مقدمه:
شوتها برای هدایت جریان مواد بالک مثلا از یک نوارنقاله به دیگری بکار می رود. متاسفانه عملکرد اغلب شوتها غیار قابل اعتماد است. این عدم کارآیی شوتها می تواند هزینه سنگینی به دنبال داشته باشد، مخصوصا اگر تناژ زیادی از مواد بالک حمل شود مثل بسیاری از عملیاتهای معدنی، بارگیری و تخلیه کامیونها و واگنها.
برخی از مشکلات شوتها عبارت است از:

-    گرفتگی شوت
شدیدترین مشکل می باشد.
-    سایش روی سطح شوت
اغلب با نصب بستر بار مرده جلوگیری می شود.
-    تولید غیرقابل قبول غبار
با سیستم های غبارگیر می توان غبار تولید شده را جمع آوری نمود.
-    سایش بیش از حد نوار
با نصب اسکرت می توان از غلتیدن سنگهای درشت را کنترل کرد.
-    فرسایش ذرات
در حقیقت بسیاری از این مشکلات را می توان جلوگیری یا برطرف نمود، بوسیله بکارگیری اصول مهم طراحی شوت.

اصل طراحی 1- جلوگیری از گرفتگی در نقاط برخورد
یک شوت باید به اندازه کافی شیبدار و صاف باشد تا اجازه سُر خوردن بیشتر مواد بالک عبوری از آن را بدهد. این مطلب بویژه در نقاط برخورد مهم است، مثل بعد از سقوط آزاد یا جاییکه شوت تغییر جهت می دهد. اما شوتها نباید بیشتر از حد لازم برای سُر خوردن مواد شیبدار باشند، تا سرعت مواد و سایش را در حداقل نگهدارند.
طبق شکل زیر، سرعت جریان ذرات (با فرض عدم بالا و پایین پریدن) پس از برخورد با شوت، V2 ، نسبت به سرعت قبل از برخورد، V1 ، برابر است با:

 که :
θ : زاویه ورودی جریان مواد نسبت به سطح شوت می باشد
’φ : زاویه اصطکاک بین ذرات و سطح شوت
یک ترکیب ویژه از θ و φ’ سرعت ثانویه V2 را به صفر کاهش خواهد داد (θ+φ’=90) . هرچه سطح شوت صاف تر باشد، مقدار φ’ کمتر است، بنابراین مقدار بحرانی θ بیشتر است، قبل از اینکه V2 صفر شود. در این زاویه و مقادیر بزرگتر θ ، سُر خوردن مواد روی سطح اتفاق نخواهد افتاد. حداقل بخشی از جریان روی سطح متوقف می شود.
فشار ضربه σ را می توان به طریق زیر تخمین زد:
 

که :
γ : دانسیته وزنی بالک
g : شتاب جاذبه زمین
اگر V2 در نقطه برخورد صفر باشد، مواد ممکن است به سطح شوت بچسبد. آزمایش زاویه شوت که در شرکت جنیک و یوهانسون Jenike & Johanson ایجاد شده است، می تواند برای اندازه گیری زاویه بحرانی شوت در چسبیدن مواد به عنوان تابعی از فشار برخورد بکار رود. این زوایا را می توان برای تعیین حداقل زاویه موردنیاز شوت در محل برخورد برای غلبه بر چسبیدن مواد بکار برد. آزمایش شامل ریزش مواد بالک روی سطح شوت در یک محدوده بارگذاری با فشار برخورد مختلف می باشد. بعد از اینکه هر بار به مدت چند ثانیه اعمال شد، بارگذاری متوقف می شود و سطح شوت حول یک لولا شیب داده می شود. زاویه ای که مواد سُر می خورند، به عنوان تابعی از فشار برخورد رسم می شود. یک نمودار نوعی از نتایج آزمایش در شکل زیر نشان داده شده است.

 
غالبا یک ضریب اطمینان 5˚-10˚ به این مقادیر حداقل اضافه می شود تا از خارج شدن همه مواد از روی سطح شوت اطمینان حاصل شود.
اگر سرعت V2 بزرگتر از صفر نگهداشته شود، دیگر نگرانی نسبت به چسبیدن مواد به سطح شوت وجود ندارد. در این شرایط، نرخ تغییر جهت جریان مواد به مقدار زیادی روی سرعت جریان تاثیر می گذارد. فرض کنید می خواهیم از رسیدن سرعت به صفر جلوگیری کنیم و چیدمان بگونه ای است که باید جریان مواد θ درجه منحرف شود. اگر بتوان شوت را بگونه ای نصب نمود که دو بار تغییر زاویه θ/2 اتفاق بیافتد (طبق شکل زیر)،

 
آنگاه در اولین برخورد خواهیم داشت:

 
و در دومین برخورد:

 
نسبت سرعت پس از دو بار انحراف برابر خواهد بود با:

 
اما با یک مرتبه انحراف با زاویه θ ، نسبت سرعت بعد و قبل از برخورد برابر است با:

 
نسبت VII/V2 که با تقسیم دو رابطه فوق بدست آمده است، فایده (در حفظ سرعت) یک منحرف کننده پله پله را نسبت به روش یک مرحله ای نشان می دهد. شکل زیر تعدادی منحنی برای مقادیر مختلف θ  به عنوان تابعی از φ’ را نشان می دهد. همانطور که نمودار نشان می دهد برای زاویه انحراف بیشتر از 30˚ ، مزیت این روش شگفت انگیز است.

