УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ И АКТИВАЦИИ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам смешивания и активации и предназначена для приготовления и очистки смесей, сыпучих материалов и может быть использована в строительной, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Аналогом заявляемой полезной модели является устройство для смешивания, содержащее рабочую емкость с днищем, крышкой и приводом, установленным на раме, лопатку внутри емкости, при этом крышка соединена с рабочей емкостью неподвижно, лопатка установлена на оси, неподвижно связанной с рамой, емкость закреплена на оси с возможностью вращения, а рама выполнена поворотной и расположена в корпусе на полуосях. Ось выполнена полой и имеет не менее одного сквозного отверстия, соединяющую внутреннюю полость емкости с внешней средой. Сквозное отверстие связано с внешней средой посредством вентиля. Ось по верхнему торцу центрируется винтом, проходящим через крышку и связанным с ним подвижным соединением. Положение лопатки вдоль оси регулируется с помощью распорных втулок. (Патент РФ №77190, B22C 5/04, от 20.10.2008 г).
Недостатком аналога являются невозможность осуществления непрерывного смесеприготовления и активации, а также высокие энергозатраты на обработку материала.
к
к
Прототипом заявляемой полезной модели является центробежно-лопаточная машина для приготовления композиционных смесей, содержащая корпус, приводную цилиндрическую рабочую камеру, установленную в подшипниках корпуса, рабочую лопатку, размещенную внутри рабочей емкости и укрепленную на корпусе посредством кронштейнов параллельно оси камеры, при этом она снабжена дополнительными лопатками, имеющими радиус внешней кромки R 0,1-0,3 от радиуса камеры R и установленными на оси рабочей камеры под углом α=10-30°C к плоскости перпендикулярно оси камеры равномерно по длине рабочей камеры с шагом равным 2-4 R при этом дополнительные лопатки размещены в зоне полета смеси от рабочей лопатки к стенке камеры с возможностью смещения вдоль радиуса камеры в пределах толщины слоя смеси зоны полета. (Патент №141727 МПК B22C 5/04, 10.06.2014 г.).
Одним из недостатков прототипа являются высокие энергозатраты на обработку материала, связанные с тем, что мощность, затрачиваемая на смешивание и активацию зависит от длины режущей кромки лопатки, а также от наличия краевых эффектов в районе торцев рабочей емкости. Кроме этого к недостаткам можно отнести относительно невысокое качество смешивания в связи с отсутствием или слабым относительным движением слоев обрабатываемого материала в осевом направлении.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение удельных энергозатрат при работе устройства, повышение качества активации.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для смешивания и активации содержащем корпус, цилиндрическую рабочую емкость, установленную на подшипниках корпуса, установленные на кронштейнах внутри рабочей емкости лопатки, имеющие переднюю поверхность, при этом с одной стороны рабочей емкости установлены загрузочное устройство для загрузки материала, а с другой стороны устройство для выгрузки материала, отличающееся тем, что кронштейны с лопатками равномерно установлены на валу с возможностью вращения, лопатки снабжены зубьями, длина которых равна или больше толщины слоя обрабатываемого материала, при этом боковые поверхности зубьев в поперечном сечении наклонены к оси вращения внутренней поверхности рабочей емкости. Угол между осью вращения рабочей емкости в направлении движения материала в зону выгрузки и боковой поверхности зуба в поперечном сечении меньше 90 градусов, но больше угла внешнего и внутреннего трения обрабатываемого материала. Передняя поверхность лопатки и зубьев в любом поперечном сечении имеет форму вогнутой кривой, радиусы кривизны которой расположены со стороны передней поверхности. Передняя поверхность лопаток и зубьев в любом поперечном сечении плоскостью совпадающей с осью вращения имеет форму прямой или вогнутой кривой, при этом угол наклона прямой или касательной к кривой больше 0 градусов от направления движения материала в сторону выгрузки. Кромки зубьев на передней поверхности скруглены фасками. Также устройство для выгрузки материала содержит лопатку, неподвижно закрепленную на устройстве для выгрузки. Устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан продольный разрез устройства для смешивания и активации.
На фиг. 2 сечение А-А рабочей емкости на фиг. 1
На фиг. 3 Вид А на переднюю поверхность лопатки на фиг. 2.
На фиг. 4 сечение Б-Б зубьев лопатки на фиг. 2
На фиг. 5 сечение В-В лопатки на фиг. 2.
