Анализ классических форм истечения грузов из бункеров и силосов

Анализ схем технологических операций с сыпучими грузами в транспортно-складских комплексах показывает, что бункеры являются неотъемлемым элементом складской системы. Это справедливо для любых форм поставок, как в тарированном виде, так и в бестарном. Качественная и бесперебойная работа транспортно-складских комплексов на загрузке подвижного состава и внутрискладских транспортировках груза зависит от отлаженности технологического процесса производства и, в том числе, от стабильного истечения грузов из емкости хранения.

Процесс истечения сыпучих грузов из бункеров нарушается, в первую очередь, вследствие возникновения явлений сводообразования. Особенно сильно этому явлению подвержены связные грузы. Классическая наука о процессе истечения грузов из емкостей применима лишь для сыпучих грузов незначительной связности и не расзания. Для подавления сводообразования используются различные технические устройства, которые воздействуют на сыпучий груз, стимулируя его истечение активным либо пассивным способом. Тем не менее, и в зоне питателя при диаметре потока бп, меньшем диаметра наибольшего сводообразования бн.с, над выпускным отверстием создается подпор груза, стимулирующий образование сводов.

На основании исследований А.Л. Степанова известно три типичных формы истечения грузов

Изменение формы истечения из ёмкости с повышением связности грузов
Рис.1.13. Изменение формы истечения из ёмкости с повышением связности грузов:

а- малой связности; б- повышенной связности; в- высокой связности различной степени связности из бункерно-силосных емкостей (рис.1.13):

I - свободное истечение сыпучего груза малой связности из выгрузного отверстия диаметром d с образованием потока диаметром ^ (^п>1), обрушением откосов в образующуюся воронку и наличием незначительных остатков на днище емкости (рис. 1.13а);

II - истечение сыпучего груза повышенной связности с пульсацией и образованием динамических сводов в зоне выгрузки (рис. 1.136). При ^п=1 истечение неустойчивое, с увеличением 6п требуется внешнее воздействие;

III - отсутствие гравитационного выпуска груза высокой связности из-за статических сводов при 6<6п (рис.1.13е). Разгрузка емкости производится с применением специальных выгрузных устройств. Для хранения таких грузов вместо бункеров целесообразно применение шатровых складов с крейцер-кранами.

Таким образом, для связных грузов применение бункерносилосных емкостей возможно лишь в случаях, когда обеспечиваются формы истечения груза типа I и II. Выгрузка высокосвязных грузов из бункерно-силосных емкостей может быть осуществлена при рациональном сочетании гравитационного и принудительного выноса сыпучих грузов из полости емкости. Управление процессом извлечения должно осуществляться при помощи сводообрушителей, затворов и питателей. Кроме того, сводообрушители изменяют свойства груза в зоне выпуска, что способствует обеспечению заданной производительности выгрузки, подавлению процесса сегрегации груза, частичному восстановлению сыпучести слежавшегося материала и т.п.

Бесперебойное и равномерное истечение груза из емкостей в значительной степени зависит от следующих факторов: режима функционирования бункера, конфигурации и конструкции корпуса и выгрузной воронки, месторасположения и размера выпускного отверстия и физико-механических свойств груза.

Рогинским Г.А. высказано мнение, что сыпучий груз имеет способность сохранять равновесие в пределах, обусловленных силами внутреннего трения. При открытии затвора груз лишается части опоры столба насыпи, при этом нарушается равновесие частиц груза в емкости. Частицы груза, примыкающие к выгрузному отверстию, получают перемещение, что обуславливает истечение сыпучего груза. В свою очередь частицы вышележащих слоев, потеряв опору, движутся к месту выгрузки, что сопровождается колебанием давления в потоке груза. Нарушение равновесия слоев происходит последовательно от нижних к верхним, тем самым обеспечивая непрерывное движение потока к выпускному отверстию емкости. Далее происходит изменение давления по высоте емкости и физико-механических свойств груза (объемной плотности, начального сопротивления сдвигу, коэффициента уплотнения), что в итоге приводит к сводообразованию, а зачас тую и к сегрегации сыпучего материала. В массе груза происходят явления, вызванные пульсацией и прерывистым характером потока. Движение частиц сопровождается столкновением, трением и соударением их при непрерывном изменении структуры сыпучего груза.

