Пневмотранспортные установки

Назначение и классификация
Пневматические установки широко применяют благодаря их существенным достоинствам и преимуществам перед механически­ми. Их принцип действия заключается в перемещении грузов в россыпи или штуках при помощи потока воздуха, движущегося по трубопроводу. В сельскохозяйственном производстве грузы чаще транспорти­руют в россыпи: зерно, солома, сено, силос, шерсть, хлопок, ком­бикорм и т. п. Транспортирование штучных грузов (снопов, зата­ренных грузов и т. п.) пока почти не применяется. Пневматический транспортер можно использовать для операций: стогование и скир­дование сена и соломы, погрузка и очистка зерна, закладка и раз­грузка силосной массы, транспортирование кормов на животновод­ческой ферме и в виде узлов в сельскохозяйственных машинах. Пневматические транспортеры применяют при любых трассах транспортирования, они менее металлоемки и более просты в уходе при высокой степени автоматизации процесса транспортиро­вания; работают спокойно, без толчков, с малыми потерями, соз­давая гигиенические условия в производственных помещениях; ох­лаждают и проветривают груз, что особо важно для зерна, так как снижает его влажность на 1,0...1,5% и уменьшает зараженность клещом, а у муки улучшаются хлебопекарные качества. Недостатки пневматического транспорта: повышенное потреб­ление энергии (в 4...6 раз больше, чем у механического) и повы­шенный износ частей, соприкасающихся с грузом. По устройству и способу перемещения груза различают: пнев­матические транспортеры, аэрожелоба и аэролифты.  

Пневматические транспортеры
Пневматические транспортеры по принципу действия делятся на следующие. Всасывающий транспортер (рис. 80, а) применяют для переме­щения груза на небольшие расстояния. Они работают при разре­жении 10,0...50,0 кПа. Их используют для разгрузки сыпучих гру­зов из нескольких мест (вагонов, барж, кузовов тележек) в скла­ды; их можно применять и для погрузки зерна в транспортные средства. Сельскохозяйственные установки в большинстве случаев работают с выбросом воздуха в атмосферу. Нагнетательный транспортер (рис. 80, б) используют для транс­портирования груза на большое расстояние. В зависимости от дав­ления, создаваемого вентилятором, эти установки бывают: низко­го давления — до 1,0 кПа, применяемые для транспортирования сена, соломы, половы; среднего давления — до 3,0 кПа и высокого давления — до 15,0 кПа, используемые для перемещения зерна и других сыпучих грузов. При более высоких давлениях (до 600 кПа) применяют компрессоры. Транспортируемый материал можно за­гружать через боковое отверстие вентилятора, если механическое воздействие лопастей на него неопасно, или через специальное за­грузочное устройство (рис. 80, б) для грузов, повреждение которых недопустимо (семенное зерно, сено).

Рис. 80. Схема работы пневматических транспортеров: а -всасывающего; б — нагнетательного; в — смешанного; 1 и 11 — сопла; 2 — гибкий трубо­провод; 3 — транспортирующий трубопровод; 4 — разгружатель; 5 — фильтр; 6, 10 и 13 — вентиляторы; 7 — затвор; 8, 12 и 14 — трубопроводы; 9 — загрузочная воронка.

При проектировании пневматического транспортера важно пра­вильно выбрать скорость движения воздуха. Слишком высокие скорости ведут к перерасходу энергии, повреждению груза, увели­чивают габариты установки, удорожают ее стоимость; недостаточ­ные скорости при малейшей перегрузке транспортера приводят к завалу. Скорость движения воздуха для всасывающих и нагнетатель­ных  установок низкого давления рекомендуется определять по формуле хв = цх_к (239) Коэффициент ц  зависит от сложности  трассы, концентрации смеси, и физикомеханических  свойств груза: для зерна ц — 1,25...2,5; колосьев и сбоины ц = 1,5...3,7; соломы  и сена ц = 1,5...2,5. Чтобы избежать завала трубопровода, большие значения ф при­нимают при большей массовой концентрации м и повышенной влажности W транспортируемого груза. Скорость частиц транспортируемого груза х_г независимо от начальной скорости на различных участках транспортера (по П. С. Козьмину) равна на вертикальном участке х_г = х_в - х_к; на горизонтальном х_г = 0,85 х_в. Большинство установок, применяемых в сельскохозяйственном производстве и на пищевых предприятиях, работает при коэффи­циенте концентрации м < 8...10 кг/кг, со скоростью х_в =10...30 м/с. Наиболее распространены скорости от 15 до 25 м/с.

