ОТЛОЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области очистки поверхностей от разного рода отложений и может использоваться для предотвращения сводообразования и очистки стенок бункеров, силосов, вагонов и других ёмкостей от налипших или примерзших сыпучих материалов.

Известен ряд устройств, в которых для создания колебаний поверхностей с целью их очистки от налипших или примерзших материалов используется импульсное воздействие от разряда предварительно заряженного конденсатора в индуктор с расположенным напротив него якорем из высокопроводящего материала. В большинстве из этих устройств якорь с закреплённым к нему бойком либо метается с помощью магнитного поля, создаваемого индуктором, и ударяет по очищаемой поверхности (см., например, патент РФ N° 2355485 Cl, МПК В08В7/02, 2009), либо прижимается к очищаемой поверхности, осуществляя прогиб этой поверхности (см., например, авт. св. СССР JV°789361 МКИ ³ В 65 G65/30, 1980). Основными недостатками таких устройств являются недостаточная эффективность очистки, а также низкая надежность и долговечность, связанная с разрушением индуктора вследствие соударения якоря с индуктором при возвратном движении якоря.

Известно также принятое за прототип устройство для очистки поверхностей от разного рода отложений, включающее источник высоковольтного постоянного напряжения и разрядный контур, содержащий последовательно включённые накопительный конденсатор, коммутатор и, по крайней мере, один индуктор, установленный на несущей конструкции, закреплённой своими концами к очищаемой поверхности, выполненный в виде помещённой в корпус из неферромагнитного материала спиральной электромагнитной катушки и расположенный с зазором к якорю из высокопроводящего материала, жёстко закреплённому на очищаемой поверхности с противоположной от отложений стороны. Для увеличения эффективности устройства параметры элементов разрядного контура выбираются, исходя из значений периода собственных колебаний очищаемой поверхности в воздухе и в материале отложений (патент РФ N° 2153403, МКИ ⁷ В 08 В 7/02, 2000).

Недостатком принятого за прототип устройства является сложность определения частоты собственных колебаний, исходя из значений периодов колебаний очищаемой поверхности в воздухе и в материале отложений, связанная с трудностью расчёта периодов колебаний очищаемой поверхности в воздухе и в материале отложений с учетом возможного наличия ребер жёсткости, неравномерности износа очищаемой поверхности, сезонного и технологического изменения характеристик и массы налипшего слоя материала отложений. Кроме того, в прототипе не учтены такие необходимые для обеспечения эффективной работы устройства параметры, как толщина якоря и величина зазора между индуктором и якорем, а также габаритные размеры дополнительной упругой пластины, на которой закреплён якорь, имеющей меньшую жёсткость, чем окружающая очищаемая поверхность.

Техническая задача полезной модели состоит в усовершенствовании устройства для очистки поверхностей от разного рода обложений, включающее источник высоковольтного постоянного напряжения и разрядный контур, содержащий последовательно включенные накопительный конденсатор, коммутатор и хотя бы один индуктор, установленный на несущей конструкции, закреплённой своими концами к очищаемой поверхности, выполненный в виде помещённой в корпус из неферромагнитного материала спиральной электромагнитной катушки и расположенный с зазором к якорю из высокопроводящего материала, жёстко закреплённому на очищаемой поверхности с противоположной от отложений стороны, путём определения совокупности элементов разрядного контура и геометрических размеров элементов устройства на базе экспертных оценок, полученных в результате опыта разработки, внедрения и эксплуатации устройств, соответствующих прототипу, а именно путём применения накопительного конденсатора ёмкостью от 4 х 10 ⁴ до 3,2 х 10 ³ Ф с возможностью зарядки до напряжения до 5 х 10 ³ В и источника высоковольтного постоянного напряжения с возможностью генерирования напряжения соответствующей величины, включённых в разрядный контур электромагнитных катушек с суммарной индуктивностью от 4 х 10 ⁴ до 2 х 10 ³ Гн, якоря толщиной в пределах от 5 х 10 ³ до 2 х 10 ² м, зазора между якорем и индуктором в пределах от 10 до 10 м, несущей конструкции, на которой закреплён индуктор, длиной от трех до десяти диаметров спиральной катушки; использования в варианте исполнения устройства, в котором якорь закреплён на упругой пластине, жёстко закреплённой на очищаемой поверхности со стороны отложений, упругой пластины толщиной от 5 х 10 ³ до 3 х 10 ² м и меньшим из двух других габаритных размеров от трех до пятнадцати диаметров спиральной катушки индуктора. Вследствие указанных усовершенствований достигается технический результат, состоящий в получении диапазонов основных параметров устройства, обеспечивающих эффективную очистку поверхностей от разного рода отложений.

