Технологических задач

Способ и устройство для измельчения материалов (Пат. № 2166367 РФ, В02 С7/08) предназначены для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов различной твердости.

Способ измельчения материалов (рис. 10.40) включает формирование струй из измельчаемого материала в каналах, проходящих от оси измельчающего устройства, и последующее попеременное соударение струй материала с обеспечивающими центробежное воздействие измельчающими элементами, установленными на встречно вращающихся роторах. Струи материала подвергают разгону в каналах между роторами, поперечное сечение каналов представляет собой замкнутый контур.

После соударения с измельчающими элементами измельчение осуществляют в по крайней мере одной дополнительно образованной наружной кольцевой зоне роторов возмущающими аэродинамическими воздействиями при высокоскоростном и высокочастотном соударении частиц материала, при изменении характера и величины силового нагружения.

Устройство для измельчения материалов содержит корпус 1 с осевым входным отверстием 2 и выходным отверстием 3, камеру измельчения 4, горизонтально расположенные и встречно вращающиеся роторы 5 и 6 с измельчающими элементами 8, 9, 10, смонтированными на них в виде кольцевых рядов. Роторы 5 и 6 имеют общий привод (не показан). Между измельчающими элементами 8, 9, 10 расположены каналы 18, 19 и 20, поперечное сечение которых сужается от центра к периферии камеры измельчения 4 за счет уменьшения высоты каналов. Ближайший к оси роторов 5 и 6 кольцевой ряд лопаток 7 каналов 17 между этими лопатками относится к зоне разгона измельчаемого материала.

В этой зоне измельчение материала практически не наблюдается. Верхними и нижними сторонами каналов 17 … 20 служат поверхность соответствующего ротора и поверхность концентричного ротору кольца 11, 12, 13 или 14, накрывающего каждый кольцевой ряд лопаток 7 и измельчающих элементов 8, 9, 10. Кольца 12 … 16 жестко и без зазоров соединены соответственно с измельчающими элементами 8…10 и при работе устройства вращаются вместе с ними. Кольца 11 … 14 могут быть съемными или могут быть выполнены как единое целое вместе с роторами 5 и 6. Они также могут быть выполнены в виде сплошного кольца или в виде набора сегментов, каждый из которых накрывает отдельный канал между лопатками 7 измельчающими элементами. Боковыми сторонами каналов являются плоская фронтальная поверхность каждой лопатки 7 или измельчающего элемента 8, 9, 10 и тыльная сторона соседней лопатки или измельчающего элемента. Измельчающие элементы дополнительного кольцевого ряда представляют собой резонаторы в виде проточек 21, 22 и/или рифлений, выполненных соответственно на плоских, обращенных одна к другой поверхностях роторов 5, 6. Измельчающие элементы следующего дополнительного ряда имеют вид симметрично изгибающихся криволинейных каналов 23, 24, выходные отверстия 25, 26 которых обращены навстречу одно другому.

Еще один кольцевой блок измельчающих элементов представляет собой два цилиндра 27, 28, установленные вертикально на обоих роторах 5, 6 с образованием кольцевого канала 31 между цилиндрами разных роторов, причем на обращенных одна к другой поверхностях цилиндров сделаны проточки 29, 30, выполняющие функцию резонаторов. Цилиндры 27, 28 могут размещаться выше роторов 5, 6 (как на рис. 10.40) или ниже роторов.

Рис. 10.40. Устройство для измельчения материалов

Устройство для измельчения материалов работает следующим образом. Исходный материал, имеющий начальную крупность, под собственным весом или принудительно через регулируемый питатель подается в разгонную зону верхнего ротора 5 струйно-роторного измельчителя, где за счет вращения частицы материала перемещаются радиально вдоль поверхности разгонной лопатки 7. При достижении максимальной скорости частица имеет скорость вылета, угол вылета и траекторию движения в зону хрупкого разрушения. В этой зоне частица подчиняется законам хрупкого разрушения, сталкиваясь с движущимися навстречу измельчающими элементами 8, при этом происходит частичная потеря кинетической энергии частицы и скорости движения, масса частиц состоит из отдельных осколков, микротвердость их выше, чем у исходной частицы.