Устройство для смешивания и активации (Фиг. 1) содержит цилиндрическую рабочую емкость 1 с горизонтальной осью вращения, установленную на подшипниках 2 корпуса 3 и приводимую во вращение приводом 4 с помощью, например, зубчатой передачи, шестерня которой установлена на выходном валу привода 4, а колесо закреплено на внешней поверхности цилиндрической рабочей емкости 1. Внутри цилиндрической рабочей емкости 1 с помощью кронштейнов 5 равномерно вдоль оси вращения на валу 6 установлены лопатки 7. Вал 6 установлен на подшипниках 8 и приводится во вращение приводом 9, обладающим свойством самоторможения. С одной стороны рабочей емкости 1 расположено загрузочное устройство 10 со шнеком 11, который консольно установлен на подшипниковом узле 12 и приводится во вращение приводом 13. С другой стороны рабочей емкости 1 расположено устройство для выгрузки материала 14, которое включает в себя кожух с отверстием для выгрузки и закрепленную на кожухе лопатку 15 для выгрузки материала из рабочей емкости 1.
Лопатки 7 имеют переднюю поверхность 16 (Фиг. 2). Лопатки 7 снабжены зубьями 17, длина которых равна или больше толщины слоя обрабатываемого материала (Фиг. 3). Боковые поверхности 18 зубьев 17 в поперечном сечении наклонены к оси вращения внутренней поверхности рабочей емкости 1. Кромки зубьев 17 на передней поверхности скруглены фасками, обеспечивающими плавный переход передней поверхности 16 на боковые поверхности 18. (Фиг. 4)
Передняя поверхность 16 лопаток 7 и зубьев 17 может быть плоской или иметь в любом поперечном сечении форму вогнутой кривой, радиусы кривизны которой расположены со стороны передней поверхности 16 лопаток 7 (Фиг. 5).
Угол у между осью вращения рабочей емкости 1 в направлении движения материала в зону выгрузки и боковой поверхности зуба в поперечном сечении меньше 90 градусов, но больше угла внешнего и/или внутреннего трения обрабатываемого материала (Фиг. 5).
Передняя поверхность 16 лопаток 7 и зубьев 17 в любом сечении плоскостью, в которой лежит ось вращения, имеет форму прямой или вогнутой кривой, при этом прямая или касательная n-n к кривой в любой точке образуют с вектором V направления движения материала в сторону выгрузки угол φ больше 0 градусов, но меньше 270 градусов (Фиг. 5).
Устройство для смешивания и активации работает следующим образом.
Включают привод 4 вращения рабочей емкости 1. Затем включают привод вращения вала 6 с установленными на нем с помощью кронштейнов 5 лопатками 7. Затем включают привод 13 шнека 11. Скорость вращения рабочей емкости 1 и вала 6 зависит от требований технологического режима обработки материала. Скорость вращения шнека 11 задают в зависимости от требуемой производительности устройства для смешивания и активации. В загрузочное устройство 10 засыпают обрабатываемый материал, который с помощью шнека 11 непрерывно подают в рабочую емкость 1.
б
л
б
л
б
При вращении рабочей емкости 1 обрабатываемый материал под действием центробежных сил прижимается к внутренней поверхности рабочей емкости 1 и за счет сил трения разгоняется до угловой скорости ω вращения рабочей емкости 1. При дальнейшем движении совместно с рабочей емкостью 1 слой обрабатываемого материала набегает на первую из равномерно установленных на валу 6 вращающихся лопаток 7. При этом лопатки 7 могут быть неподвижны или вращаться как в направлении противоположном направлению вращения рабочей емкости 1, так и в направлении, совпадающем с направлением вращения рабочей емкости 1. В последнем случае угловая скорость ω вращения лопаток 7 должна быть меньше угловой скорости ω вращения рабочей емкости 1. В результате разности угловых скоростей вращения ω лопаток 7 и угловой скорости ω вращения рабочей емкости 1 первая от загрузочного устройства 10 из равномерно установленных на валу 6 вращающихся лопаток 7 отделяет слой обрабатываемого материала от внутренней поверхности рабочей емкости 1, и он начинает двигаться по передней поверхности 16 лопаток 7. Часть обрабатываемого материала проходит через зазор между зубьями 17, скользя по ее боковым поверхностям 18. Длину зубьев 17 лопаток 7 с целью уменьшения сопротивления обрабатываемого материала выбирают равной или большей толщине слоя обрабатываемого материала, набегающего на лопатки (Фиг. 2). Наклон боковых поверхностей 18 зубьев 17 и/или криволинейная форма передней поверхности 16 первой из равномерно установленных на валу 6 лопаток 7 обеспечивают перемещение обрабатываемого материала вдоль оси вращения рабочей емкости 1 в направлении устройства для выгрузки 14 материала.
При движении потока обрабатываемого материала по передней поверхности 16 лопаток 7 и зубьев 17 происходит интенсивное перемешивание и истирание обрабатываемого материала за счет трения обрабатываемого материала о лопатку, обеспечивающую криволинейной формой передней поверхности 16 разность линейных скоростей слоев потока.
