ТУРБУЛЕНТНО-КАВИТАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ

Изобретение относится к смесителям и может быть использовано в промышленности строительных материалов, в строительстве и других областях строительной индустрии для производства полидисперсных материалов.
Известен, выбранный в качестве ближайшего аналога, кавитационный смеситель, содержащий корпус, сообщенный с патрубками подвода и отвода смешиваемого материала, внутри которого, с возможностью вращения, размещены основной и дополнительный кавитаторы, выполненные в виде лопастей с противоположным наклоном, при этом основной кавитатор расположен по оси корпуса, а дополнительный на его внутренней поверхности (Авторское свидетельство СССР №1718419, опубл. 27.09.1997 г.)
Недостатком данного кавитационного смесителя является то, что в нем кавитационные пузырьки образуются за счет сложной конструкции лопастей кавитаторов и высокой скорости пропускаемого через смеситель потока смешиваемого материала (до 10 м/с), что может привести к не качественному перемешиванию материала.
Техническим результатом, заявленного турбулентно-кавитационного смесителя, является повышение качества перемешивания материала.
Технический результат достигается тем, что в турбулентно- кавитационном смесителе содержащем корпус, внутренняя полость которого сообщена с патрубками подвода и отвода смешиваемого материала, внутри корпуса размещены основной и дополнительный кавитаторы, выполненные в виде лопастей, при этом дополнительный кавитатор размещен на внутренней поверхности корпуса, введены:
закрывающие корпус крышка и днище,
размещенная во внутренней полости корпуса первая труба, один открытый конец которой обращен к основному кавитатору, а второй конец заглушен,
размещенная внутри первой трубы вторая труба, один открытый конец которой обращен к основному кавитатору, а второй конец сообщен с источником рабочего газа,
соединенный с основным кавитатором посредством ротора привод,
сообщенный с внутренней полостью корпуса обратный клапан,
при этом на поверхностях лопастей основного кавитатора и на поверхности первой трубы выполнены сквозные отверстия, а лопасти дополнительного кавитатора установлены на внутренней поверхности корпуса.
А также тем, что вторые концы первой и второй труб установлены на крышке и выступают за ее внешнюю поверхность.
А также тем, что первая и вторая трубы коаксиальны.
А также тем, что первая труба и ротор основного кавитатора коаксиальны.
А также тем, что источник рабочего газа и привод основного кавитатора размещены вне внутренней полости корпуса.
А также тем, что первые открытые концы первой и второй трубы выполнены сужающимися в направлении основного кавитатора.
А также тем, что первый открытый конец первой трубы взаимодействует с основным кавитатором посредством подшипника.
А также тем, что патрубок подвода установлен на крышке.
А также тем, что патрубок отвода установлен на днище.
А также тем, что сквозные отверстия, выполненные на поверхностях лопастей основного кавитатора, имеют овальную форму.
А также тем, что большая ось каждого сквозного отверстия овальной формы перпендикулярна оси ротора основного кавитатора.
А также тем, что большая ось каждого сквозного отверстия овальной формы параллельна оси ротора основного кавитатора.
А также тем, что сквозные отверстия выполненные на поверхностях лопастей основного кавитатора расположены вдоль внешней грани.
А также тем, что лопасти основного кавитатора установлены на диске перпендикулярно его поверхности.
А также тем, что лопасти основного кавитатора размещены на диске круглой формы с отступом от его центра.
А также тем, что лопасти основного кавитатора установлены на диске круглой формы вдоль его радиусов.
А также тем, что крышка и днище имеют эллиптическую форму.
А также тем, что корпус имеет цилиндрическую форму, а лопасти дополнительного кавитатора установлены на внутренней поверхности корпуса под углом относительно радиуса корпуса.
Турбулентно-кавитационный смеситель поясняется при помощи чертежей приведенных на фигурах 1, 2, 3, 4 и 5.
При этом на фиг.1 приведена схема турбулентно-кавитационного смесителя;
на фиг.2 показан фрагмент А фиг.1 с взаимным расположением первой и второй трубы, а также основного кавитатора;
на фиг.3 показан разрез Б-Б фиг.1, демонстрирующий расположение лопастей дополнительного кавитатора внутри корпуса;
на фиг.4 показан разрез В-В фиг.2, демонстрирующий расположение лопастей и диска основного кавитатора;
на фиг.5 показан альтернативный вариант выполнения лопасти основного кавитатора.