Коэффициент концентрации смеси
Коэффициентом массовой концентрации смеси называется отношение массы груза к массе (расходу) воздуха, перемещаемых в единицу времени:

где П — производительность установки, т/ч; G — расход воздуха, кг/с. В практике эксплуатации и экспериментов встречаются уста­новки с м — коэффициентом массовой концентрации: зерно и про­дукты его переработки — 1...25, цемент, угольная пыль — 20...60, сено, хлопок-сырец — 0,3...0,8, песок, щебень — 3...20, солома — 0,3...2. Значения этого коэффициента в зависимости от плотности, типа установки и ее характеристики приведены в таблице 16.

При выборе м следует иметь в виду, что чем сложнее трасса пневмотранспортера, тем меньшую концентрацию смеси следует принимать. Расход воздуха определяют по формуле

подставляя значение G из уравнения (240), получим где  

где г_в — плотность воздуха, кг/м³, зависящая от его влаж­ности и температуры.

Площадь сечения и диаметр т р у б о п р о в о д а при переменной скорости воздуха

Диаметр трубопровода в установках с постоянной скоростью определяют в зависимости от изменения расхода воздуха. Для пневматических установок с некоторыми допущениями можно за­писать: pV = idem. Тогда для различных сечений трубопровода получим

Подставляя значение г_в в формулу (243), получим

где г_в и р_в — соответственно скорость и давление воздуха в рас­четном сечении; г₀ и р₀ — соответственно плотность и давление воздуха на выходе из трубопровода, р₀ = 0,1 МПа.

Скорость в любом сечении трубопровода при d_т = const обрат­но пропорциональна давлению:

Пневматические установки на практике выполняют двух видов: с постоянным диаметром трубопровода — они дешевле в эксплуа­тации, так как для них требуется меньшая мощность, и с постоян­ной скоростью воздуха при переменном диаметре — они требуют меньших первоначальных затрат при изготовлении. Для сельско­хозяйственных установок диаметр трубопровода принимают по­стоянным на всей длине.

Напор
Напором называется разность давлений, создаваемая на концах трубопровода, необходимая для преодоления всех сопро­тивлений, возникающих при транспортировании груза. Эта раз­ность давлений должна быть равна сумме всех потерь давления (напора) на отдельных участках транспортирующей установки. В общие потери напора могут входить потери при вводе груза в трубопровод; при движении груза и воздуха по трубопроводу; потери на вертикальный подъем груза и воздуха, в коленах и от­водках, в разгружателях и фильтрах. Для пневмотранспорта общий напор h составляется из динами­ческого или скоростного напора h_д, идущего на преодоление инер­ции воздуха и груза, и статического напора h_с, расходуемого на все остальные сопротивления.

Динамический напор
Этот напор, необходимый для пре­одоления инерции материала и воздуха, т. е. сообщения им скоро­стей х_r и х_в, может быть найден из уравнений живых сил и рабо­ты воздушного потока:

Очевидно, что приращение кинетической энергии равно работе потока за то же время, т. е. Е=А, тогда

Выразив массы воздуха m_в и груза m_г, проходящие в секунду, формулами m_в = г_вFх_в;         m_г = г_гFх_г;   и подставив их значения при соотношении х_г : х_в = 0,85, получим

Таким образом, динамический напор пропорционален квадрату скорости, зависит от коэффициента массовой концентрации, но не зависит от площади сечения трубопровода. Статический напор расходуется на преодоление трения в трубопроводе h_т, местных сопротивлений (колено, сопло, разгружатель, гибкий трубопровод) h_м и на подъем транспортируемого груза h_п. Рассмотрим последовательно составляющие статического на­пора.

1. Потери давления на трение от движения воздуха на длине трубопровода L определяют по формуле гидравлики

где л — коэффициент сопротивления трению; его величину находят из опытов или подсчитывают по выражениям л = 0,0032 + 0,221Re^-0,237 (по Никурадзе) и л= 0,3164/R^0,25 (по Блазиусу). Здесь — число Рейнольдса, выраженное через н = з : гв, м²/с — кинематический коэффициент вязкости и з — коэф­фициент абсолютной вязкости, Н·с/м².

