Совершенствование конструкций аэрационных устройств пневмокамерных насосов

РЕФЕРАТ. Описана новая конструкция аэрационного устройства для пневмокамерных насосов (ПКН), предназначенных для работы в составе линий пневмотранспортировки мелкозернистых сыпучих материалов, которая отличается от известных большей простотой. В предлагаемой конструкции существенно увеличено число аэроэлементов, равномерно расположенных по всему поперечному сечению камеры и имеющих определенные углы изгиба и поворота. В результате более тесного расположения сопел снижается объем располагающихся между ними застойных зон и повышается однородность распределения цемента в аэрируемой зоне. Использование данного устройства позволяет повысить эффективность работы ПКН, а также сократить удельный расход сжатого воздуха.

Ключевые слова: пневмотранспорт, пневмокамерный насос, оптимизация.

Keywords: pneumatic conveying, pneumatic chamber pump, optimization.

Введение

Высоконапорный пневматический транс­порт нашел применение на предприятиях строительной, огнеупорной, химической и других отраслей промышленности. Он широко используется для транспортирования мелкозернистых сыпучих материалов, таких как цемент, глинозем, сода, апатиты, зола, глина, синтетические порошки, минеральные удобрения.

Пневмотранспортирование имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными средствами транспортировки сыпучих материалов, к которым относятся:

⋅ большая высота подъема и дальность перемещения (до 3000 м);

⋅ возможность использовать площади, не пригодные для размещения транспортеров других видов;

⋅ полное отсутствие остатков и потерь перемещаемого продукта в трубопрово­дах;

⋅ исключение нарушений технологических и гигиенических режимов воздушной среды в производственных помещениях в связи с отсутствием пыления;

⋅ компактность оборудования;

⋅ легкость его монтажа;

⋅ возможность полностью автоматизировать управ­ление работой оборудования.

Вместе с тем пневмотранспортирование характеризуется значительным удельным расходом сжатого воздуха. Так, для некоторых материалов он может достигать 250 м3 на 1 т [1—4].

При пневмотранспортировке материал перемещается за счет действия на него сжатого воздуха, однако при этом, как правило, в перемещаемом слое возникают сквозные каналы, что влечет за собой повышенный расход сжатого воздуха, а часть невыгруженного материала остается на дне камеры насоса, что снижает производительность транспортной системы. Для повышения эффективности транспортировки необходимо организовать эффективное псевдоожижение транс­портируемого материала, т. е. его равномерное смешивание с воздухом.

Псевдоожижение — ​это переходное состояние между неподвижным слоем сыпучего материала и уносом материала потоком сжатого воздуха, которое реализуется в определенном диапазоне скоростей протекания воздуха через слой материала, зависящем от конструкции аэрирующих устройств. Отметим, что увеличение концентрации цемент­но-воздушной смеси ведет к росту производительности пневмокамерного насоса (ПКН).

Ввиду того, что при использовании некоторых псевдоожижающих устройств в слое материала могут образовываться сквозные каналы, а также с учетом больших объемов транспортируемого материала актуальной задачей является повышение эффективно­с­ти работы ПКН и снижение расхода сжатого воздуха, необходимого для транспортировки сыпучих материалов.

ПКН: существующие решения

ПКН служат для введения порошкооб­разных и мелкозернистых сыпучих материалов в трубопровод пневмотранспортных установок нагнетательного типа.

Существует множество конструкций ПКН, различающихся в основном системой псевдоожижения, системой подачи сжатого воздуха в камеру насоса, конструкциями аэрационных устройств [5—7].

В зависимости от расположения камеры ПКН бывают с вертикальными, горизонтальными или наклонными камерами, однако широкое распространение получили именно вертикальные ПКН, характеризующиеся лучшими условиями истечения материала, а следовательно, более равномерной разгрузкой камеры [5, 6, 8].

ПКН с верхней разгрузкой материала и аэра­ционным устройством (рис. 1) включает в себя металлический резервуар 3, верхняя часть которого выполнена в виде полусферы, а нижняя — ​в виде полусферического днища 7. Загрузочный патрубок 4 закрывается коническим клапаном 5 [6].


