СПОСОБ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАБОЧУЮ СРЕДУ И РОТОРНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HYDRODYNAMIC ACTION AT WORKING FLUID AND ROTOR DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к технологиям и химической аппаратуре для активации:
- окислительно-восстановительных реакций в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами диссоциации воды, возникающими в кавитационных пузырьках, возникающих в рабочих камерах, и переходящими в раствор после их схлопывания;
- реакций между растворенными газами и веществами с высокой упругостью пара внутри указанных кавитационных пузырьков;
- цепных реакций в растворе, которые индуцируются не радикальными продуктами расщепления, а каким-либо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости;
- реакций с участием макромолекул (например, деструкция углеводородов).
В химической аппаратуре используются устройства аналогичного назначения, например роторно-пульсационные аппараты - РПА (Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. М.: Машиностроение-1, 2004, стр.71-72; Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа. Теория и практика. М.: Машиностроение, 2001, раздел 7.3 «Основные направления развития и классификация пульсационных аппаратов роторного типа»). Указанные РПА существенно отличаются от заявленного роторного аппарата.
Известен способ получения кавитации, согласно которому в рабочей среде создают два гидродинамических режима, первый из которых обеспечивает кавитацию путем разгона среды до скорости, при которой статическое давление в ней равно давлению насыщенного пара, а второй обеспечивает торможение кавитирующей жидкости путем повышения статического давления до величины прекращения в ней кавитации, причем из среды образуют парные горообразные потоки, в каждом из которых среду одновременно вращают вокруг центральной и кольцевой осей, вращением среды вокруг центральной оси создают в каждом горообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим, а по периферии - второй гидродинамический режим, а вращением жидкости в горообразных потоках вокруг кольцевых осей перемещают среду с периферии во внутреннюю полость и обратно.
(См. патент РФ №2235223, кл. F15D 1/02, 2004 г.)
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что данный способ характеризуется низкой эффективностью.
Известен способ гидродинамического воздействия на рабочую среду, согласно которому среду разделяют на отдельные потоки, закручивают их в вихревых камерах, генерируют в потоках гидроудар и направляют их на объект воздействия, причем для осуществления способа используют шесть вихревых камер, которые циклически перекрывают на выходе таким образом, что каждую камеру за один оборот ротора перекрывают трижды, причем скорость перекрытия обеспечивают достаточной для достижения гидроударов, а отраженные от преграды ударные волны направляют приосевые зоны открытых камер.
(См. патент РФ №2175272, кл. В05В 1/08, 2001 г. - наиболее близкий аналог для способа.)
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что по сравнению с приведенным выше способом он основан не только на организации вращения среды, но и на создании в ней условий для гидроударов, что расширяет область его применения. Однако наличие только одного ротора снижает возможности воздействия на рабочую среду и в случае необходимости обеспечения высокочастотной цикличности генерирования гидроударов ротору необходимо сообщать высокие скорости вращения, что повышает требования к балансировке элементов устройства.
Известен ультразвуковой активатор, содержащий горизонтально расположенный корпус, в котором посредством вертикальных перегородок образованы рабочие камеры, в каждой из которых закреплен статор. В корпусе по его центральной оси горизонтально установлен приводной вал, на котором закреплены роторы, каждый из которых расположен в одной из камер корпуса.
Каждый ротор представляет собой рабочее колесо центробежного насоса, на выходе которого закреплено кольцо с отверстиями для прохода рабочей среды.
Каждый статор представляет собой кольцо с отверстиями для прохода рабочей среды.
Рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров. Форма диффузоров определяется исходя из интенсивности ультразвукового излучения, которую необходимо получить. Для обеспечения работы активатора рабочую среду через входной патрубок подают в полость корпуса и последовательно пропускают через все его камеры и отводят через выходной патрубок. Роторы при этом вращаются совместно с приводным валом. При прохождении через каждый ротор среда приобретает определенное количество кинетической энергии, которая частично превращается в энергию упругих колебаний среды. Оставшаяся часть кинетической энергии посредством диффузоров преобразуется в потенциальную энергию статического давления. Время обработки среды определяется временем ее прохождения через все рабочие камеры.
