КАВИТАЦИОННО-ВИХРЕВОЙ ДИСПЕРГАТОР ДЛЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК B01J8/16 B02C19/18 

Изобретение относится к устройствам кавитационного типа для измельчения (диспергации) твердых материалов, разрушения молекулярных связей, и может быть использовано в частности для измельчения ферромагнитных материалов, предназначенных для приготовления магнитореологических жидкостей, применяемых в системах демпфирования вибрации и ударов, а так же в устройствах уплотнений валов и штоков бесконтактного типа, управляемых внешним магнитным полем.

Известно измельчающее устройство, шаровая мельница (Шинкоренко С.Ф. Справочник по обогащению руд черных металлов. - Москва: Недра, 1980. - 527 с), содержащая полый барабан с приводом вращения, внутри которого размещены шары-грузы и измельчаемый материал. Недостатком такой конструкции является ее низкая производительность [Вершинин Н.П. Установки активации процессов. «Использование в промышленности и в сельском хозяйстве. Экология». - Ростов на Дону, 2004, с. 22].

Известен аппарат вихревого слоя (ABC), содержащий проточную цилиндрическую часть с внутренней гильзообразной соосной вставкой и металлическими иголками, охватываемых индуктором, включающим магнитопровод, обмотку и источник электропитания [Вершинин Н.П. Установки активации процессов. «Использование в промышленности и в сельском хозяйстве. Экология». - Ростов на Дону, 2004, с. 42]. Это устройство на операции измельчения в 200 раз производительнее и в 150 раз менее энергоемкое по сравнению с вышерассмотренной шаровой мельницей. Указанные преимущества достигаются благодаря вращению иголок от вращающегося магнитного поля индуктора. При этом они становятся магнитами-диполями, создавая неравномерное магнитное поле со сверхвысокими градиентами напряженности, создавая электрические разряды при соединении и рассоединении иголок (при образовании из иголок замкнутых контуров в них наводится высокая эдс). При вращении этих иголок в жидкости они ее разрывают, создавая кавитационные каверны, которые мгновенно схлопываются, создавая ударные волны, уплотнение энергии в точке схлопывания, обуславливая многократные изменения форм энергии и глубокую деформацию жидкости.

Однако наличие металлических иголок в рабочем процессе и их ударные взаимодействия между собой приводят к их износу и засорению измельчаемого продукта их фрагментами. К тому же процесс кавитации в таком устройстве происходит хаотично и не в полной мере, каверны имеют вытянутую форму (не сферические), вследствие чего при коллапсе происходит не сфокусированный и не фронтальный удар противоположных стенок каверн - эффективность кавитации низка.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, выбранным в качестве прототипа, является вихревой кавитатор, содержащий ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, первая торцевая стенка которого имеет центральное выходное отверстие, вторая торцевая стенка глухая, а обечайка снабжена тангенциальным входным патрубком, лопастной насос с рабочим колесом, всасывающим и нагнетательным патрубками, соединительный трубопровод, а так же подводящий и отводящий патрубки, циклон центральным выходным отверстием соосно соединен непосредственно со всасывающим патрубком лопастного насоса, а входной тангенциальный патрубок циклона и нагнетательный патрубок насоса имеют встречную ориентацию и связаны соединительным трубопроводом.

