СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В ПЛОТНОЙ ФАЗЕ Российский патент 1997 года по МПК B65G53/00 

Изобретение относится к наиболее эффективному способу пневматического транспортирования сыпучих материалов в виде отдельных плотных поршней, разделенных между собой воздушными пробками, или в виде сплошного ожиженного потока, перемещаемых по трубопроводу со скоростями до 10 м/с.

Метод транспортирования в плотной фазе может найти широкое применение во всех отраслях промышленности, по технологии которых необходимо сохранить исходный грансостав транспортируемого сыпучего материала, когда требуется улучшить санитарное состояние производств и сократить производственные площади, когда необходимо снизить энергозатраты на единицу производимой продукции и увеличить сроки служб транспортного оборудования наряду с увеличением дальности транспортирования.

Известен способ транспортирования сыпучих материалов в плотной фазе, заключающийся в том, что на сыпучий материал транспортируемый нагнетательной пневмотранспортной установкой с камерным насосом, воздействуют потоками газа в камерном насосе и рассредоточено по длине транспортного трубопровода через активаторы (авт.св. СССР N 664893, кл. В 65 G 53/04, 1977) прототип.

Недостаток способа-прототипа состоит в том, что он используется лишь в плане общего представления о механизме реализации предлагаемого способа.

В известном источнике отсутствуют формулы для расчетов расхода и давления сжатого воздуха через камерный насос, расходов и давлений дополнительного сжатого воздуха подаваемого через активаторы в транспортный трубопровод, что затрудняет возможность реализации известного способа.

Цель изобретения снижение энергозатрат, увеличение дальности транспортирования и сроков службы транспортного трубопровода наряду с сохранением гранулометрического состава транспортируемого материала.

Поставленная цель достигается тем, что на сыпучий материал, транспортируемый нагнетательной пневмотранспортной установкой с камерным насосом, воздействуют потоками газа в камерном насосе и рассредоточено по длине транспортного трубопровода через активаторы, соответственно с расходами, определяемыми из соотношений

при этом абсолютные давления газа на выходе из камерного насоса в транспортный трубопровод и в точке отбора газа на байпасный воздуховод транспортного трубопровода, подсоединенного к активаторам, определяются, соответственно из соотношений

где коэффициент увеличения удельной нормы расхода газа на 10% на каждые дополнительные 30 м длины материалопровода против начальных 100 м;
L геометрическая длина транспортного трубопровода;
θ удельная норма расхода воздуха на одну тонну сыпучего материала перемещаемого на расстояние 100 м, определяется для сыпучих материалов, имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0 < ε_н < 0,382< и 0,382 < ε_н < 0,5 из соотношения

имеющих порозность насыпного слоя ε_н 0,5 из соотношения

имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,5 < ε_н < 0,618 из соотношения

имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,618 < ε_н < 1 из соотношения

где К 1, размерный коэффициент расхода;
Φ_м производительность пневмоустановки, т/ч;
l' (1 3)•l длины воздушных пробок между плотными поршнями из материала в транспортном трубопроводе;
длины плотных поршней из частиц материала;
g 9,81 м/с ускорение силы тяжести Земли;
коэффициент скольжения плотных поршней вдоль стен транспортного трубопровода;
ρ плотность материала частиц;
r_н плотность насыпного слоя;
ρ_п (мин, макс) плотность плотных поршней определяются для сыпучих материалов, имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0 < ε_н < 0,382 из соотношений

имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,382 < ε_н < 0,5 из соотношений

имеющих порозность насыпного слоя ε_н 0,5 из соотношения
ρ_{мин/макс}= (0,75÷1,2)ρ_н,
имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,5 < ε_н < 0,618 из соотношений

имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,618 < ε_н < 1 из соотношений

при этом максимальными плотностями оценивается степень уплотнения сыпучих материалов утряской и локальные плотности в плотной фазе транспортируемого материала.

