Спосіб сепарування сипучої суміші у текучому середовищі та пристрій для його здійснення

1. Спосіб сепарування сипучої суміші у текучому середовищі, що полягає у гравітаційному подаванні часток суміші, що підлягає сепаруванню, аеродинамічному діянні на них під гострим C2 2 (11) 1 3 У відомих способі та пристрої діяння потоком повітря на окремо взяту частинку сипучої суміші учиняється одноразово і тільки з одного випадкового боку частинки. Тому якість (точність) процесу сепарування є дуже низькою і приблизною. З цієї причини подібні способи та пристрої використовують, головним чином, для попереднього очищення сипучої суміші від легких домішок, що і є їхніми суттєвим недоліком. Відомий також спосіб сепарування сипучої суміші у текучому середовищі, що полягає у гравітаційному подаванні часток суміші, аеродинамічному монотонно зростаючому діянні на них під гострим кутом до вертикалі каскадом плоских струменів і виводі готових фракцій. При цьому діяння на частки суміші здійснюють у режимі вільного знакозмінного силового сканування із зростанням амплітуди та кута сканування. Пристрій для здійснення зазначеного способу містить бункер з віброкотком, встановлений під ним генератор струменів повітря, з розташованими одне під одним і під гострим кутом до вертикалі плоскими соплами, висота поперечних перерізів яких, крок і кут встановлення, збільшуються зверху донизу. При цьому генератор зв'язаний з джерелом постачання в нього повітря під тиском та генератор охоплений боковими стінками. Пристрій має збірники фракцій, які розташовані під соплами [див. UA 45881 A, 15.04.2002. Бюл.№4]. У цьому відомому способі розділення часток сипучої суміші відбувається за рахунок різниці співвідношення їх ваги і сили аеродинамічного опору. Цей спосіб, завдяки особливому режиму діяння струменів повітря на частинки суміші, більш точний і більш стабільний у часі, особливо при сепаруванні часток неправильної форми. Це стало можливим тому, що діяння потоком каскаду струменів у режимі сканування дозволяє багаторазово та різноспрямовано впливати майже на кожну частинку сипучої суміші. Але відомі спосіб сепарування та пристрій мають наступні недоліки. Знакозмінний і вільний режим роботи каскаду струменів призводить до періодичного, нестабільного у часі і просторі виникнення у ньому зон тиску та розрідження з появою прямих і зворотних течій. У зоні зворотних течій відбувається втягування часток (особливо легких) у рух, зворотний руху основного потоку повітря, що призводить до часткового змішування вже відсепарованого матеріалу з невідсепарованим. Нестабільність у часі цього явища, врешті-решт, призводить до розмикання (розриву) каскаду струменів у будь-якому випадковому місці, що ще більшою мірою підсилює зворотну течію у цій зоні і, як результат, інтенсифікує змішування відсепарованого матеріалу з невідсепарованим. Крім того, розмикання каскаду струменів повітряного потоку сприяє зриву генерації (припиненню коливального процесу), що помітно знижує якість сепарування, наближаючи його до якості сепарування звичайною віялкою. Вказані недоліки відомого способу обумовлені невдосконаленістю конструкції пристрою для його здійснення, зокрема конструкції його генератора струменів повітря. 97423 4 Найбільш близькими за своєю суттю та які приймаються за найближчі аналоги (прототипи) є спосіб сепарування сипучої суміші у текучому середовищі та пристрій для його здійснення, суть яких полягає у наступному. Спосіб сепарування сипучої суміші у текучому середовищі, що полягає у гравітаційному подаванні часток суміші, що підлягає сепаруванню, аеродинамічному монотонно зростаючому діянні на них під гострим кутом до вертикалі каскадом плоских струменів, попередньо злитих, та за рахунок розширення повітряними струменями розвиненої турбулентності з утворенням циркуляційних зон і виводі готових фракцій, при цьому аеродинамічне діяння здійснюють у режимі резонансного автоколивального руху кожного струменя і усього каскаду струменів на частоті першої гармоніки коливань. Пристрій для реалізації цього описаного способу сепарування сипучої суміші у текучому середовищі містить бункер з віброкотком, встановлений під ними генератор струменів, з розташованими одне під одним та під гострим кутом до вертикалі плоскими соплами, висота поперечних перерізів яких, крок і кут встановлення збільшуються зверху донизу, а також генератор, зв'язаний з джерелом постачання повітря під тиском та охоплений боковими стінками для запобігання підсмоктуванню повітря з довкілля у генератор, крім того, пристрій містить сепарувальну камеру, під якою розташовані збірники фракцій, а також кожна пара суміжних сопел оснащена резонансною камерою, сполученою з їх міжсопловим простором. Резонансні камери, в свою чергу, оснащені пристроєм для регулювання їх об'єму, причому відношення висоти поперечного перерізу сопел до кроку їх встановлення знаходиться в межах 0,2-0,25, а відношення крайнього верхнього та крайнього нижнього кутів встановлення сопел 0,65-0,75 [див. UA 60254 A, 15.07.2005. Бюл.