РОТОРНЫЙ, УНИВЕРСАЛЬНЫЙ, КАВИТАЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР-ДИСПЕРГАТОР
ROTOR UNIVERSAL CAVITATION GENERATOR-DISPERSER

Область техники
Изобретение относится к устройствам для генерации колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано в химической, нефтяной, машиностроительной, пищевой отраслях промышленности, сельском хозяйстве для приготовления кормов высокого качества и хорошей усвояемости и обеззараживания различных отходов, для приготовления продуктов питания в экстремальных условиях.
2
3
Известен патент «SU» (№1694196 от 30.11.1991 года) «кавитационный реактор», содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода, внутри которого размещены вал и кавитаторы, выполненные в виде лопастей клиновидной формы, размещенных на торцевой поверхности диска. При этом передние по направлению вращения поверхности кавитаторов расположены на поверхности, соответствующей рабочей поверхности лопатки центробежного насоса. В процессе работы реактора в хвостовой части лопастей образуются пузырьковые каверны, которые отрываются от лопастей и «схлопываются» в перемешиваемом материале, в результате чего, в локальных микрообластях возникают интенсивные пульсации давления (до 10-10 МПа).
Недостатками известного изобретения являются:
- недостаточно интенсивное образование кавитационных пузырьков;
- отсутствие зон повышенного давления, в которых происходило бы гарантированное интенсивное схлопывание кавитационных пузырьков.
Известно изобретение (авторское свидетельство №1586759 от 10.08.1996 года) «роторный аппарат гидродарного действия», содержащий корпус, внутри которого концентрично установлены ротор с каналами переменного сечения и лопастями, и статор с отверстиями в боковых стенках, причем каналы ротора выполнены плавно изогнутыми и расположены азимутально к оси ротора, при этом стенки каналов выполнены в виде резонаторов и размещены между лопастями ступенчато. Подготовленная однородная суспензия, например, состоящая из шлака и воды в соотношении 1:2, через входной патрубок поступает в свободное пространство ротора. С помощью выступающих изогнутых лопастей суспензия разгоняется и способствует лучшему распределению гетерогенного гидродинамического потока. Каналы настроены на различную частоту колебаний. По мере продвижения гидродинамического потока по каналам ротора его скорость увеличивается, достигая максимума на выходе из ротора. Периодическое, повторяющееся перекрывание каналов ротора перемычками статора создает высокоградиентные импульсы давления, амплитуда которых значительно усиливается в каналах статора. Возникающие давления передаются на твердые частицы измельчаемого материала.
Недостатками известного устройства являются:
- каналы ротора выполнены не в соответствии с законами гидродинамической кавитации, сужающиеся отверстия ротора мало соответствуют задачам возникновения кавитационных пузырьков в роторе;
- форма отверстий статора могла бы быть внезапно расширяющейся;
- концентричное расположение ротора и статора не способствует стабильной работе аппарата, по мере увеличения зазора между ротором и статором, от абразивного и кавитационного износа, эффективность измельчения резко падает.
Известно изобретение (патент России №2261621 от 10.10.2005 года) «Способ приготовления кормов и установка для его осуществления», включающее камеру с входными и выходными патрубками, в которой установлены статор и ротор, соединенный с приводом, входной и выходной патрубки, причем ротор снабжен большими тангенциально равномерно расположенными лопастями, делящими его на сектора, в которых по периферии расположены малые криволинейные радиальные лопасти, причем как большие, так и малые лопасти имеют разную высоту, увеличивающуюся от центра ротора к его периферии, и образуют каналы переменного сечения, а статор снабжен каналами в виде сопел, которые расположены радиально и равномерно по его окружности.
