Роторный измельчитель-диспергатор

Изобретение относится к измельчению материалов и может быть использовано в процессах диспергирования гетерогенных и гомогенных суспензий, в процессах дробления и активации различных материалов в жидкой среде, а также для нагрева жидкостей. Измельчитель-диспергатор содержит корпус, внутри которого концентрично расположены полые статор и ротор с радиальными щелями. Полость ротора имеет входную часть, образованную входным осевым патрубком, выходную часть с упомянутыми радиальными щелями, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой ротора, и кольцевую среднюю часть. Торцевая стенка ротора в зоне кольцевой средней части полости ротора имеет кольцевое углубление, поверхность которого сопрягает поверхность центральной стенки кольцевой средней части полости ротора с поверхностью торцевой стенки в зоне выходной части полости ротора. Кольцевое углубление имеет большую глубину, чем имеет геометрическая поверхность, имеющая в осевом сечении дугу окружности 90° и сопрягающая те же поверхности. Технический результат заключается в повышении интенсификации диспергирования, измельчения, дробления, экстрагирования и массообменных реакций за счет повышения силы гидравлического удара, настройки на разрушающий резонанс, гидравлической и акустической кавитации. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измельчению и смешиванию материалов и может быть использовано в процессах диспергирования гетерогенных и гомогенных суспензий, в процессах дробления и активации различных материалов в жидкой среде, в процессах уничтожения патогенных микроорганизмов с применением гидравлических ударов, высоко- и низкочастотного резонанса, гидравлической и акустической кавитации, высокотемпературного воздействия, а также может быть использовано для нагрева жидкостей в целях генерации тепла, преобразовывая электрическую энергию в тепловую с КПД более 100% (теплогенератор).

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является роторный аппарат гидроударного действия (смеситель-диспергатор), содержащий радиальный корпус с входным и выходным патрубками. В корпусе концентрично установлены ротор и статор, имеющие щели в боковых стенках. Щели ротора выполнены в виде дозвуковых сопел правильной формы, сужающихся к статору симметрично в независимости от направления движения ротора, а щели статора - расширяющимися в сторону корпуса с симметрично вогнутыми поверхностями. Полость ротора имеет входную часть, образованную входным осевым патрубком, выходную часть с упомянутыми радиальными щелями, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой ротора, и кольцевую среднюю часть. В полости ротора расположены активаторы - лопатки для создания центробежной силы обрабатываемому потоку и всасывания обрабатываемого материала в потоке (см. SU 1586759 А1, В01F 7/12, опубл. 1990 г.).

Недостатком такого аппарата является невысокая скорость прохождения обрабатываемого потока из-за предложенной геометрии полости ротора. Кроме того, из-за симметричности радиально размещенных щелей в роторе и статоре, а также из-за равноудаленности их от корпуса аппарата - ограничена площадь возникновения гидродинамической и акустической кавитации, что отрицательно влияет на диапазон возникающего резонанса и гасит его из-за накладки потоков, так как они хаотичны и взаимоподавляют друг друга. Еще одним недостатком является невозможность увеличения производительности, так как он работает как самовсасывающий насос, и объем обрабатываемого потока ограничен его пропускной способностью.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей и увеличение производительности при уменьшении энергозатрат не в ущерб качеству обработки материалов и максимально быстрого нагрева для эффективного получения тепла, интенсификации диспергирования, измельчения, дробления, экстрагирования и массообменных реакций за счет повышения силы гидравлического удара, настройки на разрушающий резонанс, гидравлической и акустической кавитации, а также преобразование электрической энергии через электродвигатель посредством вращения ротора для создания кавитации - в тепловую.

Поставленная задача решается тем, что измельчитель-диспергатор содержит корпус, внутри которого концентрично расположены полые статор и ротор с радиальными щелями, полость ротора имеет входную часть, образованную входным осевым патрубком, выходную часть с упомянутыми радиальными щелями, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой ротора, и кольцевую среднюю часть. Торцевая стенка ротора в зоне кольцевой средней части полости ротора имеет кольцевое углубление, поверхность которого сопрягает поверхность центральной стенки кольцевой средней части полости ротора с поверхностью торцевой стенки в зоне выходной части полости ротора, причем кольцевое углубление имеет большую глубину, чем имеет геометрическая поверхность, имеющая в осевом сечении дугу окружности 90° и сопрягающая те же поверхности.

