии на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй и выводе готовых фракций, согласно изобретению перед аэродинамическим воздействием на частицы смеси течение каждой струи переводят в режим развитой турбулентности путем расширения их по вертикали до слияния друг с другом с сбойной или близкой к ней формой течения и образования в начале каждого межструйного пространства всех смежных струй не менее двух циркуляционных зон отличающихся по величине.
Решение поставленной задачи достигается также тем, что в известном устройстве для реализации предложенного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде, которое содержит бункер с вибролотком, установленным под ним генератором с расположенными одно под другим и под острым углом к вертикали плоскими соплами, высота поперечных сечений которых, шаг и угол установки увеличиваются сверху вниз, который связан с источником подачи воздуха под давлением и охвачен боковыми стенками, и сборники фракций, согласно изобретению, каждое сопло снабжено прямоугольной жесткой стенкой, примыкающей к нему сверху по всей ширине.
При этом размер ширины жесткой стенки составляет не менее трех размеров высоты поперечного сечения сопла примыкания, а соотношение шага установки сопел к высоте поперечного сечения верхнего относительно к нему сопла составляет не менее четырех.
Отличительной особенностью предложенного способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде является использование эффекта двустороннего расширения струи после плоского сопла, при котором, при больших степенях расширения, искривление оси струи достигает максимума и не изменяется с ростом степени расширения (сбойная форма течения струи). Это позволяет соотношение циркуляционных зон сохранять постоянными, то есть число Рейнольда не влияет на размеры циркуляционных зон, а потому и не возникает необходимости в любой регулировке потоков воздушных струй.
Техническим результатом изобретения является возможность упростить устройство для сепарации за счет нового подхода к формированию каскада плоских струй и изъять из его конструкции ряд узлов и деталей за счет автоматического образования самонастраивающийся системы. При этом качество разделения материала при многофракционном расслоении его по массе, густоте или удельному весу не только не уменьшается, а даже возрастает.
Следовательно, изменение принципа формирования каскада плоских струй, то есть способа, влечет за собой существенное упрощение устройства без ухудшения его технико-эксплуатационных свойств, то есть с сохранением качества многофракционной сепарации сыпучей смеси, например, зерновых культур, как простой так и сложной формы зерен, что важно в сельском хозяйстве при подготовке семян к посеву и для селекционных целей.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков предложенного технического решения обеспечивает достижение поставленной цели изобретения.
Дальнейшая сущность изобретения поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - схема устройства для осуществления заявляемого способа; фиг.2 - сечение по A-A на фиг.1 (сечение сопла).
Устройство для осуществления способа сепарации сыпучей смеси в текучей среде состоит из бункера 1 с вибролотком 2 для гравитационной подачи частиц в зону сепарации. Под вибролотком 2 установлен струйный генератор 3, представляющий собой замкнутый объем с набором ряда плоских сопел 4. Количество последних зависит от необходимой производительности устройства, но не может быть меньше трех. Высота поперечного сечения сопел h, угол α их установка к вертикали и шаг Z между соплами увеличиваются сверху вниз. Каждое сопло 4 снабжено жесткой стенкой 5, примыкающей к нему сверху по всей ширине. При этом, как уже было сказано выше, размер ширины жесткой стенки 5 составляет не менее трех размеров высоты поперечного сечения сопла 4 примыкания, а соотношение шага установления сопел 4 к высоте поперечного сечения верхнего относительно к нему сопла 4 составляет не менее четырех.
К генератору 3 со стороны сопел 4 прилегают сборники фракций 6.
Боковые края сопел 4 и межсопловые пространства охвачены боковыми стенками 8 для исключения подсоса воздуха из атмосферы, что неизбежно приведет к срыву генерации. Генератор 3 связан с источником подачи воздуха под давлением Р.
Способ осуществляют следующим образом.
Сначала осуществляют гравитационную подачу частиц сыпучего материала. Для осуществления этой операции используют вибролоток 2. На частицы, находящиеся в свободном падении, действуют под острым углом к вертикали каскадом плоских струй в режиме развитой турбулентности генератора 3 (показаны пунктиром), который возникает благодаря искривлениям струй во время их расширения в соплах, а наличие жесткой стенки 5 определенного размера обеспечивает формирование циркуляционных зон различных по размерам. Естественно, верхняя циркуляционная зона должна быть большей по размерам чем нижняя, для обеспечения стабильности формирования общего потока.
После прохождения частицами каскада струй осуществляют отвод готовых фракций. Одновременно с этим осуществляют отбор промежуточных фракций и возвращают их на повторную сепарацию.
Устройство работает следующим образом.
Сыпучая смесь из бункера 1 с помощью вибролотка 2 под действием сил гравитации проходит сквозь каскад плоских струй (обозначены пунктиром) сопел 4 в разделяющее устройство, выполненное в виде сборника фракций 6.
Синхронность работы сопел 4 обеспечивается правильным соотношением основных геометрических параметров генератора 3, их размеров, углами и расстояниями расположения в устройстве. После разделения в каскаде струй частицы попадают в сборники фракций 6.
Технические преимущества предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, получают за счет повышения качества сепарации сыпучей смеси в текучей среде в результате достижения более глубокой турбулентности потока струй и упрощения конструкции устройства за счет образования самонастраиваемой системы вследствие работы устройства в сбойном режиме течения струй.
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 количества сопел и их размеров, могут изменяться в зависимости от исходного сыпучего сепарируемого и, понятно, находятся в пределах объема одного из обычных и естественных подходов в данной области знаний и рассматриваются таковыми, как находящиеся в пределах объема предложенного технического решения.
Квинтэссенцией предложенного технического решения является то, что сепарацию осуществляют каскадом струй в режиме развитой турбулентности путем расширения их по вертикали до слияния друг с другом с сбойной или близкой к ней формой течения и образования в начале каждого межструйного пространства всех смежных струй не менее двух циркуляционных зон, различных по величине, что позволяет создать самонастраиваемую систему и повысить качество разделения сыпучей смеси на фракции, и именно это обстоятельство позволило приобрести предложенному способу и устройству перечисленные выше и другие преимущества. Изменение изложенного принципа формирования каскада струй и режима их течения на иной, естественно, ограничит спектр преимуществ, перечисленных выше, которые не могут считаться новыми техническими решениями в данной области знаний, поскольку иные, подобно описанному способу, уже не требуют никакого творческого подхода от конструкторов и инженеров, и не могут считаться результатами их творческой деятельности или новыми объектами интеллектуальной собственности, подлежащими защите охранными документами.