Побудители истечения сыпучих материалов

При истечении сыпучих материалов возможно сводообразование. На образование сводов в сыпучих материалах влияют как характеристики самого материала, их изменение во времени, так и параметры бункеров. Предотвращение сводообразований возможно за счет правильного выбора конструкции бункера и применения побудителей сыпучих материалов, которые обеспечивают поддержание материала в хорошосыпучем состоянии.

Характер истечения сыпучего материала из емкости отличается от характера истечения жидкости из-за различной закономерности распределения давления сыпучего материала и жидкости по высоте емкости. Прочность, которую приобретает сыпучий материал в любой точке емкости, является функцией наибольшего давления в этой точке. Для оценки степени изменения плотности сыпучего материала в питателе необходимо знать распределение вертикального уплотняющего давления по высоте емкости и соотношение между вертикальным и боковым давлением сыпучего материала.

В результате экспериментальных и теоретических исследований [8] установлено, что в зависимости от механических свойств сыпучего материала и углов наклона стенок бункера в изменении вертикального давления наблюдаются определенные закономерности: установившееся давление ; гидростатическое давление ; колебательное давление .

Таким образом, давление вышележащих слоев сыпучего материала оказывает влияние на степень подвижности материала при его истечении из бункеров. Наилучшим является постоянное давление на дно бункера или материал в питателях.

Для получения установившегося давления Е. Б. Карпин рекомендует выбирать угол наклона стенки бункера к вертикали в рад (30°). Эти рекомендации проверены экспериментально на истечении из моделей бункеров пшеницы, овса, льняного семени, кварцевого песка и суперфосфата. Угол внутреннего трения этих материалов лежит в пределах 16—28° ( рад).

Стабилизаторы рекомендуется устанавливать у выходного отверстия бункера (рис. 51, а). Они воспринимают давление вышележащих слоев и создают постоянное давление в нижней части бункера.

Рис. 51. Стабилизаторы давления материала (а) и форма установки пластины (б)

Чтобы избавиться от действия изменяющегося столба материала, находящегося в бункере, на материал в питателе, т. е. получить постоянное давление в нижней части бункера, необходима специальная форма выходного отверстия бункера (рис. 51, а). Она должна быть такой, чтобы кромки отверстия бункера находились на одной вертикальной прямой, а питатель был смещен относительно оси бункера.

Простейшим стабилизатором давления является горизонтальная пластина или двухскатный козырек (рис. 51, а). Пластину устанавливают в центре выпускной воронки бункера. Она служит опорой для материала, лежащего над ней, и как бы делит бункер по горизонтали на две зоны. Давление в нижней зоне определяется только весом материала, находящегося под пластиной. Таким образом, начальное сопротивление сдвигу снижается и устойчивые своды над выпускным отверстием ликвидируются. При заполнении пустого бункера пластина защищает питатель от динамического воздействия свободно падающего материала.

При заданном размере выпускного отверстия а и угле естественного откоса сыпучего материала влияние установки пластины на движение материала в емкости зависит от размера пластины b и высоты ее установки Н над выпускным отверстием (см. рис. 51, б). При истечении материала из емкости под пластиной образуется коническая свободная поверхность, ограниченная с одной стороны пластиной, а с другой — двумя плоскостями, проходящими под углом естественного откоса к горизонту. Высота материала H_s над выпускным отверстием

,

а толщина движущегося слоя материала между свободной поверхностью и плоскостью , ограничивающей возможный остаток материала в емкости,

Авторы [9] предполагают, что линии скольжения материала проходят под углом к вертикали. Тогда минимальную ширину пластины определяют точки пересечения плоскостей В₁ и В ₂ с линиями скольжения

.

Минимально возможная высота установки пластины

.

С увеличением высоты подъема пластины над выпускным отверстием увеличивается и ее размер. На определенной высоте Н_п наименьший размер пластины

,

а наибольший размер

.

Если , то плоскости и пересекаются над выпускным отверстием в точке S. Если , то точка пересечения перемещается вверх в положение . Ее высота над отверстием

.

