Гидроакустический аппарат с модуляцией потока

Полезная модель относится к устройствам для создания гидроакустических колебаний в проточной жидкой или газообразной среде и предназначена для получения тонкодисперсных эмульсий и суспензий с одновременным перемешиванием продукта.
Известна гидродинамическая сирена (Патент РФ №2284229 от 27.09.2006) которая содержит коаксиально установленные цилиндрический статор в виде концентрического акустического резонатора и полый ротор, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной смеси в ротор и выходной патрубок для вывода продукта. Ротор сирены выполнен с числом отверстий, отличным на единицу от числа отверстий статора для реализации бегущей резонансной волны колебаний в резонаторе - прямой относительно направления вращения ротора - в случае на единицу больше и обратной - в случае на единицу меньше, а выходной патрубок расположен по касательной к наружной поверхности статора в направлении бегущей волны.
Недостатком указанного устройства является то, что среды, подлежащие гидроакустической обработке, как правило, не имеют постоянных физических характеристик, таких как плотность, вязкость и др., зависящих, в том числе, и от температуры обрабатываемой среды. Поэтому скважность импульсов, которая определяет эффективность обработки импульсных систем, не может быть постоянной и должна варьироваться в зависимости от изменяющихся условий обработки. Изменение только частоты вращения ротора в этом случае не всегда приводит к положительным результатам.
Другим недостатком представленного устройства является то, что частота создания акустических колебаний ограничивается частотой вращения приводного двигателя ротора, что ограничивает область использования устройства.
Недостатком указанного устройства также является то, что развитая турбулентность, пульсация давления и скорость потока жидкости распространяется строго в радиальном направлении по расположенным на неподвижном статоре сквозным отверстиям, что затрудняет формирование общего направленного потока обработанной среды из аппарата и создает дополнительные гидравлические сопротивления. В этом случае даже формирование бегущей резонансной волны колебаний в резонаторе не эффективно формирует направленный поток жидкости или газа.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность повышения эффективности обработки за счет оптимизации импульсного гидроакустического воздействия на обрабатываемую проточную среду путем регулирования скважности импульсов, расширения диапазона возможных частот колебаний и формирования общего направленного потока обработанной среды из аппарата.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидроакустическом аппарате с модуляцией потока статор имеет возможность независимого вращения и выполнен в виде обоймы плотно сопряженных цилиндров, имеющих возможность независимого поворота относительно друг друга для изменения геометрии сквозных отверстий, при этом на внешней стороне статора равномерно расположены радиальные лопасти произвольного количества динамически уравновешенные.
Гидроакустические аппараты различных видов и модификаций нашли применение в гидромеханических и тепло- массообменных процессах за счет широкого спектра факторов воздействия:
- механическое воздействие на частицы гетерогенной среды, заключающееся в ударных, срезывающих и истирающих нагрузках и контактах с рабочими частями роторного аппарата;
- гидродинамическое воздействие, выражающееся в больших сдвиговых напряжениях в жидкости, развитой турбулентности, пульсациях давления и скорости потока жидкости;
- гидроакустическое воздействие на жидкость осуществляется за счет мелкомасштабных пульсаций давления, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов.
Качественно на работу аппарата влияют такие параметры, как ширина отверстий в роторе и статоре, величина зазора между ротором и статором, перепадом давлений жидкости на модуляторе, периодом модуляции и т.д. Скважность - один из классификационных признаков импульсных систем, определяющий отношение его периода следования (повторения) к длительности импульса. Период следования задается частотой относительного вращения ротора и статора, а длительность - шириной отверстий на статоре.
При вращении ротора гидроакустического аппарата, его отверстия периодически совмещаются с отверстиями статора. Выходя из отверстий статора, жидкость собирается в рабочей камере и выводится через выходной патрубок. В период времени, когда отверстия ротора перекрыты стенкой статора, в полости ротора давление возрастает, а при совмещении отверстия ротора с отверстием статора давление за короткий промежуток времени сбрасывается и в результате этого в отверстие статора распространяется импульс давления.
На фиг. 1 показана схема гидроакустического аппарата. Гидроакустический аппарат состоит из корпуса 1, в котором размещены ротор 2 и статор 3. На корпусе 1 выполнены патрубки 4 для входа обрабатываемой среды в рабочую камеру ротора 2 и выхода 5 обработанной среды после прохождения сквозных отверстий статора 3. Ротор 2 имеет привод вращения от двигателя 6. Статор 3 посредством механической передачи 7 имеет привод вращения от двигателя 8. В роторе 2 и статоре 3 выполнены сквозные отверстия. На внешней цилиндрической стороне статора 3 располагаются равномерно расположенные радиальные лопасти 9 (фиг. 2). Статор 3 выполнен в виде обоймы плотно прилегающих двух цилиндров, имеющих возможность взаимного поворота относительно друг друга для изменения геометрии сквозных отверстий (фиг. 3).
Устройство работает следующим образом. Обрабатываемая среда поступает через патрубок 4 в рабочую камеру ротора 2, откуда под действием внешнего давления и давления центробежных сил она движется через периодически перекрывающиеся сквозные отверстия ротора 2 и отверстия статора 3, образующие модулятор - нелинейное гидравлическое сопротивление потоку обрабатываемой проточной среды. Ротор 2 приводится во вращение посредством двигателя 6. При этом в процессе изменения проходного сечения потока при движении жидкости из сквозных отверстий ротора в сквозные отверстия статора возникают переменные импульсы давления. Статор 3 имеет возможность вращения от двигателя 8 посредством передачи 7. Так для увеличения частоты импульсов статор вращают в противоположном направлении вращению ротора 2. Их относительные частоты вращения в данном случае складывают, что существенно увеличивает технологические возможности аппарата. При смещении обоймы цилиндров статора 3 изменяется геометрия (ширина) его сквозных отверстий, что определяет величину длительности импульса. Кроме того, вращающийся статор 3 с равномерно расположенными на нем радиальными лопастями 9 придает дополнительное вращение потоку обработанной среды и формирует направленное движение последней по спиральной траектории к выходному патрубку 5.
Сравнение заявленного устройства с известными позволяет сделать вывод о достижении нового положительного эффекта, выразившегося в повышении эффективности гидроакустического воздействия на обрабатываемую среду за счет регулирования длительности импульсов, расширения диапазона возможных частот колебаний и формирования общего направленного потока обработанной среды из аппарата.