 
برای مثال اگر زاویه اصطکاک 28˚ باشد، و جریان مواد باید 50˚ منحرف شود، سرعت جریان مواد بعد از دو بار انحراف هر کدام 25˚ ، دو برابر وقتی خواهد بود که جریان یکمرتبه 50˚ منحرف شود. با دو برابر شدن سرعت، سطح مقطع جریان نصف خواهد شد.
با توسعه این بحث، به آسانی میتوان دید که در حالت حدی، یک منحرف کننده منحنی حداقل کاهش سرعت را ایجاد خواهد کرد، و هرچه شعاع انحنا بیشتر باشد، سرعت جریان مواد بهتر حفظ خواهد شد.

اصل طراحی 2- از سطح مقطع کافی مواد اطمینان حاصل نمایید
وقتی یک جریان مواد بالک روی یک سطح شوت سُر می خورد، در اثر فقط جاذبه، سرعت با تابعی از α و φ’ کاهش یا افزایش می یابد (طبق شکل زیر):

 
و شتاب برابر است با:

 
در یک سطح منحنی (در صفحه قائم) نیروی گریز از مرکز به نیروهای معمول بین مواد و شوت اضافه می شود (شکل زیر).

 
در اینصورت یک جمله دیگر به رابطه شتاب اضافه می شود:

همانطور که در شکل فوق نشان داده شده است R مثبت است و فرض می شود مواد در تمام لحظات در تماس با شوت است.
جالب است که توجه کنید در چه زاویه ای رابطه فوق به صفر می رسد. فرض کنید φ’=25˚ و R=3 m . وقتی V = 5 m/s (یک سقوط آزاد از ارتفاع 1.3 متری) باشد، شتاب صفر خواهد شد اگر زاویه شوت 46˚ نسبت به افق باشد. وقتی V = 7.5 m/s (یک سقوط آزاد از ارتفاع 2.9 متری) باشد، شتاب صفر خواهد بود اگر زاویه شوت 79˚ باشد!
با افزایش یا کاهش شتاب مواد در شوت، سطح مقطع آن تغییر خواهد کرد. در نتیجه جرم مواد داخل شوت تغییر خواهد کرد و باید در محاسبات لحاظ شود.
در طراحی شوت لازم است که سرعت جریان مواد در هر نقطه معلوم باشد. برای پیدا کردن گلوگاه در یک شوت باید سرعت جریان مواد مشخص باشد، چون نرخ جریان مواد متناسب با سرعت و سطح مقطع می باشد. در هر فاصله S در طول شوت، سرعت جریان V برابر است با:

 
که :
V0 : سرعت در نقطه شروع S=0
A : شتاب روی سطح شوت
البته در این رابطه فرض شده است که سطح مقطع شوت در طول آن ثابت می ماند. غالبا این شرایط مطلوب است، چون یک شوت همگرا ممکن است آنقدر باعث کاهش سرعت جریان مواد شود، که ذرات با سقف شوت تماس یابند. به چنین جریانی جریان آرام slow flow می گویند. وقتی این اتفاق بیافتد، جریان مواد بالک داخل شوت مثل جریان خروجی از هاپر خواهد شد. در جریان آرام، احتمال توقف جریان بخاطر طاق بستن arching باید لحاظ شود.
یک قاعده خوب سرانگشتی این است که شوت بگونه ای سایز شود که حداکثر یک-سوم آن در حداقل سرعت پُر شود. در این محاسبات مهم است که مقدار محافظه کارانه (یعنی حداقل) دانسیته بالک درنظر گرفته شود.

اصل طراحی 3- کنترل جریان ذرات
برای کنترل سرعت یک جریان در داخل یک شوت (هم از نظر مقدار و هم جهت) اغلب بهتر است که به شوت شیب داده شود، بجای اینکه اجازه داده شود مواد در یک مقطع عمودی سقوط آزاد نمایند.
هنگامیکه ذرات روی شوت هستند، مستقل از نوع مواد بالک، باید همواره جهت آنها کنترل شود. بعلاوه این کنترل حتی الامکان بلافاصله پس از برخورد انجام شود. بهترین روش برای انجام این کار یک سطح منحنی است که مواد را به یک مسیر یا نقطه منفرد هدایت می کند، مستقل از محل یا جهت برخورد اولیه با شوت. در نتیجه معمولا شوتها از سطوح مخروطی، لوله های استوانه ای، یا سطوح تختی که بگونه ای چیده شده اند که به این ترکیبات هندسی نزدیک شوند. به عنوان نمونه شکل زیر جریان مواد را بسیار خوب متمرکز و کنترل می نماید.