Следует отметить, что чрезмерное увеличение высоты установки может привести к образованию над пластиной пассивной зоны из неподвижного материала. Эту зону можно ликвидировать, установив вместо пластины конический козырек.

Исследования стабилизаторов давления в виде двух пирамид или конусов, соединенных основаниями, показали, что двойной конус поддерживает материал в разуплотненном состоянии, обеспечивая равномерный поток материала без образования застойных зон, и позволяет длительно хранить его.

Некоторые исследователи (Ф. Е. Кенеман и др.) считают, что нарушение процесса истечения из емкости материалов с размером частиц 200 мкм, обладающих даже хорошими сыпучими свойствами, происходит в результате образования зоны пониженного давления в слоях, расположенных над отверстием. Понижение давления происходит за счет эжектирующего действия частиц сыпучего материала, которые при своем движении увлекают воздух и создают перепад давления воздуха между объемом, вмещающим этот материал, и объемом, в который он поступает. Это вызывает встречную циркуляцию воздуха через отверстие, нарушая нормальное истечение. Разрежение в емкости тем больше, чем мельче частицы, так как с уменьшением размера частиц увеличивается их эжектирующая способность, а газопроницаемость слоя материала уменьшается. Для устранения этого явления необходимо соединять область, лежащую над отверстием, с атмосферой.

Разработан стабилизатор, представляющий собой рассекатель потока в виде конического козырька с отверстиями, внутренний объем которого связан трубой с атмосферой. Испытания установленных на силосном цементном складе стабилизаторов истечения показали, что подвод воздуха из атмосферы в зону разрежения позволяет повысить надежность работы емкости.

При установке прерывателей — стабилизаторов давления необходимо учитывать, что расстояние между краем прерывателя и стенкой емкости должно быть больше, чем размер сводообразующего отверстия.

В процессе работы питателей бункеры могут испытывать встряхивающие и вибрационные воздействия. Эти воздействия, как правило, повышают объемную массу, превращая сыпучий материал в псевдотвердое тело. Для предотвращения этих явлений и улучшения сыпучести материала применяют побудители. Они характеризуются способом, местом и интенсивностью побуждения. В качестве побудителей используют механические рыхлители, помещенные внутри бункера; вибраторы, устанавливаемые на стенках или внутри бункера; аэрационные рыхлители.

В настоящее время побудители устанавливают в бункерах для предотвращения сводообразования и улучшения истечения сыпучего материала. Однако возможно использовать их и для стабилизации плотности истекаемого потока материала и тем самым увеличения точности работы питателей.

В питателе за счет разницы скорости свободного истечения и скорости движения рабочего органа может происходить циклическое истечение, следовательно, вибропобудитель в какой-то момент времени (статика) уплотняет материал, а в другой момент (динамика) разрыхляет его. Поэтому включать и располагать вибратор следует в зоне движения материала или в пограничной зоне между движущимся и находящимся в покое материалом. Как правило, вибропобудители применяют для улучшения истечения различных зернистых материалов.

Аэрация материала сжатым воздухом разрыхляет его и приводит в текучее (псевдожидкое) состояние. Аэрация может также нейтрализовать технологические встряхивающие и вибрационные воздействия и стабилизировать плотность материала в питателе. Различные пневматические побудители применяют обычно для улучшения истечения различных порошкообразных материалов.

Кроме аэрации материала сжатым воздухом находят применение различные механические рыхлители, которые также можно использовать для нейтрализации технологических воздействий на массу материала в бункере питателя. Работу этих рыхлителей нужно синхронизировать с работой питателя.

Механические рыхлители применяют для улучшения сыпучести мелкозернистых и порошкообразных материалов.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОБУДИТЕЛИ

Действие механических побудителей основано на перемешивании или смещении материала для уменьшения сил сцепления между отдельными частицами и для нарушения равновесия свода материала в бункере. Механический побудитель представляет собой вал с лопатками, вращающийся с окружной скоростью, равной скорости питателя, и рыхлящий материал при вращении. Побудители этого типа отличаются простотой и малой энергоемкостью по сравнению с побудителями других типов.

