РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к области эмульгирования и диспергирования коллоидных систем в смесителях и может быть использовано в пищевой, фармацевтической и микробиологической промышленности для гомогенизации биологически активных продуктов, в частности морского растительного сырья (бурых водорослей ламинария и фукус). Бурые водоросли содержат вещества, необходимые человеческому организму и используются при приготовлении различных биологически активных препаратов. Разработка новых и совершенствование традиционных технологий в данной области направлены на повышение качества и безопасности продуктов, придание им новых и улучшенных потребительских свойств.
Известен многоступенчатый роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутри корпуса размещены ротор, выполненный на валу привода, и два статора. На роторе вокруг вала выполнены сквозные отверстия, а с обеих его сторон концентричными венцами расположены лопатки. Статоры наружной стороной соединены с корпусом посредством фланцев. На внутренних сторонах статоров выполнены цилиндры с радиальными пазами, охватывающие с зазором венцы лопаток, которые образуют между собой ступени роторно-пульсационных пар. (RU №2090253, 1997).
Недостатком этого известного роторно-пульсационного аппарата, является его низкая эффективность переработки коллоидной системы из-за недостаточного вибрационного воздействия статора на дисперсную фазу. Это связано с тем, что в зазоре между корпусом и статором по мере эксплуатации под действием колебаний статора уплотняется дисперсная фаза, что изменяет спектр колебаний статора и вызывает резонансные колебания всего аппарата, и приводит, тем самым к увеличению износа, сокращению долговечности, а также к снижению надежности и к.п.д.
Известен также роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус насоса с присоединительным фланцем и с входным и выходным патрубками, ротор, установленный на валу, связанном с валом привода, размещенного со стороны, противоположной входному патрубку, и выполненный со сквозными отверстиями вокруг оси вращения, по обе стороны ротора концентричными венцами выполнены
лопатки для взаимодействия со статорами, которые со стороны, противоположной ротору соединены с внутренней поверхностью корпуса посредством встроенных фланцев, а на внутренних сторонах статоров выполнены цилиндрические расточки с радиальными пазами, охватывающими с зазором венцы лопаток ротора и образующие с последними ступени роторно-пульсационных пар, причем встроенные фланцы сопряжены со статорами посредством цилиндрических втулок, образующих вокруг вала внутренние полости, сообщающиеся с входным патрубком, а между статорами и корпусом образованы наружные полости, сообщающиеся с выходным патрубком, при этом внутренние и наружные полости сообщены друг с другом через радиальные отверстия, выполненные в упомянутых втулках, снабженных заслонками, выполненными с возможностью изменения проходного сечения радиальных отверстий втулок. (RU №2206380, 2003)
Недостатком этого известного роторно-пульсационного аппарата, является низкая эффективность из-за снижения подачи насоса при переработке сравнительно плотного сырья - бурых водорослей и другого сырья морского происхождения, преимущественно, в результате воздействия передаваемых через фланец на насос резонансных колебаний привода, частота собственных колебаний которого, как показали испытания при работе аппарата с приводом от электродвигателя постоянного тока или от автомобильного двигателя внутреннего сгорания, в том числе и жестко закрепленного, в процессе работы приближается к частотам, генерируемым насосом, что приводит к формированию зоны неустойчивых режимов колебаний (в осевом и радиальном направлениях) всей механической системы с источником энергии ограниченной мощности (эффект Зоммерфельда) и консольным дисбалансом ротора насоса относительно привода и, следовательно, к перегрузке привода и срабатыванию защитных устройств, увеличению износа, превышению допустимого уровня звука (выше 80 дБ), сокращению долговечности, а также к снижению показателей надежности и к.п.д., к недостаточной безопасности работы обслуживающего персонала.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного роторно-пульсационного аппарата и расширение арсенала роторно-пульсационных аппаратов.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи состоит в повышении эффективности при переработке бурых водорослей и другого сырья морского происхождения с уменьшением воздействия передаваемых через фланец
на насос колебаний привода, обеспечении необходимой подачи насоса, повышении надежности и к.п.д., при снижении до допустимого значения уровня звука и обеспечении безопасности работы обслуживающего персонала.