средняя скорость транспортирования плотной фазы;
U_н=/0,4 2/ м/с принимаемая начальная скорость выхода материала из камерного насоса;
U_к= /2 10/ м/с принимаемая конечная скорость выхода плотных поршней из транспортного трубопровода;
внутренний диаметр транспортного трубопровода;
Q_м производительность пневмоустановки, м³/ч;
S 0,785 D² площадь внутреннего поперечного сечения транспортного трубопровода;
n M/m общее количество плотных поршней перемещаемых за один цикл подачи;
M = V_кн•ρ_н масса материала; загружаемого в камеру камерного насоса,
V_кн полезная вместимость камеры камерного насоса;
m = l•S•ρ_п масса плотного поршня;
L_б геометрическая протяженность байпасного воздуховода;
S_б живое сечение байпасного воздуховода;
время на один цикл передачи материала из камерного насоса в приемную емкость;
l" l + l' (2 4)•l общая длина плотного поршня и воздушной пробки;
λ_тр коэффициент трения транспортируемого материала о сталь;
средний коэффициент трения;
H высота подъема трассы транспортного трубопровода;
n_к число колен в транспортном трубопроводе;
ρ_св плотность сжатого воздуха;
l_э 1 м принятый эталон длины поршня с плотностью равной плотности насыпного слоя транспортируемого материала, к условиям рассмотрения процесса его транспортирования;
λ_св коэффициент трения сжатого воздуха о стенки трубопровода;
P_ф сопротивление фильтра, устанавливаемого на приемной емкости;
P_атм атмосферное давление;
потеря давления в байпасном воздуховоде;
P_у.б. удельные потери давления в байпасном воздуховоде;
L_пр L_б + l_пр приведенная длина байпасного воздуховода;
L_б геометрическая протяженность байпасного воздуховода;
l_пр приведенная длина пневмоаппаратуры байпасного воздуховода;
удельные потери давления на единицу длины транспортного трубопровода;
l₂ геометрическое расстояние от начала транспортного трубопровода до активатора N 2;
P_ак /0,1 0,2/•P_атм потеря давлений в активаторах.

Кроме того, согласно описываемому способу абсолютное давление газа внутри транспортного трубопровода в местах встраивания в него активаторов для ввода газа определяют из соотношения

а во внутренних полостях активаторов из соотношений для первого активатора
P₁ P_у•(L 0,5l₁) + P_ф+ P_ак+ P_атм
для последующих активаторов
P_2-N P_у(L l_1-N + 0,4l_1-2) + P_ф + P_ак + P_атм,
где l_1-N -геометрическое расстояние от начала транспортного трубопровода до первого, и соответственно до других номеров активаторов, м;
l_1-2 геометрическое расстояние между первым и вторым номерами активаторов, м;
Далее действительный расход газа через каждый активатор транспортного трубопровода, определяют из соотношения

где

м³/ч приближенные расходы газа через каждый активатор;
K_v 1 пропускная способность активатора;
разница между давлениями газа во внутренних полостях активаторов и давлениями внутри транспортного трубопровода, в местах встраивания в него активаторов;
м³/ч шт. поправка на расход газа через активаторы;
ΣN количество активаторов, встроенных в транспортный трубопровод.

Согласно описываемому способу обеспечивается снижение энергозатрат, увеличение дальности транспортирования и срока службы трубопровода наряду с сохранением гранулометрического состава транспортируемого материала. Снижение энергозатрат достигается за счет сокращения расхода и давления сжатого газа. Сокращение расхода и давления газа достигается за счет изменения режима транспортирования, т. е. перехода от вихревого режима транспортирования материалов, при котором частицы материала транспортируются во взвешенном состоянии, со скоростями витания (25-40 м/с), к режиму транспортирования в плотной фазе, со скоростями транспортирования материала до 10 м/с.

Режим транспортирования в плотной фазе позволяет перемещать сыпучие материала со скоростями от 1 до 10 м/с, в виде сплошного плотного, ожиженного газом, потока или в виде отдельных плотных поршней, разделенных газовыми пробками. Уменьшение расхода газа и давления достигается как за счет снижения скоростей перемещения газа и транспортируемых материалов, так и за счет более полного использования статического давления расширяющегося газа между плотными поршнями материала наряду с динамическим давлением фильтрующего газа внутри плотных поршней.

