Вертикальный пневмокамерный питатель для сыпучих материалов

ВВЕДЕНИЕ.

Подача сыпучих материалов (СМ) как управляющее воздействие на технологические объекты реализуется в целом ряде производств химической, пищевой, металлургической отраслей, в промышленности строительных материалов и др. В качестве конкретных примеров можно привести процессы сушки в кипящем слое, производства серной кислоты, производства суперфосфата, процесс каталитического крекинга, приготовление различных растворов и паст, загрузку агрегатов измельчения, загрузку классификаторов. Расход СМ может реализоваться как в непрерывном, так и в импульсном режиме, с перерывами между подачей доз. В последнем случае используется частотно- или широтно-импульсная модуляция импульсов расхода. Импульсный характер управляющего воздействия на параметры технологических объектов при постоянной амплитуде импульсов позволяет обеспечить ряд дополнительных, иногда уникальных возможностей для управления, в частности:

- физическая реализация управления в виде строго регламентированных весовым или объемным методом порций (доз) материала повышает точность соответствия величины среднего расхода заданию [1];

- наличие в управляющем воздействии релаксационных интервалов (пауз между импульсами) позволяет повысить качество управления объектами с чистым запаздыванием [2];

- постоянная величина мгновенного расхода в пределах единичного импульса может быть стабилизирована на том значении, которое в наибольшей степени соответствует требованиям конкретных условий технологического процесса, свойствам материала и т. д [3];

- в течение времени релаксации возможно проводить технологические и технические операции, в ином случае искажающие управление, в частности, осуществлять дозагрузку взвешиваемых расходных емкостей при весовом дозировании материала [4];

- при импульсном контакте веществ, участвующих в технологическом процессе, значительно возрастает интенсивность тепло- и массообмена, повышается эффективность химического взаимодействия;

- параметры большинства материальных потоков при постоянной величине расхода могут быть надежно определены расчетным путем;

- ряд задач оптимального управления не может быть решен в традиционном классе непрерывных траекторий, но требует импульсного управляющего воздействия [5].

Для управляемой подачи и дозирования сыпучих материалов в технологические объекты управления применяют гравитационные, механические, вибрационные, аэрационные и пневматические питатели [3].

Основные требования к характеристикам питателей и дозаторов для сыпучих материалов, выполняющим функции ИУ АСР, могут быть сведены к следующим:

– управление расходом твердой фазы в заданном диапазоне;

– формирование выходного расхода с заданной точностью;

– минимум удельных затрат энергии на перемещение двухфазной смеси;

– линейность зависимости «управляющий сигнал − выходной расход материала» («расходной» статической характеристики);

– возможность расчета расходной характеристики;

– возможность коррекции расходной характеристики;

– максимально возможная инвариантность выходного расхода к внешним и внутренним возмущениям;

– минимальная сложность конструкции и отсутствие (или минимум) движущихся частей;

– отсутствие контакта твердой фазы с внешней средой.

Предъявленным требованиям в значительной степени удовлетворяют пневматические питатели. Эти агрегаты могут быть реализованы без подвижных элементов, контактирующих с абразивной средой, в силу чего существенно превосходят механические питатели по надежности работы. При соответствующем выборе режима перемещения в пневмопитателях отсутствует разрушающее воздействие на частицы твердой фазы. Эти устройства обладают практически полной герметичностью, что также повышает их надежность и обеспечивает сохранность окружающей среды. Управление расходом при помощи пневмопитателей может быть реализовано как в непрерывной, так и в импульсной форме.

Целью курсового проекта является разработка вертикального пневмокамерного питателя (ВПКП) для объемного частотно-импульсного дозирования легкосыпучего зернистого материала в технологические объекты управления. При импульсном режиме работы ВПКП определяется как дозатор с фиксированной скоростью потока (ДФС). Как показано в [] и далее здесь, импульсное управление для ВПКП может быть организовано без дополнительного управляющего импульсного элемента за счет обратной связи в самом питателе. Кроме того, частотно-импульсный режим подачи материала через ВПКП (с полным опорожнением емкости) позволяет избежать проблем, связанных с необходимостью создания высокого давления при повторном пуске питателя после его плановой или аварийной остановки (нет необходимости преодолевать сопротивление столба материала, осевшего в стволе).

