Роторно-импульсный аппарат

Изобретение относится к смесительной, гомогенизирующей и диспергирующей технике для эмульгирования несмешивающихся материалов и может быть использовано в химической, топливоэнергетической, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, в строительной, горно-добывающей и других отраслях. Роторно-импульсный аппарат пульсационного, гидроударного и кавитационного действия содержит корпус с патрубками, ротор, статор, имеющие торцевые соприкасающиеся рабочие поверхности, в котором кольцо статора под действием нажимных пружин автоматически выбирает зазор, образующийся в результате абразивно-кавитационного износа. Роторно-импульсный аппарат имеет в роторе и статоре отверстия различной длины и наклона, а отверстия небольшого размера располагаются рядами. Кроме того, отверстия в кольце ротора выполнены либо перпендикулярно к соприкасающейся поверхности, либо под углом к ней. Технический результат направлен на повышение производительности при одновременном снижении энергозатрат в технологических процессах диспергирования, эмульгирования, приготовления суспензий, ускорение многих физико-химических реакций с одновременной пастеризацией и стерилизацией коллоидных растворов. 12 ил.

 

Область техники.

Изобретение относится к устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде, смешивания в системах «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело» и может быть использовано в химической, нефтяной, фармацевтической, машиностроительной, горно-добывающей и других отраслях промышленности для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов (например, для приготовления водоугольного топлива, водоуглеводородного топлива и т.д.).

Известно устройство, роторно-импульсный аппарат, патент RU №2179896, в котором коаксиально установлены в корпусе ротор и статор с двумя цилиндрическими боковыми стенками, в которых выполнены радиальные каналы, причем каналы во внешней стенке статора соосны вдоль радиальной оси с каналами во внутренней стенке статора, а каналы во внешней стенке ротора выполнены со сдвигом относительно каналов во внутренней стенке ротора с интервалом (а/4-3а/4) в окружном направлении в сторону вращения ротора, где а - ширина каналов ротора и статора.

Недостатком известного устройства является, то что выбранная форма отверстий ротора и статора недостаточно эффективна для возникновения гидродинамической кавитации.

Известно устройство, акустический излучатель, патент России №2149713, в котором в корпусе, имеющем входные и выходные патрубки с установленными в нем коаксиально цилиндрические ротор и статор с каналами на боковых стенках, причем статор установлен внутри ротора, а обрабатываемая жидкость подается со стороны наружной поверхности ротора, число каналов статора и ротора равно друг другу и каналы в роторе выполняются к радиусу ротора под углом

где ω - угловая скорость ротора (рад./сек);

R_ср - средний радиус ротора (м);

а - ширина прямоугольного канала ротора (м);

h - высота канала ротора (м);

Q - расход жидкости через излучатель (м³/сек).

Недостатком известного устройства является то, что для протекания суспензии через устройство необходимо на входном отверстии повысить давление в суспензии до пределов, превышающих противодавление, оказываемое суспензией, отбрасываемой под действием центробежной силы из отверстий ротора к отверстиям статора. Применение подобного устройства значительно повысит удельные энергозатраты на единицу обрабатываемой суспензии.

Известно устройство, высокочастотный многорядный роторно-импульсный аппарат, патент России №2179895, в котором в корпусе с кольцевой рабочей камерой установленные концентрично с зазором, выполненные в виде тел вращения полые статор и ротор, в боковых стенках которых выполнены сквозные каналы, расположенные рядами с количеством рядов не менее одного, при этом каналы ротора и статора выполнены таким образом, что в положении когда каналы первого ряда ротора совмещены с каналами первого ряда статора, каналы других рядов ротора сдвинуты в окружном направлении относительно каналов соответствующих рядов статора на величину, определяемую из соотношения

где d_n - сдвиг в окружном направлении каналов ротора в ряду с номером n относительно каналов статора в ряду с номером n при таком расположении ротора и статора, когда каналы первого ряда ротора и статора совмещены;

а - ширина канала;

K₁ - коэффициент, который выбирается из диапазона 0,9<K₁<1,1

Недостатками известного устройства является то, что для эффективной работы устройства необходимо избыточное давление на входе в аппарат в пределах 3÷10 атм, при котором формируются импульсы суспензии известной интенсивности и диапазона частот.

