ПЕСКОСТРЕЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 1994 года по МПК B22C15/24 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к машинам, применяемым при изготовлении литейных стержней, и др. , и может быть использовано в строительстве при производстве блоков, кирпичей и т. п.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является выбранная в качестве прототипа пескострельная машина, содержащая резервуар, насадок, вентиляционную плиту, выдувное отверстие, ящик для стержней смеси, вентиляционные отверстия.

Недостатком данной машины является низкая эффективность, связанная с незначительной скоростью выдуваемой смеси, а следовательно, и уплотнением смеси, а также с низким КПД данной машины.

Цель изобретения - повышение эффективности путем более плотного трамбования смеси и повышения КПД.

Это достигается тем, что в пескострельной машине, содержащей резервуар, обечайку, конический насадок, вентиляционную плиту, выдувное отверстие, ящик для стержневой смеси, вентиляционные отверстия, на оконечной части насадка установлено сопло Лаваля.

Усиление эффекта может быть достигнуто тем, что диаметр среза сопла D_а≥h/15, где h - высота ящика для смеси.

На чертеже представлена предлагаемая пескострельная машина.

Пескострельная машина содержит резервуар 1, в котором размещена с зазором перфорированная обечайка 2, являющаяся емкостью для смеси. Нижней частью обечайка 2 сопрягается с коническим насадком 3, на оконечной части которого установлено сопло Лаваля 4 (коническое сопло), минимальное сечение которого выполняет функцию выдувного отверстия.

На ящик 5 для смеси установлена вентиляционная плита 6 с вентиляционными отверстиями 7, при этом ящик 5, плита 6 и конический насадок 3 жестко скреплены по периферии, например, болтовым соединением.

Машина работает следующим образом.

В перфорированную обечайку 2 засыпается смесь. Далее верхний торец обечайки 2 герметизируется и затем подается рабочее тело, например воздух, в верхнюю зону обечайки 2, а также в зарубашечное пространство, ограниченное внутренней поверхностью резервуара 1 и наружной поверхностью обечайки 2.

Далее через перфорацию в обечайке 2 воздух поступает внутрь ее и обеспечивает псевдоожижение смеси, размещенной в ней.

Обечайка 2 может не иметь перфорации и рабочее тело в этом случае подается только в ее верхнюю зону.

Под действием перепада давления псевдоожиженная смесь из конического насадка 3 поступает в сопло Лаваля 4, где потенциальная энергия рабочего тела трансформируется в кинетическую энергию и обеспечивается доразгон элементарных частиц смеси. Смесь трамбуется при ударе струи и торможении частиц смеси от стенки ящика 5. Отработанное рабочее тело через вентиляционные отверстия 7 сбрасывается из ящика 5 наружу.

После завершения формообразования уплотненной смеси в ящике 5 подача рабочего тела прекращается, ящик 5 отстыковывается от выдувной плиты 6 и уплотненная смесь, например стержень, изымается из ящика 5.

Затем цикл повторяется.

Известно, что максимальное ускорение рабочего тела и соответственно частиц смеси происходит в зоне окна - в критическом сечении сопла Лаваля 4, поэтому в этой зоне имеет место максимальное значение отставания частиц смеси от рабочего тела.

Известно, что
W_p-W_s= · · · · W_s· , где W_p - скорость газообразного рабочего тела;
W_s - скорость частиц смеси;
f_c - коэффициент, f_c= 1;
ρ_s - плотность частиц смеси;
μ_р - молекулярный вес газообразного рабочего тела;
r_s - радиус частицы смеси;
R* - радиус минимального сечения сопла;
ζ - безразмерная координата ζ= Х/R*;
Х - расстояние по оси сопла.

Следует, что = const, т. е. отставание частиц имеет практически постоянную величину по всей длине сверхзвукового тракта сопла:
W_p*-W_s*= W_p^a-W_s^a, откуда = 1 + , где *, а - индексы для минимального сечения сопла и среза, соответственно;
Δ W_p - приращение скорости рабочего тела в сверхзвуковом тракте.

Так например, при давлении газообразного рабочего тела-воздуха 10 ата газодинамическая функция λ имеет значение на срезе сопла 1,7.

Учитывая, что W_s*= 0,5λ , получаем, что W_s= 1,4, т. е. при наличии сопла Лаваля скорость частиц возрастает на 40% .

