КАВИТАЦИОННЫЙ ГИДРОУДАРНЫЙ ДИСПЕРГАТОР

Полезная модель относится к устройствам для создания навигационных гидроударных импульсных колебаний в процессе измельчения, смешения и гомогенизации в системах «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело» и может быть использована в химической, нефтяной, горно-добывающей и других отраслях промышленности для интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов.
Известно устройство, высокочастотный роторно-импульсный аппарат (Патент РФ №2179895, от 14.27.02.2002, опубл. 27.02.2002), в котором в корпусе с кольцевой рабочей камерой установлены статор и ротор, в боковых стенках которых выполнены сквозные каналы, расположенные рядами со смещением каналов ротора и статора.
Однако, для эффективной работы устройства необходимо избыточное давление на входе, при котором формируются интенсивные импульсы диапазона частот, кроме того, при переработке двухфазных смесей «жидкость-твердое тело» долговечность аппарата незначительна в связи с увеличением зазора статор-ротор при износе поверхности рабочих органов.
Известен кавитационный гидроударный диспергатор, включающий полый корпус с входным и выходным патрубками, статор с отверстиями, расширяющимися в сторону кавитационной камеры с установленными в ней резонаторами, ротор с валом привода, лопастями и отверстиями, выполненными с возможностью совмещения или перекрытия с отверстиями статора. (Патент RU №74084 от 26.02.2008, опубл. 20.06.2008). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Повышение эффективности измельчения и эмульгирования данной конструкции достигается за счет расширения пределов регулирования частоты гидроударных и кавитационных импульсов при помощи резонаторов, закрепленных в корпусе выхода, соосно с отверстиями статора. Для увеличения продолжительности времени воздействия кавитации и дополнительного увеличения ее мощности в канале статора перед расширением установлена резонирующая камера, однако не придается значения выбору оптимального соотношения основных параметров устройства, таких как радиус рабочего колеса (ротора), частота его вращения и количество его выходных отверстий - именно эти параметры определяют возможность создания частотного и вихревого резонанса при воздействии на обрабатываемый материал. Также недостаточно используются возможности вихревого воздействия на материал.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства, в котором обеспечивается диспергирование и гомогенизации материалов не только за счет зоны кавитации в результате чередующихся гидравлических ударов в отверстиях ротора и регулирования статического давления в отверстиях статора, но и за счет выбора радиуса и частоты вращения ротора, а также количество отверстий ротора и расположение отверстий статора.
Достигается это тем, что кавитационный гидроударный диспергатор, включающий полый корпус с входными и выходными патрубками, ротор с валом привода и отверстиями, расположенными в торце, выполненными с возможностью совмещения и перекрытия с отверстиями статора, согласно техническому решению, ротор дополнительно снабжен отверстиями, равномерно расположенными по его периферийной окружности, с образованием вихревой камеры между периферийной поверхностью ротора и корпусом диспергатора, а отверстия статора выполнены под углом 32° к оси ротора, при этом между крышкой корпуса и статором расположена торообразная кольцевая камера, которая сопряжена с отверстиями статора и с выходным патрубком.
Дополнительно радиус ротора должен соответствовать условию:
2
RV=const
где: R - радиус ротора, V - линейная скорость вращения ротора; const - эмпирическая величина.
Общее количество отверстий ротора определяется следующим:
K=f/n
где: K - количество отверстий ротора;
f - частота гидроударов;
n - угловая скоростью вращения ротора.
Дополнительные отверстия ротора, равномерно расположенные по его периферийной окружности, обеспечивают вихревое воздействие па обрабатываемый материал, увеличивают мощность гидроудара и интенсифицируют процесс кавитации.
Отверстия статора выполненные под углом к оси, обеспечивают вращение жидкости в кольцевой торовой камере как в осевом, так и перпендикулярном направлении относительно центральной оси ротора.
