РОТОРНО-СТАТОРНАЯ ВИХРЕВАЯ КАМЕРА ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И/ИЛИ МАССОПЕРЕНОСА
ROTARY-STATOR VORTEX CHAMBER FOR HEAT AND/OR MASS TRANSFER PROCESSES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области межфазной передачи импульса, массы и/или энергии между фазами в реакционных и нереакционных процессах. Более конкретно, оно относится к устройству и способу для приведения целевой среды в контакт с текучей средой-носителем, например, для использования в технологическом процессе, который требует интенсивного межфазного обмена импульсом, массой и/или энергией между текучей средой-носителем и целевой средой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
x
x
2
Известно, что для реакционных и нереакционных процессов может потребоваться интенсивный межфазный обмен массой и энергией между фазами материала, например, между твердой или текучей целевой средой и жидким или газообразным носителем. Кроме того, может потребоваться определенное время, в течение которого между целевой средой и текучей средой-носителем должен осуществляться контакт, и которое составляет порядка нескольких миллисекунд. Такие технологические процессы могут найти применение, например, в фармацевтической, химической и нефтехимической, пищевой, экологической и энергетической промышленности. Такими примерами являются, но без ограничения, сушка, нанесение покрытия, пиролиз, газификация, сжигание, приведение в движение при помощи силовых установок, полимеризация, риформинг, каталитический крекинг в жидкой среде, каталитическое восстановление NO, окислительная дегидроконденсация метана, удаление NO и SO из газов и очистка сточных вод.
Например, в данной области техники известны технологические процессы, в которых газовый поток действует в качестве фазы-носителя, в то время как твердое вещество, жидкость или их смесь составляют вторичную фазу или фазы, то есть целевую среду. Гидродинамика таких процессов может зависеть от произведения условий плавучести, например, от разности плотностей фаз и локального ускорения.
Межфазный обмен массой и обмен энергией могут сильно зависеть от относительной скорости, или скорости скольжения, между фазами. Когда фазы вступают в контакт под простым влиянием гравитационного поля Земли, скорость скольжения будет ограничена узким диапазоном. После превышения заданной скорости скольжения контакт между фазами не может поддерживаться из-за отсутствия баланса сил, действующих на систему.
В данной области техники известно, что скорость скольжения может быть увеличена путем замены гравитационного поля центробежным полем, например, с центробежными ускорениями, превышающими ускорение силы тяжести, чтобы улучшить межфазный обмен массой и обмен энергией.
В данной области техники также известно протекание технологических процессов в системах «газ-твердое вещество», которые требуют интенсивного межфазного обмена массой, импульсом и/или энергией и/или короткого времени контакта в гравитационных псевдоожиженных слоях. Твердые частицы переводятся в подобное текучей среде состояние, при котором сила трения между частицей и текучей средой уравновешивает вес частиц. Могут существовать различные режимы псевдоожижения, которые обычно начинаются с пузырькового слоя, в котором чистый перенос твердых веществ отсутствует. Увеличение скорости скольжения на границе газ-твердое вещество приводит к возникновению слоя переноса, в котором и газ, и твердое вещество движутся вверх и, наконец, покидают систему.
Однако способы газожидкостного псевдоожижения в поле центробежных сил, известные в данной области техники, могут иметь недостаток, заключающийся в том, что скорость скольжения на границе газ-твердое вещество не может превышать конечную скорость частиц в гравитационном поле. Кроме того, отношение ширины к высоте слоя должно быть достаточно малым, чтобы избежать крупномасштабных неоднородностей, таких как образование каналов и образование пробкового режима течения. Кроме того, могут возникать мезомасштабные неоднородности, такие как пузырьки и кластеры, которые могут быть вредными для межфазной передачи массы, импульса и/или энергии и которые могут генерировать горячие зоны. Более того, по мере расширения слоя может постепенно увеличиваться порозность слоя, например, превышая 90% в режиме, при котором образовался слой переноса. Кроме того, когда между частицами силы Ван-дер-Ваальса преобладают над силами сопротивления и гравитации, образование псевдоожиженного слоя может оказаться невозможным, например, для мелкодисперсных или легких когезионных порошков, имеющих размер частиц порядка 10 мкм.
