ЭТУ_Куликова_2014

Это обусловлено тем, что семена удлиненной формы при попадании в камеру ориентированны неопределенно, а это изменяет величину, т.е. траектория также оказывается неопределенной.

При очистке семян трав с большим коэффициентом сферичности в камерном сепараторе с осадительным электродом, выполненном из ряда проволок, обеспечивается высокое качество разделения. Производительность до 400 кг в час, рабочее напряжение до 30 кВ.

В основе всех конструкций барабанных сепараторов (и их разновидностей – транспортерных сепараторов) лежит следующий принцип работы. Частицы, находясь на поверхности заземленного барабана (транспортера), заряжаются в поле коронного разряда, создаваемого коронирующим электродом, который расположен над барабаном. В некоторых случаях на поверхность барабана наносится тонкий изолирующий слой. Между заряженной частицей и барабаном действует электростатическая сила.

Находясь в контакте с барабаном, частица теряет часть заряда. Разрядка частицы зависит от ее диэлектрических свойств. Если разряд значителен, то барабан покрывают изолирующим слоем.

На частицу, находящуюся на поверхности барабанов, действуют следующие силы (рисунок 2.7): сила FК, вызванная действием электрического поля; сила FG – сила тяжести; сила зеркального отображения F3, т.е. сила взаимодействия заряженной отрицательной частицы и положительно заряженного барабана; пондеромоторная сила FП, обусловленная смещением в пространстве противоположных зарядов на концах частицы; сила FЦ – центробежная; сила трения – FТР.

Рисунок 2.7 – Силы, действующие на частицу на поверхности барабана

Точка отрыва частицы от поверхности барабана определяется моментом, когда результирующая сил, направленная по нормали к поверхности, будет равна нулю, т.е.:

31

Подставляя выражения сил, получим:

Коронные барабанные сепараторы применяются для очистки семян зерновых, овощных культур, удаления примесей, травмированных и испорченных семян с малой массой.

Параметры поля и конструктивные данные: коронирующий электрод занимает четверть окружности барабана, рабочее напряжение U = 20...50 кВ, частота вращения n = 20...80 об/мин, ток короны I = 0.1...1 мА, радиус барабана Rб = 100…200 мм, радиус проволоки коронирующего электрода r0 = 0.15...0.25 мм, межэлектродный промежуток h = 80…100 мм.

Диэлектрические сепараторы. Использование неоднородного переменного электрического поля при напряженностях, меньших начальной напряженности короны, привело к созданию диэлектрических сепарирующих устройств (ДСУ). В этих устройствах используются две силы электрической природы: пондеромоторная FП и сила электростатического воздействия FК .

Результирующая этих сил:

,

QК – электрический заряд зерна, Кл; Е – напряженность поля, В/м; М – электрический момент, Кл·м;

– градиент напряжённости электрического поля, В/м.

Механизм возникновения пондеромоторной силы иллюстрируется на рисунке. 2.8.

На концах зерна, находящегося в электрическом поле, созданном электродами «+» и « - », находятся заряды, противоположные по знаку ближайшему электроду, т.е. зерно поляризуется. Разноименно заряженные тела притягиваются, вследствие чего появляются две силы:

расположения зарядов Q- и Q+.

32

1

Рисунок 2.8 – Силы, действующие на частицу в неоднородном электрическом поле

Перемещая начала векторов F'П и F"П в центр тяжести А, после геометрического сложения их получаем результирующий вектор FП, называемый пондеромоторной силой. Пондеромоторная сила равна нулю в случае, когда зерно находится между электродами (угол α = 1800 ), а поле практически однородно. Следовательно, условием появления пондеромоторной силы является наличие неоднородности поля, т.е. grad E 0 . Используя теорему косинусов, определяем пондеромоторную

силу:

практике электроды могут быть расположены на расстоянии, равном двойной толщине изоляции проводников. Диаметр электродов (проводников) должен быть как можно меньшим.

При приложении к электродам переменного синусоидального напряжения величина пондеромоторной силы:

где Fп – результирующая амплитуда напряженности поля, В/м.

Пондеромоторная сила изменяется во времени с двойной частотой сети, но не меняет знака. Если возникает коронный разряд, то ионы заряжают зерно и появляется сила электрического взаимодействия FК :

FК QК E1 E .

