СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОЙСТВ ВИХРЕВОГО ПОТОКА И ПРИМЕНЕНИЯ ВИХРЕВОГО СЕПАРАТОРА-КОНФУЗОРА Российский патент 2013 года по МПК B04C5/00 

Изобретение является одним из способов, предназначенным для разделения механических смесей, содержащих частицы различных компонентов с отличающимися массовыми показателями, использующим свойства вихревого потока и реализуемым в описываемом новом устройстве. Вихревые методы обработки материалов сегодня широко известны, например вихревые сепараторы, приведенные в монографии (Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение в технике», Самара, 1997 г.). Известно свойство вихревых потоков в процессе своего движения разделяться и формировать под действием центробежных сил, сил давления, гравитационных сил, из более плотных частиц потока периферийные слои, а из менее плотных осевые слои (Кузнецов В.И., «Теория и расчет эффекта Ранка». Омск, Изд. ОМГТУ, 1994 г.; 217 с.). Имеются конструкторские решения для управления и разделения потоков механических смесей. Например, изобретение к патенту №2379121 «Вихревой центробежный сепаратор». Заявка 2008148699/15, 10.12.2008 г. В нем говорится об устройстве, которое относится к конструкциям возвратно-прямоточных центробежных сепараторов, связанных с разделением механических смесей. Предлагаемый сепаратор содержит вертикально расположенный цилиндрический корпус, в верхней части которого имеется тангенциальный патрубок для ввода потока, выхлопной патрубок для отвода газа. Патрубок, для удаления дисперсной фазы, расположен в нижней части вертикального корпуса. Внутри вертикального корпуса установлен внутренний цилиндр, снабженный закрепленными к его стенке полыми усеченными конусами и обратными конусами, расположенными с зазором к этой стенке. Обратные и полые усеченные конусы установлены с чередованием друг друга. Над местами крепления полых конусов в стенке выполнены щели, расположенные в шахматном порядке относительно щелей над соседним полым конусом, а на внешней поверхности стенки с зазором к ней над каждой щелью закреплены отсекатели. У нижнего торца внутреннего цилиндра размещен кольцевой желоб для сбора жидкости с переливными трубами.

Патент РФ на изобретение №2160636, Мкл. № В02В 3/00, устройство для шелушения зерновых материалов, включающее: питатель для подачи зерна, воздуховод, выполненный в виде вихревой трубы, соединенный с питателем.

Недостатками известных способов и устройств являются: относительная сложность технологического процесса, на котором базируется способ, уникальность проектирования и изготовления, громоздкость оборудования, высокая стоимость.

Известно о новом варианте сепаратора, содержащего вихревую трубу, одну или несколько конических обечаек, соосных с вихревой трубой и в которых происходит разделение компонентов сепарируемых смесей, а также патрубки для подвода сырья и отвода продуктов переработки (патент РФ на изобретение №2326740, RU, C1, МПК, B04C 3/00, «Сепаратор», зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 20 июня 2008 г.).

Механические смеси могут быть в газообразном, жидком состоянии, сыпучей смеси твердых частиц. Частицы компонентов, обрабатываемых механических смесей, как правило, различаются по своей массе, плотности, размерам.

Задачей настоящего изобретения является упрощение способа обработки механических смесей, упрощение конструкции, надежность, экономичность в применении способа и, непосредственно, в процессе эксплуатации оборудования.

Поставленная задача решается путем использования свойств вихревых потоков механических смесей и создания на этой основе принципиально нового способа разделения механических смесей с помощью формирования встречных основному потоку закрученных потоков, их отводу, т.е. управлению ими в пространстве.

Раскрытие изобретения.

Предлагаемый способ обработки механических смесей и устройство, в котором он реализуется, предназначены для разделения механических смесей на составляющие компоненты, в соответствии физическим свойствам частиц компонентов.