Наиболее простым механическим устройством является мешалка с горизонтальным валом. Количество, форма и расположение на валу лопастей или штырей, а также режим работы зависят от размера воронки и характеристики материала. Расстояние оси вала мешалки от плоскости выпускного отверстия также следует выбирать с учетом физико-механических свойств сыпучего материала и формы бункера. Все исследователи сходятся на том, что устанавливать мешалку необходимо в зоне образования сводов. При неправильной установке мешалка работает вне зоны образования свода; эффективность воздействия на процесс истечения низкая, возрастает энергоёмкость. Для мелкозернистых материалов (размер частиц 0,5—2 мм) мешалку располагают обычно в воронке¹ бункера над выпускным отверстием на высоте не более 300—350 мм.

Механические рыхлители и мешалки, помещенные внутри бункера, при открытой заслонке или при работе питателя должны действовать непрерывно независимо от устойчивости протекания процесса выпуска материала. Режим работы должен быть идентичен режиму работы питателя. Отключенный рыхлитель является преградой на пути потока и способствует зависанию материала.

Соседние лопасти на валу рыхлителя, установленные друг относительно друга с угловым смещением, работают как бы на последовательный срез массы материала каждой последующей лопастью по длине вала. Это срезание части массы материала разрушает сцепление между соседними частицами и приводит материал в хорошосыпучее состояние.

Для уменьшения энергоемкости побудителя соседние лопасти, расположенные на валу по винтовой линии, можно располагать на некотором расстоянии одна от другой по длине вала. Это расстояние должно быть не более размера сводообразующего отверстия, определяемого по формулам для выходного отверстия бункера.

М инимальную ширину лопасти теоретически можно выбрать исходя из размера частицы. Каждая лопасть разрушает сцепление частицы с соседней в вертикальной плоскости. С другой стороны, максимальная ширина лопасти может быть выбрана с учетом способности разрыхления материала определенного объема (или ширины). Если лопасть широка, то она будет перемещать массу материала без его разрыхления внутри перемещаемого объема. Но поскольку необходимо не перемещение материала, а его раз-

рыхление, следует выбирать минимально возможную ширину лопасти.

По ориентировочным подсчетам А. Н. Новикова [12], мощность, необходимая для вращения в бункере цемента одной лопасти шириной 160 мм с радиусом 800 мм при коэффициенте трения металла о материал 0,1 и частоте вращения 40 об/мин, равна 1 кВт.

Для повышения точности подачи мелкозернистых материалов из бункера до ±5% независимо от уровня материала и равномерности его распределения по площади бункера, технологических встряхивающих и вибрационных воздействий, а также степени плотности засыпаемого материала в нижней части расходного бункера 1 над дозирующим ротором 2 рекомендуется устанавливать двухскатный рассекатель-стабилизатор 3, перекрывающий по ширине входное отверстие бункера над питателем, и побудитель 4 потока порошкообразного материала, проходящего по боковым отверстиям, между стенками бункера и краями рассекателя (рис. 52). Угол наклона пластин рассекателя-стабилизатора и расстояние от них до боковых стенок бункера следует выбирать таким образом, чтобы обеспечивать при действии побудителя свободный проход материала к питателю без образования сводов.

В зависимости от конкретных условий работы конструкции побудителей различны, однако принцип их работы, несмотря на многообразие, одинаков. Для предотвращения зависания мелкого влажного угля можно применять шнековое устройство, которое представляет собой двухвитковый вертикальный конусный шнек, помещенный в зону образования свода.

Для ликвидации сводов сыпучего материала в бункере можно применять колеблющуюся стенку, выполненную в виде секции, устанавливаемой на каждой внутренней наклонной стенке бункера и состоящей из металлического листа, к которому по контуру металлическими планками и болтами герметично прикреплена слабо натянутая футерованная фильтроткань, поверх которой положены отрезки транспортерной ленты (резиноткань), прикрепленные в верхней части наклонной стенки бункера.

Для сброса зависшего материала под фильтроткань вводят сжатый воздух через патрубок, вмонтированный в металлический лист.

