СТРУЙНО-ВИХРЕВАЯ КАМЕРА Российский патент 1998 года по МПК B02C19/06 

Изобретение относится к области химической технологии, в частности касается конструирования устройств для измельчения, овализации, механической активации дисперсных материалов в вихревых потоках, и может быть использовано в химической, фармацевтической, электронной, строительной, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны вихревые камеры, иногда называемые центробежными, циклонными, циклонно-вихревыми, которые применяют для создания различного рода мельниц, циклонов и других подобных устройств, например, для измельчения, классификации, сепарации и охлаждения потоков (см. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. - Киев: Наукова думка, 1989, с. 6-8). Они состоят из цилиндрического корпуса, тангенциально расположенного входного патрубка и осевого выходного патрубка. Подобные конструкции удобны для разделения дисперсных систем, но применение этих камер для механической обработки дисперсных материалов не достаточно эффективно, поскольку в них образуются вихри близкие к свободным или потенциальным, а они обладают максимумом тангенциальной скорости потока вблизи оси вращения. В результате, частицы мало контактируют со стенкой камеры и образующийся псевдотурбулентный слой газовзвеси не имеет высокой интенсивности соударений частиц, что значительно снижает эффективность процесса обработки. Кроме того, конструкция этих камер сильно ограничивает технологические возможности создаваемого оборудования и не позволяет широко регулировать параметры ведения процесса.

Известен циклон (заявка Франции N 2544227, МКИ B 04 C 5/13, 1984), аналогичный вышеописанной конструкции, но выполненный с уменьшающимся радиусом кривизны периферийной стенки, который может быть использован для механической обработки дисперсных систем. Данная конструкция является примером очередной модификации классической схемы циклона с тангенциальным вводом и осевым выходом потока, но с целью интенсификации взаимодействия потока и стенки корпус выполнен с уменьшением радиуса кривизны. Данная конструкция не устраняет недостатков циклона, вызванных образованием потенциальных вихрей, а лишь несколько увеличивает интенсивность процесса за счет увеличения центробежной силы.

Помимо этого известна вихревая мельница (патент США N 4502641, МКИ B 02 C 19/12, НКИ 241-5, 1985), содержащая цилиндрический корпус, несколько наклонных патрубков для подачи газовзвеси в камеру и осевой выходной патрубок. Использование нескольких патрубков под наклоном к касательной корпуса позволяет интенсифицировать процесс за счет изменения механизма столкновений частиц. Измельчение в ней происходит за счет соударения частиц в перекрещивающихся потоках, а вихревое движение лишь стимулирует процесс, не являясь основным фактором. Недостатком данного устройства, кроме сложности конструкции, является высокая энергоемкость, обусловленная большими скоростями потоков и нерациональным использованием стенок камеры.

Известна вихревая камера, дополнительно установленная на струйной мельнице (заявка Японии N 60-39421, МКИ 4 B 02 C 19/06, 1985), которая содержит цилиндрический корпус, тангенциальный входной патрубок и осевой выходной патрубок, но дополнительно снабжена тангенциальным патрубком, сонаправленным с потоком. В камере происходит отделение неизмельчившихся частиц от основного потока и их частичное доизмельчение. Установка дополнительного выходного патрубка позволила увеличить эффект столкновения частиц в потоке, но сонаправленность с вихревым потоком приводит к формированию неоптимальной структуры потока и малому времени пребывания материала в камере. Это обуславливает низкую эффективность процесса механической обработки.

Также известны устройства, применяемые для механической обработки, классификации, сушки, сжигания, тепло-массообмена и многих других процессов, представляющие собой цилиндрический корпус с установленными завихрителями различных типов (см. Смульский И.И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. - Новосибирск: Наука, 1992, с. 13-29). Данные устройства формируют вихри близкие к вынужденным, характеризуемым расположением максимума тангенциальной скорости у стенки камеры, что позволяет увеличить интенсивность столкновений частиц со стенкой и в потоке, однако локальное расположение завихрителей уменьшает их эффективность для проведения механической обработки дисперсных материалов. Создаваемые вихревые потоки затухают по мере продвижения по камере, что постепенно снижает эффект взаимодействия частиц со стенкой. Кроме того, в этих конструкциях невозможна сепарация недоизмельченных частиц.

Известен измельчитель, который содержит цилиндрическую помольную камеру, тангенциально расположенный входной патрубок и осевой выходной патрубок. Измельчитель снабжен ограничительным устройством, смонтированным по периметру помольной камеры и выполненным в виде одного витка логарифмической спирали, при этом ближний к периферии камеры конец витка сопряжен со стенкой входного патрубка (авт. св. СССР N 1489831, МКИ 4 B 02 C 19/06, 1989, Б.И. N 24). Установка ограничительного устройства несколько увеличивает эффект взаимодействия частиц со стенкой и между собой. Недостатками этого устройства являются малая эффективность измельчения, из-за низкой интенсивности соударения частиц в вихревом потоке.

Известна вихревая мельница (авт. св. СССР N 1574270, МКИ 5 B 02 C 19/06, 1990, Б. И. N 24), содержащая цилиндрическую помольную камеру, центральную течку для подачи исходного материала, тангенциальные патрубки для подачи энергоносителя и вывода готового продукта. Патрубок вывода готового продукта расположен на боковой стенке и смещен вверх относительно патрубка подачи энергоносителя. Такое положение выходного патрубка позволяет частично реализовать вынужденное вихревое движение, увеличить интенсивность соударения частиц и осуществить естественную сепарацию частиц материала на выходе. Недостатками данного устройства является низкая производительность и эффективность, кроме того, подобная конструкция ограничивает возможности проектирования оптимальных и компактных конфигураций оборудования. Указанные недостатки обусловлены тем, что расположение и форма входного и выходного патрубков не позволяют сформировать единую структуру движения потока, поскольку образуются локальные встречные вихри у входа и выхода. Это снижает вероятность целевого соударения частиц в потоке. Расположение патрубков входа и выхода не дает возможности проектирования замкнутых тороидальных вихревых камер, которые удобны для создания компактных устройств измельчения.

Процессы механической обработки (измельчение, овализация, активация) дисперсных материалов являются одними из основных в производстве большинства сыпучих компонентов для различных отраслей промышленности.

В настоящее время существует достаточно большое количество различных конструкций вихревых камер, применяемых для механической обработки дисперсных материалов, но все они малоэффективны из-за неоптимальной структуры вихревого потока, что вызвано нерациональным расположением выходного патрубка. Разработка новых эффективных производственных технологий требует создания новых универсальных машин и аппаратов для механической обработки, использующих перспективные принципы работы и конструктивные элементы. Использование динамических эффектов двухфазных вихревых потоков, обеспечивающих самоизмельчение частиц в потоке, представляется одним из наиболее перспективных направлений в разработке оборудования.

Поэтому авторами предлагается струйно-вихревая камера, содержащая корпус, тангенциальный входной патрубок и патрубок для выхода среды, выполненные по всей длине боковой стенки корпуса. Такая форма и расположение патрубков позволяет сформировать внутри камеры устойчивый вынужденный гетерогенный вихрь, неподвижный в осевом направлении, который имеет максимальную скорость потока у стенки корпуса и обеспечивает оптимальное взаимодействие потока со стенкой, что приводит к интенсивному соударению частиц со стенкой, а затем и между собой в слое, характеризуемое высокими показателями по степени механической обработки и эффективности процесса. Кроме того, структура вихря в зоне выхода формирует стабильную аэродинамическую сепарационную зону, которая не позволяет недоизмельченным частицам покинуть камеру.

В предпочтительном варианте выполнения устройство дополнительно предусматривает, что корпус камеры выполняется с уменьшением радиуса кривизны в поперечном сечении и в виде замкнутого тороидального контура.

Уменьшение радиуса кривизны корпуса в поперечном сечении способствует сохранению пристенной скорости вихря по сечению, что ведет к стабилизации процесса механической обработки и увеличивает его эффективность.

Применение тороидальной камеры позволяет создавать более компактные аппараты на ее основе и повысить коэффициент полезного объема.

Сущность технического решения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен фрагмент цилиндрической струйно-вихревой камеры в разрезе.

На фиг.2 показан поперечный профиль струйно-вихревой камеры с уменьшающимся радиусом кривизны. На фиг. 3 представлен предпочтительный вариант - тороидальная струйно-вихревая камера с частичным вырезом.

Струйно-вихревая камера содержит цилиндрический или тороидальный корпус 1, который может выполняться с уменьшающимся радиусом кривизны в поперечном сечении, тангенциально расположенный входной патрубок 2 для подачи среды и выходной патрубок для среды 3 на боковой стенке корпуса, выполненные по всей длине стенки корпуса.

Рассмотрим работу струйно-вихревой камеры на следующем примере. Подача гетерогенной среды (газовзвесь натриевой селитры с объемной концентрацией около 10^-5 и размером частиц до 1000 мкм) осуществляется через тангенциально расположенный патрубок 2. В зависимости от скорости потока реализуется определенный вид механической обработки, при скорости менее 2 м/с происходит активация материала, овализация реализуется в диапазоне скоростей от 2 до 10 м/с, а эффективное измельчение начинается примерно с 10 м/с. Входная струя образует внутри камеры пристенный вынужденный вихрь сложной пространственной структуры. Частицы натриевой селитры, находящиеся в вихревом потоке, частично сталкиваются со стенкой корпуса и это вызывает сильную хаотизацию их движения, что приводит к их интенсивному соударению и эффективной обработке дисперсной фазы. Газ с измельченными частицами выходит через сепарационную зону у выходного патрубка в боковой стенке корпуса, а недоизмельченные частицы (более 20 мкм) в сепарационной зоне отделяются и продолжают движение в вихре. Степень обработки частиц материала регулируется расходом и давлением среды, а также шириной входного и выходного патрубков, которая определяет скорость вихревого движения и время пребывания материала в камере. Пристенная скорость вихревого потока определяет вид, интенсивность и эффективность процесса обработки. При скорости 30 м/с были получены частицы селитры со средним размером около 15 мкм.

Использование предлагаемой струйно-вихревой камеры в промышленных аппаратах для механической обработки дисперсных материалов позволяет снизить энергозатраты, увеличить производительность и качество получаемого продукта. Кроме того, использование этой камеры позволяет создавать компактное универсальное оборудование для проведения различных видов обработки и совмещенных процессов.

Струйно-вихревая камера может быть использована в качестве основного конструктивного узла аппаратов для измельчения, овализации, механической активации дисперсных материалов в химической, фармацевтической, электронной, строительной, пищевой и других отраслях промышленности. В струйно-вихревой камере, содержащей корпус, тангенциальный входной патрубок и патрубок для выхода среды, которые расположены на боковой стенке корпуса, входной и выходной патрубки выполнены по всей длине стенки корпуса. Использование изобретения в промышленных аппаратах для механической обработки дисперсных материалов позволяет снизить энергозатраты, увеличить производительность и качество получаемого продукта. 3 ил.

Струйно-вихревая камера, содержащая корпус, тангенциальный входной патрубок и патрубок для выхода среды, расположенные на боковой стенке корпуса, отличающаяся тем, что входной и выходной патрубки выполнены по всей длине корпуса.