РОТОРНЫЙ АППАРАТ
THE ROTARY DEVICE

Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системе «жидкость-жидкость».
Известен роторный аппарат, содержащий концентрично размещенные в рабочей камере ротор и статор с отверстиями на боковой поверхности, патрубки входа и выхода среды, отверстия ротора и статора выполнены в форме треугольников, в камере напротив отверстий статора выполнены вертикальные стержни (А.С. СССР №1169721, B01F 7/28; 1985 г.). В этой конструкции стержни используют остаточную кинетическую энергию струи, преобразуя ее в энергию гидродинамической кавитации. Недостатком конструкции является незначительная интенсивность кавитации на выходе из канала статора в виду малой амплитуды колебаний, генерируемых стержнем, и, как следствие, недостаточная эффективность проводимых в аппарате технологических процессов.
Наиболее близким к изобретению по получаемому эффекту является роторный аппарат, содержащий корпус, в котором размещены ротор и концентричный ему наружный статор с отверстиями, упругие пластины закреплены на стенке корпуса напротив отверстий в боковой стенке статора под углом предпочтительно 90° к оси отверстий статора (А.С. СССР 1240440, B01F, 7/28, 1986 г.). В данной конструкции возможен резонанс при совпадении собственной частоты колебаний пластины и частоты пульсации струи жидкости из каналов статора.
Недостатком роторного аппарата является недостаточная интенсивность акустических колебаний, генерируемых пластиной в жидкой среде, и, как следствие, отсутствие кавитации и низкая эффективность физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов.
Техническая задача изобретения - интенсификация физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов.
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, упругие заостренные пластины закреплены по оси симметрии каналов статора на торцах цилиндрических резонаторов, расположенных в боковой стенке корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом полости резонаторов сообщаются каналами, направленными тангенциально к внутренней боковой поверхности резонатора, с камерой озвучивания, а внутри полости резонатора установлен сплошной шток, с возможностью возвратно-поступательного перемещения. В соседних резонаторах тангенциальные каналы, соединяющие полости резонаторов с камерой озвучивания, направлены в противоположные стороны.
На фиг.1 изображен роторный аппарат, продольный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 вид В на фиг.1.
Роторный аппарат содержит корпус 1 с патрубком 2 выхода среды, крышку 3 с патрубком входа среды 4, ротор 5 с каналами 6 в боковых стенках, статор 7 с каналами 8 в боковых стенках, камеру озвучивания 9, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 7, цилиндрические резонаторы 10, установленные в стенке корпуса 1, упругие пластины 11, установленные на торцевой поверхности цилиндрических резонаторов 10, тангенциальные каналы 12 в боковых стенках резонаторов 10, шток 13, установленный в полости резонаторов 10.
Роторный аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая среда поступает под давлением через патрубок 4 в полость ротора 5. Затем, через каналы 6 ротора 5 и каналы 8 статора 7 проходит в камеру озвучивания 9 и попадает на упругие пластины 11, находящиеся на торцах цилиндрических резонаторов 10, потом жидкая среда через тангенциальные каналы 12 в боковых стенках резонаторов 10 выходит в камеру озвучивания 11 и выводится из аппарата через патрубок 2. Перемещение штока 13, установленного в полости резонатора 10, позволяет регулировать размеры полости резонатора 10 и, следовательно, частоту собственных колебаний объемного резонатора.
Важнейшими факторами, интенсифицирующими различные химико-технологические процессы, являются возбуждаемые в обрабатываемой среде акустические колебания и турбулентные пульсации. При достижении пороговых значений интенсивности колебаний в среде возникает акустическая кавитация, с помощью которой достигаются наиболее значимые результаты при проведении технологических процессов в системах «жидкость-жидкость».
Обрабатываемая среда, с высокой скоростью выходя из прямоугольных каналов статора, попадает на заостренную пластину, установленную на торце цилиндрического резонатора. В пластине возбуждаются изгибные колебания. Собственная частота этих колебаний зависит от длины, толщины, материала пластины, способа крепления. В нашем случае струя жидкости генерирует акустические колебания, вызываемые периодически перекрывающимися каналами ротора и статора (основной тон). Частота этих колебаний зависит от угловой частоты вращения ротора и числа каналов в роторе и статоре. Если по известным методикам рассчитать размеры пластины, количество каналов в роторе и статоре, определить частоту вращения ротора таким образом, что частота колебаний основного тона будет равна частоте изгибных колебаний пластины, то возникнет явление резонанса. При этом значительно повышается монохроматичность излучения, амплитуды колебаний удваиваются, а плотность энергии учетверяется (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Галямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - с.395). Кроме того, в натекающей на пластину струе возникают автоколебания с частотой, пропорциональной скорости струи и обратно пропорциональной расстоянием между соплом, в нашем случае это выход из канала статора, и упругим элементом.
