Способ комплексной переработки механической смеси с использованием свойств вихревого эффекта конфузора

УДК 533.601.16

В. И. КУЗНЕЦОВ О. А. ШАРИКОВ

Омский государственный технический университет

СПОСОБ

КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ СМЕСИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВОЙСТВ ВИХРЕВОГО ЭФФЕКТА КОНФУЗОРА

Описываются новый способ и экспериментальная модель нового вихревого сепаратора в форме конфузора, использующих свойства вихревого эффекта конфузора, предназначенных для перемещения и переработки механических смесей. Способом впервые создаются условия, позволяющие эффективно управлять вихревыми потоками, а именно: создавать, направлять, разделять, спрямлять и снова формировать закрученные потоки.

Ключевые слова: вихревые потоки, сепаратор-конфузор, завихритель, тангенциальное сопло.

Общими недостатками известных до сих пор способов, использующих вихревые потоки, являются: многоступенчатость физического процесса, на котором базируется предлагаемые способы; большие габариты оборудования; высокие затраты электроэнергии; сложность проектирования; уникальность подобного оборудования. К тому же как правило предназначается применять вихревое оборудование на одну операцию из технологического процесса. Эффективность использования свойств закрученного потока смеси повысилась бы значительно, если бы вихревые установки использовались комплексно, на группу технологических операций, или даже на весь процесс переработки смеси в целом.

Как вариант решения данной задачи предлагается рассматривать описываемый в статье способ. «Способ комплексной переработки механической смеси с использованием свойств вихревого сепаратора формы конфузора (сепаратор-конфузор)», предназначенный для переработки разнообразных механических смесей, в различных видах и формах их существования: жидкостном (смесь нефтепродуктов и воды), газообразном (выхлопные газы), сыпучем (пески, зерновой материал) и т.п.

Способ перемещения и переработки механических смесей применяется для загрузки механической смеси в оборудование и последующего транспортирования на технологические операции производственного процесса, переработки с максимально комплексным использованием энергии, однажды сообщенной механической смеси при формировании закрученного потока. Реализация способа осуществляется с помощью вихревого технологического оборудования, использующего «вихревой эффект конфузора». Суть этого эффекта заключается в следующем (рис. 1).

В процессе продвижения конфузоре закрученного потока, состоящего из периферийных и осевых слоёв, периферийные слои, приближаясь к наклонной стенке конфузора, затормаживаются

и, при дальнейшем продвижении вперёд, прижимаются центробежными силами к внутренней стороне конической обечайки.

Под влиянием центробежной силы, а также, перепада давления, возникающего от действия сил сопротивления наклонной стенки, эжекции в пространстве ограниченном, задней стенкой в большем основании конфузора, боковой стенкой конфузо-ра и струёй проходящего закрученного потока, заторможенные частицы меняют направление своего осевого движения в противоположном направлении.

Затем, по расширяющейся конической обечайке, продвигаются к большему основанию кон-фузора, через боковое отверстие в этой обечайке поступают в канал отвода плотных частиц сепара-тора-конфузора.

Менее плотные частицы располагаются возле оси потока и продолжают движение вдоль оси, сохраняя первоначальное направление движения основного потока в сторону осевого отверстия в меньшем основании сепаратора-конфузора, через него попадают в сопло-диффузор и выводятся по осевому отводу менее плотных частиц компонентов смеси.

Таким образом, под воздействием центробежной силы и сил перепада давления в конфузоре в рабочей зоне сепаратора-конфузора формируется два закрученных потока: сохранивший первоначальное направление основного вихревого потока осевой поток из менее плотных частиц и встречный поступившему потоку вихрь из частиц периферийного слоя основного закрученного потока обрабатываемой механической смеси [2].