(См. патент РФ №2085273, кл. B01F 7/00, 1997 г.)
В результате анализа конструкции известного активатора необходимо отметить, что она имеет невысокий КПД, обусловленный потерями давления на перфорации кольца на выходе центробежного насоса, причем КПД активатора тем ниже, чем большее число рабочих камер в нем имеется. Процесс регулирования данного активатора очень сложен и трудоемок, активатор также характеризуется высокой металлоемкостью и значительными габаритами. Горизонтальное расположение вала и опор роторов затрудняет балансировку вращающихся элементов активатора, особенно при высоких скоростях вращения.
Известен роторный кавитационный аппарат, содержащий корпус, образующий рабочую камеру и имеющий входной и выходной патрубки. В корпусе на приводном валу установлены первый диск ротора с радиальными каналами, первый диск статора с прорезями и проточками, второй диск ротора с радиальными лопастями и проточками, второй диск статора с прорезями, керном и проточками.
В процессе работы аппарата первый ротор нагнетает рабочую среду в объем рабочей камеры. Первый диск статора, который представляет собой направляющий диск осевого колеса, предотвращает закручивание обрабатываемой среды. Вращающийся между статорами второй диск ротора своими лопастями рассекает набегающий поток среды.
Возникающие при этом разрывные напряжения значительно превышают предел прочности жидкости, которая дробится с образованием большого количества кавитационных пузырьков, которые схлопываются в зазоре между вторым ротором и статорами. Мощные кавитационные эффекты, возникающие при схлопывании, активируют соответствующие физико-химические процессы в рабочей среде.
(См. патент РФ №2174045, кл. B01F 7/00, 1999 г.)
В результате анализа конструкции известного роторного кавитационного аппарата необходимо отметить, что он обладает значительно меньшими габаритами, нежели отмеченное выше устройство, имеет только одну рабочую камеру, следовательно, менее металлоемок. Однако горизонтально расположенная ось затрудняет балансировку аппарата и ограничивает скорость вращения роторов, что значительно удорожает конструкцию. Кроме того, зона кавитации в известном аппарате не локализована, что также значительно снижает эффективность работы аппарата.
Известен кавитационно-вихревой теплогенератор, содержащий корпус с подводящими и отводящими патрубками.
В корпусе смонтированы состоящий из двух кольцевых перфорированных сквозными отверстиями дисков статор и два соосных ротора, установленных между дисками статора с зазором относительно друг друга и дисков статора. Роторы смонтированы на валах, имеющих самостоятельный привод, с возможностью вращения в противоположных направлениях.
Каждый из роторов выполнен в виде ступенчатого диска с утолщенной центральной частью и утонченной периферийной. Кольцевые диски статора установлены в корпусе коаксиально относительно выступов центральных частей ротора, на внешней плоскости центральной части которых имеются радиально направленные лопасти, закрытые кольцевой пластиной, образуя вихревой насос.
В процессе работы теплогенератора жидкость за счет разрежения, создаваемого вихревым насосом, из подающих патрубков поступает в межлопастное пространство, где происходит первичное энергетическое возбуждение молекулярных структур жидкости за счет возникновения локальных областей завихрения, зон кавитации и, как следствие, первый этап нагрева.
Затем жидкость поступает в полость перед перфорациями дисков статоров, где происходит торможение жидкости и ее избыточное давление, что также приводит к выделению энергии.
Далее жидкость пульсирующим потоком проходит через перфорации статора и ротора, в результате чего возникает первичное вихревое поле, способствующее дополнительному разогреву жидкости. Проходя между роторами, жидкость приобретает свое ориентированное вращательное движение. Здесь образуется множество «вихревых шнуров торнадо», в которых молекулярные структуры жидкости подвержены воздействию возмущающих факторов, которые приводят к выделению большого количества энергии, направленной в генераторе на нагрев жидкости.
(См. патент РФ №2269075, кл. F24J 3/00, 2006 г. - наиболее близкий аналог для устройства (роторного аппарата).)
