РОТОРНЫЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ КАВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ
ROTOR HYDRODYNAMIC CAVITATION APPARATUS

Изобретение относится к устройствам для образования потоковой кавитации для тонкодисперсного эмульгирования, диспергирования и смешивания в системах «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело». Может быть использовано в химической, нефтяной, фармацевтической, машиностроительной, горнодобывающей и других отраслях промышленности, а также для приготовления обеззараженных кормов для сельскохозяйственных животных. С целью повышения производительности аппарата, а также повышения количественного образования кавитационных пузырьков в роторе аппарата предусмотрено непрерывное, в отличие от роторно-импульсных аппаратов, ступенчатое образование кавитационных пузырьков, «схлопывание», исчезновение которых предусматривается в обрабатываемой жидкости, суспензии.
Известно устройство, многоступенчатый роторно-импульсный аппарат, патент России № 2206380, в котором у ротора со сквозными отверстиями с обеих сторон расположены два статора с радиальными пазами. Отверстия ротора и пазы статора образуют между собой ступени роторно-пульсационных пар.
Недостатками известного устройства являются:
- прерывистое движение обрабатываемой жидкости по ступеням аппарата, что препятствует образованию большого количества кавитационных пузырьков.
Известно устройство, роторно-импульсный аппарат, авторское свидетельство № 829155, предназначенный для проведения гетерогенных процессов, интенсификация которых достигается чередованием роторов и статоров, снабженных прорезями, в котором расстояние между ротором и статором кратно полуволне возбуждаемых колебаний. Такое расположение ротора и статора способствует образованию стоячей волны с развитыми акустическими течениями.
Недостатками известного устройства является импульсное образование колебаний в обрабатываемой среде.
Известно устройство, роторный кавитационный аппарат, патент России № 2174045, содержащий корпус с входными и выходными отверстиями и образующий рабочую камеру, в которой размещены статор и на приводном валу ротор. Статор и ротор состоят из дисков, установленных поочередно вдоль оси симметрии рабочей камеры в направлении вход выход, при этом первый от входа диск ротора снабжен радиальными лопатками, второй диск ротора, расположенный между дисками статора с радиальными прорезями и лопастями, один в виде клина, вторые - в виде параллелепипеда.
Недостатками известного устройства являются:
- сложность устройства;
- возможность обрабатывать только системы «жидкость-жидкость».
Известно устройство, роторный диспергатор, патент России № 2040962, предназначенный для измельчения зернистых материалов в процессе диспергирования суспензий, содержащий корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор с каналами в плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора. Статор выполнен в виде соплового аппарата с сужающимися в направлении движения жидкости соплами, а ротор выполнен в виде рабочего центробежного колеса и периферийного кольца-активатора с системой каналов, оси которых перпендикулярны к направлению движения жидкости.
Недостатками известного устройства являются:
- отверстия статора выполнены сужающимися, что приводит только к ускорению жидкости массового образования кавитационных пузырьков;
- исполнение отверстий ротора под углом 90-120° к отверстиям статора приводит к ударному измельчению зерен измельчаемого материала и также не способствует образованию в роторе большого количества кавитационных пузырьков.
Известно устройство, кавитационный реактор, авторское свидетельство №1694196, которое относится к перемешиванию в кавитационных реакторах, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода, ротор которого выполнен в виде диска с закрепленными на нем кавитаторами клиновидной формы. В процессе вращения ротора за кавитаторами образуются пузырьки каверны, в хвостовой части которых происходит схлопывание кавитационных пузырьков. Оригинальное размещение кавитаторов позволяет использовать их и для прокачивания обрабатываемой жидкости.
Недостатками известного устройства являются:
- слабое образование кавитационных пузырьков;
- отсутствие гарантии, что вся обрабатываемая жидкость подвергается кавитационной обработке.