Благодаря этому процессу разделения на два противоположно направленных потока, так называемому «вихревому эффекту конфузора», создаются условия для обособления и последующего вывода из обрабатываемой смеси необходимых компонентов. Вихревой эффект конфузора раскрывает

Рис. 1. Принципиальная схема физического процесса вихревого эффекта сепаратора-конфузора

1 — боковая стенка конфузора;

2 — осевые, менее плотные, слои закрученного потока;

3 — периферийные, более плотные, слои закрученного потока;

4 — задняя стенка конфузора;

5 — вихревая труба;

6 — отводной канал обособленных частиц.

Рис. 2. Принципиальная схема технологического процесса в способе комплексной переработки механической смеси с использованием свойств вихревого сепаратора формы конфузора

1 — завихритель первого сепаратора-конфузора основной линии;

2 — вихревая труба основной линии;

3 — первый сепаратор-конфузор основной технологической линии;

4 — накопители технологических переделов и готовой продукции;

5 — отводы к завихрителям дополнительных технологических линий;

6 — завихрители дополнительных технологических линий;

7 — сопло-диффузор;

8 — сепараторы-конфузоры дополнительных технологических линий;

9 — путепроводы для межоперационного транспортирования переделов;

10 — второй сепаратор-конфузор основной технологической линии;

11 — путепровод с разряжением для загрузки технологического комплекса;

12 — путепровод от нагнетателя;

13 — механическая смесь, подлежащая переработке.

дополнительные преимущества вихревых технологий, позволяет по-новому взглянуть на них, сделать их реально управляемыми и эффективными.

Способ реализуется с применением вихревого технологического комплекса следующим образом (рис. 2). От компрессора (или иного нагнетателя — насоса, вентилятора и т.п.) воздух по путепроводу 12 подается в завихритель основной технологической линии 1. Воздух, попадая в за-вихритель 1, закручивается, отчего в завихрителе создается разряженное пространство, куда стекает и засасывается смесь 13 из загрузочного бункера или засасывается из бурта смеси через путепровод с разряжением для загрузки технологического комплекса 11, предназначенная для переработки смесь, например, зерновой материал. Закрученный поток механической смеси поступает в вихревую трубу 2, где под действием центробежных сил, сил массовых происходит его разделение на осевые и периферийные слои [1]. Затем состоящий из слоев вихревой поток смеси поступает в сопло-диффузор 7 и далее в разделительную зону первого сепаратора-конфузора основной технологической линии 3. При встрече вихревого потока с наклонной стенкой кон-фузора происходит торможение его периферийных слоёв и дальнейшее разделение потока: из плотных частиц периферийного слоя формируется встречный вихревой поток [2], согласно свойству «вихревого эффекта конфузора», описанному ранее, а остальная часть потока, осевые слои, продолжает вихревое движение вдоль оси в первоначальном направлении.

Встречный вихревой поток, из частиц периферийного слоя основного потока обрабатываемой механической смеси, под действием сил перепада давления в конфузоре, прижимаемый центробежными силами к стенке сепаратора-конфузора 3, движется вдоль расширяющейся этой стенки и поступает через отверстие в ней в канал отвода плотных частиц сепаратора-конфузора, а затем на дальнейшую обработку.

Осевые слои продолжают вихревое движение вдоль оси к центральному отверстию в меньшем основании конфузора 3. Они через сопло-диффузор 7, как центральному отверстию конфузора, поступают во второй сепаратор-конфузор основной технологической линии 10, т.е. во вторую ступень сепарации (или в накопитель 4 легких частиц, в зависимости от степени готовности передела).

В целях более полной переработки механической смеси используют дополнительные (вторая, третья, и т.д.) технологические линии переработки, в которые входит дополнительное оборудование (сепараторы-конфузоры, путепроводы и т.д.). Объединение основного и дополнительного оборудования в технологический комплекс возможно последовательным соединением входящих технологических звеньев и каскадным способом.

В случае последовательного соединения сепара-торов-конфузоров создаётся основная технологическая линия с несколькими коническими обечайками, с отводами для плотных частиц.

