УСТАНОВКА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВЗВЕСИ

Полезная модель относится к измельчению и смешиванию материалов, более конкретно, к устройствам для дробления твердой составляющей и ее диспергирования в жидкости при приготовлении различных взвесей с использованием цилиндрического смесителя, вращающегося вокруг горизонтальной оси, которые, в частности, могут быть использованы для приготовления кормов.
Уровень данной области техники характеризует установка для смешивания, гомогенизации, диспергирования твердых компонентов в жидкости, описанная в изобретении по патенту RU №2174865 С1, В01F 7/28, 2001 г.
Установка включает связанные через перепускной кран накопительную емкость и роторный инструментальный блок, выходной патрубок которого посредством трубопровода перекачки сообщается с накопительной емкостью.
К накопительной емкости примыкают водопровод и транспортер функционального насыпного материала, подлежащего измельчению.
Накопительная емкость с инструментальным блоком связаны через перепускной кран, а выходной патрубок оснащен трехпозиционным краном для переключения на слив готовой взвеси, на перекачку технологической смеси по трубопроводу в накопительную емкость и на запирание патрубка, когда смесь циркулирует внутри инструментального блока по его спиральному каналу.
Инструментальный блок содержит концентрично установленные в корпусе на вертикальном приводном валу полый ротор и внешний кольцевой статор, имеющие радиальные щели, при прохождении которых твердая фракция обрабатываемой взвеси измельчается и диспергируется в жидкости.
Щели ротора выполнены в виде дозвуковых радиально расположенных сопел правильной формы, сужающихся к статору, а щели в статоре имеют симметрично вогнутые поверхности, расширяющиеся в направлении охватывающего корпуса, смонтированного с зазором для прокачки обрабатываемой взвеси.
Особенностью описанной установки является дискретно-последовательная работа на разных режимах для поэтапного измельчения твердой фазы с целью получения измельченного диспергированного продукта. Так, вначале водой заполняется наружный контур установки (емкость, инструментальный блок и трубопровод прокачки) при закрытом сливном кране, затем в накопительную емкость подается функциональный материал, который частично дробится в инструментальном блоке и накапливается в емкости в виде крупнофракционной смеси.
После этого перекрывается выходной патрубок инструментального блока и перепускной кран накопительной емкости для многократного прохождения всасываемой порции обрабатываемой смеси через инструментальный блок (роторный насос) по спиральному каналу прокачки в корпусе.
Недостатком описанной установки является низкая производительность из-за последовательно проводимых операций порционной обработки исходной смеси из накопителя, перемещаемой роторным инструментальным блоком самовсасыванием.
Более производительным и эффективным по назначению является измельчитель-диспергатор по патенту RU 2321448 С2, В01F 7/12, 2008 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенной установке для приготовления взвеси, содержащей роторный измельчитель-диспергатор.
Известный измельчитель-диспергатор содержит размещенный в корпусе инструментальный блок, включающий концентричные полый ротор с горизонтальной осью вращения и кольцевой охватывающий статор, оснащенные радиальными щелями, выполненными соответственно в форме дозвуковых сопел, наклоненных встречно вращению ротора, и с криволинейными несимметричными поверхностями расширения в направлении корпуса, размещенного на дистанции от статора.
Полость ротора сообщается с соосным входным патрубком и с выходным патрубком, смонтированным тангенциально корпусу, внутренняя поверхность которого имеет форму витка спирали в сечении, перпендикулярном оси сопряженных ротора и статора.
На торцевой поверхности ротора закреплен центральный обтекаемый рассекатель потока, который направляет обрабатываемую взвесь в роторный инструментальный блок, работающий как самовсасывающий насос.
При этом на входном патрубке может быть смонтирован нагнетательный насос, регулируемо подающий смесь на обработку, которая турбулизируется, а твердая фаза за счет гидродинамических ударов, сопровождающихся кавитацией в спрофилированных радиальных щелях ротора и статора, дробится и измельчается в циклическом вращении по кругу, что более производительно и обеспечивает повышенную степень измельчения твердой фазы обрабатываемой взвеси.
Особенностью известного аппарата является то, что обтекаемый центральный рассекатель имеет кольцевое поднутрение относительно сферы сопряжения с поверхностью торцевой стенки, которое формирует гидроподушку скольжения потока взвеси к инструментальному блоку с минимальными потерями на трение.
