Классификация и область применения питающих устройств

1 Питающие устройства

1.1 Классификация и область  применения питающих устройств

Пневмотранспортирование сыпучих материалов представляет собой процесс, который в значительной степени зависит от концентрации частиц транспортируемого материала в аэросмеси. [1], стр. 5

В зависимости от того, находится ли материалопровод, фильтр и отделитель под разряжением или избыточным давлением, установку соответственно называют всасывающей или нагнетающей. [1], стр. 7

Для всасывающих систем пневмотранспорта характерна ограниченная разность давлений между атмосферным и давлении во всасывающем отверстии воздуходувной машины. Воздуходувные машины всасывающих установок рассчитаны на создание максимального разряжения от 50 до 95 кПа, т. е. потери давления во всей установке не могут быть больше указанной величины, что ограничивает дальность транспортирования аэросмеси и ее концентрацию, чем выше концентрация аэросмеси, тем меньше должна быть протяженность материалопровода.

К недостаткам таких установок относят сложность герметизирующих устройств для непрерывного вывода материала из отделителей и фильтров. Достоинство их – простота конструкции приемных устройств, которые могут быть выполнены в виде открытой воронки.

Отличительная особенность нагнетающих пневмотранспортных установок в неограниченной величине избыточного давления, развиваемого воздуходувной машиной. Поэтому такие установки применяют для перемещения сыпучего материала на большие расстояния (до 500 м и более) при высоких концентрациях аэросмеси, благодаря чему достигается компактность и экономичность установок.

Нагнетающие пневмотранспортные установки снабжены простыми отделителями, а также фильтрами, не требующими специальных выпускных устройств.

Основной недостаток нагнетающих систем заключается в трудности загрузки транспортируемого материала в материалопровод. [3], стр. 181

Комбинированные всасывающе-нагнетающие пневмотранспортные установки сочетают в себе особенности обеих систем. Их применяют при необходимости забора сыпучего материала из насыпи и перемещения его на большие расстояния.

Независимо от вида, области применения и конструктивного исполнения любая нагнетательная пневмотранспортная установка в своем составе имеет  питающее устройство (питатель). Питатели предназначены для подачи транспортируемого материала в материалопровод, находящийся под избыточным давлением воздуха.

На предприятиях по хранению и переработке зерна в нагнетающих пневмотранспортных установках для непрерывной подачи транспортируемого материала применяют в зависимости от сопротивления материалопровода с разгрузителем следующие системы:

- приемные устройства типа тройник

в комплекте со шлюзовым затвором                                          до 30 кПа

- шлюзовые питатели                                                                  до 100 кПа

- шнековые (винтовые) питатели                                               до 130 кПа

- камерные питатели с отбором  давления в камере                до 400 кПа.

Также используются шахтные, ленточно-скребковые, инерционные (трубчатые и лопастные), эжекторные.

Питатели предназначены для подачи транспортируемого материала в материалопроводы нагнетающих пневмотранспортных установок. Общие требования для питателей следующие:

- равномерность и непрерывность  подачи транспортируемого материала в материалопровод  с требуемой производительностью;

- минимум утечки воздуха из  материалопровода через питатель  в атмосферу;

- простота устройства;

- надежность в эксплуатации;

- минимальный удельный расход  энергии на привод;

- минимальные габариты.

Разработаны и применяются три типа питателей: винтовые, шлюзовые и камерные. Кроме того, используют комбинированные питатели. Выбор питателя обусловлен физическими свойствами транспортируемого материала (размером частиц, абразивность частиц и др.), величиной избыточного давления в питателе, типом и параметрами работы применяемой воздуходувной машины (компрессор или ротационная воздуходувная машина), производственной площадью для установки питателя, необходимостью (возможностью) непрерывного или периодического транспортирования и др. [1], стр. 39 

1.2 Конструкции питателей

1.2.1 Пневмоприемник-тройник У2-БПА.

Изготавливают одного типоразмера массой 16,8 кг. Транспортируемый материал поступает в приемник через верхнее отверстие, а сжатый воздух – через сопло и канал вкладыша. Образовавшаяся в нижней части пневмоприемника-тройника аэросмесь под давлением сжатого воздуха поступает в материалопровод.

Аналогами данного приемника являются У2-БПГ и У2-БПБ, которые имеют некоторые конструктивные отличия, например, у приемника У2-БПГ приемный патрубок повернут относительно продольной оси. [1], стр. 77

1.2.2 Шлюзовый питатель М-122.

Применяют в пневмотранспортных установках для перемещения муки на хлебозаводах. Используют его и на зерноперерабатывающих предприятиях для подачи в материалопроводы муки, отрубей и рассыпных комбикормов.

