RU2118911C1 - Jet-vortex chamber - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical, construction, food-processing, electronic industries and pharmaceutics. SUBSTANCE: jet-vertex chamber has housing, tangential inlet branch pipe and medium discharge branch pipe, which are positioned on side wall of housing. Inlet and discharge branch pipes are extending along housing wall. Jet-vortex chamber may be used for mechanical processing of dispersed materials. EFFECT: wider operational capabilities, reduced power consumption and improved quality of processed materials. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области химической технологии, в частности касается конструирования устройств для измельчения, овализации, механической активации дисперсных материалов в вихревых потоках, и может быть использовано в химической, фармацевтической, электронной, строительной, пищевой и других отраслях промышленности. The invention relates to the field of chemical technology, in particular, for the design of devices for grinding, ovalization, mechanical activation of dispersed materials in vortex flows, and can be used in chemical, pharmaceutical, electronic, construction, food and other industries.

Известны вихревые камеры, иногда называемые центробежными, циклонными, циклонно-вихревыми, которые применяют для создания различного рода мельниц, циклонов и других подобных устройств, например, для измельчения, классификации, сепарации и охлаждения потоков (см. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. - Киев: Наукова думка, 1989, с. 6-8). Они состоят из цилиндрического корпуса, тангенциально расположенного входного патрубка и осевого выходного патрубка. Подобные конструкции удобны для разделения дисперсных систем, но применение этих камер для механической обработки дисперсных материалов не достаточно эффективно, поскольку в них образуются вихри близкие к свободным или потенциальным, а они обладают максимумом тангенциальной скорости потока вблизи оси вращения. В результате, частицы мало контактируют со стенкой камеры и образующийся псевдотурбулентный слой газовзвеси не имеет высокой интенсивности соударений частиц, что значительно снижает эффективность процесса обработки. Кроме того, конструкция этих камер сильно ограничивает технологические возможности создаваемого оборудования и не позволяет широко регулировать параметры ведения процесса. Known vortex chambers, sometimes called centrifugal, cyclone, cyclone-vortex, which are used to create various kinds of mills, cyclones and other similar devices, for example, for grinding, classification, separation and cooling of flows (see Halatov A.A. Theory and practice swirling flows. - Kiev: Naukova Dumka, 1989, p. 6-8). They consist of a cylindrical body, a tangentially located inlet pipe and an axial outlet pipe. Such designs are convenient for separating dispersed systems, but the use of these chambers for the mechanical processing of dispersed materials is not effective enough, since vortices close to free or potential are formed in them, and they have a maximum tangential flow velocity near the axis of rotation. As a result, the particles have little contact with the chamber wall and the resulting pseudoturbulent gas suspension layer does not have a high intensity of particle collisions, which significantly reduces the efficiency of the processing process. In addition, the design of these cameras severely limits the technological capabilities of the equipment being created and does not allow for wide control of the process parameters.

Известен циклон (заявка Франции N 2544227, МКИ B 04 C 5/13, 1984), аналогичный вышеописанной конструкции, но выполненный с уменьшающимся радиусом кривизны периферийной стенки, который может быть использован для механической обработки дисперсных систем. Данная конструкция является примером очередной модификации классической схемы циклона с тангенциальным вводом и осевым выходом потока, но с целью интенсификации взаимодействия потока и стенки корпус выполнен с уменьшением радиуса кривизны. Данная конструкция не устраняет недостатков циклона, вызванных образованием потенциальных вихрей, а лишь несколько увеличивает интенсивность процесса за счет увеличения центробежной силы. Known cyclone (French application N 2544227, MKI B 04 C 5/13, 1984), similar to the above construction, but made with a decreasing radius of curvature of the peripheral wall, which can be used for machining disperse systems. This design is an example of another modification of the classical cyclone scheme with tangential inlet and axial flow output, but in order to intensify the interaction of the flow and the wall, the body is made with a decrease in the radius of curvature. This design does not eliminate the disadvantages of the cyclone caused by the formation of potential vortices, but only slightly increases the intensity of the process by increasing the centrifugal force.