Затем в этой зоне за счет вращения ротора осколки разгоняются вдоль измельчающего элемента 8 и при достижении необходимой скорости соударяются с измельчающими элементами 9, развивая и наращивая поверхность материала. Аналогично происходит переход на измельчающие элементы 10 следующего ряда. Далее измельчаемые частицы радиально перемещаются в зону силового объемного нагружения, которая представлена набором аэродинамических устройств (резонаторов 21, 22), меняющих схему нагружения уже частично измельченного материала на скоростное высокочастотное соударение частиц в щели между вращающимися роторами за счет аэродинамических возмущений и рифлений поверхности верхнего и нижнего роторов 5, 6. Размеры частиц, их масса, удельная поверхность значительно отличаются от характеристик этого материала в зоне.

Зона (блок) встречного соударения струй измельчаемого материала расположена дальше от вертикальной оси вращения роторов и имеет более высокие окружные скорости дисков-роторов и материала, находящегося на них. Измененная конфигурация роторов в этой зоне позволяет организовать соударение множества струй воздуха с максимальной концентрацией твердых частиц с верхнего и нижнего роторов. Измельчение частиц происходит от соударения материала, аналогично струйным мельницам, но с неизмеримо более высокими скоростями при минимальных энергетических затратах.

Последующая зона измельчения материала за счет высокочастотного соударения частиц материала представлена узким кольцевым каналом с вращающимися вертикальными стенками-цилиндрами 27 и 28 соответственно верхнего и нижнего роторов. Вращение идет в разных направлениях, при этом цилиндрические стенки снабжены резонаторами-проточками 29, 30. Силовое нагружение частиц – близкое к объемному и дальнейшая транспортировка материала осуществляются за счет вертикальной осевой составляющей скорости. Заборные устройства воздуха (не показаны) с поверхности роторов позволяют изменять конфигурацию двухфазной среды, способствующую взаимодействию резонаторов и скоростного двухфазного потока, за счет чего идет измельчение. Измельченный материал эвакуируется в систему аспирации.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и обеспечение высокой степени измельчения материала.

Указанная задача достигается в способе измельчения материалов, включающем формирование струй из измельчаемого материала в каналах, проходящих от оси измельчающего устройства, и последующее попеременное соударение струй материала с обеспечивающими центробежное воздействие измельчающими элементами, установленными на встречно вращающихся роторах, причем струи материала между соударениями разгоняют в осевом направлении в каналах между роторами, при этом поперечное сечение каналов представляет собой замкнутый контур, струи материала подвергают дополнительному разгону в каналах между роторами, после соударения с измельчающими элементами, измельчение осуществляют по крайней мере одной дополнительно образованной наружной кольцевой зоне роторов возмущающими аэродинамическими воздействиями при высокоскоростном и высокочастотном соударении частиц материала путем изменения характера и величины силового нагружения и формы мелющих элементов.

Подача измельчаемого материала может быть произведена принудительно, а его разгон осуществлен за счет центробежной силы вращения ротора и уменьшения высоты каналов в сторону периферии камеры измельчения.

В наружной кольцевой зоне измельчение может быть произведено с помощью резонаторов.

В наружной кольцевой зоне измельчение может быть произведено с помощью попарного встречного соударения множества струй воздуха, несущих частицы измельчаемого материала, причем струи могут быть сформированы в парных криволинейных каналах, симметрично изгибающихся один навстречу другому.

В наружной кольцевой зоне измельчение может быть произведено в кольцевом канале между противоположно вращающимися вертикальными цилиндрами, на обращенных одна к другой поверхностях которых выполнены проточки, выполняющие функцию резонаторов.

Указанная задача достигается в устройстве для измельчения материалов, содержащем корпус с осевым входным отверстием и выходным отверстием и цилиндрической камерой измельчения, в которой соосно установлены с возможностью встречного вращения два горизонтально расположенных ротора с внутренними кольцевыми рядами измельчающих элементов, обеспечивающих центробежное воздействие, причем между измельчающими элементами роторов проходят каналы, поперечное сечение которых имеет замкнутый контур, высота каналов между роторами уменьшается от центра к периферии камеры измельчения, а роторы имеют по крайней мере одну дополнительную наружную зону измельчения, форма измельчающих элементов которой обеспечивает возмущающее аэродинамическое воздействие на материал.

