Роторный гидродинамический аппарат



Роторный гидродинамический аппарат
Роторный гидродинамический аппарат

 


Владельцы патента RU 2600049:

Бородкин Алексей Георгиевич (RU)
Поляков Александр Алексеевич (LV)

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно энергетического и химического, и предназначено для получения тонкодисперсных стойких эмульсий, в том числе - водотопливных. Роторный гидродинамический аппарат содержит корпус с патрубками подачи и отвода жидкой среды, внутри которого соосно установлены статорный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, и закрепленный на приводном валу роторный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей и входные насосные лопатки. Задачей изобретения является повышение качества эмульсии смешиваемых сред и уменьшение затрат энергии. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно энергетического и химического, и предназначено для получения тонкодисперсных стойких эмульсий. Оно может быть использовано для защиты окружающей среды путем подготовки к сжиганию не подлежащих регенерации сильнообводненных отходов нефтепродуктов. Может быть использовано также в пищевой промышленности при производстве соков, сметаны и т.д. при условии изготовления деталей из материалов, отвечающих требованиям пищевой промышленности.

Известны роторные гидродинамические аппараты (на базе роторно-пульсационных аппаратов), предназначенные для этой цели, содержащие ротор и статор, помещенные в корпусе и выполненные в виде чередующихся коаксиальных цилиндров с прорезями или в виде концентрически расположенных зубьев. Во внутренней зоне ротора могут быть установлены лопасти или ножи, обеспечивающие измельчение (резание) крупных фракций дисперсной фазы и улучшающие условия перемешивания и транспорта обрабатываемой среды [1, 2, 3]. Для приготовления тонкодисперсных систем между вращающимися и неподвижными цилиндрами следует использовать роторно-пульсационные аппараты (РПА) с минимально возможными зазорами. С уменьшением зазора эффективность диспергирования, а также пульсационных явлений возрастает. Однако выполнение малых зазоров весьма затруднительно, требует высокой точности изготовления и специальных приемов (притирки), что приводит к удорожанию аппарата. На таких поверхностях также сложно выполнять рифления и шероховатости, что приводит к повышению эффективности диспергирования. В то же время применение рабочих органов с гладкими поверхностями приводило к накапливанию частиц во внутренней полости аппарата и его забивке [1].

При промышленном выпуске аппаратов технологически невозможно выполнить все вышеназванные требования. При использовании промышленно выпускаемых аппаратов для приготовления эмульсии требуется ее многократная обработка, например 5-7 раз [2].

Таким образом, общим недостатком таких аппаратов является необходимость многократной циркуляции для получения тонкодисперсньгх эмульсий, что вызывает повышенные энергозатраты.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является роторный гидродинамический аппарат, содержащий корпус с патрубками подачи и отвода жидкой среды, внутри которого соосно установлены статорный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, и закрепленный на приводном валу роторный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей и насосные лопатки на входе в аппарат [4].

Недостатками этого устройства является проблематичность получения тонкодисперсных эмульсий и неэффективное использование лопаточного насосного аппарата (на входе).

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является повышение качества смешиваемых сред и уменьшение затрат энергии.

Техническая задача достигается тем, что в роторном гидродинамическом аппарате, содержащем корпус с патрубками подачи и отвода жидкой среды, внутри которого соосно установлены статорный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, и закрепленный на приводном валу роторный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, и насосные лопатки, дополнительно установлено цилиндрическое кольцо с выполненными в нем равномерно по диаметру сверхзвуковыми соплами, содержащими сужающуюся часть, критическое сечение и расширительную часть, а насосное лопаточное колесо установлено над цилиндрическим кольцом, причем оси симметрии как сверхзвуковых сопел, так и лопаток колеса проходят через центр оси вала ротора (это обеспечивает минимальные гидравлические потери). Сверхзвуковое сопло может быть выполнено в виде кольцевого сопла с конической расширяющейся частью, или выполнено с некруглым сечением на срезе, или выполнено коротким с длиной расширительной части L, равной диаметру сопла на срезе D, а угол полураствора расширительной части сопла должен находиться в пределах 13-30°.