Недостатками известного устройства являются:
- форма каналов могла бы быть в виде насадков Вентури для того, чтобы в каждом канале возникала водоворотная зона с пониженным давлением, где образующиеся в большом количестве кавитационные пузырьки охлопывались бы во время перекрытия канала ротора перегородкой статора;
- форма каналов статора, с точки зрения гидродинамической кавитации, могла бы быть в виде насадков Борда (Чугаев P.P. Гидравлика, 1971. - С.135-136, 307-311);
- концентричное расположение ротора и статора не способствует стабильной и продолжительной работе установки, так как увеличение зазора между ротором и статором от абразивного и кавитационного износа способствует резкому снижению эффективности измельчения зерна, нагреву корма, а главное, снижению кавитационного обеззараживания корма.
Известно изобретение (патент России №2185898 от 27.07.2002 года) «Устройство для физико-химической обработки жидких сред», содержащее аксиально расположенные ротор и статор, имеющие отверстия на рабочих поверхностях. Между цилиндрической частью ротора и внутренней поверхностью корпуса установлена съемная втулка, образующая подшипник скольжения, торцевой частью контактирующая со статором, поджатым крышкой, при этом ротор наделен дополнительными отверстиями. (Прототип).
Достоинство изобретения:
- аксиальное расположение отверстий в роторе и статоре, что позволяет регулировать по мере износа зазор между ротором и статором, а также имеется возможность автоматически регулировать указанный зазор.
Недостатки изобретения:
- устройство предназначено для физико-химической обработки только жидких сред;
- не отражена форма отверстий, ответственных за возникновение кавитационных пузырьков;
- зазор между ротором и статором регулируется длиной распорной втулки, которая должна уменьшаться по мере износа рабочих поверхностей.
Известно изобретение (патент России №2203738 от 10.05.2003 года) «Способ измельчения труднообогатимых руд и кавитационный диспергатор для его осуществления».
Кавитационный диспергатор, содержащий корпус, внутри которого установлены ротор и статор со щелями в боковых стенках и рабочую камеру, снабженную регулируемыми по частоте колебаний резонаторами, закрепленными в рабочей камере соосно со щелями статора. Щели в роторе выполнены в виде дозвуковых сопл, сужающихся в сторону статора, а щели статора выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности, при этом количество щелей в роторе и статоре неодинаково.
Достоинство изобретения:
- возможность использования резонансных колебаний для измельчения горных пород.
Недостатки изобретения:
- концентричное расположение концов ротора и статора способствует быстрому увеличению зазора между ними, что ведет к понижению кавитационных процессов, снижению давления от гидравлического удара, а значит и снижению эффективности диспергатора;
- установка резонаторов в камере в условиях гидравлических ударов и протекания высокоабразивного потока через камеры резонаторов способствует их повышенному износу. Подобная конструкция пригодна только для лабораторных установок;
- дозвуковые профили сопл предназначены для протекания газовых сред, а не пульп горных пород;
- сложность и небольшая эффективность форм отверстий ротора и статора, с точки зрения образования гидродинамической кавитации.
Известно изобретение (патент России №2096694 от 20.11.1997 года) «Теплогенератор струйного действия» (прототип), содержащий входное сопло и выходной патрубок, камеру нагрева, цилиндрическую камеру смешения. Причем камера нагрева выполнена в форме «тора», образованного входной и выходной чашами, сообщенными соответственно с входным соплом и выходным патрубком. В выходной чаше установлен конус дополнительного сопротивления.
Недостатками известного изобретения являются:
- большая часть потока жидкости проходит транзитом через теплогенератор без участия в преобразовании кинетической энергии струи жидкости в тепловую энергию;
- для работы теплогенератора необходимо иметь насос для прокачки жидкости через теплогенератор;
- отсутствие возможности диспергировать жидкости с малым содержанием механических примесей из-за притупления острых кромок и снижения эффективности теплогенератора.
