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

Реферат: Винахід належить до способів і пристроїв для повітряної або рідинної сепарації сипких матеріалів і може бути використаний у харчовій, хімічній та інших галузях промисловості, а також в сільському господарстві для підготовки насіння до посіву і для селекційних цілей. Спосіб сепарації сипучої суміші в текучому середовищі полягає у гравітаційному подаванні частинок суміші, аеродинамічному монотонно зростаючому впливі на них під гострим кутом до вертикалі каскадом турбулентних повітряних струменів, що розширюються, і відводі готових фракцій. При цьому нижню плоскість струменів, за рахунок ефекту Коанда та позитивного зворотного зв'язку з повітрям у міжструминному просторі, приводять до автоколивального руху за всією шириною з подальшим аперіодичним силовим впливом на верхню площину нижче розташованого струменя. Пристрій включає бункер з вібролотком для гравітаційного подання суміші в зону сепарації, встановленим під ним струминним генератором, з розташованими одне під іншим плоскими соплами різної величини, які утворені верхньою і нижньою плоскими стінками і охоплені бічними стінками камери сепарації, та збірники фракцій. При цьому верхня і нижня стінки кожного сопла розташовані під гострим кутом одна до одної, причому ширина UA 113349 C2 (12) UA 113349 C2 верхньої стінки становить не менше 3,5 розміру висоти найменшого поперечного перерізу сопла, а ширина нижньої стінки - порівнянна з нею. Розширення техніко-технологічних можливостей та підвищення якості сепарації матеріалів незалежно від форми частинок. UA 113349 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способів і пристроїв для повітряної або рідинної сепарації сипких матеріалів і може бути використаний у харчовій, хімічній та інших галузях промисловості, а також в сільському господарстві для підготовки насіння до посіву і для селекційних цілей. Відомий спосіб сепарації сипучої суміші у текучому середовищі, який полягає у поданні часток матеріалу, що підлягає сепаруванню, з однаковою швидкістю, впливі на них однорідним потоком повітря і виведенні готових фракцій [див. а.с. СРСР № 1176976 з класу В07В 4/02 опубліковане 07.09.85 року у Бюл. № 33]. Основним недоліком відомого способу сепарації є низька якість кінцевого від сепарованого матеріалу, яка наближається до якості, яку можна отримати при звичайному віянні. Більш кращий результат можна отримати при використанні способу сепарації сипучої суміші в текучому середовищі, який полягає у гравітаційному поданні часток сипучої суміші, аеродинамічному монотонно зростаючому впливі на них під гострим кутом до вертикалі каскадом плоских струменів і виведенні готових фракцій. При цьому вплив на частки суміші здійснюють у режимі вільного знакозмінного силового сканування із зростанням амплітуди і кута сканування. Пристрій для здійснення зазначеного способу містить бункер з вібролотком, встановлений під ними генератор повітряних струменів, з розташованими один під одним і під гострим кутом до вертикалі плоскими соплами, висота поперечних перерізів яких, крок і кут установки, збільшуються зверху вниз. При цьому генератор пов'язаний з джерелом подачі повітря під тиском і охоплений бічними стінками. Пристрій має збірники фракцій, розташовані під соплами [див. пат. України № 45881 з класу В07В 4/02 опублікований 15.04.2002 року у Бюл. № 4]. У цьому способі поділ частинок відбувається за рахунок різниці співвідношення їх ваги та сили аеродинамічного опору. Цей спосіб, завдяки особливому режиму впливу струменів на суміш, більш точний і більш стабільний у часі, особливо при сепарації часток неправильної форми. Це стало можливим тому, що вплив потоком каскаду струменів у режимі сканування дозволяє багаторазово і різнонаправлено підійти до кожної частинки сипучої суміші. Але відомий спосіб сепарації сипучої суміші та пристрій для його здійснення мають такі недоліки. Знакозмінний і вільний режим роботи каскаду струменів невідворотно призводить до періодичного, нестабільного у часі і просторі виникнення в ньому зон тиску і розрідження з появою прямих і зворотних течій. У зоні зворотних течій відбувається