Двухвальный смеситель
DOUBLE-SHAFT MIXER

Изобретение относится к оборудованию для смешивания сыпучих продуктов и может быть использовано в комбикормовой промышленности, на предприятиях агропромышленного комплекса и в других отраслях промышленности.
Известен смеситель скоростной одновальный лопастной периодического действия DFML "SPEEDMIX" фирмы "Buhler", Швейцария (журнал "Feed internation". - №8. - 1996. - С. 25-26) для смешивания сыпучих продуктов, включающий смесительную камеру, вал с четырьмя лопастями, которые обеспечивают противоточное движение продуктов со временем смешивания 90 с. Качество и время смешивания компонентов смеси имеют прямо пропорциональную зависимость от числа лопастей и частоты их вращения.
Недостатком этого смесителя является высокая частота вращения лопастного вала, обусловленная малым количеством лопастей, что приводит к значительным энергетическим затратам.
Известен двухвальный лопастной смеситель периодического действия фирмы "Forberg", Норвегия (Патент Норвегии №143519, B01P 7/04 от 15.09.76), включающий смесительную ванну, два горизонтальных лопастных вала, которые вращаются в противоположные стороны. Рабочий орган смесителя имеет 24 лопасти, по 12 на каждом валу с разными углами поворота относительно оси вала. У торцевых стенок расположены четыре лопасти с углом поворота 0 градусов и четыре лопасти с углом поворота 55°, остальные 16 лопастей имеют угол поворота 45°. Траектории вращения лопастей одного вала пересекаются с траекториями вращения лопастей другого вала.
При работе смесителя лопастные валы перемещают продукт по четырем разным направлением с образованием однородной смеси в течение 40 с.
Недостатком конструкции этого смесителя является: сложность конструкции рабочего органа, обусловленная наличием большого количества лопастей, которые значительно увеличивают потребление энергии, затрачиваемой на преодоление больших усилий, возникающих в каждой лопасти при входе их в продукт и выходе из него в процессе смешивания; обязательная синхронизация вращения лопастных валов, при которой каждый ряд лопастей одного вала входит между двумя соседними рядами лопастей другого вала. Несоблюдение синхронизации вращения лопастных валов вызывает заклинивание рабочего органа смесителя, при котором происходит поломка лопастей, вала и привода.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является смеситель (Патент на полезную модель №61588, B01F 7/04. Смеситель. Афанасьев В.А., Щеблыкин В.В., Кортунов Л.А. Заявитель ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности»), включающий смесительную ванну, два вала с лопастями, привод, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции, снижения металлоемкости и повышения надежности работы на лопастных валах установлено 12 лопастей с углами поворота 45° относительно оси вала, при этом на первом валу расположены шесть лопастей по винтовой спирали через 120°, три лопасти с правым направлением спирали, а три другие - с левым, на втором валу также расположены шесть лопастей по аналогичным винтовым спиралям с левым и правым направлениями. Лопастные валы установлены на расстоянии, равном двойной высоте лопасти со стойкой, при котором траектории вращения лопастей каждого вала не пересекаются.
Недостатками известного смесителя является значительные энергозатраты, затрачиваемые на преодоление больших усилий при входе лопастей в продукт; большая продолжительность смешивания, обусловленная низким турбулентным потоком смешиваемых компонентов.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности смешивания и снижение удельных энергозатрат при достижении наилучшей однородности смешивания за счет реализации прогрессивного метода смешивания, основанного на механическом псевдоожижении в сочетании с перекрестным противотоком, а также сокращение продолжительности процесса смешивания.
