Текст книги "Элеваторы, склады, зерносушилки"

1.3. Давление зерна

Определение давления зерна на подпорные стены (по Кулону)

При соотношении размеров хранилищ Н ≤ В зерновой ворох рассматривается как идеально сыпучее тело, при этом между частицами отсутствует сила сцепления, а имеет место только сила трения. В данном случае действует закон Кулона.

Рассмотрим давление сыпучего материала на вертикально стоящую подпорную стену АВ шириной 1 м, высотой h (рис. 1.9).

Допустим, что стена немного сместится вдоль оси X, тогда какая-то призма ABC начнет скользить по плоскости АС. Угол наклона последней неизвестен.

Сила тяжести настоящей призмы F_G, приложена в центре тяжести фигуры ABC (точка О). Действие силы F_G уравновешивается реакцией стены F_c и сыпучего тела F_T. Направление этих реакций отклонено на угол трения от нормалей к соответствующим поверхностям. Силовой треугольник замкнут – система в равновесном состоянии.

Угол между вектором силы F_G и нормалью On есть угол γ, угол между векторами F_G, и F_T есть угол (γ – φ). Оставшийся неизвестный угол определится как:

По теореме синусов для треугольника имеем:

Рис. 1.9. Равновесие скользящего клина.

Откуда:

Таким образом, давление на стенку склада определяется силой тяжести призмы обрушения (скользящего клина), внутренним и внешним трением зерна, наклоном стенки и величиной угла γ.

Для нахождения значения угла γ, а значит и силы F_G, берется производная dF_C/dγ; находится такое значение γ, при котором F_C будет максимально, то есть при dF_C/dγ = 0.

Графически это осуществляется следующим образом (рис. 1.10). Из точки А под углом φ проводим линию AD. Из точки В под углом φ + φ₀ к стене проводим линию BE (до пересечения с прямой АD).

Полагая, что АО есть диаметр окружности, строим на нем полуокружность с радиусом R = AD/2.

Рис. 1.10. Положение плоскости обрушения.

Из точки Е восстанавливаем перпендикуляр ЕК до пересечения с окружностью. Из точки А на прямой AD откладываем отрезок AF, равный расстоянию АК. Из точки F проводим линию FС параллельно BE (до пересечения с BD). Линия АС есть линия плоскости скольжения (обрушения). Из точки С опускаем перпендикуляр на линию AD (точка S), тогда из угла ACF имеем:

а учитывая, что ∆АВС = ∆ACF и их площади равны (A_∆АВС =A_∆ACF), находим:

Так как из равенства ΔABC = ΔАСF имеем:

кроме того:

Окончательно получаем:

Здесь

При то есть когда трение о стенку отсутствует и сила F_C, завышена. В случае имеем:

Давление ρ на единицу площади стены определим, продифференцировав выражение dF_c/dh:

Вертикальное давление определим как q = ρgh.

При отсутствии трения между частицами сыпучего тела оно превращается в жидкость, для которой, как известно из гидравлики,

Выводы. Количественную оценку объема воздушных каналов и полостей в зерновом ворохе определяет скважистость. Благодаря ей возможны подвод тепла к зерну, отвод влаги от него, газация зерновой массы.

Критериями сыпучести зернового вороха являются угол внутреннего трения и угол естественного откоса.

Для складов с соотношением размеров Н = В давление на стенку объясняется явлением скользящего клина. Плоскость скольжения (обрушения) составляет с горизонтом угол (45 + φ/2).

В отличие от давления жидкости на стену, давление зерна при прочих равных условиях определяется как:

Давление зерна в силосах

Необходимость компактного размещения зернового вороха привела к созданию высоких хранилищ – сооружений в виде башен силосов.

В настоящее время используются силосы вместимостью от 100 до 1000 т. Наибольшее распространение получили силосы СКС-3 размерами в плане 3 х 3 м и вместимостью 200 т и СКС-6 диаметром 6 м, вместимостью 640 т.

Дальнейшее увеличение вместимости силоса за счет увеличения высоты ограничено несущей способностью грунта (обычно h ≤ 30 м).

Давление на грунт зерна массой m, находящегося в силосе диаметром D, высотой h = 30 м, будет:

Заметим, что сила тяжести зерна в 3 раза больше силы тяжести здания (силоса).

Увеличение поперечного размера D или В вызовет потерю вместимости, рост давления на стену и момента, изгибающего стену силоса прямоугольного сечения (М_и = ρl² / 8).