втягування частинок (особливо легких) у напрямок, зворотний руху основного потоку, що призводить до часткового їх змішування з вже відсепарованим матеріалом. Нестабільність у часі цього явища, у підсумку, призводить до розмикання (розриву) каскаду струменів у будь-якому випадковому місці, що ще більше підсилює зворотну течію у цій зоні і, як результат, інтенсифікує процес змішування відсепарованого матеріалу з ще невідсепарованим. Крім того, розмикання сприяє зриву генерації (припиненню коливального процесу), що помітно знижує якість сепарації, наближаючи його до якості сепарації зазвичай віялкою. Відомий також спосіб сепарації сипучої суміші у текучому середовищі, що полягає у гравітаційній подачі частинок, аеродинамічному монотонно зростаючому впливі на них під гострим кутом до вертикалі каскадом плоских струменів і виведенні готових фракцій, при цьому аеродинамічний вплив здійснюють в режимі резонансного автоколивального руху кожного струменя і всього каскаду струменів на частоті першої гармоніки коливань. Пристрій для реалізації описаного способу сепарації сипучої суміші у текучому середовищі містить бункер з вібролотком, встановлений під ними генератор повітряних струменів, з розташованими один під одним та під гострим кутом до вертикалі плоскими соплами, висота поперечних перерізів яких, крок і кут встановлення збільшуються зверху вниз, та який пов'язаний з джерелом постачання повітря під тиском і охоплений бічними стінками, та збірники фракцій, а кожна пара суміжних сопел оснащена резонансною камерою, пов'язаною з їх міжсопловим простором. Крім того, камери оснащені пристроєм для регулювання їх об'єму, причому співвідношення висоти поперечного перерізу сопел до кроку їх установки знаходиться в межах 0,2-0,25, а співвідношення крайнього верхнього і крайнього нижнього кутів установки сопел - 0,65-0,75 [див. пат. України № 60254 з класу В07В 4/02, А01F 12/44 опублікований 15.07.2005 року у Бюл. № 7]. Використання каскаду плоских струменів для процесу сепарації, безумовно, забезпечує достатню якість розділення сипучої суміші на фракції, але лише в тому випадку, коли зазначений каскад струменів знаходиться в автоколивальному режимі взаємодії один з одним на частоті першої гармоніки. Але утворення автоколивального режиму потребує оснащення пристрою резонансними камерами, що, природно, ускладнює пристрій. До того ж, для точного виходу на резонансну частоту, резонансні камери оснащені регуляторами їх об'єму, а виключення можливості виникнення автоколивального процесу на частотах вищих гармонік 1 UA 113349 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 змушує досить точно витримувати крок і кути встановлення сопел. Отже, незважаючи на те, що описаний спосіб сепарації сипучої суміші у текучому середовищі забезпечує необхідну якість розділення суміші на фракції, але його реалізація потребує суттєвого ускладнення пристрою і його застосування, зокрема, у регулюванні об'єму резонансних камер, що і є їх взаємопов'язаним недоліком. Спростити ж пристрій, без відмови використання каскаду плоских струменів, можна лише за умови зміни принципу формування такого каскаду. Найбільш близькими за своєю суттю та ефекту, що досягається, і які приймаються за найближчі аналоги (прототипи), є спосіб сепарації сипучої суміші у текучому середовищі та пристрій для реалізації способу. Спосіб сепарації сипучої суміші у текучому середовищі, що полягає у гравітаційному поданні частинок суміші, аеродинамічному монотонно зростаючому впливі на них під гострим кутом до вертикалі каскадом плоских струменів і виведенні готових фракцій, причому перед аеродинамічним впливом на частинки суміші, течію кожного струменя переводять у режим розвитої турбулентності шляхом розширення їх по вертикалі до стуляння один з одним зі збійною або близькою до неї формою течії і утворенню на початку кожного міжструминного простору всіх суміжних струменів не менш двох циркуляційних зон, які відрізняються за величиною. Пристрій для реалізації вказаного способу сепарації сипучої суміші у текучому середовищі містить бункер з вібролотком, встановлений під ним генератором, з розташованими одне під іншим та під