2.6 Машини для зберігання та дозування сипучих матеріалів

Великі потоки насипних вантажів у хімічній промисловості потре­бують створення парку найефективніших машин, приладів і споруд для механізації та автоматизації операцій з ними. Обов'язкова частина таких споруд — бункерні установки, які слугують проміжними резервуарами і пересипними лійками технологічних установок.

Бункерні установки складаються з таких частин: завантажувальні пристрої, спускні лотки і труби, пристрої для зважування, несучі та будівельні конструкції.

Найбільш подібні до бункерів за формою та експлуатаційними харак­теристиками пересипні лійки, півбункери й силоси. Пересипні лійки від­різняються від бункерів розмірами і зазвичай не мають затворів. Півбункери відрізняються від бункерів малою глибиною порівняно з розмірами в плані; розміщають півбункери найчастіше неглибоко, на поверхні завантажувальної площадки.

Силосами називають резервуари з вертикальними стінками, які засто­совують для довгострокового зберігання насипних вантажів. Силоси (рис. 2.22) відрізняються від бункерів (рис. 2.23) більшою висотою порівняно з розмірами в плані.

Рис. 2.22 Рис. 2.23

Властивості насипних вантажів

Вибір конструкцій окремих елементів бункерних установок і визна­чення їх параметрів залежить від властивостей насипних вантажів, для яких призначена установка. Характерні властивості насипних вантажів — гранулометричний склад (крупність частинок), вологість, об'ємна (насипна) та питома маса, рухливість та зв'язність частинок, злежуваність, змерзання, опір переміщенню відносно твердих поверхонь, липкість, абразивність, корозійність тощо.

Гранулометричним складом насипного вантажу називають кількісний розподіл частинок, які складають вантаж, за їх крупністю. Крупність частинок визначається їх найбільшим розміром а.

Розрізняють насипні вантажі сортовані та рядові. Сортованими називають вантажі, у яких відношення розмірів найбільших а_тах до розмірів найменших a_min кусків не перевищує 2,5. Якщо таке співвідношення більше 2,5, то насипний вантаж називають рядовим.

Більшість параметрів елементів бункерних установок визначають залежно від розміру типових кусків для певного насипного вантажу. Для сортованих вантажів під розміром типового куска розуміють розмір середнього куска, тобто

(2.119)

Для рядових вантажів розмір типових кусків визначають порізному, залежно від маси групи найбільших кусків.

Насипні вантажі залежно від розмірів типових кусків поділяють на категорії, мм:

крупнокускові — а_Т >160;

середньокускові — 60 < а_T < 160;

дрібнокускові — 10 < а_Т < 60;

крупнозернисті — 2 < а_Т < 10;

дрібнозернисті — 0,5 < а_Т < 2;

порошкоподібні — 0,05 < а_Т < 0,5;

пилоподібні — а_Т < 0,05.

Вологу в насипних вантажах поділяють на такі різновиди:

• хімічно зв'язана з речовиною волога;

• гігроскопічна волога, яку частинки вантажу вбирають з навколишнього повітря;

• зовнішня волога, яку поділяють на плівкову чи молекулярну вологу, що утворює плівки на поверхні частинок, та гравітаційну вологу, яка заповнює пори між частинками насипного вантажу.

Насипні вантажі, які містять лише хімічно зв'язану вологу, називають сухими. Вантажі, які містять гігроскопічну вологу, називають повітряно-сухими, ті, що містять зовнішню вологу, — вологими. Якщо зовнішня волога міститься у вигляді плівок, які обволікають частинки вантажу, такий вантаж називають вогким, за наявності гравітаційної вологи — мокрим.

Вологість насипного вантажу розраховують за формулою

(2.120)

де G₁, G₂ — маса матеріалу відповідно до і після просушування у сушильній шафі.

Об'ємною масою сипучого тіла називають масу одиниці об'єму, яку воно займає. Розрізняють об'ємну масу вільного насипу та об'ємну масу ущільненого насипного вантажу.

Коефіцієнт динамічного ущільнення К_ущ визначається як співвідношення об'ємної маси ущільненого матеріалу ρ_ущ до об'ємної маси вільно насипаного матеріалу ρ₀, тобто

(2.121)

Приблизне середнє значення коефіцієнта динамічного ущільнення можна визначити за формулою

(2.122)

де f — коефіцієнт внутрішнього тертя.