Для устранения застревания материала и ликвидации свода внутрь бункера вводят штангу. Штанга 1 (рис. 53) с лопастями 6 в нижней части получает возвратно-поступательное и вращательное движение от электродвигателя 2 через червячный редуктор 3 и кривошипную передачу 4. Вращение штанге передается от винтового сопряжения с направляющей 7, устанавливаемой на полу бункерной галереи. Штанга вращается в подшипниках 5. Электродвигатель привода включается автоматически при застревании материала. Побудитель в виде штанги способен разрушить свод в материале лишь в том случае, если он образовался в районе расположения штанги. Если побудитель не разрушает образовавшийся свод, то срабатывает световое сигнальное устройство.

Д ля предотвращения зависания сыпучих материалов можно применять побудитель (рис. 54) в виде пространственной решетки 1, установленной внутри бункера 7 на нижней 2 и верхней 3 кольцевых опорах, с помощью которых решетка свободно сидит на эксцентричном вертикальном валу 4. Вертикальный вал жестко соединен с приводным механизмом питателя 6, с некоторым эксцентриситетом к оси вращения.

Рис. 54, Побудитель в виде колеблющейся решетки

Рис. 53. Побудитель

в виде движущейся штанги

Рис. 55. Побудитель в виде гибкой корзины

Внутренний диаметр нижней опоры несколько больше диаметра вала 4; это обеспечивает свободную посадку опоры 2 на валу. Внутренний диаметр верхней опоры 3 в несколько раз превышает диаметр вала. При вращении питателя 6 решетка 1 от вала 4 совершает движение по окружности с радиусом, равным эксцентриситету е, перемещаясь параллельно самой себе или слегка обкатываясь относительно вала 4. Большой зазор в верхней опоре позволяет решетке покачиваться в направлении стрелок А.

Решетка совершает с небольшой амплитудой сложные колебательные движения в направлениях наименьшего сопротивления, достаточные для рыхления материала и разрушения свода при минимальной затрате энергии. Размеры решетки следует выбирать близкими к внутренним размерам бункера, что позволяет охватить всю зону сводообразования материала и повышает эффективность сводоразрушения.

Если в бункере хранятся такие материалы, как, например, глинистые горные породы, то при его опорожнении постепенно может наращиваться слой материала, что приводит к прекращению истечения. Для предотвращения этого внутри бункера следует устанавливать воронкообразную гибкую корзину /, состоящую из металлических цепей 4, расположенных по взаимно пересекающимся спиральным линиям (рис. 55). Цепи соединены между собой в точках пересечения и закреплены верхними концами по периметру обечайки 3, причем последняя может быть кинематически связана с приводом 5, сообщающим ей возвратно-вращательное движение. Вокруг корзины расположен гибкий кожух 2 из плотной обрезиненной ткани, имеющий в нижней части продольный гофр или складки, позволяющие изменять величину проходного сечения в нижней части бункера. Это позволяет предотвратить рассеивание мелких частиц материала, проникающих через отверстия в стенках корзины.

Под действием силы тяжести взаимно связанные ветви цепей корзины в нижней части располагаются более плотно, чем в верхней. В результате корзина принимает воронкообразную форму, и создается сужающийся книзу канал. При налипании транспортируемого материала на стенки корзины и уменьшении ее проходного сечения скапливающийся материал давит на стенки, но благодаря их гибкости проходное сечение корзины расширяется, обеспечивая прохождение скопившегося материала через бункер. Привод позволяет обечайке совершать возвратно-вращательное движение; вместе с ней это движение повторяет и корзина. Однако вследствие действия инерционных сил звеньев цепей и соприкасающегося с ними движущегося материала происходит периодическое', и переменное по направлению угловое смещение корзины относительно обечайки. При этом угол закручивания одних ветвей цепей увеличивается, а угол закручивания противоположно направленных цепей несколько уменьшается. В результате звенья цепей непрерывно смещаются друг относительно друга, а материал — относительно стенок корзины. Это исключает возможность образования очагов налипания и предотвращает закупоривание корзины крупными глыбами транспортируемого материала.