2
Выбор оптимального соотношения между радиусом ротора и частотой вращения ротора, определяемым из условия RV=const
где: R - радиус ротора, V - линейная скорость вращения ротора, дает возможность создать в аппарате вихревой резонанс, воздействие которого в частности на воду, меняет ее структуру: увеличивая ее PH и меняя ОВП (окислительно-восстановительный потенциал) на отрицательный, что резко активизирует химическую активность воды.
Сущность технического решения иллюстрируется графически на Фиг. 1 - общий вид устройства. Фиг. 2 - вид статора. Фиг. 3 - вид ротора.
Где 1 - камера входа; 2 - корпус диспергатора; 3 - ротор; 4 - статор; 5 - крышка корпуса; 6 - патрубок входа; 7 - выходное отверстие ротора периферийное; 8 - отверстие статора; 9 - кольцевая торообразная камера; 10 - патрубок выхода; 11 - вал привода; 12 - задняя стенка ротора; 13 - вихревая камера; 14 - торцевое отверстие ротора.
Устройство работает следующим образом:
Вода или смесь воды с примесями подается по входному патрубку 6, в камеру входа 1. Благодаря тангенциальному расположению патрубка 6, в камере входа 3 образуется кольцевой вихрь, что приводит к началу возникновения пристеночной и объемной кавитации, далее обрабатываемая жидкость поступает в полость ротора 3.
Ротор 3 приводится во вращение с помощью вала 11 с расчетной частотой вращения. При вращении ротора его отверстия периодически открываются и закрываются статором 4. Ротор 3 в осевом направлении может передвигаться по валу 11, и за счет гидроподжима, возникающего в задней стенке 12 ротора 3, при возникновении давления в вихревой камере 13, постоянно прижат к неподвижному статору 4.
Поступающая в ротор жидкость, под действием центробежной силы, через периферийные выходные отверстия 7 ротора 3, под давлением поступает в вихревую камеру 13 корпуса 2, где обрабатываемая жидкость продолжающая вращение с определенной скоростью, при периодическом открытии-закрытии торцевых отверстий 14 ротора, подвергается интенсивному гидроударному воздействию расчетной частоты, а также механическому и кавитационному воздействию.
В момент открытия торцевых отверстий 14 ротора 3, жидкость через отверстия 8 статора 4 поступает в кольцевую торообразную камеру 9, крышки 5, где продолжает вращение в осевом и перпендикулярном направлении, относительно оси 11, перемешивая и перетирая обрабатываемый материал. В кольцевой горообразной камере 9 идет интенсивное кавитационное воздействие на материал. В момент закрытия торцевых отверстий 14 ротора 3, жидкость растягивается в кольцевой торообразной камере 9. Когда напряжение растяжения превысит предел прочности жидкости на растяжение, происходит разрыв сплошности жидкости и образуется каверно-кавитационный пузырек. В первой половине своего существования пузырек увеличивается в размерах и заполняется парами жидкости и газами. В момент открытия отверстий 14 ротора 3 вылетающая под давлением жидкость сжимает материал находящийся в кольцевой торообразной камере 9, в том числе и кавитационные пузырьки, образованные в предыдущий полупериод. При сжатии пузырьков, происходит преобразование кинетической энергии движущейся в кавитационных пузырьках жидкости в энергию идущую на осуществление определенного химико-технологического процесса. Кольцевая торообразная камера 9, кроме создания вихревого движения жидкости, дающего дополнительный эффект диспергации, - создает возможность концентрации воздействия энергии кавитации и ультразвука на материал, исключая паразитные вихри и размывание энергии. Обработанная жидкость выводится через выходной патрубок 10.
Практические исследования кавитационного гидроударного диспергатора за счет создания гидроударных нагрузок с частотой импульсов 1950 Гц, соответствующих резонансному разрыву частиц твердого материала (уголь, руда и т.п.), показали дисперсность обработанного материала до фракции 0-40 мкм.