Роторно-пульсационный аппарат

Полезная модель относится к устройствам для гидродинамического и акустического, в том числе за счет кавитационных эффектов, видов воздействий на обрабатываемую гомогенную или гетерогенную жидкость, и может быть использована в химической, нефтяной, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепло-массообменных процессов, изменения физико-химических параметров обрабатываемых жидкостей.
Известна динамическая сирена, содержащая входной и выходной патрубки, ротор и статор, выполненные в виде тел вращения и снабженные отверстиями, расположенными одно под другим, в которой отверстия в статоре расположены по образующей, а в роторе сдвинуты по дуге его внешней поверхности на постоянную величину (А.с. СССР на изобретение SU 732026, МКИ В06В 1/20, опубл. 05.05.1980).
Известен роторный аппарат, содержащий роторный и статорный диски с зубчатыми элементами, размещенными по чередующимися концентрическим окружностям, причем зубчатые элементы одного из дисков выполнены со смещением по концентрическим окружностям на угол α=2π/(m⋅n), где m - число секторов, образуемых зубьями на соответствующем диске, n - число концентрических окружностей соответствующего диска, а размеры b элементов по дугам соответствующих концентрических окружностей радиуса r находятся в интервале r⋅n⋅α>b≥r⋅α (А.с. СССР на изобретение SU 921611, МКИ B01F 7/26, опубл. 23.04.1982).
Известен роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор со сквозными каналами в боковых стенках, камеру озвучивания и привод, в котором каналы в стенке статора выполнены переменного сечения с чередующимися сужениями и расширениями (А.с. СССР на изобретение SU 1389830, МКИ B01F 7/28, опубл. 02.06.1986).
Известен высокочастотный многорядный роторно-импульсный аппарат, содержащий корпус с кольцевой рабочей камерой, установленные в корпусе 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, причем 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 определенную величину (Патент РФ на изобретение RU 2179895, МПК В06В 1/20, опубл. 27.02.2002).
Известен насос-теплогенератор, на валу которого между корпусными торцевыми поверхностями (статорами) с зазором расположен минимум один диск (ротор), на обеих торцевых поверхностях которого выполнены минимум по два ряда лунок, на различных относительно вала радиусах, на прилегающей к торцевой поверхности диска с лунками корпусных торцевых поверхностях также выполнено минимум по два ряда подобных лунок на различных относительно вала радиусах (Патент РК на изобретение KZ 27948, МПК F24J 3/00, опубл. 25.12.2013).
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемых технических решений является конструкция устройства для нагрева жидкости, состоящего из неподвижного цилиндрического корпуса (статора) и жестко связанной с ним крышки, имеющего входной патрубок, выходной патрубок, цилиндрическую полость, внутри которой с зазором установлен с возможностью вращения закрепленный на валу диск (ротор) с глухими отверстиями, расположенными по периферии в его торцах по окружности, и углублениями, выполненными на цилиндрической поверхности диска, на торцах диска и противолежащих поверхностях корпуса и крышки выполнены глухие отверстия, имеющие форму цилиндрической поверхности без фасок и округлений, и размещенные по окружности в виде радиальных рядов (Патент РФ на изобретение RU 2290573, МПК F24J 3/00, опубл. 27.12.2006).
Недостатком вышеописанной конструкции является невысокая эффективность гидродинамического и акустического, в том числе за счет кавитационных эффектов, видов воздействий на обрабатываемую жидкость.
Технический результат конструкции предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности обработки жидкости за счет усиления гидродинамических и акустических видов воздействий.
