Воздушный камерный сепаратор
Изобретение может быть использовано в горнодобывающей, строительной промышленности, в сельском хозяйстве и других отраслях. Воздушный камерный сепаратор для сухой сепарации включает корпус, дозатор, вентилятор, наклонный каскад плоскостей, разгрузочные приспособления для сбора крупных и тонких фракций. Каскад плоскостей закреплен в корпусе и установлен с возможностью регулирования угла его наклона. Корпус закреплен на несущей раме и выполнен в виде подготовительной камеры, камер для сепарации крупных и тонких частиц материала. Наклонный каскад плоскостей расположен в подготовительной камере. Подготовительная камера снабжена вибратором, амортизаторами и эластичным манжетом соединения с камерой сепарации крупных частиц материала. Каждая из плоскостей закреплена под определенным углом атаки к потоку воздуха. Приспособления для сбора крупных и мелких частиц выполнены в виде сменных кассет карманов. Сменные кассеты карманов установлены в днищах камер для сепарации крупных и тонких частиц материала. Камера сепарации мелкозернистых фракций выполнена с увеличивающейся шириной поперечного сечения в продольном направлении потока воздуха для уменьшения горизонтальной скорости потока среды. Технический результат – повышение качества процесса разделения частиц сепарируемого материала. 4 ил.
Изобретение может быть использовано в горнодобывающей, строительной промышленности, в сельском хозяйстве и других отраслях для сепарации сыпучих материалов по плотности, крупности, форме частиц.
Уровень техники
Известны аппараты для сепарации сыпучих материалов в различных по направлениям потоках воздуха разнообразных конструкций.
Далеким прототипом можно рассматривать известный в литературе камерный аппарат Бамаг /1/. Этот аппарат, предназначенный для отделения мелкозернистой от крупнозернистой фракции сыпучих материалов, имеет суживающуюся книзу камеру с двумя воронками, снабженными шнеками для удаления из него выпавшей пыли. В верхней части камера имеет щель, через которую подают воздух, и желоб для подачи исходного материала мимо названной щели.
Способ разделения частиц исходного материала по крупности заключается в следующем: исходный материал питателем подается по желобу сверху вниз так, что, падая мимо упомянутой щели, через которую подают воздух с определенной скоростью и посредством которой отделяют сравнительно тонкие частицы от более крупных, мелкие частицы потоком воздуха выносятся в камеру, где они оседают и удаляются шнеком, а крупные обеспыленные частицы, падая мимо щели, удаляются из аппарата как готовый продукт.
В данном аппарате разделение зерен материала по крупности производят только на две фракции по заданному размеру. Классификацию частиц на несколько фракций по узкой шкале в данном устройстве осуществлять невозможно. По причине конструктивных особенностей узлов, деталей и их взаимосвязей данного аппарата разделение частиц происходит в условиях сравнительно высокой турбулентности потоков, образования вихрей, что приводит к низкому КПД их разделения. А сепарацию по плотности частиц в аппаратах подобного типа при условии подготовки материала по коэффициенту равнопадаемости по данной причине вообще невозможно.
Наиболее близким техническим решением, которое принято за прототип, является воздушный камерный сепаратор (пневматический классификатор), включающий корпус, камеру классификации, дозатор, вентилятор, наклонный каскад плоскостей, закрепленный в поперечном сечении корпуса, установленный с возможностью регулирования угла его наклона, разгрузочные бункеры для сбора крупных, средних и мелких фракций /2/.
На основании приведенных доводов и их экспериментальной проверки целью данного изобретения являлась разработка технических элементов /деталей узлов/, взаимодействие которых обеспечивало бы аэродинамическое условие процесса разделения частиц сепарируемого материала, максимально приближающееся к ламинарному режиму, и возможность его регулирования, а также создание возможности регулирования фракционирования сепарируемого материала по количеству и размерности выделяемых фракций за счет:
1) уменьшения вертикальной составляющей скорости падения частиц при подаче материала в аппарат;
2) улучшения аэродинамических условий при встрече потока материала и потока воздуха;
3) обеспечения равномерности потока материала в поперечном сечении аппарата и условий распределения частиц по их свойствам в процессе их разделения;
4) обеспечения сравнительно благоприятных условий перераспределения частиц по траекториям радения в зависимости от их масс в продольном сечении аппарата;
5) создания возможности фракционирования сепарируемого материала по количеству и равномерности фракций путем регулируемой дифференциации выделения осевших частиц в аппарате по его длине.