Известно устройство, гидродинамический излучатель, патент России №2205073, имеющее сопло и резонансное колебательное устройство с прорезями, снабженное корпусом, состоящим из двух дисков, в каждом из которых выполнены центральное отверстие, торцевая кольцевая канавка и внутренняя, сделанная на проход до кольцевой канавки кольцевая проточка, диски обращены друг к другу торцами, образующими из торцевых кольцевых канавок кольцевую полость и из кольцевых проточек внутренне круговое сопло, резонансное колебательное устройство которого выполнено в виде установленной в центральном отверстии напротив внутреннего кругового сопла кольцевой резонансной пластины, в которой в радиальном направлении выполнены прорези.

Положительным в известном устройстве является то, что отсутствуют вращающиеся рабочие органы.

Недостатком известного устройства является то, что подобное устройство может найти применение только в системах «жидкость-жидкость», а при наличии в суспензии твердых компонентов кольцевая резонансная пластина будет очень быстро изнашиваться, а затем и прекращать излучение из-за нарушения частоты.

Известно устройство, акустический роторно-пульсационный аппарат (варианты), патент RU №2146170, содержащий корпус с валом, диском ротора и диском статора, на которых устанавливаются упругие элементы в виде лопаток или стоек, имеющие различные пазы, образованные выступами или проделанные в дисках.

Недостатками названного устройства являются

- сравнительно невысокая механическая прочность гибких элементов, препятствующая диспергированию твердых тел в жидкости;

- отсутствие устройства для регулирования зазора между рабочими органами.

Известно устройство, роторно-пульсационный акустический аппарат (варианты), патент России №2146967, содержащий корпус с валом, диск ротора и диск статора, на которых имеются радиальные пазы, а также упругие лопатки и коаксиальные цилиндры с проточными каналами ротора и статора.

Недостатками названного устройства являются

- невысокая механическая прочность гибких элементов, препятствующая диспергированию твердых тел в жидкости;

- большой износ коаксиальных цилиндров от механических примесей, изменяющий радиальные размеры выступов дисков ротора и статора;

- отсутствие устройства для регулирования зазора между рабочими органами.

Известно устройство, роторно-импульсный аппарат, патент России №2252826, имеющий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода суспензий и нагнетательным патрубком для отвода обрабатываемых суспензий, расположенные внутри корпуса ротор в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии и статор с отверстиями, установленными коаксиально ротору с отверстиями в роторе в виде плоских прямоугольных труб, а отверстия в статоре в виде уступом расширяющихся прямоугольных плоских труб.

Недостатками названного устройства являются

- ускоренный абразивно-кавитационный износ сопрягаемых деталей, а именно периферийной поверхности ротора и внутренней поверхности статора;

- увеличение зазора между ротором и статором приводит к резкому снижению плотности гидродинамической кавитации, а в результате к снижению производительности и ухудшению качества измельчения.

Раскрытие изобретения.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, в котором длительное время сохраняются условия возникновения и «схлопывания» кавитационных пузырьков, увеличение межремонтного ресурса изнашиваемых деталей ротора и статора при торцевом соприкосновении рабочих поверхностей путем продвижения под действием пружин, кольца статора к вращающемуся кольца ротора, для которого размеры частиц обрабатываемого материала соизмеримы с размерами отверстий в кольцах ротора и статора.

Техническим результатом изобретения является устройство кавитационного измельчения твердых тел в жидкости, обеспечивающее равномерный помол на всем протяжении абразивно-кавитационного износа приливов на торцах колец ротора и статора.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из корпуса - 1, установленного на вращающемся валу - 2 ротора - 9, имеющего лопатки, кольца ротора - 5, установленного на роторе - 9, имеющего отверстия параллельные оси вала, кольца статора - 3 с лопастями - 8, торцом прилегающего, под действием пружин - 4, к кольцу ротора с отверстиями аналогичными отверстиям кольца статора, разделительного диска - 6 и крышки с напорным патрубком - 7.