№7]. Основний недолік відомого способу сепарування сипучої суміші у текучому середовищі полягає в тому, що зони розвиненої турбулентності формують плоскими струменями. Саме ця обставина обмежує продуктивність відомого процесу сепарування сипучої суміші та якість розділення її на окремі фракції. Суть цього недоліку пояснюється наступним. Як загальновідомо, якість сепарування при аеродинамічному діянні на частки суміші каскадом струменів повністю залежить від кількості та розміру циркуляційних зон: чим більша кількість струменів та, через те, кількість вказаних циркуляційних зон, тим вище якість розділення суміші на фракції. У даному способі кількість плоских струменів мінімальна, та визначається висотою генератора, а розміри циркуляційних зон максимальні, оскільки ширина кожного струменя дорівнюється ширині генератора. Отже, зазначені параметри струменів (їхня кількість та ширина, через які утворюється відповідна кількість циркуляційних зон) і визначають продуктивність та якість процесу сепарування, які вони закладені у конструкції (кількість та розміри) генератора струменів, таку продуктивність і якість матиме і спосіб. Підвищити ж продуктивність та якість процесу се 5 парування через збільшення швидкості течії повітря у струменях не є можливим, оскільки при збільшенні швидкості повітря спостерігається погіршення якості процесу сепарування через те, що більшість часток суміші не буде потрапляти у відповідні збірники фракцій (вони будуть просто здуватися повітрям на дальшу відстань, ніж потрібно). Отже, у відомому способі необхідно здійснювати процес сепарування на малих швидкостях повітря, що забезпечує лише мінімальну продуктивність. До того ж, величезні розміри струменів потребують відповідної величезної витрати повітря для забезпечення зливання струменів, відповідно до законів аеродинаміки, а це, у свою чергу, призводить до невиправданого збільшення енерговитрат на процес сепарування сипучої суміші. Крім того, у відомому способі неможливо зменшити розміри циркуляційних зон та підвищити ступінь турбулентності, оскільки для процесу сепарування застосовуються безперервні струмені, через неможливість їх переривання у часі та просторі. Вказані недоліки відомого способу сепарування сипучої суміші у текучому середовищі викликані конструктивною невдосконаленістю пристрою, за допомогою якого він здійснюється, а саме. В конструкції пристрою застосований "щілинний" генератор струменів каскаду плоских струменів. Його сопла виконані у вигляді горизонтальних щілин на вертикальній стінці генератора на всю ширину сепарувальної камери. Сумарна площа щілинних сопел достатньо велика та потребує достатньо великої витрати повітря. До того ж, конструкція відомого генератора струменів нерухома, що не дозволяє переривати каскад струменів у часі для забезпечення течії повітря через сопла у пульсуючому режимі. Це не дає можливості подальшого розвинення турбулентності чи підвищення якості сепарування сипучої суміші у текучому середовищі. Зазначені вище недоліки, що притаманні відомому способу сепарування сипучої суміші у текучому середовищі, зв'язані з конструктивними недоліками пристрою, за допомогою якого він здійснюється, зокрема з конструкцією його генератора каскаду повітряних струменів. В основу винаходу поставлена задача підвищення продуктивності способу аеродинамічного сепарування та підвищення якості розділення сипучої суміші на окремі фракції шляхом формування діючої (що впливає на суміш) повітряної системи із окремих рухомих разом струменів і збільшення кількості циркуляційних зон та з одночасним зменшенням їх розмірів за рахунок зміни конструкції генератора струменів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі сепарування сипучої суміші у текучому середовищі, що полягає у гравітаційному подаванні часток суміші, що підлягає сепаруванню, аеродинамічному діянні на них під гострим кутом до вертикалі аеродинамічним потоком, який має циркуляційні зони, і відводі готових фракцій, згідно з пропозицією, аеродинамічний потік формують у вигляді рухомих знизу доверху системи