Роторно-импульсный аппарат с разделенным кольцом статора
ROTARY PULSE APPARATUS WITH A DIVIDED STATOR RING

Изобретение относится к кавитационным устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде, порождающих кавитационные пузырьки и обеспечивающие их исчезновение «схлопывание» в различных зонах колец ротора и статора. Кавитационные колебания могут применяться для смешивания, диспергирования, разогрева и ускорения химических реакций в системах «жидкость - жидкость», «жидкость - твердое тело». Изобретение может быть использовано в сельском хозяйстве для приготовления жидких обеззараженных кормов, утилизации отходов сельскохозяйственного производства, в пищевой промышленности, в химической, нефтяной, горнодобывающей и других отраслях промышленности.
Для приготовления тонкодисперсных смесей используя специальные окна вращающегося ротора и окна неподвижного кольца, а в нашем случае кольца, состоящего из 4-х отдельных деталей, необходимо использовать устройство с минимальными, по возможности, зазорами между кольцом ротора и деталями (колодками) кольца статора, которые необходимо удерживать в процессе длительной эксплуатации в кавитационно-абразивных смесях.
С уменьшением зазора между кольцом ротора и колодками кольца статора в прямоугольных плоских отверстиях кольца ротора увеличивается энергия гидравлических ударов за счет более плотного перекрытия отверстий кольца ротора перемычками между отверстиями в колодках, что приводит к усилению кавитационных процессов в плоских щелевых отверстиях ротора.
Возрастающая энергия гидравлического удара в отверстиях ротора обеспечивает более энергичное «схлопывание» кавитационных пузырьков, а это проявляется в повышении температуры и давлений в точках исчезновения кавитационных пузырьков.
Уменьшение протекания жидкости в зазорах между кольцом ротора и колодками кольца статора интенсифицирует скорость протекания жидкости через уступом расширяющиеся отверстия в колодках, что усиливает кавитационные процессы в отверстиях колодок.
Известен роторный пульсационный аппарат, патент России №2694744, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, электродвигатель и др.
Недостатком данного аппарата является то, что конструкцией не предусмотрена регулировка зазора между кольцами ротора и статора. По мере кавитационного и абразивного износа колец ротора и статора зазор между ними увеличивается, а интенсивность кавитации падает.
Известен роторный гидродинамический аппарат, патент России №2600049, содержащий корпус с патрубками подачи и отвода жидкой среды, внутри которого соосно установлены статорный диск, содержащий, по меньшей мере, один концентрический ряд прорезей, и закрепленный на приводном валу роторный диск, содержащий, по меньшей мере, один концентрический ряд прорезей, причем на наружном диаметре роторного диска дополнительно установлено цилиндрическое кольцо, с выполненными в нем сверхзвуковыми соплами.
Недостатками данной конструкции являются:
1. Отсутствие возможности регулировать зазор между кольцами ротора и статора.
2. Сложность изготовления и трудность применения газовых сопел для движения в них жидкостей. Для обеспечения продвижения жидкости через сопло, с большей, чем скорость звука скоростью, необходимо иметь на лопатках ротора очень большое давление.
Известно устройство, патент России на изобретение №2321448, роторный измельчитель-диспергатор, содержащий корпус, внутри которого концентрично расположены полые ротор и статор с радиальными щелями. При этом полость ротора имеет входную часть, образованную входным осевым патрубком, выходную часть с упомянутыми радиальными щелями, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой ротора, и кольцевую среднюю часть, причем торцевая стенка ротора в зоне кольцевой средней части полости ротора, имеет кольцевое углубление и т.д.
Основным недостатком данной конструкции является то, что в ней не предусмотрена возможность регулировки зазора между кольцами ротора и статора.
Известно устройство, патент России №2252826, (прототип) роторно-импульсный аппарат, имеющий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода суспензий и нагнетательным патрубком для отвода обрабатываемых суспензий. Расположенные внутри корпуса ротор в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии и статор с отверстиями, установленный коаксиально ротору с целью интенсификации эмульгирования, диспергирования и ускорения физико-химических процессов, за счет гидродинамической кавитации, отверстия в роторе выполнены в виде плоских прямолинейных труб, а отверстия в статоре в виде уступом расширяющихся прямоугольных плоских труб.
Конструкция плоских отверстий зарекомендовала себя с очень хорошей стороны и полностью соответствует законам гидравлики.
Недостатком данной конструкции является то, что конструкцией аппарата не предусмотрена возможность регулировки зазора между кольцами ротора и статора до минимально возможных.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание роторно-импульсного аппарата, в котором кольцо статора разделено на четыре части, а полученные части (колодки) под действием пружин автоматически прижимаются к наружной поверхности ротора, обеспечивая минимально возможный зазор между кольцом ротора и колодками.
Решение данной задачи повлечет за собой усиление кавитационных явлений, а значит и повышение производительности роторно-импульсного аппарата по нагреву суспензий, по измельчению твердых тел, по осуществлению протекания уникальных химических реакций.
Поставленная задача достигается тем, что в роторно-импульсном аппарате с разделенным кольцом статора, содержащим электродвигатель - 1, станину - 2, заднюю крышку - 3, корпус - 4, переднюю крышку - 6, с выпускным патрубком - 7 и впускным патрубком - 8 (фиг. 1) для подвода и отвода эмульгируемой среды.
