УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИХРЕВОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Устройство для вихревого диспергирования материалов.
Полезная модель относится к вихревому измельчению материалов и может быть использована для высокопроизводительного тонкого измельчения хрупких веществ, преимущественно в пищевой, строительной, горнорудной, химической, и др. отраслях промышленности.
Известно устройство для вихревого измельчения материалов, включающее камеру с течкой для ввода исходного материала, патрубок подачи энергоносителя, патрубок вывода целевого продукта и генераторы газодинамических возмущений вихревого потока, см. SU, N 1282894, М. кл. В02С 19/00, 1983 1.
Недостатком устройства является невысока достижимая тонкость помола, низкая производительность и эффективность, что обусловлено большими энергетическими затратами.
Известно также газодинамическое устройство, включающее вихревую камеру со средствами подачи исходного материала, патрубки подачи энергоносителя и патрубок вывода целевого продукта, (см. патент US N 3648936, кл. В02С 19/06, 1970, 2) - прототип полезной модели.
Недостатками прототипа являются низкая эффективность и неоднородность по величине частиц диспергированного целевого продукта, что обусловлено пульсациями давления, возникающих в вихревом потоке при подаче в него материала и малым временем пребывания в камере диспергируемого материала. Кроме того, энергия вихря непроизводительно затрачивается на разгон частиц материала, попадающих в осевую зону вихря, которые разгоняются с нулевой до конечной скорости и уносятся из камеры не полностью разрушившись.
Из уровня техники известно, что вихревые потоки обладают свойством усиления возмущения давления нерезонансной природы, обусловленным запаздывающей по времени обратной связью колебаний давления на периферии вихря с вызвавшими их колебаниями окружной составляющей скорости, что, в свою очередь, связано с эффектом «запоминания вихрем переданных к нему возмущений. Коэффициент усиления колебания зависит в основном от времени запаздывания реакции вихря на внешние возмущения может неограниченно возрастать при определенных условиях. Это свойство вихря используется при разработке новых устройств, например, центробежных демпферов и фильтров колебаний давления.. (подробнее об этом, см. книгу Н. С. ЛАМЕКИНА «КАВИТАЦИЯ,ТЕОРИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ, Москва, РУСАКИ 2000, стр. 137-144).
В вихревых камерах, основным фактором возникновения пульсаций вихревого потока является его возмущение при вводе диспергируемого материала. Эти пульсации существенно влияют на процесс диспергации и однородность по величине частиц диспергированного материала. Существующие конструкции узлов для ввода материалов в вихревую камеру не обеспечивают равномерности поступления материалов к вихревую камеру, что приводит к пульсациям давления в вихревом потоке, которые, при определенных условиях, могут многократно усиливаться.
Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение эффективности измельчения и уменьшение неоднородности дисперсного состава целевого продукта.
Решение указанной задачи осуществлено за счет того, что устройство для диспергации материалов, содержащее вихревую камеру, с каналами подачи газообразного рабочего агента, патрубками подачи исходного материала и вывода целевого продукта, согласно полезной модели, вихревая камера выполнена, по крайней мере, двухступенчатой с отдельным вводом диспергирующего газообразного агента в каждую ступень диспергации, которые выполнены в виде, соосных предварительной и основной вихревых камер, по оси которых установлено общее центральное тело с подвижно установленными на нем тарельчатыми вьютупами, расположенными в выходных областях этих камер с образованием проходных зазоров и кольцевого питательного канала, посредством которых основная и предварительная камеры сообщень между собой.
В предпочтительных вариантах выполнения, основная и предварительная камеры соединены с возможностью относительного осевого перемещения; основная вихревая камера снабжена двумя соосными предварительными вихревыми камерами и выходной камерой, установленных на торцевых поверхностях основной вихревой камеры, причем выходная камера расположена между основной и одной из предварительной камер и сообщена с основной камерой посредством питательной втулки снабженной ограничительным экраном, при этом по оси камер установлено общее центральное тело с тарельчатыми выступами, расположенными на выходе каждой камеры с образованием регулируемых проходных зазоров между этими выступами и внутренними поверхностями каждой камеры; центральное тело дополнительно снабжено тарельчатыми отражателями, установленными напротив входов в основную камеру; питательная втулка установлена подвижно, с возможностью изменения величины осевого зазора
между ее выходным срезом и поверхностью оппозитного тарельчатого отражателя, при этом ограничительный экран подвижно закреплен на питательной втулке с возможностью изменения зазора между ним и поверхностью основной камеры; тарельчатые выступы центрального тела выполнены подвижными с возможностью регулирования их положения на центральном теле; тарельчатые выступы центрального тела установлены с образованием регулируемых проходных зазоров с внутренними поверхностями соответствующих камер и перекрытием, в плане, кольцевых проходных сечений каналов ввода диспергируемого материала в основную камеру; вводы диспергирующего газообразного дополнительно снабжены средствами для регулирования его расхода в каждой камере.
