Гидровихревой классификатор

Полезная модель относится к гидровихревым классификаторам тонкодисперсных частиц техногенно-минеральных отходов (ТМО).
Одним из сдерживающих факторов повышения эффективности классификации тонкодисперсных ТМО является недостаточное совершенство техники и технологии, главным образом неэффективность формирования требуемого диапазона размеров улавливаемых фракций микро- наночастиц.
d
d
ч
m
-6
Применение микро- и нано размерных частиц в качестве модифицирующих добавок позволяет получать материалы с уникальными свойствами. Так, использование нано-порошков актуально при создании тугоплавких дисперсно-упрочненных композиционных материалов [2]. Однако для их производства требуемый оптимальный размер наночастиц и его дисперсия должны находится в диапазоне:  = (0,1 – 6)⋅10 м; 3σ = 0,2.
Известно устройство для классификации микро- и наночастиц, состоящее из бункера с исходным материалом гидрофильных и гидрофобных частиц пыли, насоса для подачи влажного газа, струйного насоса, газового сепаратора, патрубка для выхода вниз крупных частиц, имеющих большую скорость витания, патрубка для выхода вверх мелких гидрофобных частиц, имеющих низкую скорость витания [3].
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечивать требуемый диапазон дисперсии медианных размеров ТМО при классификации в связи с большим разбросом характеристик их физико-механических свойств.   Жёсткие требования классификации по дисперсии медианных размеров тонкодисперсных ТМО обусловливают необходимость поиска способов и технических средств, которые в условиях вероятностного распределения физико-механических, геометрических, кинематических параметров микро- и наночастиц могут эффективно их достигать. Для обеспечения качественного сырья в производстве материалов с уникальными свойствами необходима технология, в которой управляющее внешнее воздействие на процесс классификации по дисперсии медианного размера будет автомодельно, т. е. независимо от вероятностных характеристик физико-механических свойств ТМО. Для этого в широком диапазоне необходимо изменять скорость вращательного и поступательного движения капель жидкости.
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому гидровихревому классификатору микро- и наночастиц является устройство для формирования псевдокипящего слоя микро-наночастиц ТМО, включающее в себя загрузочный питатель, смесительную камеру с пористой газораспределительной перегородкой, патрубок для подачи сжатого воздуха, хонейкомб для выравнивания скорости движения частиц и аэратор, снабжённый гидровихревыми форсунками, закручивающими капли жидкости вокруг вектора скорости их поступательного движения [4].
Недостатком вышеуказанного гидровихревого классификатора микро- и наночастиц является неспособность управлять углом раскрытия конуса движения вращающих капель жидкости на выходе из гидровихревых форсунок, тем самым ограничивая возможность расширения области полного смачивания микро- и наночастиц ТМО псевдокипящего слоя, проходящих через зону воздействия на них капель жидкости из гидровихревых форсунок, то есть не позволяя увеличивать вероятность столкновения и коагуляции капель жидкости из гидровихревых форсунок с большим числом микро- и наночастиц, тем самым снижая эффективность классификации и производительность классификатора.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении эффективности классификации и повышении производительности гидровихревого классификатора за счёт расширения области полного смачивания микро- и наночастиц  ТМО псевдокипящего слоя, проходящих через зону воздействия на них капель жидкости, вращающихся по винтовой траектории, образующих коническую поверхность на выходе из гидровихревых форсунок, путём управления углом раскрытия конуса движения вращающих капель жидкости, зависящих от угла наклона винтовой спирали α на внутренней поверхности аэратора и гидровихревых форсунок.