гострим кутом до вертикалі плоскими соплами, висота поперечних перерізів яких, крок і кут установки збільшується зверху вниз, і який пов'язаний з джерелом подачі повітря під тиском та охоплений бічними стінками, і збірки фракцій, причому кожне сопло забезпечено прямокутною жорсткою стінкою, що примикає до нього зверху за всією шириною [див. пат. Росії № 2403096 з класу В07В 4/02, В07В 11/00 опублікований 10.11.2010 року]. Використання високотурбулентних плоских струменів для процесу сепарації, безумовно, забезпечує дуже високу якість поділу сипучої суміші на фракції за питомою вагою. Проте, даним способом не вдається розділяти сипучу суміш, що складається з частинок, довжина яких у кілька разів перевищує їх ширину (наприклад, насіння тонконога лугового, пасовищного пирію, острабезостого, вівса тощо), тобто виконувати трієрні функції, оскільки "биті" насіння мають таку ж питому вагу, що й цілі. Оскільки відомий спосіб сепарації не може впливати на насіння іншим каскадом турбулентних струменів, що обумовлено конструкцією сопел пристрою, ці відомі об'єкти техніки мають обмежені функціональні можливості, які обмежують область їх застосування, що і є їхнім спільним техніко-технологічним недоліком. В основу винаходу поставлена задача створення способу сепарації сипучої суміші у текучому середовищі та пристрою для його здійснення, що забезпечать розподілення подовжених часток, як за питомою вагою, і з їхньою довжиною за рахунок зміни умов аеродинамічного впливу на насіння, що знаходиться у вільному польоті шляхом зміни взаємної просторової орієнтації і розмірів плоских стінок у генераторі каскаду повітряних струменів. Рішення поставленої задачі досягається тим, що в способі сепарації сипучої суміші у текучому середовищі, що полягає у гравітаційному подаванні частинок суміші, аеродинамічному монотонно зростаючому впливі на них під гострим кутом до вертикалі каскадом турбулентних повітряних струменів, що розширюються, і відводі готових фракцій, згідно з винаходом, нижню плоскість струменів, за рахунок ефекту Коанда та позитивного зворотного зв'язку з повітрям у міжструминному просторі, приводять до автоколивального руху за всією шириною з подальшим аперіодичним силовим впливом на верхню площину нижче розташованого струменя. Рішення поставленої задачі досягається також і тим, що у пристрої для сепарації сипучої суміші у текучому середовищі, який включає бункер з вібролотком для гравітаційного подання суміші в зону сепарації, встановленим під ним струминним генератором, з розташованими одне під іншим плоскими соплами різної величини, які утворені верхньою і нижньою плоскими стінками і охоплені бічними стінками камери сепарації, та збірники фракцій, згідно з винаходом, верхня і нижня стінки кожного сопла розташовані під гострим кутом одна до одної, причому ширина верхньої стінки становить не менше 3,5 розміру висоти найменшого поперечного перерізу сопла, а ширина нижньої стінки - порівнянна з нею. Відмінною особливістю запропонованого способу сепарації сипучої суміші у текучому середовищі є використання ефекту Коанда і позитивного зворотного зв'язку струменів з повітрям у міжструминному просторі для переведення нижньої площини кожного струменя у автоколивальний рух з подальшим аперіодичним силовим впливом на верхню площину нижче розташованого струменя. Таке формування струменів дозволяє надавати аеродинамічний вплив на частки суміші не тільки в напрямку сумарного повітряного потоку, але й в напрямку коливання струменів, що, за 2 UA 113349 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 рахунок сил інерції і поздовжнього обертання частинок, вистроює їх переважно довгою віссю уздовж сумарного повітряного потоку. Оскільки Міделеві перерізи "битої" і цілої частинок, в цьому випадку опиняються однаковими, то відбувається винесення "битих" частинок повітряним потоком, як більш легких у відповідний для них збірник фракцій. При цьому зберігається і, навіть, поліпшується якість сепарації за питомою вагою, частинок кулястої і еліпсоїдної форм. Технічним результатом винаходу є можливість шляхом внесення незначних змін до розмірів і просторового взаємного розташування стінок