Дозирование
 Скачать 5.11 Mb.
|
|
Рис. 5.43. Схема устройства для непрерывного дозирования сыпучих материалов На основе данной схемы была создана лабораторная установка и проведен ряд экспериментов. Сущность экспериментов заключается в следующем. Отдельные порции сыпучего материала равного веса ∆Р или равного объема ∆V через равные промежутки времени ∆Т подаются в верхнюю часть лотка, которая отгорожена от основного лотка подвижной перегородкой (поз. 5, 6). Численные значения ∆Р и ∆Т выбираются таким образом, чтобы выполнялось следующее равенство: Q з = ∆Р / ∆Т, (5.89) где Q з – заданная или требуемая производительность дозатора, г/с; ∆Р – вес отдельной порции, г; ∆Т – время, через которое отдельные порции подаются в лоток, с. Положение перегородки и ее верхней части 5 выбирается таким, чтобы объем отгораживаемой части лотка был равен объему одной порции. При попадании материала в верхнею часть лотка после загрузки первой порции показан на рис. 5.44 заштрихованной областью. Поскольку угол наклона лотка меньше коэффициента трения покоя сыпучего материала о поверхность лотка при неподвижном лотке, движение материала не происходит. При включении вибратора 3 происходит истечение сыпучего материала через щелевую прорезь между днищем лотка и пластиной 6 с дальнейшим движением частиц материала вдоль лотка и ссыпанием через узел 11. Интенсивность (ускорение и скорость) движения частиц при фиксированном угле наклона лотка к горизонту зависит от амплитуды и частоты колебаний, соотношения амплитуд колебаний на загрузочном и разгрузочном краях лотка, а также от направления колебаний, которое определяется положением вибратора 3 на основании 1 и конкретно углом α. Рис. 5.44. Распределение материала в загрузочном бункере лотка Величина щелевого зазора δ определяется экспериментально из выполнения следующего соотношения: ( q щ + ∆q щ ) ∆Т = ∆Р, (5.90) где q щ – средняя производительность щелевого зазора, т.е. количество материала, вытекающего через щелевой зазор при вибрации лотка, г/с; ∆q щ – максимальное отклонение производительности от ее среднего значения, г/с. Результаты экспериментального исследования показали, что даже для хорошо сыпучего материала (монодисперсный сухой речной песок) максимальное отклонение ∆q щ составляет не менее 1 % Для плохо сыпучих материалов погрешность может достигать 10 %. Выполнение равенства (5.90) гарантирует истечение материала через щелевой зазор в течение всего промежутка времени ∆Т. Если на промежутке времени ∆Т производительность щелевого зазора имела отклонение в минус, т.е. была равна q щ – ∆q щ , то к моменту подачи очередной порции некоторое количество сыпучего материала будет находиться в отгороженной части лотка, после подачи очередной порции поверхность материала будет находиться выше линии А В 7 δ ∆ l α л 3 12 1 11 9 8 4 10 5 6 2 14 13 α АВ (рис. 5.44). Этот материал будет пересыпаться через верхнюю часть перегородки 5 и подаваться на вибрирующий лоток. Таким образом, правильный выбор величины зазора δ позволит компенсировать отклонения в производительности по щелевому зазору. Результаты экспериментов также показали, что если амплитуды колебаний загрузочного и разгрузочного краев лотка равны, то наблюдается ускоренное движение частиц по лотку, материал при этом разрыхляется (расстояние между частицами увеличивается), что отрицательно сказывается на равномерности непрерывного дозирования. Если амплитуда колебаний линейно уменьшается от загрузочного к разгрузочному краю, то соответственно уменьшается ускорение движения частиц. При этом наблюдается уплотнение слоя и повышается равномерность непрерывного потока, ссыпающегося с лотка, т.е. повышается точность дозирования. На характер движения материала по лотку, в основном, влияют два параметра: угол наклона лотка к горизонту; соотношение амплитуд колебаний на загрузочном и разгрузочном краях. Для управления этими параметрами в устройстве предусмотрена возможность изменения расстояния от ссыпающего края лотка до шарнира 13 (l) за счет отверстий 14, а также возможность изменения направления колебаний за счет перемещения пластины 12, на которой крепится вибратор. Выбор диапазона возможного изменения угла вибрации α (рис. 5.43) обусловлен тем, что при α, равном углу наклона лотка к горизонту, направление колебаний, перпендикулярное к поверхности лотка, и сила вибрации не дают проекцию на направление движения частиц, а только уменьшают силу нормального давления частиц на поверхность и, следовательно, силу трения. Использование угла α < 0 нецелесообразно, поскольку возникают нежелательные силы воздействия на шарнир, а на частицы начинает действовать ярко выраженная сила от вибрации. При дозировании плохо сыпучего материала, а также материалов, форма частиц которых существенно отличается от шарообразной, наблюдалось образование пробок в щелевом зазоре. Чаще всего это происходило, когда в загрузочной части лотка находилось достаточно много материала, т.