В настоящее время, ввиду увеличения энергозатрат на транспортировку материалов, создание экономически выгодных установок является актуальной задачей.
Такими системами, сочетающими в себе ряд положительных качеств, являются пневматические устройства. Они отличаются незначительной стоимостью из-за простоты конструкции, легкостью обслуживания, обладают большой маневренностью, позволяют транспортировать материалы во многих условиях (вагоны, бункера и т.д.) с незначительной потерей материала.
Транспортные трубопроводы могут быть проложены во многих местах с незначительной занимаемой площадью пространства.
Существенным недостатком пневмотранспортных установок является сравнительно большой расход энергии на единицу транспортного материала. Однако в целом ряде случаев при применении пневматического транспорта общие затраты будут меньше, чем при других видах транспортирования. Кроме того, очень часто пневматический способ транспортирования является частью технологического процесса какого-либо производства, где он становится незаменимым (например, в пневмогазовых сушилках торфобрикетного производства или в пневмоуборочных машинах) [1].
Пневмотранспортная установка состоит из питающего устройства, трубопровода, отделителя и воздуходувной машины. Основным элементом ее является камерный питатель (рисунок), содержащий приемную камеру 1 с шарнирно смонтированной на ней крышкой 2. В приемную камеру 1 помещена гибкая (мягкая) емкость (тара) 3 с сыпучим материалом в закрытом состоянии. Разгрузочный трубопровод 4 смонтирован на крышке 2. Нагнетательный трубопровод 5 содержит патрубок 6 с нагнетательным соплом 7 с возможностью свободного перемещения вдоль него. Лезвие ножевого устройства 8 направлено вниз для разрезания верхней части гибкой тары 3. Для отвода излишка воздуха по воздуховоду 9 дно 10 приемной камеры 1 снабжено патрубком 11. Для удаления гибкой тары 3 из камерного питателя приемная камера 1 снабжена диском 12 с юбкой 13. Установка диска 12 на определенном расстоянии от дна 10 камеры 1 обеспечивается винтовым устройством 14. Замкнутое пространство 15 приемной камеры 1 сообщается с разгрузочным трубопроводом 4 через вентиль 16 и с нагнетательным трубопроводом 5 посредством вентиля 17 воздуховода. Вентиль 18 транспортного трубопровода предназначен для перекрытия и подачи сжатого воздуха к нагнетательному соплу 7. Диск 12 имеет возможность свободного перемещения по вертикали до стопорного устройства 19. Диск 12 снабжен отверстием 20, перекрытым обратным клапаном 21 [2].
Схема камерного питателя пневмотранспортной установки
Благодаря разности давлений, создаваемых воздуходувной машиной, в трубопроводе пневмосистемы возникает движение воздушного потока. Материал, предназначенный для транспортирования, с помощью питающего устройства вводится в пневмосистему, где он попадает в воздушный поток [1].
При пневмотранспортировании сыпучих материалов решающее значение имеет структура аэросмеси, характер которой определяется взаимодействием воздуха и материала.
Часто в таких устройствах для создания псевдоожижения осуществляется продувка слоя частиц воздухом через пористую сетчатую перегородку. В результате прохода воздуха через слои материала, из-за разности давлений перед слоем Р1 и над ним Р2, объем материала насыщается воздухом, и он начинает увеличиваться в объеме, оставаясь неподвижным, при этом частицы материала начинают отделяться друг от друга. Частицы не покидают образовавшийся «псевдоожиженный» слой, поскольку их вес уравновешивается скоростным напором воздуха, т.е. его скорость равна скорости витания частиц Vвит. В данном состоянии перепад давления ∆P = P1 – P2 = const и не зависит от скорости потока воздуха Vп, которая будет равна критической скорости Vкр «псевдоожижения».
Критическая скорость Vкр [м/с] аэросмеси
(1)
где с = 0,25–0,4 – коэффициент, зависящий от крупности материала, склонности к слеживанию и наличию влаги; μ – весовая концентрация материала; a = (ρм – ρв)/ρв; ρм и ρв – плотность соответственно материала и воздуха, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; d – диаметр пневмопровода, м.
Необходимая скорость Vв [м/с] потока
vв = (1,05–1,1)vкр, (2)
Сопротивление Pп [Па] пневмопровода при движении аэросмеси
Pп = (1 + 0,4μ)Pв, (3)
где Pв – потеря давления при движении чистого воздуха, Па.
Потеря давления ∆Pг [Па] в поднимающихся коротких участках пневмопровода
∆Pг = (1 + μ)ρвgH, (4)
где H – разница геодезических отметок, м (высота подъема).
Полное падение давления ∆P [Па] в пневмотранспортной системе
∆P = Pп + ∆Pг + ∆Pдин + ∆Pз, (5)
где 
– динамические потери давления, Па; ∆Pз – потери давления в загрузочном устройстве, обычно ∆Pз = 1 Па.
Расход Qо [м3/мин] воздуха
(6)
где Qм – расход материала, транспортируемого по пневмопроводу, м3/мин.
Необходимая подача Qв [м3/мин] воздухоподающей машины
Qв = kQо, (7)
где k = 1,1–1,15 – коэффициент, учитывающий потери воздуха в пневмопроводе [3].
Расход и скорость воздуха влияют только на степень возрастания объема материала.
Транспортировка материала может начинаться при условии, когда Vп > Vкр и станет равной скорости уноса Vу [4].
Во многих работах [1, 3, 4] установлено, что скорость транспортирования материала зависит от скорости витания частиц.
Аналитически скорость витания частиц материала в потоке воздуха определяется из условия равенства силы сопротивления F, действующей на частицу, которая движется относительно потока воздуха, и силы тяжести G.
При числах Рейнольдса, характеризующих турбулентное обтекание частиц, имеет место квадратичный закон сопротивлений, т.е.
(8)
где c – коэффициент сопротивления при обтекании частиц потоком; S – площадь сечения частицы, перпендикулярного направлению потока, м2; ρв – плотность воздуха, кг∙с2/м4.
Если тело имеет форму шара, то 
и 
тогда, подставляя значение S в формулу (8) и приравнивая F и G, получим формулу для определения скорости витания vвит [м/с]
(9)
где γт – объемный вес частиц материала.
Коэффициент сопротивления С зависит от многих факторов и определяется экспериментальным путем. Для частиц шаровой формы при Re ≤ 1 коэффициент С может быть определен по уравнению
. (10)
На практике значения для частиц различных материалов определяют непосредственно экспериментальным путем в аэродинамической (витательной) трубе [1].
Объем камерного питателя может быть оценен по формуле
(11)
где Gм – транспортная производительность установки с камерным питателем, м3/ч; tc – среднее время для загрузки 1 м3 объема питателя материалом; u – количество питателей, работающих в цикле загрузки; ρм – плотность материала, кг/м3.
Представленные формулы могут быть использованы для расчета пневматических устройств для транспортирования сыпучих материалов.
Рецензенты:
Шемякин В.С., д.т.н., профессор, закрытое акционерное общество «Научно-производственная компания «Техноген», г. Екатеринбург;
Неволин Д.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Проектирование и эксплуатация автомобилей», ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения». г. Екатеринбург.
Библиографическая ссылка
Афанасьев А.И., Потапов В.Я., Костюк П.А. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ (ПУ) ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ СМЕСЕЙ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 10-1. – С. 9-11;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39115 (дата обращения: 20.04.2024).