СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОЙСТВ ВИХРЕВОГО ПОТОКА И ПРИМЕНЕНИЯ ВИХРЕВОГО СЕПАРАТОРА-КОНФУЗОРА
METHOD OF SEPARATING MECHANICAL MIXES BY SWIRLING FLOW AND APPLICATION OF SWIRLING SEPARATOR-CONFUSER

Изобретение является одним из способов, предназначенным для разделения механических смесей, содержащих частицы различных компонентов с отличающимися массовыми показателями, использующим свойства вихревого потока и реализуемым в описываемом новом устройстве. Вихревые методы обработки материалов сегодня широко известны, например вихревые сепараторы, приведенные в монографии (Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение в технике», Самара, 1997 г.). Известно свойство вихревых потоков в процессе своего движения разделяться и формировать под действием центробежных сил, сил давления, гравитационных сил, из более плотных частиц потока периферийные слои, а из менее плотных осевые слои (Кузнецов В.И., «Теория и расчет эффекта Ранка». Омск, Изд. ОМГТУ, 1994 г.; 217 с.). Имеются конструкторские решения для управления и разделения потоков механических смесей. Например, изобретение к патенту №2379121 «Вихревой центробежный сепаратор». Заявка 2008148699/15, 10.12.2008 г. В нем говорится об устройстве, которое относится к конструкциям возвратно-прямоточных центробежных сепараторов, связанных с разделением механических смесей. Предлагаемый сепаратор содержит вертикально расположенный цилиндрический корпус, в верхней части которого имеется тангенциальный патрубок для ввода потока, выхлопной патрубок для отвода газа. Патрубок, для удаления дисперсной фазы, расположен в нижней части вертикального корпуса. Внутри вертикального корпуса установлен внутренний цилиндр, снабженный закрепленными к его стенке полыми усеченными конусами и обратными конусами, расположенными с зазором к этой стенке. Обратные и полые усеченные конусы установлены с чередованием друг друга. Над местами крепления полых конусов в стенке выполнены щели, расположенные в шахматном порядке относительно щелей над соседним полым конусом, а на внешней поверхности стенки с зазором к ней над каждой щелью закреплены отсекатели. У нижнего торца внутреннего цилиндра размещен кольцевой желоб для сбора жидкости с переливными трубами.
Патент РФ на изобретение №2160636, Мкл. № В02В 3/00, устройство для шелушения зерновых материалов, включающее: питатель для подачи зерна, воздуховод, выполненный в виде вихревой трубы, соединенный с питателем.
Недостатками известных способов и устройств являются: относительная сложность технологического процесса, на котором базируется способ, уникальность проектирования и изготовления, громоздкость оборудования, высокая стоимость.
Известно о новом варианте сепаратора, содержащего вихревую трубу, одну или несколько конических обечаек, соосных с вихревой трубой и в которых происходит разделение компонентов сепарируемых смесей, а также патрубки для подвода сырья и отвода продуктов переработки (патент РФ на изобретение №2326740, RU, C1, МПК, B04C 3/00, «Сепаратор», зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 20 июня 2008 г.).
Механические смеси могут быть в газообразном, жидком состоянии, сыпучей смеси твердых частиц. Частицы компонентов, обрабатываемых механических смесей, как правило, различаются по своей массе, плотности, размерам.
Задачей настоящего изобретения является упрощение способа обработки механических смесей, упрощение конструкции, надежность, экономичность в применении способа и, непосредственно, в процессе эксплуатации оборудования.
Поставленная задача решается путем использования свойств вихревых потоков механических смесей и создания на этой основе принципиально нового способа разделения механических смесей с помощью формирования встречных основному потоку закрученных потоков, их отводу, т.е. управлению ими в пространстве.
Раскрытие изобретения.
Предлагаемый способ обработки механических смесей и устройство, в котором он реализуется, предназначены для разделения механических смесей на составляющие компоненты, в соответствии физическим свойствам частиц компонентов.
