Роторный пульсационный аппарат
ROTARY PULSATION DEVICE

Изобретение относится к устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для интенсификации процессов эмульгирования, абсорбции и других в системах «жидкость-жидкость», «жидкость - твердое тело».
Известен роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках, камеру озвучивания и привод, каналы в стенке статора выполнены переменного сечения с чередующимися сужениями и расширениями (А.с. СССР 1389830, В01F 7/28, 1988 г).
Недостатком этой конструкции является то, что в ней происходит недостаточно интенсивная кавитационная обработка среды, т.к. кавитация возбуждается в основном только за счет перекрытия отверстий статора.
Прототипом изобретения является роторный аппарат, который (патент РФ №2225250 от 25.03.2002 г.) содержит корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, установленные в каналах статора один или несколько вертикальных стержней, или горизонтальных или чередующихся вертикально и горизонтально стержней.
Недостатками данного роторного аппарата является то, что каналы статора перекрыты промежутками между каналами ротора, в результате чего возникает "холостой ход", т.е. время работы, когда возникают транзитные течения через радиальный зазор между ротором и статором, и часть потока обрабатываемой среды не подвергается кавитационному и импульсному воздействию; отсутствие профилированных каналов в отверстиях статора ведет к низкой интенсивности кавитационной обработки среды, так как кавитация возбуждается в основном только за счет их перекрывания; выход из канала статора имеет цилиндрическую форму, что также обуславливает низкую интенсивность кавитации.
Указанные недостатки приводят к снижению эффективности работы аппарата при проведении процессов в системе «жидкость-жидкость», «жидкость - твердое тело».
Задачей изобретения является усовершенствование роторного пульсационного аппарата, повышающее степень эффективности работы аппарата при проведении процессов эмульгирования и диспергирования в системах "жидкость-жидкость" и "жидкость-твердое тело".
Технический результат - повышение степени диспергирования и эмульгирования твердой и жидкой фазы буровых и тампонажных растворов, исключение «холостого хода».
Технический результат достигается тем, роторный пульсационный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, электродвигатель, при этом, каналы ротора и статора выполняют противоположно друг другу под углом 35° к радиальной оси, при этом каналы ротора выполнены в виде конфузора, а каналы статора в виде диффузора, а угол при вершине конуса, образующего конфузор и диффузор, составляет 13-14°. Количество каналов в статоре и роторе четное, от 20 до 50.
Выполнение каналов ротора и статора противоположно друг другу под углом 35° к радиальной оси повышает степень диспергирования и эмульгирования твердой и жидкой фазы буровых и тампонажных растворов за счет снижения гидравлического сопротивления тангенциальных каналов и интенсификации процессов гидродинамической кавитации.
Снижения гидравлического сопротивления тангенциальных каналов достигается за счет ориентации каналов в роторе и статоре в соответствии с суммарным вектором скорости частиц жидкости, т.к. жидкость, находящаяся в роторе, участвует в движениях двух видов: радиальном - за счет перепада давления между входным и выходными патрубками и тангенциальном - за счет вращения ротора (без проскальзывания). В этом случае суммарный вектор скорости частиц жидкости направлен под углом к радиальной оси. Угол наклона каналов ротора и статора, равный 35°, экспериментально определен как оптимальный, который является углом отклонения вектора скорости истечения жидкости от радиальной прямой при вращении ротора. Каналы ротора и статора наклонены в противоположные стороны от радиальной оси (в роторе - наклонены назад, что соответствует насосному колесу, в статоре - наклонены вперед, что соответствует направляющему аппарату), что обеспечивает снижение потерь на трение, повышение производительности и КПД. Количество каналов в статоре и роторе четное, от 20 до 50, в зависимости от наружного диаметра ротора и производительности роторно-пульсационного аппарата.
Выполнение каналов ротора в виде конфузора с углом при вершине конуса 13-14° необходимо для снижения сопротивлений, а каналов статора в виде диффузора с углом при вершине конуса 13-14° является наиболее эффективным для создания кавитации, что приводит к интенсификации процессов гидродинамической кавитации. Обрабатываемая среда, проходя конфузорный участок канала, значительно увеличивает скорость течения среды до значения, необходимого для возникновения гидродинамической кавитации, а при необходимости и до образования суперкаверны. Во время перекрывания выходных отверстий каналов - конфузоров перемычками статора создается преграда. Происходит резкое повышение давления, прямой гидроудар. Периодически повторяемые гидроудары создают высокоградиентные импульсы давления.
При перекрывании каналов - конфузоров ротора, в каналах - диффузорах статора жидкость устремляется из сужения в широкую часть канала, при этом поток замедляется, давление возрастает, кавитационные каверны схлопываются, что приводит к возникновению импульсов давления и волновым процессам. Возникающие при этом кумулятивные струйки, высокие давления и температура, способствуют интенсификации различных технологических процессов, таких как эмульгирование, диспергирование твердых частиц, экстракция, растворение и т.д. Использование диффузорного сечения канала статора вызывает возникновение циркуляционных, вихревых потоков среды в области расширения, что увеличивает турбулизацию потока и время пребывания обрабатываемой среды в активной зоне - каналах статора.
В разработанном роторном пульсационном аппарате решается главная задача - исключение «холостого хода» - отсутствие кавитационного воздействия в период, который возникает при перекрывании каналов ротора промежутками между каналами статора. В результате весь объем обрабатываемой среды подвержен кавитационному и импульсному воздействию.
Схема разработанного роторного пульсационного аппарата представлена на фиг.1.
Роторный пульсационный аппарат содержит корпус 1 с патрубком 2 выхода среды, крышку 3 с патрубком 4 входа среды, статор 5 с каналами 6 в боковых стенках, выполненными в виде конфузора с конусностью 13-14°, наклоненными под углом 35° к радиальной оси (вперед), ротор 7 с каналами 8 в боковых стенках, выполненными в виде диффузора с конусностью 13-14°, наклоненными под углом 35° к радиальной оси (назад), противоположными углу наклона каналов статора, камеру озвучивания 9, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 5.
Роторный пульсационный аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая среда поступает через патрубок 4 входа среды, под давлением в полость ротора 7. Затем через каналы 8 ротора 7 и каналы 6 статора 5 проходит в камеру озвучивания 9 и выходит из аппарата через патрубок 2 выхода среды. При вращении ротора 7 его каналы 8 периодически совмещаются с каналами 6 статора 5.
В период времени, когда каналы 8 ротора 7 перекрыты стенкой статора 5, в полости ротора 7 давление возрастает, а при совмещении канала 8 ротора 7 с каналом 6 статора 5 давление за короткий промежуток времени сбрасывается, и в результате этого, в канал 6 статора 5 распространяется импульс избыточного давления. При распространении в канале 6 статора 5 импульса избыточного давления, вслед за ним возникает область пониженного давления, так как совмещение каналов 8 ротора 7 и каналов 6 статора 5 завершилось, и подача жидкости в канал 6 статора 5 происходит только за счет транзитного течения из зазора между ротором 7 и статором 5. Объем жидкости, вошедший в канал 6 статора 5, стремится к выходу из канала 6, и инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию. Жидкость подвергается воздействию импульсов давления, способствующих интенсификации физико-химических процессов.
Применение усовершенствованной конструкции позволяет получить высокую гомогенность и мелкодисперсность структуры получаемой смеси, значительно интенсифицировать технологический процесс за счет увеличения интенсивности кавитации и снижения гидравлического сопротивления тангенциальных каналов.