Давление зерна на стену рассчитывали приближенно как для жидкости:

(1)

или с учетом закона Кулона:

(2)

(3)

Давление зерна на дно определили как:

(4)

Очевидно, что при φ = 0 выражения (2) и (3) обращаются в выражение (1), то есть при минимально возможной сыпучести давление максимально. При φ = 90 р = 0, то есть сыпучий материал становится отвердевшим и боковое давление отсутствует.

Таким образом, с увеличением подвижности частиц относительно друг друга боковое давление на стенку силоса возрастает.

Отношение горизонтального давления к вертикальному принято называть коэффициентом бокового давления ν:

Для различных углов φ = 20–60°, φ = 15–35° ν = 0,9–0,1. Давление сыпучего материала по закону Кулона составляет 10–90 % от максимально возможного давления.

Фактически силосы, рассчитанные согласно данным выражениям, разрушались, и причиной разрушения была недооценка бокового давления (оно было большим).

Более строгое и оригинальное выражение для определения давления предложил в 1895 г. Янсен (Германия).

Рассматривая на глубине z (рис. 1.11) равновесие элементарного слоя толщиной dz, площадью А, Янсен выделил силы: давления верхнего слоя А · g; тяжести рассматриваемого слоя ρg · dz · А; трения слоя о стенки силоса pf₀ · dz · L; реакции нижнего слоя A (q + dq). Здесь dq – приращение единичного вектора вертикального давления на высоте dz, z – периметр сечения, f₀ – коэффициент внешнего трения сыпучего материала о стенку силоса.

Слой находится в равновесии, то есть

Откуда

Обозначив p = νq и R_г (гидравлический радиус) как R_г = A/L, получим

Рис. 1.11. Давление зерна в силосе.

Приняв получим и так как ρg = const, то будем иметь

После интегрирования это выражение примет вид:

При начальных условиях z = 0, q = 0:

Откуда:

Принимая ρ = 750 кг/м³,

получим p = 23500(1 – е^–0,157z).

Таким образом, горизонтальное давление на стену силоса зависит от внешнего трения зерна о стену, плотности продукта, диаметра и высоты силоса.

Теория Янсена дает верное представление только о характере изменения давления от высоты столба сыпучего тела. Она использовалась до 30-х годов, но затем из-за расхождений теоретических и экспериментальных данных, а также ряда случаев разрушения силосов стало очевидным несовершенство существующего метода расчета.

Сыпучий материал, находящийся в покое, уплотняется, возрастают коэффициент внутреннего трения (рис. 1.12) и коэффициент внешнего трения (рис. 1.13). Это приводит к тому, что величина коэффициента бокового давления изменяется от 0,3 до 0,4.

Фактически Янсен сделал ошибочное допущение, приняв ν постоянным. Но его теория впервые подтвердила так называемый «эффект силоса», то есть зависимость вертикального давления на зерно от высоты слоя только при небольших значениях h.

Рис. 1.12. Зависимость коэффициента внешнего трения пшеницы от глубины расположения слоя.

Рис. 1.13. Зависимость коэффициента внешнего трения от нормального давления.

Сводообразование

Действительно, по мере засыпки зерна в силос вертикальная нагрузка на дно возрастает до определенного значения h = h_k, затем при увеличении h рост ее прекращается. Эта закономерность имеет место для любых сыпучих материалов и не зависит от угла наклона стенок, днища, размера и формы выпускного отверстия.

Прекращение роста давления объясняется сводообразованием. Частицы сыпучего тела под действием давления вышележащего слоя укладываются плотнее, прижимаются друг к другу и образуют свод (рис. 1.14). Результирующая реакция соседних частиц оказывается больше силы тяжести самой частицы и силы давления вышележащих частиц.

Естественно, что при этом вертикальное давление на частицы, находящиеся под сводом, уменьшается, а на стенки силоса возрастает.

По различным исследованиям, поверхность свода описывается уравнением параболы или эллипса.

Рис. 1.14. Сводообразование (а) и скорость истечения (б) зерна.

Сводообразование как явление изучали и на кафедре «Детали машин и ПТМ» СГАУ. Оценивая скорость истечения зерна из силоса, сделали вывод о том, что она не зависит от высоты слоя h, а эпюра скорости имеет вид, аналогичный приведенному на рис. 1.14. Средняя скорость истечения определится как где k = 25.

Исследования показали, что сводообразование имеет место не только для покоящегося сыпучего тела, но и в случае его истечения из отверстия силоса.

По результатам, полученным В. A. Богомягких,[1]1
  Богомягких В. А. Теория и расчет бункеров для зернистых материалов. – Ростов: Изд-во Ростовск. ун-та, 1973.