е. после загрузки очередной порции. Естественно, это отрицательно сказывается на точности непрерывного дозирования. Для устранения этого эффекта в течение времени ∆Т после подачи очередной порции направление вибрации плавно изменялось от α = 0 до α = α л (рис. 5.43). Проведенный ряд экспериментов показал, что плавное изменение угла наклона вибрации связано с определенной сложностью в управлении узлом перемещения 7 вибратора 3 относительно основания (рис. 5.43). Для упрощения конструкции направление вибрации в промежутке времени ∆Т менялось не плавно, а ступенчато. В течение времени ∆τ ≤ 0,1∆Т угол между направлением колебаний и вертикалью равен углу наклона лотка к горизонту, причем ступенчатые изменения колебаний осуществляют до момента подачи очередной порции. Таким образом, непосредственно после подачи очередной порции угол α < α л и указанные циркуляционные контуры существуют, исключая образование пробок. Перед подачей очередной порции за время ∆τ механизм 7 перемещает пластину 12 влево до момента, когда угол α будет равен α л . К этому моменту времени в загрузочной части лотка останется не более 10 % от общего объема порции и пробок при этом, как показали результаты экспериментов, практически не образуется. Рис. 5.45. Многоканальный лоток Как отмечалось ранее, скорость движения сыпучего материала по наклонному вибрирующему лотку уменьшается от загрузочного к разгрузочному краю. Частицы, движущиеся впереди, сдерживают задние и, наоборот, вышележащие подталкивают нижележащие. Таким образом, создаются условия для стабилизации насыпной плотности сыпучего материала. Разделение лотка на несколько ручьев позволило создать потоки практически толщиной в одну частицу. Идея такого разделения заключается в том, при своем выходе из загрузочного бункера через П-образную прорезь сыпучий материал попадает как бы в аккумуляционную зону, чему способствуют расположенные на разном расстоянии перегородки 15, 16, 17 и 18 (рис. 5.45). При установившемся режиме работы материал дозируется по трем каналам (рис. 5.46, а). В случае увеличения производительности по П-образной прорези происходит переполнение аккумуляционной зоны и начинается движение по четырем каналам (рис. 5.46, б). Однако после сброса излишек материала вновь начинают работать три канала (рис. 5.46, в). S п l 15 l 16 l 17 l 18 15 16 17 18 S V S I S III S II S IV а) б) в) Рис. 5.46. Движение материала по каналам Наличие П-образной прорези в нижней подвижной части перегородки с регулируемой высотой позволяет в широком диапазоне изменять количество материала, высыпающегося из загрузочной части лотка (верхняя часть лотка, отгороженная перегородкой) в единицу времени. Наличие подвижных пластин, установленных вдоль оси лотка, позволяет компенсировать возможные отклонения по производительности при истечение материала через П-образную прорезь, т.е. повысить равномерность потока и, следовательно, точность дозирования. 5.7. МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДОЗИРОВОЧНО-СМЕСИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов непрерывного дозирования и смешения под воздействием вибрации позволили разработать следующие рекомендации по выбору диапазонов возможных изменений основных режимных и конструктивных параметров: 1. Для обеспечения безотрывного движения сыпучего материала по наклонному лотку, который совершает колебания в направлении перпендикулярном к его поверхности, частота колебаний и амплитуда в зоне загрузки отдельной порции сыпучего материала должны определяться из следующего равенства: α = ω cos 0 2 g A L , (5.91) где α – угол наклона лотка к горизонту. При больших значениях L A 0 2 ω начинается движение частиц с отрывом от лотка, что отрицательно влияет на точность дозирования. Меньшие значения L A 0 2 ω снижают интенсивность процесса преобразования отдельной порции в непрерывный поток. Это было экспериментально подтверждено. В частности, при использованной нами частоте колебаний = ω 100 с –1 амплитуда была порядка = L A 0 1 мм. 2. Угол наклона лотка к горизонту выбирается из следующего условия: дв тр. ) 5 , 0 3 , 0 ( α = α , (5.92) где дв тр. α – угол трения движения. При значениях дв тр. 3 , 0 α < α порция материала слишком медленно перемещается от загрузочного к разгрузочному краю, а при дв тр. 5 , 0 α > α наблюдаются неконтролируемые обрушения конгломератов частиц, что отрицательно влияет на точность непрерывного дозирования. 