Тема: Сортирование.
Цель работы: Анализ работы машин и исследование основных характеристик процессов по сортированию твердых тел.
Порядок выполнения работы:
15. Записать в тетради тему практической работы.
16. Ознакомится с конструкцией и принципом действия машин для просеивания.
17. Ознакомление с основными параметрами этих машин и методикой расчета.
18. Произвести сравнительный анализ просеивающих машин.
19. Записать вывод о проделанной практической работе.
20. Ответить на контрольные вопросы.
Содержание работы:
Для разделения смеси зернистых материалов на фракции с узкими пределами размеров частиц применяются три вида классификаций:
механическая, которая заключается в рассеве сыпучих материалов на ситах, решетах или других устройствах. При механической классификации через отверстия рассеивающего устройства проходят частицы материала, размеры которых меньше размеров отверстий. Не прошедшие через сита куски или частицы направляются на дополнительное измельчение;
|
|
гидравлическая классификация — разделение смеси твердых частиц на фракции в зависимости от скорости оседания частиц в жидкости;
воздушная сепарация — разделение смеси твердых частиц на фракции в зависимости от скорости отстаивания частиц в воздухе.
Классификация применяется как вспомогательная операция для удаления мелочи перед измельчением материала, а также при возврате крупных частиц материала на повторное измельчение и в качестве самостоятельной операции — для выделения готового продукта заданного фракционного состава.
Машины для просеивания. Машины с неподвижными ситами применяют сравнительно редко. На хлебозаводах для отделения муки от случайных примесей (волокон от мешков, обрывков шпагата, комков муки и т. п.) применяют просеивающие машины с ситом в виде наклонного цилиндрического желоба. Муку вдоль желоба перемещает шнек, оснащенный щетками или бичами.
Просеивающие машины с подвижными ситами делятся на две группы: машины с плоскими горизонтальными или наклонными ситами и машины с вращающимися цилиндрическими ситами, называемые обычно буратами. Название «грохот» для просеивающих машин, принятое в химической, горнодобывающей и других отраслях промышленности, в пищевых производствах практически не используется.
Схема простейшего устройства для просеивания с плоским качающимся ситом изображена на рис. 1. Сито 1 закреплено в корпусе 2, подвешенном на четырех гибких подвесках 3. Возвратно-поступательное движение сита обеспечивает кривошипно-шатунный механизм 4.
Рис. 1. Схема плоского качающегося сита:
|
|
1 – сито; 2 – корпус; 3 – подвески; 4 – кривошипно шатунный механизм.
Рис. 2. Силы, действующие на частицу на качающем сите
На частицу, находящуюся на поверхности сита (рис. 2.), действуют следующие силы:
сила тяжести
G = mg;
сила трения
T = f G,
где f - коэффициент трения частицы о сито;
сила инерции
I = m a
где а — ускорение, с которым движется частица, м/с2.
На мукомольных предприятиях для сортирования продуктов помола применяют машины с круговым поступательным движением сит (рассевы). Сита в рассевах совершают круговое движение, но не вращаются вокруг вертикальной оси, а перемещаются по окружности. Подобным образом движется решето в руках хозяйки, просеивающей муку.
Для очистки крупы, муки и других сыпучих материалов от комков и случайных примесей применяют бураты — машины с цилиндрическими или коническими вращающимися барабанами. Поверхность барабана выполнена из сита. Ось бурата с коническим барабаном (рис. 3.) расположена горизонтально, а с цилиндрическим — с наклоном 5...100 к горизонту. Под действием силы тяжести при вращении барабана материал перемещается вдоль сита. Проход ссыпается в приемный желоб, установленный под барабаном, и с помощью шнеков удаляется из машины. Отделенная примесь сходит с нижнего края цилиндра и высыпается из машины. Чем выше частота вращения барабана, тем больше производительность бурата. Однако с увеличением частоты вращения возрастает центробежная сила, прижимающая материал к внутренней поверхности барабана. При определенной частоте вращения материал может так прижаться к барабану, что начнет вращаться вместе с ним, перестав перемещаться вдоль сита. Эту предельную частоту вращения барабана можно определить, рассматривая условия равновесия частицы на поверхности вращающегося сита (рис. 3.1). Пусть рассматриваемая частица занимает крайнее верхнее положение. Условием ее равновесия является равенство двух действующих на частицу сил: силы тяжести G и центробежной силы С:
G = C.
Выражая эти силы через массу m и соответствующие ускорения, получим
m g = m ω 2 r
где ω — угловая скорость вращения барабана, 1/с; r— радиус барабана, м.