Лопатки ротора, имеющие радиальное или под углом к радиусу исполнение, подхватывают поступающую суспензию и, сообщающая ей кинетическую энергию, направляют ее к периферии ротора, где расположено кольцо ротора - 5. Под действием давления, образовавшегося на периферии ротора и в кольце ротора, суспензия направляется в отверстия кольца ротора, а затем, при совмещении отверстий, в кольцо статора, в полость крышки и через напорный патрубок по назначению.

Сущность кавитационного воздействия заключается в следующем.

Образование зон кавитации как в кольце статора, так и в кольце ротора способствуют интенсификации процессов диспергации и эмульгации обрабатываемой среды, чередующиеся, образованные пересечением струй суспензии гидравлические удары в отверстиях ротора и статическое давление в полости крышки обеспечат схлопывание кавитационных пузырьков. Ударные волны и кумулятивные струйки, образующиеся при «схлопывании» кавитационных пузырьков, обладающие высокой энергией (температура до 1500°С, давление до 1500-2000 кг/см²) обеспечивают тонкодисперсное диспергирование твердых частиц и создание устойчивых к расслоению эмульсий.

На фиг.1 изображен роторно-импульсный аппарат, его продольный разрез, состоящий из следующих основных деталей:

1 - корпус;

2 - приводной вал;

3 - кольцо статора;

4 - пружинный механизм крепления кольца статора;

5 - кольцо ротора;

6 - разделительный диск;

7 - крышка с напорным патрубком;

8 - лопасть кольца статора;

9 - ротор.

На фиг.2 изображен поперечный разрез ротора и его вид сбоку.

На фиг.3 изображено кольцо ротора и вид сбоку.

На фиг.4 изображено кольцо статора с лопастями.

На фиг.5 изображено кольцо статора с наклонными отверстиями под углом к радиусу в 40°.

На фиг.6 изображено кольцо ротора с наклонными отверстиями под углом к радиусу в 40°.

На фиг.7 изображено расположение отверстий в кольцах ротора и статора при противоположных наклонах.

На фиг.8 изображено радиальное расположение отверстий в кольце ротора и наклонное в кольце статора.

На фиг.9 изображено «попутное» расположение отверстий в кольцах ротора и статора при их количественном несовпадении.

На фиг.10 изображено радиальное расположение отверстий в кольцах ротора и статора с разным их количеством.

На фиг.11 изображено кольцо ротора с радиальными рядами круглых отверстий небольшого диаметра.

На фиг.12 изображено кольцо статора с радиальными рядами отверстий небольшого диаметра.

Работает предлагаемый роторно-импульсный аппарат следующим образом.

Приводной вал - 2, установленный в корпусе - 1, вращая ротор - 9, с установленным на нем кольцом ротора - 5, закачивает обрабатываемую суспензию через отверстие в разделительном диске - 6, лопастями ротора передает кинетическую энергию обрабатываемой суспензии, которая устремляется к периферии ротора и кольцу ротора.

Под действием создаваемого на периферии ротора давления суспензия направляется в отверстия кольца ротора - 5, а затем при совпадении отверстий в кольцо статора и полость крышки с напорным патрубком - 7, затем через напорный патрубок по назначению. От вращения в полости крышки суспензия удерживается лопастями кольца статора - 8.

Обладая большой кинетической энергией поток суспензии, эмульсии и коллоидной системы, проходя через плоские (имеющие определенное соотношение длины, ширины и высоты) или цилиндрические отверстия небольшого размера, но достаточно большой длины, образует в них зоны пониженного давления подобно насадкам Вентури или Борда.

В отверстиях кольца ротора, не только в местах возникновения «водоворотных» зон, возникающих от сужения струек суспензии, но и все струи в пределах этих зон насыщаются кавитационными пузырьками, так как пределы этих областей характеризуются наличием вакуума. После прохода транзитных струек зон с пониженным давлением, когда сжатые струи расширяясь вновь коснутся стенок отверстий кольца ротора, давление в них повысится и часть кавитационных пузырьков, конденсируясь, «схлопнется», образуя первую волну кавитационных ударов. Ударные волны деформируют поверхности твердых частиц суспензий, а проникающая в микротрещины жидкость увеличивает их, откалывает от них частички или разрушает названные частицы.