3. Рабочая длина лотка выбирается из следующего неравенства: C р L L K L T ) 1 ( 2 3 0 − ≤ ≤ , (5.93) где 2 0 T – полупериод синусоиды, описывающей открытую поверхность порции сыпучего материала; p K – параметр математической модели, определяющий минимальное значение амплитуды колебаний, при котором сыпучий материал начинает движение вдоль лотка; C L – расстояние от загрузочного края лотка до шарнира. Экспериментально установлено, что при значениях 2 3 0 Т L C ≤ даже при малых углах наклона лотка к горизонту не происходит уменьшение амплитуды данной полуволны, необходимой для создания равномерного непрерывного потока материала при ссыпании с лотка. При значениях C р L L K L ) 1 ( − > амплитуда на ссыпающем краю будет недостаточной для движения частиц, будет наблюдаться накопление сыпучего материала на разгрузочном краю, поскольку α < ω + α cos sin 0 2 mg A mK mg р , и, следовательно, на ссыпающем краю лотка частицы не будут двигаться вдоль лотка. 4. Начальная ширина лотков выбирается из условия равенства полупериодов синусоид, ограничивающих порцию сыпучих материалов после подачи их в лоток, и определяется по следующей зависимости: 1 1 1 tg tg ϕ ϕ = i i i C C b b , (5.94) где 1 b – ширина лотка дозатора ключевого компонента; 1 C – концентрация ключевого компонента в готовой смеси; 1 ϕ – угол трения движения ключевого компонента; i C и i ϕ – соответственно концентрация и угол трения движения i-го компонента. В качестве ключевого компонента выбирается компонент, имеющий меньшую концентрацию в готовой смеси. Предлагается следующая стратегия расчета и оптимизации основных режимных и геометрических параметров смесительной вибрационной установки. С учетом рекомендаций (п. 1 – 3) выбираются амплитуда колебаний лотка 1 0L A , частота колебаний 1 ω , угол наклона лотка к горизонту 1 α , длины 1 L L и 1 C L вибрационного преобразователя для ключевого компонента. Режимные параметры 1 Р ∆ и 1 Т ∆ выбираются из условия: 1 1 1 QC Т Р = ∆ ∆ , (5.95) где Q – заданная массовая производительность смесителя по готовой смеси. Ширина лотка по ключевому компоненту 1 b выбирается исходя из неравенства 1 1 20d b ≥ , (5.96) где 1 d – диаметр частиц ключевого компонента. Данное условие обеспечивает свободное движение частиц материала по лотку при незначительном влиянии пристенных эффектов. С использованием вибрационного короба (рис. 5.16) по результатам экспериментов определяли параметры зависимости (5.34). Далее по результатам экспериментальных исследований движения порции сыпучего материала по наклонному вибрирующему лотку при фиксированном угле наклона его к горизонту определяли параметры математической модели. И далее методом последовательных приближений, варьируя параметрами 1 Р ∆ , 1 Т ∆ и 1 α , определяли такое сочетание данных параметров, при котором коэффициент вариации непрерывного потока на выходе из дозатора минимален. Для остальных компонентов смеси проводились аналогичные исследования и расчеты при условии, что ширина лотка выбирается с учетом п. 4 рекомендаций. Варьируемые параметры изменяются таким образом, чтобы интервал времени между началом ссыпания порции с лотка и завершением ссыпания для всех компонентов был одинаковым. Если по i-у компоненту указанный интервал меньше, чем по ключевому компоненту, то необходимо либо увеличить полупериод в момент загрузки порции i-го компонента за счет уменьшения ширины лотка i b , либо увеличить время пребывания порции i-го компонента на вибрирующем лотке за счет уменьшения угла наклона лотка к горизонту. После выполнения указанных условий рассчитываются оптимальные размеры смесительной ячейки и времени смешения. Общий алгоритм определения и оптимизации основных режимных и конструктивных параметров представлен на рис. 5.47. Рис. 5.47. Алгорим