сопел, змінити характер витікання і властивостей повітряних струменів, тепер здатних розділяти на фракції як насіння звичайної форми, так і подовженої, виділяючи з них "биті" (неякісні) насіння і, саме так, значно розширити функціональні можливості об'єктів техніки, що заявляються, отже, і області їх спільного використання. Таким чином, уся сукупність суттєвих ознак запропонованих технічних рішень разом забезпечує досягнення поставленої мети, сформульованої у постановці задачі. Подальша суть заявлених технічних рішень пояснюється кресленнями, на яких зображено наступне: фіг. 1 - схема пристрою для здійснення способу сепарації сипучої суміші у текучому середовищі, що заявляється; фіг. 2 - вигляд по стрілці А на фіг. 1 (переріз сопла). Пунктирними лініями показано рух повітряних струменів в зоні сепарації. Пристрій для здійснення способу сепарації сипучої суміші у текучому середовищі складається з бункера 1 з вібролотком 2 для гравітаційного подання частинок суміші в зону сепарації. Під вібролотком 2 встановлений струминний генератор 3, що являє собою замкнутий об'єм з набором ряду плоских сопел 4. Кожне сопло 4 утворене верхньою стінкою 5 і нижньою стінкою 6. Усі сопла закриті по торцях бічними стінками камери сепарації 7 для виключення підсмоктування повітря з атмосфери, яке неминуче призведе до зриву генерації струменів. Генератор 3 пов'язаний з джерелом подачі в нього повітря під тиском Р. Кількість сопел 4 залежить від необхідної продуктивності пристрою, але не може бути менше трьох. Висота поперечного перерізу сопел 4 h3 і крок Z3 між соплами 4 збільшуються зверху донизу. Верхня стінка 5 і нижня стінка 6 кожного сопла 4 розташовані під гострим кутом α4 одна до іншої. Ширина верхньої стінки 5 становить не менше 3,5 розмірів висоти найменшого поперечного перерізу сопла 4, а ширина нижньої стінки 6 - порівнянна з нею. До генератора 3 з боку сопел 4 прилягають збірники фракцій 8. Запропонований спосіб сепарації сипучої суміші у текучому середовищі з використанням описаного вище пристрою здійснюється наступним чином. Спочатку здійснюють гравітаційне подання частинок сипучого матеріалу. Для здійснення цієї операції використовують вібролоток 2. На частки, що знаходяться у вільному падінні, діють під гострим кутом до вертикалі каскадом плоских струменів (показані пунктиром) в режимі розвиненої турбулентності, яка виникає завдяки викривленню струменів під час їх розширення в соплах 4, а наявність верхньої стінки 5 певного розміру і нижньої стінки 6, встановлених під кутом одна до іншої, забезпечують виникнення ефекту Коанда і позитивного зворотного зв'язку струменів з повітрям у міжструминному просторі для переведення нижньої площини кожного струменя у автоколивальний рух з подальшим аперіодичним силовим впливом на верхню площину нижче розташованого струменя. Після проходження частинками суміші каскаду струменів здійснюють відведення готових фракцій. Одночасно з цим здійснюють відбирання проміжних фракцій і повернення їх на повторну сепарацію. Суттєва відмінність запропонованих технічних рішень від раніше відомих, полягає у повній зміні умов аеродинамічного впливу на насіння, що знаходяться у вільному польоті шляхом зміни взаємної просторової орієнтації і розмірів плоских стінок у генераторі каскаду повітряних струменів. Вказані відмінності, у сукупності, дозволяють якісно розділяти сипучу суміш на окремі фракції, незалежно від їх форми та розмірів, розширити область застосування способу та використання пристрою, а також суттєво підвищити якість кінцевого продукту. Жодний з відомих способів сепарації та пристрою для їх здійснення не мають вказані властивості, оскільки не містять у своєму складі всієї сукупності суттєвих ознак, притаманних запропонованим технічним рішенням. Запропоновані технічні рішення перевірені на практиці. Пристрій складається із звичайних деталей і вузлів, спосіб не містить операцій або процесів, які неможливо було б відтворити на сучасному етапі розвитку науки і техніки, зокрема, в галузі сільськогосподарського машинобудування, з чого виходить, що вони промислово придатні. У відомих джерелах патентної документації та науково-технічної інформації