СПОСОБ ВСТРЕЧНО-ВИХРЕВОЙ ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ И АППАРАТ ВСТРЕЧНО-ВИХРЕВОГО СЛОЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ
METHOD FOR COUNTER-VORTEX PROCESSING OF RAW MATERIALS AND COUNTER-VORTEX LAYER APPARATUS FOR PROCESSING RAW MATERIALS

Группа изобретений относится к способам и аппаратам, использующим для обработки различного вида сырья энергию вращающегося постоянного магнитного поля, воздействующего на ферромагнитные элементы, которые непосредственно взаимодействуют с обрабатываемым сырьем, и может быть использована в энергетической, топливной, строительной, сельскохозяйственной и фармакологической отраслях, преимущественно для гомогенизации суспензий и получения сверхтонких порошков.
Известны различные способы и устройства, относящиеся к области обработки жидких и сыпучих сред, которые используют воздействие внешнего электромагнитного поля для создания интенсивного движения ферромагнитных элементов в обрабатываемом сырье. Индукционное устройство для перемешивания и измельчения жидких и сыпучих сред по патенту на полезную модель RU 45648 U1, МПК B01F 13/08, опубл. 27.05.2005, содержит корпус, индуктор, цилиндрическую втулку, рабочую зону с ферромагнитными элементами и многофазную обмотку, создающую вращающееся электромагнитное поле.
Известна установка для активации жидкости в потоке по патенту на полезную модель RU 67471 U1, МПК B01F 13/08, опубл. 27.10.2007, включающая реакционную камеру в виде трубы, расположенной внутри электромагнитного индуктора, создающего поле, цилиндрическое тело с ультразвуковыми излучателями и ферромагнитные элементы, выполненные с покрытием из активного материала.
Известен аппарат вихревого слоя по патенту на изобретение RU 2342987 С1, МПК B01F 13/8, опубл. 10.01.2009, включающий индуктор, создающий вращающееся электромагнитное поле, реакционную камеру в виде трубы, имеющей сменную вставку с ферромагнитными элементами. Ферромагнитные элементы выполнены в виде стержней различного размера, выбор которых осуществляется по определенному соотношению.
Индукционное устройство смешивания и активации жидкой среды по патенту на полезную модель RU 169608 U1, B01F 13/08, опубл. 24.03.2017, включает индуктор, рабочую камеру, набор ферромагнитных элементов, при этом на внутренней стороне индуктора равномерно по окружности располагаются двенадцать полюсов с катушечной обмоткой, а каждая фаза катушечной обмотки состоит из двух полуобмоток, расположенных на диаметрально противоположных полюсах индуктора и встречно соединенных, ферромагнитные элементы выполнены в виде обоюдоострых стержней.
Несмотря на множество патентов, большинство устройств активации вихревого слоя сохранили основные черты базовой конструкции ранних разработок аппарата вихревого слоя (ABC) [Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. "Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем". Киев: Техника, 1976, с. 67-71, рис. 57, 58].
ABC содержит: реакционную (рабочую) камеру из немагнитного материала для размещения обрабатываемых жидких или сыпучих сред, набор ферромагнитных элементов, размещенных в полости рабочей камеры, и индуктор, выполненный в виде статора асинхронного электродвигателя, имеющего ярмо, собранное из пластин электротехнической стали, и размещенный на нем набор катушек, соединенных с источником электроэнергии и блоком управления работой ABC.
Способ обработки сырья, реализуемый в ABC, заключается в создании в полости рабочей камеры вращающегося электромагнитного поля для создания вихревого движения ферромагнитных элементов, воздействующих на обрабатываемое сырье.
В ряде применений, таких как гомогенизация суспензий и получение сверхтонких порошков, аппараты ABC имеют значительные преимущества перед другими типами измельчителей.