Углубления указанной глубины создают завихрение потока («гидроподушку») в зоне сопряжения поверхности центральной стенки кольцевой средней части полости ротора с поверхностью торцевой стенки в зоне выходной части полости ротора, в результате которого увеличивается скорость прохождения потока на 25-30%. Кроме того, «гидроподушка» уменьшает нагрузку на нагнетательный насос и на узлы измельчителя-диспергатора, уменьшая таким образом энергопотребление оборудования, увеличивая его КПД.

В частных вариантах щели ротора могут быть выполнены в виде дозвуковых сопел с наклоном навстречу движению ротора, что позволяет максимально увеличить величины перепада давления между устьем сопла ротора и щелью статора.

Щели статора, расширяющиеся в сторону корпуса, с несимметричными вогнутыми поверхностями, позволяют равномерно выводить обрабатываемый поток из рабочей зоны смесителя-диспергатора, не гася автоколебания акустической кавитации, и увеличить площадь зоны возникновения вторичного гидроудара и гидродинамической кавитации, что приводит к более интенсивному разрушению, перемешиванию обрабатываемых материалов в жидкой среде, а также генерации тепла.

Измельчитель-диспергатор работает как самовсасывающий насос, а также может быть снабжен насосом-нагнетателем, соединенным с входной частью полости ротора и подающим обрабатываемый поток под высоким давлением. Насос-нагнетатель может быть оснащен преобразователем частоты, что позволяет в автоматическом режиме плавно и точно по расчету регулировать скорость обрабатываемого потока, для удержания возникающих в аппарате гидродинамической и акустической кавитации, резонансных колебаний в необходимых, заданных диапазонах и параметрах. Отсутствие в роторе лопаток способствует прохождению потока с обрабатываемым материалом в заданном объеме на единицу времени, что позволяет максимально стабильно использовать создаваемые зоны гидродинамической кавитации и удерживать заданный диапазон гидроакустического резонанса в потоке.

Расширяющаяся форма полости, образованная между внутренней поверхностью корпуса, имеющей форму витка спирали, и наружной поверхностью статора, наиболее приспособлена для динамического вывода обрабатываемого потока с рабочей зоны, с заданным диапазоном гидроакустического резонанса, без подавления автоколебаний в потоке, что позволяет продлевать их воздействие на обрабатываемый материал в трубопроводе по замкнутому кругу.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид смесителя-диспергатора; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Измельчитель-диспергатор содержит корпус 1 в форме "улитки" с входным 2 и выходным 3 патрубками. Внутри корпуса концентрично друг другу расположены ротор 4 и статор 5. Внутренняя поверхность ротора имеет в поперечном сечении форму витка спирали, так что зазор между нею и статором расширяется в направлении выходного патрубка 3. В роторе выполнены радиальные щели в виде дозвуковых сопел 6 с наклоном навстречу движению ротора, сужающихся к статору. В статоре выполнены радиальные щели, расширяющиеся в сторону корпуса 1 с вогнутыми поверхностями 7, которые размещены несимметрично относительно оси щели. Такие поверхности в наибольшей степени способствуют возникновению интенсивной гидродинамической и акустической кавитации, чем, например, щели статора, равномерно увеличивающиеся в поперечном сечении от центра аппарата к периферии, или щели статора, расширяющиеся в сторону корпуса и имеющие симметрично вогнутые поверхности, а также способствуют более интенсивному выводу потока из рабочей зоны, что, в свою очередь, исключает гашение, потухание резонансов из-за накладки или торможения потоков.