[Закрыть] это происходит следующим образом. В момент открытия выпускного отверстия нарушается равновесие сыпучего тела. В отверстие устремляется объем частиц, расположенный непосредственно над отверстием и ограниченный сверху сводом. Усилие, подпирающее центральные частицы свода, исчезает. Свод начинает разрушаться с выпадения центральных частиц, которые уже не могут далее удерживаться только распорными силами собственно свода. Заканчивается разрушение свода выпадением частиц, опирающихся на боковую поверхность скольжения.

Вышележащие своды разрушаются в той же последовательности.

В связи с тем, что частицы разрушившихся сводов движутся к отверстию в постепенно суживающемся потоке, их траектории движения пересекаются, в результате чего на месте разрушившихся сводов образуются новые своды. Последние разрушаются аналогично разрушению центральной части. Таким образом, по всей высоте потока происходит процесс возникновения и разрушения сводов. Практически это подтверждается тем, что давление на стенку силоса носит непостоянный характер (рис. 1.15, 1.16), пульсирует. Частота пульсации – от 0,1 до 2 раз в секунду, горизонтальное давление резко возрастает (в 2,5–3,3 раза), а вертикальное уменьшается (см. рис. 1.15, 1.16).

Коэффициент бокового давления по высоте силоса при истечении изменяется от 1 до 2,4. Увеличение давления при истечении вызвано не только сводообразованием, но и уменьшением трения между частицами сыпучего материала (уменьшается плотность укладки).

Рис. 1.15. Давление зерна в силосе, зерно в покое.

Рис. 1.16. Давление зерна в силосе при истечении зерна.

По данным отечественных и зарубежных исследователей, наибольшее давление истекающего сыпучего материала на стенки силоса наблюдается не в плоскости выпускного отверстия, а в сечении, расположенном выше него на расстоянии h₀ = (0,25–0,33) h.

Подробно расчет нагрузок, давлений, арматуры стен изложен в специальной литературе.

Глава 2. Элеваторы, склады для зерна

2.1. Общие сведения об элеваторах

Основная вместимость (более 70 %) зернохранилищ приходится на заготовительные элеваторы и хлебоприемные пункты (ХПП).

На данных элеваторах и некоторых других (производственных, перевалочных) основные операции следующие:

• определение качества зерна;

• разгрузка транспортного средства и размещение зерна;

• очистка, сушка, охлаждение, обеззараживание зерна;

• длительное хранение зерна;

• формирование партий продовольственного, кормового и семенного зерна;

• отпуск и погрузка зерна потребителям.

Для выполнения этих операций на территории элеватора возводят следующие здания и сооружения производственного (основного) назначения: элеватор 1 (рис. 2.1), склады для зерна 2, сушильно-очистительные башни 3, 4, лаборатория 5, семенные цеха 6, 7, приемно-отпускные устройства 8, весы 9, подъездные пути 10, транспортные галереи 11, административное здание 12, проходная 13, склады ГСМ 14, ремонтная мастерская 15, котельная 16, артезианская скважина 17 (или устанавливают емкости для воды), силовая подстанция 18.

Пропускную способность различных звеньев производственной линии хлебоприемного предприятия при проектировании назначают примерно так: прием зерна – 100 %, очистка 45–55 %, сушка – 35–40 %, отпуск – 40 %.

Величину производительности звеньев элеватора оценивают, исходя из того, что средняя пропускная способность его на приеме составляет около 3000 т в сутки. Наибольшая производительность – на приеме, при этом одна часть зерна сразу закладывается на временное хранение, другая (примерно 50 %) – очищается.

Годовой объем работ можно оценить по количеству подъемов зерна:

• на очистку – 1,0;

• после очистки – 1,0;

• на очистку партий зерна, предназначенных для мельниц (60 %), – 0,6;

• после очистки мукомольных партий – 0,6;

• на сушку и после сушки – 0,6 (2 × 0,3);

• на проверку, инвентаризацию – 0,3 (2 × 0,15);

• на отпуск – 1,0.

Рис. 2.1. План зданий и сооружений на хлебоприемном предприятии.

Таким образом, годовой объем работ элеватора составляет 5 подъемов.

Сложилась определенная практика расположения рабочего здания элеватора, силосных корпусов и складских помещений.

Рабочее здание с силосными корпусами увязывается надсилосными и подсилосными конвейерами.

С целью возможных перестроек маршрута движения зерна обеспечивается подача зерна с каждого силоса двумя нориями (минимум) и на каждый надсилосный конвейер двумя нориями (минимум).