Направление силы FК зависит от положения зерна относительно положительного и отрицательного электродов (рисунок 2.9).

В переменном поле при питании электродов от сети переменного синусоидального напряжения:

FК QК Em sin t .

33

Рисунок 2.9 – Векторные диаграммы электростатических сил

Сила электрического взаимодействия FК изменяет свой знак с частотой сети.

Результирующая сила электрического воздействия изменяется в широких пределах в зависимости от параметров неоднородного поля. Зерно может притягиваться к системе электродов или отталкиваться.

В МГАУ разработан диэлектрический сепаратор барабанного типа (рисунок 2.10).На барабан из диэлектрического материала наматываются одновременно два изолированных друг от друга провода, т.е. получается один слой обмотки с чередующимися разнополюсными электродами. Диаметр провода в изоляции соизмерим с размером сепарируемых зерен. Барабан вращается вокруг своей оси, регулируемой частотой вращения. Питание электродов переменным напряжением до 5 кВ осуществляется от трансформаторов, размещенных внутри барабана. Напряжение на первичные обмотки трансформатора подается через кольца и щеточный аппарат.

Рисунок 2.10 – Схема диэлектрического сепаратора

Равномерная подача зерна на барабан обеспечивается вибратором. Угол отрыва частицы от барабана зависит от свойств частицы.

Угол отрыва частицы зависит от произведения параметров СМ, СЭЛ и

СНЭ.

34

Параметр СМ определяется параметрами установки:

где U – напряжение на электродах;

б и rб – угловая частота вращения и радиус барабана;

d – угловая координата установки делителя.

Параметр СЭЛ зависит от электрических свойств семян, среды и изоляции электродов:

m0 – масса семени.

Приведенные выражения позволяют произвести анализ качества разделения семян в зависимости от формы, диэлектрических и электрических свойств, состояния поверхности.

Диэлектрические сепараторы обладают рядом преимуществ в сравнении с коронными: работают при влажности до 95 %, относительно низком напряжении (от 200 до 5000 В).

Изготовленные сепараторы имеют следующие технические данные: производительность – 100...250 кг/ч, частота вращения барабана – 32 об/мин., напряжение – 5 кВ, диаметр барабана – 400 мм.

Настройка сепаратора весьма трудоемка и может быть осуществлена персоналом высокой квалификации.

Конструкции электродов диэлектрических сепараторов весьма разнообразны и могут быть объединены в три группы.

Кпервой группе относят электроды, создающие гладкую поверхность, что не позволяет частицам располагаться в межэлектродном пространстве.

Ко второй группе относятся конструкции, в которых семена полностью или частично располагаются между электродами, что значительно увеличивает силу притяжения семян.

Ктретьей группе относятся ячеистые электроды, форма которых аналогична форме крупных семян.

35

Использование электродов трех групп даст возможность создавать не только сепараторы, но и пробоотборники, дозаторы, электропинцеты и счетчики-раздатчики.[1]

Установка электростатической сепарации отличается тем, что -снабжена электродами для разряда частиц, установленными

параллельно осадительным электродам в каждой секции корпуса; -верхним стыковочным механизмом для герметизации корпуса,

расположенным между загрузочным бункером и корпусом и выполненным в виде установленного с возможностью вертикального перемещения патрубка с закрепленным на нем фланцем, и затвора, размещенного в верхней части патрубка, патрубками выгрузки, соединенными с нижней секцией корпуса;

-нижними стыковочными механизмами для герметичного соединения патрубков выгрузки с приемниками разделенного материала;

-приспособлением для отбора проб, расположенным в одном из патрубков выгрузки;

-распределителем исходного материала, установленным между вибропитателем и патрубком верхнего стыковочного механизма, при этом коронирующие электроды выполнены в виде струн с компенсаторами

температурного расширения, натянутых параллельно осадительным электродам.

Установка электростатической сепарации включает в себя бункер 1, корпус 2, выполненный многосекционным с расположением в каждой секции коронирующих 3 и осадительных электродов 4 и щеток 5. В верхней секции корпуса 2 смонтированы распределитель 6 материала и вибропитатель 7. Верхний стыковочный механизм 8, соосно установленный между бункером и корпусом установки, выполнен в виде патрубка 9 со смонтированным на нем с возможностью подъема и опускания при помощи накидного подъемника 10 затвором 11.

