Устройство для физико-химической обработки жидкой среды

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 системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость». Устройство содержит корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод и источник дополнительных пульсаций. Во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения сужающийся-расширяющийся насадок. Внутри расширяющейся части расположена конусно-цилиндрическая вставка с образованием кольцевого сужающегося конусно-цилиндрического щелевого сопла, напротив которого на внутренней торцевой поверхности ротора установлен полый цилиндр, разрезанный вдоль образующих так, что по окружности образуются консольные пластины. Пластины имеют различную основную собственную частоту колебаний, которая определяется из соотношения. Пластины имеют заостренный конец. При одинаковой толщине пластин их длина определяется из соотношения. Технический результат состоит в увеличении интенсивности кавитации в полости ротора. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

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 системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость».

Известен роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус со штуцерами ввода и вывода компонентов, коаксиально установленные ротор в виде закрепленного на валу диска с перфорированными цилиндрами и статор в виде стакана с перфорированным дном, на валу ротора под статором смонтирован дополнительный перфорированный диск с отверстиями, совпадающими с отверстиями в данной части статора, при этом количество этих отверстий равно или кратно целому числу (SU 988322, B01F 7/28, БИ №2, 1983). Обрабатываемая среда, проходя через отверстия вращающегося перфорированного диска и отверстия в дне статора, подвергаются предварительному диспергированию и окончательно диспергируются, проходя через отверстия в цилиндрических стенках ротора и статора. Поскольку число отверстий в перфорированном диске и в дне статора, соответственно, равно или кратно целому числу отверстий в роторе или статоре, то при этом возникают колебания одинаковой частоты. Амплитуды колебаний складываются и интенсифицируют тепломассообменные процессы. Отношение n₁/n₂ меняется от 0,5 до 2,0.

Недостатком данной конструкции является то, что в конкретной конструкции аппарата реализуется только одно соотношение между количеством отверстий в роторе, статоре и перфорированном диске. Таким образом, в полости ротора генерируется колебания или одной основной частоты (n₁=n₂), или двух кратных частот: одна - основная частота, генерируемая роторно-пульсационным аппаратом, вторая частота, кратная ей, генерируемая перфорированным диском. Кратность частот отличается всего в два раза, что недостаточно для создания благоприятных условий, способствующих развитию кавитации, которая является одним из основных факторов, влияющих на скорость протекания химико-технологических процессов.

Наиболее близким к изобретению по получаемому эффекту является 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 и источник дополнительных пульсаций, на входном патрубке установлена цилиндрическая вихревая камера большого диаметра, а жидкая среда подается в камеру через патрубок, выполненный тангенциально к ее внутренней поверхности (RU 2317141, B01F 7/28, БИ №5, 2008). Обрабатываемая среда, поступая тангенциально в вихревую камеру, затем через патрубок в полость ротора, образует вихревой поток, в котором при срыве с кромок входного патрубка генерируются упругие колебания. При совпадении частот колебаний генерируемых роторным аппаратом с основной частотой излучаемой вихревой камерой в полости ротора возникает резонанс. Таким образом, в полости ротора обрабатываемая среда подвергается интенсивному воздействию звуковых колебаний, что приводит к интенсификации химико-технологических процессов в жидких средах.

Недостатком данного устройства является то, что в полости ротора генерируются колебания одной основной резонансной частоты. Это является недостаточным для развития интенсивной кавитации, чем в случае, когда на обрабатываемую среду воздействуют колебания с различной частотой, в том числе, если частоты этих колебаний различаются не менее чем на порядок.

Техническая задача изобретения - увеличение интенсивности кавитации в полости ротора.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для физико-химической обработки жидкой среды, содержащем корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод и источник дополнительных пульсаций во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения сужающийся-расширяющийся насадок, причем внутри его расширяющейся части расположена вставка конусно-цилиндрической формы таким образом, что ее поверхность образует с внутренней поверхностью расширяющейся части насадка кольцевое сужающееся конусно-цилиндрическое щелевое сопло, напротив которого на внутренней торцевой поверхности ротора установлен полый цилиндр, разрезанный вдоль образующих так, что по окружности образуются консольные пластины, при этом пластины имеют различную основную собственную частоту колебаний f_пл.i, которая определяется из соотношения

f_пл.i=f_max/n,

где f_max - наибольшая основная собственная частота колебаний для всех пластин;

i=1, 2, 3, … - номер пластины;

n=1, 2, 3… кратность основных собственных частот колебаний пластин;

f_пл.i=f_max,

а количество пластин с одинаковой f_пл.i не менее двух.

