РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ АППАРАТ
ROTOR-PULSE ACOUSTIC APPARATUS

Изобретение относится к устройствам для обработки различных жидкотекучих сред. Оно может быть использовано в химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, микробиологической, фармацевтической, пищевой, парфюмерной, кормовой, энергетической, химико-фотографической и других отраслях промышленности, дорожном строительстве для высокоэффективного перемешивания, для снижения вязкости различных жидкостей, в частности нефти и нефтепродуктов, для увеличения выхода светлых фракций при перегонке нефти, для удаления из нефти и нефтепродуктов серы и ее соединений, для выращивания и заглушки бактерий, для проведения звукохимических реакций, для изготовления различных лекарственных форм, для гомогенизации, пастеризации и стерилизации молока и молочных продуктов, при производстве спирта, для приготовления различных смесей, пюре и т.д., для производства различных косметических препаратов, в том числе и экстрактов, для экстрагирования различных веществ из различного сырья, для получения водобитумных и водотопливных эмульсий.
Известно устройство для обработки жидкотекучих сред (авторское свидетельство СССР № 1479088, кл. В01F 7/28, 15.05.89, Бюл. № 18). Оно содержит корпус с входным и выходным патрубками, ротор, выполненный в виде колеса центробежного насоса, и статор, выполненный в виде кольца с разрезом по образующей и проточными каналами. Устройство работает следующим образом. Обрабатываемая жидкотекучая среда, например суспензия, через входной патрубок поступает в корпус аппарата, где за счет энергии, сообщенной ей вращающимся ротором, она движется в радиальном направлении. За счет пульсации давления в аппарате разрезной статор совершает колебательное движение. Это приводит к диспергированию компонентов, содержащихся в ОЖС. Недостатком этого устройства является то, что вибрационные нагрузки, возникающие от вращающегося ротора, передаются на контактные уплотнения и на подшипники, что снижает их надежность (их-за утечек суспензии) и работоспособность.
Известен роторно-пульсационный аппарат (авторское свидетельство СССР № 1148638, кл. В01F 11/02, 07.04.85, Бюл. № 13). Аппарат содержит корпус с входным и выходным патрубками. В корпусе установлен статор, на торце которого выполнены коаксиальные цилиндры с проточными каналами. С помощью упругих элементов (лопастей) и ступицы (втулки) на приводном валу установлен ротор, на торце которого, обращенного к статору, установлены коаксиальные цилиндры, расположенные между коаксиальными цилиндрами статора, с проточными каналами. Аппарат работает следующим образом. ОЖС поступает в аппарат, где она подвергается интенсивному перемешиванию, диспергированию за счет взаимодействия ее с элементами конструкции аппарата, элементами коаксиальных цилиндров ротора и статора, лопаток ротора и статора, а кроме того, благодаря тому, что диск ротора совершает крутильные колебания на упругих элементах (лопастях), эффективность диспергирования в этом устройстве возрастает. Недостатком этого устройства является то, что вибрационные нагрузки, возникающие от вращающегося ротора, передаются на контактные уплотнения и на подшипники, что снижает их надежность (из-за утечек среды из аппарата) и работоспособность.
5
2
9
2
Известен роторно-пульсационный акустический аппарат (патент РФ № 2162363, кл. B01F 7/00, Бюл. № 3, 27.01.2001). Он содержит корпус, в котором с зазором к нему посредством упругих лопаток или обечаек установлены статоры, выполненные в виде дисков, на торцах которых, обращенных в противоположные от корпуса стороны, размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, и ротор, выполненный в виде диска, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, расположенные между коаксиальными цилиндрами статоров, закрепленного консольно на валу ротора посредством упругих лопаток и втулки (ступицы). Аппарат работает следующим образом. В корпус аппарата поступает жидкотекучая обрабатываемая срада (ЖОС). Эта среда, двигаясь по проточным каналам ротора и статора благодаря вращающемуся ротору, подвергается интенсивному механическому перемешиванию, диспергированию и т.д. Это происходит за счет ее взаимодействия с элементами коаксиальных цилиндров ротора и статора. Кроме того, за счет того, что при вращении диска ротора он совершает веерные, и/или зонтичные, и/или комбинированные веерно-зонтичные колебания, это диск генерирует в ЖОС акустические волны сжатия - разряжения - сжатия и т.д. Эти акустические волны имеют значительную интенсивность J=10 Вт/см (J=10 Вт/м). Благодаря тому, что в этом аппарате возникают акустические волны такой большой интенсивности, с помощью этого аппарата удается получать ультратонкие эмульсии, суспензии, проводить звукохимические реакции и т.д. Недостатком этого устройства является то, что вибрационные нагрузки, возникающие от вращающегося и колеблющегося диска ротора, передаются через вал на контактные уплотнения и на подшипники, в которых этот вал установлен. Это снижает надежность работы контактных уплотнений из-за утечек через них ЖОС и снижает работоспособность подшипников.
