2. Устройства для выгрузки, питания и дозирования сыпучих материалов [1]

Отбор и дозирование газообразных и жидких материалов из емкостей, хранилищ, как правило, выполняют с помощью насосов и дозирующего оборудования; эти операции не вызы­вают значительных затруднений. В то же время питание сыпучими материалами осложняется рядом обстоятельств, связан­ных со спецификой их свойств и условий хранения, прежде все­го, ограниченной подвижностью или сыпучестью.

Сыпучие материалы можно хранить или подавать непосред­ственно перед введением в технологический процесс в различно­го рода бункерах и емкостях, отличающихся размерами, объе­мом, формой, конструкцией устройств для ввода и вывода ма­териала; диаметр этих бункеров может достигать 5 м, емкость ­250 м³. За исключением некоторых случаев, когда отбор мате­риала осуществляется из верхней части (например, вакуумной пневмосистемой), материал выгружается из нижней части ем­кости под действием собственной силы тяжести.

Правильно спроектированный бункер должен иметь макси­мальную емкость при минимальной высоте, гарантированном истечении материала и отсутствии сегрегации по компонентам и гранулометрическому составу, а также должен быть снабжен системой дистанционного управления и регулирования продол­жительности и скорости разгрузки. При этом точность дозиро­вания определяется возможностью непрерывного, стабильного, свободного истечения материала из бункера. По этой причине при разгрузке бункеров используют устройства для создания свободного истечения материала в комбинации с дозаторами, что обеспечивает и непрерывность, и точность дозирования.

2.1. Выгрузка сыпучего материала из бункера. В простейшем случае выгрузку сыпучего материала из бун­кера при достаточно хорошей его сыпучести (гранулированные полимеры) можно производить под действием силы тяжести материала без применения каких-либо дополнительных устройств. В этом случае гравитационные питатели (рис. 2.1, а) снабжают в низшей части заслонкой или затвором 2, приводи­мым в движение исполнительным механизмом 3. В таких уст­ройствах расход сыпучего материала определяется площадью проходного сечения, которую регулируют изменением размера h прямоугольного отверстия, высотой слоя материала в бункере, углом наклона стенок конической части бункера 1, а также определяется подвижностью частиц материала.

Такие конструкции просты, но из-за значительной неста­бильности потока, сложности регулирования производитель­ности и значительных усилий перемещения заслонки нашли ограниченное применение.

Для уменьшения усилия, необходимого для перемещения заслонки, применяют шторно-роликовые затворы 2 (рис. 2.1, б). Во избежание заклинивания частиц заслонкой, переднюю часть бункера 1 выполняют несколько меньшего размера (на два-три максимальных размера частиц питаемого материала). .

Для обеспечения выгрузки материала при возможности об­разования сводов или его слеживаемости используют поток воздуха, вибрационные и прокалывающие устройства,

«гибкие» бункера и т. д. Эти устройства или непосредственно воздейст­вуют на

Рис.2.1. Схемы гравитационных питателей: а) – секторный; б) – шторко-роликовый.

Рис.2.2. Схемы аэрационного (а) и аэровибрационного (б) питателей.

материал (что особенно широко используют для порошков и волокнистых материалов), или сообщают движение бункеру либо его части. В любом случае такие устройства следует устанавливать как можно ближе к источнику сопротивления 7 перемещению материала.

В аэрационных питателях (рис. 2.2,а) подачей воздуха под давлением через распределительную заслонку 3 и перфориро­ванное днище 2 в нижнюю часть бункера 1 материал в бунке­ре частично или полностью переводят в псевдоожиженное состояние. При этом под действием силы тяжести материал пе­ремещается в соответствующую точку технологического процес­са (или на дозирование) по наклонным перфорированным лот­кам-трубопроводам 4 (где также поддерживается в псевдоожи­женном состоянии) или трубопроводу 5 (рис. 2.2, б). Произво­дительность последнего регулируют заслонкой 3 или стандарт­ной арматурой.

Для уменьшения pacхoдa воздуха и снижения его давления используют вибро-аэрационные питатели (рис.2. 2, б), в кото­рых выгрузку материала облегчают сообщением колебаний от вибраторов 6 всему бункеру, закрепленному на пружинящих опорах.

Расход рассмотренных питателей определяется площадью проходного сечения, конструктивными особенностями и размера­ми, параметрами процесса псевдоожижения и др. При этом из-за сильного влияния на расход высоты слоя материала, на­ходящегося в бункере 1, расход изменяется во времени.

Механические вибрационные. устройства, так называемые «активаторы» или «побудители», можно устанавливать как сна­ружи бункера, так и внутри его и включать в работу только во время истечения материала: в противном случае происходит лишь дополнительное уплотнение материала. Вибраторы, соз­дающие колебание стенок бункера, предельно просты, эконо­мичны, безопасны в работе при относительно низкой стоимости. Однако они менее эффективны, чем вибрационные устройства, расположенные внутри материала в выходной зоне бункера.