Конические обечайки соединены между собой центральными осевыми отводами для менее плотных частиц последовательно, внахлестку, таким способом, что каждый большой торец последующей конической обечайки закрыт стенкой с центральным осевым отводом, диаметр которого соответствует диаметру посадочного места предыдущей конической обечайки. Последовательное соединение сепа-раторов-конфузоров в основной технологической линии, проиллюстрировано на (рис. 3). «Принципиальная схема последовательного соединения

№

Рис. 3. Принципиальная схема последовательного соединения оборудования в способе комплексной переработки механической смеси с использованием свойств вихревого сепаратора формы конфузора

1 — первый основной сепаратор-конфузор (первая ступень);

2 — основной вихревой поток;

3 — встречный поток плотных частиц в основном сепарато-ре-конфузоре;

4 — обособленные плотные частицы периферийных слоёв первого основного сепаратора-конфузора;

5 — второй основной сепаратор-конфузор (вторая ступень);

6 — встречный поток частиц во втором основном сепарато-ре-конфузоре;

7 — обособленные частицы периферийных слоёв сепарато-ра-конфузора;

8 — плотные частицы периферийных слоёв j-го сепаратора-конфузора;

9 — очередной основной сепаратор-конфузор (¡-я ступень);

10 — осевые слои вихря.

Рис. 4. Принципиальная схема каскадного соединения оборудования в способе комплексной переработки механической смеси с использованием свойств вихревого сепаратора формы конфузора (сепаратор-конфузор) На данной схеме сохранена нумерация позиций, используемых в предыдущих схемах.

1 — завихритель первого сепаратора-конфузора основной линии;

3 —.первый сепаратор-конфузор основной линии;

4 — накопители технологических переделов и готовой продукции;

5 — отводы к завихрителям дополнительных технологических линий;

6 — завихрители дополнительных технологических линий;

7 — сопло-диффузор;

8 — сепараторы-конфузоры дополнительных технологических линий;

9 — отвод-выпрямитель к завихрителю дополнительной технологической линии.

оборудования в способе комплексной переработки механической смеси с использованием свойств вихревого сепаратора формы конфузора (сепаратор-конфузор)».

Для более глубокой обработки компонентов, обособленных ранее, в первых ступенях основной технологической линии переработки механической смеси используют так называемую каскадную технологическую схему соединения входящих модулей. Данная схема приводится на рис. 4. «Принципиальная схема каскадного соединения оборудования в способе комплексной переработки механической смеси с использованием свойств вихревого сепаратора формы конфузора (сепаратор-конфузор)». Изображена часть возможной схемы, именно первый основной сепаратор-конфузор с дополнительным оборудованием. Здесь необходимо выделять центральную, основную, технологическую линию сепараторов-конфузоров, соединённых последовательным способом, и дополнительные технологические линии. Дополнительные технологические линии могут присоединяться к конкретному основному сепаратору-конфузору с помощью отводов-путепроводов, располагаемых тангенциально к завихрителям дополнительных линий и могут, аналогично центральной, основной, технологической линии состоять из нескольких последовательных сепараторов-конфузоров.

Возможно, параллельное направлению потока механической смеси подключаемого конкретного сепаратора-конфузора расположение дополнительных технологических линий сепараторов-конфузо-ров и под необходимым, с точки зрения непрерывности производственного процесса, углом, в том числе прямым.

В последнем случае отвод-путепровод монтируют к центральному осевому отводу сепаратора-конфузора частиц менее плотных компонентов и, в качестве отводов-путепроводов, применяют выпрямители вихревого потока, представляющие из себя путепроводы многоугольного сечения.

Благодаря последовательной и каскадной технологическим схемам соединения звеньев комплекса и вихревому эффекту конфузора, впервые можно в широких пределах управлять вихревыми потоками, а именно:

— создавать закрученные потоки с необходимыми, для технологического процесса, параметрами;

— направлять вихревые потоки в необходимом количестве и направлении;

— разделять вихревые потоки по слоям и на входящие компоненты;

— спрямлять и снова формировать закрученные потоки.