Наиболее проста схема однокрылого элеватора (рис. 2.2, а), в нем можно обойтись минимальным числом конвейеров. В двукрылой схеме (рис. 2.2, б) применяют более короткие конвейеры, чем в однокрылой.

В случае, когда в одном комплексе требуется увеличить силосную или складскую вместимость, используют принцип параллельного размещения силосных корпусов или складских помещений (рис. 2.2, в, г).

Для обеспечения удобной прямой связи элеваторов с производством (муки, комбикорма и т. п.) рабочее здание строят между силосным корпусом и мельницей (заводом), вдоль железнодорожной линии (рис. 2.2, д).

Рис. 2.2. Схема компоновки рабочего здания и силосных корпусов: 1 – рабочее здание; 2 – железнодорожные пути; 3 – склады; 4 – мельница.

Как правило, важнейшей технологической операцией на элеваторах является сушка. Под нее отводят самостоятельный производственный участок, используют здесь различные варианты размещения сушилок.

При размещении сушилки в силосном корпусе (элеватор Л-2 × 100) необходимо применять над– и подсилосные конвейеры (рис. 2.3, а), иначе нарушается тепловой режим силосного корпуса.

Широко распространен вариант размещения сушилки в рабочем здании (рис. 2.3, б), когда она максимально приближена к транспортному и технологическому оборудованию. Схема компактна, ее применяют в случае, если не требуется большой производительности сушки.

На элеваторах с большим объемом поступления сырого зерна сушилки устанавливают в некотором отдалении от рабочего здания в специальном помещении (рис. 2.3, в).

Существуют варианты размещения сушилок рядом с силосным корпусом (рис. 2.3, г), а также между рабочим зданием и силосным корпусом (рис. 2.3, д).

Почти во всех вариантах рядом с корпусом необходимо использовать над– и подсилосные конвейеры, которые не всегда свободны.

При размещении сушилки следует обеспечить короткую и прямую транспортную связь с достаточно вместительными над– и подсушильными бункерами.

Рис. 2.3. Схема компоновки сушилок: 1 – рабочее здание; 2 – сушилка.

Одна из важнейших операций при обработке зерна – взвешивание, необходимое для оценки количества принятого и отпущенного зерна, для планирования размещения его на временное или постоянное хранение.

Взвешивание зерна при приеме осуществляется на автомобильных весах, платформа которых расположена на одном уровне с дорожным полотном. После разгрузки автомобиль вновь взвешивают.

В США и Канаде автомобильные весы совмещены с автомобилеразгрузчиком, то есть одновременно с разгрузкой автомобиля происходит его взвешивание как с грузом, так и без него.

Для непрерывной и устойчивой работы автоматических весов, устанавливаемых в рабочем здании, также предусматривают над– и подвесные бункеры, а для ковшовых весов – только надвесные, отсутствие подвесного бункера компенсируют установкой конвейеров с производительностью большей, чем у подающей нории.

Существуют два принципиально отличающихся способа размещения весов с однократным и двукратным подъемом зерна (рис. 2.4).

На рис. 2.4, а показана технологическая схема элеватора с использованием принципа однократного подъема. Зерно поднимают и подают в надвесовые бункеры, взвешивают и загружают на хранение в силос.

Для уменьшения высоты рабочего здания (разница 10 м) используют двукратный подъем (рис. 2.4, б): зерно сначала поднимают выше уровня силосов, подают через бункер на весы и затем во вторую норию, которая вновь подает зерно на надсилосный конвейер.

Оригинальное высокопроизводительное весовое оборудование использовано в США (рис. 2.5).

Рис. 2.4. Схема размещения весов при одно– (а) и двукратном (б) подъеме зерна.

Рис. 2.5. Схема отгрузки зерна с использованием подвижных весов под бункерами.

2.2. Рабочее здание элеватора

Элеватор – это полностью механизированный комплекс устройств и сооружений, предназначенный для хранения, очистки, сушки зерна. Независимо от своего назначения (заготовительный, базисный, производственный, перевалочный) элеватор имеет (рис. 2.6):

• рабочее здание (А) с транспортным и технологическим оборудованием;

• силосный корпус (В) с транспортным и вспомогательным оборудованием;

• устройства (С) для приема и отгрузки зерна.

Рис. 2.6. Схема элеватора: А – рабочее здание; В – силосный корпус; С – приемные, отпускные устройства.

Рабочее здание

В нем размещен производственный центр элеватора, здесь выполняются основные транспортные операции, очищается, сушится и взвешивается зерно.

Если за нулевую отметку принимать поверхность земли (см. рис. 2.6), то пол первого этажа рабочего здания заглубляют на 0,8–2,5 м для привязки транспортного потока зерна после погрузки к приемному башмаку нории (ковшового транспортера).