Основные теоретические и практические разработки по теории сопел выполнены в области ракетной техники [5]. При проектировании ракетных двигателей исходят из получения максимальной тяги, а этому способствует сопло, контур расширяющейся части которого обеспечивает в выходном сечении сопла параллельный поток с одним и тем же значением скорости в любой точке этого сечения, а поверхность сопла изготавливают максимально гладкими.

При использовании сверхзвуковых сопел в гидродинамических аппаратах для приготовления эмульсии стоит другая задача: создать в сопле максимально турбулентное течение с сильным дроблением потока. Кроме того, всего этого необходимо добиться при небольших размерах элементов, в которых могут быть размещены сверхзвуковые сопла.

Поэтому, в наших условиях предпочтительнее использовать кольцевые сопла, позволяющие значительное сокращить длину по сравнению с соплами Лаваля, основные недостатки которых связаны с их большой длиной, массой и низкой эффективностью при перерасширении потока.

Для этой же цели самое узкое сечение сопла (критическое сечение) выполнено в виде острой кольцевой кромки. Такая конструкция вызывает так называемое течение Прандтля-Майера: согласно теории обрыв стенки на острой кромке является источником непрерывных возмущений, приводящих к турбулизации потока. Расширительная часть сопла при этом выполнена конической с грубой обработкой, что упрощает технологию изготовления сопла и вызывает появление кавитации. Поскольку при истечении потока из сопла в окружающую среду (эмульсию) наблюдается превышение давления, то в потоке образуется ударная волна, которая распространяется против потока со сверхзвуковой скоростью тем большей, чем больше перепад давления на ее фронте, что приводит к срыву сверхзвукового течения в сопле и резкому дроблению эмульсии. Это явление обусловливает автоколебательный процесс, когда сверхзвуковое движение жидкости в сопле периодически возникает и срывается с частотой от нескольких герц до десятков герц, что в наших условиях чрезвычайно важно, так как позволяет значительно повысить степень измельчения эмульсии.

Угол полураствора расширительной части сопла при менее 12° обеспечивает равномерное поле скоростей на выходе из сопла, к чему стремятся при проектировании ракетных двигателей.

В нашем случае для создания турбулентного течения угол полураствора расширительной части сопла должен быть более 13°, но не более 30°, так как технологически невозможно разместить на цилиндрическом кольце расчетное число сопел. Такие углы полураствора расширительной части позволяют без ухудшения гидравлических характеристик сопла изготовить короткие сопла с длиной расширительной части L, равной диаметру сопла D на срезе, что значительно эффективнее, чем сопла Лаваля, рассчитанные для таких коротких сопел.

Для повышения степени расширения у сопла, что приводит к турбулизации потока, целесообразно использовать сопла с некруглыми сечениями на срезе (прямоугольные, плоские, иметь форму кольца, или кольцевого сектора со скругленными углами, или произвольную форму, в том числе форму эллипса или многоугольника). Такой выбор конструкций коротких сопел позволяет использовать при их изготовлении более простые и дешевые технологии.

Вход эмульсии осуществляется через входную сужающую часть сопла. В выборе этой части нет строгих рекомендаций: многие сопла имеют очень короткую сужающуюся часть, а угол полураствора у сужающей части рекомендуется брать в пределах 30-60°.

Авторам не известны технические решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения.

На фиг. 1 изображен роторный гидродинамический аппарат в разрезе, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (вид на роторный диск).