Полость ротора имеет входную часть 8, образованную входным патрубком 2, выходную часть 9 с радиальными щелями 6, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой 10 ротора, и кольцевую среднюю часть 11. Торцевая стенка 10 ротора в зоне кольцевой средней части полости ротора имеет кольцевое углубление 12, поверхность которого сопрягает поверхность центральной стенки кольцевой средней части 11 полости ротора с поверхностью торцевой стенки 10 в зоне выходной части 9 полости ротора. Кольцевое углубление 12 имеет глубину большую, чем имеет геометрическая поверхность 13, имеющая в осевом сечении дугу окружности 90° и сопрягающая те же поверхности.

Измельчитель-диспергатор работает следующим образом.

Приводом измельчителя-диспергатора могут быть такие системы, как электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, гидротурбины и гидроприводы, пневмоприводы, приводы, использующие энергию ветра, и любые другие, которые обеспечивают вращение ротора не менее 750 об/мин.

Обрабатываемая среда самовсасыванием или под давлением, создаваемым насосом-нагнетателем высокого давления (на фиг. не показан), по входному патрубку 2 корпуса 1 поступает в полость ротора, где из-за углубления 12 создается "гидроподушка", которая увеличивает скорость прохождения потока обрабатываемого материала до 30% за счет исключения трения потока о стенку ротора при повороте жидкости на 90°, в движении, что, в свою очередь, уменьшает нагрузку на подшипники и уплотнения измельчителя-диспергатора, повышая срок его эксплуатации. Далее обрабатываемая среда, попадая в выходную часть полости ротора, дополнительно ускоряется и попадает в щели ротора в виде дозвуковых сопел 6, где ускорение достигает максимального значения. При перекрытии щелей ротора 4 боковыми стенками щелей статора 5 происходит резкое повышение давления - прямой гидравлический удар. Среда обрабатывается последовательно гидроударами по ходу движения ротора. В момент совмещения щелей ротора и статора обрабатываемая среда, получившая высокую кинетическую энергию в дозвуковых соплах полости ротора и щелей ротора, попадает в расширяющуюся щель статора, где происходит резкое повышение давления одновременно с падением скорости среды. При этом в зонах, прилегающих к вогнутым поверхностям 7 щелей статора, возникает вторичный гидроудар о стенки корпуса и гидродинамическая кавитация за счет безпорядочного завихрения потоков, вызывающая низко- и высокочастотный резонанс в обрабатываемой среде (акустическую кавитацию). В процессе гидроударов, при возникновении гидродинамической и акустической кавитации аккумулируется тепловая энергия, которая интенсифицирует массообменные процессы в обрабатываемой среде, также происходит настройка смесителя-диспергатора на необходимый резонанс, равный внутреннему резонансу обрабатываемых материалов, что позволяет разрушать межмолекулярные и межклеточные связи, одновременно нагревая жидкость и обрабатываемый материал.

1. Измельчитель-диспергатор, содержащий корпус, внутри которого концентрично расположены полые статор и ротор с радиальными щелями, при этом полость ротора имеет входную часть, образованную входным осевым патрубком, выходную часть с упомянутыми радиальными щелями, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой ротора, и кольцевую среднюю часть, отличающийся тем, что торцевая стенка ротора в зоне кольцевой средней части полости ротора имеет кольцевое углубление, поверхность которого сопрягает поверхность центральной стенки кольцевой средней части полости ротора с поверхностью торцевой стенки в зоне выходной части полости ротора, причем кольцевое углубление имеет большую глубину, чем имеет геометрическая поверхность, имеющая в осевом сечении дугу окружности 90° и сопрягающая те же поверхности, а внутренняя поверхность корпуса имеет форму витка спирали в сечении, перпендикулярном оси ротора и статора.

2. Измельчитель-диспергатор по п.1, отличающийся тем, что радиальные щели в роторе выполнены в виде дозвуковых сопел, сужающихся в сторону статора, а щели статора выполнены расширяющимися в сторону корпуса с вогнутыми поверхностями.

3. Измельчитель-диспергатор по п.2, отличающийся тем, что вогнутые поверхности щелей статора выполнены несимметричными относительно оси щели, а сопла ротора наклонены навстречу его движению.

4. Измельчитель-диспергатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен насосом-нагнетателем, соединенным с входной частью полости ротора.