ИМПУЛЬСНЫЙ ОБЪЕМНЫЙ ДОЗАТОР 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 СМ;
– 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;
– высокая надежность за счет минимальной сложности конструкции и отсутствия (или минимума) движущихся частей;
– отсутствие влияния параметров внешней среды (особенно влажности) на состояние твердой фазы;
– экологическая безопасность, т. е. невозможность (или минимум) попадания СМ в окружающую среду
– возможность работы с пожаро-и взрывоопасными СМ.
Предъявленным требованиям в значительной степени удовлетворяют пневматические питатели, в которых СМ перемещается потоком газа, чаще всего, воздуха. 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. В последнем случае питатель выполняет функции дозатора СМ.
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 объемный дозатор с фиксированной скоростью потока (ДФС). Импульсное управление для ВПКП может быть организовано без дополнительного управляющего импульсного элемента, только за счет обратной связи по давлению в самом питателе.
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.
ИМПУЛЬСНЫЙ ОБЪЕМНЫЙ ДОЗАТОР СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Принципиальная схема импульсного дозатора типа ДФС для сыпучих материалов 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;
12 ― датчик-реле давления. 
― массовые расходы несущего воздуха и
сыпучего материала.
Рисунок 1 ― Принципиальная схема ДФС
По вертикальной оси рабочей камеры 1 питателя расположен транспортный ствол 2, а в нижней части камеры ― аэроднище 3, под которое вентилятором 4 подается несущий воздух. Высота транспортного ствола сравнима с высотой рабочей камеры. Вентилятор приводится в действие 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 (h)и ЗМП (Z) 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. Запыленный воздух удаляется через аспирационный канал 11.
В режиме частотно-импульсного дозирования устройство работает следующим образом. В исходном состоянии мерная камера питателя заполнена материалом, свободно поступившим в нее под действием силы тяжести через ЗМП. 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 дозатора;
– 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 материалом. Практически одновременно срабатывает реле давления PS (поз. 1-1), отключая привод воздуходувки 5. Выдача следующей дозы происходит при поступлении внешнего командного сигнала, приводящего реле давления в исходное положение и включающего тем самым воздуходувный агрегат.
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) V0 – объем единичной дозы; 
–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.
На рисунке 2 представлена циклограмма, иллюстрирующая последовательность изменения (цифры у стрелок от 1 до 8) параметров дозатора при выдаче единичной дозы и заполнении мерной камеры.
При подаче сигнала от регулятора на выдачу единичной дозы, в камеру («мерную емкость») питателя подается газ (линия 1). В результате давление в камере увеличивается (линия 2) до величины срабатывания датчика-реле давления (линия 3). Повышение давления, в то же время, инициирует выдачу дозы V0 (линия 4). После выдачи дозы давление в камере падает (линия 5), что приводит к ее заполнению (линия 6), а также к срабатыванию реле давления (линия 7). Последнее выключает источник напора (линия 8).
Рисунок 2 - Циклограмма работы импульсного дозатора
Циклограмма соответствует несколько идеализированному описанию процесса дозирования, поскольку не учитывает все параметры аппаратуры и участвующих фаз. Неодновременность и запаздывание срабатывания технических средств, не отмеченные на циклограмме, приводят к появлению погрешности дозирования. Источником погрешности является неконтролируемая подача мелких частиц материала при нарастании и сбросе давления в камере. 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. Величина такой внутренней систематической погрешности может быть снижена путем соответствующего выбора параметров автоматического дозатора. Основное внешнее влияние на точность объемного отмеривания дозы при заполнении камеры оказывают изменения гранулометрического состава и влажности материала (изменяется угол естественного откоса материала). Эти источники погрешности возникают случайным образом.
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 3 показана реакция объекта, аппроксимированного инерционным звеном первого порядка, на прямоугольный импульс подачи материала.
— объемный расход сыпучего материала; 
— мгновенный объемный расход сыпучего материала; 
— объем единичной дозы; 
— длительность выдачи дозы; — релаксационный промежуток времени; 
— максимальная амплитуда изменения параметра технологического объекта в процессе загрузки.
Рисунок 3 — 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) |
ρМ - плотность частиц; FMH - мгновенный массовый расход материала.
Максимальная амплитуда реакции на импульс для рассматриваемого объекта управления определяется как
 .
| (5) |
Здесь kO - коэффициент передачи объекта управления.
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 воздуха на перенос единицы массы твердой фазы 
(рисунок 4).
Рисунок 4 — 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).