Устройство для очистки поверхностей от разного рода отложений включает источник высоковольтного постоянного напряжения и разрядный контур, содержащий последовательно включённые накопительный конденсатор, коммутатор и хотя бы один индуктор, установленный на несущей конструкции, закреплённой своими концами к очищаемой поверхности, выполненный в виде помещённой в корпус из неферромагнитного материала спиральной электромагнитной катушки и расположенный с зазором к якорю из высокопроводящего материала, жёстко закреплённому на очищаемой поверхности с противоположной от отложений стороны; накопительный конденсатор имеет ёмкость от 4 х 10 ⁴ до 3,2 х 10 ³ Ф с возможностью зарядки до напряжения до 5 х 10 ³ В от источника высоковольтного постоянного напряжения с возможностью генерирования напряжения соответствующей величины; суммарная собственная индуктивность электромагнитных катушек, включенных в разрядный контур индукторов, находится в пределах от 4 х 1СГ ⁴ до 2 х 10 ³ Гн, толщина якоря находится в пределах от 5 х 10 ³ до 2 х 10 ² м, величина зазора находится в пределах от 10 ³ до 10 ² м; длина несущей конструкции, на которой закреплён индуктор, может находиться в пределах от трех до десяти диаметров спиральной катушки. Якорь может быть закреплён на участке очищаемой поверхности, выполненном в виде закреплённой к нему со стороны отложений дополнительной упругой пластины, имеющей меньшую жёсткость, чем окружающая очищаемая поверхность, причём якорь расположен в выполненном в окружающей очищаемой поверхности проёме, толщина дополнительной упругой пластины находится в пределах от 5 х 10 до 3 х 10 м, а меньший из двух других её габаритных размеров находится в пределах от трех до пятнадцати диаметров спиральной катушки индуктора.

Полезная модель иллюстрируется Фиг. 1, на которой изображено устройство для очистки поверхностей от разного рода отложений, и Фиг. 2, на которой изображён вариант исполнения устройства с креплением якоря на упругой пластине, жёстко закреплённой на очищаемой поверхности.

Устройство для очистки поверхностей от разного рода отложений (Фиг. 1) содержит источник высоковольтного постоянного напряжения 1 и разрядный контур, содержащий последовательно включенные накопительный конденсатор 2, коммутатор 3 и, по крайней мере, один индуктор 4, который установлен на несущей конструкции, состоящей из балки 5, которая своими концами с помощью кронштейнов 6 закреплена к очищаемой поверхности 7; индуктор 4 выполнен в виде помещённой в корпус 8 из неферромагнитного материала спиральной электромагнитной катушки 9. Индуктор 4 расположен с зазором 10 к якорю 11 из высокопроводящего материала, жёстко закреплённому на очищаемой поверхности 7 с противоположной от отложений 12 стороны. Коммутатор 3 выполнен в виде, например, тиристора, а накопительный конденсатор 2 для предотвращения его перезарядки может быть зашунтирован диодом 13.

В варианте выполнения устройства для очистки поверхностей от разного рода отложений, представленном на Фиг. 2, якорь 11 сквозь проём 14 в очищаемой поверхности 7 закреплён на упругой пластине 15, жёстко закреплённой на очищаемой поверхности 7 со стороны отложений 12 и имеющей меньшую жёсткость, чем окружающая очищаемая поверхность 7. Дополнительная пластина 15 может быть произвольной формы, но, как любая деталь, она характеризуется габаритными размерами, которые, согласно ГОСТ 2.307-68, определяют предельные внешние контуры изделия, то есть длину, ширину и высоту; в случае пластины высота - это толщина. Толщина дополнительной пластины 15 составляет от 5 х 10 до 3 х 10 м, а её меньший из двух других габаритных размеров составляет от трёх до пятнадцати диаметров спиральной катушки 9 индуктора 4.