В данной области техники также известно протекание технологических процессов в системах «газ-жидкость» и «газ-жидкость-твердое вещество», которые требуют интенсивного межфазного обмена массой и энергией, и которые требуют короткого времени контакта в барботажных колоннах и барботируемых колоннах суспензионных реакторов. Барботажные колонны представляют собой цилиндрические сосуды, в которых в жидкость или в суспензию из мелких твердых частиц в жидкости, газ вводится в виде пузырьков через распределитель или барботер. Газ либо идет в одном направлении с потоком жидкости, либо идет противотоком. Для газожидкостного контакта существуют различные режимы потока, обычно начиная с однородного пузырькового потока, в котором поверхностная скорость газа ниже 0,05 м/с. Поверхностная скорость газа прямо пропорциональна относительной скорости или скорости скольжения. Увеличение поверхностной скорости газа приводит либо к двухфазному потоку с пробковым режимом, либо к гетерогенному двухфазному потоку с пузырьковым режимом в зависимости от площади поперечного сечения колонны, например, к двухфазному потоку с эмульсионным режимом.
Однако способы с использованием колонн с гравитационной системой «газ-жидкость» и барботажных колонн с системой «газ-жидкость-твердое вещество» могут иметь недостаток, заключающийся в том, что у колонны с заданной площадью поперечного сечения гомогенный двухфазный поток с пузырьковым режимом имеет относительно небольшие пузырьки одинакового размера, но пропускная способность газа ограничена для поддерживания поверхностной скорости газа ниже 0,05 м/с. У гомогенного двухфазного потока с пузырьковым режимом могут быть достигнуты хорошие результаты в отношении массопереноса, но промышленные барботажные колонны обычно могут работать в условиях гетерогенного потока, что приводит к чрезмерной высоте колонны. В этих условиях конечные скорости пузырьков, межфазные напряжения сдвига и скорость затопленной массы могут уменьшаться, в то время как размеры пузырьков могут иметь тенденцию к увеличению.
Кроме того, известно, что для технологических процессов в системах «газ-твердое вещество» используют псевдоожиженный слой, образующийся за счет центробежных сил. Например, в случае с вращающимся псевдоожиженным слоем, вращение цилиндрической камеры, имеющей две плоские торцевые стенки и перфорированную цилиндрическую наружную стенку, может быть обеспечено посредством применения внешнего электрического оборудования. Газ-носитель может проходить по направлению радиально вовнутрь через перфорации, затем достигать твердого слоя, который вращается, по существу, с той же скоростью вращения, что и камера, и, наконец, выходить через выпуск для газа в центре одной из торцевых стенок. Некоторыми недостатками этого подхода могут быть значительный унос частиц в случае тонкодисперсных когезионных порошков, высокое потребление дополнительной энергии для поддержания вращения в камере, ограничение центробежной силы максимально допустимой скоростью вращения ведомого вала.
Аналогичным образом, в данной области техники известно усовершенствование технологических процессов в системах «газ-жидкость» и «газ-жидкость-твердое вещество», которые требуют интенсивного межфазного обмена массой и энергией и короткого времени контакта веществ друг с другом посредством приложения центробежных сил. Например, в роторно-статорном реакторе с вращающимся диском центробежные силы и большие по величине касательные силы действуют одновременно на многофазную систему. В такой системе вращающийся диск с пленкой жидкости на роторе отделен от статора стандартным зазором порядка нескольких миллиметров. Однако недостатком таких подходов является то, что для поддержания скорости сдвига и вращения ротора может потребоваться высокое потребление энергии. Кроме того, из-за геометрических характеристик может быть достигнута только ограниченная пропускная способность газа и ограниченная тенденция разделения фаз.