Питатель приводится мотор-редуктором через вариатор скорости, позволяющий изменять частоту вращения ротора от 7 до 30 об/мин.

Шлюзовый питатель М-122 изготавливают в двух исполнениях: с установкой на опорной раме и в подвесном варианте для непосредственного соединения с бункером муки. [1], стр.55

Техническая характеристика

 Вместимость питателя, м3                                                           0,01

Диаметр ротора, мм                                                                      200

Длина ротора, мм                                                                          400 

Мощность электродвигателя, кВт                                               0,6 

Частота вращения ротора электродвигателя, об/мин               1460                          

 Диапазон регулирования скорости                                             2,74

Масса, кг                                                                                         400

1.2.3 Камерный питатель (рис.1).

Используют для подачи груза в материалопроводы пневмотранспортных установок.

Современные камерные питатели выпускаются, как правило, с автоматическим управлением, что позволяет увеличить производительность пневмоустановок.

К достоинствам камерных питателей относится: отсутствие движущихся рабочих органов для перемещения транспортируемого материала, малый расход энергии на транспортирование, минимальные утечки воздуха через питатель, что позволяет их успешно применять в высоконапорных пневмотранспортных системах.

Однако значительные габариты, сводообразование сыпучего материала в камерах, значительные затраты времени на заполнение камер питателя материалом, периодичность работы, которую полностью не удается избежать и в многокамерных питателях, ограничивают их использование в пневмоустановках.

1.2.4 Шлюзовый питатель У1-БШП.

Питатель (рис.2) приводится мотор-редуктором 2МЦ2С-80-45 через цепную передачу.

Техническая характеристика

Производительность по муке, объемной массой 500 кг/м3,

при давлении 80 кПа,т/ч                                                                   20

Полезный объем питателя, м3                                                      0,035

Мощность установленного электродвигателя, кВт                      1,1

Частота вращения выходного вала мотор-редуктора, об/мин     45

Частота вращения ротора, об/мин                                                   43

Газовое сопротивление, кПа, не более                                             6

Диаметр ротора, мм                                                                         360

Длина ротора, мм                                                                             380

Размер входного патрубка, мм                                                   250´300

Диаметр отверстия патрубков для поступления

воздуха и выхода аэросмеси, мм                                                   120

Масса, кг                                                                                          400

В качестве загрузочных устройств нагнетательных систем широкое применение нашли шлюзовые питатели. Они успешно применяются в легкой и пищевой промышленности,в горном деле, в строительстве, в сельском хозяйстве.

Шлюзовые питатели сравнительно просты, малогабаритны, имеют небольшую массу. Основное достоинство шлюзовых питателей – малый расход энергии на привод (0,3-1,0 кВт). Недостаток – большая утечка воздуха через неплотности и межлопастное пространство. Поэтому для улучшения герметизации шлюзовых питателей увеличивают жесткость конструкции, повышают точность обработки сопрягаемых поверхностей ротора и корпуса, что приводит к увеличению стоимости изготовления.

1.2.5 Эжекторный питатель

В эжекторных питателях сыпучий материал из загрузочной воронки (рис. 2) по криволинейному патрубку поступает в начальный участок транспортного трубопровода, где он подхватывается струей сжатого воздуха. Скорость истечения воздуха из форсунок в этой зоне весьма значительна и достигает нескольких сотен метров в секунду. Это необходимо для создания разряжения в смесительной камере.

Эжекторные питатели не имеют движущихся частей, отличаются исключительной простотой конструкции, но создают весьма низкий статический напор аэросмесей (5…20 кПа) даже при сравнительно большом давлении подводимого воздуха. Отсюда – малая дальность транспортирования. К тому же большая скорость воздуха и материала приводит к значительному износу и требует высокой точности при изготовлении "сопла".

1.2.6 Винтовой питатель

Для подачи в материалопровод муки и других мелкодисперсных неабразивных и нелипких материалов наибольшее распространение получили винтовые питатели  ПШМ конструкции ВНИИЗ (рис.4). На кафедре МАПП АлтГТУ был разработан винтовой питатель типа ПШС.

Винтовые питатели применяют для транспортирования муки на мельницах, хлебозаводах и других пищевых предприятиях. Они обеспечивают непрерывную и равномерную подачу транспортируемого материала, хорошую герметизацию, просты и надежны в эксплуатации. Недостаток их в большом удельном расходе энергии на привод. Серийно выпускают три типоразмера питателей, которые отличаются диаметром винта и соответственно другими размерами.