Роторный гидродинамический аппарат (см. фиг. 1, 2) включает корпус, состоящий из статора 1, статорного диска 2, крышки 3 с патрубками подачи 4 и отвода жидкой среды 5, роторного диска 6 с цилиндрическим колесом 7, над которым установлено лопаточное колесо 8. При этом роторный диск 6 закреплен на приводном валу 9 электродвигателя 10. Роторный диск 6 содержит два 11 и 12 концентрических ряда прорезей, а статорный - два 13 и 14 концентрических ряда прорезей. На наружном диаметре роторного диска 6 установлено цилиндрическое кольцо 7 с выполненными в нем равномерно по диаметру сверхзвуковыми соплами 15, содержащими сужающуюся часть В, критическое сечение b и расширительную часть L. Над цилиндрическим кольцом 7 установлено лопаточное колесо 8. В крышке 3 выполнено также отверстие 16, через которое на вход в аппарат можно дополнительно вводить какой-либо компонент: воду, воздух, углеводороды и т.д.

Устройство работает следующим образом.

Через патрубки 4 в роторный гидродинамический аппарат подаются подвергаемые смешению и измельчению среды и затем измельчаются в зазорах между статорными и роторными дисками и при прохождении через прорези 11, 12, 13 и 14 статорного 2 и роторного 6 дисков. После этого эмульсия поступает в сопла 15, выполненные в цилиндрическом кольце 7. После прохождения сужающейся (дозвуковой) части сопла эмульсия поступает в критическое сечение (самое узкое сечение сопла), выполненное в виде острой кольцевой кромки. Такая конструкция вызывает так называемое течение Прандтля-Майера: согласно теории обрыв стенки на острой кромке является источником непрерывных возмущений, приводящих к турбулизации потока. При таком течении сверхзвуковое движение жидкости в расширяющейся части сопла 15 периодически возникает и срывается с частотой от нескольких герц до десятков герц, что позволяет повысить степень измельчения эмульсии. Установленное лопаточное колесо 8 не только позволяет использовать роторный гидродинамический аппарат как насос, но и создавая разрежение внутри корпуса способствует лучшему диспергированию эмульсии. Приготовленная эмульсия выходит через патрубок отвода жидкой среды 5.

Пример.

Изготовлен роторный гидродинамический аппарат, представленный на фиг. 1 и 2. В цилиндрическом кольце 7 равномерно по диаметру выполнены сверхзвуковые сопла 15, причем они выполнены плоскими с некруглым сечением на срезе короткими с длиной расширительной части L, равной диаметру сопла на срезе D, а угол полураствора расширительной части выполнен равным 15°; критическая часть сопла выполнена в виде острой кольцевой кромки. Оси симметрии сверхзвуковых сопел 15 и лопаток колеса 8 проходят через центр оси вала 9.

Характеристики роторного гидродинамического аппарата: производительность Q=5 куб./м при n=3000 об/мин и Q=7,5 куб.м/ч при n=9000 об/мин; мощность эл. двигателя N=5,5 кВт. На заводском испытательном стенде определялось качество эмульсии при однократной обработке. Эмульсия приготавливалась из мазута 100 и 10% воды. Определение качества эмульсии производилось на микроскопе МБИ-1 в проходящем свете по величине глобул воды в эмульсии. Число оборотов электродвигателя регулировалось частотным преобразователем. Как показало микроскопирование не менее 80% поля составили глобулы воды размером менее 3 мкм при n=3000 об/мин и менее 1 мкм при n=9000 об/мин.

Таким образом, предлагаемый роторный гидродинамический аппарат, за счет использования сверхзвуковых сопел в конструкции аппарата, по сравнению с прототипом позволяет получить более качественную эмульсию (средний размер капель уменьшился минимум в 3 раза) и более экономичен (за один проход получается эмульсия такая же, как в прототипе за несколько раз за счет циркуляции).

Источники информации

1. М.А. Балабудкин. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности. - М.: Медицина, 1983, 160 с.

2. RU 2131087 C1, F23K 5/12, F23D 11/34, 27.05.1999.

3. RU 2438769 C1, B01F 3/08, B01F 11/02, 10.01.2012.

4. RU 2335337 С2, B01F 7/00, B01F 5/06, 10.10.2008.

5. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Под. ред. В.М. Кудрявцева. М.: Высш. школа, 1975, 656 с.