не виявлено подібних способів сепарації сипучої суміші у текучому середовищі та пристроїв для їх здійснення аналогічного призначення 3 UA 113349 C2 5 10 15 20 25 30 із вказаними відмінними суттєвими ознаками та перевагами, а отже, запропоновані технічні рішення відповідають критерію новизна, а тому вважаються такими, що можуть одержати правовий захист. Оскільки суттєві ознаки запропонованих технічних рішень не випливають і взагалі не можуть випливати з існуючого рівня техніки, заявлені технічні рішення можуть вважатися такими, що відповідають критерію "винахідницький рівень". Технічними перевагами запропонованих техніко-технологічних рішень є можливість зміни характеру витікання і властивостей повітряних струменів, оттепер здатних розділяти на фракції, як насіння звичайної форми, так і подовженої, виділяючи з них "биті" (неякісні) насіння і, саме так, значно розширити функціональні можливості об'єктів техніки, що заявляються, а отже, і області їх спільного використання. Це стало можливим завдяки внесенню певних змін до розмірів і просторового взаємного розташування стінок сопел. Після опису запропонованого способу сепарації сипучої суміші у текучому середовищі і пристрою для його здійснення, фахівцям у даній галузі знань повинно бути наочним, що все вищеописане є лише ілюстративним, а не обмежувальним, будучи представленим даним прикладом. Численні можливі модифікації елементів пристрою, зокрема, кількості сопел, стінок та їх розмірів, можуть змінюватися в залежності від стану та виду вихідного сипучого матеріалу, що піддається сепаруванню, та, зрозуміло, знаходяться в межах об'єму одного із звичайних і природних підходів в даній галузі знань і розглядаються такими, що знаходяться в межах об'єму запропонованих технічних рішень. Квінтесенцією запропонованих технічних рішень є те, що сепарація здійснюється каскадом повітряних струменів зі зміненими властивостями, які вдалося отримати шляхом спеціальної зміни розмірів і взаємного розташування верхньої та нижньої стінок кожного сопла, що дозволило розділяти на фракції як насіння звичайної форми, так і подовженої, та саме так підвищити якість розділення сипучої суміші на окремі фракції, і саме ця обставина дозволила надати запропонованому способу і пристрою перераховані вище й інші переваги. Зміна запропонованого принципу формування каскаду струменів і режиму їх течії на інший, природно, обмежить спектр переваг, перерахованих вище, і не може вважатися новими технічними рішеннями в даній області знань, оскільки інші, подібні описаному способу та пристрою, вже не вимагатимуть ніякого творчого підходу від конструкторів і інженерів, і не можуть вважатися результатами їх творчої діяльності або новими об'єктами інтелектуальної власності, що підлягають захисту охоронними документами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 1. Спосіб сепарації сипучої суміші в текучому середовищі, що полягає у гравітаційному подаванні частинок суміші, аеродинамічному монотонно зростаючому впливі на них під гострим кутом до вертикалі каскадом турбулентних повітряних струменів, що розширюються, та відводі готових фракцій, який відрізняється тим, що нижню плоскість струменів, за рахунок ефекту Коанда та позитивного зворотного зв'язку з повітрям у міжструминному просторі, приводять до автоколивального руху за всією шириною з подальшим аперіодичним силовим впливом на верхню площину нижче розташованого струменя. 2. Пристрій для реалізації способу сепарації сипучої суміші у текучому середовищі за п. 1, який включає бункер з вібролотком для гравітаційного подання суміші в зону сепарації, встановленим під ним струминним генератором, з розташованими одне під іншим плоскими соплами різної величини, які утворені верхньою і нижньою плоскими стінками і охоплені бічними стінками камери сепарації, та збірники фракцій, який відрізняється тим, що верхня і нижня стінки кожного сопла розташовані під гострим кутом одна до одної, причому ширина верхньої стінки становить не менше 3,5 розміру висоти найменшого поперечного перерізу сопла, а ширина нижньої стінки - порівнянна з нею. 4 UA 113349 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5