2. Потери давления на трение при движении по трубам смеси воздуха и транспортируемого груза определяют по формуле h_т = h'_т(1 +cм),  (249) где с = 0,68...0,31 при х_в = 13...26 м/с — коэффициент, зависящий от концентрации смеси, скорости и физико-механических свойств груза.

3.  Потери давления в местных сопротивлениях h_м определяют двумя способами. Первый заключается в выражении местных со­противлений в коленах, переключателях, разгрузителях, в эквива­лентных длинах горизонтальных участков. Тогда расчетная при­веденная длина транспортера составит L_пр = ∑L_г + ∑L_в + ∑L_к + ∑L_п + ∑L_ц, (250) где ∑L_г и ∑L_в — соответственно сумма длин горизонтальных и вертикальных участков; ∑L_к, ∑L_п и ∑L_ц — соответственно сумма длин, эквивалентных по сопротивлению в коленах, переключателях и циклонах. Для криволинейных участков в зависимости от отношения ра­диуса колена R_к к диаметру трубопровода d_т в пределах 4...20 эк­вивалентная длина L_эк = 4...10 м для пылевидных грузов; L_эк = 8...20 м для зерновых и L_эк = 28...90 м для кусковых грузов. L_пр подставляют в формулу (248) вместо L.

Второй способ заключается в выражении этих потерь в функ­ции динамического давления через о — коэффициент местного со­противления;

Местные сопротивления возникают в коленах, при сужении и расширении трубопровода, в разгрузителях. Трубопроводы с резким изгибом оказывают наибольшие сопротивления, поэтому их рекомендуется избегать. Местные сопротивления для колен зависят от угла отклоне­ния б, от отношения радиуса закругления R_к к диаметру трубо­провода. Коэффициент о_к для круглых трубопроводов выбирают по таблице 17.

Коэффициенты местного сопротивления от внезапного сужения и внезапного расширения подсчитывают по формулам  

где F_м и F_б — соответственно меньшая и большая площади сечения трубопровода. При плавном сужении трубопровода (конфузор) потери давле­ния невелики: при сужении с углом в 45° коэффициент потерь давления о_кон = 0,1. При плавном расширении (диффузор) величину коэффициента местного сопротивления о_д выбирают по таблице 18.

4. Потери давления на подъем груза. Напор, необходимый для пбдъема груза на высоту H, определится, если приравнять силу тяжести массы груза мgг_вFH и силу напора h₀F. Тогда h_п = мgг_вFH   (252) Полный напор с учетом всех потерь давления составит h = h_д + h_т + h_м + h_п, (253) или после подстановки этих величин и определения местных со­противлений через эквивалентные длины

При определении через коэффициенты местных сопротивлений

Изложенное относится к пневмотранспортерам сельскохозяй­ственного производства. В установках с переменным диаметром трубопровода напор определяют на каждом его участке.   В пневматических установках всегда бывают утечки и подсосы воздуха, поэтому расход воздуха, полученный по расчету, необхо­димо увеличить на 3...5%.

Мощность.
Мощность двигателя для привода вентилятора рас­ходуется на транспортирование воздуха и груза и на преодоление потерь в вентиляторе и приводном устройстве. Приняв V_cм =V_в  и определив h — полный напор, найдем мощность, кВт:

