Роторно-импульсный аппарат
Владельцы патента RU 2252826:
Петраков Александр Дмитриевич (RU)
Радченко Сергей Михайлович (RU)
Яковлев Олег Павлович (RU)
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 ω - угловая скорость ротора (рад/сек);
Rсp - 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
dn=0,1·K1a(n-1)
где dn - 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 0,9<K1<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 β - сжимаемость жидкости, кг/см2 (для воды β=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.
(Нвак)мах=(0,75-0,8)Р1-Р2,
где (Нвак)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.
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.
