Роторный аппарат для создания акустических колебаний в проточной жидкости
Владельцы патента RU 2397826:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") (RU)
Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкости и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системе «жидкость-жидкость». Роторный аппарат для создания акустических колебаний в проточной жидкости содержит корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, крышку, камеру озвучивания, привод. Во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения насадок с осевыми каналами, причем торцовая поверхность ротора со стороны входа обрабатываемой среды образует осевой зазор с торцовой поверхностью насадка, величина которого определяется выражением Z=ξ(ν/ω)0,5, где ξ=1,976 - относительный осевой зазор; ω - угловая скорость вращения ротора, 1/с; ν - кинематическая вязкость среды, м2/с. Технический результат направлен на снижение энергозатрат на проведение физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов и повышение их эффективности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкости и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системе «жидкость-жидкость».
Известно устройство для стабилизации потока суспензии, содержащее корпус, камеру высокого давления с перфорированным дном, воронку для подачи суспензии, приводной вал с ротором в виде перфорированного диска (SU 1518024 A1, МКИ B06B 1/20, 23.03.88). Суспензия поступает в зазор между дном и ротором, движется радиально и подвергается акустической обработке. Недостаток устройства - незначительное акустическое воздействие на обрабатываемую среду. Вследствие этого для повышения качества получаемой продукции необходимо увеличивать количество степеней обработки, что увеличивает металлоемкость и энергопотребление устройства.
Наиболее близким к изобретению является роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, крышку, камеру озвучивания, привод. Торцовая поверхность ротора со стороны входа среды образует осевой зазор с крышкой аппарата, величина которого определяется выражением Z=ξ(ω/ν)-1/2, где ξ=14,7 - относительный радиальный зазор; ω - угловая скорость вращения ротора; ν - кинематическая вязкость среды, причем середина его находится на одной оси с осью симметрии каналов в роторе и статоре, а ширина кольцевой камеры в роторе равна длине канала статора и ширине камеры озвучивания (RU 2317142 C1, МКИ B01F 7/28, 20.02.2008). В аппарате осуществляется комплексное воздействие на обрабатываемую среду: гидромеханическое при предварительной обработке в осевом зазоре; акустическое и гидромеханическое в объемах кольцевой камеры в роторе, каналов статора и камеры озвучивания. Недостатком конструкции является то, что получаемый эффект обеспечивается при значительных угловых скоростях вращения ротора и, следовательно, при значительных энергозатратах, т.к. потери мощности в осевом зазоре пропорциональны ω2,5 (Червяков В.М., Коптев А.А. Течение ньютоновской жидкости в зазоре между коническими проницаемыми поверхностями. / Инженерно-физический журнал. - 2006. - Т.79, №2. - С.92-98).
Техническая задача изобретения - снижение энергозатрат на проведение физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов и повышение их эффективности.
Поставленная задача изобретения достигается тем, что в роторном аппарате для создания акустических колебаний в проточной жидкости, содержащем корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, крышку, камеру озвучивания, привод, во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения насадок с осевыми каналами, причем торцовая поверхность ротора со стороны входа обрабатываемой среды образует осевой зазор с торцовой поверхностью насадка, величина которого определяется выражением
Z=ξ(ν/ω)0,5,
где ξ=1,976 - относительный осевой зазор, 1/с; ω - угловая скорость вращения ротора; ν - кинематическая вязкость среды, м2/с.
Осевые каналы в насадке выполнены цилиндрическими или сужающимися-расширяющимися типа трубы Вентури.
На фиг.1 изображен роторный аппарат, продольный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - вид Б на фиг.2.
