УСТАНОВКА АКТИВАЦИИ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к устройствам для ускорения физико-химических и механо-физических процессов, а именно, к установкам для технологических процессов, которые требуют перемешивания компонентов с одновременным их домолом или помола твердых частиц с одновременной активацией этих частиц. Полезная модель может быть использована практически во всех областях промышленности, сельского и коммунального хозяйства, быта, предотвращения загрязнения и очищения уже загрязненной окружающей среды.
Известны патенты по аппаратам вихревого слоя (далее по тексту - АВС) [1-5], принцип действия которых разработаны Д.Д.Логвиненко [6] и Н.П.Вершининым [7-9]. В патентах [1-5] приводятся режимы эксплуатации АВС, которые не пригодны для использования в производственных процессах.
-6
-5
Например, активатор жидкости [1] снабжен биметаллическими иголками с поверхностью, защищенной титаном. Как известно, титан и железо, как и любой ферромагнитный материал, имеют различные температурные коэффициенты линейного расширения при магнито-механических стрикционных явлениях (для Ti - 9,20·10 1/К [12], для Fe - 1,17·10 1/К [11]), в результате чего поверхностный слой титана начнет разрушаться и будет вынесен из рабочей зоны указанного активатора. Имеющиеся опытные данные показывают, что хрупкая стенка из керамики разрушается значительно быстрее, чем из нержавеющей стали марки Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72* [6]. Кроме того, стоимость плакированных иголок во много раз выше стальных, что значительно удорожает производственный процесс.
Далее, отмеченная авторами [1] возможность быстрого изменения количества иголок в активаторе жидкости вызывает большие сомнения при практическом использовании. Так, например, при загрузке иголок массой в 200 г с отношением их длины к диаметру от 5 до 15 и диаметром от 0,5 до 1,5 мм количество иголок в рабочей зоне активатора должно изменяться от 50000 до 645 шт., т.е. разница достигает почти трех порядков. Поэтому, выбор оптимального количества иголок и их размеров представляет большие трудности, а также велика вероятность ошибок в определении количества иголок.
В патенте [2] указан рабочий диапазон «частоты» установки для приготовления водотопливных эмульсий (видимо, имеется в виду число оборотов) 1400...3000 об./мин. электромагнитного поля. При 1400 об./мин. кавитация практически не идет [10], а магнито-стрикционные явления имеют низкую энергетическую нагрузку, неспособную глубоко
воздействовать на вещество. В результате данная установка будет работать как малоэффективный смеситель.
В патентах [3, 4] указано, что времени пребывания вещества в рабочей зоне АВС достаточно 2...5 или 10...60 с при температурах 150 и 350°С. Указанные значения температуры неприемлемы для производственных условий, так как изоляция обмоток индуктора способна выдерживать температуру не выше 120°С и то короткое время. Продолжительность выдержки свидетельствует о том, что речь идет о циклическом режиме, который, в свою очередь, предполагает крайне низкую производительность, близкую к лабораторной установке. Необходимость предварительного подогрева исходного сырья усложняет технологический процесс, увеличивает расход энергии на единицу готовой продукции и тем самым резко снижает рентабельность производства.
Все аппараты, заявленные в патентах [1-5], имеют очень низкий cosφ (не более 0,10...0,15), что свидетельствует о больших потерях электроэнергии. Причем для изменения мощности подаваемой электроэнергии используются 2-3 ступенчатые трансформаторы. Очевидно, что столь грубая регулировка мощности не дает возможности точно настроить аппараты, и поэтому они часто горят, или у них низкий к.п.д.
Все известные АВС и установки активации процессов (далее по тесту - УАП) работают на токе промышленной частоты 50 Гц. В связи с тем, что источником энергии в рабочей зоне АВС и УАП являются иголки, то увеличением частоты появляется возможность поднять эффективность их работы за счет роста числа магнитострикционных актов.
В связи с вышеуказанным конструкции и технологии не могут быть использованы в качестве аналогов.
В качестве ближайшего аналога-прототипа выбран АВС [7], который содержит рабочий блок с охлаждаемым водой или маслом индуктором, блоки управления и тепловой защиты. Он прошел производственные испытания и может эксплуатироваться в непрерывном режиме.
Данный аппарат имеет ряд выявленных недостатков:
1. Отсутствие регулирования частоты.
2. Регулирование подаваемой мощности осуществляется при помощи 3-х ступенчатого трансформатора.
3. Необходимость в ряде случаев предварительного подогрева исходных материалов.
4. Низкий cosφ.
5. Наличие решетки на выходе из рабочей зоны.