Сущность полезной модели состоит в том, что роторно-пульсационный аппарат содержит корпус насоса с присоединительным фланцем и с входным и выходным патрубками, ротор, установленный на валу, связанном с валом привода, размещенного со стороны, противоположной входному патрубку, и выполненный со сквозными отверстиями вокруг оси вращения, по обе стороны ротора концентричными венцами выполнены лопатки для взаимодействия со статорами, которые со стороны, противоположной ротору соединены с внутренней поверхностью корпуса посредством встроенных фланцев, а на внутренних сторонах статоров выполнены цилиндрические расточки с радиальными пазами, охватывающими с зазором венцы лопаток ротора и образующие с последними ступени роторно-пульсационных пар, причем встроенные фланцы сопряжены со статорами посредством цилиндрических втулок, образующих вокруг вала внутренние полости, сообщающиеся с входным патрубком, а между статорами и корпусом образованы наружные полости, сообщающиеся с выходным патрубком, при этом внутренние и наружные полости сообщены друг с другом через радиальные отверстия, выполненные в упомянутых втулках, снабженных заслонками, выполненными с возможностью изменения проходного сечения радиальных отверстий втулок, привод выполнен в виде асинхронного трехфазного электродвигателя с фланцем, снабжен защитным кожухом и установлен раме из двух параллельных его валу швеллеров П-образного сечения с обращенными вниз полками, между которыми в каждый швеллер встроены две регулируемые по высоте виброопоры, при этом присоединительный фланец корпуса насоса установлен соосно ротору и выполнен с длиной, выбранной из условия размещения его соединения с фланцем электродвигателя под упомянутым кожухом, входной и выходной патрубки выполнены с проходными отверстиями одинакового диаметра, а отверстия для элементов крепления электродвигателя выполнены в каждом швеллере на расстоянии между ними меньшем расстояния между виброопорами.
При этом на каждом швеллере размещены две прокладки с отверстиями для элементов крепления электродвигателя, выполненного с короткозамкнутым ротором обдуваемого исполнения, защитный кожух выполнен призматической
формы с круглым отверстием со стороны насоса и закреплен к каждому швеллеру по внешней стороне одной из его полок, а во входном патрубке установлен шнек.
Предпочтительно ширина радиальных пазов на каждой ступени выполнена не больше толщины лопаток, рабочие поверхности лопаток и радиальных пазов каждой ступени выполнены с углами наклона к радиусу ротора, вершины которых расположены на пересечении радиуса с окружностями соответствующих внутренних поверхностей венца и цилиндра, установлению на втулках заслонки выполнены в виде поворотного кольца с окнами, соосными радиальным отверстиям, внутри втулок размещены полые цилиндры, которые соединены одним торцом с первой ступенью венца ротора, а на противоположном торце выполнены пазы для открытия радиальных отверстий при вращении ротора, рабочие поверхности лопаток и радиальных пазов роторно-пульсационных пар выполнены с переменным углом наклона к радиусу ротора, уменьшающимся в радиальном управлении, ширина радиальных пазов и толщина лопаток роторно-пульсационных пар на каждой ступени выполнены увеличивающимися в радиальном направлении, радиальные пазы на противоположных статорах смещены на половину угла между соседними радиальными пазами первой или последней ступени путем поворота одного из статоров вокруг оси вращения ротора.
На чертеже фиг.1 изображен роторно-пульсационный аппарат, вид спереди, на фиг.2 - разрез насоса, на фиг.3 - разрез А-А по фиг.2, на фиг.4 - вид Б на фиг.3, на фиг.5 - аппарат по фиг.1 в разобранном виде (основные детали).