Помимо этого известна вихревая мельница (патент США N 4502641, МКИ B 02 C 19/12, НКИ 241-5, 1985), содержащая цилиндрический корпус, несколько наклонных патрубков для подачи газовзвеси в камеру и осевой выходной патрубок. Использование нескольких патрубков под наклоном к касательной корпуса позволяет интенсифицировать процесс за счет изменения механизма столкновений частиц. Измельчение в ней происходит за счет соударения частиц в перекрещивающихся потоках, а вихревое движение лишь стимулирует процесс, не являясь основным фактором. Недостатком данного устройства, кроме сложности конструкции, является высокая энергоемкость, обусловленная большими скоростями потоков и нерациональным использованием стенок камеры. In addition, a vortex mill is known (US patent N 4502641, MKI B 02 C 19/12, NKI 241-5, 1985), containing a cylindrical body, several inclined nozzles for supplying a gas suspension to the chamber and an axial outlet pipe. The use of several nozzles at an angle to the tangent body makes it possible to intensify the process by changing the mechanism of particle collisions. Grinding in it occurs due to the collision of particles in intersecting flows, and the vortex motion only stimulates the process, not being the main factor. The disadvantage of this device, in addition to the complexity of the design, is the high energy intensity due to high flow rates and irrational use of the chamber walls.

Известна вихревая камера, дополнительно установленная на струйной мельнице (заявка Японии N 60-39421, МКИ 4 B 02 C 19/06, 1985), которая содержит цилиндрический корпус, тангенциальный входной патрубок и осевой выходной патрубок, но дополнительно снабжена тангенциальным патрубком, сонаправленным с потоком. В камере происходит отделение неизмельчившихся частиц от основного потока и их частичное доизмельчение. Установка дополнительного выходного патрубка позволила увеличить эффект столкновения частиц в потоке, но сонаправленность с вихревым потоком приводит к формированию неоптимальной структуры потока и малому времени пребывания материала в камере. Это обуславливает низкую эффективность процесса механической обработки. Known vortex chamber, additionally mounted on a jet mill (Japanese application N 60-39421, MKI 4 B 02 C 19/06, 1985), which contains a cylindrical body, a tangential inlet pipe and an axial outlet pipe, but is additionally equipped with a tangential pipe, aligned with flow. In the chamber, the separation of unmilled particles from the main stream and their partial regrinding occurs. The installation of an additional outlet pipe made it possible to increase the effect of collision of particles in the flow, but co-directionality with the vortex flow leads to the formation of a non-optimal flow structure and a short residence time of the material in the chamber. This leads to low efficiency of the machining process.

Также известны устройства, применяемые для механической обработки, классификации, сушки, сжигания, тепло-массообмена и многих других процессов, представляющие собой цилиндрический корпус с установленными завихрителями различных типов (см. Смульский И.И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. - Новосибирск: Наука, 1992, с. 13-29). Данные устройства формируют вихри близкие к вынужденным, характеризуемым расположением максимума тангенциальной скорости у стенки камеры, что позволяет увеличить интенсивность столкновений частиц со стенкой и в потоке, однако локальное расположение завихрителей уменьшает их эффективность для проведения механической обработки дисперсных материалов. Создаваемые вихревые потоки затухают по мере продвижения по камере, что постепенно снижает эффект взаимодействия частиц со стенкой. Кроме того, в этих конструкциях невозможна сепарация недоизмельченных частиц. Also known devices used for machining, classification, drying, burning, heat-mass transfer and many other processes, which are a cylindrical body with installed swirls of various types (see II Smulsky. Aerodynamics and processes in swirl chambers. - Novosibirsk: Science, 1992, p. 13-29). These devices form vortices close to forced, characterized by the location of the maximum tangential velocity near the chamber wall, which allows to increase the intensity of collisions of particles with the wall and in the stream, however, the local arrangement of the swirls reduces their effectiveness for machining dispersed materials. The created vortex flows decay as they move along the chamber, which gradually reduces the effect of particles interacting with the wall. In addition, in these constructions, the separation of underfinished particles is not possible.