Известно устройство, мешалка, патент России № 2234974, которое относится к устройствам перемешивания и суспензирования материалов в жидкости. Мешалка содержит корпус с отражательными планками, установленными на его внутренней поверхности. На вертикальном валу закреплен дисковый ротор, на верхней периферийной поверхности которого установлены конфузоры, большим сечением обращенные в сторону вращения. Дисковый ротор по радиальной периферии имеет буртик, высота которого равна большему диаметру конфузора.
Работает известное устройство следующим образом: исходная смесь, содержащая твердые частицы и жидкость, подается в центр вращающегося ротора и под действием центробежной силы смесь отбрасывается к конфузорам. Разогнавшись в конфузорах, смесь частиц и жидкости ударяется о поверхность отражательных планок.
Недостатками известного устройства являются:
- неправильное, с точки зрения использования центробежной силы, расположение конфузоров. Радиальное расположение конфузоров: большим диаметром к центру, а малым к периферии диска, намного улучшило бы эффективность устройства;
- если составить план скоростей смеси, выходящей из малого диаметра конфузора, то видно, что радиальная составляющая, которая должна ударить струю в отражательные планки, мала. Скорее всего, суспензия ударится в суспензию, находящуюся между ротором и корпусом, чем и обеспечивается перемешивание с одновременным диспергированием.
Известно устройство, насос-теплогенератор, (прототип) патент России № 94029725, предназначенный для прямого преобразования механической энергии в тепловую энергию, включающий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой и нагнетательными патрубком для отвода нагретой жидкости, консольно подвешенный внутри корпуса на валу привода вращения полый ротор. Роторы в известном устройстве выполнены в виде:
а) лопастей, оснащенных в периферийной части каналами (карманами), расположенными за каждой лопастью;
б) в роторе выполнены каналы, в периферийной части которых расположены углубления (карманы), открытыми концами направленные в сторону вращения.
Положительным в известном устройстве является то, что предпринята попытка создания эффективного устройства, все процессы которого по нагреву жидкости протекают в роторе.
Недостатками известного устройства являются:
- недостаточно эффективная форма, с точки зрения образовывания гидродинамической кавитации, формы отверстий, выполненных в виде прямолинейных каналов, в периферийной части которых находятся углубления (карманы), вызывающие колебания жидкости;
- в конструкции ротора с дугообразными каналами, хотя и снижается внутреннее гидросопротивление и повышается эксплуатационная надежность устройства, но это делается для уменьшения опасности кавитации.
Раскрытие изобретения.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание простого, ремонтоспособного, эффективного и универсального устройства, в котором непрерывно и в большом количестве осуществляется процесс образования кавитационных пузырьков, «схлопывание» которых происходит в обрабатываемой жидкости, суспензии и т.д.
Техническим результатом изобретения является создание устройства, в котором в результате непрерывного и массового образования кавитационных пузырьков и создания условий их «схлопывания» в обрабатываемой жидкости или суспензии, происходит ускоренный разогрев жидкости или суспензии, уничтожение патогенной микрофлоры, создание устойчивых эмульсий, тонкодисперсное измельчение твердых тел в жидкости и т.д.
Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкций роторного гидродинамического кавитационного аппарата, порядка его работы со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены:
На Фиг.1 изображен заявляемый роторный гидродинамический кавитационный аппарат в продольном разрезе, включающий:
корпус аппарата 1;
приводной вал 2;
гидродинамические кавитаторы 3;
всасывающая полость 4.
На Фиг. 2 изображен поперечный разрез заявляемого устройства, включающий:
лопатки ротора 5;
броневую защиту корпуса 6;
регулятор избыточного давления 7;
корпус ротора 8.