В изобретениях по патентам RU 2613517, МПК B01F 13/08, опубл. 16.03.2017, RU 2614009, МПК B01F 13/08, опубл. 22.03.2017, RU 26185568, МПК B01F 13/08, опубл. 05.04.2017 в рабочей зоне реакционной камеры ABC устанавливается вставка оригинальной формы. Частота движения ферромагнитных частиц в предлагаемых конструкциях вставки определяется не только частотой электромагнитного вращающегося поля, но и формой, количеством, размером элементов по периметру вставки, поэтому такое конструктивное оформление поверхности вставки за счет увеличения не только количества элементов, но и разнообразия форм и размеров в каждой секции вставки увеличивает частоту соударений ферромагнитных частиц между собой, с обрабатываемым материалом и со стенками вставки, что повышает производительность и увеличивает технологические возможности ABC.
Однако всем существующим ABC присущи следующие недостатки:
- необходимость изготовления рабочей камеры из немагнитного материала, что исключает возможность магнитной сепарации продуктов износа измельчителя из обрабатываемого немагнитного сырья;
- значительные и принципиально неустранимые потери энергии, обусловленные конструкцией таких ABC, а именно наличием существенного немагнитного зазора между индукторами, создающими переменное магнитное поле, и ферромагнитными элементами; а также, в преобладающем случае использования рабочей камеры из электропроводящего материала, токами Фуко в теле камеры;
- значительные массогабаритные характеристики, обусловленные массой и габаритами индукторов, и, в большинстве случаев, необходимостью использования жидкостной системы охлаждения.
В изобретении по патенту RU 2653021, МПК B01F 13/08, B01F 7/16, опубл. 04.05.2018 предложен способ центробежно-вихревой обработки сырья и аппарат центробежно-вихревой (АЦВ) для его осуществления, которые упрощают формирование вихревого движения ферромагнитных элементов, воздействующих на обрабатываемое сырье, уменьшают массогабаритные характеристики аппарата и снижают энергозатраты при его эксплуатации. Способ и аппарат по патенту RU 2653021, 2018 г. приняты в качестве прототипа для заявляемых способа и аппарата, соответственно.
В изобретении по патенту RU 2653021, 2018 г., в верхней части рабочей камеры размещают вращающуюся магнитную головку, создающую постоянное магнитное поле с величиной напряженности, обеспечивающей центробежно-вихревое движение ферромагнитных элементов за счет их притяжения к магнитной головке, отрыва от нее под действием на ферромагнитные элементы центробежной силы, соударения ферромагнитных элементов между собой и со стенками рабочей камеры. При этом скорость вращения магнитной головки устанавливают из условия, чтобы усилие, создаваемое центробежной силой, действующей на ферромагнитный элемент, превышало усилие его удержания магнитной головкой. Недостатком способа и устройства по патенту RU 2653021, 2018 г. является невозможность увеличения производительности АВЦ за счет увеличения скорости вращения магнитной головки, так как это приведет к нарушению указанного условия.
В основу настоящей группы изобретений положена задача создать способ встречно-вихревой обработки сырья и аппарат встречно-вихревого слоя (аппарат ВВС) для его осуществления, которые позволили бы повысить производительность обработки сырья.
Применительно к способу задача решается тем, что в способе встречно-вихревой обработки сырья, который заключается в формировании в рабочей камере с ферромагнитными элементами, воздействующими на обрабатываемое сырье, их центробежно-вихревого движения с помощью вращающейся магнитной головки, расположенной в верхней части рабочей камеры, согласно изобретению, в рабочей камере создают встречно-вихревой слой ферромагнитных элементов с помощью дополнительной встречно-вращающейся магнитной головки, установленной со смещением в горизонтальной плоскости относительно первой магнитной головки, пропускают сырье через сформированный встречно-вихревой слой ферромагнитных элементов, обработанное сырье через узел отсева ферромагнитных элементов выводят в выходную камеру, где дополнительно с помощью магнитной сепарации очищают обработанное сырье от осколков ферромагнитных элементов, попавших в обработанное сырье, при этом расположение магнитных головок и конструкцию рабочей камеры выбирают из условия обеспечения максимальной зоны соударения ферромагнитных элементов и обеспечения прохождения всего потока сырья через эту зону.
Технический результат достигается также тем, что:
- сырье обрабатывают в жидком или в сыпучем виде;
- подачу сырья, его обработку и удаление обработанного сырья выполняют в непрерывном или циклическом режимах.