Для технологических процессов в системах «газ-твердое вещество» также известно применение псевдоожиженного слоя, образующегося за счет центробежных сил с использованием энергии газа-носителя для поддержания вращения слоя твердого вещества в цилиндрической камере, которая может носить название «статическое устройство с вращающимся псевдоожиженным слоем» или «вихревое устройство для газо-твердых веществ». При таком подходе неподвижная цилиндрическая камера может иметь тангенциальные входные прорези, равномерно распределенные по наружной цилиндрической стенке. Газ-носитель может поступать со скоростями, обычно превышающими 50 м/с, затем замедляться после передачи импульса твердым веществам и, наконец, выходить через выпуск газа в центре одной из торцевых стенок. Недостатки этого подхода могут заключаться в том, что газовые струи вблизи статически неподвижных стенок могут вызывать унос частиц, из-за чрезмерного трения между твердым слоем и статическими стенками может быть достигнута только относительно низкая скорость вращения-, а также возможное высокое энергопотребление для поддержания вращения слоя из-за чрезмерно высокого соотношения массовых скоростей потока в системе «газа-твердое вещество». Аналогично, центробежный барботажный реактор, также известный в данной области техники, напоминает вихревое устройство для систем «газ-твердое вещество», упомянутое выше. В таком реакторе создается высокодисперсная газожидкостная смесь. Однако те же недостатки, что и упомянутые выше, могут присутствовать и в варианте системы «газ-твердое вещество».
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей вариантов реализации данного изобретения является предоставление надежных и эффективных средств и способов, позволяющих обеспечить возможность протекания реакционных и/или нереакционных технологических процессов в системах «текучая среда-твердое вещество», «текучая среда-жидкость» и «текучая среда-жидкость-твердое вещество», которые требуют интенсивного межфазного обмена импульсом, массой и/или энергией между текучей фазой-носителем и целевой средой, например, при необходимости времени контакта порядка нескольких миллисекунд.
Вышеуказанная задача достигается с помощью способа и устройства в соответствии с данным изобретением.
В соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель для целевой среды может быть использован при осуществлении способа и/или входить в состав устройства. Распределитель может свободно вращаться вокруг оси устройства, он может быть соединен со статической частью устройства, например, посредством подшипников, и он может приводится в движение вращающейся со скоростью текучей средой-носителем, причем эта текучая среда-носитель также может проникать в распределитель, например, через его перфорированную кольцевую стенку.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что может быть достигнута хорошая эффективность межфазного обмена массой и энергией. Например, для систем, содержащих твердую фазу, струи текучей среды, например газовые струи, в устройстве или способе в соответствии с вариантами реализации данного изобретения могут уменьшить газовый пограничный слой, окружающий частицы. Кроме того, могут быть достигнуты высокие скорости скольжения в системе «газ-твердое вещество». Следовательно, может быть достигнут хороший межфазный перенос массы и энергии.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что может быть достигнуто хорошее центробежное ускорение многофазной системы, например, многократное превышение силы тяжести, например, более чем в десять раз, и, следовательно, может быть достигнут хороший межфазный обмен импульсом, массой и/или энергией.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что процессы переноса массы и энергии не ограничиваются ограниченными скоростями скольжения, которые подразумеваются при использовании силы тяжести по меньшей мере для частичного уравновешивания влекущей силы в системе «газ-жидкость».
Преимущество вариантов реализации данного изобретения заключается в том, что могут быть достигнуты скорости скольжения текучая среда-твердое вещество, текучая среда-жидкость и/или текучая среда-твердое вещество/жидкость, которые значительно превышают скорости, достигаемые (по меньшей мере одним) образующимся за счет гравитационных сил псевдоожиженным слоем, известным из уровня техники, например, приложением большой центробежной силы. Благодаря тому, что твердый слой, жидкостный слой или твердо-жидкостный слой вращаются вместе с ротором, то есть с распределителем, тангенциальные скорости могут быть достигнуты на внешней периферийной части ротора, которые по существу близки к скорости нагнетания текучей среды-носителя.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения заключается в том, что подаваемая извне энергия эффективно используется при работе устройства или при применении способа в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
Например, энергия, подаваемая путем нагнетания текучей среды-носителя при работе устройства, например кинетическая энергия текучей среды-носителя, может быть эффективно преобразована в кинетическую энергию вращения распределителя, например, роторной части устройства, и, таким образом, в кинетическую энергию вращения твердого слоя, жидкостного слоя или твердо-жидкостного слоя.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что может быть достигнут хороший диапазон массовой скорости потока фазы-носителя, например, в энергоэффективном технологическом процессе.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения заключается в том, что для привода вала не требуется никакого внешнего электротехнического оборудования. Еще одним преимуществом является то, что могут быть достигнуты высокие скорости вращения. Также является преимуществом то, что распределитель в устройстве в соответствии с вариантами реализации изобретения может вращаться с высокими скоростями вращения, и это вращение может эффективно поддерживаться благодаря низким потерям на трение.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что может быть достигнут широкий рабочий диапазон у фазы-носителя.
