Патент на изобретение №2252826

(54) РОТОРНО-ИМПУЛЬСНЫЙ АППАРАТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде, для создания однородных эмульсий и дисперсных систем. Роторно-импульсный аппарат содержит корпус со всасывающим патрубком для подвода суспензий и нагнетательным патрубком для отвода обрабатываемых суспензий, расположенные внутри и коаксиально установленные ротор и статор с отверстиями. Отверстия в роторе выполнены в виде плоских прямоугольных труб, а отверстия в статоре – в виде уступом расширяющихся прямоугольных плоских труб. Технический результат – повышение эффективности обработки суспензий не только за счет генерируемых импульсов давления при нарушении сплошности потока, но и за счет высокочастотных колебаний, образующихся при “схлопывании” большого количества кавитационных пузырьков. 6 ил.

Изобретение относится к устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде, смешивания в системах “жидкость – жидкость”, “жидкость – твердое тело” и может быть использовано в химической, нефтяной, фармацевтической, машиностроительной, горно-добывающей и других отраслях промышленности для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов (например, для приготовления водоугольного топлива, водоуглеводородного топлива и т.д.).

Известно устройство, роторно-импульсный аппарат, патент RU №2179896 от 27.02.2000 г., в котором коаксиально установлены в корпусе ротор и статор с двумя цилиндрическими боковыми стенками, в которых выполнены радиальные каналы, причем каналы во внешней стенке статора соосны вдоль радиальной оси с каналами во внутренней стенке статора, а каналы во внешней стенке ротора выполнены со сдвигом относительно каналов во внутренней стенке ротора с интервалом (а/4 – 3а/4) в окружном направлении в сторону вращения ротора, где а – ширина каналов ротора и статора.

Недостатком известного устройства является, то что выбранная форма отверстий ротора и статора недостаточно эффективна для возникновения гидродинамической кавитации.

Известно устройство, акустический излучатель, патент России №2149713 от 27.05.2000 г., в котором в корпусе, имеющем входные и выходные патрубки и установленные в нем коаксиально цилиндрические ротор и статор с каналами на боковых стенках, причем статор установлен внутри ротора, а обрабатываемая жидкость подается со стороны наружной поверхности ротора, число каналов статора и ротора равно друг другу и каналы в роторе выполняются к радиусу ротора под углом

где – угловая скорость ротора (рад/сек);

R_сp – средний радиус ротора (м);

а – ширина прямоугольного канала ротора (м);

h – высота канала ротора (м);

Q – расход жидкости через излучатель (м³/сек).

Недостатком известного устройства является то, что для протекания суспензии через устройство необходимо на входном отверстии повысить давление в суспензии до пределов, превышающих противодавление оказываемое суспензией, отбрасываемой под действием центробежной силы из отверстий ротора к отверстиям статора. Применение подобного устройства значительно повысит удельные энергозатраты на единицу обрабатываемой суспензии.

Известно устройство, высокочастотный многорядный роторно-импульсный аппарат, патент России №2179895 от 27.02.2002 г., в котором в корпусе с кольцевой рабочей камерой установлены концентрично с зазором, выполненные в виде тел вращения полые статор и ротор, в боковых стенках которых выполнены сквозные каналы, расположенные рядами, с количеством рядов не менее одного, при этом каналы ротора и статора выполнены таким образом, что в положении, когда каналы первого ряда ротора совмещены с каналами первого ряда статора, каналы других рядов ротора сдвинуты в окружном направлении относительно каналов соответствующих рядов статора на величину, определяемую из соотношения

d_n=0,1·K₁a(n-1)

где d_n – сдвиг в окружном направлении каналов ротора в ряду с номером n относительно каналов статора в ряду с номером n при таком расположении ротора и статора, когда каналы первого ряда ротора и статора совмещены;

а – ширина канала;

K₁ – коэффициент, который выбирается из диапазона 0,91<1,1.

Недостатками известного устройства является то, что для эффективной работы устройства необходимо избыточное давление на входе в аппарат, в пределах 3-10 атм, при котором формируются импульсы суспензии известной интенсивности и диапазона частот.

Известно устройство, гидродинамический излучатель, патент России №2205073 от 27.05.2003 г., имеющее сопло и резонансное колебательное устройство с прорезями, снабженное корпусом, состоящим из двух дисков, в каждом из которых выполнены центральное отверстие, торцевая кольцевая канавка и внутренняя, сделанная на проход до кольцевой канавки кольцевая проточка, диски обращены друг к другу торцами, образующими из торцевых кольцевых канавок кольцевую полость и из кольцевых проточек внутренне круговое сопло, резонансное колебательное устройство которого выполнено в виде установленной в центральном отверстии напротив внутреннего кругового сопла кольцевой резонансной пластины, в которой в радиальном направлении выполнены прорези.

Положительным в известном устройстве является то, что отсутствуют вращающиеся рабочие органы.

Недостатком известного устройства является то, что подобное устройство может найти применение только в системах “жидкость – жидкость”, а при наличии в суспензии твердых компонентов кольцевая резонансная пластина будет очень быстро изнашиваться, а затем и прекращать излучение из-за нарушения частоты.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, в котором обеспечиваются условия возникновения колебаний не только от прерывания потока обрабатываемой суспензии при смещении отверстий ротора и статора, но и использование таких форм и размеров отверстий ротора и статора, которые обеспечивают условия устойчивого возникновения гидромеханической кавитации с целью интенсификации эмульгирования и обеспечения условий интенсивного протекания многих физико-химических процессов.

Образование двух зон кавитации (в отличие от всех известных устройств) повлечет интенсификацию процессов эмульгации и диспергации обрабатываемой среды, а чередующиеся гидравлические удары в отверстиях ротора и регулируемое статическое давление в патрубке отвода обрабатываемой среды в отверстиях статора, обеспечит завершение термодинамического цикла жизни кавитационных пузырьков в отверстиях статора и ротора. Ударные волны и кумулятивные струйки, образующиеся при “схлопывании” кавитационных пузырьков, обладающие высокой энергией, обеспечат высокоэффективное эмульгирование и диспергирование твердых частиц суспензии.

Поставленная задача достигается тем, что в роторно-импульсном аппарате, содержащем корпус 1 с патрубком (фиг.1, 2) для подвода и патрубком 7 для отвода эмульгированной среды, внутри которого концентрично друг другу расположены ротор 3 на валу 4 и статор 2, в периферийной части ротора, в кольцевом насадке, отверстия выполнены в виде плоских прямоугольных труб. В статоре отверстия выполнены в виде плоских прямоугольных труб, расширяющихся в сторону корпуса одним уступом, расположенным по ходу вращения ротора.

При прохождении суспензией отверстий, расположенных в кольцевом насадке ротора 5, имющих плоскую прямоугольную форму, образуются зоны пониженного давления (зона А на фиг.3), в которых образуются кавитационные пузырьки.

В момент совмещения отверстий ротора и статора поток суспензии устремляется под действием кинетической энергии в отверстия статора 2, “прилипает” к стенке и огибает выступ расширяющейся части с образованием зоны кавитации (зона В на фиг.3). При полном совмещении отверстий, а затем и в фазе их перекрытия суспензия протекает по той же стенке под действием эффекта Коанда.

Давление, возникающее в результате конденсации парогазовых и кавитационных пузырьков, можно определить по формулам.

1.Конденсация газовых пузырьков.

где R₀ – радиус начального значения газового пузырька, мм;

R – конечное значение газового пузырька, мм;

P₀ – гидростатическое давление в жидкости, кг/см²;

Р – давление, возникающее в центре конденсации кавитационного пузырька, кг/см².

Для примера: при и Р₀=1 кг/см² получаем Р=1260 кг/см².

2. Давления, возникающие при конденсации паровых навигационных пузырьков, определяют по формуле

где – сжимаемость жидкости, кг/см² (для воды =50·10^-6 кг/см²).

При тех же значениях Р₀=1 кг/см² и получаем Р=10300 кг/см².

При Р₀=10 кг/см² и получаем Р=498800 кг/см².

Известно, что кавитация в жидкости наступает тем раньше, чем больше жидкость загрязнена твердыми частицами.

Это обусловлено тем, что на поверхности твердых частиц адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат очагами, способствующими возникновению кавитации. Кавитационные пузырьки, возникающие на поверхностях частиц эмульгируемых и диспергируемых материалов, при движении обрабатываемой гидросмеси деформируются. При конденсации деформированных кавитационных пузырьков возникают кумулятивные струйки, обеспечивающие интенсивное перемешивание и эмульгирование обрабатываемой среды.

Давления, возникающие в точках исчезновения кавитационных пузырьков, порождают в жидкости ударные волны. Ударная волна быстро затухает по мере удаления от схлопнувшегося пузырька. Однако, если рядом с пузырьком находится поверхность твердого тела, достигающая ее ударная волна имеет достаточную интенсивность, чтобы деформировать эту поверхность. В зоне кавитации возникает и захлопывается огромное количество пузырьков. Поэтому одна и та же поверхность или частица твердого тела испытывает многократно повторяющиеся импульсы механического напряжения, которые приводят к усталости и последующему разрушению этих частиц.

На фиг.1 изображен продольный разрез роторно-импульсного аппарата, состоящего из следующих деталей:

1 – полый корпус;

2 – кольцо статора с отверстиями;

3 – ротор, выполненный в виде центробежного рабочего колеса;

4 – вал ротора;

5 – кольцо ротора с отверстиями;

6 – всасывающий патрубок корпуса.

На фиг.2 изображен поперечный разрез роторно-импульсного аппарата, на котором дополнительно изображены:

7 – патрубок для отвода обрабатываемой среды;

8 – всасывающая полость ротора;

9 – регулятор давления.

На фиг.3 изображены условия возникновения гидродинамической кавитации в отверстиях кольца ротора 5 и кольца статора 2 (зона А и зона В) при совмещении отверстий.

На фиг.4 изображены условия возникновения гидравлического удара в отверстиях кольца ротора 5 и конденсация навигационных пузырьков в отверстиях кольца статора 2 под действием избыточного давления Р₂, поддерживаемого регулятором давления 9.

На фиг.5 изображено положение колец ротора и статора в момент совмещения отверстий.

На фиг.6 изображено положение ротора и статора при несовпадении отверстий.

Ротор 3 оснащен лопатками, как центробежный насос, предназначенный для сообщения центробежной силы обрабатываемой жидкости и обеспечения давления P₁ перед плоскими прямоугольными отверстиями ротора 3.

Патрубок 7 для отвода обрабатываемой среды оснащен регулятором давления 9, обеспечивающим необходимое давление Р₂ в напорной полости роторно-импульсного аппарата.

Роторно-импульсный аппарат, в зависимости от области применения, может быть изготовлен любых размеров и производительности.

Конструкция роторно-импульсного аппарата обеспечивает разрыв сплошности обрабатываемой суспензии или гидросмеси, что усиливает энергию колебаний на 40%, а оптимальное соотношение размеров отверстий ротора и статора обеспечивают условия устойчивого возникновения кавитационных пузырьков, которые конденсируются, “схлопываются” в условиях гидравлических ударов в отверстиях ротора и под действием избыточного давления в отверстиях статора.

Работает роторно-импульсный аппарат следующим образом.

При вращении ротора 3 обрабатываемая суспензия по всасывающему патрубку 6 полого корпуса 1 поступает во всасывающую полость 8 и направляется в ротор 3, выполненный в форме рабочего колеса центробежного насоса. Ротор 3, закрепленный на валу 4, вращаясь, воздействует лопатками на суспензию, отбрасывает ее к периферийной части, к кольцевому насадку 5 и сообщает ей кинетическую энергию.

В кольцевом насадке 5 ротора суспензия проходит через множество плоских прямоугольных отверстий. Обладая большой кинетической энергией поток суспензии, проходя по плоским прямоугольным отверстиям, образует в них зоны пониженного давления (зона А на фиг.3). Не только зона А, но и транзитная струя суспензии в пределах этой области характеризуется наличием вакуума, обеспечивающего насыщение суспензии кавитационными пузырьками.

(Н_вак)_мах=(0,75-0,8)Р₁-Р₂,

где (Н_вак)_мах – максимальный вакуум в зоне А;

Р₁ – давление в рабочем колесе перед отверстиями ротора;

Р₂ – давление в напорной области фиг.2.

При снижении давления в зоне А и транзитной струе обрабатываемой суспензии ниже давления насыщенных паров одного из компонентов, суспензия интенсивно вскипает, образуя навигационные пузырьки, и насыщает ими транзитную струю в пределах этой зоны. После прохода зоны А в транзитной струе давление повышается и кавитационные пузырьки конденсируются, образуя первую волну кавитационных ударов. Ударные волны интенсивно промешивают суспензию, деформируют поверхности твердых частиц суспензий гидросмесей, а проникающая в микротрещины жидкость под действием ударных волн увеличивает их или разрушает названные частицы.

В момент совмещения отверстий ротора и статора жидкость, проходя через уступом расширяющиеся отверстия, образует зоны пониженного давления в зонах В кольца статора 2 (фиг.3), в которых происходит образование кавитационных пузырьков.

В момент перекрытия отверстий ротора боковыми стенками статора происходит резкое повышение давления по всей длине плоских прямоугольных отверстий ротора (прямой гидравлический удар), который усиливается ударными волнами от “схлопывания” кавитационных пузырьков в зоне А кольца ротора 5 (фиг.4).

В зоне В интенсивное “схлопывание” кавитационных пузырьков обеспечивает постоянное избыточное давление Р₂, поддерживаемое регулятором давления 9 (фиг.2).

Повышение интенсивности эмульгирования, диспергирования, а также протекания физико-химических процессов за счет разрыва сплошности обрабатываемой суспензии и последовательного кавитационного воздействия на компоненты суспензии в отверстиях ротора и статора способствует увеличению производительности роторно-импульсного аппарата.

Роторно-импульсный аппарат позволяет получать однородные тонкодисперсные суспензии, приготавливать различные эмульсии, обеспечивать протекание многих физико-химических реакций, требующих повышенных давлений и температур, смешивать несмешивающиеся жидкости, активировать обрабатываемые компоненты суспензий.

Тепловая энергия, выделяющаяся в результате “схлопывания” кавитационных пузырьков, позволяет осуществлять многие процессы без предварительного разогрева компонентов суспензий при отрицательных температурах.

Список использованной литературы

1. Патент России №2179896 от 27.02.2000 г.

2. Патент России №2149713 от 27.05.2000 г.

3. Патент России №2179895 от 27.02.2000 г.

4. Патент России №2205073 от 27.02.2000 г.

5. Т.М.Башта. “Машиностроительная Гидравлика”, М.: Машиностроение, 1971 г., стр.44…49, 118, 349, 375, 379…381, 509…512.

6. Л.И.Богомолов, К.А.Михайлов. “Гидравлика”, М.: Стройиздат, 1972 г., стр.87…92, 142…150, 398…405.

7. Р.Р.Чугаев. “Гидравлика”, М.: Энергия, Ленинградское отделение, 1971 г., стр.14…17, 28…33, 64…74, 85…88, 135…140, 163…167, 277…286, 307…314.

8. И.Пирсол. “Кавитация”, пер. с английского к.т.п. Ю.Ф.Журавлева, М.: Мир, 1975 г., стр.9…20, 22…25, 36…50, 69…89.

9. М.А.Лаврентьев, Б.В.Шабат. “Проблемы гидродинамики и их математические модели”, М.: Наука, 1973 г., стр.350, 352…357.

10. B.B. Майер. “Кумулятивный эффект в простых опытах”, М., 1989 г., стр.44, 47, 92…97, 175…177.

11. Е.И.Забабахин, И.Е.Забабахин. “Явления неограниченной кумуляции”. М.: Наука, 1988 г., стр.11-17, 20-30.

12. И.Ш.Федоткин, А.Ф.Нелегин. “Использование кавитации в технологических процессах”, Киев: Вища школа, 1984 г., стр.12-13.

13. Доктор технических наук профессор Б.А.Аграната. “Ультразвуковая технология”, Москва: “Металлургия”, 1974 г., стр.148-150, 211-220, 400-413.

Формула изобретения

Роторно-импульсный аппарат, имеющий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода суспензий и нагнетательным патрубком для отвода обрабатываемых суспензий, расположенные внутри корпуса ротор в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии и статор с отверстиями, установленный коаксиально ротору, отличающийся тем, что, с целью интенсификации эмульгирования, диспергирования и ускорения физико-химических процессов за счет гидродинамической кавитации, отверстия в роторе выполнены в виде плоских прямоугольных труб, а отверстия в статоре – в виде уступом расширяющихся прямоугольных плоских труб.

РИСУНКИ