РОТОРНЫЙ АППАРАТ
ROTARY DEVICE

Область техники
Изобретение относится к технике диспергирования и переработки жидких продуктов, в частности стоков и отходов агропромышленного комплекса, и может быть использовано на городских очистных сооружениях для обеззараживания токсичных отходов, в частности биологического происхождения. Известный уровень техники
Известен роторный аппарат, включающий смесительную камеру, снабженную подводящим и отводящим патрубками и соосно установленными дисками ротора и статора с зубчатыми элементами, размещенными на рабочих поверхностях упомянутых дисков друг против друга по чередующимся концентрическим окружностям (см. авт. свид. СССР №921611, М.кл. B01F 7/26, опубл. 23.04.1982 г.). Зубчатые элементы одного из дисков выполнены со смещением по концентрическим окружностям.
Недостатками известного роторного аппарата являются недостаточная степень диспергирования и обеззараживания обрабатываемого жидкого продукта.
Указанные недостатки обусловлены недостаточной степенью воздействия зубчатых элементов на жидкий продукт, ввиду их низкой линейной скорости, что не приводит к образованию кавитационных зон в смесительной камере. Как известно, образование кавитационных зон в смесительной камере способствует выделению тепла и интенсификации процессов диспергирования и обеззараживания жидкого продукта.
Известен роторный аппарат, принятый в качестве прототипа, включающий электродвигатель и смесительную камеру, снабженную подводящим и отводящим патрубками и соосно установленными дисками ротора и статора с элементами для генерирования процесса кавитации в жидком продукте, заполняющем смесительную камеру, размещенными на рабочих поверхностях упомянутых дисков друг против друга по чередующимся концентрическим окружностям (см. авт. свид. СССР №1181698, М.кл. B01F 7/26, опубл. 30.09.1985 г.). За счет использования элементов для генерирования процесса кавитации, установленных на дисках ротора и статора, обеспечивается определенное гидродинамическое и кавитационное воздействие на жидкий продукт, заполняющий смесительную камеру.
Недостатками известного роторного аппарата являются недостаточная степень диспергирования и обеззараживания обрабатываемого жидкого продукта. Это объясняется тем, что в известном роторном аппарате не обеспечивается необходимое воздействие на обрабатываемый жидкий продукт, ввиду отсутствия зон локального ускорения обрабатываемого жидкого продукта в смесительной камере и недостаточному числу кавитационных зон, образующихся в смесительной камере и интенсифицирующих процессы диспергирования и обеззараживания обрабатываемого жидкого продукта за счет выделения тепла при его обработке в смесительной камере.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание роторного аппарата, обеспечивающего высокую степень диспергирования и обеззараживания жидкого продукта, подаваемого в роторный аппарат, за счет оснащения последнего элементами, обеспечивающими эффективное кавитационное воздействие на жидкий продукт.
i
i
i
i
Для решения поставленной задачи в известном роторном аппарате, включающем электродвигатель и смесительную камеру, снабженную подводящим и отводящим патрубками и соосно установленными дисками ротора и статора с элементами для генерирования процесса кавитации в жидком продукте, заполняющем смесительную камеру, размещенными на рабочих поверхностях упомянутых дисков друг против друга по чередующимся концентрическим окружностям, согласно изобретению, каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, тангенциально установленных на рабочих поверхностях диска ротора на расстоянии (A) и диска статора на расстоянии (A') от оси соответствующего диска, при этом величины (A) и (A') определяются следующими зависимостями:
1
i
1
0,1D≤A<0,55 D,
2
i
2
0,1D≤A'<0,45 D,
где
i
A - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска ротора, мм;
i
A' - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска статора, мм;
1
D - диаметр рабочей поверхности диска ротора, мм;
2
D - диаметр рабочей поверхности диска статора, мм.
i
i
Выполнение каждого элемента для генерирования процесса кавитации в виде сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, при их тангенциальном расположении на рабочей поверхности диска ротора на расстоянии (A), и диска статора на расстоянии (A') от оси соответствующего диска, которые определяются по одной из вышеуказанных зависимостей и образуют на них чередующиеся концентрические окружности, позволяет обеспечить активное гидродинамическое и кавитационное воздействие на жидкий продукт, находящийся в смесительной камере. При вращении ротора движущийся в смесительной камере поток жидкого продукта разбивается на большое количество малых (локальных) потоков, проходящих через сопла Лаваля, что приводит к созданию зон локального ускорения обрабатываемого жидкого продукта. Каждое сопло Лаваля или насадка, подобная соплу Лаваля, содержит сужающийся канал, в котором происходит увеличение скорости истечения жидкого продукта, и образование зоны локального ускорения, и расширяющийся канал, на выходе из которого происходит генерирование процесса кавитации, за счет схлопывания кавитационных пузырьков парогазовой смеси, выделяющейся из жидкого продукта, и возникновения явления гидродинамической кавитации в обрабатываемом жидком продукте, приводящий к выделению значительного количества тепла.