Это достигается тем, что в воздушном камерном сепараторе для сухой сепарации, включающем корпус, дозатор, вентилятор, наклонный каскад плоскостей, закрепленный в корпусе, установленный с возможностью регулирования угла его наклона, разгрузочные приспособления для сбора крупных и тонких фракций, корпус сепаратора закреплен на несущей раме и выполнен в виде подготовительной камеры, камер для сепарации крупных и тонких частиц материала, причем наклонный каскад плоскостей расположен в подготовительной камере, которая снабжена вибратором, амортизаторами и эластичным манжетом соединения с камерой сепарации крупных частиц материала. Каждая из плоскостей закреплена под определенным углом атаки к потоку воздуха, причем приспособления для сбора крупных и мелких частиц выполнены в виде сменных кассет карманов, установленных в днищах камер для сепарации крупных и тонких частиц материала, а камера сепарации мелкозернистых фракций выполнена с увеличивающейся шириной поперечного сечения в продольном направлении потока воздуха для уменьшения горизонтальной скорости потока среды.
Сущность изобретения
Целью изобретения являлось создание аппарата для разделения частиц сыпучих материалов по их свойствам /крупности, плотности, форме/, лишенного недостатков аналогов, для реализации известного способа: гравитационного разделения частиц по их массам при их падении в горизонтальном потоке воздуха, в результате которого частицы в процессе движения в зависимости от их масс приобретают разные траектории падения, перераспределяясь в пространстве, оседают на разном расстоянии от начала движения в зависимости от их свойств. Основными факторами, определяющими процесс разделения частиц, являются сила веса G=mg /где m - масса частицы, g - ускорение земного притяжения/ и сила, воспринимаемая частицей от горизонтальной струи воздуха, или его динамического давления, равная P=
d2c2
/где с - скорость струи воздуха, d - диаметр частицы, - плотность воздуха, - коэффициент сопротивления/, а направление равнодействующей этих сил выражается tg угла 
с горизонтом:
где 
- плотность частицы /см. фиг.1/.
Отсюда видно, что при одинаковом удельном весе угол этот будет зависеть от их размера, т.е. угол будет больше для крупных частиц;
поэтому более крупные зерна направляются по более крутой траектории вниз и быстро выходят из сферы действия потока воздуха, в то время как более мелкие зерна, двигаясь полого, дольше подвергаются действию струи и поэтому переносятся на большее расстояние, таким образом перераспределяются по длине аппарата соответственно их массам. Явления, происходящие в процессе движения частиц в аппаратах, работающих на данном принципе, в действительности значительно сложнее из-за вихрей, образующихся в потоке воздуха, и при падении более крупных частиц, скорость которых сравнительно велика: и чем больше эти скорости, тем больше турбулентность потоков и, как следствие, ухудшение процесса разделения частиц по их свойствам.
Из аэродинамики известно, что вихревое движение возникает при определенном режиме струи, характеризуемом параметром Рейнольдса:
/V - скорость потока воздуха, d диаметр шарообразной частицы, - плотность среды /воздуха/, 
- коэффициент вязкости/. Отсюда видно, что при постоянных значениях d, , турбулентность наступает после определенного критического значения скорости потока или падения частицы, и чем меньше эти скорости, тем лучше для процесса, однако до определенного оптимального значения, в противном случае процесс разделения частиц прекратится.
Изобретение направлено на повышение качества разделения частиц по их свойствам.
С точки зрения аэродинамики аппараты рассматриваемого прототипа имеют существенные недостатки, из-за которых показатели их работы по качеству /степени точности/ разделения частиц по их свойствам желают быть лучше.
Перечисленные цели изобретения направлены на:
1) уменьшение вертикальной составляющей скорости падения частиц при подаче их в аппарат путем разделения общей высоты падения в аппарате на "п" отрезков посредством каскада плоскостей, расположенных под углом, подобно наклонной лестницы /отличительный признак/, что в несколько раз сокращает скорость движения сепарируемого материала сверху вниз и увеличивает время взаимодействия потоков воздуха и материала и значительно снижает турбулентность.
Целесообразность и полезность включения данного элемента в устройство аппарата подтверждается простым расчетом на примере движения частицы, изображенного на фиг.1.
Скорость падения частицы в аппарате из точки А начала в точку В конец падения равна, как известно, V=V0+gt,
где V0 - начальная скорость падения, равная 0 м/сек;
g - ускорение земного притяжения, м/сек2;
t - время падения, сек.
Обозначим общую высоту падения Н и для простоты расчета примем равной 1 м.
Известно, что при свободном падении
,
отсюда найдем время падения
.
Так как принято нами Н=1 м /высота сепаратора/, то время падения частицы в аппарате равно
Предположим, что каскад имеет 10 плоскостей, который делит высоту аппарата на 10 равных отрезков, т.е. Н=10 h,
где h - высота между ступенями каскада, м:
Определим время падения частицы на отрезке с высоты h
Общее время падения частицы из точки А в точку В с каскадом из 10 плоскостей составит
tk=0,142· 10=1,42 сек, т.e.