Роторно-пульсационный аппарат содержит корпус 1 насоса с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3, выполненный в форме диффузора. Привод аппарата выполнен в виде асинхронного трехфазного электродвигателя 4 с фланцем 5, снабжен защитным кожухом 6 и установлен раме из двух параллельных его валу швеллеров 7 П-образного сечения с обращенными вниз полками, между которыми в каждый швеллер 7 встроены по две регулируемые по высоте виброопоры 8 с упругими элементами (не изображены) для поглощения колебаний. Присоединительный фланец 9 корпуса 1 насоса выполнен с длиной, выбранной из условия размещения стыковочной плоскости его соединения с фланцем 5 электродвигателя 4 под кожухом 6. Входной и выходной патрубки 2, 3 выполнены с проходными отверстиями одинакового диаметра (например, 50 мм), а отверстия для элементов 10 крепления (болтов) электродвигателя 4 выполнены на каждом швеллере 7 на расстоянии между ними меньшем расстояния между виброопорами 8,
1
не менее, чем в два раза. Присоединительный фланец 9 корпуса 1 насоса установлен соосно ротору 11. Ротор 11 размещен внутри корпуса 1 и установлен на валу 12 диаметром D. Два статора 13 и 14, расположенные по разные стороны ротора 11 и сопряжены наружными сторонами посредством цилиндрических втулок 15 с встроенными фланцами 16, соответственно, которыми статоры 13 и 14 соединены с корпусом 1. На роторе 11 вокруг приводного вала 12 выполнены сквозные отверстия 17. Внутренний диаметр втулок 15 больше диаметра вала 12. Внутренние полости 18 и 19 сообщаются между собой через отверстия 17 и с входным патрубком 2. Снаружи втулок 15 между корпусом 1 и статорами 13 и 14 образованы наружные полости 20 и 21, сообщающиеся с выходным патрубком 3, при этом внутренние 18 и 19 и наружные полости 20 и 21 сообщены друг с другом соответственно через радиальные отверстия 22, выполненные в теле втулок 15. На втулках 15 установлены заслонки 23, изменяющие площадь проходного сечения радиальных отверстий 22 на втулках 5, в виде поворотного кольца (не обозначено) с окнами 24, выполненными соосно с радиальными отверстиями 22, посредством валика 25 с зубчатой передачей. Внутри втулок 15 размещены полые цилиндры 26, каждый из которых соединены одним торцом с первым венцом ротора 11, а с другого торца цилиндра выполнены пазы 27, открывающие радиальные отверстия 22 при вращении ротора 11. С обеих сторон ротора 11 концентричными венцами 28 расположены лопатки 29. На внутренних сторонах статоров 13 и 14 выполнены цилиндры 30 с радиальными пазами 31, охватывающие с зазором δ венцы 28 с лопатками 29, образующие между собой ступени роторно-пульсационных пар. Лопатки 29 на венцах 28 и пазы 31 на цилиндрах 30 на каждой ступени сопряженной пары размещены в определенном порядке, где ширина а радиальных пазов 31 по крайней мере не больше толщины b лопаток 29. На каждой ступени рабочие поверхности 32 лопаток 29 выполнены с переменным отклонением от радиуса 33 ротора 11 на углы α с вершинами, расположенными на пересечении радиуса 33 с окружностями 34 внутренних поверхностей венцов 28 с лопатками 29, а рабочие поверхности 35 радиальных пазов 31 отклонены от радиуса 33 ротора 11 на углы β с вершинами, расположенными на пересечении радиуса 33 с окружностями 36 внутренних поверхностей цилиндров 30 с радиальными пазами 31 с уменьшением по мере удаления от оси вращения. Радиальные пазы 31 одного из статоров 13 или 14 смещены относительно другого
статора, соответственно, поворотом его вокруг вала 12 на угол, равный половине угла между соседними радиальными пазами 31 на первой и последней лопаток 29.
При этом на каждом швеллере 7 размещены две прокладки 37 с отверстиями для элементов (болтов) 10 крепления электродвигателя 4, выполненного с короткозамкнутым ротором обдуваемого исполнения, защитный кожух 6 выполнен призматической формы с круглым отверстием со стороны насоса 1 и закреплен к каждому швеллеру 7 по внешней стороне одной из его полок. Во входном патрубке 2 установлен шнек 38. На выходном патрубке 3 установлена задвижка (не изображена).
