ВИХРЕВАЯ МЕЛЬНИЦА Российский патент 2003 года по МПК B02C19/06 

Изобретение относится к области техники для измельчения материалов в вихревых камерах и может быть использовано для тонкого измельчения полидисперсных материалов в различных отраслях промышленности, например горнорудной, химической, строительной, энергетической, пищевой, медицинской.

Известна вихревая мельница [1] для измельчения материала, содержащая цилиндрическую помольную камеру, тангенциальные резонаторы Гельмгольца и перемещаемые патрубки для подачи материала, энергоносителя и вывода продуктов помола (А.С. СССР 1282894, кл. В 02 С 19/06, 1983).

Известно также газодинамическое устройство [2] для вихревого измельчения материала, содержащее помольную камеру, снабженную средствами для подачи исходного материала, каналами для подачи энергоносителя и патрубком для вывода целевого продукта, которое дополнительно содержит газоструйные излучатели высокого давления и при этом каждый канал подачи энергоносителя связан с полостью помольной камеры через соответствующий газоструйный излучатель (ЕР 0004 В1, В 02 С 19/06, 19/08, 1997).

Известна также вихревая мельница [3], состоящая из двух камер - камеры измельчения, в которой вихрь создается поступающей в нее тангенциально струей газа, и отборной камерой, из которой измельченный продукт отводится через тангенциальный патрубок, а материал для измельчения поступает в центральную часть камеры измельчения через трубку из бункера.

Известна также вихревая мельница [4] (Патент США 4018388, В 02 С 19/06, 1977) с камерой измельчения цилиндрического типа, в которой вращающийся вихрь создается газовыми струями, вводимыми в камеру под углом к ее радиусу, измельчаемый материал подается в центральную часть вихря, а измельченный продукт отводится через отдельный выходной патрубок отборочной камеры.

Общим недостатком рассмотренных устройств является ограниченный диапазон возможных давлений в рабочей камере и, как одно из следствий, - ограниченный спектр возможных режимов измельчения. Это затрудняет подачу некоторых видов материалов в зону измельчения и ограничивает производительность измельчителя.

В качестве прототипа изобретения выбрана вихревая мельница [4]. Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании прототипа и аналогов, является наличие связи объема камеры измельчения с атмосферой через канал загрузки сырья, а также отсутствие специальных средств поддержания оптимального соотношения давлений в разных областях вихревой мельницы.

Основной технической задачей, решаемой изобретением, является расширение спектра допустимых режимов работы вихревых мельниц, а также уменьшение потерь исходного материала и конечного продукта и повышение производительности.

Дополнительной решаемой задачей является создание удобного устройства, позволяющего производить исследования разных (в том числе нетиповые) режимов работы вихревых мельниц и сопутствующие измельчению процессы.

Поставленная задача решается комплексно путем объединения загрузочной системы, системы отвода измельченного материала и камеры измельчения в единой конструкции, обеспечивающей изоляцию внутренних полостей устройства от атмосферы, разделение устройства на специализированные камеры, обеспечивающие близкие к оптимальным условия происходящим в них стадиям процесса измельчения, создание в этих камерах необходимых рабочих давлений, саморегулировку соотношения этих давлений, непрерывную подачу материала через загрузочный патрубок в нужную зону камеры, а также выбор оптимального режима работы устройства в целом.

Комплексный подход к поставленной задаче позволил существенно улучшить технико-экономические характеристики вихревой мельницы - как работы основного измельчающего узла, так и процесса измельчения в целом.

Практический опыт измельчения материалов в вихревых мельницах показывает, что для разных технологических процессов оптимальные конструктивные особенности вихревой мельницы могут быть различными. Это связано, например, с особенностью процесса измельчения материалов, обладающих различными физическими свойствами, с требуемым дисперсным составом продуктов измельчения, с оптимальными экономическими показателями (часто себестоимость продукта может быть значительно уменьшена за счет снижения требований к его качеству). Предложенная схема построения вихревых мельниц обладает достаточной гибкостью и позволяет менять или приспосабливать конструктивные особенности вихревой мельницы в соответствии с требуемыми условиям эксплуатации.

