РОТОРНЫЙ АППАРАТ
ROTARY APPARATUS

Изобретение относится к устройствам для создания колебаний в жидкой проточной среде и может быть использовано для проведения различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость».
Известен роторный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, концентрично установленные в нем ротор и статор с отверстиями в боковых стенках, выпуклый рассекатель жидкости, установленный в полости ротора с зазором относительно его стенок и направленный выпуклостью к входному патрубку, рабочую камеру и привод вращения ротора, причем выпуклый полый рассекатель имеет шлемообразную форму (SU 1584990 A1, B01F 7/26, Бюл. 30, 1990). Интенсификация технологического процесса осуществляется за счет дополнительных колебаний, вызванных кавитационными явлениями на шлемообразной поверхности рассекателя. Недостатками данного устройства являются незначительная интенсивность кавитации между поверхностью рассекателя и внутренней поверхностью ротора и, практически, отсутствие турбулентного перемешивания из-за плавной формы поверхности рассекателя. Кроме того, не предусматривается синхронизация собственных колебаний кавитационной области с частотой ее вынужденных пульсаций.
Наиболее близким к изобретению является роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, при этом во входном патрубке установлен конфузор, а на внутренней торцевой поверхности ротора напротив выхода конфузора находится вогнутый отражатель в виде лунки (RU 2294236 С2, B01F 7/26, Бюл. № 6, 2007). Интенсификация технологических процессов достигается возникновением резонанса, т.е. совпадением основной частоты, генерируемой роторным аппаратом, и частоты колебаний кавитационной полости между конфузором и отражателем. Недостаток данной конструкции заключается в том, что расчет конструктивных, режимных параметров роторного аппарата, размеров отражателя и расстояния его до конфузора, обеспечивающих возникновение резонанса, проводится для конкретных обрабатываемых сред, данной объемной производительности, конкретных процессов и т.д. При изменении этих параметров эффективность кавитационной обработки среды снижается. Таким образом, в аппарате не предусмотрено регулирование интенсивности кавитации и, как следствие, эффективности обработки жидких сред с различными физико-химическими свойствами.
Техническая задача изобретения - увеличение интенсивности гидродинамической кавитации в полости ротора и расширение номенклатуры обрабатываемой жидкой среды.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в роторном аппарате, содержащем корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания и привод, во входном патрубке установлен, с возможностью возвратно-поступательного перемещения насадок, входной участок которого представляет собой конфузор, а выходной является цилиндром, на внутренней торцевой поверхности ротора, напротив выхода насадка, установлен стержень, на торце которого находится кавитатор, выполненный в виде усеченного конуса, меньшее основание которого направлено навстречу потоку среды, и на боковой поверхности кавитатора выполнены выступы в виде тангенциальных или круговых зубьев, при этом кавитатор расположен в цилиндрической части насадка.
На фиг.1 изображен роторный аппарат, продольный разрез; на фиг.2, вид А на фиг.1, показано схематическое изображение тангенциальных выступов; на фиг.3, вид А на фиг.1, показано схематическое изображение круговых выступов; на фиг.4 изображен вид Б на фиг.1; на фиг.5 изображено условное обозначение расположения крепежных элементов насадка.
Роторный аппарат содержит корпус 1 с патрубком 2 выхода среды, крышку 3 с патрубком входа 4, статор 5 с каналами 6 в боковых стенках, ротор 7 с каналами 8 в боковых стенках, камеру озвучивания 9, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 5, насадок 10, состоящий из конфузора 11 и цилиндрического сопла 12, стержня 13, закрепленного в центре торцовой поверхности ротора 7, на торце которого находится кавитатор 14, элементов крепления 15 насадка 10 к патрубку входа 4, расположенных в пазах 16 патрубка входа 4.
Роторный аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая среда поступает под давлением в патрубок 4 и насадок 10, проходит конфузор 11 и цилиндрическое сопло 12, попадает на кавитатор 14 и проходит в полость ротора 7. Затем через каналы 8 ротора 7 и каналы 6 статора 5 проходит в камеру озвучивания 9 и выводится из аппарата через патрубок 2.
Обрабатываемая среда, проходя конфузорный участок насадка, значительно увеличивает скорость течения среды до значения, необходимого для возникновения гидродинамической кавитации, а при необходимости и до образования суперкаверны, при обтекании кавитатора, расположенного в цилиндрической части насадка. Образующиеся кавитационные пузыри выносятся в относительно большой объем полости ротора, при этом резко возрастает статическое давление в жидкости и происходит их схлопывание. Возникающие при этом кумулятивные струйки, высокие давление и температура способствуют интенсификации различных технологических процессов, таких как эмульгирование, диспергирование твердых частиц, экстракции, растворения и т.д.