окремих струменів, які аеродинамічно взаємодіють між собою завдяки розширенню та ефекту Коанда, а 97423 6 циркуляційні зони утворюють рівновеликими і у вигляді тороїдів, кожний з яких концентричний власному струменю. Поставлена задача вирішується також і тим, що в відомому пристрої для реалізації запропонованого способу сепарування сипучої суміші у текучому середовищі, який містить бункер з вібролотком, встановлений під ним генератор струменів, який пов'язаний з приводом подачі повітря під тиском, сепарувальну камеру, під якою розташовані збірники фракцій, згідно з винаходом, генератор струменів виконаний у вигляді пустотілого примусово обертового дірчастого барабана, твірна поверхня якого має множину відокремлених один від іншого протоків для формування системи окремих струменів, причому сепарувальна камера та привід подачі повітря під тиском пов'язані між собою крізь вказаний барабан діаметрально. Крім того, у запропонованому пристрої для сепарування сипучої суміші у текучому середовищі, зокрема у барабані, протоки для формування системи струменів можуть бути виконані у вигляді патрубків, закріплених на твірній поверхні обертового дірчастого барабана під гострим кутом до її дотичної у напрямі, співпадаючому із напрямом обертання вказаного барабана. Відмітними особливостями запропонованого способу є можливість максимально зменшити розміри циркуляційних зон та максимально збільшити їх кількість, що, у підсумку, дозволяє максимально розвинути турбулентність, завдяки якій суттєво зростає якість сепарування сипучої суміші, а також завдяки збільшенню швидкості течії повітря у системі повітряних струменів зростає продуктивність способу сепарування, причому без впливу швидкості течії повітря на якість процесу розділення сипучої суміші на окремі фракції. Крім того, рухання системи струменів догори, ніби підтримує (підкидає, вимагає вібрувати) частки сипучої суміші у вільному польоті, тобто під час перебування у зоні сепарування, що дозволяє збільшити загальний час аеродинамічного впливу на частки суміші та саме так підвищити ще більшою мірою якість процесу розділення сипучої суміші на окремі фракції. Відмітною особливістю запропонованого пристрою є, по-перше, застосування нелінійних ("щілинних") сопел (каналів для формування каскаду струменів), а точкових ("колових") проток, що дозволило збільшити у рази кількість струменів у повітряній системі, та, відповідно, кількість рівновеликих циркуляційних зон у вигляді тороїдів, які повністю заповнюють простір між струменями, за рахунок чого підвищується якість сепарування та продуктивність пристрою внаслідок можливості збільшення швидкості течії повітря у струменях, і, по-друге, виконання генератора струменів у вигляді пустотілого примусово обертового дірчастого барабана дозволяє системі струменів задати пульсуючий режим, що дозволило досягти суцільності аеродинамічного потоку (системи) за шириною сепарувальної камери та утворити повітряну "подушку" для підтримання чи підкидання часток сипучої суміші у зоні аеродинамічного впливу на них, що, у свою чергу, дозволило ще більшою мі 7 рою підвищити якість розділення на фракції сипучої суміші. Діаметральне подання повітря у порожнину примусово обертового дірчастого барабана повітря дозволяє не переламувати чи згинати за напрямом повітряний потік та через це не втрачати його кінетичну енергію. При виконанні проток у вигляді патрубків, закріплених на твірній поверхні обертового дірчастого барабана під гострим кутом до її дотичної у напрямі, співпадаючому із напрямом обертання вказаного барабана, дозволяє розширити технічні можливості запропонованого пристрою шляхом зміни розмірів, форми та кута встановлення вказаних патрубків. Технічним результатом винаходу є отримання нового процесу впливу на сипучу суміш під час сепарування рухомою системою повітряного потоку з максимальною розвиненою турбулентністю, отриманою за рахунок формування у повітряній системі безлічі рівновеликих циркуляційних зон в вигляді тороїдів, які утворюються завдяки конструктивним змінам генератора струменів у пристрої для здійснення запропонованого процесу, зокрема, використанням у його конструкції пустотілого обертового дірчастого барабана, що встановлений поміж пристроєм для подачі повітря під тиском та сепарувальною камерою. Це, разом, дозволило суттєво підвищити якість процесу сепарування та продуктивність пристрою, який використовується для запропонованого процесу. Отже, зміна принципу формування системи повітряного потоку з окремих струменів та заміна статичного (нерухомого) струменевого генератора на динамічній (рухомий) безумовно приводить до підвищення продуктивності способу аеродинамічного сепарування та підвищення якості розділення сипучої суміші на окремі фракції. Таким чином, уся сукупність суттєвих ознак запропонованого технічного рішення забезпечує досягнення поставленої задачі винаходу. Подальша суть винаходу пояснюється разом з ілюстративним матеріалом, на якому зображено наступне: фіг.1 - схема запропонованого пристрою для здійснення запропонованого способу сепарування сипучої суміші у текучому середовищі, вигляд збоку з перерізом для кращого показу конструкції; фіг.2 - вигляд спереду на пустотілий рухомий дірчастий барабан; фіг.3 - вигляд з торця на пустотілий рухомий дірчастий барабан з патрубками всередині, розташованими під гострим кутом у напрямі, співпадаючим з напрямом обертання барабана. Одинарними стрілками на фіг. 1 показаний рух повітряного потоку у пристрої, подвійними - вихід готових фракцій. Запропонований пристрій для сепарування сипучої суміші у текучому середовищі складається з бункера 1 з вібролотком 2 для гравітаційного подавання часток 3 сипучої суміші у зону сепарування, тобто безпосередньо у сепарувальну камеру 4. Під вібролотком 2 встановлений генератор струменів 5, який виконаний у вигляді пустотілого примусово обертового дірчастого барабана 6, твірна поверхня якого має множину відокремлених одна від одної проток 7 для формування системи окремих струменів. Генератор струменів 5 відокремлює сепарувальну камеру 4 від приводу 8 97423 8 аеродинамічної подачі повітря під тиском у генератор струменів 5, причому обертовий дірчастий барабан 6 розвернутий до них своєю твірною, тобто сепарувальна камера 4 та привід 8 розташовані діаметрально відносно до барабана. Сепарувальна камера 4 являє собою замкнений об'єм, утворений боковими та верхньою стінками, з отвором 9 при кінці для виходу відпрацьованого повітря. Під цією сепарувальною камерою 4 розташовані збірники фракцій 10. Запропонований спосіб сепарування сипучої суміші у текучому середовищі за допомогою запропонованого пристрою здійснюють таким чином (на прикладі сепарування зернового матеріалу). Зерновий матеріал завантажують у бункер 1. Далі проводять гравітаційне подавання часток 3 зернового матеріалу, що підлягає сепаруванню, у сепарувальну камеру 4 з боку розташування генератора струменів 5. Для здійснення цієї операції використовують вібролоток 2. На частки 3 сипучої суміші зернового матеріалу, що знаходяться у вільному падінні, діють під гострим кутом до вертикалі аеродинамічним потоком повітря, сформованим у вигляді рухомих знизу доверху системи окремих струменів, які аеродинамічно взаємодіють між собою завдяки розширенню та ефекту Коанда. Турбулентності аеродинамічному потоку додають ще й рівновеликі циркуляційні зони, що утворюються у вигляді тороїдів, кожний з яких концентричний кожному окремому струменю. Частки 3 сипучої суміші зернового матеріалу, перебуваючи під впливом турбулентного аеродинамічного потоку, багаторазово обертаються навколо себе (тому їхня форма не має значення для процесу сепарування), підтримуючись у потоці деякий час завдяки його переміщенню знизу доверху, та поступово, пронизуючи донизу потік, якісно розділяються та гарантовано потрапляють у відповідний збірник фракцій 10. Зрозуміло, в залежності від виду сипучої суміші, її вихідного стану, швидкості повітряного потоку (потужності приводу 8), кількість, форма та розміри проток 7 у барабані 6 можуть бути різною, а також в них можуть бути закріплені будь-яким відомим способом патрубки 11 різноманітної конструкції, які перетворюють конструкцію дірчастого барабана 6 у сопловий барабан. Завдяки нахилу патрубків 11, можна збільшити загальну висоту аеродинамічного потоку та, відповідно, збільшити кількість фракцій розділення. Суттєва відмінність запропонованого технічного рішення від раніш відомих, полягає у новому формуванні "робочого" аеродинамічного потоку повітря з системи окремих рухомих знизу доверху окремих струменів, а також в тому, що генератор струменів пристрою виконаний у вигляді примусово обертового пустотілого дірчастого барабана з протоками на твірній його поверхні. Вказані відмінності, у сукупності, дозволяють суттєво збільшити турбулентність аеродинамічного потоку повітря, утворити підтримуючий шар повітря, що, у підсумку, дозволяє значно підвищити якість процесу сепарування та продуктивність пристрою. Жодний з відомих способів сепарування та пристрої для їх здійснення не мають вказаних властивостей, оскі 9 льки майже