Предложенная полезная модель обеспечивает возможность получения диспергированного материала с заданной тониной помола, что обусловлено двухэтапной обработкой материала, на заключительном этапе которой, предварительно грубо диспергированный материал обрабатывается в стабилизированном вихревом потоке до монодисперсного состояния. Это позволяет повысить эффективность обработки и обеспечивает возможность получения порошков для производства материалов с заданными свойствами.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
На фиг.1- схематично изображен общий вид варианта выполнения устройства (продольный разрез); на фиг2- тоже (вариант выполнения).
Устройство для диспергации материалов, см. фиг. 1, состоит из соосно соединенных между собой с возможностью относительного перемещения, основной 1 и предварительной 2 вихревых камер. Кроме того, на камере 1 может быть соосно установлена (с противоположной стороны от предварительной камеры 2).выходная камера 3. Основная 1 и предварительная 2 камеры выполнены с отдельными каналами, соответственно, 4 и 5, для ввода диспергирующего газообразного агента, подключенных к напорным линиям 6 и 7 подачи этого агента. Выходная камера 3 снабжена выходным каналом 8. По оси основной и предварительной камер 1 и 2 установлено центральное тело 9 с тарельчатым выступом 10, расположенным в объеме предварительной камеры 2 в области ее выхода. Кроме того, на центральном теле 9 может быть установлен тарельчатый выступ 11, расположенный в объеме основной камеры 1, в области выхода из нее в выходную камеру 3. Целесообразно, чтобы тарельчатые выступы 10 и 11 были подвижно установлены на центральном теле 9 с возможностью регулирования проходных зазоров с внутренними поверхностями основной и предварительных камер. Ввод исходного материала в предварительную камеру 2 осуществляется по каналу 12 и окна 13, выполненные в концевой части центрального тела 9. Канал 12 подключен к линии 14 - ввода исходного материала.
В варианте выполнения, см. фиг 2, на основной вихревой камере 1, дополнительно установлена соосная предварительная камера 15 с каналом 16 для ввода диспергирующего агента, подключенного к напорной линии 17. Между основной камерой 1 и предварительной камерой 2 соосно установлена выходная камера 3 с выходным каналом 8.
В этом варианте, на центральном теле 9 подвижно закреплены тарельчатые выступы 10 и 11, размещенные в выходных областях предварительных вихревых камер 2 и 15. Ввод диспергируемого материала осуществляется через канал 12 и окна 13, выполненные в концевых частях центрального тела 9. Ввод диспергируемого материала из предварительной вихревой камеры 2 в основную камеру 1, осуществляется по питательной втулке 18, снабженной подвижным экраном 19, установленным на питательной втулке 18, с возможностью регулирования величины проходного зазора в выходную камеру 3. Кроме того, на центральном теле дополнительно установлены тарельчатые отражатели 20 и 21, установленные напротив обоих вводов диспергируемого материала из предварительных камер 2 и 15 в основную камеру 1.
Предпочтительно, чтобы во всех вариантах вихревые камеры были выполнены с возможностью относительного осевого перемещения, что обеспечивается, например, резьбовым соединением. Кроме того, центральное тело, тарельчатые выступы и экраны, а также питательная втулка выполнены с резьбовыми соединениями, что обеспечивает возможность регулирования режима работы устройства в зависимости от обрабатываемого материала и требуемой тонины диспергации. Для облегчения поворота камер, предусмотрены рычаги 22-30.
Работа вариантов устройств осуществляется следующим образом.