Роторно-пульсационный аппарат работает следующим образом.
Предварительно промытые бурые водоросли ламинарию и/или фукус измельчают на мясорубке или протирочной машине и загружают в варочную емкость. Заливают водоросли горячей питьевой водой с температурой 75-85°С в соотношении с массой водоросли 1:1, добавляют бикарбонат натрия до получения величины рН=7,0-8,0, которую контролируют в процессе варки. Варку проводят в течение 6-10 часов при температуре 70-80°С при непрерывном перемешивании мешалкой. После этого масса готова к обработке (гомогенизации) с помощью роторно-пульсационного аппарата.
Регулируемые по высоте виброопоры 8 обеспечивают возможность точной сосной установки электродвигателя 4 и вала 12 ротора 11. Задвижкой на патрубке 3 устанавливают нужную величину потока продукта.
При включении электродвигателя 4 приводной вал 12, установленный в корпусе 1, сообщает вращение ротору 11 от электродвигателя 4 с частотой 2950-2940 об/мин. Подготовленная, как указано выше, масса водорослей подается шнеком 40 из входного патрубка 2 в полость 18 и через сквозные отверстия 17 в полость 19. Защитный кожух 6 исключает производственные травмы персонала и снижает уровень шума. Вращающиеся лопатки 29 толщиной b=14 мм, расположенные венцами 28 с обеих сторон ротора 11, своими рабочими поверхностями 32 с углом наклона α=4° к радиусу 33 захватывают массу и задают ей линейные перемещения по окружностям венцов 28, при которых масса под воздействием центробежных сил под углом α устремляется в радиальные пазы 31 шириной а=12 мм в цилиндрах 30 статоров 13 и 14 с углом рабочей поверхности β=3° и нагнетается в последующие ступени роторно-пульсационных пар. При этом в зазорах между венцом 28 с лопатками 29 и цилиндром 30 с радиальными пазами 31, образующими роторно-
пульсационные пары, происходит сложный комплекс различных гидродинамических процессов, в каждой из которых происходит измельчение коллоидной системы и высокоградиентное течение в зазоре δ=0,1 мм между вращающимися венцами 28 с лопатками 29 и неподвижными цилиндрами 30 с радиальными пазами 31. Взаимосвязь затрат мощности и конструктивных особенностей установки носит весьма сложный характер.
В пазах 31 происходят интенсивная турбулизация потока дисперсной фазы, вихреобразование, кавитация и пульсация потока за счет изменения проходного сечения радиальных пазов 31 из-за перемещения лопаток 29, вызывающие при обработке коллоидной системы спектр частот гидроакустических колебаний. Изменение углов на рабочих поверхностях 32 лопаток 29 до α=1° и на рабочих поверхностях 35 радиальных пазов 31 до β=0°, а также ширины радиальных пазов до а=8 мм и толщины лопаток до b=10 мм в направлении к последней ступени роторно-пульсационных пар усиливают разрушение измельчаемой массы при свободном ударе о рабочие поверхности 35 радиальных пазов 31 с образованием частиц, разлетающихся с определенной скоростью за счет полученной кинетической энергии. Асимметричное расположение радиальных пазов 31 на статорах 13 или 14 путем смещения одного из статоров относительно другого поворотом вокруг вала 12 на угол, равный половине угла между соседними радиальными пазами 31 на первой или последней ступенях роторно-пульсационных пар, интенсифицирует гидроакустические процессы в аппарате. На выходе из статоров 13, 14 под действием насосного эффекта основная часть коллоидной системы поступает в выходной патрубок 3, а часть ее перемещается в полости 20 и 21, затем через радиальные отверстия 22 на втулках 15 в полости 18 и 19, из которых измельчаемая дисперсная фаза снова захватывается ротором 11 и направляется на переработку в статоры 13 и 14. Установленные на втулках 15 заслонки в виде поворотных колец 23 с окнами 24 регулируют проток дисперсной фазы поворотом его вокруг оси вращения ротора 11 с помощью валика 25 с зубчатой передачей, тем самым создают в полостях 20 и 21 упругие гидродинамические колебания.