раза больше, чем без каскада /положительный результат/.
Средняя скорость падения частицы с уровня А на уровень В без каскада равна
а с каскадом (Vк):
т.е.
раза меньше, чем без каскада /положительный результат/.
Таким образом, включение каскада плоскостей в три паза сокращает среднюю скорость падения частиц, что, соответственно, уменьшает образование вихрей /турбулентность/ и в три раза увеличивает время взаимодействия потока воздуха и материала, что значительно улучшает условия разделения частиц.
Кроме того, скорость движения сепарируемого материала по каскаду плоскостей зависит от угла его наклона: чем меньше уклон, тем меньше скорость движения материала по каскаду вниз и наоборот. Поэтому использование этого фактора для улучшения условий процесса сепарации и его регулирования является целесообразным, для чего в конструкцию аппарата включены элементы регулирования угла наклона каскада /фиг.2/, /отличительный признак/, который зависит от механических свойств сепарируемого материала и заданного аэродинамического процесса;
2) улучшение аэродинамических условий при встрече потоков материала и воздуха посредством придания каждой плоскости каскада в поперечном сечении обтекаемой формы /отличительный признак/, подобно крылу самолета, что также снижает вероятность образования вихревого движения потока, нарушающего закономерное перераспределение частиц по их свойствам /массе, форме/.
Целесообразность этой конструкции очевидна;
3) улучшение условий процесса за счет обеспечения равномерности потока сепарируемого материала на плоскостях каскада и между ними, для чего в совокупность технических элементов вводится вибратор /отличительный признак/.
Перечисленные элементы по своим функциональным взаимосвязям и по характеру динамики их работы - дозатор, каскад плоскостей, вибратор - монтируются в одном блоке, названном подготовительной камерой;
4) улучшение аэродинамических условий процесса перераспределения частиц по своим траекториям падения в продольном сечении аппарата соответственно их массам и форме для сравнительно грубозернистых фракций - сепаратор снабжен камерой грубозернистых фракций, имеющей в нижней части карманы для выделения соответствующих фракций /отличительный признак/;
5) учитывая, что по мере движения частиц с потоком воздуха вдоль аппарата сравнительно крупные частицы быстро выпадают из потока, и остаются мелкие, крупность которых с увеличением пути их движения уменьшается, и для их осаждения необходимо соответствующее изменение скоростного режима потока. Скоростной режим, как известно, характеризуется значением параметра Рейнольдса
где V - скорость потока, м/сек, обратно пропорциональная площади сечения канала, м - диаметр канала, - плотность среды /воздуха/, - коэффициент вязкости воздуха.
Преобразуя выражение Re применительно к условиям движения воздуха в сепараторе, получим
,
где Q - расход воздуха, м3/сек, - плотность воздуха, равная 1,293 кг/м3, 1 - ширина камеры, м, - вязкость среды. Отсюда - уменьшение значения показателя Re должно идти по направлению потока воздуха в аппарате. Из вышеприведенного выражения Re это возможно осуществить путем изменения величины l - ширины камеры. Поэтому в конструкцию сепаратора включена камера для сепарации тонких фракций с переменным поперечным сечением /отличительный признак/. Приведенные доводы по показателю Re подтверждают целесообразность включения данного элемента в устройство сепаратора;
6) создание возможности расширения количества выделяемых фракций, их размерности и регулирования этих величин - в конструкцию сепаратора включено устройство дифференциации осевших частиц по его длине, состоящее из кассет, снабженных карманами, которые заменяются в зависимости от требований к сепарации /отличительный признак/.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг.1 - схема движения частиц сепарируемого материала в подготовительной камере при свободном падении в горизонтальном потоке воздуха без каскада плоскостей и с каскадом. Фиг.2 - камерный сепаратор, вид сбоку. Фиг.3 - камерный сепаратор, вид спереди. Фиг.4 - камерный сепаратор, вид сверху.
Осуществление изобретения
На опорной раме 1 /фиг.3, 4, 5/ установлены по меньшей мере три камеры: 2 - подготовительная камера, 3 - камера крупнозернистых фракций, а 4 - камера тонкозернистых реакций.
Подготовительная камера 2 снабжена дозатором 5 для равномерной дозировки сепарируемого материала в камеру, каскадом 6 обтекаемых плоскостей 7 с целью снижения средней скорости падения материала и увеличения времени взаимодействия потоков воздуха и сепарируемого материала.
С целью регулирования угла наклона каскада 6, от которого зависит скорость движения сепарируемого материала сверху вниз, последний закреплен в камере посредством шарнира 8 и снабжен фиксатором его положения 9. Угол наклона 
подбирают экспериментально применительно к свойствам материала.