Поставленная задача решается тем, что в роторно-пульсационном аппарате, имеющем вращающийся дисковый ротор с каналами на торцевых стенках, установленном с зазором между двумя неподвижными дисковыми статорами с каналами на торцевых поверхностях, оси каналов ротора находятся на пересечениях радиальных лучей с угловым шагом β=α/z и окружностей с радиусами , оси каналов статора располагаются на пересечении окружностей с радиусами  и линиями, по форме соответствующими Архимедовой спирали, описываемой уравнением , где n - номер окружности расположения осей каналов n-го ряда, α=2π/k - угловой шаг расположения линий спиралей на торцевых поверхностях статоров, k - количество спиралей,  - радиус окружности расположения осей каналов n-го ряда, z - количество окружностей с радиусами ,  - угол поворота образующей спирали n-го ряда, α - параметр спирали, выбираемый из диапазона чисел от 10 до 500, причем должно выполняться условие , где  - диаметр каналов n-го ряда в роторе и статорах,  - диаметр каналов (n+1)-го ряда в роторе и статорах. Линии спиралей расположения осей каналов одного статора смещены относительно противолежащих линий расположения осей каналов другого статора на величину угла β. Каналы в роторе имеют сужение в виде конфузора, расширение в виде диффузора, симметричные относительно плоскости, равноудаленной от торцевых поверхностей ротора, и соединяющую их цилиндрическую горловину с соотношениями длин конфузора, горловины и диффузора как 1:1:1 или выполнены в форме трубки Вентури. На ступице ротора установлены лопатки для нагнетания обрабатываемой жидкости в камеру второго, от входа в аппарат, статора.
Предлагаемый роторно-пульсационный аппарат (фиг. 1) содержит вращающийся ротор в форме диска 1 со сквозными каналами 2 на торцевых поверхностях 3, посаженный на вал 4, установленный в подшипниковом узле 5, располагаемый с зазорами между двумя неподвижными статорами в форме дисков 6 и 7 со сквозными каналами 8 и 9 на торцевых поверхностях 10 и 11. Статоры 6 и 7 установлены в корпусе 12, имеющем выходной патрубок 13, с торцевых поверхностей закрытых крышками 14 и 15 с патрубком ввода обрабатываемой жидкости 16. Крышки 14 и 15, статоры 6 и 7 образуют камеры статоров 20 и 21. Цилиндрические поверхности статоров 6 и 7, внутренних поверхностей крышек 14 и 15, корпуса 12 образуют рабочую камеру 22. У основания ступицы ротора 1 выполнены отверстия 23 для прохода обрабатываемой жидкости, а на ступице ротора 1 установлены лопатки 24 для ее нагнетания в камеру 20 второго, от входного патрубка 16 статора 6.
Каналы ротора 2, статоров 8 и 9 могут иметь цилиндрическую форму или сужения в виде конфузора 27 и расширения в виде диффузора 28, соединенные цилиндрической горловиной 29 с соотношениями длин конфузора, горловины и диффузора как 1:1:1 (фиг. 2, а). Геометрические параметры и форма конфузора 27 и диффузора 28 одинаковые и симметричные относительно плоскости, равноудаленной от торцевых поверхностей ротора 3. Часть канала ротора 2 выполняет функцию конфузора 27, если в нее входит поток жидкости из каналов статора 8 или 9. Часть канала ротора 2 выполняет функцию диффузора 28, если в нее входит поток жидкости из горловины 29.
Каналы статора 8 (фиг. 2, б) и 9 (фиг. 2, в) также могут быть выполнены в форме трубки Вентури, имеющей конфузор 27, цилиндрическую горловину 29 и диффузор 28.
На фиг. 3-5 показаны разрезы аппарата по плоскостям А-А, Б-Б и В-В. Разрезы А-А и В-В показывают вид торцевых поверхностей статоров 6 и 7 со стороны входного патрубка. На торцевых поверхностях статоров 6 и 7 выполнены сквозные каналы 8 и 9, центральные оси которых располагаются на пересечении окружностей с радиусами  и линиями, по форме соответствующими Архимедовой спирали, описываемой уравнением , где  - радиус окружности расположения осей каналов n-го ряда, n - целое число, определяющее номер ряда,  - угол поворота образующей спирали n-го ряда, α - параметр спирали, определяющий кривизну линии спирали и выбираемый из диапазона чисел от 10 до 500.
