Вихревой классификатор порошковых материалов
SWIRL CLASSIFIER OF POWDER MATERIALS

Изобретение относится к аппаратам для классификации дисперсных материалов и может быть использовано в строительной, химической и других отраслях промышленности.
Известен вихревой классификатор порошковых материалов (см. патент РФ 2478011 МПК В07В 04/08, В04С 3/06, 27.03.2003. Бюл. № 9, включающий цилиндрическую прямоточную вихревую камеру с каналами вывода классифицируемого материала в виде кольцевых щелей, закручивающий аппарат с каналами ввода порошкового материала и каналами вывода крупной фракции, завихритель, клапаны и блок управления с датчиками температуры холодного и горячего потоков, каждый из каналов вывода крупной фракции выполнен в виде расширяющегося сопла из биметаллического материала, при этом на внутренней поверхности расширяющегося сопла выполнены криволинейные канавки, продольно расположенные от входного до выходного отверстий, при этом один из клапанов вывода классифицируемого материла в виде кольцевой щели и один из каналов вывода крупной фракции в виде расширяющегося сопла из биметалла с продольно расположенными канавками на внутренней поверхности соединены с термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для горячего потока сжатого воздуха, транспортирующего классифицируемый материал, и проходным каналом для холодного потока сжатого воздуха, транспортирующего крупные фракции, а также с комплектом дифференциальных термопар, «горячие» концы которых расположены в проходном канале для горячего потока сжатого воздуха, а их «холодные» концы  в проходном канале для холодного потока сжатого воздуха.
Недостатком данного устройства является снижение качества классификации порошкового материала по длине цилиндрической прямоточной вихревой камеры из-за нарушения транспортируемого порошкового материала термодинамически расслаиваемым сжатым воздухом в связи с потерями тепла периферийным горячим потоком в окружающую среду наружной поверхностью цилиндрической камеры.
Известен вихревой классификатор порошковых материалов (см. патент РФ на полезную модель № 143617 МПК В07В 7/08, опубл. 27.07.2014. Бюл. № 21), включающий цилиндрическую прямоточную вихревую камеру с каналами вывода классифицируемого материала в виде кольцевых щелей, закручивающий аппарат с каналами ввода порошкового материала и каналами вывода крупной фракции, завихритель, клапаны и блок управления с датчиками температуры холодного и горячего потоков цилиндрическую прямоточную вихревую камеру с каналами вывода классифицируемого материала, в виде кольцевых щелей, камеру с каналами вывода крупной фракции,  каждый из каналов вывода крупной фракции выполнен в виде расширяющегося сопла из биметаллического материала, при этом на внутренней поверхности расширяющегося сопла выполнены криволинейные канавки, продольно расположенные от входного до выходного отверстий, при этом один из клапанов вывода классифицируемого материала в виде кольцевой щели и один из каналов вывода крупной фракции в виде расширяющегося сопла из биметалла с продольно расположенными канавками на внутренней поверхности соединены с термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для горячего потока сжатого воздуха, транспортирующего классифицируемый материал, и проходным каналом для холодного потока сжатого воздуха, транспортирующего крупные фракции, а также с комплектом дифференциальных термопар, «горячие» концы которых расположены в проходном канале для горячего потока сжатого воздуха, а их «холодные» концы расположены в проходном канале для холодного потока сжатого воздуха, причем цилиндрическая прямоточная вихревая камера с наружной поверхности покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде продольно вытянутых пучков, расположенных по длине цилиндрической камеры.
Недостатком является снижение качества получения классифицированного порошкового материала при длительной эксплуатации из-за уменьшения энергетического потенциала, обеспечивающего надежную работу блока управления, вследствие падения термоЭДС посредством рассеивания электрической энергии по каплеобразной атмосферной влаге, налипающей с движущегося потока воздуха на «горячие» и «холодные» концы дифференциальных термопар, закрепленных на внутренних поверхностях проходных каналов корпуса электрического терморегулятора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание качества порошкового материала в процессе классификации за счет обеспечения надежной работы термоэлектрического генератора при длительной эксплуатации в условиях насыщения потока сжатого воздуха загрязнениями и особенно каплеобразной атмосферной и конденсирующейся влагой, которая, налипая на внутренние поверхности каналов корпуса и, соответственно, «горячие» и «холодные» концы дифференциальных термопар, снижает термоЭДС, путем покрытия их диэлектриком в виде стеклоподобной нанообразной  пленки из оксида тантала.