36

Рис.2.11Установка электростатической сепарации

Размещенные в корпусе 2 осадительные электроды 4 выполнены с возможностью вращения. Каждая секция корпуса 2 дополнительно снабжена очистительными электродами 12, установленными попарно параллельно поверхности осадительного электрода 4.

Нижняя секция корпуса установки выполнена с патрубками 13 и 14 выгрузки, стационарно установленными на корпусе 2 установки, и подвижными вертикальными патрубками 15 и 16, снабженными стыковочными механизмами 17 и 18.

Один из патрубков снабжен устройством 19 для отбора проб порошка. Нижние стыковочные механизмы 17 и 18 выполнены в виде штока 20, смонтированного с возможностью относительного возвратнопоступательного перемещения в вакуумном вводе 21 и выполненного с сообщающимися вертикальным 22 и наклонным 23 каналами. Устройство для отбора проб порошка выполнено в виде поворотной подпружиненной треугольной полой ловушки 24 с фасонным пазом 25, сообщающимся через штуцер 26 с закрепленным на нем пробоотборником 27. Коронирующие электроды 3 смонтированы внутри секций корпуса 2 установки с возможностью поворотного и радиального регулирования и выполнены в виде параллельно натянутых струн 28 с компенсаторами 29 температурного расширения электродов.

В установке коронирующий электрод 3 выполнен в виде параллельно натянутых струн 28. В случае провисания струн 28 центральная их часть приблизится к поверхности осадительного электрода 4, в результате чего в зоне провисания происходит пробой газового промежутка. В момент

37

пробоя зарядка частиц сепарирующего материала не осуществляется и неметаллические частицы (инородные) не отделяются от очищенного материала и попадают в приемник 30 кондиционного материала, загрязняя материал. Это приводит к браку изделий, выполненных из этого материала. Другой опасностью при провисании струн 28 коронирующего электрода 3 является то, что он перегорает в виду увеличения короны и сепаратор выходит из строя.

Для исключения вышеуказанных моментов в установке для натяжения струн 28 установлены компенсаторы температурного расширения электродов в виде пружин 29, которые обеспечивают за счет постоянного натяжения параллельное положение струн 28.

Под стыковочными механизмами 17 и 18 патрубков выгрузки 13 и 14 стационарно установлены приемники 30 и 31 материалов.

В установке патрубках выгрузки 13 и 14 смонтированы винтовые подъемники 32.

Работа установки осуществляется следующим образом. Подготавливают установку к работе. Приводят в рабочее состояние стыковочный механизм 8. Для этого вращением винтового накидного подъемника 10 поднимают патрубок 9, а вместе с ним и затвор 11 в крайнее верхнее положение и герметизируют стык. Далее производят герметизацию стыков патрубков 13 и 14 выгрузки с приемниками 30 и 31 порошка. Герметизацию производят посредством одинаковых по конструкции стыковочных механизмов 17 и 18. Для этого посредством винтового подъемника 32 опускают вертикальный патрубок 15 с вакуумным вводом 21 и затвором 11 по штоку 20 в крайнее нижнее положение и герметизируют стык. По аналогии также герметизируют стык с патрубком 16. Далее вакуумируют установку. Затем заполняют ее рабочий объем смесью газов (Аr, Не). Включают приводы осадительных электродов 4 и щеток 5 и подают высокое напряжение на коронирующие 3 и попарные очистительные электроды 12. Далее открывают затвор 11 и исходный материал поступает из бункера 1, затвор 11 и патрубок 9 в распределитель 6 материала, где он равномерно, благодаря направляющим лопастям распределителя, распределяется в монослое по ширине вибропитателя 7. С вибропитателя 7 материал поступает на поверхность вращающегося осадительного электрода 4 и выносится в зону коронного разряда под коронирующий электрод 3. В поле коронного разряда частицы материала приобретают заряд коронирующего электрода 3 и под действием электрических сил прижимаются к поверхности заземленного осадительного электрода 4, поскольку последний имеет заряд, противоположный по знаку заряду коронирующего электрода 3. Контактируя с осадительным электродом 4, каждая частица разряжается. Частицы, хорошо проводящие электрический ток (гранулы, годный продукт), быстро отдают свой заряд, центробежной силой сбрасываются с барабана и направляются на следующую ступень очистки.