Указанный технический результат полезной модели обеспечивается тем, что в гидровихревом классификаторе тонкодисперсных техногенных минеральных отходов, включающем загрузочный питатель, смесительную камеру с пористой газораспределительной перегородкой, патрубок для подачи сжатого воздуха, хонейкомб для выравнивания скорости движения частиц, аэратор с гидровихревыми форсунками, закручивающими капли жидкости вокруг вектора скорости их поступательного движения, коллектор классификации с бункерами сбора частиц компонентов ТМО по фракциям и бункером для отходов, внутренняя поверхность аэратора выполнена в форме винтовой спирали, угол наклона которой соответствует углу наклона винтовой спирали на входе в гидровихревые форсунки, которые расположены по периметру аэратора таким образом, что направляющая винтовой спирали гидровихревой форсунки является продолжением направляющей винтовой спирали аэратора, при этом угол винтовой спирали α находится в диапазоне 35° ≤α ≤55°.
На фиг. 1 схематично представлен гидровихревой классификатор микро- и наночастиц ТМО.
На фиг. 2 изображено сечение А-А фиг. 1.
На фиг. 3 изображён вид Б
На фиг. 4 изображена 3D-модель гидровихревого стратификатора, показанного на фиг.2
2
3
4
5
6
3
8
7
9
10
9
11
12
13
14
Гидровихревой классификатор тонкодисперсных техногенных минеральных отходов содержит устройство для формирования псевдокипящего слоя микро-наночастиц ТМО 1, загрузочный питатель , установленный над коллектором  классификатора. В смесительной камере  установлены пористая газораспределительная перегородка  и патрубок  для подачи сжатого воздуха и формирования на входе в коллектор  кипящего слоя микро-наночастиц ТМО. На входе в сепаратор  установлен хонейкомб  для выравнивания скорости движения частиц.  По оси сепаратора 8 установлен аэратор  с гидровихревыми форсунками .  Внутренняя поверхность аэратора  выполнена в форме винтовой спирали  с углом наклона α, который соответствует углу наклона винтовой спирали на входе в гидровихревые форсунки. По периметру классификатора расположен коллектор классификации  с бункерами  сбора частиц компонентов ТМО по фракциям, на выходе классификатора установлен бункер  для отходов.
2
4
5.
6
3
7
9
10
9
10
10
10
12
12
13
14
d
d
d
ч
m
m
-6
В гидровихревом классификаторе микро- и наночастицы из загрузочного питателя  непрерывно направляются в смесительную камеру , ограниченную газораспределительной газовой перегородкой  По патрубку  под слой микро- и наночастиц ТМО подают сжатый воздух. Сжатым воздухом микро- и наночастицы аэрируют до псевдосжиженного состояния и подают через входной коллектор  в выравнивающий хонейкомб  на входе в классификатор. Через гидропривод аэратора , где жидкость, двигаясь по винтовой спирали, поступает в гидровихревые форсунки , в которых переходит в каплевидное состояние с вращением вокруг вектора их поступательной скорости. Благодаря тому, чтовнутренняя поверхность аэратора выполнена в форме винтовой спирали, угол наклона которой соответствует углу наклона винтовой спирали на входе в гидровихревые форсунки, существенно снижаются гидродинамические потери энергии вращательного движения капель жидкости по спирали при переходе из аэратора в гидровихревые форсунки , что увеличивает кинетическую энергию вращательного движения капель жидкости, способствуя увеличению угла раскрытия конической поверхности по которой они движутся выходя из гидровихревых форсунок . Двигаясь по конической поверхности с большим углом раскрытия на выходе из гидровихревых форсунок  вращающиеся по винтовой спирали капли жидкости с одной стороны увеличивают вероятность столкновения, то есть коагуляции в процессе смачивания с большим число микро- и наночастиц ТМО. При этом до определенного угла раскрытия конической поверхности действия Кориолисовой силы и гироскопического эффекта стабилизируют траекторию движения коагулированных микро- наночастиц ТМО в направлении коллектора , повышая эффективность классификации. Однако, с ростом угла раскрытия конуса, то есть уменьшения угла винтовой спирали α, возрастают