Известно изобретение (патент России №2336470 от 20.10.2008 года) «Теплогенератор ударно-вихревого типа», содержащий входное сопло, чаши с полуторовыми полостями, камеру смешения и разделения, диффузоры. Кроме того, теплогенератор снабжен дополнительным входным соплом, размещенным напротив первого и отделенным от него камерой разделения и смешения, связанной с полуторовыми полостями прямоугольными окнами.
Во входных соплах и полуторовых полостях установлены завихрители с противоположным направлением закручивания. Два диффузора размещены на общей оси, на одной из чаш со смещением 90° относительно завихрителей, установленных в полуторовых полостях, и соединены с полуторовыми полостями.
Установка в полуторовых полостях на выходе из камеры разделения и смешения завихрителей по принципу, описанному выше, обусловлена теми же причинами. При выходе из обеих сторон камеры разделения и смешения образуются встречные спиралеобразные разнонаправленные потоки, при ударном столкновении которых происходит эффективный нагрев жидкости.
Недостатками известного изобретения являются:
- для работы теплогенератора необходимо иметь насос, который подавал бы жидкость в сопла и прокачивал бы жидкость по системе нагрева;
- нагрев жидкости большей частью происходит за счет столкновения двух противоположно закрученных потоков, а не за счет организации образования и «схлопывания» кавитационных пузырьков.
Известно изобретение кавитационный реактор (патент России №2377475 от 27.12.2009 года), содержащий корпус, имеющий полостную структуру с патрубками подвода и отвода жидкости. Размещенные в полостной структуре корпуса параллельно статор и ротор имеют совмещаемые при вращении ротора отверстия для прохода жидкости, статор соединен с корпусом, а ротор выполнен в виде центробежного колеса и закреплен на вращающемся валу. Кроме того, на валу ротора установлена косая шайба, имеющая возможность изменять наклон относительно вертикальной плоскости.
Генерация тепловой энергии в кавитационном реакторе происходит за счет пульсации жидкости в отверстиях ротора и статора, а также за счет колебаний косой шайбы в нагреваемой жидкости.
Недостатками известного кавитационного реактора являются:
- в кавитационном реакторе много усилий тратится на образование кавитационных пузырьков, в чем достигнут определенный прогресс, но вторая фаза жизни кавитационных пузырьков - «схлопывание» - протекает вяло, без организации резких всплесков давлений, обеспечивающих гарантированное и интенсивное схлопывание кавитационных пузырьков с ударными волнами от забросов давлений и всплесками температур в точках их исчезновения;
- кавитационный реактор, по исполнению, предназначен только для нагрева жидкости.
Известен генератор кавитационных процессов (патент России №2354461 от 10.05.2009 года), включающий корпус с входными и выходными патрубками, расположенный внутри корпуса ротор в виде диска с рабочими лопастями, установленными в радиальном направлении. Кроме того, на цилиндрической поверхности ротора выполнены дугообразные выемки, а рабочие лопасти ротора выполнены в виде подпружиненных пластин, размещенных в стаканах, которые установлены в радиально направленных прорезях диска ротора.
Корпус генератора представлен в виде кожуха, стенки которого выполнены с поочередно чередующимися цилиндрическими и прямыми поверхностями, образующими с наружной цилиндрической поверхностью диска ротора рабочую камеру с различными по длине камеры сечениями. В зоне границы прямой и цилиндрической поверхностей корпуса установлены силовые излучатели.
Недостатками известного генератора кавитационных процессов являются:
- заложенная в конструкции форма поверхностей корпуса такова, что каждая лопасть ротора за его один оборот должна пройти 4 участка с цилиндрической поверхностью и 4 участка с дугообразными выемками, а находящаяся под лопастью пружина должна обеспечить прохождение лопаткой этого сложного профиля. При вращении ротора с числом оборотов 1440 об/мин ротор в одну секунду должен делать 24 об/с, а так как лопатка должна за один оборот преодолеть 4 дугообразных выемки, то число колебаний пластины составит: 24 об/с*4 = 96 колебаний/с = 96 Гц.