Известно, что разрушение твердых частиц по естественным дефектам в режиме кавитационного воздействия требует значительно меньше энергозатрат по сравнению с мельничным помолом, так как прочность на растяжение на порядок меньше, чем на сжатие. Коме того, разрыв, например, по сросткам, или вдоль слоев является наиболее благоприятным и самым энергоэкономным.

В момент совмещения отверстий ротора и статора суспензия, проходя через отверстия статора, образует в них зоны с пониженным давлением аналогичные зонам в кольцах ротора.

В момент перекрытия отверстий ротора торцевыми поверхностями кольца статора в перекрытых отверстиях происходит резкое повышение давления по всей длине плоских или круглых отверстий ротора (прямой гидравлический удар), который усиливается ударными волнами от «схлопывания» кавитационных пузырьков также по всей длине отверстий.

В отверстиях кольца статора, перекрытых торцевыми поверхностями кольца ротора, интенсивное «схлопывание» кавитационных пузырьков обеспечивается от избыточного статического давления в патрубке отвода обрабатываемой суспензии, а также от импульсных волн, возникающих при совмещении соседних отверстий ротора и статора.

Повышение интенсивности диспергирования, эмульгирования за счет последовательного кавитационного воздействия на частицы суспензии или эмульсии в отверстиях ротора, а затем и статора способствует повышению производительности роторного аппарата. Роторно-импульсный аппарат позволяет получать тонкодисперсную суспензию из горных пород, приготавливать водоугольное топливо, различные эмульсии, в том числе из несмешивающихся жидкостей, проводить в процессе кавитационной обработки пастеризацию и стерилизацию коллоидных смесей.

Тепловая энергия, выделяющаяся в результате «схлопывания» кавитационных пузырьков, позволяет обходиться без предварительного разогрева компонентов суспензий в зимнее время.

Литература

1. Патент России №2146170, B01F 7/12 от 10.03.2000 г.

2. Патент России №2146967, B01F 7/12 от 27.03.2000 г.

3. Патент России №2161062, B01F 7/12 от 22.12.2000 г.

4. Патент России №2206380, B01F 7/00 от 20.06.2003 г.

5. Патент Советского Союза №1586754 от 23.08.1990 г.

6. Е.И.Забабахин, И.Е.Забабахин. «Явления пограничной кумуляции». М., Наука - 1988 г., стр.3...19, 20...23, 125...135.

7. А.М.Курганов, Н.Ф.Федоров. «Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации». Л., «Стройиздат», 1973 г., стр.56...92, 185...200.

8. Т.М.Башта. «Машиностроительная гидравлика». М., Машиностроение, 1971 г., стр.44...49, 118, 349, 375, 379...381, 509...512.

9. Л.И.Богомолов, К.А.Михайлов. «Гидравлика». М., Стройиздат, Москва, 1972 г., стр.87...92, 142...150, 398...405.

10. Р.Р.Чугаев. «Гидравлика». М., Энергия, Ленинградское отделение, 1971 г., стр.14...17, 28...33, 64...74, 85...88, 135...140, 163...167, 277...286, 307...314.

11. И.Пирсол. «Кавитация», пер. с английского к.т.п. Ю.Ф.Журавлева. М., Мир, 1975 г., стр.9...20, 22...25, 36...50, 69...89.

12. М.А.Лаврентьев, Б.В.Шабат. «Проблемы гидродинамики и их математические модели». М., Наука, 1973 г., стр.350, 352...357.

13. В.В.Майер. «Кумулятивный эффект в простых опытах». М., 1989 г., стр.44, 47, 92...97, 175...177.

Роторно-импульсный аппарат кавитационного действия, содержащий корпус, разделительный диск со всасывающим отверстием, приводной вал с закрепленным на нем ротором и кольцом ротора, кольцом статора с прижимными механизмами, крышку с напорным патрубком, отличающийся тем, что отверстия в кольцах ротора и статора расположены параллельно оси вала, зазор между кольцом ротора и кольцом статора выбирается автоматически пружинными механизмами, соприкасающиеся поверхности колец ротора и статора выполнены с приливами, увеличивающими межремонтный срок.