Конструктивно предложенная вихревая мельница разделена на три камеры: камеру измельчения, осевую отборочную камеру и бункерную камеру. Таким образом, предложена трехкамерная вихревая мельница. В каждой из камер поддерживается оптимальное рабочее давление. При этом давление в камерах согласуется за счет воздуховода, соединяющего специально выбранную зону осевой отборочной камеры с бункерной камерой, и за счет места расположения выходного конца загрузочного патрубка в камере измельчения. Указанная зона выбирается на основании структуры распределения давлений во вторичном вихре, образующемся в осевой отборочной камере, с учетом обеспечения необходимого перепада давлений между бункерной камерой и местом ввода измельчаемого материала в камере измельчения. Место оптимального расположения выходного конца загрузочного патрубка определяется рабочим режимом вихревой мельницы. В устройстве предусмотрен юстировочный механизм настройки этого расположения, а само расположение выбирается в каждом конкретном случае (для конкретного режима измельчения) исходя из следующих обстоятельств.

Если камера измельчения имеет достаточно много входных и выходных патрубков, симметрично распределенных вдоль ее периметра, как, например, в устройстве [4], то образующийся в ней вихрь симметричен относительно оси вращения и в окрестности оси камеры измельчения возникает зона пониженного давления, в которую обычно подается материал для измельчения. В этом случае выходной конец загрузочного патрубка располагают по оси камеры измельчения - в зоне минимального давления, что одновременно минимизирует его влияние на течение внутри камеры. Если же эта камера имеет, например, только один входной и один выходной патрубок, как, например, в устройствах [1-3], то для многих режимов вихревого течения ядро вихря (а следовательно, и зона пониженного давления) смещено относительно оси камеры. Поскольку диаметр зоны пониженного давления невелик, то это накладывает ограничение на проходное сечение загрузочного патрубка, что в ряде случаев неоправданно уменьшает расход подаваемого материала, препятствуя повышению производительности измельчителя. Если патрубок размещен на оси, то смещение зоны пониженного давления от оси усугубляет этот процесс. Для компенсации рассматриваемого фактора загрузочный патрубок смещают в сторону от оси в зону минимального давления.

Влияние глубины ввода загрузочного патрубка внутрь камеры измельчения может оказаться существенным при некоторых режимах работы, поскольку вихревое ядро имеет не строго цилиндрическую форму, а вводимый материал дополнительно искажает структуру течения, что сказывается как на его способности переноситься из ядра вихря в зону измельчения и на траектории перемещения из ядра, так и на общем характере течения газа в камере измельчения. В простейшем случае выходной конец загрузочного патрубка вводится на глубину половины высоты камеры измельчения (вдоль ее оси). Более тщательная настройка глубины погружения производится на основании экспериментальных данных индивидуально для каждого режима измельчения.

На фиг. 1 показан общий вид вихревой мельницы; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1. На фиг.4 показана компоновка вихревой мельницы с увеличенным размером бункерной камеры, имеющей с осевой отборочной камерой общий торец. На фиг.5 показана конструкция, выполняющая роль юстировочного устройства для оптимизации зоны ввода материала в камеру измельчения, и место его расположения в вихревой мельнице.

Схематически устройство представлено на фиг.1. Оно состоит из камеры измельчения 1, осевой отборочной камеры 2, бункерной камеры 3 с размещенной в ней системой подачи исходного измельчаемого материала - бункером 4 и дозатором 5.

Камера измельчения цилиндрического типа имеет один глухой торец 6 и один торец с осевым отверстием 7, входной 8 и выходной 9 патрубки, расположенные на ее боковой цилиндрической поверхности под углом к радиусу камеры измельчения (вдоль хорды или по касательной к цилиндрической поверхности). Выходной патрубок 9 может отсутствовать. Входных и выходных патрубков может быть несколько. Камера измельчения может быть оснащена дополнительными элементами, улучшающими ее функционирование, например резонаторами типа профилированной полости на боковой поверхности 10 или типа выступа 11 на внутренней поверхности входного патрубка.

Осевая отборочная камера, предпочтительно цилиндрической формы, сопряжена своим торцом с камерой измельчения и соединена с ней через осевое отверстие в торце камеры измельчения. Эта камера имеет на боковой поверхности выходной патрубок 12. Выходной патрубок 12 предпочтительно расположен под углом к ее радиусу (вдоль хорды или по касательной к цилиндрической поверхности) и ориентирован в сторону, противоположную входному патрубку камеры измельчения относительно ее оси (фиг.1). Допустимо исполнение осевой отборочной камеры с нижней частью в форме конуса 13 и сопряжением только по периметру осевого отверстия 7 камеры измельчения.