Продолжением описанных достоинств известного измельчителя-дис-пергатора являются присущие недостатки:
- неудовлетворительное измельчение дисперсной фазы в инструментальном блоке описанной конструкции, где нестабильно возникает вторичный гидроудар отражений от корпуса из-за динамичного отвода взвеси из рабочих зон;
- в спиральном канале прокачки происходит частичное гашение генерируемой гидродинамической и акустической кавитации от взаимного влияния параллельно действующих струйных потоков из совмещенных щелей ротора и статора, что снижает интенсивность дробления;
- круговое циркулирование части обрабатываемой взвеси по кругу спирального канала прокачки не обеспечивает тонкого измельчения дисперсной фазы для активизации развитой ее поверхности взаимодействия;
- в застойных зонах обрабатываемой взвеси в карманах торцевой поверхности полости ротора образуется твердый абразивный для сопел осадок, который искажает заданные гидродинамические течение и режим обработки взвеси;
- свободное самозасасывание взвеси из полости ротора определяет низкую производительность работы при высокой скорости его вращения;
- технологическая сложность изготовления и сборки корпуса, формирующего спиральный канал относительно статора.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение производительности более тонкого измельчения дисперсной фазы обрабатываемой взвеси и повышение функциональной надежности технологичного в изготовлении измельчителя-диспергатора установки.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известной установке для приготовления взвеси, содержащей коаксиальный инструментальный блок, включающий полый ротор, сообщающийся посредством осевого входного патрубка с насосом, смонтированным на тангенциальном выходном патрубке, и внешний кольцевой статор, которые оснащены распределенными по периферии, примыкающими радиальными щелями, соответственно сужающимися соплами, наклоненными встречно вращению ротора, и несимметрично расширяющимися по криволинейным поверхностям в сторону корпуса, сопряженного с тангенциальным выходным патрубком, совокупно образующими смесительный канал прокачки обрабатываемой взвеси по форме расширяющегося витка спирали, причем на торцевой стенке ротора закреплен центральный обтекаемый рассекатель входного потока обрабатываемой взвеси, по предложению авторов, осевой входной патрубок корпуса непосредственно замкнут трубопроводом рециркуляции обрабатываемой взвеси с насосом, при этом корпус, выполненный в форме диска, установлен с эксцентриситетом относительно инструментального блока в направлении, противном его выходному патрубку, на торцевой стенке полого ротора дополнительно смонтированы дуговые лопатки, повернутые к соплам, оси которых наклонены относительно радиуса под углом 15-20º, а шаг распределения щелей статора превышает шаг распределения сопел ротора.
Отличительные признаки обеспечили автоматическое регулирование степени и качества измельчения и диспергирования разных взвесей за счет дополнительного контура их принудительной рециркуляции, в результате оптимизации режимов и параметров гидродинамического и акустического воздействий, посредством конструктивных усовершенствований элементов инструментального блока и упростили формирование спирального канала прокачки обрабатываемой взвеси при технологической сборке в дискообразном корпусе.
В результате локализованных гидроударов, трения формируемых слоев потока и завихрений в обрабатываемой взвеси происходит ее разогрев до температуры 105-110ºC, чем обеспечивается пастеризация и стерилизация продукта за счет термодеструкции бактерий и микроорганизмов, распада ингибитора трипсина и активизации ферментов, что существенно улучшает потребительское качество и усвояемость кормов, напрямую сокращающие период нагула животных, снижая себестоимость откорма.
При этом достигается повышение стойкости инструментальной пары ротор-статор за счет оптимизации распределения и направления формируемых потоков взвеси внутри полого ротора и гидродинамических воздействий, возникающих при совмещении их профилированных радиальных щелей, на характер струйного истечения рабочего тела в спиральный канал корпуса посредством дозированных турбулизации и кавитации принудительно прокачиваемой взвеси.
Замыкание осевого патрубка непосредственно трубопроводом принудительной рециркуляции обрабатываемой взвеси обеспечивает получение регулируемой дисперсности при обработке различных материалов за счет дублирования контура постоянного прокачивания в течение заданного времени параллельно малому силовому кругу внутри корпуса инструментального блока.
Рециркулирование обрабатываемой взвеси осуществляется принудительно через насос с необходимыми режимами для получения требуемого измельчения дисперсной фазы, которое практически исключает расслоение готового продукта.
Оснащение трубопровода между патрубками корпуса нагнетательным насосом позволяет кратно повысить производительность работ по измельчению продукта в промышленных условиях.
Использование постоянно функционирующего нагнетательного насоса позволило установить в полости ротора механический ворошитель в форме дуговых лопаток, которые заметно увеличивают гидродинамическое сопротивление, но необходимы для центробежного перемещения обрабатываемой взвеси, что по определению выравнивает в объеме степень измельчения и распределения дисперсной фазы.
