Факультет

Студентам

Посетителям

Проектирование вертикальных силосов для продуктов, обладающих хорошей сыпучестью

Вертикальный силос представляет собой сооружение, состоящее из верхней части постоянного поперечного сечения и нижней разгрузочной секции, большей частью в виде воронки, форма которой подобна конусу. Верхняя часть может быть круглой, квадратной, прямоугольной или многоугольной.

При проектировании силоса наиболее важным после решения транспортных проблем является поиск поперечного сечения, наиболее эффективного по строительным затратам и наиболее привлекательного по архитектуре всего элеватора. Это непростая задача, так как к каждой конструкции элеватора предъявляются различные требования. Даже если требования более или менее схожи для различных элеваторов, то второстепенные различия могут оказать значительное влияние на все сооружение и процесс его строительства.

Это легко понять, если взять силосы, которые обычно используются в настоящее время, и сопоставить их характеристики. Элеватор в его обычной форме, как батарея различных силосов большой высоты, сгруппированных на небольшой площади, представляет собой сооружение большого объема для хранения сыпучих материалов. Чем выше отношение потенциальной вместимости хранилища к общему объему здания, тем выше эффективность всего элеватора.

Поперечное сечение силоса

Наиболее простая и распространенная форма силоса для хранения гранулированных продуктов — отдельно стоящий цилиндрический силос. Отношение горизонтального давления к вертикальному изменяется в зависимости от физических свойств хранящегося продукта и геометрии силоса. Марсель и Андре Роймберт — два французских инженера-консультанта — выполнили ряд экспериментов на моделях силосов большой высоты, оборудованных тензодатчиками. Они пришли к выводу, что отношение горизонтального давления к вертикальному изменяется с высотой слоя продукта в силосе до тех пор, пока не будет достигнута определенная критическая величина.

Рv — вертикальное давление на днище; Ph — горизонтальное давление на стены; Z — высота силоса,

то форма кривых показывает, что величины Pv и Рh приближаются к максимуму. Это явление, также называемое эффектом силоса, — в основном результат трения о стену. Это, в свою очередь, зависит от шероховатости стен и трения определенного продукта.

В то время как вертикальное давление Pv воспринимается конструкцией выпускной воронки или днища, горизонтальное давление Ph преобразуется в горизонтальное растягивающее усилие по периметру стен и вертикальное давление на стены. Эти растягивающие усилия должны восприниматься арматурой стен.

В бетонном силосе сам бетон выполняет различные функции, т. е. удерживает арматуру на определенном месте, обеспечивает жесткость корпуса, делает силос водонепроницаемым и снижает вертикальное давление на стену.

В металлическом силосе все эти функции осуществляются металлической обшивкой. Цилиндрические металлические силосы очень хорошо противостоят давлению, даже если металлические листы тонкие. Поэтому такие силосы чрезвычайно легки, несущая способность их выше, чем у силосов из других материалов, при одинаковой наружной поверхности.

Теоретически размер и диаметр отдельно стоящих силосов не ограничены. Однако с увеличением диаметра и высоты силоса влияние трения о стену на внутреннее давление уменьшается.

В практике хранения силосы не всегда проектируют в виде отдельно стоящих, одиночных, а группируют в батарею. Если ряд круглых силосов устанавливают близко друг к другу, то образуются пустые пространства. Эти пространства также часто используют в качестве промежуточных силосов, или «звездочек». Такие силосы дают определенное преимущество управляющему элеватором, так как в этом случае в его распоряжении будут силосы различной вместимости для хранения различных продуктов, например, на импортном терминальном элеваторе могут находиться до 30 или более различных типов или классов зерна. Показаны схемы различного расположения круглых силосов. На первый взгляд эти конфигурации имеют преимущество в том, что создаются исключительно дешевые дополнительные хранилища, так как стены уже имеются. Однако при заполнении всех силосов на разном уровне в определенных критических точках могут создаваться перепады давления, которые трудно рассчитать статическими методами, так как передача усилий от одного силоса к другому становится все более сложной. Во избежание деформации и изгиба необходимо устанавливать дополнительную арматуру.

Это означает повышенный расход стали и увеличение затрат на строительство. Необходимо определить в каждом отдельном случае, будут ли оправданны такие дополнительные затраты.

Различные конфигурации промежуточных силосов также образуются силосами многоугольной формы. Простейшей формой многоугольного силоса является отдельно стоящий квадратный силос с равными сторонами. Внутренние давления в многоугольных силосах распределяются примерно таким же образом, как и в круглых. Однако влияние горизонтального давления различно, так как на площадь прямых стен также действует изгибающая нагрузка, и она дополнительно вызывает растягивающие усилия, действующие на перегородки в батарее силосов. Если дополнительное усиление прямых стен необходимо сохранить в разумных пределах без установки в силосе стержней, работающих на растяжение, то максимальный размер квадратного силоса будет ограничен. Сравнение круглого и квадратного силосов одинакового поперечного сечения и одинаковой высоты показывает, что для предотвращения изгиба стен арматура в квадратном силосе должна быть значительно мощнее. Из этого следует, что экономическое превосходство круглого силоса в сравнении с многоугольным возрастает с увеличением диаметра.

