Устройство для размола волокнистых материалов Советский патент 1992 года по МПК D21D1/34 B02C19/06 

Изобретение относится к устройствам предназначенным для размола волокнитых материалов растительного (целлюлоза) и минерального происхождения, а также для приготовления устойчивых эмульсий и суспензий. Изобретение можно использовать в целлюлозно-бумажной промышленности, в промышленности строительных материалов и в химической промышленности.

Известно устройство для размола целлюлозы, включающее расположенный в баке для целлюлозы гидродинамический генератор, центробежный насос и глушитель колебаний, соединенные трубопроводами, при этом гидродинамический генератор снабжен щелевидными соплами и вибрирующими пластинами, ширина щелей каждого сопла составляет 1 -2 мм, а длина равна ширине пластины, закрепленной на двух подвижных осях

Известен гидродинамический генератор для диспергирования волокнистых материалов, содержащий корпус с формующими элементами и пакетами пластин-резонаторов, образующих щелевид- ные сопла.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для размола целлюлозы, включающее гидродинамический генератор, снабженный пластинами-резонаторами, рабочие кромки которых заточены под углом 80-120° и имеют уступ высотой, не превышающей двойную толщину пластины.

В названных устройствах периодические колебания свободного конца консоль- но закрепленной пластины-резонатора происходят под действием струи жидкости, вытекающей под давлением из сопла на клинообразный конец пластины. Струя жидкости, ударяясь о заостренную кромку пластины, срывается и образует вихри, следующие один за другим, с обеих сторон пластины. Периодически изменяющееся давление в зоне вихрей вызывает колебания пластины.

В перечисленных устройствах колебания свободного конца консольно закрепленнойпластины-резонатора

(Л

С

vj vj

Ю Ю

2

осуществляются за счет сил упругости, воз-ний возрастают напряжения изгиба в месте пикающих при изгибе пластины. При этомкрепления пластины-резонатора. Эти на- частота и амплитуда колебаний зависят отпряжения при амплитудах 3-4 мм могут до- геометрических размеров пластины-резо-стичь предельного значения, что приводит к натора и материала, из которого она изго-5 поломке пластины. Так, например, пласти- товлена.на-рсзонатор с длиной f 150 мм, шириной Собственная частота пластины-резона-b 80 мм и толщинйо h 5,8 мм, имеющая тора определяется по уравнениюжесткость

«.±-гГЖ fD10 v Ebh3 2 10е -S O.SS3

In ЈГ т- т

m . -613 6 153

где Ж - жесткость пластины при изгибе; .

m - масса пластины, tj Kr CMi

Амплитуда пластины-резонатора как15

консольно закрепленной балки равноппоч-™ Работать при амплитудах, не превыного сечения определяется по уравнению:шающих.

Использование: размол волокнистых материалов растительного и минерального происхождения, приготовление устойчивых эмульсий и суспензий. Сущность изобретения: устройство для размола волокнистых материалов содержит смонтированное в корпусе сопло и закрепленную в корпусе соос- но соплу пластину-резонатор. Пластина имеет рабочие кромки, образующие между собой угол заточки. Вершина угла обращена в сторону сопла. Пластина закреплена в корпусе обоими концами на пружинных опорах, а ее рабочие кромки расположены посередине между пружинными опорами. 3 ил , 1 табл.

PI3 6 Pi3A 800 8 0.583

А« JLL1 (2j2Q А . 154 15

, 0,16 см 1,6мм (6)

где Р - усилие изгиЬа (условно приложенное

к кромке пластины);Выражение (6) получено исходя из того, что

25 напряжения изгиба, действующие в пласти . - момент инерции сеченияие определяются по уравнению;

пластины;„ 6R f и

I-длина пластины;1 - L

Ь - ширина пластины;30

h - толщина пластины;u они жны быть меньше допустимых. Из

Е - модуль упругости материала пласти- йыоажеиия Р) ны.

Выражение (2) можно представить какP --AVKC81

35

Р

А -ф-(3)Подставив (8) в (7) получают:

/К

где Ж - жесткость пластины, определяемаяст-1 1 (9)

как.40

р . зИз выражения {9} максимально возможная

Ж (4)амплитуда колебаний будет

6 Г

о 45 -1 bh2 Энергия, отдаваемая пластинои-резо-А

натором в окружающую среду в единицу времени, определяется по уравнению

где (7-1 -- допустимые напряжения изгиN nfA(5) г --J прм симметричном цикле колебаний,

° Из книги; где п - коэффициент пропорциональности;

f - частота колебаний;{7У 1 о,4ав,(10)

А - амплитуда.

Отсюда следует, что увеличение мощностигде о-в-предел выносливости при растяжегидродинамического генератора возможнонии

при увеличении частоты, либо, что болееУчитывая харакУер нагрузки, концентрацию

эффективно, путем увеличения амплитудыместных напряжений, качество обработки

колебаний. Но, как показывают экспери-поверхности пластин резонаторов принименты, при увеличении амплитуды колеоа-маюг коэффициент запаса прочнсоти Кв 5

Тогда для стали 65 значение ов 10000 кг/см2, а

огУ-i 3

ст-1 0.4 ав KBKB

,.0.4. 10000 800КГ/СМ2

При амплитудах А 1,6 мм происходит разрушение пластин-резонаторов тем быстрее, чем больше амплитуда превышает допустимое значение.