В рассматриваемом вихревом кавитаторе выходящий из напорного патрубка лопастного насоса поток жидкости попадает в тангенциальный входной патрубок циклона, далее совершив в циклоне почти полный оборот вдоль обечайки он в месте подсоединения тангенциального напорного патрубка взаимодействует с более поздним своим участком. Взаимодействие пересекающихся под острым углом блокированных с трех сторон конкурирующих потоков обуславливает периодический процесс изменения направления и параметров результирующего потока. В этом случае на площади сектора изменения направления результирующего потока (Фиг. 1) в функции времени меняется давление от манометрических до вакуумметрических значений. При этом фронты упругих возмущений распространяются в направлении выходного отверстия циклона, поэтому в зоне взаимодействия и в направлении распространения упругого возмущения происходит периодическая кавитация. В вакуумметрическую фазу при снижении давления до значения ниже давления насыщенных паров данной жидкости она, жидкость, на зародышах разрывается с образованием пустых каверн. В манометрическую фазу внешнее давление и силы поверхностного натяжения производят коллапс каверны с суммарной скоростью встречного движения стенок превышающей 3000 м/с, что обуславливает создание сверхвысокой плотности энергии в точке коллапса (Т=6000°, давление 50-100 МПа) Кроме того, после коллапса имеет место образование вторичных упругих волн с более высокой амплитудой изменения давления, которые взаимодействуя между собой так же создают аналогичные каверны. Совокупность этих процессов приводит к глубокой деформации жидкости, в том числе и твердых компонентов жидкости, высоким градиентам напряжений в твердых включениях, их местный нагрев, вибрации, звукокапиллярные эффекты и т.д. В результате твердые включения разрушаются на более мелкие фрагменты и таким образом происходит диспергация твердых компонентов в жидкости. Однако в рассматриваемом устройстве твердый компонент по входному потоку распределен произвольным образом и поэтому в зону взаимодействия попадает лишь часть от общего количества. Особенно это проявляется вдоль стенки тангенциального напорного патрубка, сопрягаемой с обечайкой. Площадь сектора взаимодействия потоков не перекрывает эту стенку (Фиг. 1), поэтому часть входного потока не подвергается кавитации, не подвергается кавитационному воздействию и твердый компонент, присутствующий в потоке жидкости. Это обстоятельство снижает эффективность операции дробления. Другим значимым обстоятельством является то, что в этом устройстве не проявляются физические эффекты, реализуемые в вышерассмотренном аналоге - аппарате вихревого слоя (ABC).

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности вихревого кавитатора при измельчении магнитных материалов.

Для достижения поставленной цели в известном вихревом кавитаторе включающем насос и ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, содержащего обечайку, первую торцовую стенку, центральным отверстием соединенную с всасывающим патрубком насоса, вторую торцовую стенку, снабженную выходным транзитным патрубком, тангенциальный входной патрубок, соединенный с нагнетательным патрубком насоса, всасывающий патрубок которого снабжен подводящим транзитным патрубком, тангенциальный входной патрубок циклона в торцовой проекции выполнен в виде части кольца, внутренняя дуга которого соединена с обечайкой по закону внешнего сопряжения, а обечайка циклона снабжена концентрично охватывающим ее индуктором, состоящим из источника электропитания, обмоток, магнитопровода, в котором предусмотрено отверстие для размещения тангенциального входного патрубка.

При этом магнитопровод индуктора может быть выполнен разомкнутым и дополнительно охватывающим выпуклую часть тангенциального входного патрубка.

Выполнение тангенциального входного патрубка циклона в торцовой проекции в виде части кольца, внутренняя дуга которого соединена с обечайкой по закону внешнего сопряжения (Фиг. 2) обуславливает изгиб потока и проявление в нем центробежных сил. В этом случае твердые компоненты потока, чаще всего более тяжелые, чем жидкость, за счет центробежных сил переходят на большие радиусы к линии слияния рассматриваемого входного и окружного вдоль обечайки циклона потоков, то есть в сектор кавитационного процесса. Это обстоятельство увеличивает долю твердых частиц потока, подвергающихся кавитационному процессу, причем, в более интенсивной зоне его воздействия. В результате этого мероприятия повышается производительность и эффективность измельчения в вихревом кавитаторе.

Снабжение обечайки циклона концентрично охватывающим ее индуктором, состоящим из источника электропитания, обмоток, магнитопровода, в котором предусмотрено отверстие для размещения тангенциального входного патрубка наделяет вихревой кавитатор дополнительными способностями, аналогичными способностям ABC (аппарату вихревого слоя). В этом случае магнитные компоненты являются аналогами иголок, и они обуславливают появление следующих факторов:

- намагничивание твердых компонентов внешним магнитным полем обуславливает их взаимодействие друг с другом;

- движение со всеми степенями свободы твердых компонентов и их соударение вызывают возникновение акустических волн, кавитацию способствующих разрушению твердого материала;

- энергия столкновений твердых компонентов достаточна для образования зарядов на них;

каждый твердый компонент является микро-электролизером, непрерывная работа которых насыщают рабочую зону ионами различной полярности, что способствует ускорению окислительно-восстановительных реакций;

- при перемагничивании магнитных компонентов возникает явление магнитострикции, следовательно, каждый твердый магнитный компонент при своем движении непрерывно излучает силовые импульсы большой разрушительной силы, воздействующие на соседние твердых включений;

- на короткое время возникают замкнутые цепи из электропроводящих твердых материалов, в которых внешнее магнитное поле индуцирует сильные токи инициирующие микродуги.