Поставленная цель достигается тем, что в двухвальном смесителе, включающем смесительную ванну, два вала с лопастями, привод, при этом установленные на валах лопасти повернуты на 45° относительно их оси, причем на первом валу четные лопасти расположены по винтовой спирали через 120° с правым направлением спирали, а нечетные лопасти - с левым, на втором валу также расположены четные и нечетные лопасти по аналогичным винтовым спиралям с левым и правым направлениями, внутри каждого полого лопастного вала соосно установлена неподвижная ось, на которой с шагом, равным шагу расположения лопастей на лопастном валу, установлены кулачки, с наружной поверхностью которых взаимодействуют ролики, установленные на концах стоек лопастей, причем на стойки, расположенные между внутренним диаметром лопастного вала и роликами, надеты пружины, верхняя часть корпуса смесительной ванны выполнена по сложной линии, соответствующей траектории перемещения лопастей, обусловленной наружной поверхностью кулачков, верхняя кромка лопасти, контактирующая с внутренней поверхностью смесительной ванны, выполнена из эластичного материала, в торцевых стенках верхней части корпуса смесительной ванны установлены форсунки для подачи жидких и вязких компонентов.
На фиг. 1 изображен фронтальный вид двухвального смесителя; на фиг. 2 - вид сверху двухвального смесителя; на фиг. 3 - вид сбоку (слева) двухвального смесителя; на фиг. 4 - разрез А-А фронтального вида двухвального смесителя; на фиг. 5 - разрез лопастного вала и вид А лопастного вала; на фиг. 6 - фото двухвального смесителя; на фиг. 7 - компьютерная версия общего вида двухвального смесителя; на фиг. 8 - объемное изображение левого и правого валов двухвального смесителя; на фиг. 9 - схема вращения левого и правого валов двухвального смесителя.
Двухвальный смеситель (фиг. 1-3) содержит смесительную ванну 1 с торцевыми стенками 2 и 3, загрузочный патрубок 16, разгрузочный патрубок 17, горизонтальные полые лопастные валы 4 и 5, вращающиеся в противоположном направлении, привод 6 для вращения лопастных валов 4 и 5 и привод 7 выгрузки готовой смеси из смесительной ванны. Предлагаемая конструкция привода 6 валов 4 и 5 от одного электродвигателя с помощью ременной передачи и двух параллельно работающих редукторов обеспечивает синхронизации вращения лопастных валов 4 и 5. При этом вал 4 вращается по часовой стрелке, а вал 5 - против (фиг. 9).
На валах 4 и 5 установлены лопасти 10 со стойками 12, на концах которых находятся ролики 13 (фиг. 5). На стойках 12, расположенных между внутренним диаметром полого лопастного вала и роликами 13, надеты пружины 11. Для удобства монтажа и обслуживания пружин 11 и роликов 13 в валах 4 и 5 просверлены отверстия, в которые вворачиваются по резьбе втулки 14 (фиг. 5).
Внутри каждого полого лопастного вала 4 и 5 соосно установлены неподвижные оси 8, на которых с шагом, равным шагу расположения лопастей 10 на лопастном валу, установлены кулачки 9.
С наружной поверхностью кулачков 9 взаимодействуют ролики 13, установленные на концах стоек 12 лопастей 10.
Верхняя часть корпуса смесительной ванны 1 выполнена по сложной линии, соответствующей траектории перемещения лопастей 10, обусловленной наружной поверхностью кулачков 9 (фиг. 4).
Верхняя кромка лопасти 10, контактирующая с внутренней поверхностью смесительной ванны 1, выполнена из эластичного материала.
На валах 4 и 5 установлены лопасти 10 с углом поворота 45° относительно оси валов (фиг. 5). Причем на валу 4 четные лопасти расположены по винтовой спирали через 120° с правым направлением спирали, а нечетные лопасти - с левым, на втором валу также расположены четные и нечетные лопасти по аналогичным винтовым спиралям с левым и правым направлениями (фиг. 8 и фиг. 9). Установка на валу 4 лопастей 10, вращающихся по траектории, не пересекающейся с траекторией вращения лопастей 10 вала 5, повышает эксплуатационную надежность и дополнительно турбулизирует поток перемешиваемых компонентов смеси (фиг. 8 и 9).
В торцевых стенках 2 и 3 верхней части смесительной ванны 1 установлены форсунки 15 для подачи жидких и вязких компонентов.
Предлагаемый смеситель работает следующим образом.
Исходные сыпучие компоненты загружаются в смеситель через загрузочный патрубок 16. Включается привод 6, и валы 4 и 5 приводятся во вращение навстречу друг другу.