Насипні вантажі за об'ємною масою бувають: легкі — 0,6 т/м³, середні— 0,6... 1,1, важкі— 1,1...2, надзвичайно важкі — від 2 та вище.

Маса насипного вантажу — це середня маса твердих частинок, що складають його. Для визначення маси насипного вантажу в скляну посудину насипають порцію сухого вантажу, наливають рідину, яка змочує, але не розчинює частинок вантажу, ретельно перемішують і визначають об'єм утвореної суспензії. Об'ємну масу р_в визначають за формулою

(2.123)

де G_св — маса порції сухого насипного вантажу; V_сс, V_рд — об'єми відповідно суспензії та рідини.

Рухливість частинок насипного вантажу. Насипні вантажі належать до категорії сипучих тіл. Сипучі тіла відрізняються від рідин тим, що їх частинки обмежено рухливі через значні сили тертя, причому ці сили тим більші, чим вищий тиск у товщі насипного вантажу. На рис. 2.24 лінія ас показує залежність найбільшого граничного дотичного напруження т від нормальної напруги стискання о в сипучому тілі. Кут нахилу лінії ас до осі абсцис φ_σ — це кут внутрішнього тертя насипного вантажу, а тангенс цього кута — коефіцієнт внутрішнього тертя f.

Рис. 2.24

Коефіцієнт внутрішнього зрушення характеризує силу зчеплення частинок вантажу між собою:

(2.124)

де τ₀ — початковий опір зрушенню.

Насипні вантажі, які не мають початкового опору зрушенню (τ₀ = 0), називають легкосипучими. Вантажі, що володіють початковим опором зрушенню то, називають важкосипучими.

Коефіцієнт внутрішнього тертя практично постійний як під час ущільнення вантажів, так і під час їх зволоження. Лише якщо вміст вологи близький до повного насичення пор, коли насипний вантаж уже на грані переходу в суспензію, коефіцієнт внутрішнього тертя різко знижується внаслідок появи великої кількості вільної (гравітаційної) вологи, що відіграє роль змащення.

Рухливість легкосипучих вантажів характеризується також кутом природного укосу. Кутом природного укосу називають найбільший кут, що може утворити вільна поверхня сипучого тіла з горизонтальною площиною (кут а₀, рис. 2.25, а).

Для легкосипучих вантажів кут природного укосу дорівнює куту внутрішнього тертя і не залежить від способу формування укосу.

Рис. 2.25

Значення та можна визначити так (рис. 2.26):

(2.125)

(2.126)

Рис. 2.26

Кут насипу (див. рис. 2.25, б) а можна взяти рівним куту внутрішнього тертя φ_σ та визначити за формулою

(2.127)

Кут обвалення (рис. 2.25, б) визначають за формулою

(2.128)

Бункери

Класифікація бункерів. За формою бункери бувають:

• прямокутні, пірамідальні, з вертикальними стінками, комбіновані;

• круглі (конічні, циліндричні, циліндро-конічні, циліндро-сферичні);

• коритоподібні;

• призматичні і параболічні.

За розміщенням у просторі розрізняють бункери: підвісні, підземні, заглиблені в грунт.

За матеріалом, з якого виготовлені бункери, їх поділяють на металеві, залізобетонні, дерев'яні і комбіновані.

Стікання насипних вантажів з отворів бункерів. Кожен бункер у нижній частині має отвір, з якого витікає матеріал під час вивантаження. Витікання буває гідравлічне, нормальне і мішане.

Якщо матеріал суцільною масою витікає з бункера, це гідравлічний вид витікання (рис. 2.27). Нормальний вид витікання (рис. 2.28) — коли матеріал у вигляді стрижня над отвором рухається в бункері. Комбінація нормального і гідравлічного — мішаний вид витікання (рис. 2.29).

Рис. 2.27 Рис. 2.28 Рис. 2.29

Швидкість гідравлічного витікання

(2.129)

де X. — коефіцієнт витікання; к — висота шару матеріалу над випускним отвором. Швидкість гідравлічного витікання не залежить ні від розміру кусків матеріалу, ні від розміру отворів.