Поделим уравнение на m и выразим угловую скорость через частоту вращения: ω = π n /30. Получим
g = π 2 n2
900 r
Принимая g = π 2, находим частоту вращения барабана (об/мин), при которой частица вращается вместе с ним:
n = 30/ √ r
Для успешной работы бурата частица не должна подниматься выше половины высоты барабана, поэтому принимают рабочую частоту вращения
np= (0,3...0,5) n, т. е. n = 30/ √ r
Основной недостаток описанной конструкции состоит в том, что всегда работает только нижняя половина вращающегося сита. Этого недостатка лишены центробежные бураты, в которых вращается не только барабан, но и специальные бичи внутри барабана.
Материал, прижатый к внутренней поверхности барабана, поднимается вместе с ним на некоторую высоту, а затем падает на быстро вращающиеся бичи, которые разбрасывают материал по поверхности всего сита, увеличивая производительность машины. Просеянный продукт и отделенные примеси выводятся из машины, как у обычного бурата.
Разделение в триере. Машины, разделяющие частицы по форме (триеры), применяют для очистки зерна от сорных примесей, имеющих те же, что и зерно, размеры в поперечном сечении, но обладающих большей или меньшей длиной. Вращающийся барабан триера на внутренней поверхности имеет ячейки полусферической формы. В эти ячейки попадают округлые частицы примеси или частицы дробленого зерна. Частицы эти в ячейках поднимаются вместе с вращающимся барабаном и падают в приемный желоб, установленный в верхней половине барабана. Зерна могут также захватываться ячейками, но благодаря своей длине они вываливаются при подъеме. Увеличение поверхности с ячейками, а значит, и производительности машины достигается путем замены барабана на диски с ячейками на поверхности, установленные параллельно на одном валу. Такой дисковый триер изображен на рис. 4. Рабочий орган триера состоит из ряда кольцевых дисков, на боковых поверхностях которых имеются ячейки.
|
|
Рис. 3. Бурат:
1 — шнек-питатель; 2 — кожух; 3 — конический барабан (сито); 4 — шнек
Рис. 3.1. Силы, действующие на частицу, вращающуюся вместе с барабаном
- Зерно
- Длинные примеси
- Минеральные примеси
Рис. 4. Схема дискового триера:
1 — приемное устройство; 2— рабочий диск; 3, 5, 7—заслонки; 4 - ковшовое колесо; 6— вал;
I — исходное зерно; II — очищенное зерно; III— длинные примеси; IУ— минеральные примеси.
Форма, размеры ячеек и угловая скорость вращения дисков подобраны таким образом, что короткие примеси, содержащиеся в обрабатываемой зерновой массе, захватываются ячейками, поднимаются вверх и при определенном угле поворота, зависящем от частоты вращения дисков и от коэффициента трения частиц о диск, выпадают из ячеек на наклонные лотки и выводятся из машины. Длинные зерна тоже захватываются ячейками, но занимают в них неустойчивое положение и выпадают из ячеек при меньшем угле поворота дисков. При движении зерна вдоль машины количество коротких примесей в нем снижается.
Подобным же образом работает триер, отбирающий зерна овсюга из зерновой массы. Роль коротких примесей в этом случае выполняет основная культура — зерна пшеницы, ячменя и др.
Пневматическое и гидравлическое сортирование. Издавна крестьяне использовали ветер для очистки зерна от шелухи. Этот процесс назвали провеиванием, а устройства для его осуществления — веялками. Поясним принцип провеивания (сортирования в воздушном потоке) на простой схеме (рис. 5.). Пусть зерно с примесями падает сверху, а поток воздуха направлен горизонтально. На каждую отдельную частицу действуют две силы: сила тяжести G = mg и сила F, уносящая частицу вместе с потоком.
|
|
S — площадь проекции частицы на плоскость, перпендикулярную направлению движения; называется площадью Миделева сечения, м2; wвит — скорость витания, м/с.
Остановимся на вновь введенном понятии «скорость витания». Если струя воздуха направлена снизу вверх, то частица, попавшая в струю, либо поднимается вверх, либо опускается вниз в зависимости от скорости струи. Одинаково возможен и третий случай, когда частица находится в равновесии, т. е. сила тяжести равна силе, с которой струя действует на частицу. При этом частица «витает», немного поднимаясь, а затем немного опускаясь в струе. Скорость воздуха, при которой наблюдается такое равновесие, называют скоростью витания wвит. Равнодействующая от сложения сил G и F рис. 5, б) направлена под углом к горизонту, и чем больше сила G преобладает над F, тем круче угол падения частицы. Поэтому легкие частицы упадут на горизонтальную поверхность дальше, чем тяжелые.