Технический результат по поддержанию при длительной эксплуатации заданного качества готового продукта достигается тем, что вихревой классификатор порошковых материалов включает цилиндрическую  прямоточную вихревую камеру с каналами вывода классифицируемого материала в виде кольцевых щелей, камеру с каналами вывода крупной фракции, каждый из каналов вывода крупной фракции выполнен в виде расширяющегося сопла из биметаллического материала, при этом на внутренней поверхности расширяющегося сопла выполнены криволинейные канавки, продольно расположенные от входного до выходного отверстий, при этом один из клапанов вывода классифицируемого материала в виде кольцевой щели и один из каналов вывода крупной фракции в виде расширяющегося сопла из биметалла с продольно расположенными канавками на внутренней поверхности соединены с термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для горячего потока сжатого воздуха, транспортирующего классифицируемый материал, и проходным каналом для холодного потока сжатого воздуха, транспортирующего крупные фракции, а также с комплектом дифференциальных термопар, «горячие» концы которых расположены в проходном канале для горячего потока сжатого воздуха, а их «холодные» концы расположены в проходном канале для холодного потока сжатого воздуха, причем цилиндрическая прямоточная вихревая камера с наружной поверхности покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде продольно вытянутых пучков, расположенных по длине цилиндрической камеры, при этом «горячие» и «холодные» концы дифференциальных термопар, расположенные, соответственно, на внутренних поверхностях проходного канала для горячего и проходного канала для холодного сжатого воздуха покрыты диэлектриком в виде стеклоподобной нанообразной пленки из оксида тантала.
На фиг.1 представлена схема вихревого классификатора порошковых материалов, покрытого тонковолокнистым базальтовым материалом, на фиг.2 – разрез цилиндрической прямоточной вихревой камеры с каналами вывода, на фиг. 3 – развертка расширяющегося сопла с криволинейными канавками на внутренней боковой поверхности, на фиг.4 – внутренние поверхности проходных каналов корпуса термоэлектрического генератора с «горячими» и «холодными» концами дифференциальных термопар, покрытые диэлектриком в виде стеклоподобной нанообразной пленки из оксида тантала.
Вихревой классификатор порошковых материалов содержит цилиндрическую прямоточную вихревую камеру 1 с каналами вывода 2 классифицируемого материала в виде кольцевых щелей, закручивающегося аппарата 3 с каналами вывода 4 порошкового материала и каналами вывода 5 крупной фракции, клапаны управления 6 и 7, установленные соответственно на каналах 8 и 9 ввода закрученного воздушного потока и ввода незакрученного воздушного потока, завихритель 10, соединенный с клапанами управления 6, датчики температуры 11 горячего потока, укрепленные на выходе из каналов вывода 2 классифицируемого материала, и датчики температуры 11 и 12 холодного потока, укрепленные на выходе каналов вывода 5 крупной фракции, при этом датчики температуры 11 и 12 через блок управления 13 электрически связаны с клапанами управления 6 и 7. Каналы вывода 5 крупной фракции выполнены каждый в виде расширяющегося сопла из биметаллического материала, на внутренней поверхности которого выполнены криволинейные канавки 14, продольно расположенные вдоль его входного 15 до выходного 16 отверстия канала 5 вывода крупной фракции.
Канал вывода 2 классифицируемого материала в виде кольцевой щели соединен с входом 17 проходного канала 18 для горячего потока сжатого воздуха корпуса 19 термоэлектрического генератора 20 через фильтр 21 со сборников загрязнений 22 для последующего выброса очищенного горячего потока сжатого воздуха в окружающую среду через выход 23. Канал вывода 5 крупной фракции соединен со входом 24 проходного канала 25 для холодного потока сжатого воздуха корпуса 19 термоэлектрического генератора 20 через фильтр 26 со сборником загрязнений 27 для последующего выброса очищенного холодного потока сжатого воздуха в окружающую среду через выход 28.
В проходном канале 18 для горячего потока сжатого воздуха расположены «горячие» концы 29 комплекта дифференциальных термопар 30, а в проходном канале 25 для холодного потока сжатого воздуха расположены «холодные» концы 31 комплекта дифференциальных термопар 30. Цилиндрическая прямоточная вихревая камера 1 с наружной поверхности 31 покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом 32, выполненным в виде продольно вытянутых пучков 33, расположенных по длине цилиндрической камеры 1.
«Горячие» 29 и «холодные» 31 концы комплекта дифференциальных термопар 30, расположенные, соответственно, на внутренних поверхностях 34 и 35 проходного канала 18 для горячего потока сжатого воздуха и проходного канала 25 для холодного потока сжатого воздуха покрыты диэлектриком 36 и 37 в виде стеклоподобной нанообразной пленки из оксида тантала.
Вихревой классификатор порошковых материалов работает следующим образом.