Рис. 1. Пневмокамерный насос с верхней разгрузкой материала и аэрационным устройством: 1 — ​аэрационное устройство, 2 — ​разгрузочная труба, 3 — ​камера насоса, 4 — ​загрузочный патрубок, 5 — ​клапан, 6 — ​патрубок подачи воздуха, 7 — ​днище, 8 — ​форсунка

Разгрузочная труба 2 с телескопической насадкой опущена внутрь камеры насоса. Насадка позволяет изменять расстояние от днища камеры до разгрузочной трубы. Аэрацион­ное устройство 1 в днище камеры может состоять из пористого материала или из перфорированных труб. Сжатый воздух подается по трубопроводу в форсунку 8, днище 7 и верх­нюю часть камеры через патрубок 6.

Насос работает в периодическом режиме. Открывается загрузочный патрубок, и камера заполняется транспортируемым материалом до определенного уровня. Затем загрузочное отверстие герметически закрывается клапаном и открывается кран подачи сжатого воздуха в пространство между пористой перегородкой и днищем камеры. Воздух проникает через пористую перегородку в камеру и приводит материал в псевдоожиженное состояние, после чего камера разгружается через разгрузочную трубу. После опорожнения камеры подача воздуха прекращается, и цикл работы повторяется.

ПКН с верхней разгрузкой транспортируе­мого материала менее требовательны к его характеристикам и могут перемещать материалы с более широким гранулометрическим составом [5].

Значительную роль в псевдоожижении материала играют аэрационные устрой­ства, которые бывают самых разнообразных видов.

Аэрационное устройство должно предупреждать сводообразование в нижней части камеры, а также обеспечивать непрерывность и плавность подтекания материала к входному отверстию транспортного трубопровода и опорожнение камеры без остатка или с минимальным остатком [9].

Ряд авторов [6, 9, 10] утверждают в своих работах, что лучшими псевдоожижающими свойствами обладают аэрационные устрой­ства, имеющие плоские аэрационные элементы с пористыми перегородками (рис. 2), главное преимущество которых состоит в том, что при их использовании создается равномерный псевдоожиженный слой. Для изготовления пористых разделительных перегородок аэрационных устройств применяют технический войлок, стекло­ткани, полистирол, однако их существенный недостаток — возможность забивания пор, особенно при повышенном количестве влаги в материале. Также на практике приме­няются керамические перегородки, которые имеют хорошие анти­коррозионные свой­ства и способны работать в условиях высоких температур, но быстро выходят из строя при резких температурных перепадах. Металлические перегородки лишены указанных выше недостатков, но подвержены коррозии. В целом забиваться могут поры и сопла любых газораспределительных решеток, что может привести к полному закупориванию час­ти отверстий и, как след­ствие, к уменьшению площади живого сечения перегородки, а значит, к ухудшению псевдоожижения материала.


Рис. 2. Типы газораспределительных пористых перегородок: а—г — перфорированные пластины: а —​ одинарная; б — ​одинарная спаренная; в — ​одинарная вогнутая; г — ​одинарная выпуклая; д — ​многослойная неподвижная засыпка; е — ​колосниковая решетка; ж — ​сопла; з — ​колпачки; и — ​многослойные фильтры; к — ​трубчатая решетка; л, м — ​безрешеточные конструкции с боковыми смесительными соплами

Исследования, проведенные с целью выявить лучшую конструкцию аэрационного устройства, показали, что на псевдоожижение и расход сжатого воздуха практически не влияют конструкции в виде пористой перегородки, а также с соплами. Следовательно, наиболее рационально применять сопловые аэрационные устройства (рис. 3), которые проще в изготовлении, удобнее при монтаже и не забиваются материалом (если сопла направлены вниз).


Рис. 3. Схема аэрационного устройства в виде аэрокольца с соплами

При псевдоожижении цемента с помощью пористых перегородок, а также сопловых аэрационных устройств могут возникать некоторые явления, негативно влияющие на транспортирование: увеличивается расход сжатого воздуха, поскольку он проходит через так называемые поровые или сквозные каналы, не контактируя в достаточной мере с транспортируемым материалом и, соответственно, не смешиваясь с ним и не создавая в этой области кипящего слоя. Причиной образования таких каналов может быть повышение насыпной плотности цемента, например, из-за его агре­гирования. Кроме того, к отрицательным факторам относятся закупоривание сопел и пор, а также возникновение значительных зарядов статического электричества. Еще одним негативным явлением становится продвижение материала в разгрузочной трубе отдельными порциями, что может привести к зарастанию транспортирующего трубопровода.