В результате анализа конструкции известного теплогенератора необходимо отметить, что в данной конструкции независимые приводы вращения роторов неоправданно дороги, а горизонтально расположенным валам присущи все недостатки, описанные выше.
Весьма сложно обеспечить соосность валов роторов. Зона кавитации жидкости не локализована, что повышает нагрузку на роторы и может привести к их разрушению.
Задачей настоящей группы изобретений является разработка способа гидродинамического воздействия на рабочую среду и роторного аппарата, обеспечивающих эффективное гидродинамическое воздействие на широкий спектр рабочих сред, но в то же время достаточно простых и удобных в осуществлении.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе гидродинамического воздействия на рабочую среду, согласно которому разделяют поток рабочей среды на отдельные потоки, закручивают их, инициируют в закрученных потоках гидроудар и объединяют их в общий поток, новым является то, что в процессе закручивания потоков им сообщают орбитальное вращение относительно общей оси, а на смешивание каждый поток подают дискретными порциями, в каждой из которых перед смешиванием их в общий поток инициируют удар.
Роторный аппарат, предназначенный для осуществления способа, содержит полый корпус с впускным и выпускным патрубками и смонтированный в корпусе роторный блок, в роторном аппарате новым является то, что роторный блок выполнен, как минимум, в виде одной пары роторов, обращенных торцами друг к другу, на одном из которых (ротор-активатор) имеются рабочие камеры с завихрителями рабочей среды и кольцевая камера, сообщающаяся с рабочими камерами, а на другом роторе (ротор-генератор) имеются отсекатели выхода рабочей среды из рабочих камер и каналы, имеющие возможность сообщения с выходами рабочих камер ротора-активатора, при этом:
- сопла роторов-генераторов могут быть развернуты в плоскости вращения от касательной к окружности в каждой точке в сторону касательной, проведенной к выходным срезам их;
- пара роторов может быть смонтирована на общей опоре;
- опора может быть выполнена в виде закрепленной концами в корпусе оси, а роторы смонтированы на оси с возможностью вращения;
- опора может быть выполнена в виде вала, смонтированного с корпусе с возможностью вращения посредством привода, один из роторов пары закреплен на валу, а другой посажен на вал с возможностью вращения;
- в опоре может быть выполнена полость, сообщающаяся с входными каналами ротора-активатора, а впускной патрубок подсоединен к упомянутой выше полости;
- на нижней плоскости ротора-активатора по его периферии могут быть установлены лопатки, охватывающие ротор-генератор;
- каналы ротора-генератора могут быть выполнены криволинейной пространственной формы с выходом на образующую ротора, а отсекателями являются образованные между каналами выступы;
- на выступах ротора-генератора по его образующей могут быть установлены щитки, образующие совместно с внешней поверхностью данного ротора сопла.
При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленной группе изобретений, а следовательно, заявленные способ и роторный аппарат соответствуют условию охраноспособности «новизна».
Сущность заявленной группы изобретений не следует явным образом из решений, известных из уровня техники, а следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию охраноспособности «изобретательский уровень».
Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления заявленных способа и роторного аппарата.
Сущность заявленной группы изобретений поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 - роторный аппарат с верхней подачей рабочей среды, осевой разрез;
на фиг.2 - роторный аппарат, вид сверху;
на фиг.3 - разрез А-А по фиг.1;
на фиг.4 - разрез Б-Б по фиг.2;
на фиг.5 - роторный аппарат с нижней подачей рабочей среды, осевой разрез;
на фиг.6 - разрез В-В по фиг.5;
на фиг.7 - установка, иллюстрирующая пример реализации способа.
Роторный аппарат выполнен в виде цилиндрического корпуса 1 с одной 2 или двумя 2 и 3 крышками по его торцам. По центральной оси корпуса 1 установлена опора 4.