6. Затрудненное перемещение вдоль рабочей зоны обрабатываемых сухих порошков.
7. Затруднение обработки гетерогенных систем жидкость-твердое вещество.
8. Относительно низкая производительность аппарата.
Задачей полезной модели является повышение использования электроэнергии, технологической эффективности и надежности в эксплуатации.
Техническим результатом полезной модели является устранение недостатков ближайшего аналога, расширение арсенала технических средств установки, повышении ее эффективности, надежности и безотказности работы.
Указанный технический результат достигается тем что установка активации процессов содержит рабочий блок с охлаждаемым водой или маслом индуктором, блоки управления и тепловой защиты, при этом рабочий блок снабжен системами подачи и отвода обработанных материалов, встроенными непосредственно в рабочую зону в виде шнеков и пропеллеров.
При этом площадь поперечного сечения рабочего блока на выходе (трубы) больше площади поперечного сечения рабочей зоны (трубы) на входе на 20...25%, причем диаметр лопастей отводящего шнека соответственно увеличивается для обеспечения увеличения производительности шнека в 2,0...2,5 раза.
Лопасти отводящего шнека изготавливают из эластичного материала типа резины, причем их внешние кромки касаются внутренней поверхности рабочего блока.
На общем валу отводящего шнека, который входит в рабочую зону на 60...70% ее длины, устанавливают через 50...100 мм пропеллеры - не менее 3 штук.
На выходе из рабочей зоны на границе действия электромагнитного поля установлена втулка круглого сечения с отверстием, площадь поперечного сечения которой составляет 70...80% от площади поперечного сечения рабочей зоны, причем сторона втулки, обращенная в сторону рабочей зоны, имеет угол, равный 20...40°.
Установка может быть снабжена регулятором частоты подаваемого тока от 50 до 1000 Гц.
Установка может быть снабжена регулятором мощности, установленным перед индуктором, в интервале от 5 до 100 кВт с непрерывным режимом ее изменения.
Установка может быть снабжена бесконтактным переключателем фаз с частотой переключения от 50 до 5000 периодов в секунду.
Установка может быть снабжена ловушкой для проскальзывающих иголок, имеющей цилиндрическую форму с тангенциальным вводом жидкой фазы или в виде электромагнитного кольца или плоскости для сухих порошков.
Установка может состоять из нескольких рабочих блоков, установленных на общей раме или без нее и использующая общие источник питания, блок управления, регуляторы
мощности, частоты, бесконтактный переключатель фаз и общую систему охлаждения индукторов для увеличения производительности.
Установка может быть снабжена обводной системой электроснабжения без регулятора частоты и бесконтактного переключателя фаз.
Увеличение частоты подаваемого переменного тока осуществляется при помощи регулятора частоты в диапазоне от 50 до 1000 Гц. Регулятор устанавливают после автоматического выключателя (фиг.1). Увеличение частоты переменного тока на столько же увеличивает число актов магнитострикции, которые являются основными источниками энергии, воздействующей на вещество в рабочей зоне. Следствием такого воздействия является интенсификация физического воздействия и химических реакций и, соответственно, ускорение производственных процессов без изменения величины подаваемой мощности. Следовательно, изменение частоты тока играет роль тонкой настройки хода технологических процессов.
3-х ступенчатый трансформатор заменяется регулятором с плавным изменением подаваемой мощности. Регулятором мощности производят грубую настройку УАП. Установка может устанавливаться перед или после регулятора частоты.
Для ускорения течения химических реакций нагрев исходных компонентов производится непосредственно в рабочей зоне за счет кинетической энергии движения иголок, которая преобразуется в тепловую энергию. Иголки в рабочей зоне движутся под действием внешнего вращающегося электромагнитного поля преимущественно по круговой орбите (а не хаотично, как утверждается в патентах [1-5]), которая может искажаться, но все равно остается указанной траекторией. Каждая иголка практически мгновенно набирает свой уровень энергии, которая является функцией следующих параметров:
, где
где:
Q - кинетическая энергия;
V - скорость движения иголки;
m - масса одной иголки;
n - число циклов разгон-остановка;
H - напряженность электромагнитного поля;
l - длина иголок;
d - диаметр иголок;
M - масса всех иголок;
Ц
t - время одного цикла разгон-остановка;
Э
t - время экспозиции.
Как известно, если движущуюся иголку остановить, то кинетическая энергия переходит в тепловую. Но при этом остановка должна быть мгновенной. При импульсной подаче энергии после прекращения импульса иголка продолжает двигаться по инерции, и переход энергии в теплоту в единицу времени невелик. Но если изменить направление вектора вращающегося электромагнитного поля на противоположный и сделать это достаточно быстро, то произойдет резкое торможение иголки и именно оно может быть приравнено к удару. В этом случае наблюдается выделение тепловой энергии.