Швидкість нормального витікання

(2.130)

Гідравлічний радіус отвору витікання

(2.131)

де F — площа поперечного перерізу отвору; П — його периметр. З урахуванням розмірів типових кусків вантажу а_т маємо:

— для круглого отвору

(2.132)

— для прямокутного отвору з розмірами (А*В)

(2.133)

— для квадратного отвору з розмірами (А*А)

(2.134)

Швидкість витікання важкосипучих матеріалів залежить від критичного радіусу витікання:

(2.135)

Якщо R> R_кр, швидкість витікання

(2.136)

(2.137)

Якщо R> R_кр,

Коефіцієнт λ має значення:

а) для сухих дрібнозернистих матеріалів:

б) для кускових та крупнозернистих:

в) для пилоподібних матеріалів:

Для вивантаження матеріалів через бічні поверхні бункерів вищенаведені формули використовують з sinα (α — кут нахилу до горизонту днища бункера в зоні випускного отвору).

Утворення склепіння. Утворення склепіння насипних вантажів над випускним отвором бункерів надзвичайно шкідливий фактор.

Розрізняють два види:

• утворення склепіння крупнокускових вантажів, коли випадкова комбінація великих шматків матеріалу в процесі витікання утворює стійке склепіння над отвором;

• утворення склепіння дрібнофракційних вантажів, частинки яких зв'язані між собою.

Поява стійких склепінь в останньому випадку пояснюється тим, що зв'язане сипуче тіло в зоні вільної поверхні може мати великі напруги стискання в площинах, нормальних до вільної поверхні, у той час як у площинах, дотичних до вільної поверхні, напруги дорівнюють нулеві.

Якщо випускний отвір більший за отвір утворення склепіння, то стійке склепіння не може утворитися, і витікання вантажу відбувається безперешкодно. Розмір отвору в разі утворення склепіння визначають з рівняння

(2.138)

де R_ск — гідравлічний радіус отвору в разі утворення склепіння.

Основний засіб боротьби з утворенням склепіння — правильно вибрати розміри випускного отвору.

Внутрішня поверхня стінок бункера в зоні випускного отвору має бути гладкою без виступних частин. Виступні деталі і шорсткість стінок можуть спричинити виникнення склепінь.

Якщо з конструктивних міркувань випускний отвір бункера менший, ніж розрахований отвір утворення склепіння, то над отвором утворюються склепіння. Для руйнування склепінь застосовують різні способи:

• шурувальні операції;

• нанесення ударів по стінках бункерів;

• надання бункеру коливального руху.

Пропускну спроможність бункерів неперервної дії вимірюють кількістю тонн насипного вантажу, що може пройти через випускний отвір за одиницю часу:

(2.139)

де V — швидкість витікання насипного вантажу з отвору бункера; ρ — об'ємна маса; F— площа отвору витікання.

Пропускна спроможність бункерів, які спорожнюються з кожним відкриттям затвора, характеризується часом їх спорожнення t_сп, с:

(2.140)

де G₀ — ємність бункера, т.; W— ємність бункера, м³.

Тиск на стінки бункерів. Тиск вантажу на стінки бункерів залежить від властивостей цього вантажу і від конфігурації бункерів. Для стаціонарних бункерів з вантажами, які за властивостями близькі до рідини, тиск на стінки визначають за формулою

(2.141)

де h — глибина розташування місця на стінці під рівнем матеріалу, для якого визначається нормальний тиск.

Для пересувних, переносних і транспортних бункерів тиск обчислюють за формулою

(2.142)

де k_д — поправковий коефіцієнт, що враховує динамічність навантажен­ня, його визначають за формулою

(2.142)

де j — найбільше прискорення вертикальних коливань посудини, що міс­тить напіврідкий вантаж.

У процесі наповнення бункера насипним вантажем глибоко розміщені шари матеріалу вертикально переміщаються відносно вертикальних стінок. У результаті цього на поверхні зіткнення сипучого тіла зі стінками бункера виникають спрямовані вертикально дотичні напруження. Тому розподіл тисків буде відрізнятися від гідростатичного закону, і тим більше, чим більшою буде глибина занурення порівняно з поперечним розміром.

Загальний вираз для нормального тиску о на вертикальні стінки має такий вигляд:

(2.143)

де ε — коефіцієнт, який враховує вертикальні сили тертя насипного вантажу об стінки бункера, «коефіцієнт зависання»; п — коефіцієнт бокового тиску.

Коефіцієнт бокового тиску вважають рівним коефіцієнтові рухомості т, який визначають за Формулою

(2.144)

де φ_σ – коефіцієнт внутрішнього тертя.