А если учесть, что каждая лопасть еще соударяется с перекрывателем, то добавится еще 24 колебания лопасти: 96+24=120 колебаний в секунду, что возможно при наличии безынерционных лопастей ротора;
- наличие силовых излучателей в виде свечей зажигания, которые вроде бы должны инициировать в жидкости эффект Юткина, потребуют наличие высоковольтного оборудования, а также беспрецедентных мер безопасности при обслуживании данного генератора. Самое печальное заключается в том, что энергия, расходуемая на образование кавитации в эффекте Юткина, на порядок выше, чем, например, в гидродинамической кавитации.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание универсального роторного кавитационного генератора-диспергатора, в котором обрабатываемая жидкость, кормовая суспензия, кости птиц и животных в воде, приготавливаемое хлебное тесто самостоятельно прокачивалось, причем конструкция генератора-диспергатора позволяла бы устанавливать в один и тот же высокопрочный корпус различные по конструкции роторы, крышки, разделительные диски с целью получения максимального эффекта по нагреву жидкости или получения эмульсий, по кавитационному приготовлению жидких кормов из цельного зерна или приготовления хлебного теста, минуя фазу муки, по кавитационному измельчению костей и приготовлению костной муки из измельченных до 0-10 мм костей животных, птиц, рыб, кавитационное обеззараживание всех перерабатываемых продуктов.
Технический результат, который может быть получен в результате реализации изобретения:
- универсальная конструкция кавитационного генератора-диспергатора с различными рабочими органами, адаптированными для осуществления различных технологий, а также длительно и высокопроизводительно работающая в условиях абразивно-кавитационного износа;
- конструкция генератора-диспергатора должна предусматривать как консольное исполнение на валу электродвигателя, так и с промежуточными подшипниковыми опорами.
Технический результат достигается тем, что во всех вариантах универсального кавитационного генератора-диспергатора используются все известные свойства гидродинамической кавитации, в том числе создание условий для образования кавитационных пузырьков и последующего их схлопывания, включающие разделение зоны кавитационной обработки на три зоны:
- зоны пониженного давления;
- зоны повышенного давления;
- зоны нагнетания.
Указанный технический результат достигается тем, что в роторном, универсальном, кавитационном генераторе-диспергаторе, содержащем неподвижный корпус с цилиндрической полостью и расположенный со смещением в этой полости цилиндрический ротор или лопастной ротор, который жестко установлен на приводном валу с возможностью вращения, крышку, разделительный диск, всасывающие и нагнетательные отверстия, на периферии цилиндрического или лопастного ротора расположены излучатели Левавассера, острые кромки которых заточены под углом 30°, или лопастные роторы, на периферийных концах которых расположены клиновидные приливы, или лопастной ротор с прямыми лопатками.
Круглый (цилиндрический) ротор, оснащенный излучателями Левавассера, имеет прокачивающие каналы.
Новым является то, что лопастные роторы могут изготавливаться с прямыми лопатками, с лопатками, оснащенными на периферийной части излучателей Левавассера, с одним клиновидным приливом на периферии лопасти, с двумя клиновидными приливами на периферии лопасти и боковым ребром жесткости.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемые решения от прототипов, из общедоступных источников информации не известны и явным образом из уровня техники не следуют.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
ФИГ.1 изображен продольный разрез универсального роторного кавитационного генератора-диспергатора консольного исполнения, включающий:
1 - корпус генератора-диспергатора;
2 - крышку;
3 - ротор;
4 - электродвигатель;
5 - разделительный диск;
ФИГ.2 изображен продольный разрез генератора-диспергатора с промежуточными подшипниковыми опорами, включающий:
1 - корпус генератора-диспергатора;
2 - крышку;
3 - ротор;
5 - разделительный диск;
ФИГ.3 изображен лопастной ротор - 3, оснащенный на периферийных концах лопастей ультразвуковыми излучателями Левавассера;
ФИГ.4 изображен лопастной ротор - 3 с прямолинейными лопастями;
ФИГ.5 изображен ротор - 3, оснащенный на перифериях лопастей двумя клиновидными приливами и ребром жесткости;
ФИГ.6 изображен ротор - 3 с одним клиновидным приливом на периферийных концах лопастей;
ФИГ.7 изображен разрез секции ротора - 3 с излучателями Левавассера - 6 различной тональности, расположенными по периферии ротора и оснащенного прокачивающими каналами - 7, соединяющими отдельные излучатели со всасывающей полостью и стержнями в центрах излучателей;
ФИГ.8 изображены разрезы ультразвуковых излучателей Левавассера а) без стержня, b) со стержнем и обозначением зон внутри излучателей:
А - зона смешения жидкости,
Б - зона повышенного давления,
С - зона пониженного давления;
ФИГ.9 изображен разделительный диск - 5 со входным и выходным отверстиями.