Измельчающие элементы дополнительной кольцевой зоны измельчения могут представлять собой резонаторы в виде проточек и/или рифлений, выполненных на плоских поверхностях роторов, обращенных одна к другой.

Измельчающие элементы дополнительной кольцевой зоны могут быть выполнены в виде встречно изгибающихся криволинейных каналов, выходные отверстия которых обращены друг к другу.

Измельчающие элементы дополнительной кольцевой зоны измельчения могут представлять собой два цилиндра, установленные вертикально на обоих роторах с образованием кольцевого канала между цилиндрами разных роторов, причем на обращенных одна к другой поверхностях цилиндров сделаны проточки, выполняющие функцию резонаторов.

Способ измельчения материалов, отличающийся тем, что струи материала подвергают дополнительному разгону в каналах между роторами, после соударения с измельчающими элементами, измельчение осуществляют по крайней мере одной дополнительно образованной наружной кольцевой зоне роторов возмущающими аэродинамическими воздействиями при высокоскоростном и высокочастотном соударении частиц материала путем изменения характера и величины силового нагружения и формы измельчающих элементов; отличающийся тем, что подачу измельчаемого материала проводят принудительно, а его разгон осуществляют за счет центробежной силы вращения ротора и уменьшения высоты каналов в сторону периферии камеры измельчения; отличающийся тем, в наружной кольцевой зоне измельчение производят с помощью резонаторов.

Вихревая мельница ( Пат. № 2153937 РФ, В02 С19/06) предназначена для измельчения различных материалов в потоке энергоносителя, преимущественно в воздушном потоке.

На рис. 10.41 представлен в разрезе общий вид вихревой мельницы с кольцевой обоймой, на рис. 10.42 представлен в разрезе общий вид вихревой мельницы в монолитном исполнении помольной камеры с соплами.

Рис. 10.41. Вихревая мельница

Рис. 10.42. Помольная камера с соплами

Вихревая мельница содержит образованную крышкой и днищем цилиндрическую помольную камеру 1, в боковой стенке которой имеется сопло 2 для подачи энергоносителя. Сопло содержит резонатор и направлено в плане под углом к центральной оси помольной камеры 1. Камера 1 имеет загрузочное 3 и разгрузочное 4 окна. В помольной камере 1 может быть размещена кольцевая обойма с окном для сопла 2. Сменная кольцевая обойма образована в этом случае верхней крышкой 5 и нижним днищем 6. В верхней крышке помольной камеры под загрузочным окном центрально расположен отклоняющий элемент 7 тарельчатой формы, поперечный размер которого превышает соответствующий поперечный размер загрузочного окна 3 не менее чем в 1,1 раза или равен ему. Резонатор выполнен с последовательно расположенными по длине сопла 2 высокочастотной 8 частью и низкочастотной 9 частью. При этом сопло 2 для подачи энергоносителя образовано в виде канала на всю его длину в монолитном теле боковой стенки помольной камеры 1 или отверстием боковой стенки камеры и кольцевой обоймой, для обеспечения подбора оптимального режима измельчения материала путем изменения длины низкочастотной и/или высокочастотной части резонатора или его ширины могут быть установлены сменные вкладыши (не показаны). При этом продольная ось низкочастотной части 9 расположена под углом a = 10…20° к продольной оси высокочастотной части 8. Отклоняющий элемент 7 может быть смонтирован на штоке, присоединенном к крышке и/или к днищу помольной камеры с возможностью изменения расстояния относительно загрузочного окна.

