Ежектор струменевого млина

Реферат: Винахід стосується струменевої техніки, конкретніше - струменевих млинів для розмелу крупнодисперсних матеріалів. Винахід спрямований на вдосконалення ежекторів для розгону й прискорення в розгінних трубках дисперсного матеріалу, у першу чергу, для збільшення терміну роботи розгінних трубок шляхом газодинамічного захисту стінок трубок від абразивного руйнування дисперсним потоком. Новим у запропонованій конструкції ежектора є оригінальні рішення розгінних трубок у вигляді набору легкознімних соплових блоків, установлених в касеті. Іншим новим рішенням є оригінальна конструкція соплового апарата, в якому оптимально розміщені кільцеві сопла, які охоплюють проточний канал розгінної трубки й орієнтовані таким чином, що забезпечують розгін потоку в трубці й ефективний захист стінок розгінних трубок. UA 100638 C2 (12) UA 100638 C2 UA 100638 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до струменевої техніки подрібнення твердих матеріалів і може бути використаний в енергетиці, гірничо-збагачувальній, хімічній, харчовій та інших галузях промисловості. Відомий реактивний млин для сипучих матеріалів [1], який має розмельну і змішувальну камери, протилежно вставлені ежектори з кільцевими каналами для подавання енергоносія і центральними каналами для введення подрібнюваного матеріалу, виконаними з профілем реактивного сопла. Недоліком цього технічного рішення є значне абразивне зношення стінок розгінних трубок ежекторів, зумовлене тим, що частинки матеріалу, що подається ежектором для подрібнення, змішуючись за виходом з центрального каналу з турбулентним периферійним потоком, механічно взаємодіють з стінками розгінних трубок, викликаючи їх значне абразивне руйнування [2]. Відома конструкція розгінної трубки струменевого млина [3], яка включає обичайку й футеровку, що складається з окремих кільцевих елементів, виконаних конічними з звуженням у напрямку руху газодисперсного потоку, з зовнішніми кільцевими проточками й каналами у менших основах конуса. Елементи змонтовані з частковим введенням їх суміжних кінців один всередину другого і розміщені в обичайці з зазором. Це технічне рішення дозволяє частково зменшити руйнування стінок (футеровки) механічною дією частинок дисперсного компонента потоку. Але захисна дія струменів з щілин у футерівці незначна, оскільки пристінний захисний шар газу тонкий, а дисперсний швидкісний потік внаслідок його турбулентності має складові швидкості у радіальному або близькому до нього напрямі. Створити достатній захисний шар на стінках футерівки у цій конструкції неможливо, не знизивши ефективність її роботи внаслідок значних додаткових втрат енергоносія. Іншим недоліком цього технічного рішення є додаткові втрати енергії, зумовлені такою взаємодією струменів потоків основного і з щілин у футерівці, при якій утворюються збурення профілів розподілу швидкостей в потоках з виникненням складових векторів швидкостей потоку, перпендикулярних до напрямів руху потоків і навіть спрямованих назустріч їм. Відомі конструктивні рішення ежекторів струменевих млинів [4, 5, 6, 7, 8], у яких проблеми руйнування стінок розгінних трубок вирішуються шляхом оснащення основного сопла ежектора зовнішньою обичайкою з утворенням додаткового кільцевого підпірного сопла, потік з якого повинен захищати стінки розгінної трубки. Для цих конструктивних рішень характерні ті ж недоліки, що і для конструкції за авторськими свідоцтвами [1, 3]. Найближчим аналогом технічного рішення, пропонованого цією заявкою для патентування, за сукупністю суттєвих ознак, спрямованих на розв'язання поставленої технічної задачі, є ежектор струменевого млина [9], вибраний як його прототип. Цей відомий ежектор має корпус з патрубком для введення дисперсного матеріалу для його розмелення, розгінні трубки, кожна з яких має периферійно розміщені сопла, осі яких спрямовані під гострим кутом до осі розгінної трубки. При цьому периферійні сопла кожної з трубок утворені кільцевими щілинами в її стінках і своїми вхідними отворами з'єднані з розподільчими колекторами як форкамерами сопел, сполученими з загальним колектором газу-енергоносія. В цій конструкції тверді частинки подають потоком і прискорюють у трубках вздовж осі ежектора за рахунок кінетичної енергії