Известен измельчитель, который содержит цилиндрическую помольную камеру, тангенциально расположенный входной патрубок и осевой выходной патрубок. Измельчитель снабжен ограничительным устройством, смонтированным по периметру помольной камеры и выполненным в виде одного витка логарифмической спирали, при этом ближний к периферии камеры конец витка сопряжен со стенкой входного патрубка (авт. св. СССР N 1489831, МКИ 4 B 02 C 19/06, 1989, Б.И. N 24). Установка ограничительного устройства несколько увеличивает эффект взаимодействия частиц со стенкой и между собой. Недостатками этого устройства являются малая эффективность измельчения, из-за низкой интенсивности соударения частиц в вихревом потоке. Known chopper, which contains a cylindrical grinding chamber, a tangentially located inlet pipe and an axial outlet pipe. The chopper is equipped with a restriction device mounted around the perimeter of the grinding chamber and made in the form of a single turn of a logarithmic spiral, while the end of the turn nearest to the periphery of the chamber is mated to the wall of the inlet pipe (ed. St. USSR N 1489831, MKI 4 B 02 C 19/06, 1989, B.I. N 24). The installation of a restriction device somewhat increases the effect of the interaction of particles with the wall and with each other. The disadvantages of this device are the low grinding efficiency, due to the low intensity of the collision of particles in a vortex flow.

Известна вихревая мельница (авт. св. СССР N 1574270, МКИ 5 B 02 C 19/06, 1990, Б. И. N 24), содержащая цилиндрическую помольную камеру, центральную течку для подачи исходного материала, тангенциальные патрубки для подачи энергоносителя и вывода готового продукта. Патрубок вывода готового продукта расположен на боковой стенке и смещен вверх относительно патрубка подачи энергоносителя. Такое положение выходного патрубка позволяет частично реализовать вынужденное вихревое движение, увеличить интенсивность соударения частиц и осуществить естественную сепарацию частиц материала на выходе. Недостатками данного устройства является низкая производительность и эффективность, кроме того, подобная конструкция ограничивает возможности проектирования оптимальных и компактных конфигураций оборудования. Указанные недостатки обусловлены тем, что расположение и форма входного и выходного патрубков не позволяют сформировать единую структуру движения потока, поскольку образуются локальные встречные вихри у входа и выхода. Это снижает вероятность целевого соударения частиц в потоке. Расположение патрубков входа и выхода не дает возможности проектирования замкнутых тороидальных вихревых камер, которые удобны для создания компактных устройств измельчения. Known vortex mill (ed. St. USSR N 1574270, MKI 5 B 02 C 19/06, 1990, B. I. N 24), containing a cylindrical grinding chamber, a central estrus for supplying source material, tangential nozzles for supplying energy and output finished product. The outlet pipe of the finished product is located on the side wall and is shifted upward relative to the supply pipe of the energy carrier. This position of the outlet pipe allows you to partially realize the forced vortex motion, increase the intensity of the collision of particles and to carry out the natural separation of the particles of material at the exit. The disadvantages of this device are low productivity and efficiency, in addition, such a design limits the ability to design optimal and compact equipment configurations. These shortcomings are due to the fact that the location and shape of the inlet and outlet nozzles do not allow the formation of a single structure of the flow movement, since local counter vortices at the inlet and outlet are formed. This reduces the likelihood of targeted particle collisions in the stream. The location of the inlet and outlet nozzles does not allow the design of closed toroidal vortex chambers, which are convenient for creating compact grinding devices.

Процессы механической обработки (измельчение, овализация, активация) дисперсных материалов являются одними из основных в производстве большинства сыпучих компонентов для различных отраслей промышленности. The machining processes (grinding, ovalization, activation) of dispersed materials are one of the main in the production of most bulk components for various industries.