В результате магнитострикционных импульсов, кавитации, индукционных токов, микродуг и других факторов твердые компоненты эффективно и с большей полнотой измельчаются [Вершинин Н.П. Установки активации процессов. «Использование в промышленности и в сельском хозяйстве. Экология». - Ростов на Дону, 2004, с. 21-22].

Другим обстоятельством рассматриваемого процесса является взаимодействие твердого компонента и жидкой фазы. Вращающееся магнитное поле индуктора (при подаче на него электропитания) воздействует на магнитные частицы, упорядочивает и стабилизирует их движение. Кроме того дополнительное воздействие вращающегося магнитного поля на магнитные частички твердой фазы реализуется в эффект линейного индукционного насоса, что позволяет снизить мощность привода лопастного насоса. Причем, управляемое дополнительное воздействие магнитного поля на частицы магнитного материала позволяет разделять в процессе обработки частицы по крупности и тем самым получать более стабильную фракцию порошка.

В итоге, в результате предлагаемых мероприятий повышается производительность процесса диспергации, качество получаемого продукта, однородность его фракционного состава, снижается энергоемкость процесса, что позволяет констатировать общее повышение эффективности.

Развитие технического прогресса предполагает, как развитие известных технологий и устройств, так создание новых. Одним из перспективных и актуальных направлений является создание систем демпфирования вибраций и ударов (магнитореологических трансформаторов - МРТ), как на транспортных системах, так и в других отраслях. Другим очень актуальным направлением является создание уплотнительных устройств в технических системах с вращательными и линейными уплотнительными сопряжениями. И в тех и других устройствах очень перспективным является использование магнитореологических жидкостей (МРЖ), состоящих из жидкой фазы и твердого магнитного компонента. В магнитожидкостных уплотнениях такая жидкость помещается в зазор между подвижным и неподвижным элементами и удерживается в нем внешним магнитным полем. В таких устройствах отсутствует непосредственный контакт элементов подвижной пары, отсутствует износ, снижены энергоемкость перемещений, требования к изготовлению. В магнитореологических трансформаторах магнитная жидкость размещается в двух полостях, соединенных каналами, окруженными источниками магнитного поля. Внешнее механическое воздействие вызывает переток МРЖ из одной полости в другую. Магнитное поле, напряженность которого управляется от этого механического воздействия, меняет вязкостные свойства жидкости (МРЖ), изменяя и величину перетока через соединительный канал и, таким образом изменяя степень демпфирования.

В рассмотренных технических системах, а так же и во многих других устройствах используемых МРЖ ее характеристики должны соответствовать высоким требованиям, в частности по крупности и однородности. Для приготовления твердого компонента МРЖ и предлагается предполагаемое изобретение. Обеспечение необходимого качества МРЖ может дать импульс к дальнейшему развитию магнитореологических устройств и их разновидностей.

Сущность изобретения пояснена чертежами:

Фиг. 1. Схема образования упругих сигналов в циклоне вихревого кавитатора.

Фиг. 2. Схема организации движения твердого магнитного компонента в кавитационно-вихревом диспергаторе для магнитных материалов.

Фиг. 3. Циклон вихревого кавитатора, снабженный индуктором.

Фиг. 4. Циклон вихревого кавитатора, снабженный разомкнутым индуктором.

Фиг. 5. Фронтальный разрез по циклону и индуктору кавитационно-вихревого диспергатора для магнитных материалов. Разрез В-В по изображению А-А.

Фиг. 6. Меридиональный разрез по индуктору кавитационно-вихревого диспергатора для магнитных материалов. Разрез А-А по изображению В-В.

Кавитационно-вихревой диспергатор для магнитных материалов включает насос 1 и ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона 2, содержащего обечайку 3, первую торцовую стенку 4, центральным отверстием 5, соединенную с всасывающим патрубком 6 насоса 1, вторую торцовую стенку 7, снабженную выходным транзитным патрубком 8, тангенциальный входной патрубок 9, соединенный трубопроводом 10 с нагнетательным патрубком 11 насоса 1, всасывающий патрубок 6 которого снабжен подводящим транзитным патрубком 12, тангенциальный входной патрубок 9 циклона 2 в торцовой проекции выполнен в виде части кольца, внутренняя дуга 13 которого соединена с обечайкой 3 по закону внешнего сопряжения, а обечайка циклона 3 снабжена концентрично охватывающим ее индуктором, состоящим из источника электропитания 14, обмоток 15, магнитопровода 16, в котором предусмотрено отверстие 17 для размещения тангенциального входного патрубка 9. Индуктор размещен в корпусе 18.