1. Роторный гидродинамический аппарат, содержащий корпус с патрубками подачи и отвода жидкой среды, внутри которого соосно установлены статорный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, и закрепленный на приводном валу роторный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, отличающийся тем, что на наружном диаметре роторного диска дополнительно установлено цилиндрическое кольцо с выполненными в нем равномерно по диаметру сверхзвуковыми соплами, содержащими сужающую часть, критическое сечение и расширительную часть, причем оси симметрии сверхзвуковых сопел проходят через центр оси вала ротора.

2. Роторный гидродинамический аппарат по п. 1, отличающийся тем, что сверхзвуковое сопло выполнено в виде кольцевого сопла с конической расширительной частью, а критическая часть сопла выполнена в виде острой кольцевой кромки.

3. Роторный гидродинамический аппарат по пп. 1, 2, отличающийся тем, что сверхзвуковое сопло выполнено коротким с длиной расширительной части L, равной диаметру сопла на срезе D, а угол полураствора γ расширительной части сопла находится в пределах 13 - 30°.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для получения стабильных дисперсных систем с жидкой фазой. Роторно-пульсационный аппарат содержит электродвигатель с регулируемой частотой вращения, привод-мультипликатор.

Изобретение относится к способам для разрыхления, растаривания, перемешивания сыпучих материалов в гибкой таре: контейнерах, мешках, Биг-бэгах многоразового использования.

Изобретение принадлежит области машиностроения и относится к перемешивающим устройствам. Оно может быть применено в химической, строительной, пищевой промышленности как устройство, необходимое для интенсификации тепломассообменных процессов, для выравнивания концентраций и температур во всем объеме жидкости.

Изобретение относится к устройствам для получения стабильных дисперсных систем с жидкой фазой и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Миксер для смешивания по меньшей мере двух текучих компонентов содержит корпус (3) миксера, который имеет выпускное отверстие (7) для компонентов, имеющий по меньшей мере один смешивающий элемент (4), расположенный в корпусе (3) миксера, для смешивания компонентов, имеющий по меньшей мере два отдельных впускных канала (5, 6), через которые компоненты могут быть введены в область смешивающего элемента (4) отдельно друг от друга, при этом каждый впускной канал (5, 6) выполнен с возможностью взаимодействия, с обеспечением уплотнения, с одним соответствующим выпускным каналом (84, 921) контейнера (8) для хранения или камеры (91, 92), и при этом по меньшей мере один из впускных каналов (5) выполнен на конце, предназначенном для взаимодействия с выпускным каналом (84), в виде протыкающего элемента (51) для открытия соединительного потока между контейнером (8) для хранения или камерой (91, 92) и данным впускным каналом (5).

Изобретение относится к устройству для перемешивания жидкого вещества и твердого вещества в виде скапливающихся частиц, содержит бак (200), в котором расположена лопастная мешалка (800), вращающаяся вокруг оси (810), причем мешалка оборудована направляющей поток трубой (210), а бак (200) также содержит статическое препятствие (830), в основном центрованное вокруг упомянутой оси, в продолжении мешалки.

Динамический смеситель для нескольких текучих компонентов содержит корпус и роторный элемент, который расположен с возможностью вращения в корпусе. Корпус имеет входное отверстие по меньшей мере для каждого компонента и по меньшей мере одно выходное отверстие, при этом между роторным элементом и корпусом предусмотрено кольцеобразное промежуточное пространство, в котором расположен соединенный с роторным элементом смесительный элемент.

Изобретение относится к динамическому смесителю. Динамический смеситель для нескольких текучих компонентов содержит корпус и роторный элемент, который расположен с возможностью вращения в корпусе.

Изобретение касается перемешивающего элемента, работающего в осевом направлении. Перемешивающий элемент представляет собой крыльчатку (1), изготовленную из листового металла с лопастями (3) крыльчатки, расположенными в радиальном направлении вокруг оси (А).