Разгрузочное вибрационное устрой-ст­во, показанное на рис. 2.3. представляет собой конический элемент, закрепленный стяжками б через виброизоляционные прокладки 8 на выход­ном конусе бункера 1. Герметичность соединения обеспечивает гибкое соединение 7. Конический пере-ходник 5 и соединенный с ним обратный конус 4 получают колебательное движение от вибратора 2. Материал выгружается че-рез выходную трубу, соединенную с пере-ходником гибким соединением 3. Характер­ной особенностью данной конструкции является использование довольно широкого разгрузочного отверстия в бункере. При работе вибратора колебания со-вершаются в горизон­тальной плоскости, поэтому материал не зависает в выходном конусе бункера, ликвидируется его уплот-

Рис. 2.3. Схема разгрузочного устройства с двойным вибрирующим конусом.

нение и создаются хорошие условия для равномерного движения сыпучего мате­риала по поверхности обратного конуса от его центра к пери­ферии и равномерного вытекания по всей площади поперечно­го сечения разгрузочного отверстия в бункере.

Вибратор может иметь механический, гидравлический или электрический привод; частота колебаний - до 500 Гц при амплитуде до 10 мм.

Рис.2.4. Схемы шнековых выгрузочных устройств.

Другим вариантом является шнековое выгрузное устройст­во, состоящее из приемного устройства нижней части бункера 1 (рис. 2.4), шнека 2 и разгрузочного патрубка 4. При враще­нии шнека материал захватывается витками и перемещается к разгрузочному окну. Участок между бункером и разгрузочным люком является определяющим в отношении стабилизации про­изводительности. Поэтому для обеспечения возможности регу­лирования производительности необходимо создание дрос­сельного цилиндрического участка 3 длиной не менее одного диаметра шнека, чтобы предотвратить пересыпание материала через витки. Зазор между желобом и кромкой витков является важным конструктивным параметром, влияющим на работу шнека. Ве­личина должна компенсировать возможные неточности сбор­ки и прогиб шнека во избежание соприкосновения металличе­ских поверхностей. Важно также предотвратить защемление частиц, так как

это может вызывать возникновение больших контактных давлений и моментов сопротивления. Общие принципы, определяющие перемещение материала в дроссельной части данной конструкции, те же, что и для пита­телей или шнековых транспортеров.

При перемещении материала вдоль шнека вне дроссельной зоны на участках с повы-шенным расходом (начало шнека и участки с увеличивающимися размерами шнека) могут созда­ваться зоны пониженного давления или даже пустоты. В то же время при уплотнении материала витками шнека могут созда­ваться зоны повышенной плотности или «мертвые» зоны А, так как в этом случае истечение происходит не по всей площади выпускного отверстия бункера. Это явление может ухудшать сыпучесть подвижного материала или даже приводить к прек­ращению истечения, вызывать колебания времени пребывания материала в бункере, чрезмерный износ шнека и приводить к ряду других нежелательных последствий.

Характер заполнения горизонтальных шнеков и перемещение в них сыпучего материала под уплотняющим воздействием ма­териала, находящегося в бункере, определяются следующим: достигается такое уплотнение материала, при котором сдвиг в материале, захваченном шнеком, прекращается, и материал пе­ремещается как твердая пробка, разрушающаяся на выходном участке.

Основываясь на таком механизме перемещения и допуская, что силы тяжести малы, а также, что частица под действием винтовой поверхности шнека перемещается в направлении, со­ответствующем углу трения на этой поверхности, независимо от нормальной нагрузки, Л. Бейтс получил выражение для про­изводительности Q₁ за один оборот рассматриваемого питателя в виде

где ; ,

R_н – внешний радиус цилиндрической поверхности нарезки шнека; t- шаг винтовой нарезки; Ф – угол трения материала о поверхность шнека; _m - угол подъема витка относительно оси на расстоянии, соответствующем среднем радиусу витка R_f.

Эффект трения материала о стенку в зазоре между кромкой витка и желобом проявляется двояко. Гладкая цилиндрическая поверхность обеспечивает скольжение материала; это способ­ствует увеличению эффективной площади сечения, что повы­шает производительность на величину

.

Шероховатая поверхность и большой зазор могут вызвать сдвиг материала по цилиндрической поверхности радиусом R_н

При расчете мощности привода обязательно требуется про­верка пускового момента, так как для шнеков с постоянным шагом и диаметром он может достигать десятикратных значе­ний момента при установившемся режиме. Для шнеков малого шага и диаметра, а также для конических расширяющихся шнеков пусковые моменты (мощности), как и установившиеся, несколько меньше.

2.2. Питатели-дозаторы сыпучих материалов.

Устройства для питания и дозирования различных материалов отличаются большим разнообразием принципиальных и конструктивных решений, что затрудняет их классификацию.