Увеличение дальности транспортирования достигается за счет рассредоточенного ввода газа по длине транспортного трубопровода через активаторы, выполняемых по (патенты РФ N 1456349 или N 1428673), и встраиваемых в транспортный трубопровод на его входе: непосредственно после колеи, поворотов и переключателей, на вертикальных участках через 6-10 м, на горизонтальных участках с интервалами, между первой и второй парами, по 10-20 м, между третьей парой 20-30 м и между последующими парами 40-60 м.

Увеличение срока службы транспортного трубопровода достигается за счет:
снижения коэффициента трения материала о стенки трубопровода, вследствие создания кольцевой газовой прослойки между плотным потоком материала и стенками трубопровода;
перемещения частиц материала плотным потоком, при котором исключается соприкосновение каждой частицы перемещаемого материала со стенками трубопровода и образования турбулентного потока частиц с большими скоростями;
получения эффекта качения наружных частиц плотного потока вдоль стен трубопровода с незначительным скольжением;
образования постоянно сменяемого подстилающего слоя внутри горизонтальных участков трубопровода, из транспортируемого материала, что исключает непосредственный контакт перемещаемых плотных поршней с нижней частью материалопровода.

Сохранение гранулометрического состава транспортируемого материала обеспечивается за счет перемещения частиц в плотном потоке, в котором исключается их взаимное соударение, истирание друг о друга и о стенки трубопровода.

Заявляемый способ реализуется на нагнетательной пневмотранспортной установке, приведенной на чертеже.

Пневмотранспортная установка содержит: камерный насос 1 с системой воздуховода 2, подсоединенных к цеховой сети сжатого воздуха, транспортный трубопровод 3 со встроенными в него активаторами 4 и подсоединенный к байпасному воздуховоду 5 через отводы 6, оборудованных вентилями 7 и манометрами 8, приемный бункер 9, соединенный с транспортным трубопроводом 3 через отделитель 10, рукавный фильтр 11, соединенный воздуховодом 12 с отделителем 10.

Осуществление заявленного способа на пневмотранспортной установке приводится на следующем примере.

Пример. Требуется транспортировать литейный песок с производительностью Φ_м 20 т/ч, или Q_м 13,8 м³/ч, на расстояние L 100 м с вертикальным участком трассы трубопровода H 10 м. Насыпная плотность песка ρ_н 1450 кг/м³, плотность частиц ρ 2650 кг/м³ коэффициент трения песка о сталь l_тр 1 (Шапунов М.М. Коппель М. А. Пневматическое транспортирование сыпучих материалов, Л. 1981, с. 23).

Решение.

1. Исходя из заданной производительности принимаем, по данным (Справочник. Перечень машин и оборудования, выпускаемых Красногорским заводом цементного машиностроения. М. Минстройдоркоммаш, ПО Стромоборудование, 1987, с. 6-8) к установке камерный насос ТА-23Б с вместимостью сосуда V_кн 1,5 м³.

2. Исходя из условий ограничения скоростей транспортируемых материалов и их сохранности, принимаем:
начальную скорость выхода материала из насоса в материалопровод U_н 0,5 м/с;
конечную скорость выхода материала из материалопровода в приемное устройство U_н 10 м/с;
среднюю скорость транспортирования материала

3. Определим внутренний диаметр материалопровода и его поперечное сечение

Принимаем к дальнейшим расчетам D 100 мм и S 0,00785 м².

4. Определяем массу песка, загружаемого в насос
M = V_к.н•ρ_н= 2175 кг
5. Для обеспечения расчета расходов и давлений газа примем и рассчитаем следующие вспомогательные данные.

5.1. Исходя из конструктивной схемы трассы материалопровода пневмоустановки (см. чертеж) находим, что:
в трассе материалопровода 3 колена n_к 3 шт.