гидродинамические потери кинетической энергии вращательного движения коагулированных микро- и наночастиц ТМО, что снижает производительность классификатора. Таким образом, подбирая в зависимости от требуемого медианного диметра и дисперсии классифицируемых микро- и наночастиц ТМО оптимальное значение угла раскрытия винтовой спирали α достигается обеспечение прироста эффективности классификации и производительности классификатора по отношению к прототипу. Коагулированные микро- и наночастицы ТМО заданного диаметра и дисперсии по соответствующим траекториям движения, определяемым инерционными силами, поступают через коллектор классификации  в бункер  сбора микро- и наночастиц, а несмачиваемые частицы поступают в бункер отходов . Проведённые экспериментальные исследования с достаточной вероятностью показали, что в диапазоне: диаметра частиц  = (0,1 – 6)⋅10 м; и дисперсией 3σ = 0,2, где  медианный диаметр частиц оптимальным с позиции эффективности, то есть качеством классификации является угол винтовой линии спирали аэратора и гидровихревой форсунки равный α = 40±5º, а с точки зрения максимальной производительности при заданной выше дисперсией с доверительной вероятностью 0,9⋅α = 50±5º. При углах наклона винтовой спирали менее 35º существенно увеличивается гидродинамическое сопротивление, обусловленное вращательным движением жидкости в аэраторе и гидровихревых форсунках при снижении поступательной скорости капель жидкости. Существенный рост угла раскрытия конуса движения вращающих капель жидкости при снижении их поступательной скорости приводит к снижению эффективности смачивания микро- и наночастиц ТМО по мере их удаления от форсунки. Увеличение угла винтовой линии спирали более 55º приводит к существенному снижению угла раскрытия конуса движения вращающихся капель жидкости, снижая тем самым производительность классификатора. Оптимальные углы наклона винтовой линии спирали позволяют повысить производительность гидровихревого классификатора не менее чем на 7 %, а эффективность классификации, то есть доверительную вероятность дисперсии медианных размеров классифицируемых микро- и наночастиц, на 15 %.
Таким образом, за счёт существенного снижения гидродинамических потерь энергии вращательного движения капель жидкости по спирали при переходе из аэраторав гидровихревые форсунки, увеличение кинетической энергии вращательного движения капель жидкости, роста угла раскрытия конической поверхности по которой они движутся выходя из гидровихревых форсунок, обеспечения расширения области полного смачивания микро- и наночастиц ТМО псевдокипящего слоя, проходящих через зону воздействия на них капель жидкости из гидровихревых форсунок, увеличивается вероятность столкновения и коагуляции капель жидкости из гидровихревых форсунок с большим числом микро- и наночастиц ТМО, и как результат повышается эффективность классификации и производительность гидровихревого классификатора. Указанное позволяет снизить энергозатраты, обусловленные необходимостью многоступенчатости классификации для получения частиц ТМО с заданными геометрическими параметрами и даёт возможность создания уникальных композиционных материалов с требуемыми физико-механическими свойствами.
Список литературы
1. Давыдов С. Я., Апакашев Р. А., Корюков В. Н. Улавливание наноразмерной фракции частиц глинозёмного производства, новые огнеупоры. 2016. №2. С. 12–15.
2. Гордеев Ю. И. Влияние добавок легирующих керамических наночастиц на структурные параметры и свойства твердых сплавов / Ю. И. Гордеев, А. К. Абкарян, Г. М. Зеер [и др.] // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М. Ф. Решетнева. 2013. № 3. С. 174‒181.
3. Патент RU 2696732, опубл. 05.08.2019. Бюл. №22.
4. Н.П. Косарев, В.Н. Макаров, Н.В. Макаров, А.В. Угольников, А.В. Лифанов. Эффективный способ гидровихревой классификации тонкодисперсных техногенных минеральных отходов в горно-металлургическом комплексе. Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. Пермь – 2019 г. – Т.19, №4 – С.388-400. (DOI: 10.15593/2224-923/2019.4.7.)