На Фиг.3 изображен продольный разрез гидродинамического кавитатора, включающий:
корпус ротора 8;
круглоцилиндрические насадки Вентури 9, 11;
резонирующую камеру 10;
внезапно расширяющийся насадок Борда 12;
кольцевые водоворотные зоны А, В, образующиеся в насадках Вентури;
кольцевую водоворотную зону резонирующей камеры Б;
кольцевую водоворотную зону насадка Борда Г;
o
d - внутренний диаметр насадка Вентури;
к
d - внутренний диаметр резонирующей камеры и насадка Борда;
о
l =l - длина насадка Вентури;
к
l - длина резонирующей камеры;
в.р
l - длина внезапно расширяющегося насадка Борда;
Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, включающем; корпус аппарата 1, на приводном валу 2 закреплен ротор 8, в радиальных отверстиях которого от лопаток ротора 5, до периферии ротора установлены сборные гидродинамические кавитаторы 3, На внутренней поверхности корпуса, установлена ребристая бронезащита 6.
В корпусе аппарата со стороны приводного устройства расположена всасывающая полость, а на выходном патрубке установлен регулятор избыточного давления 7. Гидродинамические кавитаторы включают круглоцилиндрические насадки Вентури 9, 11, резонирующие камеры 10, и внезапно расширяющие насадки Борда. Лопатки ротора 5, установленные под углом к радиусу, предназначены для сообщения обрабатываемой жидкости или суспензии кинетической силы инерции и направления ее в гидродинамические кавитаторы 3. Броневая защита корпуса 6 предназначена для защиты корпуса от воздействия «охлопывающихся» навигационных пузырьков, не успевших сомкнуться в обрабатываемой жидкости. Количество устанавливаемых гидродинамических кавитаторов зависит от размеров ротора и определяется из условий прочности ротора. Диаметры деталей и их длина находятся в определенной зависимости между собой и зависят от производительности заявляемого аппарата.
Работает роторный гидродинамический кавитационный аппарат следующим образом.
Приводной вал 2, с закрепленным на нем ротором 8, установлен в корпусе 1, получив от любого привода (электродвигатель, ДВС, ветродвигатель и. т.д.) энергию вращения лопатки ротора 5, закачивает жидкость или суспензию из всасывающей полости 4, передает ее частицам кинетическую энергию и отбрасывает ее в радиальном направлении к входным отверстиям гидродинамических кавитаторов 3. Входные отверстия гидродинамических кавитаторов выполнены как внезапное сужение трубопровода. (Т.М.Башта «Машиностроительная гидравлика». М., «Машиностроение.» - 1971 г., стр. - 82). Жидкость, проходя мимо прямоугольной кромки входного отверстия, благодаря силам инерции частиц жидкости, сжимается в круглоцилиндрическом насадке Вентури 9, с образованием кольцевой водоворотной зоны - А. Затем струя обрабатываемой жидкости расширяется и заполняет весь насадок.
Сама водоворотная зона А, как и транзитная струя, в пределах этой области характеризуется наличием вакуума, а значит создан первый участок образования кавитационных пузырьков.
Под действием силы инерции смесь жидкости и кавитационных пузырьков направляется в резонирующую камеру 10. Проходя через резонирующую камеру 10, транзитная струя жидкости образует вторую кольцевую водоворотную зону - Б.
Поверхность раздела в резонирующей камере выражена нечетко. Она носит неустановившийся и неустойчивый характер. Периодически эта поверхность получает местные искривления, которые, попадая в транзитную струю, уносятся ею. Поверхность же раздела вновь восстанавливается с тем, чтобы в последующие моменты опять распасться, вызывая пульсацию скоростей, импульсы вакуума и давлений. Это второй участок образования кавитационных пузырьков.
Далее транзитная струя жидкости попадает круглоцилиндрический насадок Вентури 11, работа которого аналогична насадку - 9, в котором образуется кольцевая водоворотная зона - В. Это - третий последовательно расположенный участок образования кавитационных пузырьков. Транзитная струя жидкости, прошедшая три участка насыщения кавитационными пузырьками, попадает во внезапно расширяющийся насадок Борда 12, в котором образуется четвертый участок с пониженным давлением, водоворотная зона - Г.