Роторный аппарат содержит корпус 1 с патрубком выхода среды 2, крышку 3 с патрубком входа 4, в котором установлен цилиндрический насадок 5 с осевыми цилиндрическими или выполненными в виде трубы Вентури каналами 6, крепящийся к входному патрубку 4 крепежными элементами 7, находящимися в продольных пазах 8, ротор 9 с каналами 10 в боковых стенках, осевой зазор 11, образованный торцовыми поверхностями насадка 5 и ротора 9, статора 12 с каналами 13 в боковых стенках, камеру озвучивания 14, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 12.
Аппарат работает следующим образом: обрабатываемая жидкая среда поступает под давлением в патрубок 4 и через осевые каналы 6 насадка 5, осевой зазор 11 поступает в полость ротора 9, затем через каналы 10 ротора и 13 статора проходит в камеру озвучивания 14, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 12, и выводится из аппарата через патрубок 2. Величина осевого зазора 11 регулируется возвратно-поступательным перемещением насадка 5 и фиксируется крепежными элементами 7, находящимися в пазах 8.
Интенсификация технологических процессов в предлагаемой конструкции объясняется закономерностями течения вязкой ньютоновской жидкости в зазоре между неподвижным проницаемым и вращающимся дисками. Поставленная гидродинамическая задача решена на основании решения полной системы уравнений Навье-Стокса и неразрывности (Коптев А.А. Движение жидкости в центробежных полях. Ч. II. Течение жидкости в ограниченном пространстве вблизи вращающегося диска. М.: «Издательство Машиностроение - 1», 2006. С.209-212, 238-245, 255-267). Из численного решения следует, что при величине относительного осевого зазора ξ=1,976, определяемого по формуле ξ=Z(ω/ν)0,5, где Z - осевой зазор между вставкой 5 и ротором 7, мм; ω - угловая скорость ротора, 1/с; ν - кинематическая вязкость среды, м2/с, в движущейся жидкости происходит скачкообразное изменение формы эпюры скоростей (точка ветвления решений), что приводит также к резкому изменению давления. Это приводит к интенсивной турбулизации потока в тонком слое жидкости, проходящей через зазор, что приводит к интенсификации, например, процесса эмульгирования. Для реализации этого явления необходимо, чтобы осевой зазор колебался возле точки ветвления в сторону увеличения и обратно в сторону уменьшения. Известно, что при изготовлении торцовой поверхности реальных размеров (диаметр до 60 мм) по 7-8 квалитету согласно ГОСТ 24819-63 торцовое биение достигает 0,04 мм, средний радиальный зазор в шарикоподшипниках (внутренний диаметр до 30 мм) равен 0,0125 мм, и, если учесть погрешности сборки аппарата и установки конкретной величины осевого зазора, то суммарная погрешность осевого радиального зазора достигает величины ±0,03 мм. Установлено, что процесс скачкообразного изменения формы эпюры скоростей критичен к величине относительного осевого зазора, характеризующего точку ветвления. Определим величину радиального зазора, необходимого для реализации предложенного решения на стандартных частотах вращения привода 150 с-1 и 300 с-1, для сред с различной вязкостью.
Пример 1. Для проведения процесса эмульгирования при получении 5% эмульсии масла в воде зазор равен (ν≈10-6 м2/с)
Z=ξ(ν/ω)0,5=1,976(10-6/300)0,5=0,11·10-3 м;
Z=ξ(ν/ω)0,5=1,976(10-6/150)0,5=0,16·10-3 м.
Пример 2. Для проведения процесса эмульгирования при получении 5% эмульсии воды в турбинном масле (ν≈96·10-6 м2/с) зазор равен
Z=ξ(ν/ω)0,5=1,976(96·10-6/300)0,5=1,12·10-3 м;
Z=ξ(ν/ω)0,5=1,976(96·10-6/150)0,5=1,58·10-3 м.
Таким образом, процент величины погрешности осевого зазора от величины собственно зазора изменяется от ≈±27% (пример 1) до ≈±2% (пример 2), что вполне достаточно для обеспечения работы аппарата при зазоре, соответствующем точке ветвления.