Мелкие частицы материала, проникающие через отверстия в стенках корзины, улавливаются кожухом и направляются в общий поток. При расширении корзины под действием груза кожух благодаря наличию гофра в нижней своей части также расширяется.

ВИБРАЦИОННЫЕ ПОБУДИТЕЛИ;

Под действием вибрационных побудителей физико-механические свойства материала резко изменяются, а ранее зависший материал приходит в движение. Как показывают опыты, во время вибрации коэффициент трения, например, песка по стали и коэффициент внутреннего трения снижается в 40 раз и более.

Различают вибраторы электромеханические, в которых вибрация происходит за счет вращения неуравновешенных масс, установленных на валу электродвигателя; электромагнитные, в которых колебания совершаются с помощью электромагнитов постоянного и переменного тока; пневматические, работающие при помощи сжатого воздуха.

Следует отметить, что пневматические вибраторы из-за большого расхода сжатого воздуха (до 0,028 м³/с при давлении Н/м² — 6 атм), низкого КПД и быстрого износа движущихся деталей для обрушения сводов не применяются. В строительной индустрии используют электромеханические и электромагнитные вибраторы. В табл. 3 приведены основные технические характеристики вибраторов, применяемых для борьбы со сводообразованием сыпучих материалов в емкостях.

Вибрации от вибрационных побудителей передаются либо на стенки емкости, либо вибрирующий рабочий орган опущен внутрь емкости в толщу материала. Вибрационные побудители отличаются относительно простой конструкцией, простотой управления и обслуживания. Расход энергии незначителен. В то же время вибрационные побудители обладают недостатком, который вытекает из самой природы действия вибрации на обрабатываемую среду. Как известно, вибрация может привести не только к разрыхлению, но и к уплотнению материала, находящегося в статике. Образующиеся при вибрационном уплотнении своды настолько прочны, что разрушение их с помощью вибрационных побудителей нередко очень затруднительно. Некоторые исследователи подчеркивают, что даже при длительной выгрузке вибратор должен работать периодически.

Накладные вибропобудители устанавливают с наружной стороны стенки бункера обычно на высоты бункера ближе к выходному отверстию. Количество и мощность вибропобудителей зависят от типа, размера бункера, характеристики дозируемого материала и его состояния. Из-за разности скоростей движения частиц по сечению емкости при открытом выпускном отверстии вибрация всей емкости может привести к значительному уплотнению материала. Поэтому метод разрушения сводов и улучшения сыпучести материала с использованием накладных вибраторов может быть рекомендован только для бункеров малой емкости. Опыты с применением вибраторов направленного действия, укрепленных на стенках бункера, показали, что горизонтальные вибрации эффективнее вертикальных.

Для предохранения стенок бункера и металлоконструкций от воздействия вредных вибрационных нагрузок применяют накладной вибропобудитель на упругих элементах (рис. 56). Виброплита состоит из металлического листа /, склепанного по периметру заклепками с двумя слоями конвейерной ленты 2 и металлической планкой. Для уменьшения действия вибрации плиты на стенку бункера под лист подкладывают два-три слоя микропористой резины 3. Подготовленная таким образом конструкция крепится болтами 4 к стенке бункера. Для предохранения от попадания под виброплиту мелких частиц над ней устанавливают специальный козырек 5 из тонколистовой стали. Вибратор 6 (И-85, И-7 или И-117) крепится обычным способом к листу, приваренному к плите. При образовании свода включают вибратор, и плите сообщается колебательное движение, которое приводит в движение материал и значительно уменьшает трение между отдельными частицами, придавая материалу свойство текучести. Резиновые прокладки предохраняют корпус бункера от вибрирования.

Подвесные вибропобудители отличаются друг от друга формой рабочего органа и местом установки вибратора. Подвесной жесткий вибропобудитель (рис. 57) состоит из вертикального вала с лопастями, устанавливаемого внутри бункера, который поворачивается вокруг своей оси (под действием вибрации и движения

Рис. 56. Накладной вибропобудитель Рис. 57.