Величина угла между соседними радиальными лучами β=α/z, где z - количество окружностей для расположения рядов каналов в роторе и статорах. Угловой шаг расположения веток спиралей α для каналов статоров α=2π/k, где k - целое число, определяющее количество спиралей, располагаемых на торцевых поверхностях дисков. Оси расположения каналов 2 в роторе 1 находятся на пересечениях радиальных лучей и окружностей с радиусами  (фиг. 4).
Линии спиралей для расположения осей каналов одного статора, смещены относительно противолежащих линий для расположения осей каналов другого статора на величину угла β (фиг. 3 и 5).
С целью недопущения пересечения каналов на торцевых поверхностях ротора и статоров должно выполняться условие: , где  - диаметр каналов n-го ряда в роторе и статорах,  - диаметр каналов (n+1)-го ряда в роторе и статорах.
На ступице ротора 1 установлены лопатки 24 для нагнетания обрабатываемой жидкости в камеру 20 второго, от входа в аппарат, статора 6.
Роторно-пульсационный аппарат (фиг. 1) работает следующим образом. Обрабатываемая жидкость подается в устройство под давлением через патрубок 16, проходит в камеру статора 21, захватывается лопатками 24 и подается во вторую, от входа в аппарат, камеру статора 20, проникает в зазоры 25 и 26 между ротором 1 и статорами 6 и 7. Жидкость из камер статоров 20 и 21 через каналы статора 8 и 9, каналы ротора 2 также попадает в зазоры 25 и 26 между ротором и статорами. Обрабатываемая жидкость из камеры 20 через каналы 8 и каналы 2 попадает как в зазор 25, так и в зазор 26. Аналогично, жидкость из камеры 21 через каналы 9 и каналы 2 попадает как в зазор 26, так и в зазор 25.
Расположение каналов в статорах выполнено таким образом, чтобы не происходило сквозного совпадения каналов 2 в роторе 1 и каналов 8 и 9 в статорах 6 и 7. Импульс давления при совмещении каналов 8 и каналов 2 распространяется в канал 2, так как в камере 20 давление больше чем в канале 2. Соответственно, импульс давления при совмещении каналов 9 и каналов 2 распространяется в канал 2, так как в камере 21 давление больше, чем в канале 2. При получении импульса движения за счет перепада давления между камерой 20 и каналом 2, соответственно, между камерой 21 и каналом 2, в каналах 8 и 9 возникает кавитация за счет большой скорости потока и локального падения давления до давления насыщенных паров в жидкости.
При течении потока жидкости в каналах 2, имеющих форму конфузора 27, диффузора 28 и соединяющую их горловину 29, в каналах 8 и 9, в том числе выполненных в виде трубки Вентури, интенсивность кавитации выше, чем при течении потока через цилиндрический канал (фиг. 2). Это обусловлено тем, что сжатие потока жидкости в конфузоре 27 увеличивает кинетическую энергию потока в горловине 29. За счет увеличения скорости потока в горловине 29 давление в потоке снижается. Если давление в горловине близко или достигает давления насыщенных паров веществ, имеющихся в обрабатываемой жидкости, то находящиеся в жидкости микропузыри газов начинают расти с большой скоростью, то есть возникает кавитация. Кавитационные пузыри выносятся в диффузор 28 и далее в зазоры 25 и 26, где пульсируют и схлопываются, оказывая интенсивное гидродинамическое и акустическое воздействие на обрабатываемую жидкость.