С целью равномерного распределения материала по поперечному сечению камеры и движения частиц по плоскостям каскада камера снабжена вибратором 10 и амортизаторами 11. Для предотвращения передачи вибраций последующим камерам соединена с камерой крупнозернистых фракций 3 посредством эластичного манжета 12.
Камера разделения крупнозернистых фракций 3 имеет одинаковое поперечное сечение по всей длине для выделения крупнозернистых фракций, количество которых может быть любое, по необходимости, снабжена в нижней части кассетой карманов 13.
Камера тонкозернистых фракций 4 с целью изменения динамического режима потока воздуха соответственно крупности осаждаемых частиц имеет в продольном направлении потока воздуха увеличивающееся поперечное сечение за счет ширины камеры и, аналогично, предыдущей камере, для выделения тонкозернистых фракций снабжена кассетой карманов 14 и люком 15 для ее зачистки и соединена с вентилятором для создания потока воздуха и его очистки от сверхтонкой пыли, которые на чертежах не показаны как не являющиеся элементами изобретения.
Согласно поставленной задаче при разработке изобретения, которая заключалась в создании конструкции сепаратора с сравнительно высокими технологическими показателями разделения частиц сепарируемых материалов по их свойствам, иными словами, с целью повышения КПД разделения по одному из свойств частиц /крупности, плотности, форме/, в сравнении с аналогичными, за счет улучшения аэродинамических условий процесса сепарации путем включения в конструкцию аппарата новых конструктивных элементов, отличающихся и по форме и по своим функциональным взаимосвязям. Цель, как показали испытания модели, достигнута.
Процесс сепарации в данном изобретении осуществляется по известному способу, который кратко можно характеризовать как разделение /или классификацию/ твердых частиц по их крупности или плотности, при условии соблюдения коэффициента равнопадаемости, по форме, например при сепарации слюдянистых, асбестовых руд и др., при свободном их падении в горизонтальном потоке воздуха.
Практически процесс сепарации осуществляется следующим образом. Устанавливают кассеты карманов 13, 14 в камеры крупнозернистой и тонкозернистой фракций с соответствующими количествами карманов заданному количеству фракций. Набор кассет имеется в комплекте сепаратора. Пускают в работу вентилятор, устанавливают заданную скорость воздушного потока в подготовительной камере 2 /например, 3 м/сек/ посредством дросселя и прибора, изменяющего скоростной напор потока воздуха. Пускают вибратор 10, затем дозатор 5, который подает в сепаратор материал в заданном количестве в единицу времени.
Частицы материала под воздействием вибрирующих плоскостей 7 каскада 6 равномерно распределяются на них по ширине и высоте /монослоем/ и, притормаживаясь, падают с плоскости на плоскость каскада, одновременно подвергаясь воздействию горизонтального потока воздуха на каждом участке падения, который изменяет траекторию падения частиц соответственно их массам, в результате чего происходит их разделение по крупности, если частицы имеют одинаковую плотность, по плотности, если они имеют одинаковую крупность, или по форме. При этом частицы перераспределяются так, что в начале сепаратора выпадают тяжелые частицы, уменьшаясь по своим массам к концу аппарата. Фракционирование упавших частиц осуществляется посредством кассет карманов 13, 14.
После сепарации фракционирование материала посредством кассет карманов может изменяться путем объединения фракций в различных комбинациях в зависимости от требований, предъявляемых к грансоставу готового продукта.
Библиографические данные
1. Лященко П.В., проф. Гравитационные методы обогащения. М.: ОНТИ, 1935, с.313-317.
2. Справочник по обогащению руд. Т.1. М.: Недра, 1972, с.272.
3. SU 1459736 Al, B 07 B 4/08, 23.02.1989, 4 с.
Формула изобретения
Воздушный камерный сепаратор для сухой сепарации, включающий корпус, дозатор, вентилятор, наклонный каскад плоскостей, закрепленный в корпусе, установленный с возможностью регулирования угла его наклона, разгрузочные приспособления для сбора крупных и тонких фракций, отличающийся тем, что корпус закреплен на несущей раме и выполнен в виде подготовительной камеры, камер для сепарации крупных и тонких частиц материала, причем наклонный каскад плоскостей расположен в подготовительной камере, которая снабжена вибратором, амортизаторами и эластичным манжетом соединения с камерой сепарации крупных частиц материала, каждая из плоскостей закреплена под определенным углом атаки к потоку воздуха, причем приспособления для сбора крупных и мелких частиц выполнены в виде сменных кассет карманов, установленных в днищах камер для сепарации крупных и тонких частиц материала, а камера сепарации мелкозернистых фракций выполнена с увеличивающейся шириной поперечного сечения в продольном направлении потока воздуха для уменьшения горизонтальной скорости потока среды.
РИСУНКИ