В ходе проектирования необходимо решить следующие задачи:

– определить параметры импульса расхода (амплитуду и длительность), отвечающие требованиям к параметрам управляющего воздействия;

– рассчитать основные конструктивные параметры питателя;

– рассчитать параметры несущего воздуха;

– выбрать соответствующее воздуходувное оборудование и регулирующую арматуру.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Заданы:

– Максимальный средний (во времени) массовый расход материала , кг/с;

– параметры материала: плотность и насыпная плотность , кг/м³; средний эквивалентный диаметр частицы материала , м; угол естественного откоса , угл. град.;

– параметры несущего воздуха: температура , °С, плотность , кг/м³, динамическая вязкость , Па∙с;

– высота подачи Н, м;

– ограничение по величине истинной объемной концентрации твердой фазы в потоке м³/м³;

– максимально допустимая поперечная нагрузка на ствол , кг/(м²∙с);

– переходная характеристика (передаточная функция) объекта;

– максимально допустимая амплитуда изменения параметра объекта от воздействия поступившей дозы материала , отн. ед.

Определить:

– параметры импульса расхода (амплитуду , кг/с, и длительность , с);

– площадь проходного сечения транспортного ствола S_TP;

– объем камеры питателя V, м³;

– высоту Н _ЗМП и диаметр d _ЗМП загрузочного материалопровода;

– потребный расход несущего воздуха , кг/с;

– потери напора на транспортирование двухфазной смеси;

– выбрать воздуходувный агрегат, обеспечивающий полученные параметры двухфазного потока;

– выбрать принципиальную схему включения – отключения подачи воздуха (при необходимости);

– выбрать конкретное оборудование для управления подачей воздуха;

– определить суммарное минимально необходимое время релаксации ;

– выполнить проверку результата расчета по критерию . Графическая часть работы должна содержать схему питателя; график импульса расхода и реакции заданного объекта на единичный импульс расхода; чертеж камеры питателя, заполненной материалом (для расчета объема); схему для расчета потерь давления с указанием местных сопротивлений.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВПКП

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Таблица 1 — Параметры материалов

Вари- ант	Средний максим. расход матери- ала , (кг/с) 10-3;	Параметры частиц материала	Высо- та пода- чи Н, м;	Параметры воздуха
Плот- ность , кг/м3	Насып- ная Плот- ность , кг/м3	Услов ный диаметр dM, м∙10-3	Угол естест- венного откоса φ, град.	Тем- пера- тура tВ, С 0.	Вяз- кость m,, Па∙с х х 10-5	Плот- ность rВ, кг/м3
				3,5				3,78	0,472
				1,9				1,815	1,2
				2,0				1,815	1,2

Таблица 2 — Параметры объекта управления

Вариант	Аппроксимация объекта управления	Макси- мально допус- тимая реакция , отн. ед.	Макси- мально допус- тимая поперечная нагрузка , кг/(с∙м2)	Приме- чания
Апериодическое звено	Интегрирующее звено
ko, с	t о,с	То,с	ko, с	t о,с	То,с
	10,0	-					0,10
	7,1	-		7,1			0,14
	8,3			8,3			0,12

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)

Образец оформления титульного листа пояснительной записки

____________________________________________________________________________________________________________________

Санкт-Петербургский государственный Технологический институт

(технический университет)

Кафедра автоматизации процессов химической	Факультет	Информатики и управления
промышленности	Курс	IV
	Группа

Дисциплина: «Системы комплексной механизации»

Пояснительная записка к курсовому проекту

«РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО

ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ДОЗАТОРА ДЛЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ»

Студент _____________________

Руководитель ______________________

Санкт-Петербург, 2010

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

(обязательное)

Определение скорости твердой фазы в пределах разгонного участка

При равноускоренном движении и нулевых начальных условиях путь S, пройденный за время t

,

Б.1

а скорость к моменту t:

.

Б.2

Учитывая, что в конце разгонного участка (на высоте ) , из В.2 получим:

.

Б.3

Тогда на высоте

.

В.4

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение……………………………………………………………………..
1.	Вертикальный пневмокамерный питатель для сыпучих материалов…...
2.	Исходные данные для проектирования………………………
3.	Расчетная часть……………………………………………………………..
3.1	Статический расчет…………………………………………………………
3.1.1	Расчет номинальной (рабочей) скорости несущего воздуха…………….
3.1.2	Расчет параметров импульсной последовательности……………………
3.1.3	Определение работоспособности питателя при загрузке………………..
3.1.4	Расчет параметров загрузочного материалопровода…………………….
3.2	Расчет потерь давления при выдаче дозы…………………………………
3.3	Выбор воздуходувного агрегата…………………………………………...
3.4	Определение геометрических параметров камеры питателя……………
Список использованных источников………………………………………………
Варианты заданий…………………………………………………………………...
Приложение А. Образец оформления титульного листа пояснительной записки.
Приложение Б. Определение скорости твердой фазы в пределах разгонного участка ………………………………………………………………………………

[1] Скорость витания равна и противоположна по знаку скорости свободного падения частицы.