Размещенные внутри втулок 15 полые цилиндры 28 соединены одним торцом с первым венцом ротора 11, а с другого торца цилиндров 28 выполнены пазы 27, последние периодически открывают радиальные отверстия 22 при вращении ротора 11, тем самым создают пульсирующий эффект, которым дополнительно вызывают в
полостях 20 и 21 встречные гидродинамическим колебаниям волновые упругие деформации коллоидной системы, еще более интенсифицируя процесс ее обработки.
2
2
2
2
2
k2
k1
Подведенная мощность N'=30 кВт от вала ротора 11, приводимого во вращение от электродвигателя 4 с крутящим моментом М' и угловой скоростью ω, передается на лопатки 29 ротора 11. Лопатки 29 своими межлопастными каналами образуют совместно с каналами статора проточную часть насоса аппарата. Вследствие гидродинамического взаимодействия лопаток 29 с рабочим телом часть N' от подведенной мощности N' затрачивается на создание полезного напора Н с полезной подачей Q (объемным расходом) продукта через нее и, следовательно, части N~QH полезно используемой, передаваемой продукту секундной механической энергии. Здесь и далее символ ~ означает пропорциональность. Напор Н пропорционален разности параметра циркуляций (средних моментов абсолютной скорости) Г перед и Г на выходе лопаток 29 ротора 11. Таким образом, уравнение баланса подведенной мощности и полезной секундной механической энергии передаваемой продукту имеет следующий общий вид:
k
N'=M'ω, , m=1,
где:
Уравнение (3) эквивалентно выражению
или с использованием уравнения Бернулли для относительного движения потока продукта на участке расположения лопаток 29 ротора 11 и уравнения абсолютного движения, а также с учетом сравнительно малости разностей потенциала внешних массовых сил (сил тяжести) на этих участках
Реактивные моменты определяются из уравнения
ki
В уравнениях (3), (6) циркуляции Г определяются через моменты абсолютной скорости соотношением
k
м
0k
гk
u
ki
ki
ki
ki
ki
u
k,1-3
В выражениях (1)-(7) приняты следующие обозначения: n - число лопаток 29; m - число ступеней; k - индекс номера ступени; ρ - плотность рабочего тела, g - ускорение свободного падения,  - гидравлический коэффициент полезного использования участков проточных частей корпуса 1 вне рядов ступеней лопаток 29, η - механический кпд аппарата, η, η - объемный и гидравлический кпд насоса; a  - расход перетечек вокруг лопаток 29 ротора 11, , где ΔQ - расход перетечек вокруг поверхностей статоров 13, 14; (rυ), p, υ, u, w - осредненные по площадям проточной части корпуса 1, соответственно, момент скорости, давление, модули векторов абсолютной , переносной  (u=ωr, r - радиус точки), относительной  скоростей перед (индекс i=1) и за лопатками 29 ротора 11, т.е. перед лопатками статора i=2), а также за лопатками статора i=3); υ - окружная компонента абсолютной скорости ; ξ - гидравлические потери.
Отводимый продукт имеет приобретенную в результате осуществления изложенного рабочего процесса секундную механическую энергию
Эта энергия, обусловленная гидродинамическими воздействиями и с гидроакустическими воздействиями, связанными с явлениями гидроудара и кавитацией, сопровождающими вращение ротора 11, целиком преобразуется в деформацию продукта и его нагрев, в результате процесс гомогенизации сопровождается пастеризацией или стерилизацией выработанного продукта. Т.е. бесполезные потери тепловой энергии незначительны. Одновременно интенсивное
акустическое воздействие приводит к уничтожению на данном этапе бактерий и микроорганизмов. К гидродинамическим воздействиям, обусловленным неоднородной структурой потоков и различными условиями обтекания частиц, движущихся в узких извилистых каналах аппарата, следует отнести: статические и переменные напряжения в цилиндрических зазорах между ротором 11 и статорами 13, 14, градиенты и пульсации скорости и давления, вызванные периодическим открыванием отверстий 22, турбулентные пульсации от крупно- и мелкомасштабных вихрей, образующихся на обтекаемых поверхностях цилиндров 30, гидродинамические силы, вызванные различным характером обтекания частиц дисперсной среды, кавитацию. Консольный дисбаланс ротора 11 насоса относительно электродвигателя 4 вызывает вибрацию на первой гармонике в осевом и радиальном направлении. Собственная частота колебаний швеллеров 7 рамы с электродвигателем 4 на виброопорах 8, составляет ≈18,5 Гц.
Таким образом, в аппарате происходит поступательный ввод потока сырья через входной патрубок 2, разделение потока на две части (с двух сторон ротора), закручивание их вокруг оси вращения (лопатками 29 ротора 11) и, неоднократное циклическое расширение-сжатие при круговом и радиальном перемещении (через радиальные пазы статоров 13, 14 и кольцевые зазоры между вращающимися лопатками 29 и статорами 13, 14), осуществляемом под действием центробежных сил, с одновременной турбулизацией и образованием гидроакустических и гидродинамических колебаний за счет периодического увеличения-уменьшения гидравлического сопротивления в радиальном направлении (за счет изменения проходного сечения радиальных пазов 31 при перемещении лопаток 29 поперек их сечения), осуществляемого со взаимным смещением по фазе (за счет смещения статоров 13, 14 относительно друг друга) циклов расширения/сжатия указанных частей потока, а также периодическое формирование обратного пульсирующего потока к оси вращения ротора 11, циркулирующего с волновыми упругими деформациями, направленными противоположно гидродинамическим колебаниям основного потока перед его поступлением в выходной патрубок 3.
Поскольку присоединительный фланец 9 корпуса 1 насоса установлен соосно ротору 11, выполнен с длиной, выбранной из условия размещения его соединения с фланцем 5 электродвигателя 4 под кожухом 6, а отверстия для элементов 10 крепления (болтов) электродвигателя 4 выполнены на каждом швеллере 7 на расстоянии между ними меньшем расстояния между виброопорами 8, последние
не допускают передачи через фланцы 5 и 9 на насос резонансных колебаний от электродвигателя 4 и возникновения уровня звука выше допустимого значения (выше 80 дБ). Частота собственных колебаний вала 12 с ротором 11 определяется по результатам обработки осциллограмм. В отношении заявленной конструкции экспериментально установлено отсутствие передачи через фланцы 5 и 9 на насос механических колебаний от электродвигателя 4 и отсутствие явлений резонанса. Прокладки 39 с отверстиями для элементов 10 крепления упрощают обеспечение соосности электродвигателя 4 и ротора 11, а также совместную балансировку насоса с электродвигателем 4, выполненным с короткозамкнутым ротором обдуваемого исполнения, т.е. защищенного от перегрева. Так как защитный кожух 6 выполнен призматической формы с круглым отверстием со стороны насоса 1 и закреплен к каждому швеллеру 7 по внешней стороне одной из его полок, акустические воздействия от вращения электродвигателя 4 направлены в сторону насоса, т.е. обрабатываемой массы, а в остальных направлениях замыкаются на раму (швеллеры 7) и также гасятся виброопорами 8. Все это позволяет одновременно стабилизировать подачу аппарата на заданном уровне.
Таким образом создан эффективный роторно-пульсационный аппарат и расширен арсенал роторно-пульсационных аппаратов.
При этом повышена эффективность переработки бурых водорослей и другого сырья морского происхождения с уменьшением воздействия передаваемых через фланец на насос механических колебаний привода, обеспечением необходимой подачи насоса, повышением надежности и к.п.д., при снижении до допустимого значения уровня звука и обеспечении безопасности работы обслуживающего персонала.