Роторный аппарат

 

Изобретение относится к устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах жидкость - жидкость и твердое - жидкость. Сущность: роторный аппарат содержит корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания и привод. Количество каналов в статоре Z_c больше количества каналов в роторе Z_p и определяется соотношениями Z_c=Z_p+k и Z_c/Z_p≠ k, где k=1, 2, 3..., a Z_c и Z_p являются взаимно простыми числами. Технический результат изобретения заключается в увеличении основной частоты колебаний в среде и интенсификации тепломассообменных процессов. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах “жидкость-жидкость” и “твердое-жидкость”.

Известно устройство для создания акустических колебаний в жидкой проточной среде, содержащее ротор и статор со щелями, в котором в роторе и статоре выполнен по крайней мере один дополнительный ряд щелей, а количество последующих в каждом из рядов выбраны из соотношения n/(n+α ), где n - число промежутков между совпавшими щелями ротора и статора в ряду щелей ротора, n, α =1, 2, 3... (А.с. СССР №1296234, кл. В 06 В 1/20, 1987 г.) Из анализа изобретения следует, что в предложенной конструкции число отверстий ротора меньше числа отверстий статора. При вращении ротора происходит синфазное открытие и закрытие не менее двух щелей статора. Недостатком этой конструкции является значительное снижение максимальной частоты генерируемых колебаний, которое может быть достигнуто с рассмотренными в примерах количеством щелей в роторе и статоре при не синфазном открытии каналов статора. Это приводит к снижению эффективности работы устройства.

Наиболее близким к изобретению является роторный акустический излучатель, содержащий корпус с равномерно расположенными в них отверстиями, причем ширина отверстий ротора и статора Δ α определяется из соотношения , а число отверстий в роторе N_p и статоре N_c выполняется исходя из соотношений N_p=(i+1)· k,N_c=i· k, где i=2, 3, 4... k=1, 2, 3.... (A.c. СССР №1687934, 5 F 15 В 21/12, 1991 г.) Недостатком конструкции является увеличенное гидравлическое сопротивления, т.к. количество каналов в роторе больше количества каналов в статоре. Кроме того, только в единственном случае, когда k=1, осуществляется не синфазное открытие отверстий, что ограничивает возможность увеличения основной частоты колебаний, генерируемой аппаратом, без увеличения угловой скорости ротора. В описании изобретения сами авторы отмечают снижение эффективности работы предлагаемого излучателя.

Техническая задача изобретения - увеличение основной частоты колебаний в среде и интенсификация гидромеханических и тепломассообменных процессов.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в роторном аппарате, содержащем корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, количество каналов в статоре Z_c больше количества каналов в роторе Z_p и определяются соотношениями Z_c=Z_p+k и Z_c/Z_p≠ k, где k=1, 2, 3..., a Z_c и Z_p являются взаимно простыми числами.

На фиг.1 изображен роторный аппарат, продольный разрез. На фиг.2а и фиг.2б изображены примеры боковой развертки внутренней поверхности статора и наружной поверхности ротора с разным количеством каналов.

Роторный аппарат содержит корпус 1 с патрубком 2 выхода среды, крышку 3 с патрубком входа 4, статор 5 с каналами 6 в боковых стенках, ротор 7 с каналами 8 в боковых стенках, камеру озвучивания 9, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 5. Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая среда поступает через патрубок 4 под давлением в полость ротора 7. Затем через каналы 8 ротора 7 и каналы 6 статора 5 проходит в камеру озвучивания 9 и выводится из аппарата через патрубок 3.

Основная частота колебаний, генерируемая роторным аппаратом, определяется по формуле М.А.Балабудкина f=ω [Z_p,Z_c]/2π , где ω - угловая скорость ротора, [Z_р, Z_с] - наименьшее общее кратное чисел Z_p и Z_c. Из анализа формулы следует, что для значительного увеличения частоты колебаний необходимо выбирать числа Z_p и Z_c такими, чтобы их отношение не было натуральным числом, т.е. Z_p/Z_c≠ 1, 2, 3..., и чтобы числа Z_p и Z_c не имели общих делителей, т.е. были взаимно простыми.

Эти соотношения означают, что в данной конструкции обеспечивается не синфазное открытие и закрытие каналов статоров.

Преимущество предлагаемых соотношений заключается в том, что значительное увеличение частоты колебаний происходит без увеличения угловой скорости вращения ротора. Таким образом увеличение частоты колебаний происходит без увеличения энергозатрат, т.к. мощность, потребляемая роторным аппаратом, пропорциональна квадрату угловой скорости вращения ротора.

При работе роторного аппарата в каждом канале статора генерируются колебания с угловой частотой ω _c=ω Z_p, а в каждом канале ротора с угловой частотой ω _p=ω Z_c. При Z_c=Z_p+k, где k=1, 2, 3,..., эти частоты могут различаться незначительно. Таким образом в предлагаемом устройстве возникают биения - колебания с периодически меняющейся амплитудой, возникающие в результате наложения двух колебаний с несколько различными, но близкими частотами (БСЭ т.3, 3-е изд. - М.: Советская энциклопедия, 1970, 640 с.). Если A₁ и A₂ амплитуды двух накладывающихся колебаний, то при одинаковых фазах колебаний амплитуда результирующего колебания равна А₁+А₂, при противоположных фазах амплитуда результирующего колебания падает до A₁-A₂. Угловая частота Ω =ω _c-ω _р называется угловой частотой биения. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет накладывать на обрабатываемую среду колебания с изменяющейся амплитудой. В момент, когда амплитуда биения максимальна, энергия колебания может возрастать почти в четыре раза (например, k=1), т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды. Очевидно, что такое импульсное воздействие на обрабатываемую среду, приводит к созданию дополнительных условий, способствующих повышению интенсивности кавитации, которая возникает в роторном аппарате. Это обеспечивает повышение эффективности работы роторного аппарата при проведение гидромеханических тепломассообменных процессов. Следует отметить, что в аппаратах с Z_c=Z_p явление биения не возникает. В устройствах, где Z_c≠ Z_p, но возможно одновременное открытие нескольких отверстий статора, это явление менее заметно.

В предлагаемом устройстве осуществляется только не синфазное открытие всех каналов статора. Это означает, что в любой момент времени одни каналы могут находиться на различной стадии открытия, другие на различной стадии закрытия, третьи каналы могут быть полностью перекрыты промежутками между каналами ротора. На фиг.2 приведены примеры выполнения статора и ротора с различным количеством каналов: a) Z_c=8, Z_p=7, б) Z_c=5, Z_p=3. Следовательно, в камере озвучивания происходит более интенсивная турбулизация обрабатываемой среды, чем в устройствах с синфазным открытием каналов статора. Это приводит к интенсификации гидромеханических и тепломассообменных процессов.

Формула изобретения

Роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, отличающийся тем, что количество каналов в статоре Z_c больше количества каналов в роторе Z_p и определяется соотношениями Z_c=Z_p+k и Z_c/Z_p≠ k, где k=1, 2, 3..., a Z_c и Z_p являются взаимно простыми числами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2