При вращении ротора 1 на его торцевых стенках 3 в пристеночном слое жидкости создаются большие центробежные силы, которые за счет создания перепада давления вытягивают жидкость из каналов 2 в зазоры 25 и 26. За счет разрежения в каналах 2 также возникает кавитация, которая оказывает гидродинамическое и акустическое воздействие на жидкость. При больших усилиях сдвига на поверхностях 3 ротора 1 и поверхностях 10 и 11 статоров 6 и 7, а также в зазорах 25 и 26 возникают большие силы трения, которые локально нагревают жидкость в малом объеме. В силу это фактора, в зазорах 25 и 26 создаются условия для возникновения новых зон кавитационных эффектов для гидродинамического и акустического воздействия на обрабатываемую жидкость. Из зазоров 25 и 26 обрабатываемая жидкость попадает в рабочую камеру 22 и выводится из устройства через патрубок 13.
При движении жидкости в зазоре между ротором и статором она испытывает большие сдвиговые напряжения, как за счет градиента скорости в окружном направлении при вращении ротора, так и за счет движения в радиальном направлении за счет перепада давления между входом и выходом из аппарата, а также за счет центробежного давления, создаваемого при вращении ротора.
Движущей силой в зазорах 25 и 26 является перепад давления между входным и выходным патрубками аппарата и центробежная сила. Для создания дополнительной динамической движущей силы в зазорах 25 и 26 от центральной оси к периферии ротора порядок совмещения каналов 8 и 9 с каналами 2 подбирается таким образом, чтобы происходила «бегущая волна» пульсаций давления в зазорах 25 и 26, от первой окружности (ряда) к последней окружности (ряда) расположения каналов 2, 8 и 9, и далее к камере 22. Это достигается за счет расположения осей каналов статоров на линиях, соответствующих по форме части Архимедовой спирали, описываемой уравнением , где n - номер окружности расположения осей каналов n-го ряда,  - радиус окружности расположения осей каналов n-го ряда,  - угол поворота образующей спирали n-го ряда, β=α/z - угловой шаг расположения радиальных лучей для определения центров каналов статора, z - количество окружностей с радиусами , α=2π/k - угловой шаг расположения линий спиралей, k - целое число, определяющее количество спиралей, располагаемых на диске для размещения центров каналов в статорах, α - параметр спирали, выбираемый из диапазона чисел от 10 до 500.
Направление вращения ротора выбирается таким образом, чтобы при совмещении каналов ротора с каналами статора, каналы ротора по мере поворота ротора совмещались с каналами статоров в последовательности от первого ряда каналов к последующим рядам. То есть, если центры каналов статоров располагаются на так называемой правой спирали, если смотреть со стороны входного патрубка (фиг. 3 и 5), то ротор (фиг. 4) вращается против часовой стрелки, если центры каналов статоров располагаются на «левой» спирали, то ротор вращается по часовой стрелке. Одновременно, будут совпадать каналы n-го и (n+1) рядов каналов ротора с n-ым рядом каналов одного из статоров и с (n+1) рядом каналов другого статора, либо будут совпадать каналы первого ряда первого статора с каналами первого ряда ротора и каналы последнего ряда второго статора с каналами последнего ряда ротора. Это условие позволяет избегать пульсации из каналов одного ряда статоров, направленных навстречу друг другу, и соответственно, гасящих друг друга импульсы давления. При указанном порядке совмещения каналов статоров и ротора, пульсации давления, возникающие при их совмещении, будут проталкивать жидкость в зазорах от первого ряда каналов к последующим, т.е. от центра к периферии дисков статора, что увеличивает движущую силу для течения жидкости от входа до выхода из аппарата.
Таким образом, предлагаемая конструкция роторно-пульсационного аппарата позволяет повысить эффективность гидродинамического и акустического, в том числе кавитационного, видов воздействия на обрабатываемую жидкость, обеспечить интенсификацию различных физико-химических, гидромеханических и тепло-массообменных процессов, изменить физико-химические параметры обрабатываемых жидкостей, например, снизить вязкость и температуру застывания парафинистой нефти и вязких нефтепродуктов, получить тонкодисперсные и стойкие эмульсии и суспензии, ускорить процесс растворения веществ в жидкости, увеличить выход целевых компонентов из различного вида сырья в раствор при экстрагировании.