Процесс выделения тепла связан с физическим воздействием поля схлопывающихся кавитационных пузырьков. Выделение тепла происходит в каждом из сопел Лаваля, или насадки, подобной соплу Лаваля, расположенных как на рабочих поверхностях диска ротора, так и на рабочей поверхности диска статора, в результате преобразования потенциальной энергии пузырьков, накопленной ими в стадии роста при вхождении в сопло Лаваля, в кинетическую энергию ударных волн, выделяемую в стадии их схлопывания на выходе из сопла Лаваля. При этом кинетическая энергия ударных волн определяет интенсивность кавитации и величину выделяемого при кавитации тепла.
При таком воздействии роторного аппарата на жидкий продукт происходит его эффективное диспергирование, за счет кинетической энергии ударных волн, которые обеспечивают гидродинамическое воздействие на жидкий продукт, и его обеззараживание, за счет выделения большого количества тепла в рабочем объеме жидкого продукта, заполняющего смесительную камеру.
В частном варианте выполнения роторного аппарата элементы для генерирования процесса кавитации в виде сопел Лаваля и/или насадок, подобных соплам Лаваля, размещенные на рабочих поверхностях диска ротора и/или диска статора, расположены в радиальном направлении.
Это позволяет уравнивать давление жидкости с противоположных сторон диска ротора, что благоприятным образом сказывается на эксплуатационных характеристиках роторного аппарата, в частности, на его надежности.
Техническим преимуществом предложенного изобретения является обеспечение высокой степени диспергирования и обеззараживания жидкого продукта, подаваемого в роторный аппарат, за счет повышения эффективности кавитационного воздействия на жидкий продукт.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на Фиг. 1 изображен общий вид роторного аппарата; на Фиг. 2 - вид A Фиг. 1; на Фиг. 3 - сечение Б-Б Фиг. 1; на Фиг. 4 - сечение В-В Фиг. 1; на Фиг. 5 изображено сопло Лаваля; на Фиг. 6 изображен диск ротора с радиальным расположением элементов для генерирования процесса кавитации; на Фиг. 7 - диск статора с радиальным расположением элементов для генерирования процесса кавитации на рабочей поверхности.
Роторный аппарат содержит электродвигатель 1, смесительную камеру 2 для обрабатываемого жидкого продукта, снабженную подводящим патрубком 3 и отводящим патрубком 4. В смесительной камере 2 соосно установлены диск ротора 5 и диски статора 6 с элементами 7 и 7', соответственно, для генерирования процесса кавитации в обрабатываемом жидком продукте. Элементы 7 размещены на рабочих поверхностях диска ротора 5 по концентрическим окружностям 8, а элементы 7' размещены на рабочих поверхностях дисков статора 6 по концентрическим окружностям 9. При этом элементы 7, размещенные на диске ротора 5, и элементы 7', размещенные на диске статора 6, расположены друг против друга таким образом, что концентрические окружности 8, на которых находятся элементы 7, чередуются с концентрическими окружностями 9, на которых размещены элементы 7', в результате чего в смесительной камере 2 образуются зоны циркуляции жидкого продукта, между элементами 7 и 7', и зоны локального ускорения обрабатываемого жидкого продукта, проходящего непосредственно через полости указанных элементов 7 и 7'.
i
i
i
i
Каждый из элементов 7 и 7' выполнен в виде сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, тангенциально установленных на рабочих поверхностях диска ротора 5 на расстоянии (A) и диска статора 6 на расстоянии (A') от оси соответствующего диска, при этом величины (A) и (A') определяются следующими зависимостями:
1
i
1
0,1D≤A<0,55 D,
2
2
0,1D≤A'i<0,45 D,
где
i
A - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска ротора 5, мм;
i
A' - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска статора 6, мм;
1
D - диаметр рабочей поверхности диска ротора 5, мм;
2
D - диаметр рабочей поверхности диска статора 6, мм.
Каждое сопло Лаваля или насадка, подобная соплу Лаваля, содержит сужающийся канал 10, в котором происходит увеличение скорости движения жидкого продукта и образование зоны локального ускорения, и расширяющийся канал 11, на выходе из которого происходит генерирование процесса кавитации (см. Фиг. 5).
В отдельном варианте выполнения роторного аппарата элементы 7 и 7' для генерирования процесса кавитации в виде сопел Лаваля и/или насадок, подобных соплу Лаваля, которые размещены на рабочих поверхностях диска ротора 5 и/или диска статора 6, расположены в радиальном направлении (см. Фиг. 6 и Фиг. 7).
Роторный аппарат работает следующим образом.
