Способ нормированного смесеобразования и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к технике смесеобразования методом объемного дозирования нормированных потоков исходных компонентов. Разделенные потоки компонентов в виде разделенных нормированных дискретных доз формируют с помощью механизма шестеренного насоса. Затем их объединяют в общий выходной поток в последовательно чередующемся порядке и подают на дополнительное смешивание. В устройстве в качестве дискретно-дозирующего средства использован механизм шестеренного насоса. Входные каналы подачи компонентов раздельно сообщены с роторными полостями шестеренного насоса. Технический результат состоит в обеспечении постоянства формирования заданной пропорциональности компонентов или кратности смесеобразования в непрерывном потоке с последующей гомогенизацией смеси до пропорциональной однородности независимо от колебаний гидродинамических параметров на входных магистралях исходных компонентов. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технике смесеобразования методом объемного дозирования нормированных потоков исходных компонентов с последующим их объединением, гомогенизацией и может быть использовано в любых отраслях промышленности для приготовления жидких, газовых, газожидкостных взвесей, дисперсий, сыпучих и вязких смесей с заданным соотношением исходных составляющих. Предлагаемое устройство относится к шестеренчатым смесителям нагнетательного типа.

Существующие процессы смесеобразования делятся на два способа. Первый способ - объемное дозирование, заключается в том, что в емкость в регламентируемой последовательности вводят определенные объемы компонентов при непрерывном перемешивании и перемешивают их до образования гомогенной смеси. Недостатком этого способа являются: погрешность вводимых объемов, неоднородность смеси и длительность самого процесса. Второй способ - объединение нормированных потоков исходных компонентов с последующим перемешиванием во время транспортировки. К недостаткам этого способа относится влияние на однородность смеси погрешности дозирования исходных компонентов, случайность процесса смесеобразования, сложность системы управления дозированием исходных компонентов. Кроме этого, реализация любого из вышеперечисленных способов в конструктивном исполнении отличается друг от друга в зависимости от реологических свойств исходных компонентов. Все эти факторы не гарантируют однородности смесеобразования, так как соотношение компонентов в произвольных точках смеси - величина случайная, а для ее нормирования нужны или длительное время для перемешивания, или специальные устройства усреднения смеси до требуемой однородности.

Известно техническое решение [патент РФ 2181620, 7 B 01 F 5/04, 15/04, А 61 М 5/168, опубликован 27.04.2002 Бюл. №12], в котором описано устройство и способ смешивания непрерывно текущей жидкости с одной или более дозировано добавленными второстепенными жидкостями. Согласно этому способу для смешивания непрерывно текущей жидкости с одной или более добавляемыми дозировано в малом количестве второстепенными жидкостями, последние подают под давлением в основную жидкость с помощью иглоподобных сопел, которые вводят через резиноподобную перегородку, установленную в напорном трубопроводе, по которому проходит основная жидкость. Это решение обладает следующими недостатками: сложность технической реализации этого решения в смысле конструктивного исполнения и управления исходными потоками с целью их пропорционального нормирования по кратности смешения.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату является способ перемешивания твердых и жидких веществ (варианты) и устройство для его осуществления [патент РФ 2079353, 6 B 01 F 5/16, опубликован 20.05.97, Бюл. №14], в котором специальное устройство спроектировано таким образом, чтобы отношение твердого вещества к жидкому оставалось постоянным от момента предварительного контакта друг с другом до момента выпуска из устройства в качестве смеси. Давление подаваемой жидкости регулируют так, чтобы оно превышало минимальное давление и было меньше, чем максимальное давление вращающейся массы жидкости, поток жидкости подают перпендикулярно его кольцевому сечению. То есть способ перемешивания основывается на балансе давлений. Отсюда очевидны недостатки этого способа, заключающегося в необходимости постоянного регулирования давлений и скорости подачи компонента в область смешивания. Такое "косвенное дозирование" исходных компонентов зависит от погрешности дозирования исходных компонентов, точности управления потоками для обеспечения нужного режима смешения.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение постоянства формирования заданной пропорциональности компонентов или кратности смесеобразования в непрерывном потоке с последующей гомогенизацией смеси до пропорциональной однородности независимо от колебаний гидродинамических параметров на входных магистралях исходных компонентов, а также упрощение технического решения для осуществления предлагаемого способа.