Если для повышения частоты колебаний (уравнение (1)) увеличить жесткость пластины-резонатора, приняв ее величину h 7 мм, то допустимая амплитуда колебаний значительно снижается

Ebh

3 2 106 8 0,73

6IJ

6 15

271 кг/см

fr-1 Ibh2 6Ж

800 8 0,72 6 271 15

Таким образом, в устройстве-прототипе, где пластина-резонатор одновременно выполняет две функции - функцию рабочего тела, воспринимающего энергию струи и преобразующего ее в энергию колебаний, и функцию упругого элемента-накопителя потенциальной энергии в колебательный процесс, имеется ряд недостатков. Во-первых, в силу конструктивных и прочностных условий в устройстве-прототипе амплитуда колебаний пластины-резонатора не превышает 3-4 мм и, следовательно, ограничивается мощность пластинчатого вибратора. Вторым недостатком устройства-прототипа является малая ширина сопл, составляющая 1-2 мм, что не позволяет перерабатывать гру- бодисперсные материалы с размерами частиц более 2 мм.

Целью изобретения является увеличение производительности и снижение энергозатрат гидродинамического генератора за счет увеличения объема зоны воздействия на размалываемый материал.

Это достигается тем, что в известном устройстве гидродинамического генератора, снабженного консольно закрепленными пластинами-резонаторами, кромки которых заточены под углом 80-120°, и испытывающими деформации изгиба при работе, пластина-резонатор закреплена в корпусе на стальных пружинах. При этом пластина-резонатор избавлена от деформаций изгиба,

так как роль упругого элемента в колеблющейся системе выполняют стальные пружины, через которые пластина-резонатор крепится к корпусу. Плоскость колебания пластины параллельна оси потока, посколь0 ку рабочие кромки расположены посередине между пружинными опорами. Фиг. 1-3 поясняют изобретение. На фиг. 1э,б,в представлено устройство гидродинамического генератора, пластина5 резонатор 1 которого укреплена в корпусе 2 с помощью четырех пар стальных пружин 3, сжатых гайками 4 и контргайками 5 на шпильках 6. Каждая шпилька 6 с двумя сжатыми пружинами крепится в прорезях 7 кор0 пуса 2 с помощью гаек 8 и контргаек 9, Пластина-резонатор установлена с помощью гаек 4 и 5 так, чтобы продольная ось пластины и ось сопла 10 полностью совпадали. Растояние между соплом и кромкой

5 пластины-резонатора регулируется при отпущенных гайках 8 и 9 путем перемещения шпилек вдоль прорезей 7 в стенке корпуса 2. Окончательное закрепление пластины- резонатора производится гайками 8 и 9.

0 Верхняя и нижняя часть корпуса скреплены между собой двумя траверсами 11.

Пластина-резонатор в плане имеет П- образную форму. Рабочие кромки пластины заточены под углом 80-120° и находятся по

5 середине между двумя передними и двумя задними пружинными опорами. Кромки выполняют с толщиной, большей толщины пластины, так что между кромкой и телом пластины с обеих сторон появляется по ус0 тупу.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Струя жидкости, выходя из сопла 10 под давлением 0,2-0,8 мПа, попадает на клино5 образную переднюю кромку пластины-резонатора 1. Струя, ударяясь в кромку, срывается на уступах кромки, образует вихри, следующие один за другим с обеих сторон пластины-резонатора. Чередование

0 вихрей вызывает периодически изменяющееся давление по сторонам пластины, что вызывает устойчивые колебания плоскости пластины-резонатора параллельно направлению потока (фиг. 3). Стальные пружины 3,

5 в которых закреплена пластина, являются упругими элементами системы, которые, накопив потенциальную энергию при сжатии, преобразуют ее в кинетическую энергию движения пластины-резонатора. Пластина- резонатор при работе не испытывает деформаций изгиба, а пружинная подвеска позволяет в принципе реализовать любые по величине амплитуды. На уступах кромки пластины-резонатора происходит срыв ламинарного потока и развивается вихревое турбулентное течение с чередованием вихрей по обеим сторонам пластины.