В качестве газообразного рабочего тела может быть использован пар, что позволяет повысить эффективность машины за счет увеличения газовой постоянной по сравнению с воздухом ≈ на 60% и некоторого увеличения температуры рабочего тела.

Так как адибатный процесс расширения пара в сопле Лаваля быстротечен, а кроме того в потоке находятся частицы с большой теплоемкостью и значительной суммарной наружной поверхностью, то водяной пар за время пребывания в сопле не успеет сконденсироваться, т. е. пескострельная машина будет работоспособна.

Принимая во внимание, что при ударе частиц смеси о твердую стенку ящика (уплотненную смесь) выполняется закон сохранения энергии, частицы имеют форму шара, а также то, что торможение частиц смеси происходит в тонком слое смеси (принята толщина слоя торможения равная 2rs), получаем, что величина давления при торможении может быть определена по формуле
P = .

Следовательно, что увеличение скорости частиц на 40% позволит увеличить давление при ударе частиц смеси о стенку ящика (уплотненную смесь) ≈ в 2 раза, что немаловажно для процесса формообразования.

Критерии, характеризующие совершенство преобразования исходной энергии в полезную работу, для пескострельных машин, машин для пневмобетонирования отсутствуют, поэтому оценка выполнялась по вновь введенному критерию "Эффективность пескострельной машины" - Э_пм.

϶_nm= (m/m)·Was

Указанный критерий близок по своей сути к удельному импульсу - критерию, применяемому в теории двигателей.

Получено, что Э_мпσ= 70-180 м/с.

Данная величина критерия эффективности существенно ниже, чем для аккумуляторных пневмоприводов.

Установка сопла Лаваля позволяет реализовать величину критерия Э_пм≈250, т. е. повысить коэффициент полезного действия пескострельной машины.

Турбулентное истечение газообразного рабочего тела из сопла при встрече с преградой сопровождается широким спектром пульсаций давления газов в струе, а следовательно, и на преграде, т. е. налицо ударно-волновой процесс.

При прохождении волны разрежения в поверхностном слое смеси интенсивно удаляется воздух, находящийся между частицами смеси, а при прохождении волны сжатия-смещение частиц относительно друг друга и их деформация, что позволяет предельно плотно упаковать твердые частицы смеси. Следовательно, реализуется ступенчатое высокочастотное прессование при неизменном по величине давлении, подаваемого в обечайку 2 газообразного рабочего тела.

Расстояние от среза сопла Лаваля 4 до стенки ящика 5 должно примерно соответствовать величине начального участка сверхзвуковой струи, так как начальный участок сохраняет потенциальное ядро течения, характеризуется хорошо выраженной волновой структурой.

На переходном и основном участках происходит размывание струи, характеризуемое не только ее утолщением, но и уменьшением осевой скорости, а следовательно, ослаблением воздействия на преграду.

С учетом анализа графической зависимости, характеризующей применение избыточной осевой скорости по длине струи, предельным расстоянием от среза сопла Лаваля до поверхности ящика может быть принята величина Х= L/R_a= 30, так как при Х= L/R_a>30 скачкообразно возрастает градиент изменения избыточной осевой скорости.

Следовательно, при фиксированной высоте ящика для смеси h диаметр среза сопла 4 должен быть не менее h/15, т. е. D_a≥h/15 без учета расхода смеси через сопло. Это вполне правомочно, так как объемный расход смеси существенно меньше расхода газообразного рабочего тела. (56) Политехнический словарь А. Ю. Ильюшинского. М. : Советская энциклопедия, 1989, рис. на с. 378.

Использование: в машиностроении, в частности в машинах, применяемых для изготовления литейных стержней, и в строительстве при производстве блоков, кирпичей и т. п. Сущность изобретения: пескострельная машина содержит резервуар, обечайку, насадок, вентиляционную плиту, выдувное отверстие, ящик для стержневой смеси, вентиляционные отверстия. Новым в устройстве является то, что на оконечной части насадка установлено сопло Лаваля, а также то, что диаметр среза сопла D_a≥ h/15, где h - высота ящика для смеси. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПЕСКОСТРЕЛЬНАЯ МАШИНА, содержащая резервуар, обечайку, насадок с выдувным отверстием, вентиляционную плиту, ящик для стержневой смеси с вентиляционными отверстиями, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности путем более плотного трамбования смеси и повышения КПД машины, выдувное отверстие выполнено в виде сопла Лаваля. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр среза сопла
D_a ≥ h /15,
где h - высота ящика для смеси.