На фиг.1, 2, 3, 4 и 5 приняты следующие обозначения:
корпус 1;
внутренняя поверхность 2 корпуса 1;
основной кавитатор 3;
лопасть 4 основного кавитатора 3;
лопасть 5 дополнительного кавитатора;
крышка 6;
днище 7;
первая труба 8;
открытый конец 9 первой трубы 8;
сквозное отверстие 10 первой трубы 8;
вторая труба 11;
открытый конец 12 второй трубы 11;
источник 13 рабочего газа;
привод 14;
ротор 15;
патрубок 16 подвода;
патрубок 17 отвода;
подшипник 18;
диск 19 основного кавитатора 3;
сквозное отверстие 20 лопасти 4 основного кавитатора 3;
обратный клапан 21.
Турбулентно-кавитационный смеситель состоит из корпуса 1, предпочтительно цилиндрической формы, на верхней открытой части которого установлена крышка 6, а на нижней открытой части корпуса установлено днище 7, внутри корпуса 1 размещены основной кавитатор 3 и дополнительный кавитатор, а также первая труба 8 и вторая труба 11 соединенная с источником рабочего газа 13, при этом основной кавитатор 3 соединен с приводом 14 посредством ротора 15.
В предпочтительном варианте крышка 6 и днище 7 имеют эллиптическую форму, и могут быть соединены с корпусом посредством сварных швов. Патрубок 16 подвода компонентов перемешиваемого материала размещен на крышке 6, а патрубок 17 отвода готовой смеси размещен на днище 7, причем патрубки 16 подвода и 17 отвода сообщены с внутренней полостью корпуса 1. Внутри корпуса 1 расположен основной кавитатор 3, выполненный с возможностью принудительного вращения совместно с ротором 15 привода 14, который размещен вне внутренней полости корпуса 1 и может быть выполнен в виде электродвигателя. В предпочтительном варианте ротор 15 проходит от привода 14 во внутреннюю полость корпуса 1 сквозь днище 7 и является соосным корпусу 1 (в том случае, если корпус 1 выполнен в виде цилиндра). При этом на днище 7 выполнено сквозное отверстие через которое проходит ротор 15. Данное отверстие после установки ротора 15 герметизируется с возможностью вращения ротора 15.
Основной кавитатор 3 выполнен в виде лопастей 4, которые, в свою очередь, выполнены в виде плоских пластин, установленных на диске 19, выполненном в виде круглой плоской пластины, вдоль его радиусов, перпендикулярно его поверхности и с отступом от его центра. Отступ лопастей 4 от центра диска 19 позволяет создать объем между лопастями для вхождения в указанный объем большего количества рабочего газа. Однако, необязательно выполнять диск 19 круглой формы, например, лопасти 4 могут быть размещены радиально относительно точки соединения ротора 15 и квадратного диска 19. Диск 19 может иметь любую другую форму отличную от круглой, при этом будет незначительно увеличиваться турбулентность перемешиваемого материала. На поверхностях лопастей 4 основного кавитатора 3 выполнены сквозные отверстия 20, которые расположены вдоль внешней грани каждой лопасти 4. Здесь под внешней гранью лопасти 4 понимается грань перпендикулярная диску 19 и наиболее удаленная от центра диска 19. При этом сквозные отверстия 20 расположены в одном, или двух, или трех вертикальных рядах, в зависимости от состава смешиваемого материала и размеров самих сквозных отверстий 20, например, чем больше вязкость материала, тем больше рядов отверстий необходимо для его перемешивания, и тем большего размера следует выполнять сквозные отверстия 20. Кроме того, для создания неравномерности размеров кавитационных пузырьков, сквозные отверстия 20 имеют не круглую, а овальную форму. Расположение сквозных отверстий 20, имеющих овальную форму, зависит от свойств перемешиваемого материала, если вязкость перемешиваемого материала высока, то следует располагать сквозные отверстия 20 таким образом, что их большая ось будет перпендикулярна оси ротора 15 основного кавитатора 3, если перемешиваемый материал имеет низкую вязкость то большая ось сквозных отверстий 20 должна располагаться параллельно оси ротора 15 основного кавитатора 3.