газу-енергоносія. Енергоносій, що подається крізь сопла, частиною своїх струменів утворює захисний шар на стінках розгінних труб і за допомогою свого кінетичного напору відтісняє тверді частинки матеріалу від стінок розгінних труб, запобігаючи таким чином їх абразивному руйнуванню. Це значно збільшує ресурс роботи ежектора. Але цей відомий ежектор також має суттєві недоліки. Зокрема, при подаванні газуенергоносія крізь сопла під кутом до осі розгінної трубки можуть створюватися умови, при яких принаймні частина потоку з сопла при своєму розширенні набуватиме швидкість, вектор якої буде спрямований назустріч основному потоку в розгінній трубці. Це має наслідком виникнення додаткових втрат енергії в процесі прискорення потоку в трубці. Крім того, при високих швидкостях подавання енергоносію крізь бічні сопла виникають збурення потоку в трубці за наступним у напрямі руху потоку зрізом периферійного сопла. При цьому частинки подрібнюваного матеріалу досягають стінок розгінної трубки й руйнують їх. Крім того, вдування захисного енергоносія крізь бічні сопла при змінних умовах навантаження ежектора, характерних для струменевих млинів, призведе до того, що на деяких режимах вектори швидкості основного потоку будуть зустрічатися з векторами швидкості потоків з бічних сопел під прямим кутом чи наближеним до нього, або навіть направленим назустріч, що призведе до взаємного зіткнення потоків з майже повною дисипацією їх кінетичної енергії, утворенням затору в трубці й виходом млина з ладу або з робочого режиму. 1 UA 100638 C2 5 10 15 20 25 30 35 Пропонований винахід вирішує технічну задачу вдосконалення ежектора струменевого млина шляхом застосування нових конструктивних і технологічних рішень, за допомогою яких досягається така організація взаємодії дисперсного потоку в кожній трубці та потоку енергоносія з периферійних сопел трубок, при якій істотно зменшуються або повністю виключаються складові векторів швидкостей потоків енергоносія з сопел, які призводять до руйнування стінок розгінних трубок при одночасному забезпеченні ефективного прискорення дисперсних потоків у трубках. Технічним результатом запропонованого винаходу є повне відтиснення газодисперсного потоку від стінок розгінних трубок, виключення абразивного зносу трубок і істотне збільшення ресурсу роботи ежектора при одночасному збільшенні ефективності розгону газодисперсного потоку в трубках та загальної ефективності роботи млина. Крім того, виключається забруднення продуктів розмелу продуктами руйнування стінок розгінних трубок. Поставлена задача вирішується тим, що в ежекторі струменевого млина, який має корпус з патрубком для введення дисперсного матеріалу для подрібнення, змішувальну камеру, розгінні трубки з розміщеними в поперечних розрізах їх стінок кільцевими соплами, спрямованими під гострим кутом до осі трубок і сполученими своїм входом з колектором газу-енергоносію, кожна з розгінних трубок виконана санкціонованою з складених співвісно одна за одною і вставлених в касету окремих замінних секцій з утворенням їх внутрішніми поверхнями проточного каналу розгінних трубок, а зовнішніми поверхнями разом з касетою - форкамер сопел. Кожна з секцій має перший щодо напряму потоку в трубці циліндричний елемент, частково вставлений суміжним кінцем в другий по потоку циліндричний елемент. Суміжні поверхні елементів, обернені одна до одної, зовнішня - першого елемента і внутрішня - другого, виконані криволінійними, соплоутворюючими і розміщені на відстані одна від одної таким чином, що вони утворюють кільцевий канал з профілем кільцевого сопла, яке охоплює проточний канал розгінної трубки. При цьому профіль вихідної частини кільцевого сопла визначений кутами розкриття соплоутворюючих поверхонь суміжних елементів і кутами нахилу твірних цих поверхонь до твірної стінок проточного каналу розгінних трубок. Означені кути разом з кутом нахилу сопла до осі розгінної трубки вибрані з умов: а) відтиснення дисперсної складової газодисперсного потоку (твердих частинок) в кожній розгінній трубці від стінок трубки; б) розгону дисперсного потоку вздовж трубки; в) безвідривності потоків у розгінних трубках і кільцевих соплах. Для досягнення цього нахил соплоутворюючих поверхонь перших елементів змінних блоків вибраний за умови відхилення пристінних струменів потоку енергоносія на виході з сопла до осі труби під кутом до неї, що не перевищує 85±5 градусів, а нахил соплоутворюючої поверхні другого елемента виконаний під кутом до твірної стінки проточного каналу кожної розгінної трубки, що забезпечує поворот пристінних струменів потоку з сопла у напрямі руху дисперсного потоку в трубці, для чого означені кути нахилу вибрані згідно з наступними співвідношеннями:  01    7... 