всі пристрої мають конструктивно нерухомі струменеві генератори, переважно з щілинними соплами, а відомі способи вичерпали свої можливості подальшого розвинення турбулентності, а якщо вона таки і є, то з великими циркуляційними зонами. Тому їхні технічні можливості опиняються обмеженими. Запропоноване технічне рішення перевірене на практиці, базується на використанні звичайних деталей і вузлів, не містить елементів або процесів, яких неможливо було б відтворити на сучасному етапі розвитку науки і техніки, з чого виходить, що воно промислово придатне. У відомих джерелах інформації не виявлено подібних способів сепарування та пристроїв для їх здійснення аналогічного призначення з вказаними відмітними суттєвими ознаками та перевагами, що є підтвердженням досягнення зазначеного технічного результату, а тому дане технічне рішення вважається таким, що може одержати правовий захист. До технічних переваг запропонованого технічного рішення, у порівнянні з найближчим аналогом, можна віднести наступне: - отримання аеродинамічного потоку з більш розвиненою турбулентністю за рахунок його формування із системи окремих струменів з одночасним утворенням великої кількості рівновеликих циркуляційних зон у вигляді тороїдів; - зменшення витрати повітря через зменшення сумарної площі проток у порівнянні з щілинними соплами; - зменшення енерговитрат на формування аеродинамічного потоку з цієї ж самої причини; - збільшення часу перебування суміші у активній зоні аеродинамічного потоку за рахунок його постійного переміщення знизу доверху; - підвищення якості сепарування сипучої суміші за рахунок збільшення турбулентності аеродинамічного потоку, часу перебування часток суміші у ньому, збільшення рухомості часток суміші, тобто впливу на них аеродинамічного потоку; - розширення техніко-функціональних можливостей пристрою за рахунок виконання його генератора струменів обертовим пустотілим дірчастим барабаном; - підвищення продуктивності процесу сепарування за рахунок можливості додання швидкості аеродинамічному потоку. Соціальний ефект від впровадження винаходу, у порівнянні з використанням найближчого аналога, отримують за рахунок підвищення якості про 97423 10 цесу сепарації сипучої суміші, через що отримають більшу кількість у кожній фракції відсепарованого матеріалу. Також зникає необхідність повторного сепарування неякісно розділеної суміші. Економічний ефект від впровадження винаходу, у порівнянні з використанням найближчого аналога, отримують через підвищення продуктивності пристрою, що, у підсумку, зменшує чисто технологічний час його експлуатації та витрати енергії. Після опису запропонованого способу сепарування сипучої суміші у текучому середовищі та пристрою для його здійснення, фахівцям у даній галузі знань повинно бути зрозумілим, що все вищеописане є лише ілюстративним, а не обмежувальним будучи представленим даним прикладом. Численні можливі модифікації елементів пристрою, зокрема конструкції барабана генератора струменів, їх розміри можуть змінюватися у залежності від виду і стану вихідної сировини, що підлягає сепаруванню, ступеня забруднення сировини, виду та властивостей забруднень, та, зрозуміло, знаходяться в межах об'єму одного із звичайних і природних підходів в даній області знань і розглядаються такими, що знаходяться в межах об'єму запропонованого технічного рішення. Квінтесенцією запропонованого технічного рішення є те, що завдяки виконанню генератора струменів у вигляді дірчастого обертового барабана, вдалося збільшити турбулентність аеродинамічного потоку, залишати суміш тривалий час у активній частині сепарувальної камери, інакше впливати системою струменів на матеріал, що піддається сепаруванню, і саме ці обставини дозволили запропонованим способу сепарування та пристрою для його здійснення отримати перераховані вище та інші переваги. Зміна запропонованого принципу формування аеродинамічного потоку із системи окремих струменів на інші, природно, обмежує спектр переваг, перерахованих вище, і не може вважатися новими технічними рішеннями в даній області знань, оскільки інші, подібні описаним способу сепарування та пристрою для його здійснення, вже не вимагатимуть будь-якого творчого підходу від конструкторів і інженерів, адже тому і не можуть вважатися результатами їх творчої діяльності або новими об'єктами інтелектуальної власності, відповідними до захисту охоронними документами згідно з чинним законодавством. 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 97423 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601