При подаче подлежащего измельчению материала в загрузочное окно 3 в сопло 2 и через него тангенциально в помольную камеру 1 подают энергоноситель – сжатый воздух, который приводит во вращение попавший в камеру материал. От прямого проскока материала к разгрузочному окну 4 защищает размещенный над ним отклоняющий элемент 7. С помощью резонаторов в помольной камере создаются резонансные процессы в вихревом потоке, в результате чего измельчение происходит бесконтактным способом. Частица измельчаемого материала по мере потери массы удаляется через разгрузочное окно 4. Количество резонаторов может быть выбрано конструктивно в зависимости от длины периметра камеры и технологически – от требуемой интенсивности измельчения. Изменяя угол взаимного наклона резонаторов в указанных пределах, изменяя длину низкочастотной части или ширину резонатора, настраивают технологический процесс на конкретный материал. Например, чем тверже материал, тем более длинной должна быть высокочастотная часть, а ширина резонаторов меньше. Увеличение количества резонаторов приводит к увеличению тонины помола материала.

Задачей изобретения является повышение качества измельчения материала и обеспечение надежности работы вихревой мельницы.

Вихревая мельница отличается тем, что она снабжена центрально расположенным под образованным в верхней крышке загрузочным окном отклоняющим элементом тарельчатой формы, поперечный размер которого превышает соответствующий поперечный размер загрузочного окна не менее чем в 1,1 раза или равен ему, а резонатор выполнен с последовательно расположенными по длине сопла высокочастотной частью и низкочастотной частью; отличается тем, что сопло для подачи энергоносителя, преимущественно, сжатого воздуха, образовано в виде канала на всю его длину в монолитном теле боковой стенки помольной камеры; отличается тем, что сопло для подачи энергоносителя, преимущественно сжатого воздуха, образовано отверстием боковой стенки камеры и кольцевой обоймой; отличается тем, что она снабжена сменными кольцевыми обоймами или вкладышами для обеспечения подбора оптимального режима измельчения материала путем изменения длины низкочастотной и/или высокочастотной части резонатора или его ширины; отличается тем, что продольная ось низкочастотной части расположена под углом 10…20° к продольной оси высокочастотной части; отличается тем, что отклоняющий элемент смонтирован на штоке, присоединенном к крышке и/или к днищу помольной камеры, с возможностью изменения расстояния относительно загрузочного окна.

Центробежный гомогенизатор (Пат. № 2086115 РФ, А01 J11/16) относится к устройствам для механической обработки жидких пищевых продуктов, в том числе к устройствам для гомогенизации молочных продуктов, соков, паст и т. п.

На рис. 10.43 изображен общий вид центробежного гомогенизатора, поперечное сечение, на рис. 10.44 – вариант выполнения направляющих рис. 10.43; на рис. 10.45 – вариант обеспечения смещения отдельных частей статора.

Центробежный гомогенизатор содержит корпус 1, на котором расположены входной патрубок 2 и выходной патрубок 3.

Рис. 10.43. Центробежный гомогенизатор Рис. 10.44. Вариант выполнения направляющих

Внутри корпуса 1 расположен подвижный ротор 4 и неподвижный кольцевой статор 5, установленный с радиальным зазором относительно ротора. Ротор 4 содержит ступицу 6, закрепленную на валу 7, диск 8 и обод 9, на наружной поверхности которого выполнены зубья 10 параллельно образующей. Кольцо статора 5 по ширине выполнено составным из отдельных кольцевых секций. На внутренних поверхностях кольцевых секций выполнены зубья 11. На стыках отдельных секций статор имеет средства для изменения направления движения продукта в сторону ротора 4. Средства для изменения движения продукта выполнены в виде шайбы 12 с внутренним диаметром, меньшим диаметром впадин зубьев 11. Внутренняя поверхность шайбы 12 выполнена конической с диаметром, уменьшающимся по ходу движения продукта. Внутренняя поверхность шайбы 12 может быть выполнена цилиндрической (на чертеже не показана). По варианту изобретения отдельные секции статора 5 выполнены с одинаковым числом зубьев 11, а роль средства для изменения направления движения продукта выполняют зубья последующей секции 13 статора по ходу движения продукта, которые смещены относительно зубьев предыдущей секции 14 на угол, не превышающей половину шага зубьев 11. Каждый зуб имеет срез 15, выполненный на передней по ходу движения продукта кромке под острым углом к образующей. Напротив срезанных под углом зубьев статора срезаны зубья 10 ротора до диаметра, меньшего диаметра впадин 16 зубьев ротора.