Например, центробежные ускорения, превышающие в десять раз ускорение силы тяжести, могут быть достигнуты, например, для создания более низкой скорости потока текучей среды-носителя, например для создания более низкой скорости потока газа-носителя, чем требуется по меньшей мере для одного устройства или способа, известных в данной области техники.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что унос частиц может быть уменьшен, например, по сравнению по меньшей мере с одним подходом, известным из уровня техники, например, в частности, для тонкодисперсных когезионных порошков. Например, влияние струй текучей среды вблизи торцевой стенки может быть уменьшено, в противном случае это могло бы привести к уносу частиц.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что тангенциальное нагнетание текучей среды-носителя может уменьшить и/или позволит избежать уноса мелких частиц, например золы, что в свою очередь может уменьшить загрязнение при сжигании. Последнее, кроме того, может привести к хорошему рабочему диапазону у фазы-носителя.
Преимуществом вариантов реализации данного изобретения является то, что вредных мезомасштабных неоднородностей можно избежать, уменьшить и/или контролировать их.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что можно избежать и/или уменьшить вредные неоднородности в мезомасштабах и унос частиц без необходимости добавления модификаторов режимов потока, таких как мелкие частицы или масла, для подавления образования пузырьков и минимизации уноса частиц. Однако варианты реализации данного изобретения, тем не менее, могут включать в себя использование таких модификаторов режима потока для дополнительного уменьшения мезомасштабных неоднородностей и/или уноса частиц.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что можно избежать вредных неоднородностей мезомасштабного уровня и уноса частиц и/или уменьшить их унос, используя текучую среду-носитель умеренной вязкости и/или плотности, и/или используя относительно низкое рабочее давление, и/или не используя периодическую пульсацию потока текучей среды-носителя. Однако варианты реализации данного изобретения не обязательно исключают дополнительное использование подобных решений, которые известны в данной области техники.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что может быть достигнут по существу компактный и/или однородный твердый слой, жидкостный слой или твердо-жидкостный слой, например, благодаря увеличенной центробежной силе, направленной радиально наружу, которая противодействует направленной радиально вовнутрь влекущей силе в системах «текучая среда-твердое вещество», «текучая среда-жидкость» или «текучая среда-жидкость-твердое вещество».
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что силы инерции и влекущие силы могут быть самоуравновешенными, что позволяет осуществлять простое управление технологическим процессом.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что для систем, содержащих твердую фазу, может быть достигнут надежный контроль механической целостности твердых частиц, например, механическая целостность частиц может быть сохранена посредством по существу низкого истирания. Например, сохранение хорошей механической целостности частиц может быть выгодным в технологических установках, где используются катализаторы или газопоглотители.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что сильное центробежное поле может использоваться для эффективной и действенной поддержки твердого слоя, жидкостного слоя или твердо-жидкостного слоя в широком диапазоне скоростей потока текучей среды-носителя, например, в широком диапазоне скоростей потока газа.
Преимуществом вариантов реализации данного изобретения является то, что твердый слой может почти соответствовать скорости распределителя, то есть ротора, так что число столкновений частица-частица и частица-стенка может быть уменьшено.