Известен роторно-пульсационный акустический аппарат (РПАА) (патент РФ № 2305005, кл. B01F 7/00, B01F 15/00. Бюл. № 24, 27.08.2007) как наиболее близкий аналог предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков, взятый за прототип. Он содержит корпус, в котором с зазором к нему посредством обечаек или упругих лопаток и фланцев установлены статоры, выполненные в виде дисков, на торцах которых, обращенных в противоположные от корпуса стороны, размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, и ротор, выполненный в виде диска, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, расположенные между коаксиальными цилиндрами статоров, закрепленного посредством упругих лопаток и ступицы (втулки) консольно на валу ротора, выполненного составным, состоящим из двух полувалов, при этом консольный полувал, на котором установлен диск ротора, выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более, а второй полувал выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000. При этом консольный полувал ротора, где установлен диск ротора, выполнен ступенчато с проточкой меньшего диаметра. Между двумя полувалами установлена виброгасящая прокладка. Аппарат работает следующим образом. Как и в предыдущих случаях ЖОС через входной патрубок поступает в корпус аппарата, где подвергается интенсивному гидромеханическому воздействию, что приводит к интенсивному перемешиванию, диспергированию, растворению, гомогенизации и т.д. за счет взаимодействия ЖОС с элементами коаксиальных цилиндров ротора и статоров. Наиболее существенное воздействие на ЖОС аппарат оказывает как акустическое устройство за счет того, что его диски ротора и статоров в процессе работы совершают продольные, перпендикулярно плоскости диска листовые, и/или веерные, и/или зонтичные, и/или комбинированные веерно-зонтичные колебания, которые генерируют в ЖОС акустические волны сжатия - разряжения - сжатия и т.д. В увеличении интенсивности акустических колебаний J в этом аппарате весьма существенную роль играет консольный полувал, выполненный из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более. В реальном случаи этот консольный полувал выполнен из титанового сплава. Из приведенной ниже таблицы видно, что сплавы титана обладают наибольшей акустической добротностью, а следовательно, и акустическая интенсивность излучений при колебании деталей, изготовленных из этих материалов, будет максимальная. Таким образом, в этом аппарате вал ротора принимает участие в создании акустических колебаний высокой интенсивности. Недостаток этого устройства в том, несмотря на то что вал аппарата выполнен составным и вторая его часть (второй полувал) выполнена из конструкционного материала, акустическая добротность которого меньше 13000, и между двумя полувалами установлена виброгасящая прокладка, что второй полувал подвергается значительным акустическим вибрациям, которые отрицательно сказываются на работе контактных уплотнений, на работе подшипников, в которых этот полувал установлен.
Техническим эффектом изобретения является снижение вибрационных нагрузок на второй полувал и повышение тем самым работоспособности контактных уплотнений, подшипников, в которых этот полувал установлен, в корпусе при сохранении в аппарате акустических излучений высокой интенсивности.
Сущность изобретения характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижение указанного эффекта тем, что в роторно-пульсационном акустическом аппарате, содержащем корпус, в котором с зазором к нему установлены статоры с возможностью совершать своими плоскостями различные колебания, на торцах которых размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, и диск ротора, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, установленный консольно с помощью упругих лопаток и втулки на консольном полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более, с возможностью совершать своею плоскостью различные колебания, который через виброгасящую прокладку соединен со вторым полувалом, выполненным из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, согласно изобретению во втором полувале выполнена продольная полость (канал), в которой установлено демпфирующее средство, выполненное в виде стержня, или в качестве демпфирующего средства используется демпфирующая жидкость.
Кроме того, продольных полостей (каналов) во втором полувале с установленными в них демпфирующими средствами выполнено больше двух, и они равно расположены относительно оси вращения.
