Роторный аппарат

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». Роторный аппарат 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. 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 осевой 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. 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, что обеспечивает интенсификацию физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов. 1 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».

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 В06 В 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 входными и выходными патрубками, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках, в котором ротор снабжен шипами в виде игл, равномерно расположенных на его внутренней торцовой поверхности (SU 1653816 A1, МКИ В01F 7/28, 23.03.87). Обрабатываемая среда, под давлением подаваемая в полость ротора, попадая на острия вращающихся игл, подвергается процессам диспергирования и перемешивания. Недостатком данной конструкции является то, что диспергирование и смешение в полости ротора происходит только за счет механического воздействия игл на обрабатываемую среду. Следует отметить большую трудоемкость при изготовлении ротора данной конструкции.

Задача изобретения - интенсификация физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов.

Поставленная 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, 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 осевой зазор;

ω - угловая скорость вращения ротора, 1/с;

ν - кинематическая вязкость среды, мм²/с

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.

На схематичном чертеже изображен роторный аппарат, продольный разрез.

Роторный аппарат содержит корпус 1 с патрубком 2 выхода среды, крышку 3 с патрубком 4 входа, скрепленную с корпусом 1, статор 5 с каналами 6 в боковой стенке, ротор 7 с каналами 8 в боковой стенке, осевой зазор 9, образованный торцовой поверхностью ротора 7 и крышкой 3, камеру озвучивания 10, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 5, кольцевую камеру 11, образованную ротором 7 и крышкой 3.

Аппарат работает следующим образом: обрабатываемая среда поступает под давлением в патрубок 4 и через осевой зазор 9 попадает в кольцевую камеру 10, затем через каналы 8 ротора 7 и каналы 6 статора 5 проходит в камеру озвучивания 11 и выводится из аппарата через патрубок 2. Обрабатываемая среда в осевом зазоре подвергается большим сдвиговым усилиям, что приводит к интенсификации процесса предварительного эмульгирования. Рассматривается задача течения вязкой ньютоновской жидкости в зазоре между неподвижным и вращающимися дисками. В изобретении это торцы крышки и ротора. Установлено, что при величине относительного зазора ξ=14,7, определяемого по формуле

z=ξ(ω/ν)^-1,2,

где z - осевой зазор между крышкой 3 и ротором 7, мм;

ω - угловая скорость ротора, 1/с;

ν - кинематическая вязкость жидкости, мм²/с,

в движущейся жидкости происходит скачкообразное изменение формы эпюры скоростей, при этом происходит и скачкообразное изменение давления. Это приводит к интенсивной турбулизации потока и, как следствие, к интенсификации процесса эмульгирования. Отметим, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали высокую критичность процесса скачкообразного изменения формы эпюры скоростей к величине ξ=14,7. Для интенсификации процесса необходимо, чтобы в процессе работы величина относительного зазора проходила через значение 14,7 в сторону увеличения и обратно в сторону уменьшения. Очевидно, что это достигается при периодическом изменении угловой скорости или осевого зазора. Практически осуществить это достаточно дорого из-за высокой трудоемкости изготовления соответствующих регулирующих устройств. Кроме того, снижается надежность всей конструкции. Однако установлено, что при изготовлении торцовой поверхности ротора реальных размеров величины допусков на торцовое биение, допусков на радиальный посадочный зазор в подшипниках, погрешности сборки в сумме составляют до 10% от величины осевого зазора, имеющего в реальных аппаратах величину 0,05...0,1 мм. Таким образом при вращении ротора осевой зазор изменяется на величину ±2...5% от его среднего значения, что достаточно для осуществления режима работы аппарата, необходимого для интенсификации проводимых химико-технологических процессов. Сделанные выводы подтверждены экспериментально.

Пример 1. Для проведения процесса эмульгирования воды в толуоле требуется обеспечение зазора между корпусом и крышкой, определяемого по формуле z=ξ(ω/ν)^-1,2=14,7(3770/0,16)^-0,5=0,08 мм, при значениях ω, равной 3770 1/с; ν, равной 0,16 мм /с.

Пример 2. Для проведения процесса эмульгирования воды в бензине требуется обеспечение зазора между корпусом и крышкой, определяемого по формуле z=ξ(ω/ν)^-1,2=14,7(3770/0,22)^-0,5=0,1 мм, при значениях ω, равной 3770 1/с; ν, равной 0,22 мм²/с.

Отметим, что при выходе из осевого зазора в кольцевую камеру ротора жидкость резко теряет скорость, а при входе в каналы ротора скорость резко возрастает. Это приводит к дополнительной турбулизации потока обрабатываемой среды. В предлагаемой конструкции роторного аппарата осуществляется дополнительная турбулизация среды в кольцевой камере ротора за счет образования вихревой дорожки Кармана. Вихревая дорожка Кармана состоит из правильной последовательности вихрей, вращающихся попеременно вправо и влево. Установлено, что при критерии Рейнольдса больше примерно 1000 критерий Струхаля остается почти постоянным, равным 0,21 (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М: Наука, 1969. - 744 с.). Таким образом вихри, срывающиеся с края вращающейся торцовой поверхности ротора в осевом зазоре, значительно интенсифицируют процессы, протекающие в роторном аппарате. Кроме того, в данной конструкции возможно добиться равенства частоты срывающихся вихрей с частотой звуковых колебаний, генерируемых роторным аппаратом в результате перекрывания каналов статора промежутком между каналами ротора. В этом случае возникает резонансный режим работы, при котором значительно возрастает амплитуда звуковых колебаний и интенсивность вихрей, что положительно влияет на скорость химико-технологических процессов. Для того чтобы вихри возникали по всему объему кольцевой камеры, необходимо, чтобы середина осевого зазора находилась на одной оси с осью симметрии каналов ротора и статора.

Роторный аппарат генерирует акустические колебания с основной частотой, определяемой числом каналов в роторе и статоре и угловой скоростью вращения ротора. При совпадении частоты этих колебаний с собственными частотами объемов камеры озвучивания, каналов статора и кольцевой камеры ротора возбуждается стоячая волна, обеспечивающая увеличение скорости гидромеханических и тепломассообменных процессов в гетерогенных средах. Необходимым условием возникновения стоячих волн в аппарате является равенство ширины кольцевой камеры в роторе длине канала статора и ширине камеры озвучивания.

Таким образом, в предлагаемом устройстве 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.

В случае соответствующего расчета геометрических и режимных параметров роторного аппарата в нем возникают условия для различных резонансных процессов, приводящих к интенсификации химико-технологических процессов.

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, отличающийся тем, что 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 осевой 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.