Эта цель достигается тем, что объемное дозирование нормированных потоков исходных компонентов создают зубчатыми роторами механизма шестеренного насоса с помощью раздельных входных каналов, при этом раздельно формируют входные потоки исходных компонентов в виде дискретных элементарных доз, заключенных в межзубовом пространстве, а затем эти элементарные дозы объединяют в последовательно чередующемся порядке и подают на дополнительный смеситель или диспергатор. При этом под нормированием понимают упорядоченное формирование дискретно-дозирующим средством исходных компонентов в заданной пропорциональности в один поток, характеризующийся постоянством пропорционального распределения компонентов в объеме образованной смеси перед гомогенизацией или диспергированием.

Для реализации этого способа предлагается устройство, использующее шестеренный насос в качестве дискретно дозирующего средства, который снабжен раздельными входными каналами, сообщающимися с роторными полостями шестеренного насоса. Важными факторами в смесеобразовании является величина дискретности смесеобразования исходных компонентов в заданной пропорциональности и ее постоянство в процессе смешения. Под термином "дискретность смесеобразования" понимается пропорционально заданное минимальное количество компонентов, вступающих в процесс смесеобразования, обеспечивающих постоянство суммарного дискрета смеси, поступающего на гомогенизацию или диспергирование. В предлагаемом устройстве, реализующем этот способ, величина дискретности смесеобразования определяется величиной межзубового пространства и зависит от модуля зуба и ширины венца, а производительность - от количества зубьев и числа оборотов. Такое решение позволяет обеспечить постоянство дозирования независимо от колебания гидродинамических параметров входных магистралей исходных компонентов, не требует специальных средств управления потоками и исключает погрешность дозирования исходных компонентов.

В предлагаемое устройство могут быть введены дополнительные секции, состоящие из шестеренных насосов с раздельными входными каналами, сообщающимися с соответствующими роторными полостями шестеренных насосов. При этом шестеренные насосы должны быть кинематически связаны между собой, иметь общий привод, а их выходы объединены общим смесителем, имеющим выходной канал. Между секциями необходимо установить разделяющие перегородки.

Возможны следующие варианты устройства:

- в каждую секцию введены камеры смешивания, сообщающиеся с выходами шестеренных насосов и между собой с помощью отверстий в разделяющих перегородках, а одна из камер смешивания сообщена с выходным каналом;

- в камеру смешивания каждой секции введены пружинные смесители;

- в каждую секцию введены изолированные друг от друга камеры смешивания, сообщающиеся с выходами шестеренных насосов, и дополнительные камеры, разделяющиеся перегородками, которые имеют отверстия, при этом дополнительные камеры сообщаются с соответствующими камерами смешивания, а одна из дополнительных камер сообщена с выходным каналом;

- в дополнительные камеры введены пружинные смесители.

В том случае, когда из предлагаемого устройства выполнен пакет секций, разделенных перегородками и объединенных общим приводом, и в каждую секцию на выходе введены сообщающиеся между собой с помощью отверстий в перегородке камеры смешивания, одна из которых сообщается с выходным каналом, получится смесительный агрегат с заданной кратностью смешивания нескольких компонентов. Такой агрегат теоретически лишен возможности возникновения случайного процесса смесеобразования, так как поступление нормированных дискретных исходных доз на смешивание обеспечивается конструктивно. Кроме того, такой способ смесеобразования не зависит от входных колебаний, не имеет погрешности и не требует какого-либо управления, следящей системы контроля за постоянством дозирования и не нуждается в обратной связи. Если в камеры смешивания такого агрегата установить пружины, то можно получить в объемах этих камер не только смешивание, но и ультразвуковой эффект. Развивая техническое решение далее, можно ввести на выходе камеры смешивания в каждой секции еще дополнительную камеру, сообщающуюся с предыдущей камерой. Снабдив дополнительную камеру пружиной, отверстиями в перегородке для сообщения с аналогичными камерами других секций и предварительно изолировав сплошной перегородкой камеры смешивания, можно получить смесительно-диспергирующий агрегат для получения, например, технического масла в непрерывном потоке. Аналогичную схему смешивания можно реализовать на типовых серийных шестеренных насосах. Для этого необходимо их кинематически связать единым приводом, или муфтами, или передающими шестернями, или их комбинацией. Тогда, если в каждый шестеренный насос подавать раздельно по одному компоненту, произойдет дозирование, трансформирующееся в нормированные потоки, объединяемые в одном смесителе или диспергаторе. Однако в этом случае возрастет роль случайной составляющей в самом процессе смешивания. Все вышеперечисленные конструкции способны работать и без привода, как гидромоторы. В этом случае необходимо один из компонентов подавать под давлением, а остальные компоненты могут поступать в другие секции в режиме вакуумметрического всасывания, за счет кинематической связи насосов.

Предлагаемое техническое решение условно изображено на чертежах, где:

- на фиг.1 показана схема устройства, поясняющая способ смесеобразования;

- на фиг.2 показана схема пакетно-секционного устройства с камерами смешивания;

- на фиг.3 показано сечение А-А по фиг.2;

- на фиг.4 показана схема пакетно-секционного устройства с камерами смешивания и пружинными смесителями;

- на фиг.5 показано сечение В-В по фиг.4;

- на фиг.6 показана схема устройства с дополнительной камерой;

- на фиг.7 показано сечение С-С по фиг.6;

- на фиг.8 показана схема реализации предлагаемого способа на серийных шестеренных насосах со смешиванием, например, четырех компонентов;

- на фиг.9 показана схема смешивания двух компонентов.

Устройство смесеобразования, показанное на фиг.1, состоит из корпуса 1, входных каналов 2, 3, зубчатых роторов 4, 5 и выходного канала 6. На вход 1 подается компонент 1, а на вход 2 подается компонент 2. На фиг.2 показано пакетно-секционное исполнение устройства, где введена камера смешивания 7 в каждой секции и установлены разделяющие перегородки 8, содержащие отверстия 9. При этом на вход 1 подается компонент 1, на вход 2 - компонент 2, на вход 3 - компонент 3, на вход 4 - компонент 4, на вход 5 - компонент 5, а на вход 6 - компонент 6 (четные входы на чертеже не показаны). В камерах смешивания 7 могут быть установлены (фиг.4, фиг.5) пружинные смесители 10. Устройство может содержать дополнительную камеру 11 с пружинными смесителями 10, при этом отверстия 9 в разделяющей перегородке 8 размещены в зоне дополнительной камеры 11, а в зоне камеры смешивания 7 они отсутствуют. Реализация предлагаемого способа с помощью серийных шестеренных насосов (фиг.8, фиг.9) включает в себя расходные емкости 12 исходных компонентов, шестеренные насосы 13, кинематически связанные одним приводом 14, смесители 15, 16 и 17.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Во входные каналы 2 и 3 (фиг.1) подаются соответственно компонент 1 и компонент 2, которые вращающимися зубчатыми роторами 4 и 5 разделяются на дискретные дозы и подаются в зону зацепления зубьев, где они выдавливаются в выходной канал 6, в котором и происходит смешивание. Таким образом происходит дозирование и смешивание двух компонентов в кратности 1:1. Секции, аналогичные показанным на фиг.1, могут быть объединены в пакет однотипных секций (фиг.2) с разделяющими перегородками. В этом случае в каждую секцию поступает по два компонента, парные смеси выдавливаются в камеры смешивания 7, из них через отверстия 9 в одну из камер смешивания, которая сообщена с выходным каналом 6. Следующий вариант исполнения (фиг.4, фиг.5) отличается от предыдущего тем, что компоненты продавливаются через пружинные смесители 10, которые рассекают парные смеси на струйные потоки и своими колебаниями оказывают на проходящие смеси акустическое воздействие. Для реализации более интенсивного массоэнергообмена (фиг.6, фиг.7) введены дополнительные камеры 11 с пружинными смесителями. В этом случае камеры смешивания разделены перегородками, а дополнительные камеры сообщены между собой отверстиями 9. Парные компоненты через пружинные смесители смешиваются перекрещивающимися струями в камерах смешивания 7, затем поступают через пружинные смесители в дополнительные камеры 11, далее через отверстия 9 сообщаются с одной из дополнительных камер, которая сообщается с выходным каналом 6. Аналогичный процесс может быть организован с помощью серийных шестеренных насосов, каждый из которых выполняет задачу входных каналов. Необходимым условием использования шестеренных насосов является наличие общего привода и кинематической связи между ними. На фиг.8 показана схема четырехкомпонентного смешивания четырьмя шестеренными насосами, где производительность каждого насоса соответствует своей доли смеси. Из расходных емкостей 12 исходные компоненты шестеренными насосами 13 с помощью общего привода 14 подаются сначала в парные смесители 15 и 16, а затем парные смеси смешиваются в смесителе 17, образуя смесь с заданной кратностью смешивания. На фиг.9 показана схема из тех же комплектующих, но собранная иначе. Смесь, полученная из компонента 1 и компонента 2 в смесителе 15, с некоторой кратностью разбавляется дополнительно компонентом 2 в смесителе 16, а затем еще раз разбавляется компонентом 2 в смесителе 17, увеличивая, таким образом, содержание компонента 2 до заданной кратности.

В литературе до настоящего времени автором не обнаружено описание способа смесеобразования одним механизмом шестеренного насоса с помощью раздельных входных каналов. Это позволяет сделать заключение, что заявляемое техническое решение соответствует первому признаку изобретения - новизна. Исследования, проведенные автором в поисках аналогов и прототипа, позволяют сделать заключение, что известные способы смешивания не в полной мере удовлетворяют понятию "пропорционально-нормированное смесеобразование" и требуют программно-аппаратного обеспечения. Поэтому заявляемое техническое решение не вытекает явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует второму признаку изобретения - изобретательский уровень. И наконец, детали и узлы описанного устройства могут быть изготовлены на универсальном оборудовании по традиционной технологии. Поэтому заявляемое техническое решение соответствует третьему признаку изобретения - промышленная применимость.

Таким образом, применение заявляемого способа смесеобразования и устройства для его осуществления позволяет реализовать пропорционально-нормированное смесеобразование с повышенной точностью при меньших энергетических и трудовых затратах.

1. Способ нормированного смесеобразования, включающий объемное дозирование нормированных потоков исходных компонентов, отличающийся тем, что разделенные потоки компонентов в виде разделенных нормированных дискретных доз формируют с помощью механизма шестеренного насоса, а затем в последовательно чередующемся порядке объединяют их в общий выходной поток и подают на дополнительное смешивание или диспергирование.

2. Устройство нормированного смесеобразования, состоящее из корпуса с входными каналами исходных компонентов и выходного канала для отвода смеси, отличающееся тем, что в качестве дискретно-дозирующего средства использован механизм шестеренного насоса, при этом входные каналы подачи компонентов раздельно сообщены с соответствующими роторными полостями шестеренного насоса.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что введены дополнительные секции, состоящие из шестеренных насосов с раздельными входными каналами, сообщающимися с соответствующими роторными полостями шестеренных насосов, при этом шестеренные насосы кинематически связаны между собой, имеют общий привод и общий смеситель, между секциями установлены разделяющие перегородки.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в каждую секцию введены камеры смешивания, сообщающиеся с выходами шестеренных насосов и между собой с помощью отверстий в разделяющих перегородках, а одна из камер смешивания является общим смесителем и сообщена с выходным каналом.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в камеру смешивания каждой секции введены пружинные смесители.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в каждую секцию введены изолированные друг от друга камеры смешивания, сообщающиеся с выходами шестеренных насосов и дополнительные камеры, разделяющие перегородки которых имеют отверстия, при этом дополнительные камеры сообщаются с соответствующими камерами смешивания, одна из дополнительных камер является общим смесителем и сообщена с выходным каналом.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в дополнительные камеры введены пружинные смесители.