Для подачи и отвода рабочей среды в полость корпуса и из полости корпуса предназначены впускной 5 и выпускной 6 патрубки. В зависимости от исполнения роторного аппарата впускной патрубок может быть расположен на верхней части аппарата, а выпускной - на нижней (фиг.1) или наоборот (фиг.5). Патрубки могут быть размещены на корпусе и/или на крышке (крышках). На фиг.5 показано исполнение аппарата, в котором впускной патрубок подведен в полости 7, нижней части опоры 4. Опора 4 может быть закреплена в полости корпуса 1 (выполнена в виде оси) или установлена с возможностью вращения (выполнена в виде вала) посредством привода (не показан). При вертикальном расположении опоры ее нижний конец наиболее целесообразно размещать в подпятнике, установленном на корпусе или нижней крышке.
В корпусе 1 размещен роторный блок, выполненный в виде, как минимум, одной пары роторов 8 и 9, посаженных на опору 4. Роторы обращены друг к другу своими торцами.
Ротор 8 выполнен в виде тела вращения с расположенными на его периферии рабочими камерами 10. Количество камер может быть различным и определяется, в основном, размерами роторного аппарата, а также требованиями к заданию закона воздействия на рабочую среду. Так, на фиг.3 показано шесть выполненных в роторе 8 камер, что, естественно, не означает, что их количество не может быть иным. К рабочим камерам ротора 8 тангенциально подведены каналы 11, сообщающиеся с полостью корпуса 1 и служащие завихрителями рабочей среды. В рабочих камерах ротора 8 размещены патрубки 12, связывающие рабочие камеры с кольцевой камерой 13, выполненной в верхней части ротора 8.
По нижнему срезу ротора 8 имеется кольцевой выступ 14 с уплотнением (не показано), предотвращающим проникновение рабочей среды между внутренней стенкой корпуса 1 и наружным (внешним) контуром ротора 8.
На нижней плоскости ротора 8 по его периферии расположены лопатки 15, охватывающие ротор 9. Ротор 9 имеет отсекатели 16 и каналы 17. Форма и количество отсекателей и каналов может быть различной. Так, каналы могут быть выполнены в виде отверстий, а отсекателем подачи рабочей среды в данном случае является тело ротора 9. Так, на фиг.4 каналы выполнены криволинейной пространственной формы открытыми (выходящими на торец ротора), а отсекателями является тело ротора 9 между его каналами. Каналы и отсекатели могут быть выполнены на роторе 9 с равным шагом, но это не обязательно. На образующей каждого (или нескольких) отсекателя(ей) может быть установлен щиток (щитки) 18, формирующий(е) выходное сопло каналов 17. Наиболее целесообразно, чтобы сопла ротора-генератора были развернуты в плоскости его вращения от касательной к окружности в каждой точке в сторону касательной, проведенной к выходным срезам их. Это сокращает потери энергии рабочей среды на выходе из сопла.
По своим функциям, выполняемым в процессе работы роторного аппарата, ротор 8 является ротором-активатором (активирует проходящую через него рабочую среду), а ротор 9 - ротором-генератором (генерирует ударные импульсы).
Количество пар роторов (8 и 9), размещаемых в корпусе 1, может быть различным и зависит от вида рабочей среды и требований к ее характеристикам, определяющим степень воздействия на нее. Так, например, на фиг.1 и 5 показаны роторные аппараты с четырьмя парами роторов.
Как уже отмечалось выше, в качестве опоры 4 для монтажа роторов 8 и 9 могут быть использованы ось или вал. Ось может быть закреплена в корпусе 1 по его центральной оси, а роторы 8 и 9 посажены на ось с возможностью вращения. Наиболее целесообразно вращение роторов 8 и 9 осуществлять в противоположных направлениях, которое обеспечивается воздействием рабочей среды на расположенные определенным образом элементы роторов (каналы 10, 17, лопатки 15). Расчет геометрии и количества элементов 10, 15, 17 для обеспечения заданного режима функционирования роторного аппарата осуществляется по известным для специалистов методикам. В данном случае отпадает необходимость в использовании привода вращения вала и роторов.
При выполнении опоры в виде вала последний может быть снабжен приводом его вращения. В данном случае один из роторов закреплен на валу, а другой посажен на вал с возможностью вращения относительно вала. Привод вращения вала, как правило, выполняют регулируемым по частоте вращения. Такая установка роторов на валу позволяет существенно расширить диапазон регулирования (который к тому же может меняться в процессе работы) работы роторного аппарата, который уже не зависит от скорости прокачки через роторы рабочей среды. Привод вращения ротора необходим при работе с вязкими рабочими средами.