Устройство работает следующим образом. При появлении отложений 12 на поверхности 7 в требуемый для очистки момент времени с помощью источника высоковольтного постоянного напряжения 1 происходит зарядка накопительного конденсатора 2. После достижения напряжения на конденсаторе 2 требуемого значения коммутатор 3 переводится в проводящее состояние, и по катушке 9 индуктора протекает разрядный ток. Этот ток наводит электромагнитное поле в зазоре 10 между индуктором 4 и якорем 11, которое, в свою очередь, наводит вихревой ток в якоре 11. Взаимодействие импульсных магнитных полей, создаваемых разрядным и наведенным токами, приводит к возникновению импульсной электромагнитной силы, расталкивающей индуктор 4 и якорь 11. Балка 5, на которой установлен индуктор 4, имеет намного большую жёсткость в сравнении с участком очищаемой поверхности 7 (Фиг. 1) или дополнительной упругой пластиной 15 (Фиг. 2). Поэтому этот участок поверхности 7 или дополнительная упругая пластина 15 вместе с жёсткр закреплённым якорем 1 1 совершает прогиб в режиме упругой деформации в направлении от индуктора 4, а после прекращения приложения импульсной силы возвращается в исходное положение. В результате этих двух действий между очищаемой поверхностью 7 и отложениями 12 разрушаются адгезионные связи, что приводит к очистке поверхности 7.

Для осуществления процесса разрушения адгезионных связей между очищаемой поверхностью 7 и отложениями 12 необходимо обеспечить, прежде всего, требуемые величины амплитуды и площади прогиба очищаемой поверхности 7. Обе эти величины зависят от амплитуды и длительности действия импульсной электромагнитной силы, а также от геометрических параметров и физических свойств очищаемой поверхности 7 и свойств материала отложений 12. В то же время, импульсная электромагнитная сила должна быть такой величины, чтобы возникающее в результате её действия механическое напряжение в очищаемой поверхности 7 не достигало предела усталости или предела циклической прочности. Кроме того, необходимо обеспечить условия, чтобы механические процессы, сопровождающие работу заявляемого устройства, не оказывали разрушающего действия на индуктор 4 в течение длительного срока эксплуатации.

Максимальной эффективности очистки поверхности 7 от разного рода отложений и долговечной работе устройства способствует надлежащий выбор комплекса основных параметров элементов разрядного контура и геометрических размеров составляющих частей устройства в пределах указанных для них диапазонов.

Этим комплексом основных параметров и геометрических размеров являются напряжение, которое генерирует источник высоковольтной постоянной энергии 1 и до которой заряжается накопительный конденсатор 2, электрическая ёмкость накопительного конденсатора 2, собственная индуктивность электромагнитной катушки 9, толщина якоря 11, величина зазора 10 между индуктором 4 и якорем 11, д также длина несущей конструкции в виде балки 5, на которой установлен индуктор 4. В варианте крепления якоря на дополнительной упругой пластине, жёстко закреплённой к очищаемой поверхности 7 со стороны отложений 12 (Фиг. 2) важными величинами являются толщина упругой пластины 15 и её линейные размеры.

Обычно высоковольтным напряжением считают напряжение от 10 В; максимальное же постоянное напряжение, генерируемое маточником высоковольтного постоянного напряжения 1 (и до которого заряжается накопительных генератор 2), согласно предлагаемому устройству, целесообразно ограничить величиной 5 х 10 В. Это связано с возможностями современных тиристоров и тиристорных модулей, максимальное рабочее напряжение (с учетом необходимого запаса для обеспечения их длительной эксплуатации) не превышает указанного значения. Исходя из этой величины, для достижения необходимой силы импульсного воздействия, которая определяется величиной запасаемой в накопительном конденсаторе 2 энергии W согласно формуле W=C*U ² /2, где С— емкость накопительного конденсатора 2, U— величина напряжения, электрическая емкость накопительного конденсатора 2 должна находиться в пределах от 4x10 ⁴ до 3,2x 1 О ³ Ф. Указанный диапазон параметров покрывает практически весь спектр требуемых значений накапливаемой электрической энергии конденсатором 2, обеспечивающий эффективную очистку поверхностей. При этом нижняя граница диапазона соответствует очищаемым поверхностям с толщиной от 3 мм и ниже, верхняя граница - поверхностям с толщиной от 20 мм и выше, а также с наличием ребер жёсткости.