расчета конструкционных и режимных параметров вибрационно-смесительной установки Необходимые исходные данные для расчета: 1. Q N – производительность смесителя, г/с; 2. C 1 , C 2 , …, C N – требуемые концентрации в смеси, %; 3. α тр. дв i – угол трения движения сыпучего материала i-го компонента, рад; 4. ρ i – насыпная плотность i-го компонента, г/м 3 ; 5. d i – диаметр частиц i-го компонента, м; 6. K Pi – коэффициент пропорциональности i-го компонента; 7. P 0i, j – вероятность перехода i-го компонента в ячейку, содержащую только компонент j; 8. β i – коэффициент затухания i-го компонента; НАЧАЛО Ввод исходных данных Расчет начальных параметров процесса дозирования Расчет точности дозирования V CF, j < V CFN, j–1 Корректировка начальных параметров j = j + 1 k < m k = k + 1 i = i + 1 i ≤ N Расчет начальных параметров смесителя Расчет коэффициента неоднородности V Cj < V CN t c = t c + ∆t Результаты расчета КОНЕЦ нет нет нет нет да да да да 9. < V 0 > – средняя начальная скорость движения центра тяжести порции сыпучего материала i-го компонента, м/с. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Пат. 2138783 Российская Федерация, С1, МКИ 6 G 01 F 11/00. Способ непрерывного дозирования сыпучих материалов / В.Ф. Першин, С.В. Барышникова ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. – № 98110906/28 ; заявл. 02.06.98 ; опубл. 27.09.99, Бюл. № 27. 2. Пат. 2251083 Российская Федерация, С2, МКИ G 01 F 11/00. Способ непрерывного дозирования сыпучих материалов и устройство для его осуществления / В.Ф. Першин, С.В. Барышникова, Д.К. Калягин, А.А. Осипов ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. – № 2003109774/28 ; заявл. 07.04.03 ; опубл. 27.04.05, Бюл. № 12. 3. Першин, В.Ф. Моделирование процесса преобразования отдельных порций сыпучего материала в непрерывный поток / В.Ф. Першин, С.В. Барышникова, А.Г. Ткачев // Динамика процессов и аппаратов химической технологии : тез. докл. IV Всерос. науч. конф. – Ярославль, 1994. – Т. 1. – С. 68. 4. Дозатор ДВА-1. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://my.elvisti.com/tkm/oborud/d01_a1.html, свободный. 5. Весовой дозатор MicroBatch MB2, Gain-in-weight batching. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.brabender technologic.com// mainpage/english/products/batch/micbatch.htm, свободный. 6. Дозатор весовой автоматический ДВП-3 со шнеком. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://avein.ru/catalog/prd4.php, свободный. 7. Першин, В.Ф. Экспериментальные исследования динамики процесса дозирования сыпучих материалов в трубчатом питателе / В.Ф. Першин, С.В. Барышникова, Е.В. Маликова // Динамика процессов и аппаратов химической технологии : тез докл. IV Всерос. науч. конф. – Ярославль, 1994. – Т. 1. – С. 229. 8. Barishnikova, S. The application of two-state technology for feeding particulate solids / S. Barishnikova, V. Pershin, A. Tkachev // Summaries of 12-th International Congress of Chemical and Process Engineering. – Praha, Czeh Repuplic, 1996. – V. 6. – P. 73. 9. Конструирование и расчет машин химических производств : учеб. для вузов / Ю.И. Гусев [и др.] ; под ред. Э.Э. Кольман-Иванова. – М. : Машиностроение, 1985. – 408 с. 10. Репкин, Ю.А. Трубчатые устройства для подачи и дозирования сыпучих материалов / Ю.А. Репкин // Разработка, исследование оборудования для получения гранулированных материалов : сб. тр. – М. : МИХМ, 1985. – С. 52 – 57. 11. Движение сыпучего материала на вибрирующей пластине / Б.А. Барк, С.В. Барышникова, Д.К. Каляпин, В.Ф. Першин // IV науч. конф. : краткие тезисы докл. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. – С. 121–122. 12. Барышникова, С.В. Модернизация шнекового питателя для непрерывного дозирования сыпучих материалов / С.В. Барышникова, Д.В. Филимонов // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. – Вып. 13. – С. 17 – 20. 13. Гусев, Ю.И. Гранулирование мелкодисперсных материалов в грануляторе барабанного типа : дис. ... канд. техн. наук / Ю.И. Гусев. – М., 1967. – 135 с. 14. Першин, В.Ф. Методы расчета и новые конструкции машин барабанного типа для переработки сыпучих материалов : дис. ... д-ра техн. наук / В.Ф. Першин. – М., 1994. – 428 с. 15. Трофимов, А.В. Исследование движения сыпучих материалов во вращающихся барабанах без внутренних устройств : дис. ... канд. техн. наук / А.В. Трофимов. – М., 1973. – 140 с. 16. Рассказов, Н.