В смесительную камеру 2 через подводящий патрубок 3 подают обрабатываемый жидкий продукт, в частности навоз или отходы животноводческого производства, который заполняет полость смесительной камеры 2. При включении электродвигателя 1 начинает вращаться диск ротора 5, на рабочих поверхностях которого по концентрическим окружностям 8 размещены элементы 7 для генерирования процесса кавитации, выполненные в виде сопел Лаваля, или насадок, подобных соплам Лаваля, относительно дисков статора 6, на рабочих поверхностях которых по концентрическим окружностям 9 размещены элементы 7', которые также выполнены в виде сопел Лаваля или насадок, подобным соплам Лаваля. Вращение ротора 5 за счет сил трения и вязкости обрабатываемого жидкого продукта приводит его во вращение в полости смесительной камеры 2. При этом жидкий продукт, заполняющий полости всех и каждого из сопел Лаваля, подвергается одновременному воздействию как от центробежной силы, возникающей в результате вращения горизонтально расположенного диска ротора 5, так и от гидродинамического воздействия со стороны указанного сопла, в результате чего в сужающемся канале 10 сопла Лаваля происходит увеличение скорости движения жидкого продукта и образование зоны локального ускорения, а на выходе из расширяющегося канала 11 сопла Лаваля происходит генерирование процесса кавитации, за счет схлопывания кавитационных пузырьков и возникает явление гидродинамической кавитации в обрабатываемом жидком продукте, что приводит к выделению значительного количества тепла в рабочем объеме смесительной камеры 2.
Выделение тепла происходит в каждом из сопел Лаваля, и/или в каждой насадке, подобной соплу Лаваля, расположенных как на рабочих поверхностях диска ротора 5, так и на рабочих поверхностях дисков статора 6. Теплообразующий эффект достигается за счет преобразования потенциальной энергии пузырьков парогазовой смеси, которые образуются в жидком продукте при его движении через каждое сопло Лаваля, в кинетическую энергию ударных волн, которые возникают на выходе сопел Лаваля и создают зоны локальной гидродинамической кавитации. Это объясняется тем, что изначально, при вхождении жидкого продукта в сужающийся канал 10, происходит рост давления в жидком продукте и накопление потенциальной энергии в нем, которая потом превращается в кинетическую энергию ударных волн, которые генерируются на выходе из сопла Лаваля, т.е. в расширяющемся канале 11.
Преимуществом заявляемого роторного аппарата является повышение степени перемешивания, гомогенизации и диспергирования обрабатываемого жидкого продукта, при одновременном выделении значительного количества тепла в рабочем объеме смесительной камеры 2. Жидкий продукт, прошедший обработку в рабочем объеме смесительной камеры 2, выводится из нее с помощью отводящего патрубка 4.
Таким образом, явление кавитации, которое воспроизводится в заявленном роторном аппарате, приводит к интенсификации перемешивания жидкого продукта с значительным образованием тепла и достижением эффекта обеззараживания обрабатываемого жидкого продукта.
Пример использования заявляемого роторного аппарата.
В качестве обрабатываемого жидкого продукта использовали жидкие отходы агропромышленного комплекса, в частности животноводческого происхождения, которые имели следующий состав: навоз - 20%, моча скота - 11%, органическая подстилка - 32%, отходы растительных кормов - 13%, вода - остальное. Исходная температура обрабатываемого жидкого продукта, который подавался в роторный аппарат, составляла 15-20°C.
В смесительную камеру 2 через подводящий патрубок 3 подавали указанный жидкий продукт, который заполнял полость смесительной камеры 2. При включении электродвигателя 1, за счет вращения диска ротора 5, жидкий продукт начинал вращаться в полости смесительной камеры 2. Попадая в тангенциально расположенные относительно оси вращения сопла Лаваля, и/или насадки, подобные соплам Лаваля, указанный жидкий продукт измельчался на мелкие составляющие с образованием мелких пузырьков парогазовой смеси, при этом в сужающемся канале 10 сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, парогазовая смесь начинала сжиматься, что приводило к увеличению давления в пузырьках до 0,5-1,2 МПа. Затем, попадая в расширяющийся канал 11 сопла Лаваля, пузырьки парогазовой смеси схлопывались, что приводило к образованию ударной волны и кавитационному измельчению жидкого продукта. Вместе с тем жидкий продукт, заполняющий смесительную камеру 2, нагревался за счет процесса интенсивного тепловыделения в зонах локальной гидродинамической кавитации, температура в которых повышалась до 800-900°C. В результате интенсивного теплообразования в зонах локальной гидродинамической кавитации жидкий продукт в объеме смесительной камеры 2 нагревался до температуры 120-180°C, что обеспечивало его обеззараживание при обработке в роторном аппарате.
3
3
3
3
3
3
4
3
Одновременно с этим происходил процесс перемешивания, гомогенизации и диспергирования обрабатываемого жидкого продукта в роторном аппарате. Температура жидкого продукта после его обработки в роторном аппарате на выходе отводящего патрубка 4 составляла 95-105°C. В результате проведенной обработки жидкого продукта в заявляемом роторном аппарате был получен дисперсный, с размером частиц 25-75 мкм, обеззараженный жидкий продукт, характеризующийся следующими показателями: азот аммонийный - 1703,3 мг/дм, железо общее - 68,6 мг/дм, фосфаты - 395,3 мг/дм, хлориды - 614,2 мг/дм, сульфаты - 160,8 мг/дм, сухой остаток - 12000,0 мг/дм, pH - 9,8, индекс coli-фаги 6×10 в 1 дм.
Полученный жидкий продукт по своему составу может быть использован в качестве органического удобрения.
Технический результат
Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение высокой степени диспергирования и обеззараживания жидкого продукта, подаваемого в роторный аппарат за счет повышения эффективности кавитационного воздействия на жидкий продукт.