Применительно к аппарату встречно-вихревого слоя задача решается тем, что в аппарате встречно-вихревого слоя, содержащем состыкованную с нижней частью корпуса аппарата съемную рабочую камеру с ферромагнитными элементами, вращающуюся магнитную головку, размещенную в верхней части рабочей камеры, входной и выходной патрубки, согласно изобретению, в верхней части рабочей камеры размещена дополнительная встречно-вращающаяся магнитная головка, установленная со смещением в горизонтальной плоскости относительно первой магнитной головки, под рабочей камерой установлена выходная камера, отделенная от рабочей камеры узлом отсева ферромагнитных элементов, при этом на дне выходной камеры установлена пробка с магнитом, входной патрубок расположен в верхней части рабочей камеры напротив магнитных головок, а выходной патрубок расположен в выходной камере.
Привод вращения магнитных головок предпочтительно выполнен в виде двух шпиндельных узлов, вал каждого из которых с одной стороны соединен с магнитной головкой, а с другой стороны - со шкивом шпиндельного узла, при этом шкивы шпиндельных узлов связаны зубчатым приводным ремнем со шкивом электродвигателя через натяжной ролик с обеспечением вращения шпиндельных узлов с магнитными головками в противоположных направлениях.
Узел отсева ферромагнитных элементов выполнен в виде перфорированной пластины и упорной пластины, которые установлены с зазором и имеют выпуклость в сторону магнитных головок, при этом по бокам упорной пластины имеются отверстия для прохода обработанного сырья..
Технический результат обеспечивается формированием встречно-вихревого слоя ферромагнитных частиц за счет введения в рабочую камеру второй магнитной головки с противоположным направлением вращения, что приводит к увеличению интенсивности смешивания и энергоемкости соударений ферромагнитных частиц друг с другом и с обрабатываемым сырьем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - разрез аппарата ВВС по вертикали;
на фиг. 2 - сечение А-А аппарата ВВС, представленного на фиг. 1;
на фиг. 3 - вид на привод вращения магнитных головок при снятой крышке.
Описание способа встречно-вихревой обработки сырья совместим с описанием аппарата ВВС для его осуществления.
Аппарат ВВС содержит корпус 1 аппарата, состыкованный в нижней части со съемной рабочей камерой 2, содержащей ферромагнитные элементы. Рабочая камера снабжена вставкой 3, которая не имеет требований по магнитным свойствам и выполняется из любого материала подходящей твердости. В верхней части рабочей камеры 2 размещены две вращающиеся в противоположных направлениях магнитные головки 4 и 5, разнесенные друг относительно друга в горизонтальной плоскости. Под рабочей камерой 2 установлена выходная камера 6, отделенная от рабочей камеры узлом 7 отсева ферромагнитных элементов, который содержит перфорированную пластину 8 и упорную пластину 9. Пластины 8 и 9 установлены с зазором и имеют выпуклость в сторону магнитных головок 4 и 5. По бокам упорной пластины 9 имеются отверстия 10, которые предназначены для прохода обработанного сырья в выходную камеру. На дне выходной камеры 6 установлена пробка 11 с магнитом, который обеспечивает очистку обработанного сырья от осколков ферромагнитных элементов, прошедших через узел 7 отсева. Входной патрубок 12 расположен в верхней части рабочей камеры 2, а выходной патрубок 13 - в выходной камере 6.
Привод 14 вращения магнитных головок выполнен в виде двух шпиндельных узлов 15 и 16, валы 17 и 18 которых с одной стороны соединены, соответственно, с магнитными головками 4 и 5, а с другой стороны - со шкивами 19 и 20 шпиндельных узлов. Вращение шпиндельных узлов 15 и 16, а, следовательно, и магнитных головок 4 и 5, в противоположных направлениях может быть выполнено, например, с помощью двух независимых электродвигателей. Предпочтительным является выполнение привода 14 от одного электродвигателя 21, при этом шкив 22 электродвигателя через натяжной ролик 24 связан зубчатым приводным ремнем 23 со шкивами 19 и 20 шпиндельных узлов 15 и 16 с обеспечением вращения шпиндельных узлов с магнитными головками в противоположных направлениях. Привод 14 снабжен крышкой 25.
