СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНО-ВИХРЕВОЙ ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ И АППАРАТ ЦЕНТРОБЕЖНО-ВИХРЕВОЙ
METHOD FOR CENTRIFUGAL WHIRLING OF RAW MATERIAL AND CENTRIFUGAL WHIRLING APPARATUS

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.
В качестве прототипа для заявляемых способа и аппарата, соответственно, приняты способ обработки сырья, реализованный в аппарате вихревого слоя (ABC) по книге: 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. 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 основу настоящей группы изобретений положена задача создать способ центробежно-вихревой обработки сырья и аппарат центробежно-вихревой для его осуществления, которые позволили бы упростить формирование вихревого движения ферромагнитных элементов, воздействующих на обрабатываемое сырье, уменьшить массогабаритные характеристики аппарата и снизить энергозатраты при его эксплуатации.
Применительно к способу задача решается тем, что в способе центробежно-вихревой обработки сырья, который заключается в формировании в рабочей камере движения ферромагнитных элементов, воздействующих на обрабатываемое сырье, согласно изобретению, рабочую камеру выполняют в виде чаши, в верхней части которой 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 чаши, при этом скорость вращения магнитной головки устанавливают из условия, чтобы усилие, создаваемое центробежной силой, действующей на ферромагнитный элемент, превышало усилие его удержания магнитной головкой.
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 центробежно-вихревому (АЦВ) задача решается тем, что в аппарате центробежно-вихревом, содержащем рабочую камеру с ферромагнитными элементами, согласно изобретению рабочая камера выполнена в виде съемной чаши, состыкованной с нижней частью корпуса аппарата, в верхней части чаши размещена создающая постоянное магнитное поле магнитная головка, кинематически соединенная приводом с валом электродвигателя, при этом привод заключен в гильзу, закрепленную внутри корпуса аппарата, который снабжен перегородкой и двумя патрубками, расположенными диаметрально на боковых сторонах корпуса аппарата.
Технический результат достигается также тем, что:
- чаша выполнена конусообразной, узкой частью вверх;
- электродвигатель установлен в верхней части корпуса аппарата;
- привод выполнен в виде шпиндельного узла, вал которого с одной стороны соединен муфтой с валом электродвигателя, а с другой стороны - с магнитной головкой, при этом шпиндельный узел закреплен снизу гайкой к гильзе;
- магнитная головка содержит постоянный магнит, снабженный магнитопроводящей защитной пластиной от воздействия мелющих тел и закрепленный с помощью немагнитного уплотнительного кольца в магнитопроводе, обеспечивающем передачу магнитного потока от магнита к рабочим телам, при этом магнитопровод одновременно является крепежным элементом магнитной головки с приводом и элементом динамического уплотнения;
- в качестве постоянного магнита применен магнит с аксиальным направлением магнитного поля;
- магнитная головка выполнена съемной;
- перегородка выполнена из двух полуперегородок, расположенных между внутренней стенкой корпуса и наружной стенкой гильзы, при этом плоскость перегородки перпендикулярна оси патрубков;
- корпус аппарата снабжен кронштейном для его крепления в вертикальном положении к несущей раме;
- корпус аппарата снабжен хомутом для соединения чаши с корпусом аппарата.
Технический результат обеспечивается введением в рабочую камеру, выполненную в виде чаши, магнитной головки, вращающейся с большой скоростью и создающей постоянное магнитное поле с величиной напряженности, обеспечивающей центробежно-вихревое движение ферромагнитных элементов за счет их притяжения к магнитной головке, отрыва от нее ферромагнитных элементов под действием на них центробежной силы, соударения ферромагнитных элементов между собой и со стенками чаши.
Термин «центробежно-вихревой» для обозначения заявляемых способа и аппарата для обработки сырья введен авторами, так как он наиболее полно отражает предложенный процесс формирования движения ферромагнитных элементов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - разрез АЦВ по вертикали;
на фиг. 2 - сечение А-А АЦВ, представленного на фиг. 1;
на фиг. 3 - сечение Б-Б АЦВ, представленного на фиг. 1;
на фиг. 4 - разрез по вертикали магнитной головки;
на фиг. 5 - фотография расположения ферромагнитных элементов на магнитной головке.
На фиг. 1-5 введены обозначения:
1 - чаша;
2 - ферромагнитный элемент;
3 - корпус аппарата;
4 - магнитная головка;
5 - привод;
6 - вал электродвигателя;
7 - электродвигатель;
8 - фланец;
9 - гильза;
10 - первый патрубок;
11 - второй патрубок;
12 - перегородка;
13 - ось патрубков;
14 - шпиндельный узел;
15 - вал шпиндельного узла;
16 - муфта;
17 - манжета;
18 - гайка;
19 - магнит;
20 - защитная пластина;
21 - уплотнительное кольцо;
22 - магнитопровод;
23 - элемент динамического уплотнения;
24 - динамическое уплотнение;
25 - хомут;
26 - кронштейн.