Бункерная камера 3 может иметь произвольную форму. Предпочтительно она имеет цилиндрическую форму. Бункерная камера может быть одним из своих торцов сопряжена с осевой отборочной камерой, как показано на фиг.1, или быть механически не связана с ней. Бункерная камера соединена с осевой отборочной камерой посредством воздуховода 14 через пневморегулировочное отверстие 15 в торце осевой отборочной камеры, противоположном осевому отверстию камеры измельчения 7. Расстояние от оси пневморегулировочного отверстия до оси камеры измельчения больше радиуса осевого отверстия камеры измельчения. Бункерная камера соединена с центральной частью камеры измельчения загрузочным патрубком 16, проходящим через осевое отверстие 7 камеры измельчения. Воздуховод 14, изображенный на фиг.1, может иметь вырожденный вид, когда отверстие 15 выполняет одновременно и роль воздуховода - фиг.2.

Внутри бункерной камеры размещен дозатор 5 для подачи измельчаемого материала через загрузочный патрубок 16 в центральную зону камеры измельчения из размещенного в ней же бункера для измельчаемого материала 4. Специальных требований к бункеру и дозатору не предъявляется, однако их конструкции не должны перекрывать сплошными перегородками бункерную камеру (в любом ее месте должно быть одинаковое давление). На фиг.1 изображен в качестве примера простейший вариант бункера и дозатора, когда дозатором является калиброванное отверстие 17 в конусообразном днище бункера, а сыпучий материал вытекает из него под действием силы тяжести.

Выходной конец 18 загрузочного патрубка 16 в центральной части камеры измельчения может располагаться на разной глубине вдоль ее оси и быть смещенным относительно оси на заданное расстояние. Для установки смещения средняя часть загрузочного патрубка 16 (фиг.3) выполнена с резьбой 19. На него навинчены два диска 20, имеющие посередине осевое отверстие с ответной резьбой. Образованная таким образом конструкция охватывает юстировочное отверстие 21 в торце осевой отборочной камеры, противоположном осевому отверстию 7 камеры измельчения. Указанная торцевая стенка оказывается размещенной между дисками, навинченными на загрузочный патрубок. Юстировочное отверстие 21 имеет достаточный размер для перемещения загрузочного патрубка в плоскости торца осевой отборочной камеры (больше местного внешнего диаметра загрузочного патрубка), а диски, навинченные на загрузочный патрубок, имеют диаметр больший, чем радиус указанного юстировочного отверстия 21. При необходимости дополнительно устанавливается уплотнительная прокладка 22 под верхним или над нижним диском.

Устройство функционирует следующим образом. Через входной патрубок камеры измельчения в нее подают газ посредством создания избыточного давления. При достижении критического уровня расхода газа в камере измельчения образуется устойчивое вихревое течение. Это течение имеет достаточно сложную пространственную структуру. В осредненном виде его можно представлять как спиралевидное турбулентное вихревое течение, направленное от края к центру. При этом в центральной зоне камеры измельчения образуется ядро вихря с пониженным давлением. Часть газа вместе с измельченным материалом выходит через тангенциальный выходной патрубок (если он предусмотрен в конкретном исполнении конструкции камеры измельчения), а часть - через осевое отверстие камеры измельчения.

Наличие в камере дополнительных элементов (например, резонаторов) увеличивает локальную неоднородность течения и полей давления в ней, что способствует повышению эффективности измельчения. Они могут также влиять на осредненную структуру течения.

Через осевое отверстие газ со взвешенным в нем измельченным материалом поступает в осевую отборочную камеру и далее в ее выходной патрубок. Поступающий из осевого отверстия газ имеет сильную завихренность и в осевой отборочной камере образуется вихревое течение. Благодаря вихревому течению в осевой отборочной камере происходит активная сепарация взвешенных в газе частиц материала к боковым стенкам камеры. Основная масса материала концентрируется в окрестности ее торцевой поверхности, прилегающей к осевому отверстию камеры измельчения, и у боковой поверхности. В остальной части камеры концентрация взвешенных частиц материала значительно ниже. Кроме того, среднее давление в камере плавно растет вдоль радиуса от центра к боковой поверхности.