Преимуществом вариантов реализации данного изобретения является то, что можно эффективно использовать цилиндрическую камеру, имеющую небольшую высоту относительно ее диаметра, например, имеющую отношение высоты к диаметру в диапазоне от 0 до 5, например, в диапазоне 0 до 3, например, в диапазоне от 0 до 1 или даже в диапазоне от 0 до 0,5. Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что не требуется разделительная секция, из-за которой существенно увеличивается площадь поперечного сечения камеры. Следовательно, может быть получено компактное решение. Тем не менее, варианты реализации данного изобретения не обязательно исключают большее отношение высоты к диаметру, например, выше 5, и/или не обязательно исключают камеру, содержащую разделительную секцию.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что вращающийся твердый слой, жидкостный слой или твердо-жидкостный слой при работе устройства или при применении способа в соответствии с вариантами реализации изобретения может расти в радиальном направлении к центру камеры, например, занимая различные радиальные положения примерно до 40% радиуса камеры.
Если в камеру нагнетать текучую среду через одно впускное отверстие или через множество впускных отверстий по существу тангенциально, то ротор, то есть распределитель текучей среды, может эффективно приводиться во вращательное движение. В частности, ротор может быть установлен с возможностью вращения с использованием подшипника с низким коэффициентом трения. Таким образом может быть эффективно достигнуто большое центробежное ускорение.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что число вращающихся частей при работе устройства или при применении способа в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, может быть ограничено (например, только) распределителем, который по существу может поддерживать вращение твердого слоя, жидкостного слоя или твердо-жидкостного слоя, в то же время формируя поток текучей среды-носителя. Таким образом, трение у вращающегося слоя, слоя текучей среды или твердо-жидкостного слоя может быть по существу низким.
Преимущество вариантов реализации данного изобретения состоит в том, что для создания больших по величине касательных сил не требуется использовать узкий зазор между роторной частью и статорной частью, например, узкий зазор между ротором и статором порядка нескольких миллиметров, например, менее 15 мм, например, менее 10 мм, например, менее 5 мм. Тем не менее также преимуществом вариантов реализации данного изобретения является то, что узкий зазор между роторной и статорной частью может использоваться для генерирования больших по величине касательных сил, чтобы приводить во вращение роторную часть, например, в сочетании с конструкциями в виде коротких лопаток на роторе или даже при отсутствии таких конструкций.
В первом аспекте настоящее изобретение относится к устройству для приведения целевой среды в контакт с текучей средой-носителем в технологическом процессе, который требует интенсивного межфазного обмена импульсом, массой и/или энергией между текучей средой-носителем и целевой средой. Устройство содержит камеру, которая содержит кольцевую стенку, нижнюю стенку и верхнюю стенку, сконфигурированные таким образом, что камера образует полость для вмещения целевой среды при контакте с текучей средой-носителем при работе устройства, например, камера приспособлена для образования полости для вмещения целевой среды при работе устройства, например, за счет наличия кольцевой стенки, нижней стенки и верхней стенки, которые расположены таким образом, что при работе устройства образуется полость для вмещения целевой среды.
Камера по существу обладает вращательной симметрией относительно оси симметрии, например, камера может в целом обладать вращательной симметрией, то есть может обладать вращательной симметрией в той степени, что асимметрия, обусловленная по меньшей мере одним впускным отверстием для текучей среды, нарушающим целостность кольцевой стенки, не учитывается и/или в той степени, что незначительные отклонения от осевой симметрии игнорируются, из-за того, что они не оказывают существенного влияния на функционирование и/или на работу устройства. Например, камера может быть в целом круглой и/или иметь цилиндрическую форму.
Камера приспособлена, например, сконфигурирована так, чтобы оставаться механически неподвижной при работе устройства, например, камера в частности, не приспособлена для вращения или сконфигурирована для вращения относительно внешней статической системы координат.
Устройство содержит по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды для нагнетания в камеру текучей среды-носителя под давлением, например, за счет перепада давления, например, для нагнетания текучей среды-носителя, когда при работе устройства образуется разность давлений между камерой и по меньшей мере одним впускным отверстием для текучей среды.