По мере перемещения как в проходном канале 18 для горячего потока сжатого воздуха корпуса 19 термоэлектрического генератора 20, так и в проходном канале 25 для холодного потока сжатого воздуха, воздушно-паровой смеси, соответственно очищенного от загрязнений в фильтрах 21 и 26, наблюдается дополнительное охлаждение движущихся потоков из-за воздействия окружающей среды на корпус 18. В результате парообразная влага конденсируется на внутренние поверхности 34 и 35 каналов 18 и 25, а также, соответственно, на «горячие» 29 и «холодные» 31 концы дифференциальных термопар, образуя «пятна» жидкости, которая являясь проводником, рассеивает электрический потенциал по корпусу 18, уменьшая тем самым вырабатываемую термоЭДС термогенератора 20.
Для обеспечения нормированных значений термоЭДС термогенератора 20  «горячий»29 и «холодный» 31 концы дифференциальных термопар 30, а также внутренние поверхности 34 и 35 каналов 18 и 25 покрыты диэлектриком 36 и 37 из оксида тантала ( см., например, Химическая энциклопедия. – т.4 –М.: Советская энциклопедия, 1995, 496 с., ил.)
При этом для устранения налипания каплеобразных мелкодисперсных конденсирующихся капелек влаги, которые укрупняясь и коагулируясь, образуют «пятна» жидкости, приводящие к коррозии и разрушению как внутренних поврехностей 34 и 35, так и «горячих»29 и «холодных» 31 концов дифференциальных термопар 30, приводит к повышению надежности работы термоэлектрического генератора.
Оксид тантала наносят в виде стеклообразующей наноподобной пленки, по которой мелкодисперсная сконденсировавшаяся влага скользит без коагуляции и укрупнения, т.е. без образования «пятна» жидкости от входа 17 и 24 до выхода 23 и 28 проходных каналов 18 и 25 (см., например Литвинова Л.А., Соврук Е.Н. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом // Сборник трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике». – Томск: ТСХИ НГАУ. – Вып.12 – 2010 –С. 299-301). Следовательно покрытие «горячих»29 и «холодных» 31 концов дифференциальных термопар 30, а также внутренних поверхностей 34 и 35 проходных каналов 18 и 25 корпуса 18 диэлектриком 36 и 37 из оксида тантала в виде стеклообразной наноподобной пленки обеспечивает не только поддержание нормированных значений термоЭДС при длительной эксплуатации, но и способствует повышению коррозионной стойкости термогенератора в целом.
о
о
При расположении вихревого классификатора в помещении с температурой 15-20 С (см. например, СНиП 2.23-92 Строительная теплофизика, М.: ЦНТП. Госстрой РФ 1996), горячий поток сжатого воздуха с температурой от 80 до 100 С после термодинамического расслоения отдает тепло теплопроводностью по толщине цилиндрической прямоточной вихревой камеры 1 через наружную поверхность 31 и далее конвекцией в окружающую среду. В результате температура горячего периферийного потока, начиная от завихрителя 10 до каналов вывода 2 классифицируемого материала уменьшается из-за потерь в окружающую среду, что резко снижает эффект разделения на мелкие и крупные фракции. Для устранения потерь теплоты горячего периферийного потока наружная поверхность 31 покрыта теплоизоляционным базальтовым материалом 32. А выполнение тонковолокнистого базальтового материала 32 в виде продольно вытянутых пучков 33, расположенных по длине цилиндрической камеры 1 позволяет аккумулировать теплоту горячего периферийного потока термодинамически расслоившегося сжатого воздуха по мере его движения (см. например, Волокнистые материалы из базальтов Украины. Изд. Техника, Киев, 1971. – 76 с., ил.). В результате при перемещении классифицируемого материала поддерживается заданный температурный режим по всей длине цилиндрической прямоточной вихревой камеры, обеспечивающий нормированные параметры разделения мелких и крупных фракций порошкового материала.