Дополнительный кавитатор выполнен в виде лопастей 5, которые, в свою очередь, выполнены в виде плоских пластин, установленых на внутренней поверхности 2 корпуса 1 и соединенных с внутренней поверхностью 2 посредством сварных швов. Для увеличения турбулентности в перемешиваемом материале, что в свою очередь способствует повышению скорости перемешивания, лопасти 5 дополнительного кавитатора установлены на внутренней поверхности 2 корпуса 1, под углом относительно радиусов корпуса 1. Здесь под радиусом корпуса 1 понимается прямая линия лежащая в плоскости поперечного сечения корпуса 1 и проходящая через центр этого сечения, представляющего собой круглое кольцо. Угол под которым отклоняется лопасть 5 от радиуса корпуса 1, зависит от свойств перемешиваемого материала. Чем большую вязкость имеет перемешиваемый материал, тем больший угол необходим при его перемешивании и наоборот, чем ниже вязкость, тем меньший угол необходим, однако, при высокой вязкости материала нельзя выполнять очень большой угол наклона лопасти 5 относительно радиуса внутренней поверхности 2 корпуса 1. Для нормальной работы данный угол следует выполнять в пределах 10 - 60 градусов, при этом наклон должен выполняться в сторону противоположную вращению лопастей 4 основного кавитатора 3. Это ограничение следует устанавливать для того, чтобы привод 14 мог осуществлять нормальное вращение основного кавитатора 3 и при этом не перегревался, преодолевая сопротивление движению (вращению) основного кавитатора 3, возникающее при вращении основного кавитатора 3 в перемешиваемом материале с высокой вязкостью.
Внутри корпуса 1 расположена первая труба 8, причем, если корпус 1 выполнен в виде цилиндра, то предпочтительно первую трубу 8 располагать в нем коаксиально, для этого следует устанавливать ее на крышке 6, при этом один открытый конец 9 первой трубы 8 обращен к основному кавитатору 3, а второй конец заглушен (например, при помощи заглушки или крышки, приваренной к данному концу) и соединен с крышкой 6, в предпочтительном варианте выполнения второй конец первой трубы 8 соединен с крышкой 6, а его заглушенный торец выходит за внешнюю поверхность крышки 6. На всей поверхности первой трубы 8 или на части поверхности находящейся внутри корпуса 1, выполнены сквозные отверстия 10. Для создания неравномерности размеров кавитационных пузырьков, сквозные отверстия 10 могут иметь не круглую, а удлиненную форму, например, овальную или прямоугольную форму. Открытый конец 9 первой трубы 8 выполнен сужающимся в направлении основного кавитатора 3. Если первая труба 8 является цилиндрической трубой, то ее открытый конец 9 имеет форму усеченного конуса, если первая труба 8 имеет квадратное поперечное сечение, то ее открытый конец 9 имеет форму усеченной пирамиды. При этом большее основание усеченного конуса или усеченной пирамиды соединено с первой трубой 8, а меньшее основание является открытым. Таким образом, открытый конец 9 первой трубы 8 является соплом сходящегося профиля.
На лопастях 4 основного кавитатора 3, например, на их гранях противоположных граням, которые соединены с диском 19, или гранях противоположных внешним граням, закреплен подшипник 18. На указанных гранях может быть установлена втулка, а в нее может быть запрессован подшипник 18 таким образом, что его внешнее кольцо будет установлено во втулке (по посадке с натягом), а внутреннее кольцо будет иметь возможность свободного вращения. При этом открытый конец 9 первой трубы 8, взаимодействует с подшипником 18, а именно с внутренним кольцом подшипника 18, таким образом, что внутреннее кольцо подшипника 18 и открытый конец 9 первой трубы 8 будут соосными.
Внутри первой трубы 8 размещена вторая труба 11, один открытый конец 12 которой обращен к основному кавитатору 3, а второй конец сообщен с источником рабочего газа 13, например, через соединительную трубку проходящую через стенку первой трубы 8 или заглушку на ее заглушенном конце, при этом соединительная трубка не должна нарушать герметичность первой трубы 8 (отверстие в первой трубе 8, через которое проходит соединительная трубка, должно быть герметизировано, например, при помощи герметизирующего состава). При этом, источник рабочего газа 13 находится за пределами внутренней полости корпуса 1, например на отдельной станине. Открытый конец 12 второй трубы 11 выполнен сужающимся в направлении основного кавитатора 3. Если вторая труба 11 является цилиндрической трубой, то ее открытый конец 12 имеет форму усеченного конуса, если вторая труба 11 имеет квадратное поперечное сечение, то ее открытый конец 12 имеет форму усеченной пирамиды. Открытый конец 12 второй трубы 11 может быть выполнен в виде объемной фигуры, подобной объемной фигуре в виде которой выполнен открытый конец 9 первой трубы 8. При этом большее основание усеченного конуса или усеченной пирамиды соединено со второй трубой 11, а меньшее основание является открытым. Таким образом, открытый конец 12 второй трубы 11 является соплом сходящегося профиля.
Для поддержания постоянного давления внутри корпуса 1 в турбулентно-кавитационном смесителе предусмотрен обратный клапан 21. Обратный клапан 21 может быть установлен в патрубке 17 отвода готовой смеси из внутренней полости корпуса 1 турбулентно-кавитационного смесителя.
Турбулентно-кавитационный смеситель работает следующим образом.