 
آقای Carson ترکیب شوت دیگری را با همین مفهوم توضیح داده است. این شوت شامل یک بخش جمع کننده مخروطی و یک بخش لوله استاندارد است، که هر دو می توانند بطور دوره ای حول محور تقارن خود بچرخند تا سایش را توزیع نمایند. منحنی آرام جمع کننده مخروطی شوت به آرامی جریان مواد را، بدون فشار برخورد زیاد، تغییر جهت می دهد. در ضمن غیر از زمان سقوط آزاد مواد از کانوایر ورودی، همواره مواد در تماس با سطح شوت است و در نتیجه هوادهی و فشار برخورد کنترل می شود.
بیشتر شوتهایی که امروه بکار می رود، مقطع مربعی یا مستطیلی دارد. دلایل زیادی برای این امر وجود دارد، مثل:
-    مقاطع مربعی یا مستطیلی از ورقهای تخت ساخته می شود که تصور آنها، نقشه کشی، ساخت، اصلاح، نصب و جایگزینی مقاطع ساییده شده آسان است.
-    ورقهای تخت را می توان به آسانی فلنج زد و پیچ کرد.
-    به آسانی می توان دریچه بازدید، آشکارساز گرفتگی شوت و غیره نصب نمود.
اما وقتیکه مواد چسبنده هستند و احتمال گرفتگی شوت وجود دارد، فواید بسیاری برای نصب سطوح منحنی در محل سُر خوردن مواد وجود دارد. در واقع، تعدادی از فواید یک شوت با مقطع منحنی می تواند با دیگر مشکلات شوت (مانند تولید غبار، غلت خوردن سنگهای درشت روی نوار دریافت کننده) مقابله کند.
یک مقطع منحنی را می توان برای جمع کردن مواد در مرکز بکار برد، در حالیکه یک مقطع مربعی یا مستطیلی ممکن است باعث شود مواد در یک گوشه جمع شود یا پخش شده و هوا بکشد. متمرکز کردن بار در مرکز یک شوت منحنی باعث می شود که اندازه حرکت مواد در جریان، سطح شوت را تمیز نگهدارد، در حالیکه متمرکز کردن مواد در گوشه مقطع مربعی یا مستطیلی باعث تجمع و گرفتگی می شود.
اگر جریان مواد بگونه ای وارد شوت شود که یک مولفه افقی داشته باشد، باید خطر عدم تمرکز مواد در مرکز خروجی شوت لحاظ شود. مسیری که مواد دنبال خواهد کرد، می تواند بسته به خواص مواد و نرخ جریان متفاوت باشد (شکل زیر).

 
روشهای مختلفی برای از بین بردن اندازه حرکت افقی وجود دارد، از قبیل پرده های لاستیکی، زنجیرها، تسمه های داخل شوت و غیره. بهترین روش بستگی به نوع مواد و جانمایی شوت دارد. در این موارد، اغلب تجربه مفیدتر از مدلهای ریاضی است؛ اما مدلهای ایجاد شده که بتواند جریان را از میان هندسه های مختلف پیش بینی نماید، نسبتا دقیق است.
مشکل سایش بیش از حد نوار و فقدان کنترل مواد ورودی به یک نوار اغلب به علت همین پدیده می باشد. سنگهای درشت، که توسط نوار شتاب می گیرند، پس از برخورد عمود بر سطح نوار، غلت می خورند و بالا و پایین می پرند. این اتفاق سایش نوار را افزایش می دهد و نیاز دارد طول اسکرت افزایش یابد. با سرعت دادن مواد در جهت نوار، هر دو مشکل می تواند کاهش یابد یا حذف شود. مواد باید در مرکز نوار جهت یابند و در صورت امکان سرعت آن کمی بیشتر از نوار باشد.

اصل طراحی 4- حداقل نمودن سایش سطح شوت
سقوط آزاد و تغییر ناگهانی در جهت جریان مواد باید حداقل شود تا فشار برخورد مواد که باعث سایش زیاد شوت و مشکلاتی از قبیل فرسایش، تولید غبار، و سیاله کردن مواد ریز می شود، را کنترل نماید. وقتی مواد مختلفی باید حمل شود، نباید جزییات طراحی شوت (مثل صفحه آرام کننده جریان یا تغییر جهت دهنده جریان مواد) بر اساس یک ماده انجام شود.
مواد ساینده و روان، معمولا مشکل سایش شوت ندارند. راه حل آسان، ایجاد بستر بار مرده برای جلوگیری از برخورد مواد با سطح شوت است. اما یکی از سخت ترین مشکلات شوت، چگونگی طراحی برای مواد چسبندة ساینده است. مثل خاکستر خیس wet ash و کانیهای ساینده که از سنگ شکنهای داخل معدن منتقل می شوند. یکی از دو رویکرد ممکن است استفاده شود. اول اگر فضا اجازه دهد، جریان مواد می تواند با یک سطح بسیار نزدیک به مسیر طبیعی جریان مواد، کنترل شود. از آنجاییکه فشار برخورد متناسب با سینوس θ زاویه برخورد است، کاهش این زاویه، سایش را کاهش و سرعت مواد پس از برخورد را افزایش خواهد داد. بعلاوه مکانیزمی که باعث تجمع مواد در اثر چسبیدن می شود، می تواند به دو صورت خنثی شود: فشار برخورد که باعث مشکل می شود، حداقل شود، و اندازه حرکت مواد که سطح شوت را تمیز نگهدارد.
یک گزینه جایگزین، حداقل کردن سطح شوت در نقاط برخورد می باشد. این کار با بکار بردن تسمه هایی در داخل شوت برای ایجاد بستر بار مرده های بسیار کوچک امکان پذیر است (شکل زیر).

 
در بکارگیری این رویکرد بسیار مهم است که جریان مواد با استفاده از یک سطح منحنی متمرکز شود و زاویه بین مسیر جریان مواد و سطح شوت کوچک باشد. این رویکرد برای موادی مثل مواد خام معدن که سنگهای درشت با ذرات خیس مخلوط شده است، توصیه می شود. مثال دیگر کانیهای رُسی الماس دار است که حتی لاینرهای ضدسایش، عمر سایش کافی ایجاد نمی کنند.
تسمه های ضدسایش بطور یکپارچه با ورق شوت ساخته می شوند، و در نتیجه شوت به چند بخش تقسیم می شود. هر بخش به سادگی به سازه وصل می شود تا تعویض بخشهای ساییده شده در سایت راحت باشد.
مهندسان شرکت جنیک و یوهانسون یک شوت انتقال نوار-به-نوار سرعت بالا با این ویژگیها طراحی نموده اند (پتنت 4,646,910 ).

اصل طراحی 5- کنترل تولید غبار
اگر مواد در حال جریان، با خود هوا بکشند، در داخل شوت غبار ایجاد خواهد شد. برای جلوگیری از تولید غبار، ضروری است:
-    مواد در تماس با سطح شوت حفظ شوند.
-    جریان مواد متمرکز شود.
-    زاویه برخورد کم باشد.
-    حتی الامکان سرعت از میان شوت ثابت نگهداشته شود.
-    اگر مواد باید در خروجی شوت روی نوارنقاله بنشیند، مطمئن شوید ذراتی که شوت را ترک می کنند، در جهت و با سرعتی نزدیک به، یا بیشتر از، سرعت نوار حرکت می کنند.
با درنظر گرفتن این دستورالعمل ها، مقدار غبار تولید شده در یک شوت انتقال می تواند به مقدار زیادی کاهش یابد، اگر کاملا حذف نشود. برای مثال در یک سایت بارگیری کشتی که مشکلات گرفتگی و تولید غبار شوتها، هزینه های تمیز کردن و تعمیرات نگهداری زیادی را تحمیل نموده بود، از مهندسان جنیک و یوهانسون خواسته شد که شوتها مجددا طراحی شود. پس از جایگزینی شوتهای مشکل دار، هوای غبارآلود روی شوتها از بین رفت. از آنجاییکه مواد (یک نوع زغال ریز) در شوت تحت کنترل قرار گرفت، هیچ غباری داخل شوتها تولید نشد، و نقطه خروجی نیز بدون مشکلات غبار گردید.

اصل طراحی 6- حداقل نمودن فرسایش ذرات
فرسایش مواد شکننده هنگام جریان در داخل شوت، تحت تاثیر شرایط شوت قرار خواهد گرفت. فرسایش ذرات در نقاط برخورد محتمل تر است تا یک سطح صاف، چون فشار برخورد بالا است. بنابراین در بسیاری شرایط، می توان فرسایش را با طراحی مناسب شوت به حداقل رساند:
-    حداقل نمودن زاویه بین جریان مواد و سطح شوت در نقاط برخورد
-    جریان مواد را متمرکز نگهدارید و در تماس با سطح شوت
-    سرعت جریان مواد را در سرتاسر شوت ثابت نگهدارید.

مرجع: Design Principles for Chutes to Handle Bulk Solids

نوشتن دیدگاه