Если скорость сжатого воздуха, проходящего через слой материала, неодинакова в разных точках, то состояние псевдоожиженного слоя также зависит от скорос­ти локального потока. Для эффективного псевдоожижения с оптимальным расходом сжатого воздуха скорость потока проходящего через материал воздуха должна быть постоянной по всей аэрируемой площади.

Все перечисленные недостатки можно устранить путем рационального подбора аэра­ционного устройства для определенного вида транспортируемого материала. В частности, для цемента с характерными для него физико-механическими свойствами псевдоожижение с помощью пористых перегородок затруднительно. Применение сопловых устройств с малым гидравлическим сопротивлением не всегда оказывает требуемое воздействие на цемент, что может привести к увеличению расхода сжатого воздуха. Поэто­му для эффективной работы пневмокамерных насосов с пониженным расходом сжатого воздуха необходимо применять рациональную конструкцию аэрацион­ных устройств.

Оптимизация аэрационного устройства

Чтобы решить задачу сокращения расхода сжатого воздуха на транспортирование цемента, была разработана новая конструкция аэрационного устройства ПКН, на которую получен патент РФ № 153059, МПК B 65G53/40 [11]. 

Предлагаемое ус­тройство имеет ряд особенностей, повышающих его эффективность по сравнению с другими применяемыми сегодня мультисопловыми системами. Прежде всего существенно увеличено число аэроэлементов, равномерно расположенных по всему поперечному сечению камеры и имеющих определенные углы изгиба и поворота (рис. 5). В результате более тесного расположения сопел сни­жается объем располагаю­щихся между ними застойных зон и повы­шается однородность распределения цемента в аэри­руемой зоне.


Рис. 5. Мультисопловое аэрационное устройство: а — ​вид снизу; б — ​сечение сопла; в — ​3D‑модель

Предлагаемая конструкция ПКН (рис. 4) включает в себя камеру 1 с находящимися в верхней части загрузочным клапаном 5 для подачи подлежащего транспортировке материала и патрубком 6 для выпуска сжатого воздуха. Внизу камеры насоса размещено мультисопловое аэрационное устройство 3, представляющее собой трубы, выполненные по концентрическим окружностям. В нижней части труб вварены сопла, направленные в сторону днища. Выходные концы последних имеют угол изгиба 50—70° относительно сво ей вертикальной оси и угол поворота 20—25° относительно радиуса, мысленно проведенного через ось сопла из центра аэрационного устройства.


Рис. 4. ПКН с мультисопловым аэрационным устройством: 1 — ​камера насоса, 2 — ​разгрузочная труба, 3 — ​мультисопловое аэрационное устройство, 4 — ​центральное сопло, 5 — ​загрузочный клапан, 6 — ​патрубок выпуска сжатого воздуха

В центре камеры насоса находится вертикальная разгрузочная труба 2, в нижней части оснащенная конфузором. В центре днища камеры расположено центральное сопло 4, необходимое для увеличения скорости цемент­но-воздушной смеси в разгрузочной трубе. Внутрь верхней части камеры вварен патрубок (на рис. 4 не показан) для подачи сжатого воздуха выше слоя загруженного материала.

Сопла аэрационного устройства ориентированы так, чтобы скорость истекающих струй имела две составляющие, одна из которых направлена вниз, а вторая — ​по касательным к аэрокольцам. Это позволяет создать в нижней части камеры насоса сужаю­щееся ко входу в разгрузочную трубу вихреобразное поле, препятствующее образованию сквозных каналов в слое материала. Истекающие из сопел струи воздуха обусловливают интенсивное смешение цемента с транспортным воздухом и взмучивание слоя цемента.