Рис. 10.45. Вариант обеспечения смещения отдельных частей статора

По варианту изобретения все четные 17 и все нечетные 18 секции статора по ходу движения продукта объединены в группы, причем нечетные секции 18 статора неподвижно закреплены штифтами 19 на корпусе 1, а четные секции 17 закреплены штифтами 20 на обечайке 21, а обечайка 21 имеет возможность поворота относительно корпуса 1 при помощи механизма поворота 22, расположенного на корпусе 1. Ручка 23 служит для управления механизмом поворота. Центробежный гомогенизатор работает следующим образом. Обрабатываемый продукт под давлением подается через входной патрубок 2 во внутреннюю полость центробежного гомогенизатора и устремляется к щели, образованной статором 5 и ротором 4. Ротор, вращаясь, диском 8 и обводом 9 сообщает потоку дополнительный прирост давления на входе в зазор между статором 5 и ротором 4. Продукт по щели между зубьями статора и ротора устремляется к входному патрубку 3. Часть продукта, проходящая через впадины 16 на роторе 4, отбрасывается на стенки зубьев 11 статора с большой скоростью и тормозится, в результате чего происходит интенсивный эффект диспергирования и гомогенизации продукта.

Поток устремляется по канавам между зубьями 11 статора 5 к выходному патрубку 3, а так как кольцо статора 5 по ширине выполнено составным из нескольких секций и имеет средства для изменения направления движения продукта в сторону ротора 4, то часть продукта попадает на стенки зубьев 10 ротора, где резко меняется скорость потока в сторону увеличения, а затем снова отбрасывается ротором на стенки зубьев 11 статора, и вновь тормозится и т. д.

В случае, когда роль средства для изменения направления движения продукта выполняет шайба 12, то часть сечения у основания канавок зубьев 11 перекрывается, и часть продукта, проходящего по канавкам под прямым углом, резко отбрасывается на ротор 4 или плавно – если внутренняя поверхность шайбы 12 выполнена конической. Причем изменение внутреннего диаметра шайбы 12 позволяет изменять количество отклоняемого продукта, а, следовательно, и величину степени гомогенизации.

В случае, когда зубья 11 последующей секции 13 статора смещены относительно зубьев предыдущей секции 14, то часть сечения у стенки зубьев 11 перекрывается, и часть продукта, проходящая по канавкам между зубьями 11 под прямым углом, резко отклоняется на ротор 4 или плавно – если на передней кромке 15 последующей секции срезаны зубья 11 под острым углом. Смещение по углу зубьев 11 двух смежных секций статора 5 позволяет изменить степень гомогенизации в широких пределах.

В случае, когда напротив срезанных под углом зубьев 11 зубья 10 ротора 4 срезаны до диаметра впадин 16, поток обрабатываемого продукта дополнительно расширяется и тормозится.

В случае, когда четные 17 и нечетные 18 секции статора 5 по ходу движения продукта объединены в отдельные группы, при повороте подвижной группы, закрепленной на обечайке 21, относительно неподвижной, закрепленной на корпусе 1, происходит одновременное смещение зубьев 11 каждой последующей секции 13 относительно предыдущей 14 вращением ручки 23 механизма поворота 22. При этом достигается наибольшая степень гомогенизации за счет многоступенчатости разгонов и остановок обрабатываемого продукта, а также возможности плавной регулировки степени гомогенизации в зависимости от перерабатываемого продукта и необходимой величины степени гомогенизации. По сравнению с прототипом изобретение позволяет увеличить степень гомогенизации обрабатываемого продукта и расширяет возможность регулирования величины степени гомогенизации.

Центробежный гомогенизатор отличается тем, что кольцо статора по ширине выполнено составным из отдельных секций и имеет средства для изменения направления движения продукта; отличается тем, что каждое средство для изменения движения продукта выполнено в виде шайбы с внутренним диаметром, меньшим диаметра впадин зубьев; отличается тем, что внутренняя поверхность шайбы выполнена конической с диаметром, уменьшающимся по ходу движения продукта; отличается тем, что секции статора выполнены с одинаковым числом зубьев и размещены так, что зубья смежных секций смещены по ходу движения продукта на угол, не превышающий половину шага зубьев.

* * *