Способ предполагает синхронное взаимодействие элементов используемого устройства для разделения механических смесей на фракции и компоненты, вытекающим из выполнения условия неразрывности потока, геометрических параметров и пространственного расположения элементов в предлагаемой технологической последовательности. Устройство включает:

1. емкость произвольной геометрической формы (цилиндр, куб, шар и т.д.), или нагнетательное силовое оборудование (насос, компрессор, вентилятор);

2 сопловой канал, с корректирующим скорость, соплом;

3. вихревой сепаратор-конфузор, который, в свою очередь, содержит: коническую обечайку, соосную с вихревой трубой, одетой внахлестку большим основанием на выходной торец цилиндрической вихревой трубы или на посадочное место у меньшего основания предыдущего сепаратора-конфузора, стенку с центральным осевым отверстием, которое соразмерно наружному диаметру вихревой трубы или посадочному диаметру предыдущего сепаратора-конфузора, если их несколько звеньев, жестко соединенную с вихревой трубой (или предыдущим сепаратором-конфузором), конической обечайкой, и закрывающей собой больший торец конической обечайки;

4. завихритель, разнообразного конструктивного исполнения. Например, предлагается модель сопловой трубы, ускоряющей поток, соединяющей тангенциально емкость с начальной частью вихревой трубы;

5. вихревая труба, размеры которой - диаметр и длина рассчитываются согласованно с размерами емкости, завихрителя с учетом физических свойств и состояния обрабатываемой механической смеси, в целях обеспечения необходимых параметров: неразрывности, напора, расхода и закрутки вихревого потока обрабатываемой смеси;

6. отводные каналы, раздельно:

один боковой - для компонентов с частицами более плотными, который жестко соединяется с боковой стороной конической обечайки вихревого сепаратора-конфузора через отверстие в ней,

7. другой центральный отводной канал - для компонентов с частицами менее плотными, жестко соединенный с конической обечайкой возле центрального отверстия в меньшем основании вихревого сепаратора-конфузора.

Устройство работает следующим образом. При соответствующем полном давлении в емкости (поз.1) смесь поступает в сопловой канал. В емкости объем смеси постоянно пополняемый, при сохранении первоначального полного давления. Основное требование - соблюдение принципа неразрывности потока. Поток в сопловом канале (поз.2) разгоняется до необходимой скорости и поступает в завихритель (поз.4). При протекании смеси через завихритель формируется вихревой поток. Закрученный поток движется по вихревой трубе (поз.5) и поступает в вихревой сепаратор-конфузор (поз.3), в котором происходит разделение и отвод частиц потока в соответствии их физических и аэродинамических свойств. Частицы компонентов с высокой плотностью располагаются в периферийных слоях закрученного потока. При касании наклонной стенки конфузора они затормаживаются.

Затем, прижатые центробежными силами к внутренней стороне конической обечайки, под влиянием перепада давления, меняют направление своего осевого движения на обратное направление, продвигаются к большему основанию конфузора и, через боковое отверстие в конической обечайке, поступают в канал отвода плотных частиц сепаратора-конфузора (при нескольких сепараторах конфузорах в канал №1, 2, j-ого (поз.6)). Менее плотные частицы располагаются возле оси и продолжают движение в технологическом процессе по центральному осевому отводу продуктов переработки (поз.7).

Описание взаимодействия входящих узлов и деталей дополняет «Принципиальная технологическая схема разделения механических смесей на основе использования свойств вихревого потока и применения вихревого сепаратора-конфузора», фиг.1.

Используемые в описании способа и на схеме обозначения.

1 - Емкость, произвольной формы.

2 - Сопловой канал, с корректирующим скорость, соплом.

3 - Вихревой сепаратор-конфузор.

4 - Завихритель.

5 - Цилиндрическая вихревая труба.

6 - Отводной канал плотных частиц компонентов смеси конфузора.

7 - Центральный осевой отвод частиц компонентов, менее плотных.

Осуществление способа. Осуществление способа заключается в изготовлении предложенной технологической схемы и устройства. Емкость, силовое оборудование типовое, путепроводы, контрольно-измерительная аппаратура - типовые. В качестве емкости и нагнетателя возможно использование типовых насосов, компрессоров, вентиляторов и т.д. Новыми деталями в способе являются тангенциальное корректирующее сопло, вихревой сепаратор-конфузор, изготовление которых возможно в каждой мастерской. Сам вихревой сепаратор-конфузор является усовершенствованной моделью «Сепаратора», описанного в патенте на изобретение №2326740, RU, C1, МПК, В04С 3/00, «Сепаратор», и реализован в действующих лабораторных образцах. Устройство, использующее предлагаемый способ обработки механических смесей, не содержит вращающихся механических частей, предполагает малые габариты, низкие энергозатраты, простоту и надежность в эксплуатации. Способ и устройство могут найти эффективное применение практически во всех отраслях хозяйствования: нефтепереработке и нефтедобыче, переработке зерновых, очистке водоемов и т.д.

