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空气炮在工矿企业清堵装置的研究与应用

来源: | 2018-02-06 08:09:03 
空气炮在工矿企业清堵装置的研究与应用   摘要 介绍了空气炮清堵装置的工作原理、结构特点和设计分析,并根据其原理及特点简单介绍了在使用中的注意事项。 关键词空气炮 清堵 气冲装置 控制箱   一、简介在热电、冶金、石油、化工、制酒、水泥、矿山等行业,物料必须连续输送经料仓(料斗),最终达到连续生产。然而,由于物料的潮湿、挤压或与料仓(料斗)的摩擦力作用等原因,物料经常会在料仓(料斗)中滞留、起拱,直至堵塞。要改善料仓(料斗)内物料的流动性,安全、节能、迅速地破除料仓(料斗)的起拱、堵塞、粘仓等弊病,保持生产过程的连续性,靠人工的敲打疏通不仅费时、费力,而且也不安全,也不现实。因此必须设计一种能远程控制,并能释放较大冲击力及爆炸能量的清堵助流装置。空气炮清堵装置就是针对这种工况来实现清堵助流的专用装置。   二、工作原理空气炮清堵装置主要由???气储气罐、气冲装置、二位三通电磁阀、空气过滤减压器、单向阀、球阀等元件组成,其系统简图见图一。 打开进气球阀,压缩空气经单向阀、空气过滤减压器及电磁阀进入气冲装置(见图二),并打开副阀瓣进入储气罐,当储气罐内的压力达到与压缩空气压力相等时,储气罐B腔与气冲装置气缸A腔两侧压力达到平衡,副阀瓣靠弹簧力自动关闭并密封,此时空气炮处于待发射状态。当电磁阀接到换位指令后,气冲装置A腔内的气体经电磁场阀排气口排出,储气罐与气缸腔压力失去平衡,主阀瓣(活塞)快速开启,气体以超过一马赫(音速)的速度从侧口C侧突然喷射出来,其强烈的气流伴以巨大的冲击力直接冲入料仓(料斗)等物料堵塞事故区,释放能量,使堵塞区得以清堵。   三、设计分析与冲击力的计算空气炮清堵装置主要是储气罐、气冲装置以及电气控制箱的设计,其余二位三通电磁阀、空气过滤减压器等均为标准件或通用件,可从市场上直接采购。 、储气罐的设计 根据料仓的不同体积或堵塞处所需冲击力(或爆炸能量)的大小不一样,可把储气罐设计成不同大小的容积,比如30L50L75L100L150L300L等,再配以不同的气冲装置。这样一种规格的空气炮就对应一定范围的冲击力(或爆炸能量。一般经空压机出来的压缩空气的工作压力为0.40.8MPa,因此在设计储气罐时,通常设计压力取0.9MPa,设计温度取150℃,材料为Q235-C(或20g),储气罐属ⅠLC类压力容器,设计和制造根据GB150和《压力容器安全技术监察规程》的规定,并接受国家有关质量技术监督部门的监检。 2、气冲装置的设计2.1结构设计 气冲装置是空气炮清堵装置的灵魂与核心,其密封性能的确保及能量的释放与转换均在此实现。一般气冲装置设计成如图二所示的结构,它主要由装置筒体、阀座、主阀瓣(活塞)、副阀瓣和弹簧等到组成。简单地从结构的折分来看,它相当于一个弹簧式安全阀、止回阀及活塞气缸三者的结合,但又区别于三者的简单叠加。2.2受力分析及密封副 为了保证空气炮处于待发状态时气冲装置内的主阀瓣达到可靠密封,依靠弹簧预紧而加于主阀瓣上的预紧力可用下式计算: Qy= Pj/4(d0+bM)2 (1)式中:Qy——弹簧预紧力 N Pj——设计压力 MPa d0——阀座内径 mm bM——密封面宽度mm当空气炮处于待发状态时,主阀瓣受到的介质力: QJ= P/4(d0+bM)2 (2) 式中:Qj——主阀瓣受到的介质力 N P——储气罐工作压力MPa由上以得出空气炮处于待发状态下,其密封副间作用着密封力Qm计算式: Qm= Qy- QJ=(Pj-P) /4(d0+bM)2 N (3) 密封副校核许用比压时,按无介质的工况进行。校核必须比压时,按工作压力下进行。 式中:qFM——密封比压 根据密封面的不同材料实验测定;〔q〕——许用比压 根据密封面的不同材料实验测定。2.3弹簧刚度计算 假定空气炮排放时,主阀瓣???启的最大高度为h,根???弹簧及密封面的受力计算式,可得所需的弹簧刚度值λ: λ=1/h(Pj-P) /4(d0+bM)2 N/mm (6) 3、电气控制箱的设计 空气炮清堵装置??的二位三通电磁阀为常通式,既只要打开气源球阀,压缩空气就通过电磁阀进入储气罐,使空气炮处于待发状态。当物料堵塞需要清堵时,通过控制箱给电磁阀一个电信号,使电磁阀换向排气,从而使空气炮“放炮”清堵。因此电气控制箱控制电磁阀一般只有一个按钮。当一个料仓有数台空气炮时,通常一个按钮控制一台空气炮,但根据实际情况一个按钮也可以控制多台空气炮,但不能太多,一般不超过四台,一个或多个料仓上的空气炮可全部在一个控制箱内控制。