Зазор между боковыми поверхностями продольных полостей (каналов) и демпфирующими средствами (стержнями) находится в пределах от 0,01 до 0,05 мм.
Демпфирующие средства (стержни) могут быть установлены в продольных полостях (каналах) второго полувала с натягом.
Кроме того, второй полувал и демпфирующие стержни выполнены из различных конструкционных материалов с различными акустическими добротностями.
Демпфирующие стержни, установленные в продольных полостях (каналах), выполнены из различных конструкционных материалов с различными акустическими добротностями.
Демпфирующие стержни выполнены составными, состоящими из двух и более коаксиальных стержней.
Кроме того, коаксиальные демпфирующие стержни выполнены из различных материалов с различными акустическими добротностями.
Демпфирующие стержни выполнены ступенчатыми.
Кроме того, демпфирующие стержни могут быть установлены в продольных полостях (каналах) второго полувала посредством резьбы.
Кроме того, в продольных полостях (каналах) второго полувала в качестве демпфирующего элемента используется демпфирующая жидкость.
В качестве демпфирующей жидкости используют высоковязкую жидкость.
Кроме того, в качестве демпфирующей жидкости используют гетерогенную многофазную жидкость (эмульсию, и/или суспензию, и/или пену, и/или их смеси).
В качестве демпфирующего элемента используют твердеющий со временем жидкий полимер.
Выполнение во втором полувале продольной полости (канала), в которой установлен демпфирующий элемент - стержень - приводит к тому, что как продольные, так и поперечные колебания этого полувала значительно снизятся. Здесь будет иметь место конструктивное демпфирование (см. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. Под ред. В.Н.Челомея. Том 3. Колебания машин, конструкции их элементов. Под ред. Ф.М.Диментберга и К.С.Колесникова М.: Машиностроение, 1980, 544 с., ил., стр.259-261). Это объясняется тем, что когда эти два элемента конструкции, а именно второй полувал и демпфирующий элемент в виде стержня, установленный в продольной полости (канале) этого полувала, начнут колебаться как в продольном, так и в поперечном направлении, возникнет так называемый «дребезг», который будет оказывать существенное влияние в погашении этих колебаний, снижении амплитуды этих колебаний.
Установка в продольных полостях (каналах) второго полувала демпфирующих элементов, равнорасположенных относительно оси вращения вала, в количестве больше двух, например три и т.д., повышает эффективность конструктивного демпфирования за счет большего охвата поперечного сечения второго полувала.
Установка демпфирующих элементов в продольных полостях (каналах) второго полувала с зазором от 0,01 до 0,05 мм, приводит к дополнительному трению между поверхностями продольных полостей второго полувала и демпфирующими элементами, что также способствует снижению вибраций второго полувала.
При установке демпфирующих элементов в продольных полостях (каналах) второго полувала с натягом демпфирование происходит за счет трения на поверхности раздела демпфирующего элемента и поверхности продольных полостей.
Выполнение второго полувала и демпфирующих элементов из различных конструкционных материалов с различными акустическими добротностями приводит к демпфированию колебаний второго полувала за счет значительной разницы в амплитуде колебаний этих деталей даже при резонансе одной из них.
Выполнение демпфирующих элементов из различных конструкционных материалов с различными акустическими добротностями приводит, как и в предыдущем случае, к значительному снижению колебаний второго полувала.
Выполнение демпфирующих элементов составными, состоящими из двух и более коаксиальных стержней, повышает их демпфирующую способность за счет трения, возникающего между поверхностями этих коаксиальных стержней.
Выполнение коаксиальных демпфирующих стержней из различных конструкционных материалов с различными акустическими добротностями, как и в предыдущих случаях, значительно повышает их демпфирующую способность за счет значительной разницы в амплитуде их колебаний даже при резонансе.
Выполнение демпфирующих стержней ступенчатыми, т.е. разными диаметрами, приводит к тому, что в местах переходов от одного диаметра к другому за счет отражения акустических волн, распространяющихся в этих стержнях, амплитуда их колебаний будет снижаться по сравнению с цилиндрическими стержнями.
Установка демпфирующих стержней в продольных полостях второго полувала посредством резьбы, во-первых, удобна для их монтажа, а, во-вторых, резьбовая поверхность по сравнению, например, с гладкой цилиндрической имеет значительно большую поверхность, а следовательно, и силы трения между демпфирующим стержнем и вторым полувалом при его колебаниях будут значительно больше, отсюда и демпфирование таким стержнем будет более эффективным.