Внутри корпуса - 4 концентрично друг другу расположены ротор - 12 (фиг. - 2, 3) на валу электродвигателя и разделенное на четыре части (колодки) кольцо статора - 5 (фиг. 1, 2). Колодки - 5 установлены между направляющими выступами задней крышки - 3, находящимися под пластинами - 9 (фиг. - 2) и ограниченные пластинами -9, прижимаются пружинами к периферийной поверхности кольца ротора - 13 (фиг. - 4) пружинами - 11 (фиг. - 2).
С целью ограничения «отскока» колодки, и увеличения зазора между ротором и Колодками во время гидравлических ударов, в отверстиях ротора, предусмотрены ограничители зазора - 10 (фиг. - 2), препятствующие увеличению зазора между кольцом ротора и колодками.
Все отверстия в кольце ротора выполнены в виде плоских прямолинейных труб. В колодках отверстия выполнены в виде плоских прямолинейных труб, уступом расширяющихся в сторону корпуса. Уступы расположены по ходу вращения ротора.
Работает роторно-импульсный аппарате разделенным кольцом статора следующим образом.
Подлежащая обработке суспензия по выпускному патрубку - 8 направляется во всасывающую полость ротора - 12, далее подхваченная центробежными лопастями ротора она направляется в отверстия кольца ротора - 13. Нагнетательное действие лопастей ротора по направлению совпадает с центробежными силами, воздействующими на обрабатываемую суспензию в полости ротора, и увеличивающими движущую силу, (перепад давлений между полостью ротора и рабочей камерой корпуса), что положительно сказывается на увеличении скорости суспензии. Струя суспензии, протекая по плоскому прямолинейному отверстию подвергается гидравлическому сжатию, а по обе широких стороны сжатой струи образуются водоворотные зоны в которых резко понижается давление с образованием в них кавитационных пузырьков.
В момент перекрытия отверстия в роторе, когда в нем происходит гидравлический удар, под действием резко возросшего давления кавитационные пузырьки интенсивно «схлопываются».
В момент совмещения отверстий ротора и статора суспензия устремляется, под действием кинетической энергии, в отверстия колодок, «прилипает» к стенке и огибает выступ расширяющейся части с образованием зоны кавитации.
При полном совмещение отверстий, а затем и в фазе их перекрытия, суспензия протекает по той же стенке, под действием эффекта Коанда.
Давления, возникающие при «захлопывании» кавитационных пузырьков, находятся в зависимости от гидростатического значения давления. Эту зависимость изучил и рассчитал английский ученый Рэлей.
Где:
0
R - радиус начального значения кавитационного пузырька, мм;
R - конечное значение радиуса кавитационного пузырька, мм;
0
2
Р - гидростатическое давление жидкости, кг/см;
2
P - давление, возникающее в центре «захлопывания» кавитационного пузырька, кг/см;
2
-6
2)
β - сжимаемость жидкости, кг/см (для воды β=50.10 кг/см.
Сделав расчеты мы получаем следующие значения Р:
0
2
2
- при Р=1 кг/см, получаем Р=10 300 кг/см
0
2
2
- при Р=10 кг/см, получаем Р=498 800 кг/см
О пользе постоянного поддержания зазора между кольцом ротора и колодками свидетельствует тот факт, что возросла скорость нагрева, по сравнению с прототипом, увеличилась тонкость помола твердых веществ. Вырос коэффициент преобразования энергии
У прототипа КПД=1,5
В заявляемом роторно-импульсном аппарате с разделенным кольцом статора КПД=2,24.
Применение более усовершенствованной конструкции, по сравнению с «прототипом», позволяет более быстро и с меньшими затратами электрической энергии осуществлять нагрев жидкости и суспензий.
Повышенная плотность кавитации позволяет более эффективно осуществлять обеззараживание любых жидких продуктов, отходов сельскохозяйственных предприятий и др.
2
Данная конструкция может быть изготовлена на любом машиностроительном предприятии умеющим отливать и обрабатывать детали из высокопрочного чугуна ИЧХ - 28Н.
Краткое описание чертежей
1. На фиг. 1 изображены продольный разрез роторно-импульсного аппарата с разделенным кольцом статора и вид на агрегат спереди;
2. На фиг. 2 изображен аппарат со снятой передней крышкой;
3. На фиг. 3 изображен ротор в сборе со стороны всасывающего отверстия и продольный его разрез вид А-А;
4. На фиг. 4 изображены: кольцо ротора слева вид сбоку, а справа кольцо в разрезе, вид В-В;
5. На фиг. 5 изображены: слева колодка вид сверху, справа ее разрез вид А-А.
Список использованной литературы:
1. Патент России №2694744.
2. Патент России №2600049.
3. Патент России №2321448.
4. Патент России №2252826.
5. Т.М. Башта «Машиностроительная гидравлика», М: Машиностроение, 1971 г, стр. 44-49, 118, 349, 375, 379-381, 509-512.
6. Н. Пирсол. «Кавитация», пер. с английского к.т.н. Ю.Ф. Журавлева, М., Мир, 1975 г., стр. 9-20, 22-25, 36-50, 69-89.
7. P.P. Чугаев. «Гидравлика», М., Энергия, Ленинградское отделение, 1971 г., стр. 14-17, 28-33, 64-74, 85-88, 135-140, 163-167, 277-286, 307-312.