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 |
Рубрика: Оборудование и технология |
Ключевые слова: пневмотранспорт, пневмокамерный насос, оптимизация |