в трассу материалопровода встроено 7 шт. активаторов, на расстоянии от начала материалопровода, соответственно, до первого и седьмого: l₁ 0,4 м, l₂ 4,4 м, l₃ 10 м, l₄ 16 м, l₅ 28 м, l₆ 48 м, l₇ 78 м;
геометрическая длина байпасного воздуховода, начиная от цеховой сети сжатого воздуха L_б 90 м;
принимаем среднее поперечное сечение байпасного воздуховода, убывающего по диаметру в сторону последнего активатора, S_б (0,1-0,15)•S 0,000785 м², что соответствует d_б 32 мм;
учитывая необходимость установки тройников в байпасном воздуховоде для отвода газа на активаторы и оборудования отводов ДУ 15 вентилями, найдем их приведенные длины в соответствии с (Каталог ВНИИГидропривод. Элементы и устройства пневмоавтоматики высокого давления, М. 1986, табл. 15, с. 123)
l_пр= l_пр.тр.+ l_пр.вен= 2,6 + 6,5 9,1 мм
общая приведенная длина байпасного воздуховода
L_пр= L_б + l_пр 100 м.

5.2. Определяем порозность насыпного слоя песка

и по ее величине находим, что расчет плотностей плотной фазы следует производить по формулам

примем к дальнейшим расчетам средне-арифметическую плотность плотной фазы

5.3. Определяем коэффициент скольжения плотной фазы о стенки материалопровода

затем длины перемещаемых плотных поршней из песка

длины воздушных пробок между поршнями
l' 2•l 6 м,
общую длину поршня и пробки
l" l + l' 9 м,
массу одного поршня
m l•S• ρ 35 кг,
общее количество плотных поршней, транспортируемых за один цикл подачи песка
n M/m 62 шт.

5.4. Определим общее время, затрачиваемое на один цикл подачи

6. Принимая к дальнейшим расчетам условную плотность сжатого газа ρ_св 3 кг/м³, сопротивление рукавного фильтра P_ф 300 кг/м² приемной емкости и коэффициент трения газа о стенки транспортного трубопровода λ_в 0,008 найдем следующее.

6.1. Норму расхода газа на одну тонну перемещаемого песка. Так как величина порозности песка ε_н 0,453, норму расхода рассчитываем по формуле

6.2. Общий расход газа через камерный насос и активаторы транспортного трубопровода

а через активаторы

6.3. Давление газа на выходе из камерного насоса

к дальнейшим расчетам, с учетом незначительных потерь принимаем
P_м 3,4 кг/см²

и удельные потери на 1 п. м материалопровода

6.4. Принимая ориентировочное давление газа в байпасном воздуховоде P_б.о= 4 кг/см², учитывая расход через него газа на активаторы Q_ак 1,434 м³/мин и его внутренний диаметр d_б 32 мм по (Каталог ВНИИГидропривод. Элементы и устройства пневмоавтоматики высокого давления. М. 1986, монограмма, с.123) найдем удельные потери в байпасном воздуховоде

тогда общие потери давления в нем составят

6.5. Определим давление газа в точке отбора его на байпасный воздуховод, с учетом того, что l₂ 4,4 м (п. 5.1).

где P_ак= 0,1•P_атм 1000 кг/м² потери давления в активаторах.

Принимаем к дальнейшим расчетам P_б 3,6 кг/см².