Электрическая емкость накопительного конденсатора 2 в совокупности с эквивалентной индуктивностью электромагнитной катушки 9 определяют частотные характеристики разрядного контура, образованного последовательно включенными данными элементами и коммутатором 3. Эквивалентная индуктивность катушки 9 зависит от величины её собственной индуктивности, величины зазора между индуктором 4 и якорем 11 , толщины якоря 11 и проводимости материала, из которого он изготовлен. Поэтому расчёт эквивалентной индуктивности катушки 9 является весьма сложной задачей. В соответствии с предлагаемым устройством указанные параметры должны находиться в следующих пределах: собственная индуктивность электромагнитной катушки 9 - от 2x 10 ⁴ до 10 ³ Гн, толщина якоря от 5х 10 ³ до 2x10 ² м, величина зазора - от 10 до 10 м.

Выбор необходимых значений параметров устройства в указанных диапазонах зависит от конструктивных характеристик очищаемых поверхностей и свойств материала отложений, Так, для толщин очищаемых поверхностей от 3 мм и ниже, а также легкосыпучих материалов требуются небольшая сила импульсного воздействия, поэтому для таких случаев достаточно использование индукторов сравнительно небольших размеров, имеющих малые значения собственной индуктивности— от 2х 10 ⁴ Гн и выше. Для толщин очищаемых поверхностей от 20 мм и выше, а также трудносыпучих материалов требуются значительно большая сила импульсного воздействия, что предполагает использование индукторов увеличенных размеров, имеющих значения собственной индуктивности до 1 СГ ³ Гн.

Толщина якоря 11 выбирается из условия максимального сохранения в нём электромагнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой 9 и, соответственно, обеспечения максимального к.п.д. устройства. При недостаточной толщине якоря 11, меньшей глубины проникновения электромагнитных волн в материал, из которого изготовлен якорь 11, часть электромагнитного поля пройдет сквозь него, что приведет к потере энергии. Поэтому для параметров электромагнитной катушки 9 и ёмкости накопительного конденсатора 2, соответствующих нижним границам диапазонов предлагаемого устройства и, соответственно, верхним значениям частоты собственных колебаний разрядного контура, толщина якоря 11 должна быть не менее 5x10 ³ м. Для верхних границ этих диапазонов и, соответственно, меньших значений частоты колебаний разрядного контура толщина якоря должна быть не менее 2x10 ² м. Дальнейшее увеличение толщины якоря 11 нецелесообразно из соображений материалоемкости.

Зазор 10 между индуктором 4 и якорем 11 выполняет функцию защиты от соударений индуктора 4 и якоря И обеспечения непрепятствования свободным колебаниям очищаемой поверхности 7 в процессе работы устройства. При этом для достижения максимального к.п.д. устройства величина зазора 10 должна быть минимальной. Однако при разных характеристиках очищаемой поверхности 7 (толщина, площадь, наличие ребер жёсткости) диапазон значений амплитуды её колебаний может быть достаточно широким. Поэтому величина зазора 10 должна находиться в пределах от 10 до 10 м. При этом нижняя граница диапазона соответствует более жёстким поверхностям с толщиной от 20 мм и выше, амплитуда колебаний которых составляет порядка 1 мм, верхняя граница— менее жёстким поверхностям с толщиной в единицы миллиметров, амплитуда колебаний которых составляет порядка 10 мм.

На эффективность очистки поверхностей от разного рода отложений кроме перечисленных выше параметров большое влияние оказывают геометрические характеристики несущей конструкции 5, на которой закреплён индуктор 4. Кроме того, что она должна быть жёсткой, по крайней мере, на порядок превышающей жёсткость очищаемой поверхности 7, несущая конструкция 5 должна иметь вполне определённую длину. Это связано, в первую очередь, с тем, что длина несущей конструкции 5 определяет размер участка очищаемой поверхности 7, которая подвергается импульсному воздействию, и, соответственно, частотные характеристики и возможную амплитуду её прогиба. Эти частотные характеристики должны быть согласованы с частотными характеристиками воздействующего импульса, а амплитуда прогиба должна быть достаточной для создания напряжений сдвига между очищаемой поверхностью 7 и отложениями 12 необходимой величины. Также от длины несущей конструкции 5 во многом зависит циклическая прочность сварных соединений, осуществляющих закрепление балки 5 с помощью кронштейнов