Питатель марки ПШС относится к винтовым питателям и наиболее близок по конструкции к разрабатываемому.

Рис. 4 – Схема винтового питателя

Сохраняя общие принципы винтового конвейера, питатели отличаются конструктивными особенностями. Одно из них заключаются в подаче воздуха. Применяются два способа подачи – рассеянную через пористую перегородку и струйную через сопла. На предприятиях по переработки зерна применяют питатели с рассеянным способом подачи воздуха.

Питатель типа ПШМ (рис.4) конструкции Всесоюзного научно-исследовательского института зерна (ВНИИЗ) состоит из кожуха 7, винта 6, узла подшипников, к которому относятся подшипник 5 и корпус 3подшипников, цилиндрической аэрокамеры, состоящей из верхней 9 и нижней части 12, разделенных пористой перегородкой 10, а также электродвигателя 1. Последний соединен с валом 4 винта эластичной муфтой. 2. Все узлы собраны на станине 13.

 Винт представляет собой стальной вал, к которому приварено пять витков, образующих винтовую поверхность. Шаг витков переменный. Шаг первых двух, заборных, равен 0,8D (D-диаметр витка), остальных, напорных, соответственно 0,7D, 0,6D и 0,5D. Вал винта опирается на подшипники 5, закрепленные в стальном корпусе 3, который вместе с подшипниками образует узел подшипников. Последний в сборе с винтом помещен в кожух 7. Длина винта меньше, чем длина кожуха вместе с патрубком 8 аэрокамеры. Поэтому между концом винта и аэрокамерой остается пространство, которое в процессе работы питателя заполняет транспортируемый материал, образующий так называемую пробку. Кожух питателя литой из чугуна или сварной из стальных труб. В его верхней части имеется отверстие для подачи транспортируемого материала. Аэрокамеру изготавливают из листовой стали или отливают из чугуна. Верхняя часть камеры патрубка 8 соединена с кожухом питателя, а нижняя  - патрубком 11 с воздуховодом сжатого воздуха. Пористой перегородкой служит обычно шести- или восьмислойная хлопчатобумажная лента (бельтинг). Она не прорезинена и поэтому обладает пористостью. Винт приводится во вращение электродвигателем с частотой вращения ротора 960-1440 об/мин.

Питатель работает следующим образом. Транспортируемый материал поступает в кожух и перемещается винтом в направлении аэрокамеры. Вследствие переменного шага витков происходит уплотнение материала в полости кожуха. На участке кожуха, не занятом винтом, материал образует пробку, которая выдавливается в аэрокамеру. Сжатый воздух поступает в нижнюю часть аэрокамеры, проходит через пористую перегородку в ее верхнюю часть и приводит находящийся здесь сыпучий материал в псевдоожиженное (аэрированное) состояние. Этому способствует поступление воздуха в материал в виде тонких струй, полученных при прохождении его через поры бельтинга. Винт выдавливает образовавшуюся в верхней части камеры аэросмесь в материалопровод. Герметизация питателя достигается благодаря быстрому вращению винта, уплотнению материала в напорных витках винта и наличию пробки.

Питатели марки ПШМ, изготавливаемые трех типоразмеров: ПШМ-1, ПШМ-2 и ПШМ-3, нашли широкое применение благодаря простой конструкции, способности обеспечивать непрерывную и равномерную подачу материала, что стабилизирует режим работы пневмотранспортных установок и повышает надежность в эксплуатации, а также сравнительно небольшим размерам и массе. В отличие от шлюзовых в винтовых питателях утечка воздуха не превышает 10-15 %, что достигается главным образом в результате образующейся пробки из материала на входе в аэрокамеру.

Однако винтовые питатели не рекомендуется применять при избыточном давлении в аэрокамере выше 1,4´105 Па, т. к. в противном случае герметизирующая пробка материала из-за высокого противодавления и возникающего вследствие этого большого скольжения материала по поверхности винта в противоположном направлении не будет выталкиваться шнеком в аэрокамеру. При этом возникает опасность переуплотнения материала и его самовозгорания.

Основной недостаток винтового питателя – высокий удельный расход энергии, затрачиваемой на перемещение и уплотнение материала винтом питателя. [3], стр. 204

Некоторые параметры питателей ПШМ приведены в таблице.

                                                                                          Таблица 2

Если в питатель попадают инородные тела, то они могут заклиниться между винтом и корпусом. Отчасти это предотвращается тем, что инородные тела могут попадать в углубленное пространство под винтом в месте загрузочной воронки, откуда они могут время от времени извлекаться через отверстие в корпусе. [2], стр. 178

У винтовых питателей сильно изнашивается винт, его концевая часть, втулка винта, обратный клапан и сопла. Поэтому на винт наваривают износостойкие материалы и обеспечивают легкую заменяемость  всех нагружаемых элементов питателя. Концевая часть винта делается съемной, так что ее можно заменять отдельно. От правильности зазора винта в винтовой коробке зависит хорошая герметичность и производительность питателя. Винтовая коробка имеет сменную втулку. Замена винта, его концевой части, а также клапана и втулки, производится через крышку в смесительной камере. Поэтому необходимо при конструировании питателя обеспечивать достаточное свободное пространство перед крышкой смесительной камеры. [2], стр. 179

 При испытании винтовых и  шлюзовых питателей следует в первую очередь проверить их крепление, уравновешенность, отсутствие посторонних шумов, частоту вращения ротора.

Желательно определить величину потери давления при прохождении воздуха через пористую перегородку аэрокамеры винтового питателя. Для этого измеряют перепад давления в нижней и верхней частях аэрокамеры и расход воздуха, проходящего через пористую перегородку. Величину расхода воздуха делят на площадь пористой перегородки и получают удельную нагрузку пористой перегородки.

Сопротивление пористой перегородки при фактической удельной нагрузке не должно быть больше величины, установленной для данного пористого материала.

Следует обратить внимание на наличие на приемном патрубке устройства для отвода утечки воздуха из питателя. Для этой цели можно использовать тканевый рукав, установленный на коробке над приемным патрубком, или соединить коробку с аспирационной установкой.

Для всех видов питателей важно установить исправность и точность работы дозирующего устройства, которое должно обеспечивать непрерывную подачу в питатель заданного количества транспортируемого материала в единицу времени. Простейший способ проверки заключается в том, что дозирующее устройство временно отключают от питателя и в течение некоторого времени собирают дозируемый материал в емкость (мешок, ящик). Определив затем массу материала, вычисляют производительность дозатора – она должна соответствовать проектной.

Если основные показатели работы установки (расход воздуха и давление, развиваемые воздуходувной машиной, мощность установленного электродвигателя винтового питателя и точность дозирования материала) соответствуют проектным, а неисправности, обнаруженные в отдельных элементах установки устранены, можно приступить к ее пуску и испытанию под нагрузкой.

1.3 Элементы теории

1.3.1 Расчет винтовых питателей

Основными показателями, определяющими работу винтового питателя, являются производительность, величина потери сжатого воздуха (утечка), мощность электродвигателя привода, или удельный расход энергии на привод, и аэродинамическое сопротивление. Эти показатели зависят от величины давления в аэрокамере, частоты вращения винта, а также от диаметра винта, числа и шага витков, величины зазора между винтом и кожухом, длины пробки, размеров аэрокамеры.

1.3.1.1 Производительность питателя.

  Как и производительность  горизонтального винтового конвейера, производительность питателя рассчитывают по формуле:

,                                                             (1)

где Fм – площадь поперечного сечения транспортируемого материала, м2;

r - объемная масса транспортируемого материала, т/м3;

υ – поступательная скорость транспортируемого материала, м/с.

Однако винтовой питатель подает материал в аэрокамеру с давлением воздуха больше атмосферного. Винт и транспортируемый материал находятся под воздействием избыточного давления воздуха, вследствие чего происходит относительное перемещение (скольжение) транспортируемого материала по поверхности винта в направлении, противоположном поступательному движению материала. В результате скольжения материала часть воздуха протекает из аэрокамеры через полость кожуха в атмосферу (утечка воздуха). Эти явления снижают производительность винтового питателя по сравнению с производительностью горизонтального винтового конвейера. Величину снижения можно определить применительно к данному материалу опытным путем.

Величину производительности винтовых питателей типа ПШМ при различных значениях избыточного давления в аэрокамере можно определить по формуле:

Она отличается от предыдущей сомножителем (100-k×p), который учитывает величину избыточного давления.

Формулы для определения производительности винтовых питателей ПШМ при транспортировании муки и значения коэффициентов приведены в таблице 3. Они учитывают свободную площадь сечения корпуса винтового питателя, коэффициент его заполнения, а также зависимость поступательной скорости материала от частоты вращения винта, шага и толщины заборных витков.

                                                                                                     Таблица 3

1.3.1.2 Утечка воздуха из питателя

Она зависит в основном от избыточного давления p в аэрокамере и диаметра D винта. Она возрастает при увеличении избыточного давления в аэрокамере и увеличении диаметра винта. Величину утечки воздуха q (м3/мин) можно определить по формуле:

q=0,5×p×D2 ,                                                                     (2)

где p – давление в аэрокамере, кПа;

D – диаметр винта, м.