7. Расчет абсолютных рабочих давлений:
а) во внутренней полости материалопровода у мест встраивания в него активаторов

б) во внутренних полостях активаторов
N 1. P₁=P_y(L-0,5l₁)+P_ф+P_ак+ P_атм=3,4953 кг/см²
N 2. P₂=P_y(L-l₂+0,4l_1-2)+P_ф+ P_ак+ P_атм=3,4336 кг/см²
N 3. P₃=P_y(L-l₃+0,4l_1-2)+P_ф+ P_ак+P_атм=3,3009 кг/см²
N 4. P₄=P_y(L-l₄+0,4l_1-2)+P_ф+ P_ак+P_атм=3,1587 кг/см²
N 5. P₅=P_y(L-l₅+0,4l_1-2)+P_ф+ P_ак+P_атм=2,8743 кг/см²
N 6. P₆=P_y(L-l₆+0,4l_1-2)+P_ф+ P_ак+P_атм=2,4003 кг/см²
N 7. P₇=P_y(L-l₇+0,4l_1-2)+P_ф+ P_ак+P_атм=1,6893 кг/см²
где: l_1-2 расстояние между первым и вторым активаторами.

8. Для определения действительных расходов газа через каждый активатор, находим:
а) разницы давлений газа между давлениями газа в активаторах и во внутренних полостях материалопровода, у мест встраивания активаторов, из равенства

получаем


ΔP₇= 0,1379 кг/см²
б) приближенные расходы газа через каждый активатор, по формуле из

где K_v 1 пропускная способность активатора.

Подставляя значения из пункта 7а и из пункта 8а в кг/см², получим приближенные значения расходов через активаторы

Находим поправку на расход газа через активаторы (см. п. 6.2)

С учетом поправки действительные расходы через каждый активатор найдем из равенства

и получим
Q₁ 12,14 нм³/час
Q₂ 14,35 нм³/час
Q₃=13,96 нм³/час
Q₄ 13,54 нм³/час
Q₅ 12,66 нм³/час
Q₆ 11,07 нм³/час
Q₇ 8,345 нм³/част

Использование: для транспортирования сыпучих материалов в плотной фазе. Сущность изобретения: приводятся соотношения для расчета основных параметров способа транспортирования сыпучих материалов в плотной фазе, в которые позволяют рассчитать расходы и давление газа, соответственно для камерного насоса и активаторов транспортного трубопровода, плотность транспортируемых плотных поршней или ожиженного потока, удельные нормы расхода газа на единицу транспортируемого материала, время на один цикл передачи материала из камерного насоса в приемный бункер; длины перемещаемых плотных поршней и коэффициент скольжения плотной фазы по стенкам транспортного трубопровода. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ транспортирования сыпучих материалов в плотной фазе, заключающийся в том, что на сыпучий материал, транспортируемый нагнетательной пневмотранспортной установкой с камерным насосом, воздействуют потоками газа в камерном насосе и рассредоточенно по длине транспортного трубопровода через активаторы, отличающийся тем, что воздействие потоками газа на сыпучий материал в камерном насосе и в транспортном трубопроводе через активаторы осуществляют соответственно с расходами, определяемыми из соотношений

при этом абсолютное давление газа на выходе из камерного насоса в транспортный трубопровод и в точке отбора газа на байпасный воздуховод транспортного трубопровода, подсоединенного к активаторам, определяют соответственно из соотношений

где (0,1L + 20)/30 коэффициент увеличения удельной нормы расхода газа θ на 10% на каждые дополнительные 30 м длины материалопровода против начальных 100 м;
L геометрическая длина транспортного трубопровода;
q - удельная норма расхода воздуха на 1 т сыпучего материала, перемещаемого на расстояние 100 м, определяется для сыпучих материалов, имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0 < ε_н < 0,382 и 0,382 < ε_н < 0,5, по формуле

имеющих порозность насыпного слоя ε_н = 0,5, из соотношения

имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,5 < ε_н < 0,618 из соотношения

имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,618 < ε_н < 1 из соотношения

где размерный коэффициент расхода;
Φ_м - производительность пневмоустановки, т/ч;
l' (1 ^oC 3)l длины воздушных пробок между плотными поршнями из материала в транспортном трубопроводе;
длины плотных поршней из частиц материала;
g 9,81 м/с ускорение силы тяжести Земли;
коэффициент скольжения плотных поршней вдоль стен транспортного трубопровода;
ρ - плотность материала частиц;
ρ_н - плотность насыпного слоя;
ρ_п(мин, макс) - плотность плотных поршней определяется для сыпучих материалов, имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0 < ε_н < 0,382 из соотношений

r_макс= (1÷1,2)ρ_н,
имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,382 < ε_н < 0,5 из соотношений
ρ_мин= ρ - ρ_н;