Способ и устройство найдут эффективное применение практически во всех отраслях народного хозяйства, например:

1. Нефтепереработка

— очистка поверхностных водных и донных сло-ёв водоёмов от примесей нефти.

2. Переработка зерновых материалов

— очистка семенного материала от засорения и некондиционных семян.

Комплексная переработка зерна с шелушением, разделением, калибровкой.

3. Энергетическое производство

— очищение дымовых выбросов котельных ТЭЦ и локальных котельных от вредных примесей и т. д., перечень практически неограничен.

Способ будет эффективным средством в экологии, в области охраны окружающей среды.

Проект поддержан Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Библиографический список

1. Кузнецов, В. И. Теория и расчёт эффекта Ранка / В. И. Кузнецов. - Омск : ОмГТУ, 1994. - 217 с.

2. Пат. 2475310 РФ, С2. Способ разделения механических смесей на основе использования свойств вихревого потока и применения вихревого сепаратора-конфузора / В. И. Кузнецов, О. А. Шариков, М. О. Шариков ; патентообладатели В. И. Кузнецов, О. А. Шариков, М. О. Шариков. -№ 2010131618/05 ; заявл. 27.07.2010 ; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5.

КУЗНЕЦОВ Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры авиа- и ракетостроения Омского государственного технического университета (ОмГТУ). ШАРИКОВ Олег Алексеевич, заместитель директора ООО «НПО «Вихрь» при ОмГТУ. Адрес для переписки: o_sharikov@mail.ru

Статья поступила в редакцию 27.12.2014 г. © В. И. Кузнецов, О. А. Шариков

№

УДК 621.91

А. Ю. ПОПОВ Д. С. РЕЧЕНКО А. Г. КИСЕЛЬ Е. В. ЛЕОНТЬЕВА М. Г. МАТВЕЕВА

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ СМАЗЫВАЮЩЕЙ ПЛЕНКИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЖАРОПРОЧНОГО И ТИТАНОВОГО СПЛАВОВ

Титановые и жаропрочные сплавы применяется в авиастроении, преимущественно в двигателе самолета, и детали, выполненные из него, являются ответственными и высоконагруженными. Существенное значение при изготовлении деталей из этих материалов имеют лезвийные операции, предназначенные для получения высокого качества поверхности. При этом качество поверхности имеет очень высокие требования и жесткий допуск. Важным критерием показателя качества поверхности является шероховатость (микронеровности) и точность формы и размеров, образующихся при точении. Существенное значение при изготовлении деталей из титанового и жаропрочного сплавов имеют токарные операции, так как они занимают до 80 % всего технологического процесса изготовления деталей двигателя самолета. Качество обработанной поверхности имеет большое значение, так как деталям такого класса предъявляются высокие требования к точности изготовления.

Ключевые слова: маллообработка, лезвийная обработка, смазочно-охлажда-ющая жидкость.

Проблемы, возникающие в процессе резания авиационных материалов, вызывают необходимость комплексного исследования процесса обработки с применением смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), разработку методов определения эффективности СОЖ и методов подачи в зону резания, с учетом обрабатываемого материала, режимов обработки и режущего инструмента, с целью увеличения ресурса инструмента, производительности и точности обработки. Конечно, это вызывает дополнительные технологические трудности, так как существует большое количество видов и марок

СОЖ. Учесть влияние всех факторов в комплексе можно, задавшись условиями ограничения.

Существующие взгляды сводятся к тому, что СОЖ в процессе резания оказывает смазывающее и охлаждающее, диспергирующее и моющее действия. В процессе резания металлов химически активные поверхности режущего инструмента и стружки входят в реакцию с компонентами смазочной среды. Данная гипотеза развивается специалистами по трению и резанию металлов.

Наибольший интерес влияния СОЖ вызывает обработка авиационных материалов, так как данная