При движении материала через зазор между зубьями 17 также происходит интенсивное смешивание и истирание обрабатываемого материала. В этом случае формируются два потока движущихся в зазоре между соседними боковыми поверхностями 18 зубьев 17. В зоне взаимодействия двух потоков частицы обрабатываемого материала каждого потока, проходящего через зазор между зубьями 17 имеют разные по направлению и величине скорости. Это приводит к интенсивному относительному движению частиц обрабатываемого материала и обеспечивает их смешивание и активацию. При этом обрабатываемый материал за счет наклона боковых поверхностей зубьев 17 смещается вдоль оси вращения рабочей емкости 1, что также способствует его смешиванию.
Ребра зубьев 17, образованные передней поверхностью 16 и боковой поверхностью 18 скруглены фасками с целью увеличения количества материала, проходящего через зазор между зубьями 17. Наличие фасок на зубьях 17 обеспечивает также более высокую скорость движения двух соседних потоков обрабатываемого материала и исключение заклинивания материала в зазоре между зубьями за счет уменьшения трения на ребрах зубьев 17. Оптимальная величина и форма фасок определяется видом и свойствами обрабатываемого материала.
Кроме этого дополнительное смешивание обрабатываемого материала и повышение его однородности происходит на внутренней поверхности рабочей емкости 1 в момент взаимодействия потоков материала, сошедшего с передней поверхности 16 лопаток 7 и потока материала, прошедшего в зазор между зубьями 17. Обрабатываемый материал, после взаимодействия с первой лопаткой перемещается на некоторое расстояние вдоль оси вращения за счет формы передней поверхности лопаток 7 и наклона боковых поверхностей 18 зубьев 17. После перемещения вдоль оси он попадает на следующую за ней лопатку, имеющую аналогичную форму, где процесс обработки материала продолжается. Переходя от одной лопатки к другой, обрабатываемый материала со скоростью V перемещается вдоль рабочей емкости 1 и попадает в зону выгрузки. С помощью неподвижной лопатки 15, закрепленной на кожухе, обрабатываемый материал отделяется от внутренней поверхности рабочей емкости 1 и направляется внутрь кожуха устройства для выгрузки 14, а затем через отверстие в кожухе попадает в приемный бункер (на чертеже не показан).
Скорость V перемещения материала вдоль оси вращения рабочей емкости 1 (Фиг. 1) при фиксированной частоте вращения рабочей емкости 1 и вала 6 с лопатками 7 зависит от двух факторов: угла γ наклона боковой поверхности зубьев и угла φ наклона прямой или касательной к передней поверхности 16 лопаток 7. Для обеспечения перемещения обрабатываемого материала вдоль вращения рабочей емкости 1 угол наклона боковой поверхности зубьев к оси вращения должен быть меньше 90 градусов. Чем меньше значение угла γ, тем больше составляющая скорости V перемещения материала вдоль вращения рабочей емкости 1. Минимальное значение угла γ принимается из условия отсутствия самоторможения на боковой поверхности зубьев, зависящего от коэффициента внутреннего и внешнего трения обрабатываемого материала толщины зубьев и зазора между ними. Как правило, для сыпучих, несвязных материалов типа кварцевого песка угол γ должен быть не меньше 28 градусов. Угол φ наклона к оси вращения касательной n-n, проведенной к передней поверхности лопатки в сечении в которой лежит ось вращения, должен быть больше 0 градусов для обеспечения возникновения линейной составляющей скорости в направлении параллельном оси вращения рабочей емкости 1 в сторону выгрузки. При угле φ наклона касательной n-n равном или больше 270 градусов обрабатываемый материал при сходе с лопатки будет двигаться перпендикулярно оси вращения рабочей емкости 1 или в сторону загрузочного устройства 10.
При движении по вогнутой передней поверхности 16 лопаток 7 направление движения потока обрабатываемого материала изменяется. Окончательное направление движения обрабатываемого материала после схода с передней поверхности лопатки определяется углом φ наклона касательных, проведенных к передней поверхности лопатки на ее конце. При этом если угол наклона φ касательной n-n к оси вращения будет равен 180 градусов, то составляющая скорости движения материала вдоль оси вращения рабочей емкости будет иметь максимальное значение. Таким образом, изменяя угол наклона и форму передней поверхности лопатки может, регулироваться производительность устройства для смешивания и активации, а также регулироваться длительность обработки материала в зависимости от его физико-механических и технологических свойств.
Для соблюдения условия непрерывности смешивания и активации обрабатываемого материала в загрузочное устройство обрабатываемый материал подают по мере необходимости.
Снижение энергозатрат на обработку материала в данном устройстве для смешивания и активации достигается за счет того, что резко уменьшается длина режущей кромки лопаток, а сам процесс смешивания и активации значительно интенсифицируется за счет смешивающего, истирающего воздействия при его движении в зазорах между зубьями. Кроме этого на интенсивность перемешивания и повышения однородности конечного продукта значительное влияние оказывает разделение обрабатываемого материала с помощью лопаток на два потока, которые имеют различную скорость вдоль оси вращения рабочей емкости.