Из насадок Борда - 12 смесь жидкости и кавитационных пузырьков с большой скоростью влетает в слой обрабатываемой жидкости, расположенной между ротором 8 и броневой защитой корпуса - 6, давление в котором поддерживается регулятором избыточного давления.
2
Наличие избыточного давления, а также ребристая поверхность бронедиска способствуют интенсивному «захлопыванию» - исчезновению навигационных пузырьков, сопровождающемуся резким повышением температур до 2000°С и давлений 10000 кг/см, появлению ударных волн, обеспечивающих эмульгирование, обеззараживание жидкостей и диспергирование твердых тел.
По мере износа деталей гидродинамических кавитаторов от абразивного износа и снижения плотности кавитации их заменяют на новые.
Длина насадков Вентури выбирается по рекомендации (P.P. Чугаев, «Гидравлика», М. Энергия. Ленинградское отделение 1971 г., стр.310).
o
o
o
(3,5÷4)d≤l=l1≤(6÷7)d,
где
o
1
l и l - длина насадков Вентури;
o
d - диаметр отверстия в насадке.
Длина резонансной камеры и ее диаметр определены экспериментально и равны:
к
к1
o
d=l=3d
в.р
o
Диаметр внезапно расширяющегося насадка Борда принят одинаковым с диаметром резонансной камеры, а ее длина l=5d определена экспериментально.
Пример № 1. Приготовление водоугольного топлива.
Исходные продукты: вода 40%, уголь фракции 0-10 мкм.
В результате обработки получена желеобразная тиксотропная масса, размер частиц угля в которой составил:
до 200 мкм - 1,5%
от 200 до 100 мкм - 12%
от 100 до 70 мкм - 15%
остальное <70 мкм 71,5%.
Эмульсия не расслаивалась в течение 2 лет. Затраты энергии на приготовление 1 т продукта составляют 15-17 кВт.
Пример № 2. Обеззараживание питьевой воды.
При 2-х кратном проходе через аппарат воды погибало 85% бактерий.
После 4-5 кратного прохода через аппарат 100%.
Пример № 3. «Мокрый» помол зерна в воде.
С целью приготовления корма для свиней.
Исходные продукты:
зерно пшеницы
1 часть
вода
2 части
После 10 минутной обработки получена разогретая до 70°С желеобразная масса, которая продолжала загустевать, клейстеризоваться. В открытой емкости в условиях свинофермы корм не прокис.
Таким образом, заявляемый роторный гидродинамический кавитационный аппарат может найти применение для измельчения угля и горных пород, приготовления различного топлива, эмульсий, в том числе из несмешивающихся жидкостей, производить в процессе кавитационной обработки пастеризацию, стерилизацию и обеззараживание коллоидных смесей.
Изготовление в роторе цилиндрических каналов, в которые поочередно вставляются детали гидродинамического кавитатора, изготовленные из высокопрочных и устойчивых к абразивному износу деталей, делает ремонт проточной части ротора простой операцией и ведет к увеличению ресурса непрерывной работы агрегата.
Изобретение может быть осуществлено на любом машиностроительном предприятии.
Источники информации
1. Патент России № 2306380, B01F 7/00, 2003 г.
2. Авторское свидетельство № 829155, B01F 7/28, 1981 г.
3. Патент России № 2174045, B01F 7/00, 11/02, 2001 г.
4. Патент России № 2040962, B01F 7/00, 1997 г.
5. Авторское свидетельство № 1694196, B01F 7/16, 1991 г
6. Патент России № 2234974, B01F 7/26, 5/16, В28С 5/16, 2004 г.
7. Патент России № 94029725, F24J 3/00.
8. Т.М.Башта «Машиностроительная Гидравлика». М.: Машиностроение, 1971 г., стр.44…49, 78…91, 115…117.
9. P.P.Чугаев «Гидравлика», М.: Энергия. Ленинградское отделение 1971 г., стр.14…15, 134…143, 298…313.