Так, при 50-70 циклах в секунду разгон иголки - остановка количество дополнительной энергии может составить от 5 до 10%. При этом температура в рабочей зоне поднимается очень быстро до 100-300°C. Указанная операция производится путем бесконтактного переключения двух фаз подаваемого тока при помощи специального переключателя, который устанавливают непосредственно перед УАП. Энергия для нагрева объема рабочей зоны - это преимущественно реактивная энергия, и ее использование, хотя и частично, повышает cosφ.
При переключении фаз УАП очень короткое время оказывается обесточенной. Но, учитывая большое количество переключений, экономия электроэнергии оказывается заметной.
АВС и УАП, как правило [1-6], на выходе из рабочей зоны снабжены решетками, что снижает их пропускную способность. Кроме того, всегда существует опасность их забивания. При работе АВС и УАП всегда наблюдается унос некоторого количества иголок с обработанным материалом. Электромагнитное поле в зоне удерживает основную массу иголок. Но оно не является однородным и внешне представляет собой тело вращения в виде сильно вытянутого эллипса с размытыми овалами в концах рабочей зоны. Иголки, попадая в эти зоны с малой напряженностью поля, под влиянием центробежной силы и давления потока материала уже могут преодолеть удерживающую силу ослабленного поля и уходят из рабочей зоны (фиг.2).
Чтобы уменьшить потери иголок на выходе из рабочей зоны необходимо установить втулку таким образом, чтобы она как бы заполняла объем рабочей зоны, в котором напряженность поля значительно понижена и не может удержать иголки. При этом втулка не должна создавать достаточно большого сопротивления проходу обрабатываемого материала.
Согласно опытным данным площадь сечения отверстия втулки не должна превышать 70...80%. от площади поперечного сечения рабочей зоны. Сокращение потерь иголок при наличии втулки уменьшается в несколько раз. Но проскок все же будет и при длительном непрерывном процессе может составить заметное количество. Для полного улавливания
иголок заявленную УАП оборудуют ловушкой, устанавливаемую непосредственно за рабочей зоной, причем поток обработанного материала направляют в цилиндрический корпус ловушки тангенциально.
При обработке жидких продуктов их перемешивание вдоль рабочей зоны производят напором насоса или столба жидкости самотеком. Перемещение твердых порошков встречает затруднения, если они не пересыпаются при наклоне рабочей зоны в сторону выхода. Установлено, что при домоле сухих порошков их объемный вес уменьшается в 2-5 раз. Особенно он уменьшается при помоле сухих органических продуктов, например, зерен пшеницы, ржи, шелухи зерен подсолнечника, риса, овса и др. Кроме того, в электромагнитном поле, а также за счет трения частицы электризуются и далее комкуются и уплотняются на выходе, превращаясь в твердые пробки.
Для нейтрализации данного явления на выходной стороне рабочей зоны устанавливается шнек с производительностью в 2...3 раза больше, чем производительность шнека, подающего исходные материалы. На общем валу с отводящим шнеком, который проходит вдоль всей рабочей зоны, через 50...80 мм укреплены пропеллеры с таким поворотом лопастей, чтобы обрабатываемый материал отбрасывался в сторону выхода, где он подхватывается шнеком. Иголки, подхваченные и отброшенные пропеллерами под воздействием поля, возвращаются обратно, т.е. осуществляется их возвратно-поступательное перемещение по всему объему рабочей зоны в горизонтальном и вертикальном направлениях. Указанное обстоятельство улучшает качество помола и перемешивания, так как центральная область вдоль оси рабочей зоны обеднена иголками за счет воздействия центробежной силы.
Рабочая зона, представляющая собой трубу из нержавеющей стали марки Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72*, на выходе имеет увеличенный диаметр - на 10...20% для облегчения выхода пухлых порошков. Для уменьшения вероятности залипания лопасти шнека на выходе изготовлены из резины или другого гибкого (эластичного) и прочного материала.
Блок управления может представлять собой типовой дистанционный пульт управления на котором выставляются необходимые параметры предстоящего процесса активации (например, как на универсальных токарных станках).
Блок тепловой защиты может представлять собой типовое температурное реле, которое при достижении предельной температуры отключает установку.
При обработке в УАП гетерогенных систем жидкость - твердое вещество масса густеет и теряет жидкоподвижность вследствие увеличения на несколько порядков площади поверхности измельченных частиц. Для сохранения необходимой жидкотекучести необходимо
увеличить количество жидкой фазы и подавать ее непосредственно из специального бака с дозатором в подающий шнек для предварительного перемешивания.