Использование в качестве демпфирующего элемента жидкости, имеющей другое по сравнению с материалом второго полувала агрегатное состояние, позволяет за счет ее большей подвижности повысить демпфирующую способность этого элемента.
Использование в качестве демпфирующей жидкости высоковязкой жидкости, за счет ее высокой вязкости, позволяет производить большую диссипацию колебательной энергии.
Использование в качестве демпфирующей жидкости гетерогенной многофазной жидкости (эмульсии, и/или суспензии, и/или пены, и/или их смеси) приводит к значительному снижению скорости распространения звука в этих средах и к значительному рассеиванию колебательных волн на границах раздела фаз в гетерогенных средах, что повышает эффективность демпфирования второго полувала.
Использование в качестве демпфирующего элемента твердеющего со временем жидкого полимера приводит к тому, что при его полимеризации акустические свойства его будут меняться в связи с изменением его агрегатного состояния, это даст возможность иметь второй полувал с меняющимися во времени акустическими демпфирующими свойствами.
Существенными отличительными признаками изобретения является то, что во втором полувале выполнена продольная полость (канал), в которой установлен демпфирующий элемент - стержень, демпфирующих элементов может быть установлено больше двух, и они равно расположены относительно оси вращения, депмфирующие элементы установлены в продольных полостях второго полувала с зазором от 0,01 до 0,05 мм, демпфирующие элементы установлены с натягом в продольных полостях второго полувала, второй полувал и демпфирующие элементы выполнены из различных конструкционных материалов с различными акустическими добротностями, демпфирующие стержни выполнены из двух и более коаксиальных стержней, коаксиальные демпфирующие стержни выполнены из различных материалов с различными акустическими добротностями, демпфирующие стержни выполнены ступенчато, демпфирующие стержни установлены в продольных полостях второго полувала посредством резьбы, в качестве демпфирующего элемента используют демпфирующую жидкость, в качестве демпфирующей жидкости используют высоковязкую жидкость, в качестве демпфирующей жидкости используют гетерогенную многофазную жидкость, в качестве демпфирующего элемента используют твердеющий со временем полимер.
Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о новизне и соответствии условию изобретательского уровня этого технического решения.
На фиг.1 изображен продольный разрез аппарата, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3-6 - сечение В-В различного выполнения демпфирующих элементов - стержней, на фиг.7 и 8 - элемент Б различного выполнения демпфирующих элементов - стержней, на фиг.9-16 приведены различные формы колебаний диска ротора и статоров аппарата, литерами «П» на этих фигурах обозначены пучности колебаний дисков ротора и статоров, темные области (это области, где колебания максимальны), а литерами «У» обозначены узлы колебаний, светлые области (это области, где амплитуда колебаний равна 0). В таблице приведены значения акустической добротности различных материалов (см. Ультразвук. Под ред. И.П.Голяминой, М.: Сов. Энциклопедия, 1979, 400 с., стр.132-133). Акустическая добротность - это количественный безразмерный показатель, который характеризует, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе больше амплитуды колебаний при частотах ниже резонансных, при одинаковой амплитуде вынуждающей силы.
Аппарат содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. В корпусе 1 с зазором к нему посредством обечаек 4 или упругих лопаток и фланцев 5 установлены диски статоров 6, на торцах которых, обращенных в противоположные от корпуса стороны, размещены коаксиальные цилиндры 7, в которых выполнены проточные каналы 8. Между статорами 6 с зазором к ним установлен диск ротора 9, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры 10, в которых выполнены проточные каналы 11. Диск ротора 9 с помощью упругих лопаток 12 и втулки (ступицы) 13 консольно установлен на консольной части 14, изготовленной из сплава титана составного вала. Диски ротора и статоров также изготовлены из сплава титана. Консольный полувал 14 жестко крепится ко второму полувалу 15, изготовленному из конструкционного материала со значительно меньшей акустической добротностью, чем акустическая добротность титановых сплавов. Второй полувал 15 с помощью подшипников 16 и 17 установлен в корпусе 1. Между двумя полувалами 14 и 15 установлена виброгасящая прокладка 18, на втором полувале установлено контактное уплотнение 19. Во втором полувале установлен демпфирующий элемент, выполненный в виде стержня 20. На фиг.3 представлен второй полувал с тремя демпфирующими элементами, на фиг.4 - с девятью элементами, на фиг.5 - с тремя коаксиальными демпфирующими элементами, на фиг.6 - с демпфирующими элементами различных диаметров, на фиг.7 демпфирующий элемент установлен посредством резьбы, на фиг.8 демпфирующий элемент выполнен ступенчато.
Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая жидкотекучая среда через входной патрубок 2 поступает в аппарат 1, где при вращающемся роторе за счет центробежных сил, создаваемых упругими лопатками 12, она движется в радиальном направлении, подвергаясь одновременно гидромеханическому воздействию со стороны элементов коаксиальных цилиндров 7 статоров 6 и элементов коаксиальных цилиндров 10 диска ротора 9 по проточным каналам 8 и 11, соответственно, статоров 6 и ротора 9, которое приводит к высокоэффективному перемешиванию в ЖОС, гомогенизации, растворению и т.д. Кроме того, и это наиболее существенно в этом аппарате, ЖОС подвергается высокоинтенсивным, мощным акустическим воздействиям со стороны вращающегося и колеблющегося своею плоскостью диска ротора 9, как показано на фиг.9-16, совершающего различные, в зависимости от режима работы аппарата продольные, перпендикулярно плоскости диска листовые, и/или веерные, и/или зонтичные, и/или комбинированные веерно-зонтичные колебания (см. патенты РФ № 2145255, кл. B01F 7/00, Бюл. № 5, 20.02.2000; № 2140813 кл. В01F 7/00. Бюл. № 31, 10.11.1999; № 2142843, кл. В01F 7/28, Бюл. № 35, 20.12.1999; № 2145517, кл. В01F 7/00. Бюл. № 5, 20.02.2000; № 2162363, кл. В01F 7/00, Бюл. № 3, 27.01.2001; № 2288777, кл. В01F 7/00, Бюл. № 34, 10.12.2006) благодаря тому, что диск ротора 9 выполнен из титанового сплава, и он установлен с помощью упругих лопаток 12 и втулки 13 на консольном полувале 14, изготовленном из титанового сплава. Эти колебания генерируют в ЖОС волны сжатия - разряжения - сжатия и т.д., которые, в свою очередь, генерируют колебания дисков статоров 6, установленных в корпусе 1 с помощью обечаек 4 и фланцев 5. Колебания дисков статоров 6 будут аналогичны колебаниям диска ротора 9. Вся совокупность элементов конструкции, их крепление и взаимное расположение друг относительно друга, а также материалы, из которых выполнены основные детали аппарата, позволяют получать в аппарате акустические колебания очень высокой интенсивности. Виброгасящая прокладка 18 гасит часть энергии этих колебаний. Остальную часть энергии колебаний консольного вала 14 гасит демпфирующий элемент 20, создавая «дребезг» этих колебаний во втором полувале 15, изготовленном из конструкционного материала меньшей акустической добротности, чем добротность титановых сплавов, предотвращая проникновение колебаний большой амплитуды к контактному уплотнению 19 и подшипникам 16 и 17. Обработанная в аппарате ЖОС через выходной патрубок 3 покидает аппарат. Таким образом, решаем поставленную задачу, а именно снижаем вибрационную нагрузку на второй полувал, повышая тем самым надежность работы контактного уплотнения за счет снижения через него утечек ЖОС, увеличением срока его службы, а также повышением срока службы подшипников аппарата, что позволит еще больше увеличить интенсивность акустического воздействия устройства на обрабатываемую жидкотекучую среду.
Экономический эффект от использования данного изобретения заключается в уменьшении утечек через контактное уплотнение, увеличении срока службы контактного уплотнения и подшипников с одновременным усилением интенсивности акустического воздействия на ЖОС, например, за счет увеличения габаритов (диаметров) дисков ротора и статора.
РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫИ АКУСТИЧЕСКИЙ АППАРАТТаблица
материал
добротность
материал
добротность
Сталь 45
8000
Алюминиевый сплав АМг
10000
Сталь
6300
Сталь 30ХГСА
10000
25ХНВА Ти
22000
тан ВТ1
Титановый сплав ВТ3-1
21000
Пьезокварц Пьезокерамика
20000
Титановый сплав ВТ4
16000
ЦТБС-3
350
Никель
100
МедьМ2
6300
Пермендюр
150
Латунь 159
13000
Феррит
350