Для легкосипучих вантажів

Коефіцієнт є визначають залежно від значення добутку

(2.145)

де f₁, — коефіцієнт тертя насипного вантажу об стінки посудини; R_δ — гідравлічний радіус бункера:

(2.146)

Тиск легкосипучих вантажів на похилі стінки неглибоких бункерів визначають за формулою

(2.147)

де h — глибина розміщення точки ди напруження під вільною поверхнею насипного вантажу; — кут нахилу стінок до горизонту; т — коефіцієнт рухомості.

Тиск на горизонтальні ділянки днища неглибоких бункерів визначається гідростатичним законом.

Тиск на горизонтальні ділянки днища глибоких бункерів

(2.148)

Тиск на затвори визначають як тиск на горизонтальні стінки бункерів:

Цей тиск можна визначити за формулою:

(2.149)

де k₀ — коефіцієнт, що враховує осооливості експлуатації оункерів.

Для похилих і вертикальних затворів тиск визначають за формулою

(2.150)

де ά — кут нахилу затвора до горизонту.

Для бункерів, які повністю спорожнюють, k₀=2. Для неспорожнюваних повністю k₀=1.

Знаючи середній тиск на затвор σ, можна розрахувати силу G, яка діє на затвор, за формулою:

(2.151)

де F – площа випускного отвору.

Затвори. Затвором називають пристрій для відкривання і закривання випускного отвору бункера.

За способом керування розрізняють затвори ручні і урухомні. Як урухомні застосовують електродвигуни і пневматичні циліндри, рідше гідравлічні двигуни. Конструюючи затвори бункерів, слід прагнути досягти мінімальних габаритів; малої маси затвору; зручності обслуговування; уникнути нещільності, через яку сипучий матеріал може висипатися в закритому положенні; гарантувати безпечну роботу для обслуговуючого персоналу і поліпшення умов праці.

За видом робочого органу затвори поділяють на клапанні, секторні, щелепні, пальцеві, ланцюгові й ін.

Секторні затвори. Секторний затвор (рис. 2.30, 2.31) складається зі штуцера, прикріпленого до фланців випускного отвору бункера болтами, й шарнірної циліндричної заслінки з боковими щелепами у вигляді секторів.

Рис. 2.30 Рис. 2.31

Секторні затвори придатні для перекриття випускного отвору під навантаженням. Виконують їх у вигляді ручних і урухомних затворів, часто з пневматичним урухомником. За розміщенням сектора ці затвори поділяють на прямі й зворотні. За напрямком руху сектора під час відкривання затвора розрізняють: секторні затвори з відкриванням угору й з відкриванням униз.

Розрахунок секторних затворів:

а) без противаги (рис. 2.30).

Найбільше зусилля на ручку Р у момент зрушення сектора з місця визначають за формулою

(2.152)

де Т= Gf₁ — сила тертя; G — сила тиску вантажу на затвор; f₁ — коефіці­єнт тертя насипного вантажу об матеріал; R_с — радіус сектора; R₁ — ра­діус ручки. Момент опору в шарнірі

(2.153)

де G_с— сила тяжіння сектора з ручкою, d — діаметр цапф сектора; f_ц = 0,25 — коефіцієнт тертя в цапфах.

б) з противагою (рис. 6.13).

Зусилля на ручку Р для відкривання визначають за формулою

(2.154)

де G_п – сила тяжіння противаги; R_п – плече противаги.

Живильники. Термін живильник позначає апарат, призначений для рівномірного живлення різних приймальних пристроїв: конвеєрів, дробарок, формувальних машин.

За принципом дії робочих органів бувають такі живильники:

• тяглові (стрічкові, пластинчасті, ланцюгові);

• обертові (гвинтові, тарілчасті, барабанні й лопатеві);

• хитні (плунжерні, маятникові й кареткові).

Стрічкові й пластинчасті живильники. Робочий орган стрічкового живильника — текстильна гумована конвеєрна стрічка, що обгинає два барабани — урухомний й натяжний (рис. 2.32).

Рис. 2.32

Робоча гілка стрічки лежить на опорних роликах чи ковзає по нерухомому металевому настилу, а нижня гілка провисає вільно між барабанами. Над стрічкою розміщено нерухомі борти, що перешкоджають розтіканню матеріалу по обидва боки.

Стрічкові живильники застосовують для транспортування середньокускових й більш дрібних матеріалів, можуть також транспортувати вологі й липкі матеріали за умови застосування очищувальних пристроїв для стрічки. Недолік — не можуть транспортувати гарячі матеріали з температурою, вищою за 70 °С.