Нагнетательный насос насыщает взвесь пузырьками воздуха, которые активно участвуют в создании эффекта кавитации при резком повышении давления в радиально расширяющихся щелях статора, где пузырьки объединяются, образуя каверны. При схлопывании каверн происходит акустический удар разрывного действия на твердую фазу взвеси, дополнительно измельчая ее.
Поворот дуговых лопаток к соплам ротора создает дополнительный геометрический подпор массы взвеси, которая радиально подается в сопла инструментального блока раздельными равными порциями, стабилизируя расход в объеме.
При этом в формируемых дозвуковых струях из сопел ротора при расширении в щелях статора образуются пузырьки воздуха, создающие кавитацию, активно участвующую в дроблении дисперсной фазы взвеси, улучшая тем самым качество готового продукта.
Встречный вращению ротора наклон оси сопел на оптимизированный угол 15-20º относительно его радиуса позволяет снизить динамическую нагрузку на рабочую поверхность сопел и уменьшить их абразивный износ, таким образом заметно увеличить срок службы расходного инструмента.
Предложенный наклон сопел ротора создает градиент скоростей струй в несимметричных радиальных щелях статора в направлении вращения ротора, где возникает турбулизация и кавитация в результате неизбежных завихрений, что способствует повышению дисперсности обрабатываемой взвеси.
Выполнение корпуса инструментального блока в форме диска упрощает изготовление и сборку с автоматическим формированием плавно уширяющегося спирального канала за счет его установки с эксцентриситетом относительно приводного вала, в направлении, противном выходному патрубку.
Установка дискообразного корпуса относительно статора, концентрично смонтированного на роторе, с эксцентриситетом в направлении сопряженного выходного патрубка позволяет автоматически сформировать требуемый условиями гидродинамики виток спирали, расширяющейся к выходу, что выполняется просто и повышает технологичность сборки конструкции.
Превышение шага между щелями статора, сравнительно с шагом между соплами ротора, большего количества, необходимо для разнесения по времени и в пространстве радиального совмещения щелей ротора и статора, когда происходит впрыск порций сжатой взвеси из объема ротора в спиральный канал прокачки корпуса, формирующий резонансное явление при совмещении импульсов от расширения взвеси в щелях статора с частотой собственных колебаний потока в спиральном канале.
Фракционирование взвеси в спиральном канале прокачки корпуса максимально исключает взаимное противодействие и гашение локальных гидроударов, смещенных по времени и в пространстве, что повышает эффективность приготовления взвеси.
Резкое торможение струи из сопла ротора в объеме пологой части щели статора вызывает завихрения и структурное расслоение взвеси, сопровождающиеся кавитацией. При этом другая часть струи из сопла ротора по крутой стороне щели статора, практически беспрепятственно и без торможения, достигает стенки корпуса и отражается в спиральный канал, где вызывает в потоке вторичный гидроудар.
Вторичный гидроудар, во взаимодействии с кавитационными возмущениями и поперечным фракионированием потока струями из сопел, формирует вынужденные колебания взвеси с частотой, сопоставимой с пульсацией ранее генерированных завихрений, что вызывает резонанс, кратно усиливающий механическое воздействие на твердую фазу смеси.
Результат схематично описанного резонанса проявляется в новом качестве взвеси от дополнительной гидродинамической обработки потока при движении по спиральному каналу прокачки, более тонко измельчающей твердую фазу, диспергируемую в объем жидкости.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущего признакам, то есть поставленная техническая задача решается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности признаков формулы. На чертеже изображены:
на фиг.1 - общий вид установки;
на фиг.2 - измельчитель-диспергатор, вертикальный разрез;
на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.2;
на фиг.4 - схема инструментального блока.
Установка (фиг.1) для приготовления взвеси содержит измельчитель-диспергатор 1, жестко связанный с приводным горизонтальным валом 2, который смонтирован в кожухе 3, муфтой 4 соединен с электродвигателем 5, которые установлены на станине 6, размещенной на раме 7.
Измельчитель-диспергатор 1 замкнут трубопроводом 8 рециркуляции обрабатываемой взвеси, оснащенным нагнетательным насосом 9. Трубопровод 8 торцами соединен с осевым входным и тангенциальным патрубками 10 и 11 соответственно.
Насос 9 связан со сливным патрубком 12, снабженным запорным краном 13.
В дискообразном корпусе 14 (фиг.2, 3) на приводном валу 2 закреплен полый ротор 15, примыкающий к кольцевому статору 16, формируя инструментальный блок.
На периферии ротора 15 равно распределены профильные выступы 17, между которыми образованы радиальные дозвуковые сопла 18 (фиг.3, 4), сужающиеся в направлении охватывающего статора 16.