Силос шестиугольного поперечного сечения характеризуется наиболее экономичным использованием имеющейся ограниченной площади и имеет определенные преимущества над общеизвестными цилиндрическими или прямоугольными силосами с точки зрения капитальных затрат и ремонтного обслуживания. Однако, если несколько многоугольных силосов (прямоугольных, шести — и восьмиугольных) группируют по определенной схеме, образуются соединительные поперечные стены, которые создают решетку из вертикальных листов, воспринимающих горизонтальные давления с обеих сторон, так как листы жестко соединены друг с другом во всех точках.

Чем меньше силосы, тем больше общая площадь перегородок и тем выше затраты на строительство; при большем числе мелких силосов требуется значительно больше оборудования. В том случае, если весь силосный корпус по техническим причинам должен быть на высоком фундаменте, также необходимо сделать выбор между круглыми и многоугольными силосами. При этом вертикальное давление будет сконцентрировано в нескольких точках и направлено на фундамент с помощью колонн. Наиболее просто это осуществить при наличии силосов с одинаковыми прямыми стенами, так как последние могут быть спроектированы и сооружены в виде узких, тонких опорных балок. Образование этих независимых стен силосов приводит к незначительным дополнительным затратам, так как будет достаточной установка нескольких дополнительных арматурных стержней в нижней части стены.

На этапе проектирования конструкции силоса уменьшение его размеров не следует проводить без предварительного рассмотрения того, как этот меньший размер влияет на строительные затраты. Основным правилом экономичной строительной конструкции является четкая схема расположения с максимальным числом одинаковых силосов и минимальным числом выступающих частей и выступов в стенах. Высота силоса также имеет большое значение, так как чем выше стены, тем больше преимуществ дает метод скользящей опалубки. Если работа правильно спланирована, то опалубку возможно использовать для возведения более чем одной силосной батареи.

Высота силоса и вместимость хранилища

Гранулированные сыпучие продукты хранят в силосах двух типов, т. е. высоких или глубоких силосах с отношением высоты к диаметру H > 5D и бункерах или мелких силосах с отношением H < 2D. Высота бетонных силосов бывает от 30 до 50 м и более.

Некоторую часть информации, полученной при строительстве высоких силосов, можно использовать при проектировании силосов небольшой высоты и бункеров, несмотря на основное

различие, которое между ними существует. Так, в высоких силосах давление зерна является результатом сводообразования массы продукта, тогда как в невысоких силосах давление объясняют явлением скользящего клина.

Одним из наиболее важных факторов в выборе формы силоса является требуемая вместимость хранилища, которая должна удовлетворять потребности фирмы. В настоящее время используются круглые силосы вместимостью 1000 т и более. Более высокой вместимости хранилища можно добиться путем увеличения высоты цилиндрической части вертикального силоса или площади его поперечного сечения. При последнем методе теряется полезная вместимость, так как выпускную воронку также приходится расширять соответствующим образом.

Днища силосов и выпускные воронки

Важным моментом при проектировании силоса является конструкция днища. Оно может быть плоским, но это делает необходимым ручное удаление остатков продукта после гравитационного истечения содержимого силоса. Во многих случаях необходимо, чтобы силосы опорожнялись полностью без дополнительной помощи, и это обычно обеспечивает выпускная воронка.

Профиль выпускной воронки имеет первостепенное значение для процесса выгрузки; он должен соответствовать характеру истечения, поведению хранящегося продукта и трению продукта о стену. В воронке характер истечения массы продукта изменяется, так как продукт выходит из вертикальной верхней части, где площадь поперечного сечения одинакова на любом уровне, к выпускному отверстию через узкую секцию, образованную воронкой. Таким образом, схема истечения продукта определяется также конструкцией выпускной воронки.

Самая верхняя часть выпускной воронки (переходная линия) обычно соответствует диаметру верхней части силоса. Ниже этого уровня выпускная воронка может иметь различные формы. Теоретически минимальный наклон воронки должен соответствовать углу трения хранящегося продукта о стену силоса. Выпускные воронки обычно имеют угол наклона стен от 45 до 60° в зависимости от типа продукта и его количества, которое хотят оставить для зачистки. Обычно симметричная конусная выпускная воронка, наклоненная под углом 45°, хотя и не полностью «самоочищающаяся», достаточно эффективна и удовлетворяет требованиям всех продуктов, обладающих хорошей сыпучестью. Эти выпускные воронки могут быть установлены в виде строительного элемента, поддерживаемого балками и колоннами, со свободным пространством под ней.

Ценное полезное пространство для хранения может быть увеличено установкой в одном силосе нескольких небольших выпускных воронок, которые можно открывать последовательно или одновременно. Показан силос увеличенного диаметра с четырьмя выпускными воронками, которые открываются по две, и продукт поступает на ленточные конвейеры. При сооружении этого силоса сначала сооружают стены, а затем внутри них делают воронку.

