Исследование ультразвукового воздействия на процесс истечения сыпучих материалов из камерных питателей

ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕСС ИСТЕЧЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ КАМЕРНЫХ ПИТАТЕЛЕЙ

П.А. Воронкин,

А.С. Тяботов,

В.П. Тарасов

Применяемые в системах пневмотранспорта камерные питатели, в большой степени, предопределяют процесс подготовки аэросмеси к последующему транспортированию и зарождения самого пневмопотока. На формирование пневмопотока в материалопроводе влияет ряд факторов, одним из которых является процесс истечения сыпучих материалов из камерного питателя. От равномерности истечения зависит распределение материала по сечению транспортного трубопровода, режим и устойчивость транспортирования, расход воздуха, производительность пневмоустановки и т. д.

Большинство материалов плохо поддаются выгрузке, из-за наличия в них сил сцепления, а также статических электрических сил. [4] Кроме того, многие материалы гигроскопичны, что обуславливает, даже при незначительном повышении влажности воздуха, проявление дополнительных адгезионных сил, отрицательно влияющих на равномерность истечения. В процессе истечения сыпучих материалов наблюдаются сводо- и воронкообразование [4, 7]. В результате этого снижается производительность и повышается неравномерность истечения.

Несмотря на то, что характер выгрузки материалов из камерных питателей по своей природе во многом идентичен процессу истечения из бункеров через центральное отверстие в днище, применение бункерных сводо- и воронкоразрушающих устройств [4, 5, 6] в камерных питателях не всегда представляется возможным из-за сложности и громоздкости конструкций, больших энергозатрат. Специализированные для камерных питателей устройства, как например [1], не находят широкого практического применения. Пневматические побудители зачастую оказываются малоэффективными и иногда увлажняют материал, тем самым ухудшая условия истечения; вибрационные - кроме возможного уплотнения материала, негативно сказываются на конструкции питателя; механические - обладают значительной энергоемкостью и высокой стоимостью на изготовление. Таким образом, обеспечение равномерного истечения сыпучих материалов из камерных питателей на сегодняшний день продолжает оставаться актуальным.

Одним из возможных и перспективных способов решения вышеперечисленных проблем может являться применение механических колебаний ультразвукового диапазона, которые широко применяются в самых различных отраслях промышленности. Это связано с их уникальными свойствами, позволяющими стимулировать, интенсифицировать или оптимизировать тот или иной технологический процесс. В настоящее время активное развитие ультразвуковой техники и технологий обусловлено не только их широкими возможностями, но и появлением передовой электроники, доступностью компьютеров и т. д.

В настоящей статье приводятся некоторые сравнительные результаты экспериментов по исследованию влияния механических колебаний ультразвукового диапазона на равномерность истечения различных сыпучих материалов из камерного питателя. Для реализации поставленной цели смонтирован стенд, представляющий собой лабораторную модель камерного питателя, схема которого представлена на рисунке 1. Стенд состоит приемно-питающей камеры 1, оборудованной приемным патрубком 2 и конусным днищем 3, установленной на раме 4. Активным, побуждающим элементом к равномерному истечению материала является конус 5. Для предотвращения передачи колебаний приемно-питающей камере 1 и конусному днищу 3 предусмотрены виброизолирующие прокладки. Источником ультразвуковых колебаний является, жестко закрепленная на конусном днище 3 ультразвуковая колебательная система 6, запитываемая электронным генератором 7. На выпускном отверстии конического днища 3 установлена задвижка 8. Материал ссыпается в разгрузочный бункер 9, установленный на тензометрических весах 10, унифицированный выходной тóковый сигнал с которых, подается на аналого-цифровой преобразователь 11 (плату АЦП-ЦАП). Контроль и запись параметров истечения из бункера для последующего анализа осуществляются в программном приложении Power Graph, инсталлированном на персональном компьютере 12, информация на который поступает с платы АЦП-ЦАП 11.

- приемно-питающая камера; 2 - приемный патрубок; 3 - конусное днище; 4 - рама; 5 - дополнительный конус; 6 - ультразвуковая колебательная система  стержневого типа; 7 - электронный генератор; 8 - задвижка; 9 - разгрузочный бункер;  10 - тензовесы; 11 - плата АЦП-ЦАП; 12 - персональный компьютер

Рисунок 1 - Схема экспериментального стенда

Оценку воздействия ультразвуковых колебаний на процесс проводили с материалами, имеющими различные физико-механические свойства (мука 2-го сорта, песок речной, отруби пшеничные). Ультразвуковой технологический аппарат имел следующие параметры: выходная мощность генератора 200 Вт; частота колебаний 22±1,6 кГц; амплитуда колебаний рабочего инструмента ультразвуковой колебательной системы ≥ 12 мк.

Опыты проводились в следующей последовательности: исследуемый сыпучий материал засыпали в приемно-питающую камеру 1, запускали приложение Power Graph и открывали задвижку 8. Информация о массе материала, высыпавшейся из камеры 1 в приемный бункер 9, регистрировалась тензовесами 10 и передавалась на персональный компьютер 12, графически отображаясь в приложении Power Graph. После проведения эксперимента, зарегистрированные сведения о процессе истечения для последующего анализа и обработки сохранялась. Для оценки влияния ультразвукового воздействия на процесс истечения включали питание электронного генератора 7, ожидали его подстройку на режим резонанса; запускали приложение Power Graph и открывали задвижку 8. Сведения о массе высыпавшегося из камеры сыпучего материала передавались от тензовесов 10 на персональный компьютер 12. Опыты проводили с 30-ти кратной повторностью для каждого условия с использованием разных материалов.

Некоторые результаты исследований представлены графически на рисунках 2, 3 и 4 и в таблице 1. Из которых видно, что ультразвуковое воздействие приводит к снижению неравномерности истечения материала из камеры (кривые 1). Для материалов, обладающих повышенной сыпучестью, к каким и можно отнести отруби и песок, влияние ультразвуковых колебаний на производительность истечения не существенно, тогда как при воздействии ультразвуком на муку производительность выгрузки значительно уменьшается (таблица 1). Кстати, в работах [4, 8] также замечено снижение подвижности частиц хорошо сыпучих веществ, и производительности при воздействии вибраций на выгружаемый материал. В процессе истечения муки, в конце процесса как с применением ультразвука так и без него всегда наблюдается период, отчетливо заметный на рисунке 2, когда производительность существенно возрастает.

- при ультразвуковом побуждении; 2 - без побуждения

Рисунок 2 - Динамика процесса истечения муки 2-го сорта из камерного питателя

- при ультразвуковом побуждении; 2 - без побуждения

Рисунок 3 - Динамика процесса истечения пшеничных отрубей из камерного питателя

- при ультразвуковом побуждении; 2 - без побуждения

Таблица 1 - Обобщенные результаты исследований

Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на процесс истечения можно объяснить тем, что при воздействии ультразвуковыми колебаниями силы давления частиц друг на друга и на стенки конусного днища 3 и силы трения между частицами, частицами и днищем периодически изменяются. В результате этого сыпучесть материала повышается, а процесс истечения в этом случае становится более устойчивым.

Результаты настоящих экспериментов, и опыты, проведенные ранее [2, 3], свидетельствуют о возможности применения ультразвука для повышения устойчивости пневматического транспортирования сыпучих материалов. Можно также предположить, что с помощью ультразвукового воздействия удастся осуществить процесс пневмотранспортирования при меньших скоростях, а значит и с меньшими энергозатратами.

пневмопоток камерный питатель ультразвуковой

1.          Воронкин, П.А. Влияние ультразвукового воздействия на скорость трогания сыпучих материалов / П.А. Воронкин, В.П. Тарасов. Хранение и переработка зерна. - 2009. − № 7. С. 39 - 40.

2.      Воронкин, П.А. Исследование ультразвукового воздействия на сыпучие материалы, находящиеся в трубопроводе / П.А. Воронкин, В.П. Тарасов. Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы Одиннадцатой международной научно-практической конференции (5 декабря 2008 г.) / под ред. М. П. Щетинина; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. - Барнаул, 2008. - С. 346 - 349.

3.          Гячев, Л.В. Движение сыпучих материалов в трубах и бункерах. - М.: Машиностроение, 1968. - 184 с.

4.      Калинушкин, М. П. Пневматический транспорт в строительстве. - М.: Госстройиздат, 1961. - 164 с.

.        Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. 1. - С.-Пб.: Профессионал, 2003. - 848 с.

6.          Островский, Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. - СПб.: Наука, 2000. - 359 с.

7.      Спиваковский, А.О. Вибрационные и волновые транспортирующие машины. - М.: Наука, 1983. - 288 с.