Еще более может быть расширена область применения заявленной группы изобретений, если каждый ротор закреплен на отдельном валу, каждый из которых оснащен самостоятельным регулируемым приводом вращения. Валы в данном случае устанавливают соосно друг другу.
Корпус может быть установлен на опорах 19.
При подведении рабочей среды через впускной патрубок в полость 7 опоры 4, которая может быть установлена на подпятнике 20, его полость 7 через щели 21 связана с каналом 11 ротора 8.
Роторный аппарат реализует заявленный способ при своем функционировании следующим образом.
Работу роторного аппарата и реализацию при его функционировании заявленного способа рассмотрим на примере выполнения аппарата с роторным блоком из одной пары роторов. Аппараты с большим количеством пар роторов работают аналогичным образом с последовательным прохождением рабочей среды через все пары роторов к выпускному патрубку.
Рабочая среда через впускной патрубок 5 подается в полость корпуса 1 и по каналам 11 под давлением поступает в рабочие камеры 10 ротора 8. Учитывая, что каналы 11 расположены тангенциально по отношению к стенкам рабочих камер 10, потоки закручиваются в камерах, а реактивная сила рабочей среды раскручивает ротор 8. В случае если подача рабочей среды осуществляется через полость 7 опоры 4, среда поступает в рабочие камеры 10 ротора 8 через щели 21 и каналы 11. Каналы 11 разделяют поток рабочей среды на отдельные потоки, которые благодаря тангенциальному расположению патрубков по отношению к поверхности камер 10, структурируются (раскручиваются) в камерах 10 в виде кольцевого закрученного потока. При закручивании потока рабочей среды в камере 10 на него воздействуют резкие пульсации давления, сдвиговые напряжения в зоне разрыва сплошности, в результате чего образуются многочисленные кавитационные каверны, схлопывание которых приводит к генерированию в каждом потоке ультразвуковых колебаний.
В процессе закручивания потоков рабочей среды в камерах 10 ротор 8 вращается относительно центральной оси аппарата на опоре 4 или вместе с ней (если он закреплен на ней). Это приводит к тому, что закрученным в рабочих камерах в кольца потокам рабочей среды дополнительно сообщается орбитальное вращение относительно центральной оси. Это способствует увеличению степени закрутки рабочей среды в рабочих камерах. В процессе вращения ротора 8 выходы его рабочих камер 10 периодически (циклически) перекрываются отсекателями 16 или сообщаются с каналами 17 ротора 9. При перекрывании выхода какой-либо рабочей камеры 10 отсекателем ротора 9 отраженная от отсекателя рабочая среда из рабочей камеры через патрубки 12 направляется в кольцевую камеру 13 ротора 8 и в сообщающиеся с ней рабочие камеры 10.
При сообщении выхода какой-либо рабочей камеры 10 с каналом 17 рабочая среда по каналу отводится из данной рабочей камеры ротора 8 и под давлением перемещается по каналу 17. Форма каналов 17 и щитков 18 выбрана такой, чтобы обеспечить истечение рабочей среды из канала тангенциально образующей ротора 9. Под действием сил реакции истекающих из каналов 17 потоков рабочей среды ротор 9 приобретает вращательный момент. Одновременно истекающие из каналов 17 потоки рабочей среды взаимодействуют (ударяются) с лопатками 15 ротора 8, сообщая ему дополнительное вращение (положительная обратная гидравлическая связь).
Наиболее целесообразно геометрию взаимодействующих с рабочей средой элементов роторов 8 и 9 подбирать такой, чтобы обеспечить вращение роторов пары в противоположных направлениях.
Работа пары роторов 8 и 9 роторного блока принципиально не меняется, если один из роторов скреплен с опорой 4 и вращается вместе с ней от привода вращения опоры. Такая схема роторного аппарата используется, как правило, при работе с вязкими рабочими средами.