Способ предполагает синхронное взаимодействие элементов используемого устройства для разделения механических смесей на фракции и компоненты, вытекающим из выполнения условия неразрывности потока, геометрических параметров и пространственного расположения элементов в предлагаемой технологической последовательности. Устройство включает:
1. емкость произвольной геометрической формы (цилиндр, куб, шар и т.д.), или нагнетательное силовое оборудование (насос, компрессор, вентилятор);
2 сопловой канал, с корректирующим скорость, соплом;
3. вихревой сепаратор-конфузор, который, в свою очередь, содержит: коническую обечайку, соосную с вихревой трубой, одетой внахлестку большим основанием на выходной торец цилиндрической вихревой трубы или на посадочное место у меньшего основания предыдущего сепаратора-конфузора, стенку с центральным осевым отверстием, которое соразмерно наружному диаметру вихревой трубы или посадочному диаметру предыдущего сепаратора-конфузора, если их несколько звеньев, жестко соединенную с вихревой трубой (или предыдущим сепаратором-конфузором), конической обечайкой, и закрывающей собой больший торец конической обечайки;
4. завихритель, разнообразного конструктивного исполнения. Например, предлагается модель сопловой трубы, ускоряющей поток, соединяющей тангенциально емкость с начальной частью вихревой трубы;
5. вихревая труба, размеры которой - диаметр и длина рассчитываются согласованно с размерами емкости, завихрителя с учетом физических свойств и состояния обрабатываемой механической смеси, в целях обеспечения необходимых параметров: неразрывности, напора, расхода и закрутки вихревого потока обрабатываемой смеси;
6. отводные каналы, раздельно:
один боковой - для компонентов с частицами более плотными, который жестко соединяется с боковой стороной конической обечайки вихревого сепаратора-конфузора через отверстие в ней,
7. другой центральный отводной канал - для компонентов с частицами менее плотными, жестко соединенный с конической обечайкой возле центрального отверстия в меньшем основании вихревого сепаратора-конфузора.
Устройство работает следующим образом. При соответствующем полном давлении в емкости (поз.1) смесь поступает в сопловой канал. В емкости объем смеси постоянно пополняемый, при сохранении первоначального полного давления. Основное требование - соблюдение принципа неразрывности потока. Поток в сопловом канале (поз.2) разгоняется до необходимой скорости и поступает в завихритель (поз.4). При протекании смеси через завихритель формируется вихревой поток. Закрученный поток движется по вихревой трубе (поз.5) и поступает в вихревой сепаратор-конфузор (поз.3), в котором происходит разделение и отвод частиц потока в соответствии их физических и аэродинамических свойств. Частицы компонентов с высокой плотностью располагаются в периферийных слоях закрученного потока. При касании наклонной стенки конфузора они затормаживаются.
Затем, прижатые центробежными силами к внутренней стороне конической обечайки, под влиянием перепада давления, меняют направление своего осевого движения на обратное направление, продвигаются к большему основанию конфузора и, через боковое отверстие в конической обечайке, поступают в канал отвода плотных частиц сепаратора-конфузора (при нескольких сепараторах конфузорах в канал №1, 2, j-ого (поз.6)). Менее плотные частицы располагаются возле оси и продолжают движение в технологическом процессе по центральному осевому отводу продуктов переработки (поз.7).
Описание взаимодействия входящих узлов и деталей дополняет «Принципиальная технологическая схема разделения механических смесей на основе использования свойств вихревого потока и применения вихревого сепаратора-конфузора», фиг.1.
Используемые в описании способа и на схеме обозначения.
1 - Емкость, произвольной формы.
2 - Сопловой канал, с корректирующим скорость, соплом.
3 - Вихревой сепаратор-конфузор.
4 - Завихритель.
5 - Цилиндрическая вихревая труба.
6 - Отводной канал плотных частиц компонентов смеси конфузора.
7 - Центральный осевой отвод частиц компонентов, менее плотных.
Осуществление способа. Осуществление способа заключается в изготовлении предложенной технологической схемы и устройства. Емкость, силовое оборудование типовое, путепроводы, контрольно-измерительная аппаратура - типовые. В качестве емкости и нагнетателя возможно использование типовых насосов, компрессоров, вентиляторов и т.д. Новыми деталями в способе являются тангенциальное корректирующее сопло, вихревой сепаратор-конфузор, изготовление которых возможно в каждой мастерской. Сам вихревой сепаратор-конфузор является усовершенствованной моделью «Сепаратора», описанного в патенте на изобретение №2326740, RU, C1, МПК, В04С 3/00, «Сепаратор», и реализован в действующих лабораторных образцах. Устройство, использующее предлагаемый способ обработки механических смесей, не содержит вращающихся механических частей, предполагает малые габариты, низкие энергозатраты, простоту и надежность в эксплуатации. Способ и устройство могут найти эффективное применение практически во всех отраслях хозяйствования: нефтепереработке и нефтедобыче, переработке зерновых, очистке водоемов и т.д.