о
Известно, что при термодинамическом расслоении сжатого воздуха разность температур между горячим и холодным потоками достигает 100 Си более( см., например, Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1979, 386 с.). Горячий поток сжатого воздуха из канала вывода 2 классифицируемого материала поступает в фильтр 21, где очищается от твердых загрязнений порошкового материала, которые накаливаются в сборнике загрязнений с последующим удалением вручную или автоматически ( на фиг. 1 не показано), и далее через вход 17 перемещается в проходной канал 18 для горячего потока сжатого воздуха  корпуса 19 термоэлектрического генератора 20. Здесь горячий поток сжатого воздуха контактирует с расположенными «горячими» концами 29 комплекта дифференциальных термопар 30. Одновременно холодный поток сжатого воздуха из канала вывода 5 крупной фракции поступает в фильтр 26, где очищается от загрязнений, которые накапливаются в сборнике загрязнений 27 с последующим удалением вручную или автоматически, и далее направляется в проходной канал 25 для холодного потока сжатого воздуха через вход 24 для контакта с «холодными» концами 31 комплекта дифференциальных термопар 30, например их хромель-копеля позволяет получить термоЭДС до 6,96 мВ (см., например, Иванова Т.М. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1984. 230 с.) В результате термоэлектрический генератор 20 обеспечивает напряжение от 12 до 36 В (см., например, технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник /под общ. ред. В.М.Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1980, 560 с.), что вполне достаточно для блока управления 13, электрически связанного с  клапанами 6 и 7, следовательно, наблюдаемый температурный перепад между горячим и холодным потоками термодинамически расслоенного сжатого воздуха в завихрителе 10, является источником электрической энергии посредством термоэлектрического генератора 20 для систем автоматического контроля технологического процесса классификации порошкового материала.
Сжатый воздух через клапаны управления 6 при их открытии по каналу ввода 8 поступает в завихритель 10 закручивающегося аппарата 3, куда одновременно транспортируется классифицируемый материал по каналу ввода 4. В результате вихревого эффекта происходит термодинамическое расслоение порошково-газовой смеси на горячий периферийный поток сжатого воздуха и порошка, перемещающегося к каналам вывода 2. Значение температуры горячего потока фиксируется датчиками температуры 11.
Сигнал от датчиков температуры 11 поступает в блок управления 13, который преобразует данный сигнал и подает соответствующую команду на клапаны управления 6, обеспечивая дальнейшее поступление сжатого воздуха заданных параметров в завихритель 10. Холодный центральный поток сжатого воздуха термодинамически расслаиваемой порошково-газовой смеси транспортирует крупные фракции классифицируемого материала к каналам вывода 5, при этом величина температуры холодного потока фиксируется датчиками температуры 12. Сигнал от датчиков температуры 12 поступает в блок управления 13, который преобразует данный сигнал и подает соответствующую команду на клапаны управления 7, обеспечивая работу его в заданном режиме.
Крупные фракции порошкового материала, перемещаясь под воздействием холодного потока сжатого воздуха, с температурой ниже, чем температура воздушной среды, окружающей классификатор, от входного отверстия 15 к выходному отверстию 16, являются «ядрами конденсации» паров влаги, находящейся в воздухе. В результате микрокаплеобразования ( иногда переходящего в тумано- и инееобразование) и крупные фракции уже в полости канала вывода 5 интенсивно слипаются, нарушая технологический процесс классификации. При этом наибольшее лавинообразование слипающихся крупных фракций наблюдается вблизи внутренней поверхности канала вывода 5 крупной фракции, т.е. в пограничном слое, где имеет место ламинарное течение потока с образованием застойных зон, резко увеличивающих аэродинамическое сопротивление данного элемента классификатора. Выполнение канала вывода 5 крупной фракции в виде расширяющегося сопла обеспечивает ускорение выхода крупной фракции с уменьшением вероятности столкновения и последующего слипания классифицируемого материала.
Т.к. сечение канала 5 крупной фракции возрастает от входа к выходу, то это дает возможность крупным фракциям разлетаться. А наличие криволинейных каналов 14 на внутренней поверхности расширяющегося сопла 5 способствует устранению застойных зон, т.е. переходу из ламинарного течения потока непосредственно у стенки канала в турбулентное. Т.к. холодный поток, транспортирующий крупные фракции, имеет температуру ниже температуры окружающей классификатор среды, то канал 5, подвергаясь различному температурному воздействию на внутренней и внешней поверхности, создает резонансные с движущимся потоком волнообразные колебания, приводящие в конечном итоге к возрастанию аэродинамического сопротивления классификатора. Поэтому предлагается выполнить канал 5 крупной фракции биметаллическим (см., например, Биметаллы. Дмитриев А.Н. и др. Пермь, 1991, 416 с.), что для данного температурного перепада практически устраняет волнообразное колебание внутренней поверхности и, соответственно, условия для увеличения аэродинамического сопротивления.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что использование оксида тантала в качестве диэлектрика при покрытии «горячих» и «холодных» концов в виде стеклоподобной нанообразной пленки, обеспечивает поддержание при длительной эксплуатации эффективной работы вихревого классификатора порошковых материалов, путем устранения налипания последующего укрупнения с коагуляцией мелкодисперсной влаги, конденсирующейся из термодинамически расслоенного сжатого воздуха в корпусе термогенератора при выработке термоЭДС.