Высота рабочего здания выбирается такой, чтобы зерно, поднятое норией, попадало на подсилосный конвейер после взвешивания. Это возможно в случае двукратного подъема зерна (см. рис. 2.4) или однократного подъема, когда высота нории, а значит и здания, увеличивается до 60 м. Поскольку кранов, работающих на такой высоте, нет, то рабочее здание в таких случаях делают из монолитного бетона (скользящая опалубка).

Применение двукратного подъема зерна уменьшает высоту рабочего здания на 10 м и делает возможным применение башенного крана и построение элементов здания из сборных железобетонных конструкций (строительство его ускоряется в 2 раза). Удельный вес сборных рабочих зданий всех элеваторов России составляет 80 %.

Рабочее здание может быть отдельно стоящим (тогда оно строится быстрее и с меньшими затратами) или сблокированным с силосным корпусом (это повышает устойчивость здания). Сблокированными делают элеваторы малой и средней вместимости – не более 50 тыс. т.

Размещение зерноочистительного оборудования в технологической цепи приема и обработки зерна бывает различным.

Первичная очистка выполняется иногда не в рабочем здании, а непосредственно на месте приема зерна с автомобилей.

Возле складов обычно устанавливают приемно-очистительные башни, зерно в них может подаваться либо по верхней галерее, либо норией непосредственно из завальной ямы (приемного бункера).

На некоторых крупных элеваторах непосредственно на территории размещают мехтока типа ЗАВ-40, ЗАВ-50, которые увязывают обычно со складами, в том числе семенными, транспортными галереями.

Основное оборудование по очистке находится в рабочем здании элеватора.

Возможна работа сепараторов без буферных емкостей как перед сепаратором, так и после него (рис. 2.7, а, в). В этом случае нория непрерывно подает зерно на очистку и не может быть использована для других целей, то есть имеет место жесткая связь (рис. 2.7, а, б), но поскольку производительность очистки зависит еще и от сорности зерна, то необходимы обходные самотеки (рис. 2.7, в).

Рис. 2.7. Схемы размещения зерноочистительного оборудования: 1 – весы; 2 – сепаратор; 3 – нория; 4 – ленточный конвейер; 5 – надсилосный бункер; 6 – подсилосный бункер; 7 – обходные самотеки.

В современных элеваторах, где используются универсальные нории производительностью большей, чем производительность сепаратора, устанавливают над– и подсилосные бункеры (рис. 2.7, в).

Типы элеваторов

Заготовительные элеваторы составляют 70 % в структуре зернохранилищ нашей страны. Поскольку они построены, как правило, рядом с железнодорожными линиями, то их называют линейными.

Обозначения основных типов элеваторов приведены в табл. 2.1. Элеваторы № 1–9 – линейные (заготовительные), № 10–12 – мельничные (производственные), № 13–14 – базисные, № 15 – фондовые.

Первая буква обозначения элеватора характеризует назначение: Л – линейный (заготовительный), М – мельничный (производственный), Б – базисный, П – перевалочный, Ф – фондовый.

Вторая буква характеризует особенности элеваторов:

• М – рабочее здание изготовлено из монолитного железобетона (зачастую ее опускают, подразумевая, что рабочее здание монолитное);

• С – рабочее здание изготовлено из сборного железобетона;

• В – восточный, то есть элеватор спроектирован для восточных районов, где зерно может поступать сырым и сорным, поэтому он дополнительно оборудован ворохоочистителем и сушилкой;

• Б – базисный элеватор, проектируют для конкретного места, проект всегда индивидуальный. Отличается большой вместимостью и пропускной способностью;

• Ф – фондовый, также строят по индивидуальному проекту. По соображениям противовоздушной обороны и длительности хранения (4–6 лет) основную массу зерна в нем размещают не в силосном корпусе, а в низких дешевых хранилищах (складах). Нет необходимости быстро принимать и отгружать зерно;

• П – портовой.

Таблица 2.1. Характеристика элеваторов разных типов

Первая цифра обозначения указывает на число норий, размещаемых в рабочем здании, вторая цифра – на техническую производительность каждой нории (т/ч), третья цифра соответствует году разработки проекта элеватора.

Две первые буквы «СК» в типе силосного корпуса обозначают силосный корпус, третья буква указывает на то, что он построен из дерева (Д), монолитного (М) бетона или из сборных (С) железобетонных конструкций.

Первая цифра соответствует размеру поперечного сечения одного силоса в метрах, вторая – числу силосов в корпусе.