38

Частицы со значительно меньшей электропроводностью (шлаки, неметаллические включения и т.п.) значительно медленнее отдают свой заряд и поэтому оседают на поверхности осадительного электрода 4. В установке предусмотрена возможность электрической очистки поверхности осадительных электродов 4. Для этого параллельно поверхности осадительного электрода 4 в каждой секции корпуса 2 установлены попарно очистные электроды 12, на которые подается высокое напряжение (до 20 кВ) разной полярности. Непроводящие частицы, попадая в зону действия очистных электродов, быстро перезаряжаются и центробежной силой отбрасываются от поверхности осадительного электрода 7 и вращающейся щеткой 5 направляются в приемник 31 порошка.

После окончания разделения материала кондиционный материал из нижней секции корпуса 2 установки поступает в патрубок 13 выгрузки и далее по каналам, вертикальному 22 и наклонному 23, через стыковочный механизм 17, затвор 11 в приемник 30 порошка. В патрубке 13 выгрузки имеется пробоотборник 27. В процессе работы установки производится отбор проб кондиционного материала при контроле качества его очистки. Отбор проб производится в начале, середине и конце процесса сепарации на одну третью часть пробоотборника 27. Для отбора проб поворачивают подпружиненное регулирующее движение порошка устройство 19 таким образом, чтобы фасонный паз 25 поворотной подпружиненной треугольной полой ловушки 24 был в крайнем верхнем положении. Кондиционный материал задерживается в ловушке и направляется через штуцер 26 в пробоотборник 27, а основная масса материала одновременно с поступлением ее части в пробоотборник 27 поступает в приемник материала 30. [2]

Увеличение производительности барабанного коронноэлектростатического сепаратора при относительно небольшом увеличении его веса связано со снятием основного ограничения с конструктивных параметров сепаратора, а именно с величины диаметра осадительного электрода (барабана), что становится возможным при изменении направления векторов сил, действующих на частицы, находящиеся на поверхности барабана. Данное утверждение реализуется изменением ориентации осадительного электрода с горизонтальной на вертикальную.

Если ориентировать осадительный барабан вертикально и увеличить его диаметр, то соответственно будет увеличиваться и число одинаковых зон сепарации вокруг этого барабана.

39

При снижении угловой скорости вращения вертикального барабана можно достигнуть такого же значения линейной скорости на поверхности барабана, что и на горизонтальном барабане, а значит, создать приблизительно те же условия разделения минеральных частиц, что и на сепараторах классической конструкции.

В результате предложена новая конструкция коронноэлектростатического сепаратора, общий вид которого приведен на рис. 1.

Отмечено, что линейная скорость поверхности барабана является функцией его диаметра. Исходя из этого, предложено выражение для определения производительности сепаратора с вертикальным барабаном:

где Vв=2 Rв nв; Кв=2 Rв/S3св – линейная скорость и число зон

сепарации для сепараторов с вертикальным барабаном; Rв, Rг – радиусы

барабанов вертикального и горизонтального сепараторов, м; nв, nг –

частота вращения вертикального и горизонтального барабанов, 1/с; S3сг,

S3св – длина зоны сепарации для вертикального и горизонтального сепараторов, м.

Из формулы (2.1) следует, что производительность сепаратора с вертикальным барабаном, как и с горизонтальным, прямо пропорциональна плотности материала на барабане и ширине ленты исходного материала в зоне сепарации и, кроме того, прямо пропорциональна квадрату радиуса барабана и частоте его вращения и обратно пропорциональна длине зоны сепарации. Исходя из этого введем условия подобия вертикального сепаратора горизонтальному.

Первое условие – при переходе от сепаратора с горизонтальным барабаном к сепаратору с вертикальным барабаном большего диаметра величина центробежной силы не меняется, т.е. Fц.б.г Fц.б.в.. Из этого условия вытекают два следствия:

40