Пластины имеют заостренный конец. При одинаковой толщине пластин их длина l_пл.i определяется из соотношения

Основная частота колебаний, генерируемых устройством для физико-химической обработки жидкой среды f_у, не менее чем на порядок больше максимальной частоты колебаний пластин f_max и определяется из соотношения

f_у=kf_max, k≥l0.

На фиг.1 изображено устройство для физико-химической обработки жидкой среды, продольный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - вид Б на фиг.1; на фиг.4 - вид В на фиг.1, вариант расположения консольных пластин; на фиг.5 - вариант развертки внутренней поверхности стакана с консольными пластинами разной длины, т.е. с разной основной собственной частотой колебаний.

Устройство для физико-химической обработки жидкой среды содержит корпус 1 с патрубками выхода среды 2, крышку 3 с патрубком входа 4, в котором установлен цилиндрический сужающийся-расширяющийся насадок 5, в расширяющейся части которого находится вставка конусно-цилиндрической формы 6, которая крепится к насадку крепежным элементом 7 и образует с внутренней поверхностью насадка кольцевое сужающееся конусно-цилиндрическое щелевое сопло 8, насадок 5 крепится к входному патрубку 4 крепежными элементами 9, находящимися в пазах 10, полый цилиндр 11 с консольными пластинами 12, установленный на внутренней торцовой поверхности ротора 13 с каналами 14 в боковых стенках, статора 15 с каналами 16 в боковых стенках, камеру озвучивания 17, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 15.

Устройство работает следующим образом: обрабатываемая жидкая среда поступает под давлением в патрубок 4 и через сужающуюся часть насадка 5, сужающееся кольцевое коническо-цилиндрическое щелевое сопло 8, образованное внутренней поверхностью насадка 5 и наружной поверхностью конусно-цилиндрической вставки 6, попадает на консольные пластины 12 полого цилиндра 11, установленного на внутренней торцевой поверхности ротора 13, затем через каналы 14 ротора 13 и каналы 16 статора 15 проходит в камеру озвучивания 17, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 15, и выводится из аппарата через патрубок 2. Величина расстояния между выходом кольцевого щелевого сопла 8 и торцом пластин 12 регулируется возвратно-поступательным перемещением насадка 5 и фиксируется крепежными элементами 9, находящимися в пазах 10 входного патрубка 4.

Акустическая кавитация, возникающая при прохождении звуковой волны большой интенсивности, является мощным фактором интенсификации химико-технологических процессов. Предложенное конструктивное решение позволяет создать благоприятные условия для увеличения интенсивности кавитации.

Для повышения эффективности обработки жидких сред на них воздействуют колебаниями различных частот. Например используется ряд последовательно соединенных гидродинамических диспергаторов, при этом первичный диспергатор имеет диапазон частот 0,5-15 кГц, а вторичный 15-365 кГц (RU 2223815, МКИ B01F 11/00, 2004). Однако при реализации этого способа на обрабатываемую среду воздействуют последовательно звуковые колебания только двух основных частот. В заявляемой конструкции обработка среды осуществляется в две стадии в одном корпусе устройства при воздействии колебаний нескольких, по крайне мере больше двух, основных частот.

На первой стадии жидкая среда, поступая в сужающийся-расширяющийся насадок, в расширяющийся части которого находится вставка конусно-цилиндрической формы, т.е. в кольцевое сужающееся конусно-цилиндрическое щелевое сопло, значительно увеличивает скорость истечения. Попадая на консольные пластины, образованные разрезанными вдоль образующих полым цилиндром, жидкость возбуждает в пластинах изгибные колебания (Ультразвук. Маленькая энциклопедия, глав. ред. И.П.Галямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979, с.80). Основная частота колебаний пластин определяется по известной методике. Настройка пластин в резонанс с автоколебаниями струи жидкости осуществляется изменением расстояния между соплом и пластинами. В нашем случае регулировка осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения насадка, находящегося во входном патрубке.