10  ,     i  1 ;    arcsin 1/ Mi ; 2 1 2 2 2  i   w ; k 1  ; i  Mi   àеð k 1 2  ˆ  1 i   k 1   40 45   k2 k 1 2 arcsin i  1 , k 1 2 де 01 - кут нахилу твірної соплоутворюючої поверхні першого елемента секцій до твірної стінки каналу розгінної труби;  - оптимальний кут відхилення потоку енергоносія з сопла першого елемента секцій до осі розгінної труби; k - показник адіабати газу-енергоносія; w - швидкість потоку газу-енергоносія на виході з сопла; i  àеð ˆ - швидкість звуку в газі-енергоносії в критичному перерізі кільцевого сопла. При цьому максимальні значення кутів визначаються згідно з виразами:  k2   k2 ; max    1  ; max   k 1 2 2 k 1   50 при k=1,4 (коли газ-енергоносій - повітря), max  130  27 , max  220  27 . 2 UA 100638 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 схематично зображений блок розмельної камери струменевого млина з ежекторами й розгінними трубками, на фіг. 2 - розріз частини розгінної трубки, на фіг. 3, фіг. 4 показані кути розміщення елементів кільцевих сопел, фіг. 5 і фіг. 6 ілюструють принципи повороту потоків з кільцевих сопел та кути розміщення елементів соплових блоків і сопел розгінних трубок. На кресленнях позначено: 1 - бункери живильників дисперсного матеріалу; 2 - завантаження матеріалу; 3 - центральний ежектор; 4 подавання основного енергоносія; 5 - центральне сопло ежектора; 6 - розгінна трубка; 7 патрубки подавання додаткового енергоносія; 8 - форкамери кільцевих сопел; 9 - кільцеві сопла; 10 - замінні соплові секції-блоки; 11 - зовнішній підпірний патрубок; 12 - подавання додаткового енергоносія; 13 - перегородки між форкамерами кільцевих сопел; 14 - зовнішній патрубок-касета; 15 - розмельна камера; 16 - готовий продукт розмелу; 17 - вихідний патрубок; 18, 19 - соплоутворюючі поверхні першого і другого елементів кільцевого сопла відповідно; 20 критичний переріз сопла; 21 - стінка проточного каналу розгінної трубки; 22, 23 - умови не утворення зворотних вихорів і безвідривності потоків. Струменевий протитечійний млин з пропонованими ежекторами розгінних трубок працює таким чином. В бункери 1 подають дисперсний початковий матеріал 2 в зону ежекторів 3. В центральні сопла цих ежекторів подають основний газ-енергоносій 4, який розганяється в центральних соплах 5 ежекторів 3, захоплює дисперсний матеріал у бункерах 1 і у вигляді пилогазових (газодисперсних) потоків надходить в розгінні трубки 6. В патрубки 7 форкамер 8 кільцевих сопел 9, утворених секціями-блоками 10 розгінних трубок 6 з підпірними патрубками 11, подають додатковий енергоносій 12, який розширюється і розганяється в соплах 9 до високих швидкостей і надходить в проточні канали розгінних трубок 6. Оскільки потік з сопел 9 в канали трубок надходить під кутом до осі трубок 6, то вектори швидкостей потоків з сопел 9 будуть мати як аксіальні складові, паралельні осі трубки 6, так і радіальні, перпендикулярні до осі. При цьому аксіальна складова вектора швидкості розганяє дисперсний матеріал, збільшує його швидкість, передаючи їм частину своєї кінетичної енергії, а радіальна складова швидкості за рахунок свого кінетичного напору відтісняє тверді частинки від стінок розгінних трубок 6 і забезпечує їх аеродинамічний захист від абразивного зносу. Оскільки в усі кільцеві сопла 9 подається один і той же енергоносій 12 одних і тих же достатньо високих параметрів, то швидкості витікання енергоносія з сопел 9 будуть також достатньо високими для досягнення максимального ефекту розгону дисперсної складової потоку при відносно малих витратах енергоносія. При цьому оптимальні значення витрат газу-енергоносія крізь кільцеві сопла забезпечені заданими параметрами енергоносія в форкамерах 8, утворених за допомогою перегородок 13, касет-патрубків 14, приєднаних до розмельної камери 15, разом з оптимальним профілем кільцевих сопел, утворених спеціально спрофільованими поверхнями 18, 19 і вибраною площею критичних перерізів 20 сопел 9. Крім того, статичний тиск у потоках на виході з каналів трубок 6 буде менший, ніж на вході, оскільки швидкість потоку в трубці зростатиме по її довжині завдяки розширенню газодисперсного потоку в розгінній трубці та додатковому розгону потоку високошвидкісними струменями з сопел 9. Для забезпечення оптимального розподілу енергообміну дисперсного потоку в каналах розгінних трубок 6 з струменями додаткового енергоносія з сопел 9, в форкамерах 8 додаткових сопел встановлюють потрібний для цього тиск додаткового енергоносія, а перетіканню енергоносіяміж форкамерами запобігають за допомогою перегородок 13 між ними. Одночасно вони є елементами кріплення соплових секцій-блоків 10 у зовнішній касеті 14 і забезпечують жорсткість конструкції та незмінність взаємного положення її елементів. Розгінні трубки своїми вихідними кінцями введені в розмельну камеру 15 назустріч одна одній співвісно для введення дисперсних потоків в камеру 15, забезпечення їх зіткнення й подрібнення внаслідок їх руйнування. Після подрібнення одержана пилогазова суміш 16 крізь вихідний патрубок 17 надходить у сепаратор (не показаний). Замінні секції-блоки 10 своїми внутрішніми поверхнями утворюють внутрішню поверхню стінки 21 проточного каналу розгінних трубок 6. Кільцеві сопла 9 виконані таким чином, що взаємне розміщення їх соплоутворюючих поверхонь 18, 19 і поверхні стінки 21 проточного каналу трубок забезпечують виконання умов 22, 23 невідривного протікання потоків у соплах 9 і проточних каналах трубок 6. При поданні енергоносія крізь кільцеві сопла під кутом до осі розгінної трубки біля зрізів перших елементів кільцевих сопел при неналежному виборі кутів нахилу поверхонь сопел і стінок трубки можуть виникнути збурення потоків як в соплах, так і в трубці, що матиме наслідком втрати енергії потоків. Крім того, неоптимальний вибір означених кутів при невідповідному виборі параметрів енергоносія в форкамерах сопел може призвести до удару більш швидкого основного потоку в трубках у потоки газу з кільцевих сопел, внаслідок чого 3 UA 100638 C2 5 10 15 20 може знизитися ефективність розгону дисперсного потоку. З метою попередження можливості виникнення небажаного характеру взаємодії основного газодисперсного потоку в трубках з потоками енергоносію з кільцевих сопел знайдені оптимальна форма й взаємне розміщення соплоутворюючих поверхонь, утворених ними кільцевих сопел та проточного каналу розгінних трубок. На фіг. 3, 4, 5, 6 показані кути взаємного розміщення елементів сопел щодо осей і стінок розгінних трубок. На фіг. 3 зображене взаємне розміщення соплоутворюючої поверхні 18 першого (А) елемента соплового блока, при якому кут нахилу 01 цієї поверхні вибраний за умови відхилення струменів потоку до осі трубки на кут, що не перевищує 85±5 градусів. Таким чином ця суттєва ознака забезпечує відтиснення дисперсної складової разом з енергоносієм від стінок трубки й концентрацію твердих частинок в потоці біля вісі трубок. Як видно з фіг. 4, нахил соплоутворюючої поверхні 19 другого елемента (Б) змінних блоків відносно внутрішньої поверхні 21 трубок виконаний під кутом 02, що забезпечує поворот пристінних струменів потоку на виході з сопла вперед уздовж потоку до стінки 21 трубки. Ця суттєва ознака забезпечує розподіл аксіальних компонентів векторів швидкості газодисперсного потоку в розгінних трубках, сприйнятливих для ефективного прискорення дисперсних складових потоку у напрямі їх руху. Таким чином, кути розкриття соплоутворюючих суміжних поверхонь елементів соплових блоків і кути нахилу сопел до осі трубок вибрані за умови забезпечення відтиснення твердих частинок дисперсного потоку від стінок трубки і розгону потоку. Фіг. 5 пояснює вибір основних параметрів соплоутворюючих поверхонь соплових блоків (див.[2]), де  - місцевий кут нахилу характеристики поширення слабких збурень, рівний куту між напрямком швидкості потоку w та напрямом характеристикою BE в даній точці;  - шуканий кут повороту потоку біля однієї соплоутворюючої поверхні; ABD   , ABC   ; A       ; A  25 30  ; 2     , тоді       , 2 2 де  - кут розкриття стінки сопла,   0 . Кут нахилу характеристики поширення слабких збурень 1 .   arcsin Mi Тому для визначення кута  повороту потоку, який відповідає заданому значенню кута , необхідно виконати такі дії. 1. Визначити коефіцієнт швидкості  для заданого значення кута  за формулою    k 1  w2 2 2  2  1  sin 2   .  k 1  k 1 a еð ˆ   2. Визначити число Маха M за формулою 2 2  k 1 . M k 1 2 1  k 1 35 3. Визначити кут  за формулою   arcsin 1 . M 4. Визначити кут  повороту потоку для заданого значення       40 Другий варіант, коли задано: а) кут відхилення потоку ; б) швидкість потоку (,M).  1. Знаходимо       . 2  1. 2. Знаходимо   arcsin  M 3. Знаходимо кут розкриття однієї з стінок сопла: 4  . 2 UA 100638 C2   . 2 На фіг. 6 зображені кути взаємного розміщення елементів сопел, соплового блока і поверхні каналу трубки. Використання запропонованого винаходу дозволить створити високопродуктивний струменевий млин та реалізувати в ньому високоефективний розмел твердих матеріалів незалежно від їх твердості. Джерела інформації: 1. А.с. СРСР № 299257, МКВ В02С19/06, 26.03.1971, бюл. № 12. 2. Г. Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 3. А.с. СРСР № 1449162, В02С19/06, 04.07.1986, бюл. № 1. 4. US4875629, В02С19/06, 1989-10-24. 5. А.с. СРСР № 1724367, В02С19/06, 07.04.1992, бюл. № 13. 6. А.с. СРСР № 1726035, В02С19/06, 15.04.1992, бюл. № 14. 7. RU2000128609, 7 В02С19/06, 10.04.2001. 8. US6,951,312B2, Oct. 4, 2005. 9. А.с. СРСР № 1607949, В02С19/00, 23.11.1990, бюл. № 43 (прототип).  5 10 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 Ежектор для прискорення потоків газодисперсних сумішей, переважно, для подавання й розгону до необхідних швидкостей диспергованої сировини в струменевих млинах, який містить корпус з патрубком введення дисперсного матеріалу, змішувальну камеру, розгінну трубу з розміщеними в її поперечних розрізах щілинними кільцевими соплами, спрямованими під гострим кутом до її поздовжньої осі й з'єднаними своїм входом з форкамерами, сполученими з колектором газуенергоносія, який відрізняється тим, що розгінна труба виконана санкціонованою з окремих замінних секцій, складених співвісно одна за одною і вставлених в касету з утворенням їх внутрішніми поверхнями проточного каналу розгінної труби, а зовнішніми поверхнями форкамер сопел, кожна з секцій має перший по потоку в трубі циліндричний елемент, частково вставлений суміжним кінцем співвісно в другий по потоку циліндричний елемент, причому суміжні поверхні елементів, зовнішня - першого і внутрішня - другого елемента, виконані криволінійними, спрофільованими як соплоутворюючі, і розміщені на відстані одна від одної з утворенням щілинного кільцевого сопла, профіль вихідної частини якого визначений кутами розкриття соплоутворюючих поверхонь і нахилу твірних цих поверхонь до твірної стінок проточного каналу розгінної труби, при цьому означені кути разом з кутом нахилу сопла до осі розгінної трубки вибрані з умови відтиснення твердих частинок газодисперсного потоку від стінок розгінної труби, розгону цих частинок вздовж труби і безвідривності потоків в соплах і в розгінній трубці, для чого нахил соплоутворюючих поверхонь перших по потоку в трубі елементів змінних блоків вибраний за умови відхилення пристінних струменів потоку енергоносія з сопла до осі розгінної труби під кутом до неї, що не перевищує 85±5 градусів, а нахил соплоутворюючої поверхні другого по потоку в розгінній трубі елемента виконаний під кутом до твірної стінок розгінної труби, що забезпечує поворот пристінних струменів потоку енергоносія з сопла у напрямку дисперсного потоку в трубі, для чого означені кути нахилу соплоутворюючих поверхонь вибрані згідно з наступними співвідношеннями: 01    7  10  ;     i   / 2 , 45 де 01 - кут нахилу твірної соплоутворюючої поверхні першого по потоку в трубі елемента секцій до твірної стінки каналу розгінної труби; 1  2 2 2  2 i  2 k  1  ; 2  w ;   arcsin 1/ Mi ; Mi   i  1  k  1 2  a 2 еð ˆ  i  k 1   50   k2 k 1 2 arcsin i  1 , k 1 2 де  - оптимальний кут відхилення потоку енергоносія з сопла першого за ходом потоку в трубі елемента секцій до осі розгінної труби; k - показник адіабати газу-енергоносія; w - швидкість потоку газу-енергоносія на виході з сопла; i  5 UA 100638 C2 aеð - швидкість звуку в газі-енергоносії в критичному перерізі сопла. ˆ 6 UA 100638 C2 7 UA 100638 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8