ГИДРОКАВИТАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ-ДИСПЕРГАТОР СУСПЕНЗИИ Российский патент 1997 года по МПК B01F7/16 

Изобретение относится к механизмам и машинам, используемым для смешения и диспергации суспензий, содержащих мелкие частицы твердых водонерастворимых минеральных веществ, например, для активации водоцементной смеси в производстве бетона, а также для диспергации предварительно измельченных биологических веществ, главным образом растительного происхождения для их дальнейшего измельчения с целью увеличения удельного выхода из диспергированной массы извлекаемого в последующем техпроцессе полезного продукта. Например, масла из семян, сахара, крахмала, лекарственных веществ и т.п. Кроме того, устройство может быть применено для приготовления из исходных компонентов суспензий, например, молока, питательных смесей и т.п.

Загрузка в этих случаях может иметь как циклический характер, так и непрерывный.

Широко известны устройства для приготовления смесей из цемента с водой. В нем происходит загрузка компонентов в камеру смешения, имеющую форму вертикального цилиндрического корпуса с коническим днищем, внутри которого размещена мешалка с приводом [1, 2]
Известна конструкция смесителя, в котором происходит измельчение и активация смеси с целью получения требуемых ее свойств, например, установкой в камере ультразвуковых излучателей [3]
Недостатком известной конструкции является малая производительность и длительный период приготовления активированной водометной суспензии, поэтому встраивание этого участка в действующее производство приводит к снижению производительности.

Известна конструкция гидрокавитационного смесителя-диспергатора суспензии о расположенную цилиндрическую камеру с коническим днищем, верхнюю крышку с загузочным патрубком и приводом установленного соосно камере вала ротора мешалки диспергатора с закрепленным консольно на его нижней части суперкавитирующим винтом, сливное устройство с клапаном, кинематически связанным с приводом, и монтажно-эксплуатационные узлы [4]
Недостатками известной конструкции, выявленными при опытных испытаниях являются:
недопустимо малая стойкость нижнего узла шарикоподшипника вала из-за попадания в него водоцементной суспензии, имеющей абразивные свойства и появления динамических автоколебательных поперечных нагрузок, действующих на суперкавитирующий винт при разбалтывании подшипников;
негерметичность клапана слива и недостаточная площадь его проходного сечения из-за малого хода тарели и ее наклоном при открытии;
устройство ввода воды и цемента, совмещенные в единый блок, не обеспечивают приемлемых значений времени ввода в камеру исходных компонентов, обусловленных образованием сгустков (комков), не успевающих разрушиться к моменту завершения процесса активации;
в смесительной камере отсутствует устройство стабилизации внутренних потоков, что ухудшает эксплуатационные характеристики,
конструкция винта мешалки по нагрузочной характеристике не согласована с моментной характеристикой электродвигателя, из-за чего асинхронный двигатель не набирает оборотов, соответствующих оптимальным значениям по скольжению вращающегося магнитного поля и перегревается до температуры срабатывания реле тепловой защиты;
время цикла приготовления активированной водоцементной суспензии в установке превышает время цикла работы бетоносмесителя из-за недопустимой длительности операций по заполнению смесительной камеры и сливу суспензии из нее.

В предложенном техническом решении устранены указанные недостатки. Техническим результатом изобретения является улучшение функционально-эксплуатационных характеристик.

Указанная цель достигается тем, что в смесительной камере установлены разделители потока суспензии в виде двух оболочек в форме усеченных конусов, направленных вершинами в противоположные стороны, при этом нижняя оболочка закреплена на коническом днище с помощью пилонов-успокоителей, потока, при этом диаметр корпуса у ее основания меньше диаметра основания верхней оболочки, закрепленной на крышке, а в плане оболочки установлены с радиальным зазором, на боковой поверхности оболочек образованы технологические выемки, а на верхней дополнительно перфорация, вал ротора выполнен из двух сочлененных с помощью разъемной упругой карданной муфты частей, нижней консольной с суперкавитирующим винтом на свободном конце, и верхней, установленной в шарикоподшипниках с многоступенчатой дублированной системой защиты их от попадания суспензии, и передняя кавернообразующая часть лопасти винта выполнена из пристыкованной с торца со стороны набегающего потока твердосплавной пластины в форме трапеции, сужающейся от основания к концу лопасти, плоскость которой в плане закручена так, что ее угол установки к плоскости, перпендикулярной продольной оси винта, уменьшается при увеличении радиуса сечения, в центральной части камеры смещения в зоне расположения разъемной муфты выполнен монтажный люк, закрытый крышкой, и сливное устройство выполнено моноблочным, тарель его клапана кинематически связана со штоком с помощью сферической самоцентрирующей опоры и рычажно-параллелограмного механизма с возможностью плоско-параллельного перемещения штока сферической опоры, при этом внутренняя полость сливной трубы соединена дренажным патрубком с полостью смесительной камеры.