Принцип работы рассматриваемого ПКН заключается в следующем. Цемент подается в камеру 1 через загрузочный клапан 5, который герметизирует камеру после окончания загрузки. При открытом загрузочном клапане открыт патрубок выпуска воздуха 6. Когда камера заполнена материалом до заданного уровня, закры­ваются загрузочный клапан и клапан выпуска воздуха. Включается подача сжатого воздуха в трубопроводы, ведущие к аэрационному устрой­ству 3, соплу 4 и в патрубок подачи воздуха в камеру насоса над слоем материала, необходимый для создания дополнительного давления, способствующего лучшему продвижению транспортируемого материала к зоне вы­грузки (на рис. 5 не показан). Выходящий из сопел аэрацион­ного устройства сжатый воздух создает псевдо­ожиженный слой материала. Кроме того, за счет конструктивного расположения сопел создается вихреобразное поле пылевоздушной массы, которое перемещает материал от стенок камеры насоса ко входу в разгрузочную трубу 2. Одно­временно сжатый воздух из патрубка подачи воздуха давит на поверхность материала сверху, продвигая его в нижнюю часть камеры насоса и тем самым ускоряя разгрузку. При полной разгрузке цемента из камеры насоса открывается клапан спус­ка воздуха 6, оставшегося внутри насоса, а затем — загрузочный клапан 5. Далее цикл загрузки и разгрузки камеры насоса повто­ряется.

Таким образом, за счет определенного расположения сопел аэрационного устрой­ства улучшается псевдоожижение материала и образуется однородный псевдо­ожиженный слой, в котором нет не заполненных материа­лом каналов, у входа в разгрузочную трубу, что обеспечивает сокращение расхода сжатого воздуха и повышение производительности ПКН.

Это подтверждается результатами ими­тационного моделирования создания псевдо­ожиженного слоя в зависимости от формы и расположения сопел (рис. 6) с использованием программного продукта Solid Works.


Рис. 6. Результаты имитационного моделирования создания псевдоожиженного слоя в зависимости от формы и расположения сопел: а — ​прямые сопла, б — ​сопла с поворотами и изгибами

На рис. 6, а, видно, что струя воздуха, выходящая из сопла, стремится к разгрузочной трубе практически по прямой траектории, и только у входа в эту трубу за счет встречи потоков воздуха, выходящих из соседних сопел, создается псевдоожиженный слой, в котором воздух активно смеши­вается с цементом. Однако при этом могут образовываться поровые каналы, через которые воздух проходит свободно, не воздействуя на цемент, из-за чего снижается эффективность псевдо­ожижения. Вместе с тем у днища камеры насоса возникают так называемые мертвые зоны, в которых струи воздуха практически не оказывают полезного воздействия на загруженный материал, что влечет за собой увеличение времени разгрузки и расхода сжатого воздуха.

На рис. 6, б, хорошо просматриваются потоки, которые создаются струями воздуха, выходящими из повернутых и изогнутых под указанными выше углами сопел. Видно, что потоки воздуха активнее действуют на цемент в зоне подачи воздуха из сопел, наиболее удаленных от разгрузочной трубы, а также у днища камеры насоса. У днища камеры ближе к центру создается вихревое поле, которое эффективнее воздействует на материал и препятствует образованию сквозных каналов, из-за чего повышается однородность распределения цемента в псевдоожиженном слое. За счет действия направленных вниз и по касательной составляю­щих скорости струи устраняются застойные зоны и поровые каналы, благодаря чему существенно снижается расход сжатого воздуха. При этом создаваемая зона псевдо­ожижения (рис. 6, б) имеет бóльшие размеры, чем при использовании прямых сопел (рис. 6, а), что облегчает вовлечение цементно-воздушной смеси в разгрузочную трубу и сокращает время разгрузки камеры насоса.

Методика расчета ПКН с аэрационным устройством

На основании проведенных нами экспериментальных исследований была разработана методика расчета конструктивных парамет­ров ПКН.

Исходными данными для расчета яв­ляются: 

⋅ производительность насоса Gy

⋅ давление в камере насоса P,

⋅ скорость входа аэро­смеси в разгрузочную трубу Uвх.

1. Диаметр камеры насоса Dk находим из выражения

  

где ρ0 — ​плотность воздуха (1,2 кг/м3); D — диаметр разгрузочной трубы, м.

Необходимо определить все геометрические параметры мультисоплового аэрационного устройства (МАУ): диаметр сопел D0, шаг между осями кольцевых труб hос, шаг сопел hr, а также число кольцевых труб nr и диаметр концентрических труб аэрацион­ного устройства Dтр.