Машины, на которых осуществляется пневматическое сортирование, называют воздушными сепараторами. Воздушные сепараторы существуют не только в виде самостоятельных машин, но и в виде пневмосепарирующих устройств, входящих в другие зерноочистительные машины, дробилки и т. п. Воздушные сепараторы встраивают в пневмотранспортные установки, в этом случае их называют пневмоаспираторами.
При сортировании в неподвижной жидкости более легкие частики всплывают на поверхность, а тяжелые опускаются на дно. Гидравлическое сортирование может осуществляться в потоке жидкости с использованием динамического воздействия потока на частицу, как при пневматическом сепарировании. Схема гидравлического сортирования показана на рис. 2.17. Примером гидравлического сепаратора может служить машина для сортирования зеленого горошка по степени спелости, используемая в консервной промышленности. В этой машине, вначале в растворе поваренной соли, смесь разделяется на два потока. Более зрелый горошек оседает в растворе, а зеленый всплывает к поверхности. Затем эти потоки направляются на вращающиеся ситовые барабаны, где от горошка отделяются раствор и мелкая примесь. С одного барабана сходит зрелый горошек, а с другого — недозревший.
Рис. 5. Схема сортирования в воздушном потоке:
- разделение частиц на две фракции; б— витание частицы
Рис. 6. Схема гидравлического сортирования:
1 — бункер; 2 — ванна с раствором соли; 3 — ситчатый барабан для отделения легкой фракции; 4— циркуляционный насос; 5 — сборник соляного раствора; 6— ситчатый барабан для отделения тяжелой фракции
Пневматическое и гидравлическое сортирование можно осуществить в
циклонах и гидроциклонах.
Отделение металлических примесей. Случайные металлические предметы, попавшие в перерабатываемое сырье, могут вызвать поломку рабочих органов измельчающих машин. Поэтому отделению металлических примесей в производстве придают особое значение. Простейшее устройство для отделения металлов — магнитный сепаратор (рис. 7), составленный из постоянных магнитов. Такие сепараторы устраивают в наклонных желобах, по которым перемещается сырье. Задерживаемые металлические предметы периодически удаляют вручную.
Рис. 7. Схема магнитного сепаратора с постоянными магнитами:
1 — корпус; 2— крышка люка для ручной очистки магнитного экрана; 3— регулирующая заслонка с противовесом; 4 — магнитный экран; 5— блок магнитов.
Рис. 8. Схема работы барабанного электромагнитного сепаратора:
1— сепаратор; 2 — лента транспортера; 3 — бункер
Более совершенны электромагнитные сепараторы, в которых плотность магнитного потока зависит от силы тока, питающего катушки. Электромагнитные сепараторы, имеющие сильное магнитное поле, устраивают под лентами транспортеров. Схема барабанного электромагнитного сепаратора для отделения металлической примеси от сахарной свеклы изображена на рис. 8. Электромагниты этого сепаратора смонтированы в ведущем барабане ленточного транспортера, подающего свеклу. Стальные диски, составляющие барабан, разделены между собой катушками, покрытыми по периферии латунными кольцами.
Катушки последовательно включены в цепь постоянного тока напряжением 120 В. Стальные и другие магнитные предметы притягиваются к барабану через транспортерную ленту, огибающую барабан. Свекла с транспортера сходит на наклонный лоток, а металлические примеси сбрасываются с нижней ветви ленты транспортера после схода ее с барабана, где действие магнитного поля прекращается.
Пути интенсификации сортирования и снижения энергозатрат. Дальнейшее совершенствование оборудования для сортирования сыпучих материалов связано прежде всего с улучшением основных рабочих органов. Промышленность осваивает производство новых ситовых полотен, среди которых отметим ячеистые и клинообразные сита. Эффективно применение механических вибраций при воздушной и гидравлической сепарации, так как образование псевдоожиженного состояния здесь достигается при меньших затратах энергии. Удачно сочетание двух принципов разделения в ситовеечных машинах, применяемых в мукомольной промышленности. В них происходит просеивание частиц по размерам и одновременно частицы разделяются по плотности, что позволяет получить разные по своим качествам фракции одного и того же размера.
Контрольные вопросы и задания.
1. Назовите известные вам способы сортирования зерна.
2. Какие сита используют в пищевой промышленности?
3. Как оценить эффективность просеивания?
4. Объясните принцип работы триера.
5. Как отделяют металлические примеси?
6. В каких случаях применяют гидравлическое сортирование?