ВВЕДЕНИЕ.

Подача сыпучих материалов (СМ) как управляющее воздействие на технологические объекты реализуется в целом ряде производств химической, пищевой, металлургической отраслей, в промышленности строительных материалов и др. В качестве конкретных примеров можно привести процессы сушки в кипящем слое, производства серной кислоты, производства суперфосфата, процесс каталитического крекинга, приготовление различных растворов и паст, загрузку агрегатов измельчения, загрузку классификаторов. Расход СМ может реализоваться как в непрерывном, так и в импульсном режиме, с перерывами между подачей доз. В последнем случае используется частотно- или широтно-импульсная модуляция импульсов расхода. Импульсный характер управляющего воздействия на параметры технологических объектов при постоянной амплитуде импульсов позволяет обеспечить ряд дополнительных, иногда уникальных возможностей для управления, в частности:

- физическая реализация управления в виде строго регламентированных весовым или объемным методом порций (доз) материала повышает точность соответствия величины среднего расхода заданию [1];

- наличие в управляющем воздействии релаксационных интервалов (пауз между импульсами) позволяет повысить качество управления объектами с чистым запаздыванием [2];

- постоянная величина мгновенного расхода в пределах единичного импульса может быть стабилизирована на том значении, которое в наибольшей степени соответствует требованиям конкретных условий технологического процесса, свойствам материала и т. д [3];

- в течение времени релаксации возможно проводить технологические и технические операции, в ином случае искажающие управление, в частности, осуществлять дозагрузку взвешиваемых расходных емкостей при весовом дозировании материала [4];

- при импульсном контакте веществ, участвующих в технологическом процессе, значительно возрастает интенсивность тепло- и массообмена, повышается эффективность химического взаимодействия;

- параметры большинства материальных потоков при постоянной величине расхода могут быть надежно определены расчетным путем;

- ряд задач оптимального управления не может быть решен в традиционном классе непрерывных траекторий, но требует импульсного управляющего воздействия [5].

Для управляемой подачи и дозирования сыпучих материалов в технологические объекты управления применяют гравитационные, механические, вибрационные, аэрационные и пневматические питатели [3].

Основные требования к характеристикам питателей и дозаторов для сыпучих материалов, выполняющим функции ИУ АСР, могут быть сведены к следующим:

– управление расходом твердой фазы в заданном диапазоне;

– формирование выходного расхода с заданной точностью;

– минимум удельных затрат энергии на перемещение двухфазной смеси;

– линейность зависимости «управляющий сигнал − выходной расход материала» («расходной» статической характеристики);

– возможность расчета расходной характеристики;

– возможность коррекции расходной характеристики;

– максимально возможная инвариантность выходного расхода к внешним и внутренним возмущениям;

– минимальная сложность конструкции и отсутствие (или минимум) движущихся частей;

– отсутствие контакта твердой фазы с внешней средой.

Предъявленным требованиям в значительной степени удовлетворяют пневматические питатели. Эти агрегаты могут быть реализованы без подвижных элементов, контактирующих с абразивной средой, в силу чего существенно превосходят механические питатели по надежности работы. При соответствующем выборе режима перемещения в пневмопитателях отсутствует разрушающее воздействие на частицы твердой фазы. Эти устройства обладают практически полной герметичностью, что также повышает их надежность и обеспечивает сохранность окружающей среды. Управление расходом при помощи пневмопитателей может быть реализовано как в непрерывной, так и в импульсной форме.

Целью курсового проекта является разработка вертикального пневмокамерного питателя (ВПКП) для объемного частотно-импульсного дозирования легкосыпучего зернистого материала в технологические объекты управления. При импульсном режиме работы ВПКП определяется как дозатор с фиксированной скоростью потока (ДФС). Как показано в [] и далее здесь, импульсное управление для ВПКП может быть организовано без дополнительного управляющего импульсного элемента за счет обратной связи в самом питателе. Кроме того, частотно-импульсный режим подачи материала через ВПКП (с полным опорожнением емкости) позволяет избежать проблем, связанных с необходимостью создания высокого давления при повторном пуске питателя после его плановой или аварийной остановки (нет необходимости преодолевать сопротивление столба материала, осевшего в стволе).