При этом магнитопровод 16 индуктора может быть выполнен разомкнутым и дополнительно охватывающим выпуклую часть тангенциального входного патрубка 9 (Фиг. 4).

Кавитационно-вихревой диспергатор для магнитных материалов работает следующим образом. Вначале кавитационно-вихревой диспергатор заполняется водой через транзитные патрубки 8, 12 и включается насос 1. Из насоса 1 вода через напорный патрубок 11 и далее через трубопровод 10 поступает в тангенциальный входной патрубок 9 и далее в циклон 2, совершая в нем вихревое движение. При этом пополнение циклона водой обуславливает переток из него во всасывающий патрубок 6 через центральное отверстие 5 в насос 1. После стабилизации режима и выхода воздуха из устройства через выходной транзитный патрубок 8 далее подается водяная пульпа магнитного материала с размерами зерен до Д=5 мм (после предварительного механического измельчения) через входной транзитный патрубок 12 в насос 1 и подключается источник электропитания 14.

В насосе 1 пульпа получает энергию в виде давления и скорости потока и попадает через тангенциальный входной патрубок 9 в циклон 2. Причем, за счет выполнения тангенциального входного патрубка 9 криволинейным, то есть в торцовой проекции в виде части кольца, твердый компонент под действием центробежных сил отдаляется от стенки 13 и переходя на большие радиусы собирается вдоль ее противоположной. В месте слияния этого входного потока с окружным в циклоне 2 имеет место их взаимодействие, выражающееся в периодическом взаимном отжимании с пересечением направлений их начального вытекания. В этом случае в секторе наибольшей интенсивности взаимодействия потоков имеет место наибольшая концентрация твердого компонента, особенно крупных фракций. Наибольший интервал изменения давлений при взаимодействии потоков порождает наибольшую интенсивность кавитации, обуславливает наибольший запас энергии, запасенной в каждой из каверн, высокий уровень высвобождаемой энергии при коллапсе каверн. Кумулятивный эффект каверн, ударные волны от коллапса, интерференция ударных волн, звукокапиллярные эффекты, глубокая и подробная деформация вызывают разрушение твердых компонентов, то есть их измельчение. После прохождения зоны взаимодействия потоков пульпа разделяется на фракции - более крупные включения за счет большей массы центробежными силами относятся на периферию к обечайке 3. Более мелкие фракции под действием сил вязкости уносятся потоком к центру к центральному транзитному выходному патрубку 8 и далее в тару готовой продукции (на фигурах не показана). Другая часть окружного потока в циклоне 2 через центральное отверстие 5, выходной патрубок 6 уходит в насос 1 и далее на следующий цикл обработки.

При этом включение в рабочий процесс индуктора, состоящего из источника электропитания 14, обмоток 15, магнитопровода 16, в еще большей степени интенсифицирует процесс дробления. Индуктор создает вращающееся магнитное поле аналогичное вращающемуся магнитному полю в статоре электродвигателя, скорость вращения которого может регулироваться либо частотой электрического тока, либо числом включаемых пар полюсов. Это подвижное поле воздействует на магнитные твердые частицы, обеспечивая им дополнительный импульс движения. Эти плохо обтекаемые тела с острыми кромками разрывают сплошность воды, создают кавитационные каверны по всему объему циклона. Коллапсы этих каверн обуславливают увеличение объема кавитационной обработки, следовательно, повышается ее производительность. Причем, работа этой части устройства обуславливает возникновение замкнутых цепочек из токопроводящих частиц. Они так же быстро распадаются, как и возникают. При наличии внешнего переменного поля в этих контурах наводятся импульсные электротоки, что сильно разогревает все цепи, а при их разрыве образуются электрические дуги. Кроме того, магнитные частицы и вращающиеся магнитное поле в жидкости обуславливают появление следующих факторов:

- дополнительное намагничивание твердых компонентов внешним магнитным полем обуславливает их взаимодействие друг с другом;

- движение со всеми степенями свободы твердых компонентов и их соударение вызывают возникновение акустических волн, еще один вид кавитации способствующей разрушению твердого материала;

- энергия столкновений твердых компонентов достаточна для образования зарядов на них;

- каждый твердый компонент является микро-электролизером, непрерывная работа которых насыщают рабочую зону ионами различной полярности, что способствует ускорению окислительно-восстановительных реакций;

- при перемагничивании магнитных компонентов возникает явление магнитострикции, следовательно, каждый твердый магнитный компонент при своем движении непрерывно излучает силовые импульсы большой разрушительной силы, воздействующие на соседние твердые включения.