В настоящее время существует достаточно большое количество различных конструкций вихревых камер, применяемых для механической обработки дисперсных материалов, но все они малоэффективны из-за неоптимальной структуры вихревого потока, что вызвано нерациональным расположением выходного патрубка. Разработка новых эффективных производственных технологий требует создания новых универсальных машин и аппаратов для механической обработки, использующих перспективные принципы работы и конструктивные элементы. Использование динамических эффектов двухфазных вихревых потоков, обеспечивающих самоизмельчение частиц в потоке, представляется одним из наиболее перспективных направлений в разработке оборудования. Currently, there are a fairly large number of different designs of vortex chambers used for machining dispersed materials, but all of them are ineffective due to the non-optimal structure of the vortex flow, which is caused by the irrational arrangement of the outlet pipe. The development of new efficient production technologies requires the creation of new universal machines and machines for machining, using promising principles of work and structural elements. The use of dynamic effects of two-phase vortex flows, providing self-grinding of particles in the stream, seems to be one of the most promising areas in the development of equipment.

Поэтому авторами предлагается струйно-вихревая камера, содержащая корпус, тангенциальный входной патрубок и патрубок для выхода среды, выполненные по всей длине боковой стенки корпуса. Такая форма и расположение патрубков позволяет сформировать внутри камеры устойчивый вынужденный гетерогенный вихрь, неподвижный в осевом направлении, который имеет максимальную скорость потока у стенки корпуса и обеспечивает оптимальное взаимодействие потока со стенкой, что приводит к интенсивному соударению частиц со стенкой, а затем и между собой в слое, характеризуемое высокими показателями по степени механической обработки и эффективности процесса. Кроме того, структура вихря в зоне выхода формирует стабильную аэродинамическую сепарационную зону, которая не позволяет недоизмельченным частицам покинуть камеру. Therefore, the authors propose a jet-vortex chamber containing a housing, a tangential inlet pipe and a pipe for the exit of the medium, made along the entire length of the side wall of the housing. This shape and location of the nozzles allows the formation of a stable forced heterogeneous vortex, stationary in the axial direction, which has a maximum flow velocity near the wall of the housing and ensures optimal interaction of the flow with the wall, which leads to intensive collision of particles with the wall, and then between each other in a layer characterized by high rates of degree of machining and process efficiency. In addition, the structure of the vortex in the exit zone forms a stable aerodynamic separation zone, which does not allow under-sized particles to leave the chamber.

В предпочтительном варианте выполнения устройство дополнительно предусматривает, что корпус камеры выполняется с уменьшением радиуса кривизны в поперечном сечении и в виде замкнутого тороидального контура. In a preferred embodiment, the device further provides that the camera body is made with a decrease in the radius of curvature in cross section and in the form of a closed toroidal contour.

Уменьшение радиуса кривизны корпуса в поперечном сечении способствует сохранению пристенной скорости вихря по сечению, что ведет к стабилизации процесса механической обработки и увеличивает его эффективность. A decrease in the radius of curvature of the body in the cross section helps to maintain the wall velocity of the vortex over the cross section, which leads to stabilization of the machining process and increases its efficiency.

Применение тороидальной камеры позволяет создавать более компактные аппараты на ее основе и повысить коэффициент полезного объема. The use of a toroidal camera allows you to create more compact devices based on it and increase the coefficient of net volume.

Сущность технического решения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен фрагмент цилиндрической струйно-вихревой камеры в разрезе. The essence of the technical solution is illustrated by drawings. Figure 1 shows a fragment of a cylindrical jet-vortex chamber in section.

На фиг.2 показан поперечный профиль струйно-вихревой камеры с уменьшающимся радиусом кривизны. На фиг. 3 представлен предпочтительный вариант - тороидальная струйно-вихревая камера с частичным вырезом. Figure 2 shows the transverse profile of the jet-vortex chamber with a decreasing radius of curvature. In FIG. 3 shows a preferred embodiment — a toroidal jet-vortex chamber with a partial cut-out.