И. Движение сыпучего материала во вращающейся трубе распределителя порций / Н.И. Рассказов, Ю.А. Репкин, В.Ф. Удальцов // Химическое машиностроение. – М., 1978. – Вып. 9. – С. 145 – 161. 17. Першин, В.Ф. Энергетический метод описания движения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося цилиндра / В.Ф. Першин // Теоретические основы химической технологии. – 1988. – Т. XXII. – № 2. – С. 255 – 260. 18. Першин, В.Ф. Расчет распределения сыпучего материала в гладком вращающемся барабане / В.Ф. Першин // Химическое и нефтяное машиностроение. – 1988. – № 6. – С. 8–9. 19. Першин, В.Ф. Расчет параметров движения сыпучих материалов во вращающихся гладких барабанах / В.Ф. Першин // Химическое и нефтяное машиностроение. – 1986. – № 12. – С. 15–16. 20. Першин, В.Ф. Использование энергетического подхода при определении режимов движения сыпучего материала во вращающемся барабане / В.Ф. Першин, Г.А. Минаев // Теоретические основы химической технологии. – 1989. – Т. XXIII. – № 5. – С. 659 – 662. 21. Вишняков, Г.В. К расчету расходных характеристик трубчатого питателя / Г.В. Вишняков, Ю.А. Репкин // Разработка, исследование и расчет машин и аппаратов химических производств. – М., 1984. – С. 85 – 94. 22. Осецкий, В.М. Движение материала во вращающейся трубе с горизонтальной и наклонной осью / В.М. Осецкий // Сб. научных трудов МГУ, 1939. – Вып. 4. – С. 295 – 311. 23. Осецкий, В.М. Движение сыпучего материала во вращающемся барабане при малых угловых скоростях / В.М. Осецкий // Сб. научных трудов МГУ, 1937. – Вып. 3. – С. 245 – 274. 24. Das Gupta, S. Axial transport of granular solids in horizontal rotating cylinders. Part 1: Theory / S. Das Gupta, D.V. Khakhar, S.K. Bhatia // Powder Technology, 67. – 1991. – Р. 145 – 151. 25. Rao, S.J. Axial transport of granular solids in rotating cylinders Part 2: Experiments in a non-flow system / S.J. Rao, S.K. Bhatia, D.V. Khakhar // Powder Technology, 67. – 1991. – Р. 155 – 162. 26. Квасова, А.Г. Движение фронта сыпучего материала во вращающемся трубчатом дозаторе / А.Г. Квасова, Ю.И. Гусев // Разработка, исследование оборудования для получения гранулированных материалов. – М., 1985. – С. 58 – 62. 27. Барышникова, С.В. Разработка новых конструкций и методов расчета устройств для непрерывного дозирования сыпучих материалов : дис. ... канд. техн. наук / С.В. Барышникова. – Тамбов, 1999. – 171 с. 28. Vibrofeeding of bulk solids: theory and experiment / S. Barishnikova, V. Pershin, D. Kalypin, S. Egorov // Summaries of 12-th International Congress of Chemical and Process Engineering. – Praha, Czeh Repuplic, 1996. – Vol. 6. – P. 45. 29. Кафаров, В.В. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии / В.В. Кафаров, И.Н. Дороховов. – М. : Наука, 1976. – 500 с. 30. Кафаров, В.В. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения и смешения сыпучих материалов / В.В. Кафаров, И.Н. Дорохов, С.Ю. Арутюнов. – М., 1985. – 440 с. 31. Осипов, А.А. Разработка, исследование и расчет вибрационной установки для приготовления многокомпонентных смесей : дис. … канд. техн. наук / А.А. Осипов. – Тамбов, 2004. – 211 с. 32. Каляпин, Д.К. Совершенствование технологии двухстадийного дозирования сыпучих материалов / Д.К. Каляпин, А.А. Осипов, С.В. Барышникова // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. – Вып. 13. – С. 46 – 49. 33. Осипов, А.А. Математическое описание движения сыпучего материала на наклонном вибрирующем лотке / А.А. Осипов, С.В. Першина // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. – Тамбов : Изд- во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. – Вып. 15. – С. 45 – 49. 34. Филимонов, Д.В. Использование двухстадийной технологии для дозирования плохосыпучих материалов / Д.В. Филимонов, С.В. Барышникова // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001. – Вып. 8. – С. 73 – 77. 35. Филимонов, Д.В. Расчет производительности шнековых и спиральных питателей / Д.В. Филимонов, С.В. Першина // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун- та, 2004. – Вып. 15. – С. 64 – 68. 36. Пат. 2242273 Российская Федерация, С1, МКИ 7 В 01 F 3/18. Способ приготовления многокомпонентных смесей и устройство для его реализации / Першин В.Ф., Барышникова С.В., Калягин Д.К., Осипов А.А. ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. – № 2003113033/15 ; заявл. 05.05.03 ; опубл. 20.12.04, Бюл. № 35. |