где з₁ = 0,55....0,8 — к. п. д. вентилятора; з₂ = 0,95...0,97 — к. п. д. подшипников; з₃ = 0,96...1,0 — к. п. д. передачи. При пропуске груза через вентилятор (рис. 80, в), например со­ломы, половы, силоса, мощность вентилятора возрастет пропор­ционально величине (1+ м). С прекращением подачи материала пневмотранспортер перехо­дит на холостую работу, при этом снижается давление и возраста­ет расход воздуха. Поэтому необходимо проверять мощность хо­лостого хода. По мощности N_д подбирают двигатель и определяют расход энергии на единицу транспортируемого материала. Обычно потребная мощность в пневмоустановках на 1 т/сутки равна 0,12...0,33 кВт. Из опытов следует, что с уменьшением скорости воздуха и с по­вышением концентрации смеси удельный расход энергии сни­жается.   Основные части пневматических транспортеров Пневматические установки состоят из воздуходувного, загру­зочного и разгрузочного устройства, трубопровода и очистителя. Воздуходувные устройства, обеспечивающие необходимый напор, бывают поршневые, ротационные и центробежные. В сельскохозяйственных пневматических транспортерах пре­имущественно используют вентиляторы. Вентиляторы по ГОСТ 5976—65 выпускают под № 2.. 12 с диа­метрами соответственно 200...1200 мм. Они разделяются на вен­тиляторы низкого (до 1,0 кПа), среднего (до 3,0 кПа) и высокого (до 15 кПа) давления при производительности 3500...77 000 м³/ч. В зависимости от способов расположения лопастей различают центробежные (радиальные) и осевые (винтовые) вентиляторы. Наиболее эффективны осевые вентиляторы, их к. п. д. может достигать 85%, но они дороже. Лопасти вентиляторов бывают прямые и криволинейные, уста­новленные с наклоном вперед по ходу вращения или назад. Вен­тиляторы с лопастями, отогнутыми назад, обладают более высо­ким к. п. д. и более распространены. Наибольшая производитель­ность транспортирования силоса достигается при лопастях, уста­новленных с уклоном на 6... 15^. Для сельскохозяйственных грузов вследствие простоты устрой­ства часто применяют вентиляторы с радиальными лопастями. На рисунке 81, а показана схема пневмотранспортера для зер­на ТЗП-3 с криволинейными лопастями вентилятора. Обычно подобные вентиляторы среднего и высокого давления со спиральным кожухом с разворотом спирали А_к для зерна, равным (0,2...0,25) D, где D — диаметр лопастного колеса. Для сена, соломы и хлопка D и при пропуске материала через  кожух вентилятора А_к = (0,3...0,35) D. Из характеристики вентилятора высокого давления (рис.81, б) с радиальными лопастями видно, что мощность N растет с увели­чением расхода воздуха V_в, при этом давление h снижается. Кри­вая з показывает, что наиболее выгодная рабочая зона на графи­ке ограничена сравнительно узким участком (см. пунктир). Частота вращения ротора п, расход воздуха V_в, давление h и потребляемая мощность N изменяются в определенной зависимо­сти. Расход воздуха V_в : V'_в = n : n₁. Давление, создаваемое вентилятором, h: h₁ = n³ : n₁³. Мощность, необходимая для вентилятора, N : N₁ = n³ : n₁³. Таким образом, если у вентилятора увеличить частоту враще­ния, например на 20%, расход воздуха возрастет на ту же вели­чину, при этом напор увеличится на 45% , а необходимая мощ­ность — более чем на 70%.

Рис. 81. Пневматические транспортеры: а - нагнетательного типа; б - смешанного типа; в - характеристика вентилятора: 1 -  всасывающий трубопровод; 2  циклон;3 - вентилятор; 4 - шлюзовой затвор (питатель); 5 - транспортирующий трубопровод; 6 - тележка.

Загрузочные устройства

Рис. 83. Разгружатели: а — объемный; б — с прямым восходящим воз­душным потоком; в — со спиральным движе­нием воздуха

 

Разгрузочные устройства
У транспортеров, работающих на открытом воздухе, транспортируемый груз вместе с воздухом выбрасывается непосредственно через концевую секцию трубо­провода. Для разгрузки груза из транспортеров, работающих в помещении, наибольшее рас­пространение получили разгружатели, состоящие из от­делителя и затвора. В объемном отделителе (рис. 83, а) — цилиндрическом резервуаре, диаметром в 8...10 раз больше диаметра трубопровода, — разделение смеси воздуха и груза дости­гается при значительном (до 0,2...0,8 м/с) понижении скоро­сти. Вследствие этого из смеси выделяются частицы материала под действием сил тяжести. Диаметр объемного отделителя можно определить из условия х_от = (0,05...0,1) х_к и равенства объемов воздуха в трубопроводе и отделителе за единицу времени: D²х_от = d_т²х_в, где х_от, х_к и х_в — соответственно скорости воздуха в отделителе, витания частицы материала и воздуха в трубопроводе на входе в отделитель. Тогда получим