За счет расположения на валах 4 и 5 четных лопастей по винтовой спирали через 120° с правым направлением спирали, а нечетных лопастей - с левым, движение компонентов смеси в ванне 1 смесителя имеет вид перекрестного противотока, т.к. они обеспечивают направление движение потоков смеси навстречу друг другу в направлении от торцевых стенок к центру смесителя.
Лопасти 10 на основании экспериментальных исследований рекомендуется устанавливать под углом 45° к горизонтальной оси валов 4 и 5, так как интенсивность перемешивания создается образованием мощных противоточных потоков массы перемешиваемой смеси. При уменьшении угла поворота лопастей до нуля линейное перемещение массы смеси уменьшается и при 0° прекращается, сопротивление среды и окружное вращательное движение частиц возрастает, а при увеличении угла поворота лопастей до 90° сопротивление среды уменьшается, но уменьшается и интенсивность перемещения частиц. Учитывался и то, что при угле поворота лопастей 45° обеспечивалось наиболее оптимальное потребление электрической энергии.
Определяющим параметром смесителя является радиус размаха лопастей. От величины радиуса, а как показали наши исследования его лучше делать переменным, зависела окружная скорость лопастей 10 на валах 4 и 5, которая напрямую влияла на характер перемешивания компонентов смеси.
p
Экспериментальные исследования двухвального смесителя (фиг. 6), проведенные при окружных скоростях от 1 до 2,1 м/с, показывают, что минимальному расходу электроэнергии соответствует окружная скорость V=1,31…1,45 м/с. При использовании равенства окружных скоростей, при которых окружная скорость крайних точек лопастей 10 для опытного образца смесителя (фиг. 6 и 7) при кинематическом подобии принимается равной 1,4 м/с, частоты вращения лопастных валов 4 и 5 опытных образцов смесителей производительностью 2, 5, 10 и 20 т/ч составляют 50, 37, 29 и 23 об/мин.
Лопасти 10, вращаясь с переменным радиусом размаха, придают переменную окружную скорость движения компонентов смеси. Переменный радиус размаха (минимальный радиус размаха лопасти имеют с нижней точке и максимальный через 90° по ходу вращения) создается за счет движения роликов 13 по поверхности кулачков 9 при вращении лопастей 10. При этом они формируют пылеобразную смесь, основанную на механическом псевдоожижении, которая в сочетании с перекрестным противотоком, создаваемым за счет расположения на валах 4 и 5 четных лопастей по винтовой спирали через 120° с правым направлением спирали, а нечетных лопастей - с левым, создает эффект механического псевдоожижения смеси, в которую удобно вводить мелко дисперсионные жидкие компоненты (фиг. 8 и 9). В случае необходимости из распылительных форсунок 15, расположенных в торцевых стенках 2 и 3 верхней части смесительной ванны 1, подаются жидкие и вязкие компоненты.
Таким образом, была выявлена причинно-следственная связь между переменным радиусом лопастей и значением частоты вращения лопастных валов 4 и 5 смесителя, обеспечивающая минимальное потребление электрической энергии и получение однородной смеси за короткий интервал времени.
Затем включается привод 7, который открывает створки разгрузочного патрубка 17, и готовая смесь выгружается из смесительной ванны 1.
Результаты испытаний экспериментального образца двухвального смесителя показали, что он обеспечивает однородность смеси при времени смешивания 30 с (фиг. 6).
Таким образом, использование изобретения позволит:
- оптимизировать процесс смешивания различного по своему гранулометрическому составу и физико-механическим свойствам исходного сырья за счет поддержания переменного радиуса размаха лопастей 10 и придания переменной окружной скорости движения компонентов смеси;
- расширить область применения за счет формирования пылеобразной смеси, за счет перекрестного противотока, создаваемого вследствие расположения на валах 4 и 5 четных лопастей по винтовой спирали через 120° с правым направлением спирали, а нечетных лопастей - с левым;
- получать однородные многокомпонентные смеси высокого качества благодаря эффекту механического псевдоожижения и равномерному вводу жидких и вязких компонентов в смесь сыпучих материалов.