На боковой поверхности кавитатора выполнены выступы в виде тангенциальных зубьев, поэтому за каждым из них, по ходу течения среды, образуется кавитационная область, а так как кавитатор жестко связан с вращающимся ротором, то эти области, увлекаясь жидкостью, перекрывают все поперечное сечение цилиндрической части насадка. Кроме того, выполнение выступов в виде тангенциальных зубьев при вращении кавитатора создает значительный турбулизирующий эффект, за счет возникновения потоков среды, направленных от центра к периферии патрубка и навстречу основному потоку, вследствие центробежного эффекта и конической боковой поверхности кавитатора. Турбулентные пульсации скорости и давления среды также способствуют интенсификации различных химико-технологических процессов. Выступы на боковой поверхности можно выполнить в виде круговых зубьев, т.к. их изготовление проще и дешевле (М.Н.Иванов, В.А.Афиногенов. Детали машин. - М.: Высшая школа, 2003, с.164). Расчетный угол для выступов в виде тангенциальных зубьев принимается в интервале 0≤β≤30°, а в виде круговых зубьев в интервале 0≤β≤45° (М.Н.Иванов, В.А.Афиногенов. Детали машин. - М.: Высшая школа, 2003, с.164).
Когда частота вынужденных пульсаций каверн совпадает с собственной частотой их колебаний, возникает резонанс. Установлено, что собственная частота колебаний каверн в лопастных суперкавитирующих устройствах составляет 45…55 Гц (В.М.Ивченко, В.А.Кулагин, А.Ф.Немчин. Кавитационная технология. - Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1990, с.138). Частота вращения стандартных электродвигателей, являющаяся частотой вынужденных пульсаций среды, вызываемых выступами на боковой поверхности кавитатора, в предлагаемой конструкции может достигать 50 Гц (3000 об/мин).
Таким образом, в предлагаемой конструкции на определенной угловой скорости вращения ротора может возникнуть резонанс, что приведет к максимальному кавитационному воздействию на обрабатываемую среду.
Физико-химические параметры обрабатываемой среды (вязкость, коэффициент поверхностного натяжения, температура, газосодержание и т.д.) оказывают существенное влияние на закономерности протекания процесса кавитации. Для учета различных факторов, влияющих на интенсивность кавитации, и для обработки различных сред в режиме наиболее развитой кавитации в предлагаемой конструкции предусмотрена возможность изменения положения кавитатора 14 в цилиндрической части 12 насадка 10. Перемещение насадка осуществляется с помощью крепежных элементов 15, перемещающихся в продольных пазах 16, выполненных в патрубке 4. С увеличением размеров кавитационных пузырей растет и кавитационное воздействие на обрабатываемую среду при их схлопывании. Оптимальный режим работы аппарата, когда пузыри достигают своего наибольшего размера, и в этот момент они выносятся в полость ротора, где происходит их схлопывание. Время роста пузырей в этом случае напрямую связано с расстоянием от кавитатора до выхода из цилиндрической части насадка. Длина продольных пазов 16 должна выполняться такой, чтобы была предусмотрена возможность нахождения кавитатора за пределами цилиндрической части насадка, т.е. в нижней (согласно фиг.1) части патрубка.
Одним из интенсифицирующих факторов при акустической обработке жидких сред является генерирование в технологических объемах колебаний, отличающихся по частоте на 1-2 порядка, что способствует росту интенсивности кавитации. В предлагаемой конструкции это условие выполняется, т.к. основной тон, генерируемый роторным аппаратом, может варьироваться от 50 до 125000 Гц, в зависимости от угловой скорости вращения ротора и числа каналов в роторе и статоре, а как указано выше частота пульсаций кавитационных каверн 45…55 Гц.
К достоинствам предлагаемого конструктивного решения можно отнести то, что его возможно осуществить в большинстве существующих конструкций роторных аппаратов с минимальными затратами на модернизацию.
кв
кв
Для подтверждения эффективности предлагаемой конструкции проведены эксперименты по определению интенсивности кавитации в водопроводной воде. Интенсивность кавитации определялась на выходе из патрубка входа среды с использованием гидрофона из титаната бария и оценивалась по величине кавитационных импульсов давления Р с помощью запоминающего осциллографа. Изменение положения кавитатора в насадке характеризовалось расстоянием от его торца до выхода из насадка. Угловая скорость вращения ротора изменялась с помощью двигателя постоянного тока и определялась с использованием строботахометра. В результате исследований было установлено, что максимум кавитационных импульсов давления наблюдается при нахождении кавитатора на расстоянии 9…10 мм. При увеличении или уменьшении расстояния величина P уменьшается, в зависимости от частоты вращения ротора, в 2…2,5 раза. При исследовании влияния угловой частоты вращения ротора и жестко связанного с ним кавитатора на интенсивность кавитации получены результаты, некоторые из которых приведены в таблице.
Частота вращения кавитатора, Гц
20,8
25
29,2
35
37,5
41,7
45,8
Р<sub>кв</sub>, В
1,2
2
3
4,7
4,5
4
3,5
Из таблицы следует, что максимум интенсивности кавитации наблюдается при частоте ~35 Гц (2100 об/мин), что с достаточной точностью соответствует предложенному механизму возникновения резонанса при пульсации кавитационной области, образующейся при обтекании кавитатора жидкой средой.
Эффект от использования предлагаемого изобретения для интенсификации различных технологических процессов заключается в том, что обрабатываемая среда подвергается двухстадийной кавитационной обработке: на первой стадии - гидродинамической кавитацией в полости ротора, на второй - акустической импульсной кавитацией в каналах статора и камере озвучивания.