Настройка пластины в резонанс с колебаниями струи в предлагаемой конструкции не представляет особых трудностей и осуществляется изменением расстояния между выходом из канала статора и пластиной с помощью перемещения цилиндрического резонатора, расположенного в стенке корпуса.
Однако в большинстве случаев энергии волны, генерируемой пластинчатыми гидродинамическими излучателями, не достаточно для возникновения кавитации. Для увеличения плотности энергии колебаний, излучаемых пластинами, в нашем случае они установлены в объемных резонаторах и образуют колебательную систему.
Общее условие резонанса для колебательных систем заключается в том, чтобы вдоль одного из линейных размеров системы уложилось кратное число половин длин волн одной из форм колебаний.
Расчет конкретных размеров резонаторов цилиндрического объема, по известной резонансной частоте колебаний, проводится по известной методике (Л.Ф.Лепендин. Акустика. - М.: Высшая школа, 1978, с.359-364).
На практике для настройки колебательной системы в предлагаемой конструкции предусмотрено изменение одного из линейных размеров цилиндрического резонатора 10 с помощью штока 13, установленного в полости резонатора. Возвратно-поступательное движение штока 13 может осуществляться, например, по резьбовой посадке (фиг.1, 2).
При совпадении частоты собственных колебаний резонаторов с собственной частотой колебаний пластин и частотой колебаний, генерируемых роторным аппаратом, в полостях резонаторов возникает резонанс. Это приводит к резкому возрастанию интенсивности акустических колебаний. При этом преодолевается порог кавитации, характеризующийся числом кавитации, и в жидкости возникает акустическая кавитация.
Дополнительная настройка рассмотренной колебательной системы может быть осуществлена изменением угловой скорости вращения ротора.
Проведена проверка возможности осуществления предложенного механизма работы устройства, с точки зрения реально осуществимых размеров резонатора и пластин.
По известной зависимости определены половины длин волн в жидкости. При этом учитывалось, что кавитационные пузырьки, образующиеся в модуляторе устройства, выносятся в полость камеры озвучивания. Кроме того, известно, что при облучении звуковыми волнами из жидкости выделяется растворенный в ней газ, т.е. повышается газосодержание жидкости. При этом скорость звука в газожидкостной среде резко падает.
Используя результаты предшествующих работ (Л.Д.Розенберг. Физические основы ультразвуковой техники. - М.: Наука, 1976. - 688 с.), нами получена величина скорости звука порядка (100…150) м/с, которая была подтверждена экспериментально в работе (В.М.Червяков, В.Г.Однолько. Использование гидродинамических и кавитационных явлений в роторных аппаратах. - М.: Машиностроение, 2008. - 116 с.). Частота колебаний, генерируемая роторным аппаратом, определенная по формуле М.А.Балабудкина и подтвержденная экспериментально, может лежать в пределах (300…10000) Гц. Таким образом, половина длины волны в газожидкостной среде в нашем случае лежит в диапазоне (5…75) мм. В реальных промышленных аппаратах можно ограничиться диапазоном (5…15) мм, т.к. половина длины волны определяет линейные размеры объемных резонаторов. При увеличении размеров резонаторов возрастают габаритные размеры и металлоемкость конструкции.
В предлагаемом аппарате, по сравнению с прототипом, в камере озвучивания в жидкой среде возникают значительные турбулентные пульсации. Они вызываются особенностью предлагаемой конструкции. Вначале жидкость попадает в камеру озвучивания, затем в полость резонаторов. Струи жидкости, вытекающие из полости резонаторов, вследствие тангенциального направления каналов 12, вызывают закручивание потока и значительно турбулизируют среду в полости камеры озвучивания. Если в соседних резонаторах тангенциальные каналы 12 имеют противоположное направление, то это способствует дополнительной турбулизации потока жидкости.
В предлагаемой конструкции осуществляется двухступенчатая кавитационная обработка жидкой среды: на первой ступени кавитация возникает в модуляторе роторного аппарата, а на второй - кавитация возникает в объемных резонаторах, расположенных в камере озвучивания.