Крепление рабочей камеры 2 к нижней части корпуса 1 аппарата обеспечивается с помощью узла крепления 26, который может быть выполнен, например, в виде хомута.
Каждая из вращающихся магнитных головок 4 и 5 обеспечивает формирование вихревого слой ферромагнитных элементов за счет их притяжения к магнитной головке, отрыва от нее элементов под действием на них центробежной силы, соударения элементов между собой и со стенками рабочей камеры 2. В качестве ферромагнитных элементов выбирают ферромагнитные элементы, обладающие высокой механической прочностью и износоустойчивостью, например, в виде неравноосных игольчатых роликов из высокоуглеродистой хромистой стали ШХ-15. Скорость вращения магнитных головок выбирают исходя из массы отдельного ферромагнитного элемента и усилия, препятствующего отрыву по касательной, которое обеспечивает магнитная головка с данным типом элементов, таким образом, чтобы усилие, создаваемое центробежной силой, действующей на ферромагнитный элемент, превышало усилие его удержания магнитной головкой. Так, для ферромагнитного тела диаметром 1 мм, длиной 15 мм, массой 0,1 г, при измеренном усилии удержания 1,8 Н, и головке диаметром 50 мм минимальная скорость вращения, при которой ферромагнитный элемент гарантированно отрывается от головки, составляет 8000 об/мин. Оптимальная величина превышения рабочей скорости над минимальной скоростью отрыва определяется экспериментально и зависит от вида обрабатываемого сырья.
Вихревые слои ферромагнитных элементов, создаваемые головкой 4 и головкой 5, двигаются во встречных направлениях, сталкиваются между собой, образуя встречно-вихревой слой ферромагнитных элементов.
Энергия соударения ферромагнитных элементов определяется их относительной скоростью в области соударения элементов, отделившихся от встречно вращающихся головок. Скорость сближения элементов во встречно-вихревом слое возрастает вдвое (в сравнении со скоростью сближения элемента и неподвижной стенки рабочей камеры), а энергия соударения элементов возрастает пропорционально квадрату скорости, что приводит к увеличению интенсивности воздействия встречно-вихревого слоя ферромагнитных элементов на обрабатываемое сырье.
В рабочую камеру 2, заполненную ферромагнитными элементами, через входной патрубок 12 поступает обрабатываемое сырье. Движущиеся с большой скоростью во встречно-вихревом слое ферромагнитные элементы воздействуют на обрабатываемое сырье. Выходной продукт покидает рабочую область, проходя через отверстия в перфорированной пластине 8 и отверстия 10 в упорной пластине 9.
Установленные с зазором пластины 8 и 9 исключают попадание ферромагнитных элементов в выходную камеру 6. Обработанное сырье после очистки от возможных осколков ферромагнитных элементов с помощью магнита, входящего в состав пробки 11, выводится из аппарата через выходной патрубок 13.
Аппарат ВВС может обрабатывать сырье в жидком или в сыпучем виде, а подачу сырья, его обработку и удаление обработанного сырья можно выполнять в непрерывном или циклическом режиме.
Аппарат ВВС предназначен преимущественно для механического измельчения сыпучих веществ, получения тонких и сверхтонких порошков, гомогенизации суспензий. Наибольшую эффективность аппарат демонстрирует при работе с мелкими (менее 0,5 мм) фракциями сырья.
Результатом воздействия является измельчение входной фракции и/или гомогенизация суспензии. Время работы определяется экспериментально, в зависимости от требуемого соотношения входной и выходной фракций, вязкости суспензии и других параметров исходного сырья и требуемого выходного продукта.
В заявляемом изобретении формируется встречно-вихревой слой ферромагнитных элементов с увеличенной скоростью взаимодействия и энергоемкостью соударений элементов друг с другом и с обрабатываемым сырьем, что повышает производительность обработки сырья.