В результате магнитострикционных импульсов, кавитации, индукционных токов, микродуг и других факторов твердые компоненты эффективно и с большей полнотой измельчаются [Вершинин Н.П. Установки активации процессов. «Использование в промышленности и в сельском хозяйстве. Экология». - Ростов на Дону, 2004, с. 21-22].

Для увеличения протяженности магнитного воздействия на магнитные частицы целесообразно индуктор продлить и на входной тангенциальный патрубок 9 циклона 2. В этом случае действие подвижного магнитного поля на частицы пульпы будет производиться и до кавитационного воздействия на нее, до зоны конкурирующего слияния потоков, что в еще большей степени увеличит объем рабочей области устройства при тех же исходных его размерах и тем самым увеличит его производительность, следовательно, и эффективность.

Дополнительное воздействие подвижного магнитного поля на магнитные частички твердой фазы реализуется в эффект линейного индукционного насоса, что позволяет снизить мощность привода насоса 1.

Причем, управляемое дополнительное воздействие магнитного поля на частицы магнитного материала позволяет разделять в процессе обработки частицы по крупности и тем самым получать более стабильную фракцию порошка.

В итоге, в результате проведенных мероприятий повышается производительность процесса диспергации, качество получаемого продукта, однородность его фракционного состава, снижается энергоемкость процесса, что позволяет констатировать общее повышение эффективности.

Общественно-полезный положительный эффект предлагаемого технического решения заключается в том, что во-первых, решается задача импортозамещения, поскольку до настоящего времени этот порошок импортировался из США. Во-вторых, использование, а впоследствии и дальнейшее развитие этой конструкции диспергатора позволит в еще большей степени совершенствовать прогрессивные и перспективные направления по созданию высоко эффективных виброгасящих опор, адаптирующихся к внешним условиям эксплуатации, а также высоко эффективных магнито-жидкостных бесконтактных уплотнений. В итоге, с учетом развития смежных и других отраслей техники, повысится ресурс производимых машин, производительность, снизится себестоимость выпускаемой с помощью этой техники продукции, повысится благосостояние населения.

Изобретение относится к устройствам кавитационного типа для измельчения твердых материалов, разрушения молекулярных связей, и может быть использовано для измельчения ферромагнитных материалов. Кавитационно-вихревой диспергатор для ферромагнитных материалов включает насос и ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, содержащего обечайку, первую торцовую стенку, центральным отверстием соединенную с всасывающим патрубком насоса, вторую торцовую стенку, снабженную выходным транзитным патрубком, тангенциальный входной патрубок, соединенный с нагнетательным патрубком насоса, всасывающий патрубок которого снабжен подводящим транзитным патрубком. Тангенциальный входной патрубок циклона в торцовой проекции выполнен в виде части кольца, внутренняя дуга которого соединена с обечайкой по закону внешнего сопряжения. Обечайка циклона снабжена концентрично охватывающим ее индуктором, состоящим из источника электропитания, обмоток, магнитопровода, в котором предусмотрено отверстие для размещения тангенциального входного патрубка. Техническим результатом является повышение эффективности измельчения магнитных материалов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Кавитационно-вихревой диспергатор для ферромагнитных материалов, включающий насос и ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, содержащего обечайку, первую торцовую стенку, центральным отверстием соединенную с всасывающим патрубком насоса, вторую торцовую стенку, снабженную выходным транзитным патрубком, тангенциальный входной патрубок, соединенный с нагнетательным патрубком насоса, всасывающий патрубок которого снабжен подводящим транзитным патрубком, отличающийся тем, что тангенциальный входной патрубок циклона в торцовой проекции выполнен в виде части кольца, внутренняя дуга которого соединена с обечайкой по закону внешнего сопряжения, а обечайка циклона снабжена концентрично охватывающим ее индуктором, состоящим из источника электропитания, обмоток, магнитопровода, в котором предусмотрено отверстие для размещения тангенциального входного патрубка.

2. Кавитационно-вихревой диспергатор для ферромагнитных материалов по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод индуктора выполнен разомкнутым и дополнительно охватывающим выпуклую часть тангенциального входного патрубка.