Высоту цилиндрической части объемного отделителя берут рав­ной (1,1... 1,3)D, а конической части принимают из условий обес­печения скольжения материала к выходному отверстию. При транспортировании мучнистых и легких продуктов отдели­тель и очиститель воздуха сочетают в одной конструкции. Подоб­ные конструкции носят названия циклона. В них используется эф­фект вихревых движений смеси: возникающие центробежные силы способствуют разделению груза и воздуха. По характеру движения воздушного потока разгружатели и очистители с идеальным вертикальным потоком, получае­мым в результате ввода смеси через спиральный канал, бывают с нисходящим (рис. 83, б) и восходящим (рис. 83, в) спиралеобраз­ными вихрями, возникающими между внешним и внутренним ци­линдрами; при этом внутренний из них служит выпускной трубой. Основные размеры циклона (рис. 83, в):

при этом следует обеспечивать наивыгоднейшую скорость вхо­да для разделения смеси; например, для зерна она равна 11...16 м/с. Выходящий воздух даже при правильной регулировке работы транспортирующей установки может уносить с собой мельчайшие частицы груза размером от 1 до 8 мкм (мучнистые продукты), по­этому для более совершенной очистки используют фильтры. Фильтры бывают мокрые, устанавливаемые на всасывающих установках, и матерчатые, которые допускают нагрузку от 1 до 2,5 м³ воздуха на 1 м² ткани. При работе необходимо периодиче­ски встряхивать тканевые рукава фильтра. Пневматические транспортеры в сельском хозяйстве применя­ют для вентиляции, транспортирования зерна, обслуживания кор­моцехов и животноводческих ферм, скирдования и подачи соломы и сена в хранилища, закладки силоса. Кроме того, их используют в виде встроенных агрегатов в сельскохозяйственных машинах. В качестве примера передвижной пневматической установки для зерна на рисунке 81, а показан транспортер ТЗП-3 производи­тельностью 4 т/ч, длина трубопровода до 30 м, диаметр 195 мм, мощность двигателя 4,5 кВт, частота вращения вентилятора 2900 об/мин. Небольшая производительность и необходимость руч­ной загрузки ограничивают применение этой установки. Более пер­спективно передвижное перегрузочное устройство (см. рис. 81,б) смешанного типа (всасывающе-нагнетательного). Зерно по всасы­вающему трубопроводу 1, забранное соплом, поступает в циклон 2. Воздух вентилятором 3 нагнетается в трубопровод 5, по которому зерно из питателя 4 поступает в транспортирующий трубопровод 5 и доставляется к месту разгрузки. Системой машин комплексной механизации сельскохозяй­ственного производства для погрузки-разгрузки сыпучих и стебель­чатых грузов предусматривается создание пневматического транс­портера производительностью 10... 15 т/ч. Пневматические транспортеры распространены за рубежом для транспортирования соломы и сена. Производительность их дости­гает 2,5...10 т/ч, диаметр трубопровода 300...630 мм, длина трубо­провода 10...75 м, потребная мощность 4...26 кВт.  

Аэрожелоб
Аэрожелоб — это аэрогравитационный конвейер, работа которо­го основана на аэрировании груза, приводящем его в «псевдоожиженное» состояние. Аэрожелоб состоит из двух каналов 2 и 5 (рис. 84, а), разде­ленных пористой перегородкой 5, изготовленной из керамики или бельтинга (восьмислойный хлопчатобумажный ремень). Транспор­тируемый материал через загрузочное устройство 1 поступает са­мотеком в верхний канал 2. Воздух, нагнетаемый вентилятором 6,. подается в нижний канал 5, проходит через пористую перегородку, и груз отводится через окно на грузовом канале 2, которое можно располагать в любом месте по длине транспортирования, доходя­щей до 40 м. В процессе протекания воздуха через груз внутреннее трение снижается и груз приобретает свойства жидкости. Таким образом, псевдоожижение — это промежуточное состояние между неподвижным слоем материала и уносом его частиц потоком воз­духа, т. е. началом процесса пневматического транспортирования.

Рис. 84. Аэрожелоб (а) и пневматический подъемник (б): 1 — загрузочное устройство; 2 — грузовой канал; 3 — перегородка; 4 — разгрузочное окно; 5 — воз­душный канал; 6 — вентилятор; 7 — загрузочный бункер; 8 — регулировочное устройство; 9 — пита­тель; 10 — пористое дно; 11 — смесительная каме­ра; 12 — трубопровод; 13 — разделитель.