6 к очищаемой поверхности 7. Для обеспечения необходимой амплитуды прогиба очищаемой поверхности 7 даже сравнительно небольшой толщины участок между кронштейнами 6, а значит и длина балки 5, должны быть не менее трех диаметров спиральной катушки 9. При толщине очищаемой поверхности 7 в несколько миллиметров за счет небольшой жёсткости участка это позволит получить прогиб достаточной величины с сохранением целостности сварных соединений. В случае большей толщины очищаемой поверхности 7 и, соответственно, увеличении её жёсткости для достижения необходимого прогиба потребуется приложение большей силы, что снижает циклическую прочность сварных соединений. Поэтому для снижения жёсткости участка очищаемой поверхности 7 между кронштейнами 6 длина балки 5 должна быть увеличена вплоть до десяти диаметров спиральной катушки 9. Дальнейшее увеличение длины балки 5 нецелесообразно как вследствие значительного уменьшения частоты собственных колебаний очищаемой поверхности

7 и, соответственно, рассогласования с частотными характеристиками воздействующего импульса, так и вследствие уменьшения жёсткости балки 5 при большой её длине, либо вследствие громоздкости конструкции и увеличения материалоемкости.

В случае большой толщины очищаемой поверхности 7 (Фиг. 2) либо наличии близко расположенных друг к другу ребер жёсткости 16, когда суммарная жёсткость очищаемой поверхности настолько высокая, что достичь существенного прогиба поверхности 7, достаточного для создания напряжений сдвига между поверхностью 7 и отложениями 12 необходимой величины, становится затруднительным, к очищаемой поверхности 7 со стороны отложений 12 закрепляется дополнительная упругая пластина 15, имеющая меньшую жёсткость, чем окружающая очищаемая поверхность 7, а якорь 11 жёстко закрепляется к упругой пластине 15 сквозь проём 14 в очищаемой поверхности 7 (Фиг. 2). Толщина пластины 15 выбирается, исходя из требований её устойчивости к абразивному и коррозионному износу в течение длительного времени, а также размеров самой очищаемой поверхности 7. Так, для материала отложений 12 с низкими абразивными свойствами и при небольших размерах очищаемой поверхности 7 толщина дополнительной упругой пластины 15 должна быть не менее 5><10 м, а её меньший из двух других габаритных размеров, то есть ширина, должен, по крайней мере, в три раза превышать диаметр спиральной катушки 9 индуктора 4. Такие размеры упругой пластины 15 позволят получить её прогиб достаточной величины с сохранением целостности сварных соединений пластины 15 к очищаемой поверхности 7. В случае использования сыпучих материалов с повышенной абразивностью толщина дополнительной упругой пластины 15 должна быть увеличена вплоть до Зх Ю ² м. Увеличение толщины пластины 15 выше указанного значения нецелесообразно из-за трудности достижения её достаточного прогиба, возрастания материалоемкости и сложности монтажа. С увеличением толщины пластины 15 для уменьшения жёсткости её ширина также должна быть увеличена до пятнадцати диаметров спиральной катушки 9 индуктора 4. Дальнейшее увеличение ширины пластины 15 нецелесообразно, учитывая невозможность достижения колебаний достаточной величины на её концах от силового импульсного воздействия, производимого одним индуктором 4. Если же размеры очищаемой поверхности 7 превышают указанное значение, то дополнительную упругую пластину 15 необходимо разделить на несколько частей, ширина каждой из которых не будет превышать 15 диаметров спиральной катушки 9 индуктора 4, жёстко закрепить каждую часть по периметру к очищаемой поверхности 7 и воздействовать на неё отдельным индуктором.

Применение предлагаемого устройства при разработке магнитно-импульсных установок для очистки поверхностей от разного рода отложений позволит создавать эффективное, надежное и долговечное оборудование с учетом комплекса конструктивных параметров, влияющих на его работу.