имеющих порозность насыпного слоя ε_н = 0,5, из соотношения
ρ_{мин-макс}= (0,75÷1,2)ρ_н,
имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,5 < ε_н < 0,618 из соотношений

ρ_макс= ρ _ ρ_н,
имеющих порозность насыпного слоя в интервале 0,618 < ε_н < 1 из соотношений


при этом максимальными плотностями оценивается степень уплотнения сыпучих материалов утряской и локальные плотности в плотной фазе транспортируемого материала,
где U_ср (U_н + U_к)/2 средняя скорость транспортирования плотной фазы;
U_н (0,4 ^oC 2) принимаемая начальной скорость выхода материала из камерного насоса, м/с;
U_к (2 ^oC 10) принимаемая конечная скорость выхода плотных поршней из транспортного трубопровода, м/с;
внутренний диаметр транспортного трубопровода;
Q_м производительность пневмоустановки, м³/ч;
S 0,785 D² площадь внутреннего поперечного сечения транспортного трубопровода;
n M/m общее количество плотных поршней перемещаемых за один цикл подачи;
M = V_кн•ρ_н - масса материала, загружаемого в камеру камерного насоса;
V_к н полезная вместимость камеры камерного насоса;
m = l•S•ρ_п - масса плотного поршня;
L_б геометрическая протяженность байпасного воздуховода;
S_б живое сечение байпасного воздуховода;
время на один цикл передачи материала из камерного насоса в приемную емкость;
l'' l + l' (2 ^oC 4) • l общая длина плотного поршня и воздушной пробки;
λ_тр- коэффициент трения транспортируемого материала о сталь;
средний коэффициент трения;
Н высота подъема трассы транспортного трубопровода;
n_к число колен в транспортном трубопроводе;
ρ_св- плотность сжатого воздуха;
l_э 1 м принятый эталон длины поршня с плотностью, равной плотности насыпного слоя транспортируемого материала, к условиям рассмотрения процесса его транспортирования;
λ_св- коэффициент трения сжатого воздуха о стенки трубопровода;
Р_ф сопротивление фильтра, устанавливаемого на приемной емкости;
Р_а т м атмосферное давление;
потеря давления в байпасном воздуховоде;
Р_у . б удельные потери давления в байпасном воздуховоде;
L_п р L_б + l_п р приведенная длина байпасного воздуховода;
L_б геометрическая протяженность байпасного воздуховода;
l_п р приведенная длина пневмоаппаратуры байпасного воздуховода;

удельные потери давления на единицу длины транспортного трубопровода;
l₂ геометрическое расстояние от начала транспортного трубопровода до активатора N 2;
Р_а к (0,1 0,2) • Р_а т м потеря давлений в активаторах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что абсолютное давление газа внутри транспортного трубопровода в местах встраивания в него активаторов для ввода газа определяют из соотношения

а во внутренних полостях активаторов по формулам
для первого активатора
Р₁ Р_у • (L 0,5l₁) + Р_ф + Р_а к + Р_а т м,
для последующих активаторов
Р_2:N Р_у • (L l_1:N) + Р_ф + Р_а к + Р_а т м,
где l_1:N геометрическое расстояние от начала транспортного трубопровода до первого и соответственно до других номеров активаторов, м;
l_1 - 2 геометрическое расстояние между первым и вторым номерами активаторов, м. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что действительный расход газа через каждый активатор транспортного трубопровода определяют из соотношения

где приближенные расходы газа через каждый активатор;
K_v 1 пропускная способность активатора;
разница между давлениями газа во внутренних полостях активаторов и давлениями внутри транспортного трубопровода, в местах встраивания в него активаторов;
поправка на расход газа через активаторы;
ΣN - количество активаторов, встроенных в транспортный трубопровод.