Перед началом работы турбулентно-кавитационного смесителя во внутреннюю полость корпуса 1 через патрубок 16 подвода загружают вещества, предназначенные для перемешивания (это могут быть различные порошкообразные материалы, например, гипс строительный полугидрат, портландцемент, а также жидкие вещества, например, вода и др.). После заполнения необходимого объема внутренней полости корпуса 1, патрубок 16 подвода герметично закрывают, например, при помощи крышки или заглушки.
Включают привод 14 и, одновременно из источника 13 рабочего газа, подают рабочий газ во вторую трубу 11. В качестве источника рабочего газа может быть использован компрессор, поршневой компрессор или баллон с газом находящимся под давлением. В качестве рабочего газа можно использовать обычный воздух, однако, более предпочтительно использовать воздух прошедший очистку, для того, чтобы избежать каких-либо непредвиденных химических реакций внутри корпуса 1 и не ухудшить качество полученной перемешенной смеси.
Рабочий газ проходит по второй трубе 11 до ее открытого конца 12, который, как было указано выше, является соплом сходящегося профиля. При прохождении через открытый конец 12 второй трубы 11 скорость рабочего газа увеличивается и на выходе достигает максимального значения. После выхода из открытого конца 12 второй трубы 11 поток рабочего газа становится турбулентным и часть его перемещается в полости первой трубы 8, а часть попадает в открытый конец 9 первой трубы 8, который, как и открытый конец 12 второй трубы 11, является соплом сходящегося профиля. Та часть потока рабочего газа, которая устремилась во внутреннюю полость первой трубы 8, проходит через сквозные отверстия 10 первой трубы 8 во внутреннюю полость корпуса 1 в виде кавитационных пузырьков с образованием кавитационных каверн. При этом происходит схлопывание пузырьков, оказывающее интенсивное диспергирующее и перемешивающее воздействие на перемешиваемый материал.
При прохождении через открытый конец 9 первой трубы 8 скорость части потока рабочего газа увеличивается и на выходе достигает максимального значения, при этом поток рабочего газа сохраняет турбулентный режим и, выходя из открытого конца 9 первой трубы 8, попадает на вращающиеся лопасти 4 основного кавитатора 3. При этом, поток рабочего газа равномерно распределяется вдоль лопастей 4 основного кавитатора 3 благодаря высокой скорости вращения основного кавитатора 3. При этом диск 19 основного кавитатора 3 препятствует прохождению потока рабочего газа мимо лопастей 4 основного кавитатора 3.
При этом часть потока рабочего газа при помощи лопастей 4 основного кавитатора 3 попадает в перемешиваемый материал, повышая его турбулентность, а другая часть потока рабочего газа проходит через сквозные отверстия 20 лопастей 4 основного кавитатора 3 во внутреннюю полость корпуса 1 в виде кавитационных пузырьков с образованием кавитационных каверн. При этом происходит схлопывание пузырьков, оказывающее интенсивное диспергирующее и перемешивающее воздействие на перемешиваемый материал. Овальная форма сквозных отверстий 20 лопастей 4 основного кавитатора 3 позволяет получить кавитационные пузырьки различных размеров, что значительно увеличивает турбулентность перемешиваемого материала при образовании различных по размерам кавитационных каверн после схлопывания кавитационных пузырьков.
Перемешиваемый материал, под воздействием вращающихся лопастей 4 основного кавитатора 3, устремляется к внутренней поверхности 2 корпуса 1 и ударяется о лопасти 5 дополнительного кавитатора. При этом соударении турбулентность перемешиваемого материала увеличивается, кроме того на открытых кромках лопастей 5 образуются кавитационные пузырьки с образованием кавитационных каверн, что оказывает интенсивное диспергирующее и перемешивающее воздействие на перемешиваемый материал.
Поступление рабочего газа во внутреннюю полость корпуса 1 постепенно увеличивает в нем давление. Для того, чтобы стабилизировать давление внутри корпуса 1 в турбулентно-кавитационном смесителе предусмотрен обратный клапан 21, который пропускает поток перемешиваемого материала или рабочего газа в патрубке 17 отвода только в одном направлении и автоматически закрывается после того, как давление внутри корпуса 1 будет равно давлению окружающей среды (иными словами, обратный клапан 21 автоматически закрывается при перемене направления потока).
После завершения перемешивания обратный клапан 21 принудительно открывают и готовая смесь через патрубок 17 отвода выходит из турбулентно-кавитационного смесителя.
Таким образом, за счет введения в турбулентно-кавитационный смеситель средств улучшающих кавитационные и турбулентные процессы в перемешиваемом материле, выполненных, главным образом, в виде двух коаксильно расположенных труб и отверстий на лопастях основного кавитатора, повышается качество перемешивания материала.