Ось сопел 18 наклонена под углом 15-20º встречно вращению ротора 15, относительно его радиуса.
На торцевой стенке полого ротора 15 выполнены дуговые лопатки 19, верхний конец которых повернут в сторону сопел 18.
Геометрия инструментального блока была рассчитана по математической модели планирования эксперимента, что позволило изготавливать ротор 15 и статор 16 точным литьем по выплавляемым моделям.
Ротор 15 концентрично примыкает к кольцевому статору 16, жестко связанному с корпусом 1. В статоре 16 выполнены распределенные щели 20, расширяющиеся в направлении корпуса 1 по несимметричным криволинейным поверхностям: крутая со стороны вращения ротора 15 и более пологая с противоположной стороны.
Дискообразный корпус 14 инструментального блока установлен с эксцентриситетом «е» относительно приводного вала 2, в противном направлении его выходного патрубка 11, что формирует в вертикальном сечении (фиг.3) расширяющийся виток спирали - канал 21 прокачки обрабатываемой взвеси. При этом выходной патрубок 11 сопряжен с каналом 21 в его широкой части, касательно корпусу 1.
На торце приводного вала 2, жестко связанного с ротором 15, внутри инструментального блока (фиг.2 и 4) закреплен центральный обтекаемый рассекатель 22 потока, сопряженный с торцевой стенкой ротора 15, плавно направляющей поступающую от насоса 8 через трубопровод 9 и патрубок 10 взвесь на обработку.
При этом дискообразный корпус 1 закреплен в кожухе 3 относительно приводного вала 2, соосного с инструментальным блоком и его входным патрубком 10, с эксцентриситетом «е», располагаемым с противоположной стороны от выходного патрубка 11, пространственное положение которого может радиально варьироваться в зависимости от компоновки трубопровода 9 рециркуляции в рабочем помещении.
Приводной вал 2 смонтирован в радиально-упорных подшипниках 23 и радиальном подшипнике 24 центральной маслонаполненной обоймы 25, установленной в несущем кожухе 3.
Уровень масла в обойме 25 контролируется маслоуказателем 26, для слива которого служит пробка 27.
Функционирует установка следующим образом.
Смесь твердых кормов с водой, нагнетаемая насосом 8, подается через входной патрубок 10 в полость ротора 15, где направляется рассекателем 22 на вращающиеся лопатки 19.
Обрабатываемая смесь под действием центробежных сил перемещается на периферию ротора 15, к его соплам 18, где порционно поталкивается наклоненным профилем лопаток 19 между выступами 17, при радиальном совмещении сопла 18 ротора 15 со щелью 20 статора 16.
В смеси внутри сопла 18, когда оно перекрыто статором 17, возникает гидроудар, разрушительно действующий на твердую фазу взвеси.
В соплах 18 взвесь разгоняется и струйно поступает в совмещаемые щели 20 статора 16, где она расширяется, тормозится, завихряется, расслаивается и подвергается гидродинамическому и акустическому воздействиям в зоне пологого расширения щели 20, сопровождающиеся кавитацией.
Резкий рост давления в щелях 20 статора 16 от расширения смеси, при сопутствующих резонансных явлениях, дробит твердую фазу, разрушая межмолекулярные и межклеточные связи.
Поток взвеси в канале 21 прокачки фракционируется рассекающими поперечными струями из щелей 20 статора 16 и турбулизируются, а отраженные корпусом 1 вторичные гидроудары последовательно механически воздействуют на взвесь при движении по каналу 21.
Кавитирующая часть взвеси при выходе в широкий поток спирального канала 21 дросселируется, что способствует автоматическому обрыву кавитации при активном выделении летучих примесей (воздуха, хлора или озона) из жидкой дисперсионной среды, завершая режим регулируемой гидродинамической кавитации.
По выходному патрубку взвесь из инструментального блока принудительно насосом 9 удаляется в трубопровод 8 рециркуляции, где поток обрабатываемой взвеси перемешивается и стабилизируется за счет абразивного торможения расслоений и завихрений, обеспечивающего гомогенизацию готового продукта.
Далее цикл повторяется до достижения заданной дисперсности смеси, которую контролируют по времени обработки, соответствующему необходимому числу оборотов взвеси по каналу 8 рециркуляции.
Испытания опытного образца предложенной установки показали ее универсальность для приготовления различных взвесей, из разных твердых компонентов, диспергируемых в жидкость, автоматически обеспечивая заданное качество измельчения и гомогенизации смеси.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста приготовлению диспергированных кормов, показал, что она неизвестна, а с учетом возможности серийного изготовления установок для приготовления взвесей в действующем производстве, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.