Продуктивність стрічкових живильників

(2.155)

де b — відстань між бортами, м; h — висота бортів, м; V — швидкість стрічки, м/с; ρ — об'ємна маса насипного вантажу; i = 0,75...0,8 — коефіцієнт використання об'єму жолоба. Встановлена потужність двигуна, кВт:

(2.156)

де k_з = 0,1... 1,5 — коефіцієнт запасу; ή — ККД урухомника; N₁ — частка потужності на валу урухомного барабана для подолання всіх опорів, крім опорів N₂ і N₃ ; N₂ — опір бортів рухові насипного вантажу, який треться по них; N₃ — опір у зоні активного тиску.

Потужність на валу урухомного барабана, кВт:

(2.157)

де П_р — продуктивність живильника; L — довжина живильника; Н — висота підйому вантажу.

Потужність, яка враховує опір бортів, кВт:

(2.158)

де h — висота шару матеріалу в жолобі; l — розрахункова довжина бор­тів, м; ρ — об'ємна маса насипного вантажу; f₁ — коефіцієнт тертя вантажу об борти; n'— коефіцієнт бокового тиску; V— швидкість стрічки. Потужність, яка враховує опір у зоні активного тиску, кВт:

(2.159)

де G — сила активного тиску вантажу на стрічку.

Кількість прокладок стрічки, які забезпечують умову її міцності:

(2.160)

де i_n — кількість прокладок стрічки; п" — запас міцності; S — найбільший натяг стрічки; В — ширина стрічки; σ_р — напруга на розрив однієї прокладки:

(2.161)

де — к'= 1,5...1,85.

Робочий орган пластинчастого живильника — настил зі сталевих пластин (рис. 2.33), що перекривають одна одну й прикріплені до ланок двох тягових ланцюгів.

Ланцюгам надає руху механічний урухомник за допомогою урухомних зірочок, а відповідний натяг ланцюгів створюється гвинтовим натяжним пристроєм, приєднаним до осі холостих зірочок. Ланцюги забезпечені роликами, які котяться по напрямних шинах. Продуктивність живильника регулюють за допомогою плоского затвору.

Пластинчасті живильники мають перевагу перед стрічковими в тому, що можуть транспортувати важкі крупнокускові насипні вантажі — руду, камінь, що мають високу температуру.

Рис. 2.33

За розміщенням настилу у просторі розрізняють горизонтальні, похилі, горизонтально-похилі живильники.

Продуктивність пластинчастого живильника визначають так само, як і стрічкового, якщо значення коефіцієнта використання об'єму жолоба i = 0,8.

Швидкість руху пластинчастого настилу беруть у межах У = 0,02...0,25 м/с.

Потужність визначають так само, як і для стрічкового живильника, якщо значення к_з = 1,15...1,2, кВт:

(2.162)

де q₀ — сила тяжіння одного метра погонної довжини настилу з ланцюгами й роликами, Н/м; V — швидкість руху настилу; L₂ — горизонтальна проекція номінальної довжини живильника; Н — висота підйому вантажу. Дві останні складові у дужках обчислюють так само, як й для стріч­кового живильника.

Гвинтові живильники. Гвинт живильника (рис. 2.34) розміщено поблизу дна кожуха лотка й занурено в транспортований сипучий матеріал. Під час обертання гвинта матеріал переміщується в напрямку до випускного отвору лотка, причому під впливом гвинта й сил тертя об стінки лотка частинки матеріалу рухаються по криволінійній траєкторії, яка має вигляд гвинтової лінії.

Рис. 2.34

Гвинтові живильники застосовують для переміщення легкосипучих матеріалів — від дрібнокускових до пилоподібних, причому шматки дрібнокускових вантажів мають бути невеликої твердості й абразивності.

Перевага гвинтових живильників — герметичність; недолік — швидке спрацювання гвинта й лотка.

Продуктивність гвинтових живильників, т/г:

(2.163)

де D — діаметр гвинта, м; S — крок гвинта; n₀ —обертова частота гвинта; i — коефіцієнт використання об'єму жолоба. Потужність двигуна, кВт:

(2.164)

де к_з = 1,1...1,2; к₁ — коефіцієнт, який враховує умови роботи гвинта; L₂ — довжина горизонтальної проекції шляху переміщення; W — коефіцієнт опору, W = 1,5.. .4; Н— висота підйому вантажу.