Основной поток воздуха вместе с измельченным материалом из осевой отборочной камеры поступает в ее выходной патрубок. Небольшая часть воздуха, относительно чистого, поступает через пневморегулировочное отверстие в бункерную камеру. Так как среднее давление в торцевой пристеночной зоне осевой отборочной камеры, удаленной от оси, превышает давление на ее оси, то в бункерной камере создается необходимое избыточное давление относительно центральной части камеры измельчения. Выбором расстояния от оси до этой зоны можно задать наиболее оптимальный перепад давления для подачи материала в камеру измельчения. Обычно этот перепад должен быть небольшим, но препятствующим возникновению обратных потоков газа из камеры измельчения в бункерную камеру. При необходимости его можно сделать достаточно большим, например, для активной подачи материала под давлением. Поток газа из осевой отборочной камеры в бункерную камеру компенсирует также небольшой возможный расход газа (в зависимости от конструктивных особенностей) в атмосферу из бункерной камеры, предотвращая потерю давления в ней. Диаметр пневморегулировочного отверстия и сечения воздуховода от него целесообразно делать небольшим, обеспечивающим только необходимый расход газа, но и не чрезмерно маленьким во избежании частых засорений. При большом проходном сечении может образоваться значительный поток газа, что изменит структуру течения, как в осевой отборочной камере, так и в камере измельчения. Вблизи боковой поверхности осевой отборочной камеры концентрация измельченного материала, взвешенного в потоке газа, максимальна, поэтому для уменьшения проникновения частиц уже измельченного материала в бункерную камеру пневморегулировочное отверстие в отборочной камере располагают на некотором расстоянии от боковой стенки.

Структура вихревого потока в осевой отборочной камере и среднее давление в ней могут изменяться в зависимости от конструкции и ориентации ее выходного патрубка. В зависимости от этого может измениться и режим течения в камере измельчения. Наименьшее влияние на режим течения в камере измельчения достигается при расположении выходного патрубка осевой отборочной камеры в сторону тангенциальной составляющей вихревого течения в ней, то есть в сторону, противоположную ориентации входного патрубка камеры измельчения под углом к ее радиусу (по хорде или по касательной к боковой поверхности).

Специальных требований к дозатору измельчаемого материала не предъявляется. Основное его назначение - поддерживать необходимый расход материала из бункера через загрузочный патрубок в центральную зону камеры измельчения. Расположение бункера и дозатора в бункерной камере, организованной вышеуказанным образом, обеспечивает наиболее благоприятные условия для подачи измельчаемого материала через загрузочный патрубок и упрощает минимально необходимую конструкцию дозатора, исключая из его обязательных функций согласование давлений. Одновременно появляется возможность работы устройства при давлении внутри его камер, значительно превышающем атмосферное давление, без дополнительных изменений конструкции.

Установку выходного конца загрузочного патрубка в зону минимального давления, находящуюся в центре вихря в камере измельчения, осуществляют следующим образом (фиг.3). Смещение загрузочного патрубка от оси производят при увеличенном зазоре между дисками 20, вертикальные перемещения загрузочного патрубка осуществляют за счет резьбы на нем и дисках, фиксацию положения производят уменьшением зазора между дисками до зажима ими торцевой стенки (диски работают как гайка и контргайка). Диски одновременно герметизируют юстировочное отверстие 21.

Следует специально отметить особую роль промежуточной камеры (осевой отборочной камеры) для получения разности давлений между бункерной камерой и центральной частью камеры измельчения. В камере измельчения велики как градиенты давления, так и концентрация материала в газовом потоке. Структура вихря в осевой отборочной камере иная, чем в камере измельчения, а его интенсивность меньше. В результате достигается необходимый небольшой перепад давления между бункерной камерой и центральной частью камеры измельчения (ядром вихревого потока в последней) и, одновременно, достигается минимизация попадания частиц измельчаемого материала из камеры измельчения в бункерную камеру. Минимизируется также дополнительное влияние на структуру потока в камере измельчения.

К основным достоинствам устройства следует отнести малую чувствительность к величине аэродинамического сопротивления отводящих воздуховодных трактов. Это позволяет, например, устанавливать на его выходе циклоны меньшего диаметра и с большим коэффициентом осаждения, что особенно существенно для осаждения наиболее тонких фракций измельченного продукта. Не возникает также трудностей с установкой дополнительных фильтров тонкой очистки.