Исходный дробленный материал, по каналу 14, через окна 13 подается в предварительную камеру 2, в осевую зону пониженного давления вихря диспергирующего агента. При этом, куски материала захватываются вихревым потоком диспергирующего агента и вовлекаются в
вихревое движение, многократно соударяясь между собой и стенками камеры. Это приводит к их измельчению на более мелкие куски, которые имеют более высокую скорость движения чем крупные. Этот процесс многократно повторяется и приводит к диспергации материала. Кроме того, при косом ударе частиц между собой и стенками камеры происходит абразивная эрозия контактных поверхностей частиц. Также возникает ряд вторичных, сопутствующих эффектов, в частности возникновение скачков уплотнений газообразного диспергирующего агента при обтекании диспергируемых частиц материала, широкий спектр ультразвуковых колебаний, локальные циркуляции и т.д., которые способствуют диспергации материала. Далее, предварительно диспергированный материал поступает через проходной зазор между тарельчатым выступом 10 и внутренней поверхностью камеры 2 в основную камеру 1, где вышеописанный процесс диспергации повторяется. Диспергированный материал в виде газопылевого потока, поступает в проходной зазор между тарельчатым выступом 11 и внутренней поверхностью камеры 2 и далее в выходную камеру 3, откуда в сборник материала(условно не показан). В этом варианте, за счет тарельчатых выступов 10 и 11 на входе и выходе камеры 1 создаются дополнительные аэродинамические сопротивления с образованием подпоров давления, что стабилизирует вихревой поток в камере 1, создавая этим условия для равномерной обработки поступающего в нее материала. Кроме того, пульсации давления, возникающие в вихревом потоке предварительной камеры 2, при загрузке диспергируемого материала гасятся в проходном зазоре, образованном тарельчатым выступом 10 и кольцевом питательном канале, образованном центральным телом 9 с внутренней поверхностью переходной области сочленения камер, чем обеспечивается равномерная подача материала в камеру 1 и его равномерная обработка до монодисперсного состояния. Центральное тело 9, размещенное по оси камер 1 и 2 позволяет ликвидировать зону малых абсолютных скоростей и газодинамических неустойчивостей по оси вихря и повысить, за счет этого, эффективность диспергации.
При работе устройства по второму варианту выполнения, предварительная диспергация материала осуществляется одновременно в двух предварительных камерах 2 и 15. Ввод предварительно диспергированного материала из этих камер в основную камеру 1 осуществляется через проходные зазоры между тарельчатыми выступами 10 и 11 центрального тела 9 и внутренними поверхностями камер 2 и 15. За счет питательной втулки 18 диспергированный материал из камеры 2 подается в камеру 1 минуя выходную камеру 3. Столкновение оппозитных потоков материала из камер 2 и 15 предотвращается тарельчатыми отражателями 20 и 21, которые отбрасывают частицы материала к периферии камеры 1 и при необходимости могут быть использованы (при регулируемом осевом перемещении) в качестве дополнительных регулирующих средств, например, для регулирования скорости расхода материала из кольцевых каналов 31 и 32.
Соотношения расходов диспергирующего газообразного агента через основную и дополнительные камеры, для первого варианта, устанавливается из условия: ,5-0,7Vn где,
VQ и Vn - расходы газообразного диспергирующего агента через основную и предварительную вихревые камеры. Для второго варианта - из условия: SVe - Vi+V2+ Vs где, VB- суммарный расход газообразного диспергирующего агента, через все вихревые камеры; ,10,15Ув - расход газообразного диспергирующего агента, подаваемого в предварительную вихревую камеру, примыкающую к камере вывода диспергированного материала; ,2-0,3Vв расход газообразного диспергирующего агента, подаваемого во вторую предварительную вихревую камеру; ,5-0,7VB - расход газообразного диспергирующего агента, подаваемого в
основную вихревую камеру.
Указанные соотношения, определенны экспериментально и оптимальны для большинства материалов. При меньших или больших значениях расходов агента в камерах, чем в указано в приведенных соотношениях, нарушается баланс давлений и работа камер. Это приводит или к пульсирующему выбросу порошка с неравномерно обработанными частицами, или к забиванию камер и аварийной остановке процесса диспергации. Регулировку подачи диспергирующего газообразного агента осуществляется на напорных линиях его подачи, посредством регулировочных средств 33-37.
В зависимости от обрабатываемого материала и требуемой тонины диспергации, в обоих вариантах выполнения предусмотрена возможность тонкой настройки работы вихревых камер, которая осуществляется за счет относительного перемещения основной и предварительных камер, а также регулирования величины зазоров, образованных тарельчатыми выступами центрального тела, питательной втулки и отражательными экранами.
В отличие от существующих, предложенное устройство решают проблему вихревой обработки материала с получением порошка фракции требуемой тонины помола и обеспечением высокопроизводительной и эффективной работы. Целевым продуктом обработки является порошок с содержанием до 90% монодисперсной фракции диспергированного материла. Такие порошки можно использовать, например, при создании новых материалов с заданными свойствами.