В жидкой среде всегда находятся зародыши кавитации в виде газовых, газо-паровых полостей различных размеров. При воздействии звуковых колебаний они достигают своих максимальных размеров, а затем происходит их захлопывание. Известно, что оптимальными условиями для процесса роста и захлопывания неустойчивых кавитационных полостей является равенство угловой частоты звукового поля с резонансной частотой полости. Резонансная частота полости зависит от ее резонансного размера (Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкостях. / Физическая акустика. - М.: Мир, 1967, с.32-48). Таким образом, если пластины имеют различную собственную частоту колебаний, то в заявляемой конструкции значительно возрастает интенсивность кавитации, т.к. создается оптимальные условия для роста кавитационных полостей с различными начальными размерами.

В заявляемой конструкции частота собственных колебаний пластин определяется из соотношения:

f_пл.i=f_max/n,

где f_max - наибольшая основная собственная частота колебаний для всех пластин;

i=1, 2, 3, … номер пластины;

n=1, 2, 3, … кратность основных собственных частот колебаний пластин;

f_пл.i=f_max.

Каждая пластина также генерирует колебания, кратные основной собственной частоте. Таким образом, наличие пластин с различной частотой собственных колебаний, определяемых по предложенной зависимости, позволяет дополнительно увеличить амплитуды колебаний как основных частот, так и кратных гармоник. Данные условия позволяют более эффективно воздействовать на кавитационные полости разного размера, т.е. увеличить интенсивность акустической кавитации на первой стадии обработки жидкой среды.

Отметим, что в зависимости от конкретных свойств среды: газосодержания, диапазона размеров кавитационных полостей, количества пластин и т.д., соотношение частот собственных колебаний пластин может выбираться из ряда n=1, 3, 5, … или n=1, 2, 4, 8, … или любого другого ряда, состоящего из целых чисел.

Для увеличения амплитуды звуковых колебаний каждой основной частоты, количество пластин этой f_пл.i должно быть не менее двух, т.к. при возбуждении в среде колебаний одной частоты несколькими источниками плотность энергии резко возрастает, например при двух источниках энергия учетверяется. Общее количество пластин зависит в значительной степени от диаметральных размеров щелевого сопла в насадке, т.е. от требуемой скорости истечения среды, расхода через устройство и т.д.

Желательно располагать пластины таким образом, чтобы обеспечить наилучшую балансировку быстровращающегося ротора (см. фиг.4 и 5) для снижения динамических нагрузок на подшипниковые узлы.

Для улучшения условий работы консольных пластин их рекомендуется выполнять заостренными.

В предлагаемой конструкции пластины консольные и выполнены из одного материала, поэтому изменять частоту собственных колебаний можно за счет изменения их толщины и длины. С точки зрения технологии изготовления полого цилиндра с пластинами, экономичнее способ изготовления пластин одной толщины, но разной длины. Кроме того, f_пл.i зависит от толщины в первой степени, а от длины - в минус второй. Таким образом, при одной и той же кратности частот (n) снижается вес пластины и облегчается балансировка ротора. Исходя из известной формулы для определения основной частоты колебаний пластин их длина при постоянной толщине выбирается из соотношения:

При этом наибольшая основная собственная частота колебаний пластин принимается равной основной собственной частоте первой пластины, т.е. f_пл.i=f_max. Это объясняется тем, что первая пластина самая короткая и ее длина определяется условиями возбуждения наибольшей частоты колебаний, зависящей от толщины и материала пластины, скорости истечения среды из сопла и т.д.

Основной особенностью генерирования колебаний пластинами, в нашем случае, является их вращение вместе с ротором. Это приводит к тому, что в устройстве могут возникать изгибные колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости основных колебаний. Частота этих колебаний в несколько раз меньше основных собственных колебаний пластины и интенсивность их не велика. Однако при определенных условиях, особенно при высоких скоростях истечения жидкости из сопла насадка и больших угловых скоростях вращения ротора энергия этих колебаний возрастает и они оказывают дополнительное воздействие на среду, приводящее к увеличению интенсивности кавитации.

Следует отметить, что предлагаемая конструкция, кроме увеличения интенсивности акустической кавитации на первой стадии обработки жидкой среды, значительно увеличивает механическое и турбулентное воздействие на поток за счет вращающихся консольных пластин разной длины. Эти факторы способствуют дополнительной интенсификации различных химико-технологических процессов.