Сравнивая предлагаемое выражение для определения величины осевого зазора и выражение в описании прототипа можно установить, что для получения зазора 0,11 мм в прототипе необходима угловая скорость 17800 с-1, а в нашем случае 300 с-1. Таким образом, потери мощности в зазоре снижаются на несколько порядков.
Наиболее просты в изготовлении цилиндрические осевые каналы в насадке. Для повышения эффективности обработки жидкой среды на предварительной стадии осевые каналы в насадке рекомендуется выполнять в виде трубы Вентури. При определенной скорости течения среды в суженной части канала давление в жидкости понижается до значения, при котором начинается рост всегда имеющихся в среде зародышей кавитации. Они выносятся потоком среды в расширяющуюся часть, где повышается давление, и схлопываются, т.е. в осевых каналах возникает гидродинамическая кавитация. При достижении критической скорости потока среды кавитационная область может занимать весь объем расширяющейся части канала. Возникающая кавитация является мощным фактором интенсификации процессов химической технологии, в частности процесса эмульгирования.
В полости ротора, при выходе среды из зазора, образуется вихревая дорожка Кармана, состоящая из правильной последовательности вихрей, вращающихся попеременно вправо и влево. При критерии Рейнольдса больше 1000 критерий Струхаля остается примерно постоянным (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1969. - 744 с.). В случае, когда частота срывающихся вихрей равна частоте звуковых колебаний, генерируемых роторным аппаратом, возникает резонанс. В этом случае возрастает амплитуда звуковых колебаний и интенсивность вихрей в полости ротора, что способствует интенсификации технологических процессов.
Для подтверждения эффективности предлагаемого устройства при обработке жидкой среды проведены экспериментальные исследования по получению смазочно-охлаждающей жидкости в роторном аппарате. Концентрация эмульсола УКРИНОЛ-1 составляла 5%. Пробы отбирались после четырехкратного прохождения среды через аппарат. Эффективность процесса эмульгирования характеризовалась среднеарифметическим и максимальными диаметрами частиц эмульсола.
Величина осевого зазора, соответствующая точке ветвления, для данной среды принималась равной 0,16 мм, угловая скорость вращения - 150 с-1 (пример 1). Каналы в насадке 5 выполнены цилиндрическими.
| N п/п | Величина осевого зазора, мм | dср, мкм | dmax, мкм |
| 1 | 0,12 | 1,5 | 3,7 |
| 2 | 0,14 | 1,3 | 3,2 |
| 3 | 0,16 | 1,2 | 3,0 |
| 4 | 0,18 | 1,3 | 3,2 |
| 5 | 0,20 | 1,4 | 3,5 |
| 6 | 0,22 | 2,0 | 4,2 |
Результаты показывают, что роторный аппарат работает наиболее эффективно при величине осевого зазора, определенной по предложенной зависимости.
В аппарате осуществляется комплексное воздействие на обрабатываемую среду: кавитационное в каналах насадка и гидромеханическое в осевом зазоре - на предварительной стадии обработки и акустическое и гидромеханическое в каналах ротора, статора и камере озвучивания - на стадии окончательной обработки, при этом значительно снижаются энергозатраты на проведение процессов.
1. Роторный аппарат для создания акустических колебаний в проточной жидкости, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, крышку, камеру озвучивания, привод, отличающийся тем, что во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения насадок с осевыми каналами, причем торцовая поверхность ротора со стороны входа обрабатываемой среды образует осевой зазор с торцевой поверхностью насадка, величина которого определяется выражением
Z=ξ(ν/ω)0,5,
где ξ=1,976 относительный осевой зазор;
ω - угловая скорость вращения ротора, 1/с;
ν - кинематическая вязкость среды, м2/с.
2. Роторный аппарат для создания акустических колебаний в проточной жидкости по п.1, отличающийся тем, что осевые каналы в насадке выполнены цилиндрическими или сужающимися-расширяющимися типа трубы Вентури.