Еще большей вместимости можно достигнуть использованием горизонтального днища силоса, которое, однако, имеет недостаток, характеризующийся тем, что продукт полностью не выходит самотеком. Для полного опорожнения силоса остаток необходимо перемещать с помощью механического или пневматического устройства, что требует дополнительной рабочей силы и рабочего времени. Эти затраты можно сократить, обеспечив три выпускных отверстия в каждом силосе, а масса зерна, выгружаемая через центральное отверстие, позволит избежать эксцентричных нагрузок в силосе. Три выпускных отверстия дают возможность уменьшить угол естественного откоса продукта и, исходя из этого, уменьшить количество зерна, выгружаемого вручную.

Шведская фирма KMW предлагает простой способ для окончательной разгрузки силосов с горизонтальным днищем с помощью надувной мембраны, как показано на рисунке. Мембрана, сделанная наподобие подушки из синтетической ткани с поливинилхлоридным покрытием, имеет вертикальные стены из такого же материала. Сегменты, приваренные к внутренней поверхности мембраны, препятствуют излишнему ее раздуванию и образуют наклонные плоскости в направлении выпускного отверстия.

Мембрана наполняется воздухом с помощью мощного пылесоса. Производительность выпуска продукта зависит от объема воздуха, накачиваемого в мембрану. На первом этапе объем воздуха и производительность выпуска почти одинаковы; через некоторое время в мембрану потребуется еще добавлять воздух, чтобы образовать воздушный шар. После окончания разгрузки силоса воздух отсасывают из мембраны.

Для установки положения мембраны на вертикальной стене к мембране приваривают заполненный небольшим количеством тяжелого сыпучего материала шланг, который служит в качестве противовеса.

Выпускные отверстия

Хорошие характеристики истечения возможны только в том случае, если эффективно сочетание конструкции воронки и выпускного отверстия. Свободная площадь отверстия должна быть, по крайней мере, достаточно большой, чтобы истечение сыпучего продукта никогда не блокировалось. Слишком маленькое отверстие вызывает образование центрального потока.

Если размер выпускного отверстия увеличить, выпускная воронка становится пригодной для выпуска менее сыпучих продуктов, так как для образования свода над большим отверстием требуется большая прочность сцепления частиц продукта. Выпускные отверстия в виде щели под круглыми или прямоугольными силосами также могут предотвратить истечение в виде центрального потока. Длина щели должна быть равна диаметру выпускной воронки. В этом случае необходимо иметь выпускной механизм такой же длины, как и щель. Механические устройства для активации выпуска продукта будут обсуждены позднее.

Важной характеристикой выпускного отверстия силоса является производительность выгрузки продукта. Объем продукта, выходящего в единицу времени, должен соответствовать производительности приемной транспортной системы или количеству, необходимому для последующего производственного процесса. Многие опыты позволили сделать вывод о том, что производительность истечения возрастает, если наклон стен выпускной воронки становится круче. Общепринятой практикой является достаточно большое выпускное отверстие и регулирование производительности истечения посредством задвижки, положение которой можно регулировать вручную на месте или с помощью дистанционного управления выпускным механизмом.

Экспериментами доказано, что форма поперечного сечения оказывает незначительное влияние на скорость разгрузки. Она влияет только на схему истечения. В случае цилиндрического силоса слои хранящегося продукта двигаются вниз горизонтально, если силос сконструирован для массового потока. В силосе квадратного или прямоугольного сечения более медленное движение продукта можно отметить в углах.

Выпускная воронка может иметь выпускное отверстие в центре, сбоку или в углу. Обычно считают, что с точки зрения нагрузки на стену боковой выпуск менее желателен, чем центральный. Это

обусловлено тем фактом, что боковой выпуск приводит к несимметричной нагрузке на стены силосов, воздействию изгибающих усилий на стены, а также нормальным растягивающим усилиям. Если выпускное отверстие расположено близко к боковой стенке, увеличивающееся горизонтальное давление на противоположную стену может в 3 раза превышать давление продукта в покое.

Конструкционные подробности

Силосы должны быть полностью герметичными по следующим причинам:

  • если должны применяться фумиганты для уничтожения вредителей зерна;
  • во избежание загрязнения зерна при пересыпании из одного силоса в другой;
  • для предотвращения попадания пыли, образующейся при заполнении одного силоса, в соседние силосы;
  • если инертные газы (диоксид углерода или азот) должны вводиться для сохранения зерновой массы, тушения пожара или локализации очагов самосогревания в зерновой массе.

Углы, переходные зоны между цилиндрической частью и выпускной воронкой силоса и выпускные отверстия должны быть хорошо заделаны для исключения застойных зон, где может оставаться зерно после его выпуска из силоса.

Особое внимание также должно быть уделено углу наклона линии пересечения между двумя соседними наклонными плоскостями выпускной воронки. Если одна плоскость имеет угол впадины α = 55°, а соседняя плоскость β = 70°, то угол наклона линии пересечения γ = 51°.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: