Смеситель

Полезная модель относится к получению многокомпонентных гранулированных смесей и может быть использована в различных отраслях промышленности, связанных с применением процесса смешивания различных компонентов.
7
Известен смеситель [Пат. № 2188064, МПК В 01 F 7/02, А 23 L 1/10. Смеситель. / А. Н. Остриков, А. И. Сухарев. / № 2001126981/12, Заявл. 04. 10.2001, Опубл. 27.08.2002, Бюл. № 24], содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, расширяющийся по ходу движения компонентов, валы с лопастями, распылительную форсунку. Смеситель имеет три последовательно расположенные камеры. В первой камере установлен быстроходный вал с двумя спиралями разного диаметра, а во второй и третьей – тихоходный вал, снабженный конусообразными лопастями во второй камере, и однозаходным шнеком с очищающей лопастью – в третьей.
На внутренней поверхности нижней части второй камеры смонтированы вращающиеся трапецеидальные рамные лопасти. В верхней части второй камеры установлены форсунки для подачи жидких и вязких компонентов, а нижняя часть второй камеры имеет конусообразную форму.
Недостатками смесителя являются: значительные удельные энергозатраты; недостаточно равномерное распределение компонентов в получаемой смеси;  значительная продолжительность процесса смешивания; повышенная металлоемкость конструкции смесителя.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является смеситель-гранулятор [Пат. № 2422194 С2 РФ, МПК B 01 F 7/08 Пат. 2422194 РФ, МПК В 01 F. Смеситель-гранулятор. / Шевцов А. А., Остриков А.Н., Лыткина Л. И., Бритиков Д.А.,Чайкин И.Б.; / № 2009100236/05; Заявл. 11.01.2009; Опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18], содержащий корпус с тремя последовательно расположенными камерами, через которые проходит быстроходный вал с соосно установленным тихоходным валом, загрузочный патрубок, форсунки для подачи жидких и вязких компонентов; две очищающие лопасти на быстроходном валу в первой камере; ленточные спирали на тихоходном валу во второй камере; конические зубчатые колеса, приводимые во вращение ленточные спирали от быстроходного вала; шнек с переменным шагом со сплошными и перфорированными витками в третьей камере; планетарную зубчатую передачу, расположенную в опоре между первой и второй камерами корпуса и приводящую тихоходный вал во вращение от быстроходного вала.
Недостатками смесителя являются:
- неравномерное распределение сыпучих компонентов смеси в первой камере с возможным забиванием форсунок, расположенных в торцевой части первой камеры смесителя;
- низкая производительность смешивания сыпучих компонентов и высокие энергозатраты на процесс смешивания;
- наличие застойных зон между камерами;
- невысокая надежность ленточных спиралей при смешивании сыпучих компонентов, что может привести к поломке рабочих органов и остановке смесителя.
Технической задачей полезной модели является повышение качества смешивания за счет равномерного распределения компонентов смеси, повышение производительности и снижение удельных энергозатрат на процесс  смешивания, повышение надежности работы смесителя.
Поставленная техническая задача полезной модели достигается тем, что в смесителе, содержащем корпус с тремя последовательно расположенными камерами; быстроходный вал, проходящий через камеры; cоосно установленный с быстроходным тихоходный вал; загрузочный патрубок; форсунки для подачи жидких и вязких компонентов; две очищающие лопасти на быстроходном валу в первой камере; ленточные спирали на тихоходном валу во второй камере; конические зубчатые колеса, приводимые во вращение ленточные спирали от быстроходного вала; шнек с переменным шагом со сплошными и перфорированными витками в третьей камере; планетарную зубчатую передачу, расположенную в опоре между первой и второй камерами корпуса, новым является то, что рабочий орган в первой камере смесителя выполнен в виде z-образной лопасти, закрепленной на быстроходном валу; при этом две очищающие лопасти на быстроходном валу и опора между первой и второй камерами корпуса смесителя имеют профиль, соответствующий профилю z-образной лопасти; форсунки для подачи жидких и вязких компонентов в смеситель установлены в верхней части первой камеры;   внутренняя цилиндрическая поверхность второй камеры корпуса снабжена зубчатым венцом, взаимодействующим с зубчатым колесом, подшипник качения которого насажен на ось, причем ось закреплена на стойке, которая приварена к валу, а к торцевой части зубчатого колеса жестко закреплена рамная мешалка.
Технический результат полезной модели заключается в повышении качества смешивания, увеличении производительности и снижении удельных энергозатрат на процесс смешивания, повышении надежности работы смесителя.
На фиг. 1 изображен общий вид смесителя, на фиг. 2 – продольный разрез опоры 5 с планетарным зубчатым механизмом; на фиг. 3 – сечение А-А; на фиг. 4 –местный разрез в зоне второй камеры 5 смесителя; на фиг. 5 – сечение Б-Б, на фиг. 6 – сечение В-В.
Смеситель (фиг. 1) содержит корпус 1 с загрузочными патрубками 2 и форсунками 3, имеет три последовательно расположенных камеры 4, 5 и 6. Внутри корпуса 1 расположены быстроходный 7 и тихоходный 8 валы, причем быстроходный вал 7 расположен внутри тихоходного вала 8 и проходит через три камеры.
В первой камере 4 установлен быстроходный вал 7 с расположенными в начале двумя очищающими лопастями 9, а затем – z-образной лопасти 10. Очищающие лопасти 9 на быстроходном валу 7 и опора 11 между первой 4 и второй 5 камерами корпуса смесителя 1 имеют профиль, соответствующий профилю z-образной лопасти. В верхней части первой камеры 4 расположены форсунки 3 для подачи жидких и вязких компонентов.
Через вторую 5 и третью 6 камеры проходит тихоходный вал 8, который приводится во вращение от быстроходного вала 7 с помощью планетарной зубчатой передачи, расположенной в опоре 11 между первой 4 и второй 5 камерами корпуса 1.
Планетарная зубчатая передача (фиг. 2 и 3) состоит из ведущего центрального зубчатого колеса 12, жестко закрепленного на быстроходном валу 7, неподвижного центрального колеса 13, жестко закрепленного на внутреннем диаметре (внутри) опоры 11, ведомых водил 14 и трех сателлитов 15, вращающихся вместе с водилами 14 вокруг центральной оси валов 7 и 8. Ведомые водила 14 жестко крепятся к тихоходному валу 8.
1
3
Данная планетарная передача обеспечивает противоположное направление вращения водил 14 (а следовательно, и вала 8) и центрального колеса 12, на котором жестко крепится вал 8, так как передаточное отношение i имеет отрицательное значение , где z и z – соответственно числа зубьев зубчатых колес 12 и 13.
Во второй камере 5 тихоходный вал 8 снабжен конусообразными лопастями 16 (фиг. 4). Внутренняя цилиндрическая поверхность второй камеры 5 корпуса смесителя 1 снабжена зубчатым венцом 17, взаимодействующим с зубчатым колесом 18, подшипник качения которого 19 насажен на ось 20, причем ось закреплена на стойке 21, которая приварена к тихоходному валу 8, а к торцевой части зубчатого колеса 18 жестко закреплена рамная мешалка 22 (фиг. 5). На тихоходном валу 8 во второй камере 5 между конусообразными лопастями 16 в плоскости, перпендикулярной оси вала 8, установлены ленточные спирали 24, приводимые во вращение с помощью конических зубчатых колес 20 от быстроходного вала 7 (фиг. 1 и 4). Они вращаются с большой круговой частотой и предназначены для турбулизации многофазной смеси, содержащей компоненты с разной дисперсностью частиц.
На находящемся в третьей камере 6 тихоходном валу 8 жестко закреплен однозаходный шнек 25 с переменным шагом витков (фиг. 1).
Конфигурация и форма лопастей 10 и 16 выбраны с учетом состояния перемешиваемой массы, ее объема, толщины слоя, производительности, соотношения смешиваемых компонентов, степени однородности, способа загрузки компонентов и выгрузки смеси и требований технологии.
Предлагаемый смеситель работает следующим образом:
Исходные сыпучие компоненты загружаются в смеситель через загрузочные патрубки 2. Включается регулируемый привод 26, и валы 7 и 8 приводятся во вращение. При этом тихоходный вал 8 приводится во вращение от быстроходного вала 7 с помощью планетарной зубчатой передачи, расположенной в опоре 11 между первой 4 и второй 5 камерами корпуса 1 (фиг. 1-4). Вращающийся быстроходный вал 7 с жестко закрепленным ведущим центральным зубчатым колесом 12 приводит во вращение три сателлита 15, которые в свою очередь через водила 14 приводят во вращение вал 8.
Быстроходный вал 7 посредством  z-образной лопасти 10 захватывает и начинает перемещать сыпучие компоненты получаемой смеси. Одновременно из форсунок 3, находящихся в верхней части первой камеры 4, подаются жидкие и вязкие компоненты. Две очищающие лопасти 9 при вращении очищают внутреннюю поверхность торцевой стенки камеры 4 от налипших частиц перемешиваемых компонентов.
Затем смесь компонентов последовательно перемещается во вторую камеру 5 смесителя, в которой она захватывается вращающимися конусообразными лопастями 16, расположенными на тихоходном валу 8, который посредством планетарной передачи вращается в противоположном направлении.
Рамные мешалки 22 во второй камере 5 совершают вращение вокруг собственной оси при движении по внутренней поверхности камеры 5 посредством взаимодействия венца 17 и зубчатого колеса 18 и осуществляют вытеснение смешиваемых высоковязких компонентов из застойных зон смесителя между камерами 4 и 5.
Одновременно с помощью конических зубчатых колес 24 от быстроходного вала 7 приводятся во вращение ленточные спирали 23, которые обеспечивают радиальное (в плоскости, перпендикулярной оси вала 7) перемещение смеси от оси вращения к внутренней поверхности корпуса 1 (фиг. 6).
Перемещение компонентов смеси во второй камере 5 смесителя имеет еще более сложный характер. Его можно условно разделить на три вида:
– первый – перемещение и перемешивание смеси посредством вращающихся конусообразных лопастей 16;
– второй – радиальное перемещение при помощи вращающихся ленточных спиралей 23 (фиг. 4);
– третий – круговое (тангенциальное) перемещение получаемой смеси.
Рабочими органами (конусообразными лопастями 16 и ленточными спиралями 23) создаются три вида движения смеси в смесителе: тангенциальное, радиальное и осевое течения. При тангенциальном течении смесь в смесителе движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения рабочих органов. Перемешивание происходит за счет вихрей, возникающих на их кромках. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения смеси равна скорости вращения рабочих органов (конусообразных лопастей 16 и ленточных спиралей 23). Радиальное течение характеризуется направленным движением смеси от оси вращения к стенкам смесителя перпендикулярно оси вращения валов 7 и 8. Осевое течение компонентов смеси направлено параллельно оси вращения валов 7 и 8. В предлагаемом смесителе имеют место различные сочетания этих основных типов течения.
При этом возможно регулирование интенсивности перемещения материала в смесителе посредством изменения угла поворота конусообразных лопастей 16 в плоскости, перпендикулярной оси вала 8, и частоты вращения валов 7 и 8.
Анализ показывает, что смешивание условно состоит из трех элементарных процессов:
– конвективное смешивание – это перемещение групп частиц из одного объема смеси в другой внедрением и скольжением слоев;
– диффузионное смешивание – это постепенное перемещение частиц различных компонентов через вновь образованные границы их раздела;
– сегрегация – это сосредоточение близких по форме, массе и размерам частиц в разных местах смесителя-гранулятора.
Если разделить по времени смешивание на три интервала, то в первом преобладает конвективное смешивание, во втором – диффузионное, в третьем – сегрегация. Первые два процесса способствуют равномерному распределению частиц в смеси, последний препятствует этому. Поэтому целесообразно заканчивать процесс в конце второго интервала смешивания.
Применение предложенной конструкции трех камер смешивания 4, 5 и 6, а также оригинальной конструкции вращающихся рабочих органов (лопастей 10, ленточных спиралей 23, конусообразных лопастей 16, ленточных спиралей 19, однозаходного шнека 25 с переменным шагом витков) также позволит повысить однородность полученной смеси и тем самым улучшить качество многокомпонентных смесей.
Таким образом, использование предлагаемого смесителя позволит:
– оптимизировать процесс смешивания исходного сырья, различного по своему гранулометрическому составу и физико-механическим свойствам, за счет поддержания рационального характера движения в каждой из трех рабочих камер в зависимости от их функционального назначения;
– расширить область применения за счет достигнутой универсализации механизма перемешивания с учетом особенностей физико-механических свойств исходных компонентов;
– сократить продолжительность технологического цикла получения готовой смеси, а, следовательно, снизить удельные энергозатраты на смешивание при достижении наилучшей однородности получаемой смеси.