Сущность кавитационного воздействия заключается в следующем:
а) в жизни кавитационного пузырька различаются две фазы - расширение и схлопывание, которые вместе образуют полный термодинамический цикл;
б) при прохождении обрабатываемой суспензии или жидкости через генератор-диспергатор, в конструктивно задуманных местах которого существуют зоны пониженного и повышенного давления, в которых суспензия или жидкость подвергается резким знакопеременным нагрузкам.
При понижении давления в зоне пониженного давления, ниже давления насыщенных водяных паров (в зависимости от давления и температуры) в суспензии или жидкости интенсивно образуется множество кавитационных пузырьков.
При перемещении суспензии или жидкости в зону повышенного давления кавитационные пузырьки исчезают, охлопываются, в точках исчезновения которых, как известно, возникают локальные зоны с высокими температурами и давлениями.
Роторный, универсальный, кавитационный генератор-диспергатор состоит из неподвижного корпуса - 1, разделенного пополам вертикальной перегородкой на входную и выходную полости, внутри которого на приводном валу электродвигателя - 4 или валу с подшипниковыми группами расположен ротор (лопастной или круглоцилиндрический с излучателями Левавассера) - 3. Корпус закрывается крышкой - 2 (сплошной для лопастных роторов и оснащенной входным патрубком для круглоцилиндрического ротора с излучателями Левавассера). С другой стороны ротора находится разделительный диск - 5 (со входным и выходным отверстиями для лопастных роторов и только с выходным отверстием для круглоцилиндрического ротора с излучателями Левавассера).
Роторный, универсальный, кавитационный генератор-диспергатор работает следующим образом:
А) вариант с лопастным ротором, смеси воды и цельного зерна, воды и измельченных до 0-10 мм костей животных, птиц и рыбы, через входной патрубок поступает во входную полость корпуса - 1, а затем через входное отверстие в разделительном диске - 5 поступает к ближним от оси вращения частям лопастей ротора - 3. После включения электродвигателя - 4 крутящий момент через вал передается ротору - 3, помещенному между крышкой - 2 и разделительным диском - 5. Под действием центробежной силы смесь отбрасывается к периферии лопаток, т.е. к внутренней поверхности крышки - 2. За тыльной стороной лопатки ротора - 3 возникает зона пониженного давления и идет образование кавитационных пузырьков.
Учитывая, что ротор смещен вверх относительно центра крышки - 2 и разделительного диска - 3, верхняя часть лопастей ротора проходит с малым зазором мимо внутренней поверхности крышки - 2, а в нижней части между крышкой и лопастями ротора имеется большое пространство.
Смесь, увлекаемая лопастями ротора, устремляется вдоль поверхности крышки и входит в пространство между лопастями ротора под действием гидроклина. Резкое повышение давления между лопатками в зоне выходного отверстия способствует схлопыванию кавитационных пузырьков и вытеснению части смеси в выходное отверстие разделительного диска - 5, затем в выходную полость (зона нагнетания), а затем и в выходной патрубок. Далее циклы повторяются до измельчения продуктов или костей, создания эмульсий или нагрева жидкости до заданной температуры;
Б) вариант с круглоцилиндрическим ротором, оснащенным ультразвуковыми излучателями Левавассера.