Многоступенчатая дублированная система защиты подшипников выполнена в виде резинометаллических манжет, центробежного импеллера на нижнем конце вала, размещенного в корпусной части узла нижнего подшипника, средства поддува полости между импеллером и расширяющейся частью ротора с помощью двух последовательно соединенных жиклеров дросселя воздушной магистрали, и магистрали безрасходного поддува замкнутой внутренней полости ротора между подшипниками, соединенной с дросселем. В карданной муфте упругий элемент выполнен в форме круглой плоской пластины из пружинной стали с четырьмя осесимметричными отверстиями в ней и четырьмя радиальными разрезами по ним, которая сочленена с карданными вилками валов с помощью четырех прижимных сегментов, стянутых невыпадающими болтами, при этом на консольной части вала образован технический буртик.

Лопасти суперкавитационного винта удовлетворяют соотношению:

где: R₁; R₂ радиусы лопастей винта у основания и на конце;
b₁; b₂ ширина кавернообразующей плоскости лопасти у основания и на конце;
Q объем смесительной камеры;
Z число лопастей;
K 0,0015 0,0025 комплексный параметр,

В седле клапана и тарели установлены уплотнительные кольца, при этом угол конусности седла клапана и тарели составляет 55^o 165^o к продольной оси, ход тарели составляет 0,35 0,4 диаметра седла в свету, а площадь проходного сечения клапана в узком сечении в нормали к линиям тока составляет 0,03 0,04 площади цилиндрической части камеры по венутреннему диаметру.

Относительные размеры конических разделителей потоков суспензии в камере составляют: для верхней перфорированной оболочки по меньшему диаметру (0,3 - 0,45) диаметра D цилиндрической части камеры, больший диаметр оболочки равен (0,7 0,8)D, относительная суммарная площадь отверстий перфорации составляет 0,3 0,4 величины полной поверхности оболочки, для нижней оболочки больший диаметр составляет (0,6 0,7)D, меньший диаметр равен (1,1- 1,15) диаметра винта, при этом расстояние между двумя оболочками по высоте равно (0,03 - 0,08)D.

На фиг. 1 дана схема технического решения; на фиг. 2 роторная часть устройства; на фиг. 3 вид сверху на упругий элемент муфты; на фиг. 4 - смесительная камера; на фиг. 5 компоновка клапана слива; на фиг. 6 винт мешалки кавитатора; на фиг. 7 винт в поперечном сечении.

Гидрокавитационный смеситель-диспергатор содержит вертикально расположенную цилиндрическую камеру 1 с коническим днищем 3, верхнюю крышку 5 с загрузочными патрубками 6 и электроприводом 11, ротора 12. Вал ротора установлен соосно камере и имеет закрепленный консольно на его нижней части суперкавитирующий винт, сливное устройство имеет клапан 31, кинематически связанный с его приводом от пневмоцилиндра двойного действия 39.

В предложенном техническом решении установлен разделитель потока суспензии в виде двух оболочек в форме усеченных конусов нижней 9 и верхней 7. Нижняя оболочка закреплена на коническом днище 3 с помощью пилонов 10. На боковой поверхности оболочек образованы технологические выемки, а на верхней дополнительно перфорация 8. Вал ротора выполнен из двух сочлененных с помощью разъемной карданной упругой муфты 24 частей, нижней консольной 22 и верхней 13, установленной в шарикоподшипниках 14 и соединенной с муфтой 15, сочленяющей валы ротора и электропривода. Передняя кавернообразующая часть винта 23 выполнена из пристыкованной твердоспланой пластины 30. В центральной части камеры в зоне расположения разъемной муфты 24 образован монтажный люк 2 закрытый крышкой. Сливное устройство выполнено моноблочным, тарель 33 его клапана кинематически связана со штоком 34 с помощью сферической опоры 35 и рычажно-параллелограммного механизма 36, с возможностью плоско-параллельного перемещения штока сферической опоры 35. Цапфы механизма загерметизированы сильфонными рукавами 38. Полость сливной трубы 4, сообщенной с бетоносмесителем, соединена дренажным патрубком 37 с полостью смесительной камеры. В седле клапана и тарели установлены уплотнительные кольца 40.