Исследования выпуска сухого песка из емкости с отверстием в плоском дне позволили сделать следующие выводы (рис.1.14). Над выпускным отверстием емкости находится зона А, характеризующаяся свободным падением частиц груза. Зона В на высоте засыпки емкости ограничена размерами выпускного отверстия, в ней частицы движутся ускоренно (канал потока). Движение груза к выпускному отверстию происходит с перемещением зоны С по верхней границе с зонами Д, подвижность которых ограничена вследствие неподвижных зон Е. Объем неподвижных зон зависит от конфигурации элементов емкости и физико-механических свойств сыпучего груза. Характерной особенностью при этом являются неподвижные зоны, в которых высыпание придонных слоев груза осуществляется в последнюю очередь.

На основании исследований процесса истечения сыпучих грузов из бункерно-силосных емкостей выделены основные формы движения потока: нормальная форма (центральный поток) и гидравлическая, сплошная форма (массовый поток)1. При нормальном истечении (рис. 1.15) в начальный момент отсутствует движение частиц относительно стен емкости. После открытия выпускного отверстия происходит разуплотнение груза над отверстием и образование канала или воронки. В дальнейшем воронка наращивает диаметр до встречи с поверхностью насыпи, но уровень насыпи не снижается. По мере соприкосновения конусной воронки со стенками емкости сыпучий груз располагается на поверхности насыпи под углом естественного откоса. Крупные частицы скатываются по воронке к выгрузному отверстию, что стимулирует сегрегацию сыпучего груза.

Таким образом, в процессе функционирования емкости с нормальным истечением при выпуске выгружается сначала вновь загруженный материал, а затем оставшийся. Это приводит к образованию застойных зон, где содержимое емкости остается длительное время.

Нормальная форма истечения груза из силоса
Рис. 1.15. Нормальная форма истечения груза из силоса

1 Терминология американского и бельгийского ученых Э.Дженике и Г. Боуманса

Нормальная форма движения потока в емкости характерна для хоро-шосыпучих грузов (стандартной влажности зерно, минеральные удобрения и т.п.).

Гидравлическая форма движения груза характеризуется перемещением в направлении выпускного отверстия всей массы сыпучего груза, а поверхность насыпи его сохраняет свой первоначальный профиль. При этом происходит движение частиц относительно стенок емкости, что исключает образование «мертвых» зон. Груз, поступивший в полость емкости первым, выгружается в первую очередь. Можно выделить следующие преимущества над формой нормального истечения груза:

- расслоение (сегрегация) груза проявляется в меньшей степени вследствие движения всей массы насыпи вниз, так как все частицы груза имеют одинаковую скорость;

- опасность обвала больших масс груза снижается за счет его перемещения в виде столба, обеспечивающего принцип «первый при загрузке - первый при выгрузке»;

- из-за незначительного действия сил внутреннего трения движение более крупных частиц груза замедлено.

Г. Боуманс считает, что гидравлическое истечение происходит в трех случаях: стенки выпускной воронки гладкие и имеют крутой наклон; нижние слои груза испытывают давление со стороны верхних; выпускное отверстие имеет большую площадь.

При количестве выпускных отверстий емкости более одного (рис. 1.16) отнесение вида истечения к гидравлическому не может быть однозначным. При малом соотношении площади сечения емкости и выгрузного отверстия происходит выпуск сыпучего груза по смешанной форме движения со смещением к нормальной. С ростом количества выпускных отверстий и, соответственно, соотношения площадей емкости и отверстия происходит сокращение зон сыпучего груза с задержкой времени выгрузки. Однако размер отдельного выпускного отверстия должен исключать сводообразование.

По мнению Рогинского Г.А., фактором, определяющим формы движения потока, являются физико-механические свойства груза. Анализ исследований процесса истечения сыпучих грузов с различной

Движение груза в бункере с несколькими выгрузными отверстиями
Рис.1.16. Движение груза в бункере с несколькими выгрузными отверстиями

степенью связности показал, что в реальных условиях происходит слияние названных видов истечения. При разгрузке емкостей нормальное истечение груза может принимать гидравлическую форму (массовый поток) и наоборот в зависимости от различных обстоятельств. Ими могут явиться паузы в технологическом процессе, сроки хранения сыпучих грузов, форма корпуса емкости, выпускной воронки и т.п.

Явление сводобразования обуславливается уплотнением сыпучих грузов при производстве транспортно-складских операций, происходящим вследствие изменения давления внутри столба груза, находящегося в бункере, в зависимости от высоты этого столба. Исходя из этого, понимание указанного явления вытекает из динамики распределения давлений в материале по высоте бункерно-силосных емкостей.

Общие сведения о бункерах и бункерных устройствах | Емкости для сыпучих грузов в транспортно-грузовых системах | Зоны давления в бункерах