Изобретение относится устройству, предназначенному для перемешивания жидкости и/или пастообразной массы в контейнере. Перемешивающее устройство (1) для перемешивания жидкости и/или пастообразной массы в контейнере (10) содержит привод (5), а также расположенные в контейнере (10) средства (2, 8, 9) перемешивания, включающие в себя по меньшей мере две лопасти (2) и соединенные с приводом (5) посредством соединительного элемента (3) для приведения их во вращение.

Изобретение относится к применению эмульсии, полученной из противомикробного эфирного масла, аравийской камеди и воды, к способам улучшения противомикробного действия противомикробного эфирного масла и к водной композиции, включающей эмульсию из противомикробного эфирного масла, аравийской камеди и воды.

Изобретение относится к устройству для приготовления эмульсии, способу применения данного устройства и композиции, выполненной по способу изобретения. Колонна для приема наполнителя имеет, по меньшей мере, один разделитель, расположенный внутри внутренней полости колонны, при этом каждый разделитель продолжается вдоль, по меньшей мере, части продольной длины внутренней полости и выполнен для разделения наполнителя.

Изобретение относится к смешиванию текучих сред. Устройство содержит полый трубчатый основной корпус (41) для смешивания первой (G4) и второй (G5) текучих сред внутри него, первый впускной порт, предусмотренный в верхней по потоку части основного корпуса (41), через который протекает первая текучая среда (G4), способствующий смешиванию корпус (38) трубчатой формы, расположенный внутри основного корпуса (41) и имеющий продольную ось (С1), проходящую в направлении, согласованном с направлением потока первой текучей среды (G4), причем противоположные концы способствующего смешиванию корпуса оставлены открытыми, и второй впускной порт (45), предусмотренный в периферийной стенке основного корпуса, через который протекает вторая текучая среда (G5) в направлении наружной периферийной стенки способствующего смешиванию корпуса (38).

Изобретение относится к аппарату для смешивания трех адгезивных компонентов и набору для смешивания трех адгезивных компонентов, пригодных в качестве смесительного контейнера трехкомпонентного смешанного адгезивного средства, используемого, например, при хирургической или стоматологической операции (хирургическом или стоматологическом лечении).

Изобретение относится к производству водоустойчивых эмульсионных взрывчатых веществ. Технологическая линия производства эмульсии содержит последовательно сообщенные аппараты с весоизмерительным устройством, краны, эластичные компенсаторы, фильтры, насосы, проточные электронагреватели.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания, эмульгирования, гомогенизации жидких сред и может быть использовано для проведения и интенсификации гидродинамических физико-химических, тепломассообменных процессов в системах «жидкость-жидкость» и жидкость-газ».

Настоящее изобретение направлено на жидкие композиции для кондиционирования ткани и способы их получения и применения. Описана композиция кондиционера для ткани, имеющая вязкость от 5 сПз до 5000 сПз, при этом композиция содержит от 4 % до 30 % по массе одного или более активных веществ кондиционера для ткани, которое представляет собой соединение сложноэфирного четвертичного аммония, выбранное из группы, состоящей из сложных моноэфиров ацил-оксиэтил- N,N-диметиламмоний хлорида, сложных диэфиров ацил-оксиэтил-N,N-диметиламмоний хлорида и их смесей, при этом указанное активное вещество содержит частицы, при этом частицы имеют гранулометрический показатель от 750 до 3000: от 1 м.д.

Изобретение относится к смешивающим устройствам и может быть применено для смешения потоков текучей среды, в частности газов или жидкостей, в различных отраслях промышленности и преимущественно в нефтепереработке и нефтехимии, газовой и энергетической промышленности.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к экспериментальной гидравлике, и может быть использовано в стендах для гидравлических исследований и испытаний измерительных приборов.

Гидроподкормщик к системам дискретного полива содержит накопительную емкость с сифоном, подводящий патрубок, поливные трубопроводы, корпус с накопителем для сухих удобрений, соединительную и трубопроводную арматуру.
Наверх