Подвеснойматериала) за счет наклона лопастей и установки в качестве опоры вала подшипника качения. Опорная балка обрушающего устройства- крепится к кронштейнам бункера резиновыми или пружинными амортизаторами, чтобы вибрация не передавалась стенкам.

Вибрационный побудитель для щебня, песка, цемента английской фирмы Синекс состоит из вибратора, жестко установленного на вертикальной пластине внутри бункера, которая крепится к поперечной балке в верхней части бункера. Пластина сводообрушителя колеблется с большой амплитудой у выпускного отверстия бункера, где хранящийся материал особенно склонен к сводообразованию. Размеры стальной пластины: ширина 460—610 мм, толщина 1,25—3,75 мм, высота до 18 м.

Хорошие результаты получены при применении звукового генератора для обрушения сводов мучных отходов в железобетонном силосе высотой 30 м. Подобный генератор излучает звуковые волны, приводящие в колебание частицы сыпучего материала.

Побудитель с вибрирующими тягами расположен внутри корпуса бункера / и выполнен в виде наклонно расположенных к продольной оси корпуса тяг 2, упруго изменяющихся по длине, одним концом прикреп- ^AL ленных к стенкам корпуса бун- fa кера, а другим — к приводу побудителя (рис. 58). Тяги 2 состоят или только из пружин, или из отдельных отрезков стержней 4, последовательно

А А

Рис. 58. Побудитель с

вибрирующими тягами

Рис. 59. Подвесной вибропобудитель с гребнями

соединенных между собой пружинами 3. Это позволяет упростить конструкцию и обеспечить устойчивость работы сводообру-шителя. Тяги одним концом крепятся к корпусу, а другим к приводу 5, который включается в работу периодически или постоянно. На тягах могут быть закреплены пластинки 6, увеличивающие воздействие на обрушаемые массы. Когда в сыпучем материале образуется свод, включают привод побудителя, который приводит в движение тяги. Тяги работают только на тех участках, которые находятся в сравнительно рыхлой массе сыпучих материалов на границе свода и своими колебаниями разрушают его.

Для бункеров, имеющих коническое днище с разгрузочным каналом щелевидной формы, может найти применение вибропобудитель, смонтированный в конической части бункера 1 в виде укрепленного на общей вибрирующей траверсе 2 гребня с вертикально расположенными параллельными пластинами 6, имеющими высоту, равную высоте конуса (рис. 59). Пластинчатый гребень штоком 3 соединен с одним концом коромысла 4 маятникового вибратора 7 и подрессорен пружинной опорой 8. Другой конец коромысла расположен в шарнирно-амортизирующей опоре 5. От вибратора к гребню поступают колебания, амплитуда которых равна половине величины на вибраторе. Частота колебаний равна частоте вращения вала электродвигателя. Вертикально вибрирующие пластины способствуют увеличению сыпучести материала и тем самым предотвращают сводообразование. Следует отметить, что вибратор должен, очевидно, работать только при открытом выходном отверстии бункера. Вибропобудитель следует располагать только в зоне эффективного движения материала, так как вибрация неподвижного материала приведет к его уплотнению.

АЭРАЦИОННЫЕ ПОБУДИТЕЛИ]

Пневматические устройства широко используют для предотвращения и ликвидации сводообразования в емкостях для порошкообразных и пылевидных материалов. Пылевидные и порошкообразные материалы насыщаются воздухом, что вызывает увеличение пористости материалов и снижение коэффициента внутреннего трения. Сыпучесть материала значительно улучшается и резко снижается вероятность зависаний и сводообразований.

Чтобы ликвидировать зависание материала над выпускным отверстием емкости, пневматические побудители необходимо устанавливать в месте образования сводов, так как в противном случае может произойти нежелательное уплотнение материала. Критическая высота, на которой возможно образование сводов, зависит от многих причин и для большинства материалов ее практически очень трудно установить. Поэтому емкости в большинстве случаев оборудуют системой пневматических побудителей, которые устанавливают в определенном порядке по всей поверхности стенок днища.