Весь поток газа и смеси газа с частицами измельчаемого материала организован в замкнутом пространстве, не связанном с атмосферой. Это позволяет создавать на его базе установки замкнутого типа, позволяющие работать с разными типами газов, в том числе с более плотными газами, с инертными газами или с химически активными газами. Это же дает возможность измельчать специфические вещества, например, обладающие повышенной химической активностью.

Поскольку рабочее пространство устройства является замкнутой системой, то давление газа в нем можно сделать существенно отличающимся от атмосферного. Повышенное давление газа обеспечивает повышение его плотности и, как следствие, более эффективный разгон измельчаемого материала до необходимых скоростей измельчения и более эффективное изменение траекторий частиц в потоке, что обеспечивает повышение качества измельчения, уменьшение удельной энергоемкости и повышение производительности устройства без изменения его геометрических размеров. В некоторых специальных случаях может потребоваться, наоборот, пониженное давление в устройстве.

Замкнутость рабочего пространства позволяет создавать разрежение во всех выходных каналах устройства, за счет чего может быть увеличена скорость газового потока в нем и таким образом повышена эффективность измельчения. В устройствах с открытым в атмосферу осевым отверстием разрежение можно создать только в тангенциальном выходном канале.

Разделение устройства на три рабочие камеры позволяет управлять давлением в каждой из них, обеспечивая одновременно повышение эффективности измельчения и создавая специфические условия функционирования отдельных узлов. Например, в бункерной камере создаются условия для эффективной работы дозатора исходного материала. Таким образом можно наиболее эффективно сконфигурировать каждую камеру для выполнения ее основных функций.

Реализуемый в устройстве способ создания разности давлений между центральной частью камеры измельчения и бункерной камерой позволяет существенно упростить средства автоматизации управления распределением давлений в устройстве при различных режимах его работы.

Источники информации
1. Вихревая мельница. - А.С. СССР 1282894, В 02 С 19/06, 1983.

2. Устройство для вихревого измельчения материалов. - ЕР 0001 В1, 6 В 02 С 19/06, 23/08, 1996.

3. Вихревая мельница (http://www.itp.nsc.ru/koi8/priklad/priklad07.htm - проверено 21.12.01).

4. Jet-type Axial Pulverizer - Патент США 4018388, В 02 С 19/06, 1977.

Изобретение предназначено для тонкого измельчения полидисперсных материалов. Вихревая мельница содержит камеру измельчения цилиндрического типа, входные и выходные патрубки, бункерную камеру, соединенную с осевой отборочной камерой посредством воздуховода через пневморегулирующее отверстие, бункерная камера соединена с центральной областью камеры измельчения через загрузочный патрубок и содержит внутри бункерной камеры бункер и дозатор измельчаемого материала. Изобретение позволяет расширить спектр допустимых режимов работы вихревых мельниц и уменьшить потери материала и повысить производительность. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Вихревая мельница с камерой измельчения цилиндрического типа и с осевой отборочной камерой, соединенными через осевое отверстие в торце камеры измельчения, содержащая входные и выходные патрубки, из которых по крайней мере один входной патрубок расположен на боковой поверхности камеры измельчения под углом к ее радиусу и по крайней мере один выходной патрубок расположен на боковой поверхности осевой отборочной камеры, и содержащая загрузочный патрубок, отличающаяся тем, что дополнительно содержит бункерную камеру, соединенную с осевой отборочной камерой посредством воздуховода через пневморегулирующее отверстие в противоположном осевому отверстию торце осевой отборочной камеры, причем расстояние от оси этого отверстия до оси камеры измельчения больше радиуса осевого отверстия камеры измельчения, и соединенную с центральной областью камеры измельчения через загрузочный патрубок, и содержит внутри бункерной камеры бункер и дозатор измельчаемого материала. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что загрузочный патрубок установлен по оси камеры измельчения. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что загрузочный патрубок установлен со смещением от оси камеры измельчения вдоль ее радиуса на величину, меньшую радиусу осевого отверстия. 4. Устройство по п. 1, 2 или 3, отличающееся тем, что в противоположном осевому отверстию торце осевой отборочной камеры выполнено юстировочное отверстие, диаметром, большим внешнего диаметра загрузочного патрубка, дополнительно содержит два диска радиусом, большим диаметра юстировочного отверстия с резьбовыми отверстиями в центре, расположенные соосно по разные стороны юстировочного отверстия, а загрузочный патрубок выполнен с наружной резьбой и ввинчен в диски с возможностью установки направления и величины его смещения вдоль оси и по радиусу камеры измельчения.