Струйно-вихревая камера содержит цилиндрический или тороидальный корпус 1, который может выполняться с уменьшающимся радиусом кривизны в поперечном сечении, тангенциально расположенный входной патрубок 2 для подачи среды и выходной патрубок для среды 3 на боковой стенке корпуса, выполненные по всей длине стенки корпуса. The jet-vortex chamber contains a cylindrical or toroidal housing 1, which can be performed with a decreasing radius of curvature in cross section, a tangentially located inlet pipe 2 for supplying medium and an outlet pipe for medium 3 on the side wall of the housing, made along the entire length of the housing wall.

Рассмотрим работу струйно-вихревой камеры на следующем примере. Подача гетерогенной среды (газовзвесь натриевой селитры с объемной концентрацией около 10^-5 и размером частиц до 1000 мкм) осуществляется через тангенциально расположенный патрубок 2. В зависимости от скорости потока реализуется определенный вид механической обработки, при скорости менее 2 м/с происходит активация материала, овализация реализуется в диапазоне скоростей от 2 до 10 м/с, а эффективное измельчение начинается примерно с 10 м/с. Входная струя образует внутри камеры пристенный вынужденный вихрь сложной пространственной структуры. Частицы натриевой селитры, находящиеся в вихревом потоке, частично сталкиваются со стенкой корпуса и это вызывает сильную хаотизацию их движения, что приводит к их интенсивному соударению и эффективной обработке дисперсной фазы. Газ с измельченными частицами выходит через сепарационную зону у выходного патрубка в боковой стенке корпуса, а недоизмельченные частицы (более 20 мкм) в сепарационной зоне отделяются и продолжают движение в вихре. Степень обработки частиц материала регулируется расходом и давлением среды, а также шириной входного и выходного патрубков, которая определяет скорость вихревого движения и время пребывания материала в камере. Пристенная скорость вихревого потока определяет вид, интенсивность и эффективность процесса обработки. При скорости 30 м/с были получены частицы селитры со средним размером около 15 мкм.Consider the operation of the jet-vortex chamber in the following example. The supply of a heterogeneous medium (gas suspension of sodium nitrate with a volume concentration of about 10 ^-5 and a particle size of up to 1000 microns) is carried out through a tangentially located pipe 2. Depending on the flow velocity, a certain type of machining is realized, at a speed of less than 2 m / s, the material is activated, Ovalization is realized in the speed range from 2 to 10 m / s, and effective grinding starts from about 10 m / s. The input stream forms a wall forced vortex of a complex spatial structure inside the chamber. Particles of sodium nitrate, located in a vortex flow, partially collide with the wall of the body and this causes a strong randomization of their movement, which leads to their intense collision and effective processing of the dispersed phase. Gas with crushed particles escapes through the separation zone at the outlet pipe in the side wall of the casing, and unmilled particles (more than 20 microns) in the separation zone are separated and continue to move in a vortex. The degree of processing of material particles is regulated by the flow rate and pressure of the medium, as well as the width of the inlet and outlet pipes, which determines the speed of the vortex movement and the residence time of the material in the chamber. Wall velocity of the vortex flow determines the type, intensity and efficiency of the processing process. At a speed of 30 m / s, nitrate particles with an average size of about 15 μm were obtained.

Использование предлагаемой струйно-вихревой камеры в промышленных аппаратах для механической обработки дисперсных материалов позволяет снизить энергозатраты, увеличить производительность и качество получаемого продукта. Кроме того, использование этой камеры позволяет создавать компактное универсальное оборудование для проведения различных видов обработки и совмещенных процессов. The use of the proposed jet-vortex chamber in industrial apparatus for the mechanical processing of dispersed materials can reduce energy consumption, increase productivity and quality of the resulting product. In addition, the use of this camera allows you to create compact universal equipment for carrying out various types of processing and combined processes.

Claims (1)

Струйно-вихревая камера, содержащая корпус, тангенциальный входной патрубок и патрубок для выхода среды, расположенные на боковой стенке корпуса, отличающаяся тем, что входной и выходной патрубки выполнены по всей длине корпуса. A jet-vortex chamber containing a housing, a tangential inlet pipe and a medium outlet pipe located on a side wall of the housing, characterized in that the inlet and outlet pipes are made along the entire length of the housing.

Images