电气控制箱一般为壁挂式或立柜式,可以近距离控制,也可以远距离控制。图三为一箱控四炮电器原理图,图中虚线框内为远程控制开关,当需要时可进DCS系统。    四、空气炮冲击力的计算4.1状态过程及状态参数的确定储存于空气炮储气罐中处于待发状态的充满压缩空气(压力为0.4~0.8MPa),经电磁阀换向后,压缩空气在极短时间内排放,其过程可近似为绝热过程,假定储气罐内空气的压力、温度、流速分别为P1T1C1,空气经喷管释放后的压力、温度、流速分别为P2T2C2,绝热过程中理想气体基本状态参数的关系,可根据过程式及状态方程Pv=RT求得: Pvk=常数,P2/P1=v1/ v1k (7) v=RT/P代入(7)式,得 TP1-k/k=常数,T2=T1(P2/P1)k-1/k (8) 式中:R—气体状态常数,R=0.287KJ/Kg?K k—气体绝热指数,对空气k=1.4又绝热过程中理想气体内能、焓、熵的变化量为: △u=Cv(T2-T1) △h=Cp(T2-T1) △s=0 (9) 式中:Cv—气体定容比热容,对空气Cv =717KJ/Kg?K Cp—气体定压比热容,对空气Cp =1004KJ/Kg?K 4.2喷管处流速的确定根据气体稳定流动能量方程, 结合绝热过程的定熵流动特性可知: 1/2C22- C12= h1-h2 (10) h1-h2 = CpT1-T2(11)根据式(10)、(11)可得出喷管截面处的流速为: C2=2 (h1-h2)C121/2 (12) 因为储气罐冲器气处于待发状态时,C1=0,则式(12)即为: C2=2 (h1-h2)1/2 ?? (12a) 式中:C2—喷管处流速, m/s 4.3喷管处质量流量的确定绝热过程的定熵稳定流动中,喷管处的质量流量按下式确定:G2=AC2/v213)式中:G2—喷管处的质量流量, Kg/s A— 喷管的截面积, m2 v2—喷管处空气比容, m3 /Kg,由状态方程v2=RT2/P2求得。 4.4冲击力的确定根据气体物理学,动量方程式为: F= G2 ?C2 (14) 式中: F—冲击力,N因为对于不同的工况,P2值不同,假定在某一工况下,P20.25Mpa,储气罐在待发状态时空气的温度为T1=300K,下面以喷管喉径d0=0.1m,型号规格为KQ2-100的空气炮为例,分别计算P10.6Mpa0.7Mpa0.8Mpa0.9Mpa工作状态下的冲击力。见表一表一 P1 (MPa) P2 (MPa) T1 (k) T2 (k) v2 (m3/Kg) C2 (m/s) G2 (Kg/s) F (N) 0.6 0.25 300 234 0.27 364 10.6 3851 0.7 0.25 300 224 0.26 391 11.8 4614 0.8 0.25 300 215 0.25 413 12.9 5328 0.9 0.25 300 208 0.24 430 14.1 6046 该型号规格的产品已通过省级新产品鉴定,各项性能指标由原机电部火电设备产品监督检测中心实际检测,检测结果见表二:表二工况冲气压力P1MP) 激波后的全压P2MP) 最大流速CMAXm/s) 最大冲击力FMAXN 0.6 0.247 353.8 3835 0.254 354.2 3843 0.7 0.260 370.3 4336 0.248 379.1 4545 0.8 0.301 420.8 5969 0.287 429.2 6208 0.9 0.304 435.3 6351 0.295 441.3 6564 通过理论计算和实际检测的结果比较,可以看出数值较为接近。   五、使用中应注意的事项 随着我国国民经济的飞速发展,空气炮清堵装置在各行各业中的应用已越来越广泛。通过近几年的开发与应用,获得了不少经验。在使用中应着重注意以下几点:1)必须有足够压力的气源,这是基本条件;2)需清堵的设备在布局设计时就应考虑安装及方便检修空气炮的位置;3安装空气炮时,排气口应倾斜一定的角度(一般为20~45°)4)电磁阀应尽可能地靠近气冲装置安装,这样换向时排气快,空气炮开启排放迅速,冲击力就大。   六、结语空气炮清堵装置的应用,大大降低了劳动强度,提高了劳动生产率,使用方便,省时、节能,发展前景十分广阔。但在热态设备上(比如炼钢等高温状态下)空气炮清堵装置的设计和使用仍需进一步的探索与研究。 濮阳市瑞德压力容器有限公司 联系人:李经理 电话:18639312588 QQ:867240511 邮箱:18639312588 网址:http://www.hnkongqipao.com    
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