В ходе проектирования необходимо решить следующие задачи:

– определить параметры импульса расхода (амплитуду и длительность), отвечающие требованиям к параметрам управляющего воздействия;

– рассчитать основные конструктивные параметры питателя;

– рассчитать параметры несущего воздуха;

– выбрать соответствующее воздуходувное оборудование и регулирующую арматуру.

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПНЕВМОКАМЕРНЫЙ ПИТАТЕЛЬ ДЛЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Принципиальная схема вертикального пневмокамерного питателя для сыпучих материалов (ВПКП) представлена на рисунке 1.

1 ― рабочая камера; 2 ― транспортный ствол; 3 ― аэроднище; 4 ― вентилятор;

5 ― привод вентилятора; 6 ― устройства для настройки рабочих характеристик питателя; 7 ― загрузочный материалопровод; 8 ― стабилизирующая воронка; 9 ― загрузочный бункер; 10 ― материалоотделитель; 11 ― аспирационный канал. массовые расходы несущего воздуха и твердого материала.

Рисунок 1 ― Принципиальная схема ВПКП

По вертикальной оси рабочей камеры 1 питателя расположен транспортный ствол 2, а в нижней ее части ― аэроднище 3, под которое вентилятором 4 подается несущий воздух. Высота транспортного ствола сравнима с высотой рабочей камеры. Вентилятор приводится электродвигателем 5. Загрузка камеры осуществляется естественным (гравитационным) путем по загрузочному материалопроводу (ЗМП) 7. Столб ожиженного материала в ЗМП изолирует камеру от внешней среды (атмосферы). Расстояние срезов транспортного ствола и ЗМП от аэроднища можно настраивать винтовыми устройствами 6. Постоянство высоты столба материала в ЗМП обеспечивается стабилизирующей воронкой 8, установленной под разгрузочным отверстием питающего бункера 9. Фиксация высоты столба материала в загрузочном материалопроводе позволяет избежать деформации импульсов и стабилизировать управляющее воздействие на объект подачи.

Материалоотделитель 10 служит для разделения потоков воздуха и твердой фазы при выдаче последней в объект управления. Аспирационный канал 11 перекрыт сеткой, предотвращающей унос мелкой фракции материала.

В режиме ДФС, устройство работает следующим образом. В исходном состоянии мерная камера питателя заполнена материалом, свободно поступившим в нее под действием силы тяжести через ЗМП 5. Количество материала, находящегося в камере, определяется не только конструктивными параметрами последней, но и углом естественного откоса материала. При подаче воздуха под аэроднище материал подхватывается потоком и, через транспортный ствол, выводится в материалоотделитель и, через него в объект управления. Давление в камере питателя устанавливается таким образом, чтобы в процессе выдачи дозы материал из ЗМП в камеру не поступал, т. е.

(1)

где – рабочее давление в камере питателя;

– давление расширенного слоя материала в ЗМП;

– плотность расширенного слоя в ЗМП;

– ускорение свободного падения.

После опустошения камеры давление в ней падает, и камера начинает заполняться.Подачу воздуха под аэроднище прекращают и возобновляют при поступлении команды (или разрешения) на подачу следующей дозы. При подаче материала в виде импульсной последовательности с постоянными параметрами импульсов и переменной частотой их подачи, средний во времени объемный расход материала

(2)

В (2) частота выдачи доз, Т – период выдачи.

Параметры импульсной последовательности должны быть выбраны таким образом, чтобы промежуток времени между импульсами при максимальной частоте подачи позволял с некоторым запасом по времени заполнить камеру питателя. Кроме этого, промежуток времени должен включать в себя также время, необходимое для пуска и останова аппаратуры подачи воздуха.

Основное влияние на точность объемного отмеривания дозы при заполнении камеры оказывают изменения гранулометрического состава и влажности материала (изменяется угол естественного откоса материала). На сухом материале при вариации скорости воздуха от 13 до 16 м/с экспериментально определенная погрешность по массе выданной дозы не превышает 1,7%. Источником погрешности, очевидно, является неконтролируемая подача мелких частиц материала при нарастании и сбросе давления в камере. Объяснить это можно следующим образом. При нарастании давления сначала происходит унос мелкой фракции и одновременное дозаполнение камеры вплоть до полного запирания ЗМП, т. е. объем дозы неконтролируемо изме­няется. При сбросе давления материал начинает поступать в камеру, но расход воздуха еще достаточен для уноса, и выдача материала некоторое время еще продолжается.