Изобретение предназначено для разделения механических смесей. В вихревом способе разделения смесь непрерывно подают из емкости в сопловой канал, с сохранением постоянства полного давления в ней, пропускают смесь через сопло, расположенное тангенциально к вихревой трубе, для формирования закрученного потока, который затем поступает по вихревой трубе в вихревой сепаратор-конфузор, в котором, при последующем синхронном взаимодействии всех элементов устройства вихревой сепаратор-конфузор, вытекающем из условия неразрывности потока, происходит разделение механической смеси. Частицы компонентов с высокой плотностью под действием центробежных сил располагаются в периферийных слоях закрученного потока, при касании наклонной стенки конфузора эти частицы затормаживаются, прижимаются к внутренней стороне конической обечайки и, под влиянием перепада давления в сепараторе-конфузоре, изменяют направление своего осевого движения на обратное, продвигаются к большему основанию конфузора, создавая, таким образом, встречный закрученный поток, который выводят в канал отвода конфузора-сепаратора. Частицы с меньшей плотностью располагаются в приосевых слоях потока и их выводят в центральный осевой отвод сепаратора-конфузора. Технический результат: надежность, экономичность, упрощение конструкции. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство разделения механической смеси, включающее:
емкость произвольной формы, содержащую постоянно пополняемый объем механической смеси, подлежащей обработке;
тангенциально к вихревой трубе расположенный сопловой канал,
завихритель,
цилиндрическую вихревую трубу;
вихревой сепаратор-конфузор, который включает в себя:
- коническую обечайку, соосную с вихревой трубой, соединенную жестко, внахлестку, торцом большего диаметра с выходным торцом корпуса вихревой трубы с помощью стенки;
- стенку, закрывающую больший торец оболочки, имеющую центральное осевое отверстие, соизмеримое с наружным диаметром выходного торца вихревой трубы,
- выходное боковое отверстие в конической обечайке для частиц наиболее плотных или тяжелых компонентов обрабатываемой смеси, причем для оставшейся части компонентов смеси выходным отверстием является центральное выводное отверстие, которое находится в меньшем торце конической обечайки на одной оси с вихревой трубой;
отводной канал плотных частиц компонентов смеси конфузора;
центральный осевой отвод менее плотных частиц компонентов смеси.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстие, предназначенное для вывода наиболее плотных частиц входящего в смесь компонента, изготовлено в стенке, закрывающей торец большего диаметра конической обечайки.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что содержит дополнительные конические обечайки с 1, 2,…,j отводами, которые соединены между собой последовательно, внахлестку таким способом, что каждый большой торец последующей конической обечайки закрыт стенкой с осевым отверстием, диаметр которого соответствует диаметру посадочного места предыдущей конической обечайки.

4. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве емкости-накопителя механической смеси используется насос или иной нагнетатель, подающий механическую смесь, подлежащую обработке, с избыточным давлением в потоке.

5. Вихревой способ разделения механической смеси с использованием устройства разделения механической смеси по п.1, в котором механическую смесь непрерывно подают из емкости в сопловой канал с сохранением постоянства полного давления в ней, пропускают смесь через сопло, расположенное тангенциально к вихревой трубе, для формирования закрученного потока, который затем поступает по вихревой трубе в вихревой сепаратор-конфузор, в котором, при последующем синхронном взаимодействии всех элементов устройства вихревой сепаратор-конфузор, вытекающем из условия неразрывности потока, происходит разделение механической смеси, при этом частицы компонентов с высокой плотностью под действием центробежных сил располагаются в периферийных слоях закрученного потока, при касании наклонной стенки конфузора эти частицы затормаживаются, прижимаются к внутренней стороне конической обечайки и под влиянием перепада давления в сепараторе-конфузоре изменяют направление своего осевого движения на обратное, продвигаются к большему основанию конфузора, создавая таким образом встречный закрученный поток, который выводят в канал отвода конфузора-сепаратора, а частицы с меньшей плотностью располагаются в приосевых слоях потока, которые выводят в центральный осевой отвод сепаратора-конфузора.