Многоступенчатая дублированная система защиты нижнего подшипника вала 13 от попадания в него суспензии выполнена в виде резинометаллических манжет 16, установленных соосно с подшипником 14 в корпусе ротора 12, центробежного импеллера 17 на нижнем конце вала 13 средства поддува "воздушного колокола", образуемого в процессе функционирования между импеллером 17 и расширяющейся частью ротора с помощью двух последовательных жиклеров 18 и 19 дросселя воздушной магистрали питания 20 и магистрали 21 безрасходного поддува замкнутой внутренней полости ротора между подшипниками, соединенной с дросселем.

В карданной муфте 24 упругий элемент 25 выполнен в форме круглой из пружинной стали пластины с четырьмя осесимметричными отверстиями 41 и четырьмя радиальными разрезами 42 по ним, которая сочленена с карданными вилками 26 и 27 валов с помощью четырех пружинных сегментов 28, стянутых невыпадающими болтами.

Устройство работает в циклическом режиме следующим образом.

Через загрузочный патрубок 6 в камеру заливается полный объем воды, после чего включается электродвигатель 11. Спустя некоторое время (0,5 1 сек) как только в камере установится устойчивая циркуляция потока воды, через патрубок 6 в нее подается продукт, подлежащий диспергации, например, цемент, который увлекается закрученным относительно продольной оси потока движущейся вниз воды. Образуемая при попадании продукта в воду первичная смесь, движущаяся по периферии камеры, ускоряет свое движение, попадает в нижнюю часть камеры, где разворачивает свое направление и попадает на винт.

При выходе из зоны вращения винта смесь активно перемешивается и дробится за счет вибровоздействия на нее ударных волн, генерируемых в результате схлопывания искусственных каверн, формируемых лопастями вращающегося винта. Далее поток смеси разветвляется на части, одну проходящую через осевой зазор между оболочками 7 и 9, и другую часть, проходящую через перфорацию 8 в оболочке 7, которые в последующем объединяются в падающий вниз поток, увлекающий новые порции компонентов смеси, подаваемые в камеру. Дросселирование части потока, проходящего через перфорацию в оболочке 7, ламинизирует движение суспензии в верхней части камеры, гасит автоколебания величины расхода через винт, способствует ускорению процесса перемешивания на этапе образования суспензии.

После окончания процесса ввода измельчаемого продукта в камеру этап образования первичной суспензии завершается и в последующее время, многократно циркулируя через винт, суспензия проходит гидрокавитационную обработку в кавитационной камере, приобретая заданные свойства.

В частности, для варианта ввода в смесительную камеру цемента это:
измельчение цементных зерен воздействием складывающих ударных нагрузок, обдирание с зерен гидратных пленок;
дегазация суспензии за счет процесса расширения, агломерации и всплытия воздуха, растворенного в воде, и расширения микропузырьков, прилипших к границам измельченных частиц (зерен) на границах каверны, где давление близко к вакууму.

После завершения процесса измельчения частиц суспензии до требуемого уровня останавливают электродвигатель, открывают клапан сливного устройства и приготовленная суспензия под собственным весом сливается, а на ее место в камеру по дренажному трубопроводу поступает воздух. После слива суспензии клапан сливного устройства закрывается и цикл на этом завершается.

Применение предлагаемой технической установки, например, в промышленности по производству бетона вносит изменения в традиционную технологию. Отличительная особенность такой технологии состоит в подаче в бетоносмеситель к началу его работы воды и цемента (наряду с другими компонентами) не раздельно, а вместе, в виде приготовленной в предлагаемой установке водоцементной суспензии не как механической смеси, а как смеси, активированной гидрокавитационной обработкой с целью придания ее качественно новых полезных свойств.

Опытные испытания на прототипе установки показали, что бетоносмеситель, изготовленная с применением активированной гидрокавитационной обработкой водоцементной суспензии имеет следующие улучшенные характеристики:
повышенная текучесть, которая улучшает схватывание бетоносмеси с ранее уложенным бетоном и с арматурой;
ускоряется процесс твердения бетонной смеси, что требует меньших энергозатрат на тепловлажностную обработку изделий;
существенно повышается плотность структуры и прочность цементного камня и бетона в целом, что позволяет уменьшить содержание цемента в бетоне при сохранении и некотором увеличении прочности.