2. Диаметр разгрузочной трубы D определяется из соотношения

    

3. Наибольший диаметр одной из концентрических труб МАУ определяется из вы­ражения


Требуемое число концентрических труб и их диаметр необходимо рассчитывать пос­ле определения шага между осями труб по формуле (7).

4. Диаметр сопел D0 МАУ вычисляется по формуле


5. При выходе струи воздуха из соп­ла в слое материала струя (факел) имеет форму конуса (рис. 7). Ее размеры зависят от диамет­ра сопла и давления, создавае­мого в трубах МАУ. Стандартное значение давления в камере насоса и в аэрационном устройстве равно 1,5 атм. Тогда диаметр основания конуса, образую­щегося при выходе струи из сопла, составляет 3D0.


Рис. 7. Факел, образующийся при выходе струи воздуха из сопла

Длина струи lстр определяется из соотношения

    

6. С учетом того, что угол изгиба сопел МАУ относительно своей вертикальной оси равен 50—70°, а угол их поворота относительно радиуса, проведенного через ось сопла из центра аэрационного устройства, равен 20—25°, оптимальная толщина псевдоожиженного слоя будет формироваться при шаге сопел (расстоянии между точками вварки сопел в кольцевую трубу по ее окружности), рассчитываемом по фор­муле

      

7. Шаг между осями труб МАУ (расстоя­ние между осями соседних окружностей в поперечном сечении камеры насоса) опреде­ляется с помощью выражения


8. Уравнение, позволяющее определить необходимое число кольцевых труб МАУ nr имеет вид:


Разрешив уравнение (8) относительно nr, получим формулу для определения числа кольцевых труб:

       

9. Высота камеры насоса Нk вычисляется в зависимости от объема загружаемого в камеру материала. На практике принято придерживаться следующего соотношения:

                  

Определив число кольцевых труб, а также зная шаг сопел, можно рассчитать общее чис­ло сопел МАУ.

Вывод

Предлагаемая конструкция мультисоплового устройства характеризуется большей простотой в сравнении с известными аэра­ционными устройствами и обеспечивает эффективную аэрацию цемента в разгрузочной части камеры насоса, что позволяет сократить время разгрузки камеры и снизить удельный расход сжатого воздуха.



ЛИТЕРАТУРА

1. Евтюков С.А., Шапуно М.М. Пневмотранспортное оборудование в строительной индустрии и строительстве. СПб.: ДНК, 2005. 360 с.

2. Калинушкин М.П. и др. Пневмотранспортное оборудование: справочник. Л.: Машиностроение, 1986. 286 с.

3. Калинушкин М.П., Орловский З.Э., Сегаль И.С. Пневматический транспорт в строительстве. М.: Госстройиздат, 1961. 162 с.

4. Mills D., Jones M.G., Agarwal V.K. Handbook of pneumatic conveying engineering. Marcel Dekker, Inc, 2004. 695 p.

5. Кузнецов Ю.М. Пневмотранспорт: теория и практика. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. 62 с.

6. Малис А.Я. Пневматический транспорт сыпучих материалов при высоких концентрациях. М.: Машиностроение, 1969. 177 с.

7. Gidaspow D. Multiphase flow and fluidization. Boston: Academic Press, 1994. 467 p.

8. Клячко Л.С., Одельский Э.Х., Хрусталев Б.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов. Минск: Наука и техника, 1983. 216 с.

9. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия, 1984. 100 с.

10. Борщев В.Я. и др. Оборудование для переработки сыпучих материалов: учебное пособие. М.: Машиностроение‑1, 2006. 208 с.

11. Пат. 153059 Российская Федерация, МПК B 65G53/40. Пневмокамерный насос для транспортировки сыпучих материалов / Богданов В.С., Фадин Ю.М., Шаптала В.В., Гавриленко А.В.; заявитель и патентообладатель БГТУ им В.Г. Шухова; № 2014140286; заявл. 06.10.2014; опубл. 04.06.2015; бюл. № 18.



Автор: В.С. Богданов, А.В. Гавриленко, Д.В. Богданов, Ю.В. Гавриленко

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.