Достоинства аэрожелобов: простота конструкции и малая ме­таллоемкость, небольшая энергоемкость, высокая производитель­ность при компактной конструкции, отсутствие движущихся частей, обеспечение гигиенических условий в помещении и исключение потерь груза. Недостатки аэрожелобов: невозможность транспортирования с подъемом, необходимость подачи только сухого воздуха, ограни­ченный ассортимент транспортируемых грузов. Опытами установлена возможность транспортирования зерна, отрубей, манной крупы и перемещения материала вверх под углом до 4°. Для этого применяли жалюзийные перегородки, дававшие направление входа воздуха под углом по ходу груза.

Основы расчета аэрожелоба
Производительность при ширине В и высоте Н_м потока груза определяют по формуле П =3600гFх = 3600гH_мх, где соответственно H_м = (0,4...0,5)H_г, а H_г= (1,3...1,6) H_в. Скорость движения груза, м/с, ориентировочно

где i — уклон желоба. Напор в воздушном канале, создаваемый центробежным венти­лятором, h = h_т + h_п + h_м + h_в, здесь h_т, h_п = 0,9...1,0 кПа; h_мв — соответственно сопро­тивления в проводящем трубопроводе, пористой перегородке, слоя груза и выхода воздуха. Мощность вентилятора, кВт, в зависимости от длины L транс­портера можно определить по формуле N = 0,6 + 0,0008LП. Пневматический подъемник (аэролифт) Пневматическим подъемником принято называть установку на­гнетательного типа, работающую по принципу «транспорт сплош­ным потоком». Материал перемещается в аэрированном состоянии в виде материало-воздушной смеси высокой концентрации. Схема пневмоподъемника с винтовым питателем показана на рисунке 84, б. Материал поступает в загрузочный бункер 7 и да­лее через регулировочное устройство 8 винтовым питателем 9 по­дается в смесительную камеру 11. В камере материал подвергает­ся аэрации воздухом, поступающим через пористое дно 10 под дав­лением от 0,5... 1,2 кПа (для тяжелых и абразивных грузов — до 30 кПа) и транспортируется по трубопроводу 12. Для обеспечения сплошности потока транспортируемого груза у разгрузочного кон­ца трубопровода ставят специальное устройство — разделитель 13 (заслонки, клапаны, диафрагмы). Иначе по мере нарастания ско­рости воздуха и, соответственно, падения давления возможен раз­рыв столба груза. Процесс транспортирования сплошным потоком осуществляется: за счет силы, возникающей при прохождении воздуха через массу перемещаемого груза. Этот вид транспорта отличается большими концентрациями — до м = 300...60 (в опытах достигалась концент­рация 300...400), при малых скоростях — 0,4...3 м/с. Достоинства пневмотранспорта сплошным потоком — относи­тельно меньший удельный расход энергии, меньший износ трубо­провода, меньшая повреждаемость груза. Недостатки — ограничение длины транспортирования и большие сопротивления при включении в транспортерную установку трубо­провода с коленами. Основы расчета пневмоподъемников. Производительность оп­ределяют по общей формуле П = 3600г_гFх, где г_г — плотность груза в аэрированном состоянии; F — площадь сечения трубопровода, диаметр которого d_т > 60 мм. Общий напор составляется из потерь его на подъем груза, тре­ние воздуха при протекании его через груз, трение груза о стенки трубопроводов, аэрирование и на внешнее противодавление: h = h_п + h_в + h_т + h_а + H_в.п, При проектировании суммарное давление под пористой перего­родкой в смесительной камере можно принимать для зерна, отру­бей, муки равным 0,1...0,12 мПа. Давление в смесительной камере должно быть достаточным для аэрации и подъема материала. Его подсчитывают по формуле h_п = гв(1 + м)H, где Н — высота подъема, которая достигает 35...40 м. Общая мощность установки определяется суммой мощностей — на привод питателя N_п и вентилятора N_в: N = N_п + N_в. Мощность N_п винтового питателя можно подсчитать по реко­мендациям, изложенным в § 5 главы 3 «Транспортирующие маши­ны», а мощность вентилятора — по формуле N_в = (0,015...0,025)ПН, где П и Н — соответственно производительность и высота подъема пневмоподъемника.