При изменении частоты вращения винта в пределах от 950 до 1460 об/мин утечка воздуха практически имеет одну и ту же величину. В пределах точности опытов не обнаружено разницы в величине утечки воздуха в питателях с постоянным и переменным шагом винта.

Лишь при малых значениях производительности утечка воздуха из питателей с переменным шагом винта несколько меньше.

1.3.1.3 Мощность для привода питателя

Мощность для привода питателя зависит от числа витков, величины коэффициента уплотнения m, который представляет собой отношение шага заборного витка к шагу последнего напорного, относительной длины пробки l/D, диаметра винта D, частоты вращения винта n, а также избыточного давления в аэрокамере. Мощность, необходимая для привода питателя, возрастает при увеличении всех перечисленных показателей.

Винты питателей типа ПШМ имеют по два заборных и три напорных витка; коэффициент уплотнения m=0,8/0,5=1,6.

Мощность N практически не зависит от производительности винтового питателя. Это объясняется тем, что энергия электродвигателя расходуется в основном на преодоление сил трения транспортируемого материала о поверхность кожуха и винта, а также на преодоление противодавления в аэрокамере, которые практически не зависят от количества материала, перемещаемого винтом.

Определить мощность N (кВт) на валу винтового питателя типа ПШМ с переменным шагом винта при транспортировании муки можно по формуле:

N=3,3×10-3[0,27×(l/D)1.89+0,25]p1,32 D2×n+Nхх ,                             (3)

где  Nхх – мощность, необходимая для привода питателя на холостом ходу, кВт.

Величину Nхх (кВт) определяют по формуле:

Nхх=0,0035×D×n.                                                                            (4)

Из приведенных данных следует, что для снижения абсолютного и удельного расхода энергии необходимо использовать винтовые питатели с наименьшими возможными диаметром винта, частотой вращения винта и с переменным шагом витков (табл.4).

1.3.1.4 Аэродинамическое сопротивление питателя

Оно определяется величиной потери давления при прохождении воздуха через пористую перегородку и часть камеры до материалопровода. Сопротивление пористой перегородки находится в зависимости от удельной нагрузки, т.е. количества воздуха, приходящегося на единицу площади перегородки, и не зависят от количества транспортируемого материала, размеров аэрокамеры и диаметра, соединенного с камерой материалопровода. Сопротивление же остальной части камеры определяется последними тремя факторами. Поэтому сопротивление аэрокамеры питателя Hп следует определять как сумму сопротивлений пористой перегородки Hб и камеры, в которую подается винтом транспортируемый материал:

Hп=43,3 ,                                       (5)

где Qп – количество воздуха, поступающего в питатель, приведенное к нормальным условиям, м3/мин;

Dк – диаметр аэрокамеры, м;

Qм – количество воздуха, поступающего в материалопровод, приведенное к нормальным условиям, м3/мин;

d – диаметр материалопровода, присоединенного к камере, м.

Qм=Qп-q

Существенное значение для формирования пробки материала во входном патрубке имеет величина скорости воздуха в вертикальной цилиндрической части аэрокамеры.

Хорошая герметизация питателя, т. е. минимальная утечка воздуха из питателя достигается в случае заполнения транспортируемым материалом аэрокамеры и кожуха винта. Для этого необходимо, чтобы скорость фильтрации υф воздуха через слой материала была достаточной для приведения материала в псевдоожиженное состояние. Подача материала в материалопровод происходит вследствие механического воздействия винта, а его дальнейшее перемещение по материалопроводу – под воздействием воздушного потока при соответствующей скорости транспортирования.

Если это условие не соблюдается и скорость фильтрации воздуха через слой материала в аэрокамере превышает предельную величину υф, материал выносится из камеры воздушным потоком, пробка во входном патрубке не образуется, утечка воздуха возрастает и производительность питателя снижается.

Значение предельной скорости воздуха в аэрокамере, при которой не происходит разрушения пробки материала во входном патрубке аэрокамеры, может быть принято равным 0,5 м/с. Эта скорость рассчитана по свободному сечению цилиндрической части камеры.

Для определения скорости υф (м/с) воздуха в аэрокамере можно воспользоваться формулой:

,                                                                  (6)

где Fк – площадь поперечного сечения камеры, м2.

При чрезмерном поступлении воздуха в аэрокамеру, когда скорость его больше 0,5 м/с, требуется уменьшить подачу воздуха или увеличить площадь поперечного сечения аэрокамеры. Более простым и целесообразным способом уменьшения скорости фильтрации через слой материала является уменьшение количества поступающего воздуха.