По физическому состоянию дозируемого вещества дозаторы можно разделить на дозаторы для газов, жидкостей и сыпучих материалов. Указанные типы дозаторов различают, кроме того, с учетом свойств дозируемых веществ. Так, дозаторы для сыпучих материалов разделяются на дозаторы для крупнокус­ковых, крупно-и мелкозернистых, порошкообразных материалов.

В зависимости от назначения применяют дозаторы непре­рывного поточного или прерывисто-циклического действия (пор­циoнные), причем и те, и другие могут быть объемными или весовыми.

По способу регулирования производительности дозаторы из­готовляют с автоматическим регулированием или без него, с регулированием производительности, изменением скорости по­тока, объема или сечения или комбинированные.

По схеме автоматического регулирования дозаторы могут быть замкнутые и незамкнутые, статические и астатические, прямого и непрямого, непрерывного и позиционного регулиро­вания.

По конструктивным признакам различают одно- и двухагрегатные дозаторы, дозаторы с разделением потока и многие другие.

Процесс непрерывного дозирования заключается в обеспе­чении на выходе с заданной точностью непрерывного потока, имеющего среднюю скорость v_ср. Расход Q этого потока меня­ется во времени t, т. е. Q=f(t). При дозировании материала, имеющего на единицу объема характерные параметры p_i расход по требуемому параметру составит

Q _pi = sv_срp_i,

Для объемного и весового дозирования это выражение принимает соответственно вид

Q =sv_ср; Q = s

где s - площадь поперечного сечения выходного отверстия; - плотность.

Отсюда видно, что регулирование производительности воз­можно изменением пло-щади сечения проходного отверстия, скорости движения материала или комбинированием обоих мето­дов.

Конструкции дозаторов позволяют решать задачу выдачи оп­ределенного количества материала с требуемой точностью за заданное время, а также обеспечения заданной производитель­ности и требуемого соотношения компонентов в потоке при: дозировании отдельных компонентов.

Дозаторы непрерывного действия состоят из рабочих орга­нов, обеспечивающих движение материала, первичных преобра­зователей, измеряющих расход и преобразующих измеренную величину в требуемые сигналы, передаточных звеньев, уст­ройств для выдачи закона управления, исполнительных меха­низмов, контрольно-измерительных и регистрирующих приборов и вспомогательных конструктивных элементов (воронок, очист­ных устройств и т. д.).

Точность дозирования определяется рядом факторов, кото­рые можно свести в три группы. К первой группе относятся фак­торы, характеризующие конструкцию дозаторов: чувствитель­ность и точность первичного преобразователя, стабильность коэффициента усиления передающих звеньев, точность серво­приводов, качество исполнения рабочих органов. Вторая группа охватывает факторы, характеризующие внешние условия рабо­ты: постоянство температуры и влажности среды, питающего напряжения, запыленность и т. д. Наибольшее влияние на точность дозирования оказывает неоднородность дозируемой среды, которая входит в третью группу факторов: неоднород­ность гранулометрического состава и формы зерен, неоднородность физических свойств материала. При прохождении части­цами материала элементов, регулирующих проходное сечение, происходит периодическое изменение площади эффективного сечения, а, следовательно, и производительности, причем крупные частицы влияют значительно больше, чем мелкие.

Причиной неравномерной подачи материала является так­же нерегулярное стекание материала с питателя, что вызывает флуктуации расхода со значительной амплитудой по всей ширине питателя.

Величина отклонений расхода зависит от времени дозированного и количества дозированного материала и может быть охарактеризована общепринятыми статистическими оценками средних квадратических отклонений. В целом величина флук­туаций и их длительность определяются размером и формой частиц, соотношением вертикальной и горизонтальной состав­ляющих скоростей частиц, соотношением периметра неподвиж­ных кромок и площади сечения выходного отверстия.

Выбор конкретного типа питателя для заданного техноло­гического процесса определяется физическими свойствами до­зируемого материала, требуемыми скоростью и точностью подачи, способом регистрации расхода, условиями компоновки с оборудованием. Из физических свойств дозируемого материа­ла необходимо учитывать, прежде всего, плотность и однородность материала, склонность к слеживанию и уплотнению.

В случаях, когда не требуется высокая точность питания, можно использовать любые питатели. Однако широкое приме­нение автоматизированного оборудования требует повышенной точности дозирования в процессах компаундирования и перера­ботки непрерывным или периодическим способом (экструдеры, непрерывные смесители), так как количество продукта зависит от точности дозирования.

Объемные дозаторы непрерывного действия нашли широкое применение в подготовительных производствах благодаря про­стоте в эксплуатации и относительно низкой стоимости. Основ­ным их недостатком является меньшая точность по сравнению с весовыми дозаторами.

Непрерывно-циклическое дозирование, как правило, осуществляется с использованием дозаторов непрерывного действия и созданием определенного закона движения рабочего органа. Так, лопастные дозаторы непрерывного действия могут работать в непрерывно-циклическом режиме, если ротор в каждой позиции останавливается и продолжает вращение лишь после опорожнения очередной секции.