Во время вращения секции ротора - 3 острые кромки излучателя Левавассера с углом заточки кромок 30°, набегают на жидкость с большой скоростью, на них образуется «клиновой тон», который образует вихри, расходящиеся в двух направлениях, одни уходят в жидкость между крышкой - 2 и секцией ротора, другие направляются внутрь излучателя. Закрученный с большой скоростью поток жидкости образует внутри излучателя три зоны:
- зону пониженного давления - С;
- зону повышенного давления - Б;
- зону смешения жидкости - А.
Проходя на большой скорости через зону С в жидкости образуются кавитационные пузырьки и каверны, которые исчезают, «охлопываются» в зоне Б.
2
Перемещаясь из зоны Б в зону А, жидкость уплотняется за счет исчезновения кавитационных каверн, пузырьков и несплошностей и мимо противоположной от заточенной кромки излучателя под углом 90°, к натекающей на кромку жидкости, тем самым способствуя усилению ультразвуковых кавитационных колебаний в жидкости между ротором и корпусом. При «схлопывании» исчезновении кавитационного пузырька возникают температуры до 2000°С и давления до 25000 кг/см. Это является основным фактором, обеспечивающим нагрев жидкости.
Из многолетней практики стало ясно, что на различные технологии нужны различные конструкции роторов. Так, например:
ФИГ.3 - лопастной ротор, оснащенный на периферийных концах лопастей излучателями Левавассера, больше всего подходит для создания эмульсий типа «вода - масло», для приготовления водно-мазутных эмульсий, а также создания однородных эмульсий из обводненных проливов нефти;
ФИГ.4 - лопастной ротор с прямыми лопатками, больше всего подходит для приготовления жидких кормов из злаков, минуя стадию комбикорма;
ФИГ.5 - лопастной ротор с двумя клиновидными приливами на периферийных концах лопастей и боковым ребром жесткости предназначен для приготовления хлебного теста из зерна, минуя фазу муки, из-за высоких давлений, необходимых для перекачивания густого теста;
ФИГ.6 - лопастной ротор с одним клиновидным приливом на периферийных концах лопастей предназначен для приготовления мясокостной пасты из костей животных, птиц и рыб;
ФИГ.7 - круглоцилиндрический ротор с излучателями Левавассера различной тональности, оснащенный прокачивающими каналами, как самодостаточный кавитационный нагреватель жидкости, способный одновременно прокачивать жидкость по системе нагрева.
Осуществление нагрева жидкости, приготовления жидких кормов для животных, хлебного теста, приготовления мясокостной пасты из костей животных, птиц и рыб, водомазутных или нефтяных эмульсий и др. проверено в фактических примерах и находит своих потребителей.
Конструкция роторного, универсального, кавитационного генератора-диспергатора достаточно проста и может быть изготовлена на любом машиностроительном предприятии.
Источники информации
1) Патент «SU» №1694196 от 30.11.1991 г.
2) Авторское свидетельство №1586759 от 10.08.1996 г.
3) Патент России №2261621 от 10.10.2005 г.
4) Патент России №2185898 от 27.07.2002 г.
5) Патент России №2203738 от 10.05.2003 г.
6) Патент России №2096694 от 20.11.1997 г.
7) Патент России №2336470 от 20.10.2008 г.
8) Патент России №2377475 от 27.12.2009 г.
9) Патент России №2354461 от 10.05.2009 г.
10) Чугаев P.P. Гидравлика, 1971. - С.135-136, 307-311.
11) Пирсол И. Кавитация. - М.: Мир, 1975. - С.9-14, 69-72.
12) Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. Машиностроение, 1971. - С.44-49.