Увеличение производительности достигается за счет использования нескольких рабочих блоков, каждый из которых полностью независим от соседнего рабочего блока. Блоки могут располагаться на общей раме и иметь общие коллекторы, но это не обязательно. Общими являются блок управления, регуляторы частоты и подаваемой мощности и бесконтактные переключатели фаз, что обеспечивает одинаковые условия проведения технологических процессов. Наличие нескольких одинаковых блоков обеспечивает мобильность по производительности всей установки и быструю смену блока при выходе его из строя. Одновременно уменьшается производственная площадь, занимаемая установкой, облегчается доступ к каждому блоку и упрощается обслуживание.
Отсутствие общего корпуса позволяет располагать рабочие блоки, сообразуясь с конкретными условиями и в любом порядке - в горизонтальной или вертикальной плоскостях, причем монтажные работы, в том числе при ремонте, значительно облегчаются. На фиг.4 показан один из возможных вариантов расположения рабочих блоков 1, регулятора подачи мощности 2, регулятора частоты 3 и бесконтактного переключателя фаз 4. Число рабочих блоков определяется техническим заданием, но не менее двух.
На фиг.1-3 показаны основные узлы УАП. УАП содержит (фиг.1) автоматический выключатель 1, регулятор мощности 2, регулятор частоты 3 с диапазоном изменения частоты от 50 до 1000 Гц и более. Перед рабочим блоком 5 установлен бесконтактный переключатель фаз с диапазоном от 50 до 5000 и более переключений в секунду. Предусмотрена обводная линия 6 с автоматическим выключателем 7, которая позволяет работать, не включая регулятор частоты 3 и переключатель фаз 4. Электрическая схема содержит блок тепловой защиты 8, блок управления 9 и блок охлаждения 10.
Рабочий блок 5 содержит (фиг.2, 3) индуктор с системой охлаждения 1, рабочую зону (трубу) 2, заполненную иголками 3, втулку 4, подающий шнек 5, пропеллеры 6, отводящий шнек 7.
Установка работает следующим образом. Включают систему охлаждения индуктора 10, устанавливают заданную частоту тока регулятором 3 и заданную мощность регулятором 2. Если необходим подогрев рабочей зоны, то задают программу для бесконтактного переключателя фаз. Одновременно заполняют бункера исходными материалами и добавками и включают шнеки 5, 7. Включают автоматический выключатель 1, затем индуктор 5.
Исходные компоненты в рабочей зоне перемешиваются и домалываются. Если масса жидкоподвижна, то она проходит рабочую зону за счет давления, создаваемого насосом
или самотеком. Если исходная масса представляет собой сухой порошок, то он пропеллерами сбрасывается в сторону отводящего шнека, который подхватывает размолотый и смешанный продукт и выводит его наружу для упаковки или дальнейшей переработки.
По окончании работы прекращают подачу исходных продуктов. Некоторое время шнеки еще работают для подбора остатков продуктов. Затем выключают индуктор автоматическим выключателем. Воду для охлаждения индуктора отключают после полного остывания рабочей зоны.
Источники информации, принятые во внимание.
1. Патент №2224586, опубл. 2004.02.27.
2. Патент №2239493, опубл. 2004.11.10.
3. Патент №2248388, опубл. 2005.03.20.
4. Патент №2154602, опубл. 2000.08.20.
5. Патент №2243601, опубл. 2004.12.27.
6. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. - Киев: Технiка, 1976.
7. Патент №2072257, опубл. в 1993 г.
8. Патент №2049563, опубл. в 1992 г.
9. Вершинин Н.П. Установки активации процессов. Использование в промышленности и в сельском хозяйстве. Экология. - Ростов-на-Дону: Инноватор, 2004.
10. Фоминский Л.П. Сверхединичные теплогенераторы против Римского клуба. - Черкассы: Око-Плюс, 2003.
11. Физическая энциклопедия: В 5 т. Т.2. Добротность - Магнитооптика / Гл. ред., A.M. Прохоров. Ред. кол.: Т.М.Алексеев, A.M.Балдин, A.M.Бонч-Бруевич и др. М.: Сов.энцикл., 1990.
12. Физическая энциклопедия: В 5 т. Т.5. Стробоскопические приборы - Яркость / Гл. ред. A.M.Прохоров. Ред. кол.: Т.М.Алексеев, A.M.Балдин, A.M.Бонч-Бруевич и др. М.: Большая Российская энцикл., 1998.