Таким образом, в результате вращения роторов 8 и 9 выходы рабочих камер 10 ротора 8 циклически перекрываются отсекателями ротора 9, в результате чего в потоке рабочей среды возникает гидроудар и ударные волны через патрубки 12 и кольцевую камеру 13 перепускаются в те рабочие камеры 10, которые в данный момент сообщаются с каналами 17 ротора 9. Перепуск ударных волн в приосевые зоны открытых в данный момент рабочих камер 10 ротора 8 происходит сонаправленно вектору осевой скорости закрученных потоков, в результате чего обеспечивается интенсивное гидродинамическое воздействие на рабочую среду, так как происходит скачок давления в короткий промежуток времени. При этом в центральных областях рабочих камер и на входе рабочей среды в каналы 17 чередуются фазы возникновения и коллапса кавитационных пузырьков. Пузырьки возникают в зонах пониженного давления рабочей среды, когда давление насыщенного пара оказывается выше, чем локальная величина давления в рабочей среде. По каналам 17 рабочая среда перемещается по криволинейной траектории: во-первых, она вращается вместе с ротором 9 относительно оси вращения ротора 9, а во-вторых, она совершает осевое перемещение в направлении сопел.
Из каналов 17 через сопла потоки рабочей среды направляются на лопатки 15 ротора 8. В результате рабочая среда получает дополнительно энергию удара о лопатки 15, а лопаткам сообщается импульс, ускоряющий вращение ротора-активатора.
После отражения от лопаток 15 потоки рабочей среды смешиваются в единый поток, который направляют либо в выпускной патрубок (если роторный блок роторного аппарата содержит только одну пару роторов), либо во входные каналы ротора-активатора следующей пары роторов (если роторный блок роторного аппарата содержит несколько пар роторов), где цикл гидродинамического воздействия на рабочую среду повторяется аналогично описанному выше.
В результате многоступенчатого воздействия на рабочую среду при прохождении ее через роторный аппарат происходят ее структурные изменения и активизируются физико-химические процессы, протекающие в ней.
Сущность заявленного способа будет более ясна из приведенного ниже примера.
Пример реализации способа рассмотрим на примере функционирования установки для получения топлива, в которую встроен роторный аппарат описанной выше конструкции и обозначенный на фиг.7 позицией 22, и содержащей также теплообменники 23, разделитель 24 фаз рабочей среды, эжектор 25, ректификационную колонну 26. Данные агрегаты установки соединены магистралями 27 согласно показанному на фиг.7.
В качестве рабочей среды используется вода, содержащая соли щелочноземельных металлов, в которую в роторном аппарате добавляется газ (природный или коксовый).
2
Рабочая среда прокачивается через роторный аппарат 22, где на нее оказывается волновое и кавитационное воздействие, механизм которого уже описан в данной заявке. В активированной в роторном аппарате гетерогенной системе рабочей среды инициируются экзотермические реакции синтеза высших углеводородов, то есть в результате дискретно-импульсного гидродинамического воздействия на рабочую среду в аппарате 22 изменяются ее физико-химические параметры, а также обеспечивается максимальное увеличение площади контакта рабочей среды с газовым компонентом (при кавитации за одну секунду образуется до 10 тысяч пузырьков в кубическом сантиметре). Скорость схлопывания пузырьков составляет порядка километра в секунду. При переходе через фронт ударной волны среда нагревается в М раз (где М - число Маха). После того как ударная волна достигнет центра пузырька, она «отражается», то есть начинает двигаться в обратном направлении. В результате через данную точку среды ударная волна проходит дважды, что значительно повышает степень активации и температуру рабочей среды. (Выделение тепла происходит примерно в количестве 388-430 кДж/моль прореагировавшего газа.) Из роторного аппарата 22 активированная рабочая среда подается в теплообменник 23. После отбора тепла в теплообменнике 23 активированная рабочая среда (продукты синтеза и непрореагировавший газ) подается в разделитель 24, откуда непрореагировавший газ через эжектор 25 подается снова в роторный аппарат 22, а высшие углеводороды через второй теплообменник 23 направляют в ректификационную колонну 26 на дальнейшую переработку для получения синтетического топлива.