Описание способа центробежно-вихревой обработки сырья совместим с описанием аппарата центробежно-вихревого для его осуществления.
Аппарат центробежно-вихревой содержит (см. фиг. 1-3) рабочую камеру, которая выполнена в виде чаши 1, содержащей ферромагнитные элементы 2. На фиг. 1 условно показан один элемент. Фотография расположения ферромагнитных элементов 2 на магнитной головке приведена на фиг. 5.
Чашу 1 предпочтительно выполняют конусообразной, узкой частью вверх, и состыковывают с нижней частью корпуса 3 аппарата. Чаша 1 не имеет требований по магнитным свойствам и выполняется из любого материала походящей твердости. В верхней части чаши 1 размещена создающая постоянное магнитное поле магнитная головка 4, кинематически соединенная приводом 5 с валом 6 электродвигателя 7. Предпочтительным является крепление электродвигателя 7 в верхней части корпуса 3, например, с помощью фланца 8. Привод 5 заключен в гильзу 9, закрепленную внутри корпуса 3, которая изолирует привод 5 от обрабатываемого сырья. Корпус 3 снабжен двумя патрубками 10 и 11 для ввода/вывода сырья, которые расположены диаметрально на боковых сторонах корпуса аппарата, и перегородкой 12, которая разделяет входное сырье и выходной продукт. Перегородка 12 выполнена из двух полуперегородок, расположенных между внутренней стенкой корпуса 3 и наружной стенкой гильзы 9, при этом плоскость перегородки 12 перпендикулярна оси 13 патрубков.
Привод 5 может быть выполнен, например, в виде шпиндельного узла 14, верхний конец вала 15 которого соединен муфтой 16 с валом 6 электродвигателя, а нижний конец, уплотненный манжетой 17, соединен с магнитной головкой 4, при этом шпиндельный узел 14 закреплен снизу гайкой 18 к гильзе 9.
Магнитная головка 4 может быть выполнена как на основе электромагнита, так и на основе постоянного магнита. Предпочтительным является выполнение магнитной головки 4 на основе постоянного магнита. На фиг. 4 приведен вариант выполнения магнитной головки 4 с магнитом 19 в виде диска с аксиальным направлением магнитного поля. Штрихпунктирной линией показано полюсное деление данного магнита. Полюса обозначены условно, то есть N и S могут быть поменяны местами. Магнит 19 снизу снабжен магнитопроводящей защитной пластиной 20 от воздействия ферромагнитных элементов 2 и закреплен с помощью немагнитного уплотнительного кольца 21 в магнитопроводе 22, обеспечивающем передачу магнитного потока от магнита 19 к ферромагнитным элементам 2. При этом магнитопровод 22 одновременно является крепежным элементом магнитной головки 4 с приводом 5 и элементом 23 динамического уплотнения 24, выполненным в виде резьбы, которая при вращении магнитной головки 4 выталкивает обрабатываемое сырье из зазора между магнитопроводом 22 и нижней частью гайки 18. Для обеспечения замены магнитная головка 4 выполнена съемной.
Корпус 3 аппарата снабжен хомутом 25 для быстрого соединения с чашей 1 и кронштейном 26 для его крепления в вертикальном положении к несущей раме.
В чашу 1, заполненную ферромагнитными элементами 2, через один из патрубков поступает обрабатываемое сырье. Патрубки по назначению взаимозаменяемы. Примем для определенности, что патрубок 10 является входным, а патрубок 11 - выходным. Вращающаяся магнитная головка 4 обеспечивает центробежно-вихревое движение ферромагнитных элементов 2 за счет их притяжения к магнитной головке 4, отрыва от нее элементов 2 под действием на них центробежной силы, соударения элементов 2 между собой и со стенками чаши 1. В качестве ферромагнитных элементов 2 выбирают ферромагнитные элементы, обладающие высокой механической прочностью и износоустойчивостью. На фиг. 5 в качестве примера приведена фотография расположения на магнитной головке ферромагнитных элементов в виде неравноосных игольчатых роликов из высокоуглеродистой хромистой стали ШХ-15 при снятой чаше после окончания обработки сырья.
Скорость вращения магнитной головки 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.
Движущиеся с большой скоростью ферромагнитные элементы 2 воздействуют на обрабатываемое сырье. Выходной продукт удаляется через патрубок 11. Перегородка 12 разделяет входной и выходной потоки. Аппарат 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 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 за счет упрощения формирования вихревого движения ферромагнитных элементов, воздействующих на обрабатываемое сырье, отсутствуют имеющиеся у прототипа - аппарата вихревого слоя значительные и принципиально неустранимые потери энергии, что снижает энергозатраты при эксплуатации АЦВ.
Упрощение формирования вихревого движения ферромагнитных элементов и конструкции АЦВ приводит также к значительному уменьшению массогабаритных характеристики АЦВ.