Процесс выдачи материала питателем нельзя рассматривать в отрыве от реакции на него технологического объекта. При поступлении материала в любой технологический объект, в последнем происходят изменения: повышается уровень содержимого, изменяются температура, концентрация и другие параметры. Только ориентируясь на результат ввода дозы, можно определить основные характеристики самого питателя и параметры процесса дозирования. На рисунке 2 показана реакция объекта, аппроксимированного инерционным звеном первого порядка на прямоугольный импульс подачи материала. Прямоугольными импульсы расхода можно считать в тех случаях, когда переходные процессы в питателе происходят значительно быстрее, чем в объекте подачи (управления).

— массовый расход сыпучего материала; — мгновенный массовый расход сыпучего материала; — масса единичной дозы; — длительность выдачи дозы; — релаксационный промежуток времени; — максимальная амплитуда изменения параметра технологического объекта в процессе загрузки.

Рисунок 2 — Реакция инерционного объекта первого порядка на входное воздействие в форме прямоугольных импульсов

Прямоугольными импульсы расхода можно считать в тех случаях, когда переходные процессы в питателе происходят значительно быстрее, чем в объекте подачи (управления). Объем единичной дозы в таком случае определяется как

(3)

Масса единичной дозы материала, выданной из емкости питателя (при аппроксимации расхода прямоугольным импульсом):

,

(4)

Максимальная амплитуда реакции на импульс для рассматриваемого объекта управления определяется как

.

(5)

Основные затраты энергии при пневматическом управлении расходом идут на создание потока несущего воздуха. Показано [6], что для каждой конструкции ВПКП, в частности, для каждой величины Z (рисунок 1) существует величина расхода воздуха, обеспечивающая минимум удельных затрат на перенос массы твердой фазы (рисунок 3).

Рисунок 3 — Экстремальные зависимости удельного расхода воздуха

от абсолютного значения расхода

Управление расходом в частотно-импульсной форме позволяет выбрать амплитуду импульса именно на этом, минимальном значении расхода. Расчет системы в этом случае упрощается тем, что точки оптимума по расходу воздуха практически совпадают с удвоенной величиной скорости витания, которая, в свою очередь, расчетным путем определяется по параметрам частиц материала (см. ниже).

Частотно-импульсный режим подачи материала через ВПКП (с полным опорожнением емкости) выгоден еще и тем, что позволяет избежать проблем, связанных с необходимостью создания повышенного давления при повторном пуске питателя после его остановки (нет необходимости преодолевать сопротивление столба материала, осевшего в стволе).

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Заданы:

– Максимальный средний (во времени) массовый расход материала , кг/с;

– параметры материала: плотность и насыпная плотность , кг/м³; средний эквивалентный диаметр частицы материала , м; угол естественного откоса , угл. град.;

– параметры несущего воздуха: температура , °С, плотность , кг/м³, динамическая вязкость , Па∙с;

– высота подачи Н, м;

– ограничение по величине истинной объемной концентрации твердой фазы в потоке м³/м³;

– максимально допустимая поперечная нагрузка на ствол , кг/(м²∙с);

– переходная характеристика (передаточная функция) объекта;

– максимально допустимая амплитуда изменения параметра объекта от воздействия поступившей дозы материала , отн. ед.

Определить:

– параметры импульса расхода (амплитуду , кг/с, и длительность , с);

– площадь проходного сечения транспортного ствола S_TP;

– объем камеры питателя V, м³;

– высоту Н _ЗМП и диаметр d _ЗМП загрузочного материалопровода;

– потребный расход несущего воздуха , кг/с;

– потери напора на транспортирование двухфазной смеси;

– выбрать воздуходувный агрегат, обеспечивающий полученные параметры двухфазного потока;

– выбрать принципиальную схему включения – отключения подачи воздуха (при необходимости);

– выбрать конкретное оборудование для управления подачей воздуха;

– определить суммарное минимально необходимое время релаксации ;

– выполнить проверку результата расчета по критерию . Графическая часть работы должна содержать схему питателя; график импульса расхода и реакции заданного объекта на единичный импульс расхода; чертеж камеры питателя, заполненной материалом (для расчета объема); схему для расчета потерь давления с указанием местных сопротивлений.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВПКП