Устройство для гидроакустической обработки жидкостей

 

Изобретение касается устройства для гидроакустической обработки жидкостей с помощью роторного гидродинамического возбудителя в энергетической, теплотехнической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, химической и смежных отраслях промышленности с целью повышения производительности обработки. Устройство содержит рабочее колесо в виде несущего и покрывающего дисков и периферийной кольцевой стенки с рядом распределенных по окружности выходных отверстий, снабженное передним и концевым уплотнениями, статор, имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие, сообщенное с рабочим колесом, и выпускное отверстие, кольцевую резонансную камеру, образованную периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора, сборную камеру, сообщенную с кольцевой резонансной камерой и выпускным отверстием статора, контур внутренней рециркуляции жидкости из кольцевой резонансной камеры в полость рабочего колеса. Сборная камера образована внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью покрывающего диска рабочего колеса, а контур внутренней рециркуляции жидкости образован с помощью промежуточного уплотнения, установленного перед концевым уплотнением, и ряда перепускных отверстий, выполненных в несущем диске рабочего колеса перед промежуточным уплотнением. Устройство позволяет при прочих равных условиях значительно увеличить производительность гидроакустической обработки жидкостей. 4 табл., 3 ил.

Изобретение относится к технике резонансной обработки жидкостей и непосредственно касается устройства для их гидроакустической обработки с различными технологическими целями. Практическая область промышленного применения изобретения охватывает энергетическую, теплотехническую, химическую, нефтеперерабатывающую, нефтехимическую и другие отрасли промышленности, связанные с технологической переработкой воды, углеводородных и других жидкостей, а также смежные отрасли.

Из уровня техники известна технология гидроакустической обработки жидкостей с различными технологическими целями; в частности, известны способ и устройство для нагревания жидкостей (международная публикация WO 96/33374), способ и устройство для кондиционирования углеводородных жидкостей (российский патент RU 2155636) и способ и устройство для эмульгирования жидкостей (европейский патент ЕР 1108463).

Во всех упомянутых технических решениях используется устройство для гидроакустической обработки жидкостей, которое содержит ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно установленное на валу с передним и концевым уплотнениями лопастное рабочее колесо, выполненное в виде несущего и покрывающего дисков и периферийной кольцевой стенки с рядом выходных отверстий, статор, вмещающий ротор и имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие, сообщенное с полостью рабочего колеса, и выпускное отверстие, кольцевую резонансную камеру, образованную периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора и имеющую минимальный радиальный размер ΔR=1,1614 мм, сборную камеру со стороны несущего диска рабочего колеса, сообщенную с кольцевой резонансной камерой и выпускным отверстием статора, контур внутренней рециркуляции жидкости из кольцевой резонансной камеры в полость рабочего колеса, образованный зазором переднего уплотнения рабочего колеса, и средство для привода ротора с заданной частотой вращения.

Как установлено экспериментально, наибольшая эффективность подобной гидроакустической обработки жидкостей достигается при указанном выше минимальном значении радиального размера кольцевой резонансной камеры.

Однако при этом сильно уменьшается проходное сечение последней, в результате чего значительно увеличивается ее гидравлическое сопротивление и соответственно снижается ее пропускная способность. Вследствие этого производительность устройства резко ограничивается, в особенности с учетом того, что через один и тот же выход кольцевой резонансной камеры, расположенный в данном случае лишь с одной ее стороны, проходит вся обрабатываемая жидкость, включая расход в контуре внутренней рециркуляции жидкости через переднее уплотнение в количестве до 60% (и более) от общего количества жидкости, покидающей кольцевую резонансную камеру.

Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства для гидроакустической обработки жидкостей, которое позволяет значительно увеличить производительность такой обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для гидроакустической обработки жидкостей, которое, как и известное, содержит ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно установленное на валу с концевым уплотнением лопастное рабочее колесо, выполненное в виде несущего и покрывающего дисков и периферийной кольцевой стенки с рядом выходных отверстий, статор, вмещающий ротор и имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие, сообщенное с полостью рабочего колеса, и выпускное отверстие, кольцевую резонансную камеру, образованную периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора, сборную камеру со стороны покрывающего диска рабочего колеса, сообщенную с кольцевой резонансной камерой и выпускным отверстием статора, контур внутренней рециркуляции жидкости из кольцевой резонансной камеры в полость рабочего колеса и средство для привода ротора с заданной частотой вращения. Согласно изобретению, контур внутренней рециркуляции жидкости образован с помощью промежуточного уплотнения, установленного перед концевым уплотнением рабочего колеса, и ряда перепускных отверстий, выполненных в несущем диске рабочего колеса перед промежуточным уплотнением, при этом площадь общего проходного сечения ряда перепускных отверстий выбрана с учетом заданного количества обрабатываемой жидкости, возвращаемой из кольцевой резонансной камеры в полость рабочего колеса.

Описанные особенности устройства для гидроакустической обработки жидкостей позволяют значительно увеличить производительность такой обработки благодаря тому, что в кольцевой резонансной камере получает возможность использования второй - дополнительный - выход только для той части выходящей из нее жидкости, которая возвращается по контуру внутренней рециркуляции в полость рабочего колеса для повторной обработки, в то время как первый - основной - выход полностью используется только для отвода обработанной жидкости, покидающей устройство. Так, при 50%-ном возврате жидкости на повторную обработку производительность устройства увеличивается при всех прочих равных условиях примерно в 2 раза.

Другие особенности изобретения будут ясны из нижеследующего подробного описания примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых представлены: фиг. 1 - устройство для гидроакустической обработки жидкостей, частичный продольный разрез по I-I фиг.2; фиг.2 - то же, частичное поперечное сечение по II-II фиг.1; фиг.3 - то же, частичный поперечный разрез по III-III фиг.1.

Гидроакустическая обработка жидкости осуществляется путем ее резонансного возбуждения для деструктивного воздействия на химические связи на молекулярном уровне с помощью нижеописанного роторного гидродинамического возбудителя. Подлежащая обработке жидкость подается в полость 1 (фиг.1) лопастного рабочего колеса 2 через впускное отверстие 3 статора 4. В процессе вращения рабочего колеса 2 обрабатываемая жидкость выпускается из его полости 1 в кольцевую резонансную камеру 5, ограниченную периферийной кольцевой поверхностью 6 (фиг.2) рабочего колеса 2 и противолежащей внутренней коаксиальной поверхностью 7 статора 4, через ряд выходных отверстий 8, распределенных на периферийной кольцевой поверхности 6 рабочего колеса 2. В пределах кольцевой резонансной камеры 5, обычно имеющей радиальный размер ΔR=1,0... 3,5 мм, обрабатываемая жидкость продолжает вращаться относительно центральной оси 9 и претерпевает при этом резонансные колебания звуковой частоты, которые вызываются взаимодействием элементарных потоков, истекающих из выходных отверстий 8 рабочего колеса 2, между собой и с коаксиальной поверхностью 7 статора 4. Обработанная жидкость отводится из кольцевой резонансной камеры 5 в сборную камеру 10 и удаляется оттуда через выпускное отверстие 11 статора 4 на потребление, хранение или дальнейшую обработку. Необходимый скоростной напор жидкости создается лопатками 12 рабочего колеса 2 и дополнительно, при необходимости, путем приложения к жидкости внешнего давления. Для повышения качества гидроакустической обработки посредством постоянно действующей повторной обработки жидкости в количестве 20...60% от общего количества жидкости, покидающей рабочее колесо 2, предусмотрен ее возврат из кольцевой резонансной камеры 5 в полость 1 рабочего колеса 2 через контур внутренней рециркуляции жидкости.

Возврат обрабатываемой жидкости в полость 1 рабочего колеса 2 для повторной обработки осуществляется со стороны кольцевой резонансной камеры 5, противоположной стороне отвода жидкости в сборную камеру 10 на потребление. Таким образом, выходящий из рабочего колеса 2 поток жидкости разветвляется на два потока, покидающих кольцевую резонансную камеру 5 в противоположных направлениях. Благодаря этому при всех прочих равных условиях количество жидкости, покидающей сборную камеру 10, значительно увеличивается, а именно на величину, примерно равную количеству жидкости, покидающей кольцевую резонансную камеру 5 через контур внутренней рециркуляции.

Количество обрабатываемой жидкости, возвращаемой на повторную обработку из кольцевой резонансной камеры 5 в полость 1 рабочего колеса 2, устанавливается путем выбора соответствующей площади общего проходного сечения ряда перепускных отверстий 13 с учетом некоторой неизбежной утечки жидкости через переднее и концевое уплотнения рабочего колеса 2.

Устройство для гидроакустической обработки жидкостей (фиг.1-3) содержит ротор 14, включающий опирающийся на подшипники 15 вал 16 и по крайней мере одно неподвижно соединенное с ним лопастное рабочее колесо 2, снабженное передним уплотнением 17 и концевым уплотнением 18. Рабочее колесо 2 выполнено в виде несущего диска 19 и покрывающего диска 20 с периферийной кольцевой стенкой 21, в которой выполнен ряд распределенных по окружности выходных отверстий 8 для выпуска обрабатываемой жидкости. Статор 4 вмещает ротор 14 и имеет коаксиальную рабочему колесу 2 стенку 22, впускное отверстие 3 для подачи подлежащей обработке жидкости, сообщенное с полостью 1 рабочего колеса 2, и выпускное отверстие 11 для отвода обработанной жидкости. Кольцевая резонансная камера 5 образована периферийной кольцевой стенкой 21 рабочего колеса 2 и коаксиальной стенкой 22 статора 4, отстоящей от нее на величину ΔR= 1,0...3,5 мм. Сборная камера 10 расположена со стороны покрывающего диска 20 рабочего колеса 2 и сообщена с кольцевой резонансной камерой 5, с одной стороны, и выпускным отверстием 11 статора 4, с другой стороны. Для привода ротора 14 с заданной частотой вращения предусмотрено любое подходящее из числа известных средство, например электродвигатель (на чертежах не показан).

Согласно изобретению, контур внутренней рециркуляции жидкости образован с помощью промежуточного уплотнения 23, установленного перед концевым уплотнением 18 рабочего колеса 2, и ряда перепускных отверстий 13, выполненных в несущем диске 19 рабочего колеса 2 перед промежуточным уплотнением 23 (по ходу потока). При этом площадь общего проходного сечения ряда перепускных отверстий 13 выбирается с учетом заданного количества обрабатываемой жидкости, возвращаемой из кольцевой резонансной камеры 5 в полость 1 рабочего колеса 2, и может составлять 20...60% от площади проходного сечения кольцевой резонансной камеры 5. Утечка жидкости через промежуточное уплотнение 23 отводится в полость 1 рабочего колеса 2 обычным образом через штатные разгрузочные отверстия 24, облегчающие также режим работы концевого уплотнения 18.

Для решения обычных практических задач гидроакустической обработки жидкостей достаточно применения устройства согласно изобретению с одним рабочим колесом 2. Однако при необходимости ротор 14 может содержать два и более рабочих колес, установленных на общем валу 16, которые могут быть обычным образом соединены по потоку жидкости последовательно или параллельно. Возможно также последовательное, параллельное или комбинированное соединение по потоку жидкости нескольких автономных устройств согласно изобретению как с одним, так и с несколькими рабочими колесами.

Описанное устройство для гидроакустической обработки жидкостей (фиг.1-3) работает следующим образом.

Ротор 14 с рабочим колесом 2 приводится, например, электродвигателем (не показан) с заданной (расчетной) частотой вращения. Подлежащая обработке жидкость подается через впускное отверстие 3 статора 4 в полость 1 рабочего колеса 2, вращающегося внутри статора 4. Из полости 1 рабочего колеса 2 жидкость под напором проходит в радиальном направлении и выпускается через ряд выходных отверстий 8 в кольцевую резонансную камеру 5 между рабочим колесом 2 и статором 4. При этом обрабатываемая жидкость подвергается резонансному возбуждению со звуковой частотой, зависящей от заданной частоты вращения и количества выходных отверстий 8 рабочего колеса 2. Из кольцевой резонансной камеры 5 жидкость отводится двумя путями: часть жидкости покидает кольцевую резонансную камеру 5 через ее выход, сообщенный со сборной камерой 10, и оттуда выводится через выпускное отверстие 11 на хранение, использование или дальнейшую обработку; другая часть жидкости покидает кольцевую резонансную камеру 5 через ее противоположный выход и возвращается в полость 1 рабочего колеса 2 по пространству за рабочим колесом 2 и далее через ряд перепускных отверстий 13 в несущем диске 19 рабочего колеса 2, замыкая контур внутренней рециркуляции жидкости.

Перечень видов жидкостей, поддающихся гидроакустической обработке согласно изобретению, охватывает практически любые естественные и искусственные жидкости, имеющие в своем составе связанные кислород и водород, прежде всего воду, углеводородные жидкости и их смеси, в том числе с водой, в широком диапазоне вязкости и других физико-химических свойств. В частности, гидроакустической обработке согласно изобретению с целью нагревания, кондиционирования или эмульгирования могут подвергаться вода, жидкости на ее основе и такие углеводородные жидкости, как сырая нефть или газоконденсат перед перегонкой, мазут перед повторной перегонкой или крекингом, другие промежуточные или конечные продукты нефтепереработки, такие как гудрон, перед дальнейшей переработкой или использованием, а также всевозможные растворы, эмульсии, суспензии и т. п. смеси на основе упомянутых жидкостей, в том числе взаимно не смешивающихся, такие как мазут с водой, дизельное топливо с водой, бензин с водой и другие водотопливные смеси (композиционное топливо).

Ниже приведены конкретные примеры практической реализации изобретения (табл. 1) и его использования применительно к нагреванию воды для системы водяного отопления (табл. 2), кондиционированию сырой нефти перед перегонкой (табл. 3) и приготовлению водомазутной эмульсии для использования в качестве композиционного топлива для котельной установки (табл. 4).

Формула изобретения

Устройство для гидроакустической обработки жидкостей, содержащее ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и, по крайней мере, одно установленное на валу с концевым уплотнением лопастное рабочее колесо, выполненное в виде несущего и покрывающего дисков и периферийной кольцевой стенки с рядом выходных отверстий, статор, вмещающий ротор и имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие, сообщенное с полостью рабочего колеса, и выпускное отверстие, кольцевую резонансную камеру, образованную периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора, сборную камеру со стороны покрывающего диска рабочего колеса, сообщенную с кольцевой резонансной камерой и выпускным отверстием статора, контур внутренней рециркуляции жидкости из кольцевой резонансной камеры в полость рабочего колеса и средство для привода ротора с заданной частотой вращения, отличающееся тем, что контур внутренней рециркуляции жидкости образован с помощью промежуточного уплотнения, установленного перед концевым уплотнением рабочего колеса, и ряда перепускных отверстий, выполненных в несущем диске рабочего колеса перед промежуточным уплотнением, при этом площадь общего проходного сечения ряда перепускных отверстий выбрана с учетом заданного количества обрабатываемой жидкости, возвращаемой из кольцевой резонансной камеры в полость рабочего колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5