Сущность изобретения: гидрокавитационный смеситель-диспергатор суспензии включает цилиндрическую камеру 1 с коническим днищем 3, закрытую крышкой 5 с загрузочными патрубками 6, электропривод 11 с муфтой 15 вала ротора 12 с закрепленным консольно на его нижней части суперкавитирующим винтом 23. Сливное устройство имеет клапана 31 с пневмоцилиндром 39. Разделитель потока суспензии выполнен в виде двух оболочек, нижней 9 и верхней 7 и пилонов 10. Вал ротора выполнен из двух частей сочлененных с помощью упругой карданной муфты 24, нижней консольной 22 и верхней 13, установленной в шарикоподшипниках 14. Передняя кавернообразующая часть винта 23 выполнена из пристыкованной твердосплавной пластины 25. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Гидрокавитационный смеситель-диспергатор суспензии для технологического измельчения минеральных и биологических веществ, содержащий вертикально расположенную цилиндрическую камеру с коническим днищем, верхнюю крышку с загрузочными патрубками и электроприводом установленного соосно камере вала ротора мешалки с закрепленным консольно на его нижней части суперкавитирующим винтом, сливное устройство с клапаном, кинематически связанным с его приводом от пневмоцилиндра двойного действия, и монтажно-эксплуатационные узлы, отличающийся тем, что он снабжен разделителями потока суспензии в виде двух оболочек в форме усеченных конусов, направленных меньшими основаниями в противоположные стороны, при этом нижняя оболочка закреплена на коническом днище с помощью пилонов-успокоителей, и диаметр большего основания ее конуса меньше диаметра большего основания конуса верхней оболочки, закрепленной на крышке и выполненной с перфорацией, вал ротора выполнен из двух сочлененных с помощью разъемной упругой карданной муфты частей, нижней консольной с суперкавитирующим винтом на свободном конце, и верхней, установленной в шарикоподшипниках с многоступенчатой дублированной системой защиты их от попадания суспензии, а передняя кавернообразующая часть лопасти винта выполнена из пристыкованной с торца со стороны набегающего потока твердосплавной пластины в форме трапеции, сужающейся от основания к концу лопасти, плоскость которой в плане закручена так, что ее угол установки к плоскости, перпендикулярной к продольной оси винта, уменьшается при увеличении радиуса сечения, в центральной части камеры смешения в зоне расположения разъемной муфты выполнен монтажный люк, закрытый крышкой, и сливное устройство выполнено моноблочным, тарель его клапана кинематически связана со штоком с помощью сферической самоцентрирующейся опоры и рычажно-параллелограммного механизма с возможностью плоскопараллельного перемещения штока сферической опоры, при этом внутренняя полость сливной трубы соединена дренажным патрубком с полостью смесительной камеры. 2. Смеситель-диспергатор по п. 1, отличающийся тем, что многоступенчатая система защиты нижнего подшипника вала от попадания в него суспензии выполнена в виде резинометаллических манжет, центробежного импеллера на нижнем конце, средства поддува полости между импеллером и расширяющейся частью ротора с помощью двух последовательно соединенных жиклеров дросселя воздушной магистрали, и магистрали безрасходного поддува замкнутой внутренней полости ротора между подшипниками, соединенной с дросселем. 3. Смеситель-диспергатор по п. 2, отличающийся тем, что упругий элемент наружной муфты соединения валов ротора мешалки выполнен в форме круглой пластины из пружинной стали с четырьмя осесимметричными отверстиями в ней и четырьмя радиальными разрезами по ним, которая сочленена с карданными вилками валов с помощью четырех прижимных сегментов, стянутых невыпадающими болтами. 4. Смеситель-диспергатор по п. 1, отличающийся тем, что в нем линейные размеры лопасти суперкавитирующего винта удовлетворяют соотношению

где R₁, R₂ радиусы лопастей винта у основания и на конце;
b₁, b₂ ширина кавернообразующей плоскости лопасти у основания и на конце;
Q объем смесительной камеры;
Z число лопастей;
К 0,0015 0,0025 комплексный параметр. 5. Смеситель-диспергатор по п. 1, отличающийся тем, что относительные размеры конических оболочек разделителей потоков суспензии в камере составляют для верхней перфорированной оболочки по меньшему диаметру 0,3 0,45 диаметра D цилиндрической части камеры, больший диаметр оболочки равен (0,7 0,8)D, относительная суммарная площадь отверстий перфорации составляет 0,3 0,4 величины полной поверхности оболочки, для нижней оболочки больший диаметр составляет (0,6 0,7) D, меньший диаметр равен 1,1-1,15 диаметра винта, при этом расстояние между двумя оболочками по высоте равно (0,03 0,08) D. 6. Смеситель-диспергатор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен установленными в седле клапана и тарели уплотнительными кольцами, при этом угол конусности седла клапана и тарели составляет 55 65^o к продольной оси, ход тарели составляет 0,35 0,4 диаметра седла к свету, а площадь проходного сечения клапана в узком сечении в нормали к линиям тока составляет 0,03 0,04 площади цилиндрической части камеры по ее внутреннему диаметру.