По сравнению с прототипом, где пластины-резонаторы консольно защемлены в корпусе (фиг. 2), предлагаемое устройство имеет следующие преимущества. Во-первых, при использовании пружин как упругих элементов амплитуду колебаний пластины- резонатора можно увеличивать до любых разумных величин не опасаясь ее разруше- ния. При этом мощность гидродинамическогогенератораувеличиваетсяпропорционально квадрату амплитуды, что дает возможность перерабатывать прочные материалы, увеличить производительность аппарата, снизить удельный расход электроэнергии, Во-вторых, увеличение амплитуды реализуется только при соответствующем увеличении ширины сопла, поскольку между амплитудой, шириной сопла и толщиной передней кромки пластины имеется прямая связь. Практически эти величины примерно равны одна другой. Поэтому ширина сопла в предлагаемом устройстве составляет не менее 10 мм, что позволяет перерабатывать грубо дисперсные суспензии с размерами частиц до 10 мм. В-третьих, е отличие от прототипа, где вибрирует только свободный конец пластины-резонатора, а амплитуда колебаний бы- стро убывает от максимального значения у кромки до нуля около места крепления (фиг. 2), в предлагаемом устройстве амплитуда по всей площади пластины-резонатора одинакова и равна максимальному значению (фиг. 3). Это позволяет увеличить объем зоны вибрации и тем самым интенсифицировать процесс обработки материала.

Пластина-резонатор, изготовленная из стали 65, имея жесткость Ж 154 кг/см. может эксплуатироваться при амплитудах не более А 1,6 мм. Если превысить эту величину, то ресурс работы пластины начнет резко снижаться, и пластина сломается, Sfra пластина работала с соплом шириной 2 мм.

Если воспользоваться предлагаемым решением, то для получения амплитуды колебаний А 10 мм при жесткости упругой системы Ж 154 кг/см необходима подве- ска из четырех пар спиральных пружин диаметром D 63 мм, диаметром проволоки d 9 мм, имеющих 7 рабочих витков, Эти параметры определяются следующим расчетом.

Принимают что амплитуда колебаний пластины резонатора

жесткость

системы

отношение диаметра пружины к диаметру

проволоки

материал

проволокисталь 65,

предел прочности стали 65

на растяжениеав 104 кг/см2,

допустимое напряжение

крученияг -1 0,220В

2200 кг/см2, принимают к расчету напряжение кручения

-1 Р

г/см2,

модуль сдвига пружинных сталей.... усилие сжатия пружины

1100

G 8 105 кг/см2.

Р Ж/4 154/4 38,5 кг,

коэффициент кривизны

виткаК 1, 2.

Находят диаметр проволоки пружины

,6 V KHU т -lp J

1 6vrT2 -3B,b 1.2 1100

0,89 см 9 мм. Диаметр пружины будет

D С d 7-9 63 мм. Количество рабочих витков пружины

i AGd 1 8 105 9 9 С3 Р8 73 38,5

6,8 7.

Коэффициент запаса прочности

Т-1

r-i р

2200

1100

Для описанного устройства используется сопло шириной 10 мм.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет в несколько раз увеличить амплитуду колебаний пластины-резонатора без опасения ее разрушения. Вследствие этого увеличива- ются глубина и скорость обработки материала. Увеличение ширины сопла позволяет перерабатывать грубодисперсные материалы.

Эффективность работы предлагаемого устройства проверялась при сравнении с работой пластины-резонатора, имеющий параметры описанные выше, при распушке асбеста, При работе прототипа использовалось сопло шириною 2 мм, длиною 60 мм, площадью 120 мм . В предлагаемом устройстве сопло имело ширину 10 мм, длину 12 мм, а площадь, как и в прототипе, 120 мм2.

Полученные результаты показывают, что крепление пластины-резонатора в пру- хинной подвеске позволило увеличить амплитуду колебаний почти в 3 раза и увеличить производительность установки при распушке асбеста более чем в 10 раз по сравнению с прототипом. При этом затраты энергии на процесс распушки в устройстве-прототипе и предлагаемом устройстве были практически одинаковы. Увеличение ширины сопла до 10 мм в предлагаемом устройстве позволяет перерабатывать низкосортные виды асбеста, имеющие посторонние включения размером 6-8 мм.

Результаты испытаний устройства-прототипа и предлагаемое устройства при распушке асбеста

Использование предлагаемого устройства позволяет увеличить амплитуду колеба- ний пластины-резонатора, сохраняя безопасные условия работы упругих элементов системы. Если в устройстве-прототипе увеличение амплитуды колебаний невозможно из-за возникновения напряжений изгиба, превышающих предельно допустимые, то в предлагаемом устройстве увеличение амплитуды не имеет принципиальных ограничений, При желании, увеличив диаметр проволоки и количество витков пружины, можно получить амплитуду, значительно большую по величине, чем в описанном выше устройстве - примере конкретного выполнения,

Формула изобретения Устройство для размола волокнистых материалов, содержащее смонтированное в корпусе сопло и закрепленную в корпусе соосно соплу пластину-резонатор, имеющую рабочие кромки, образующие между собой угол заточки, вершиной обращенный в сторону сопла, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности за счет увеличения объема зоны воздействия на размалываемые волокнистые материалы, и снижения энергозатрат, ппз- стина-резонатор закреплена в корпусе обоими концами на пружинных опорах, а ее рабочие кромки расположены посергдине между пружинными опорами.

ff-ff

д tf

D

Ш1Ш

Фиг. J