Воздействие двух звуковых колебаний с частотой, отличающейся не менее чем на порядок, на объем обрабатываемой среды приводит к возникновению интенсивной кавитации и способствует интенсификации процессов эмульгирования, диспергирования и других технологических процессов (RU 1674942, МКИ B01F, 1991). В предлагаемой конструкции реализовать этот метод воздействия можно двумя способами. В первом случае достаточно, чтобы частота колебаний пластин с наибольшей и наименьшей частотами собственных колебаний отличалась не менее чем на порядок (n≥10). Следовательно, длина пластины c f_min увеличится не менее чем в 3.16 раза, а это приведет к увеличению высоты полости ротора, т.е. возрастет металлоемкость устройства.

Более рационален второй способ, заключающийся в том, что основная частота колебаний, генерируемая устройством f_у, не менее чем на порядок превышает наибольшую частоту, генерируемую пластинами f_max. Это соотношение определяется выражением

f_у=f_max·k, где k≥10.

Основная частота колебаний устройства зависит от угловой скорости ротора и числа каналов в стенках ротора. В случае, когда увеличение f_у невозможно изменением этих параметров, например, при отсутствии высокооборотного двигателя или при небольших расходах, то можно принимать целое значение k<10 с условием, что f_у будет на порядок превосходить не f_max, а одно из меньших значений основных собственных колебаний пластин f_пл.i, что также способствует возрастанию интенсивности кавитации.

Для подтверждения эффективности заявляемого устройства, с точки зрения интенсивности кавитации в жидкой среде, проведены экспериментальные исследования. Число пластин i=4, количество пластин с одинаковой собственной частотой колебаний по две (см. фиг.4 и 5). Рассчитанная собственная частота колебаний пластин f_пл1=0,52 кГц, f_пл2=0,26 кГц, f_пл3=0,17 кГц, f_пл4=0,13 кГц,. Основная частота колебаний, генерируемая устройством, изменялась в пределах (0,9…5,4) кГц с помощью двигателя постоянного тока. Интенсивность кавитации оценивалась по величине импульсов кавитационного давления. Проводился спектральный анализ колебаний в полости ротора. Акустические исследования проводились с использованием гидрофона из титаната бария. В результате опытов установлено, что рассчитанные частоты колебаний пластин отличались от определенных с помощью спектрального анализа не более чем на 8%. В случае, когда основная частота роторного аппарата превышала максимальную основную частоту колебаний пластин примерно в 10 раз f_пл.i=f_max=0,48 кГц, =f_у>4 кГц) амплитуда импульсов кавитационного давления возросла примерно в 1,4 раза, чем в случае, когда f_у изменялась в диапазоне (0,9…4) кГц. Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность предлагаемой конструкции устройства для физико-химической обработки жидкой среды, с точки зрения увеличения интенсивности кавитации в полости ротора.

1. Устройство для физико-химической обработки жидкой среды, содержащее корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод и источник дополнительных пульсаций, отличающееся тем, что во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения сужающийся-расширяющийся насадок, причем внутри его расширяющейся части расположена вставка конусно-цилиндрической формы таким образом, что ее поверхность образует с внутренней поверхностью расширяющейся части насадка кольцевое сужающееся конусно-цилиндрическое щелевое сопло, напротив которого на внутренней торцевой поверхности ротора установлен полый цилиндр, разрезанный вдоль образующих так, что по окружности образуются консольные пластины, при этом пластины имеют различную основную собственную частоту колебаний f_пл.i, которая определяется из соотношения
f_пл.i=f_max/n,
где f_max - наибольшая основная собственная частота колебаний для всех пластин;
i=1, 2, 3, … - номер пластины;
n=1, 2, 3… - кратность основных собственных частот колебаний пластин;
f_пл.1=f_max,
а количество пластин с одинаковой f_пл.i не менее двух.

2. Устройство для физико-химической обработки жидкой среды по п.1, отличающееся тем, что пластины имеют заостренный конец.

3. Устройство для физико-химической обработки жидкой среды по п.1, отличающееся тем, что при одинаковой толщине пластин их длина l_пл.i определяется из соотношения

4. Устройство для физико-химической обработки жидкой среды по п.1, отличающееся тем, что основная частота колебаний, генерируемых устройством для физико-химической обработки жидкой среды f_у, не менее чем на порядок больше максимальной частоты колебаний пластин f_max и определяется из соотношения
f_у=kf_max, k≥10.