По меньшей мере, одно впускное отверстие для текучей среды предназначено для нагнетания, например, выполнено с возможностью нагнетания, или, например, расположено таким образом, чтобы нагнетать текучую среду-носитель в камеру по существу в тангенциальном направлении относительно внутренней поверхности кольцевой стенки. Например, термин «по существу тангенциальное направление», или, например, «тангенциальное направление» может относиться к распределению нагнетания по направлениям в отверстии, которое имеет главную тангенциальную компоненту, например, преобладающую тангенциальную компоненту, например, такую, что скорость истечения нагнетаемой среды в тангенциальном направлении по меньшей мере в 10 раз превышает скорость истечения нагнетаемой среды в радиальном направлении.
Устройство также содержит выпускное отверстие для выхода потока текучей среды-носителя из камеры, например, для сбора текучей среды-носителя при ее выходе из камеры.
По существу, в вариантах реализации данного изобретения, тангенциальное направление может, однако, содержать осевую компоненту, например, для улучшения смешивания частиц в осевом направлении.
Тангенциальная компонента, радиальная компонента и осевая компонента могут относиться к цилиндрической системе координат или к цилиндрически направленной системе координат, в которой осевая ориентация может быть отождествлена с осью симметрии.
Устройство также содержит распределитель текучей среды, расположенный в камере, причем распределитель текучей среды выполнен таким образом, что нагнетаемая текучая среда-носитель проходит через распределитель по существу радиально вовнутрь относительно оси симметрии. Таким образом, распределитель текучей среды может быть выполнен с возможностью, например, размещаться таким образом, чтобы нагнетаемая текучая среда-носитель направлялась при ее прохождении через распределитель по существу радиально вовнутрь относительно оси симметрии. Например, выражение «преимущественно радиальное направление вовнутрь», или, например, «радиальное направление вовнутрь», могут относиться к распределению скорости потока вблизи, внутри или через распределитель по направлениям, которые имеют основную радиально направленную вовнутрь компоненту.
Распределитель по существу обладает вращательной симметрией относительно оси симметрии, например, распределитель может в целом обладать вращательной симметрией, то есть может обладать вращательной симметрией в той степени, что асимметрия, обусловленная незначительными отклонениями от вращательной симметрии, игнорируется, поскольку не оказывают существенного влияния на функционирование и/или на работу устройства. Например, распределитель может иметь форму поверхности вращения, например, может в целом иметь круглую, цилиндрическую или тороидальную форму.
Распределитель, кроме того, приспособлен для вращения, например, выполнен с возможностью или сконфигурирован с возможностью вращения вокруг оси симметрии. Это вращение обусловлено передачей импульса от нагнетаемой текучей среды-носителя к распределителю при работе устройства, например, когда распределитель отклоняет нагнетаемую текучую среду-носитель в направлении потока, соответствующем по существу радиальному направлению вовнутрь.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды может быть сформировано в кольцевой стенке.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды может быть сформировано в нижней стенке или в верхней стенке.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения камера может быть выполнена с возможностью, например, обеспечения обмена, например, гомогенного или гетерогенного обмена импульсом, массой и/или энергией между текучей средой-носителем и целевой средой.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель может быть отделен от кольцевой стенки камеры зазором, имеющим ширину в диапазоне от 1 мм до 15 мм, например, в диапазоне от 1 мм до 10 мм, например, в диапазоне от 1 мм до 5 мм, например в диапазоне от 2 мм до 5 мм, например в диапазоне от 2 мм до 10 мм, например в диапазоне от 3 мм до 6 мм. Например, приведение такого распределителя во вращение может осуществляться исключительно за счет действия касательных сил и без необходимости установки на распределителе каких-либо лопаток или конструкций подобных лопаткам для приведения его во вращение. Но в вариантах реализации данного изобретения распределитель, отделенный от кольцевой стенки таким зазором, как описано выше, также может содержать короткую лопатку или короткие лопатки или лопатко-образные конструкции, например, имеющие длину в диапазоне от 1 мм до 15 мм, например, в диапазоне от 1 мм до 10 мм, например, в диапазоне от 1 мм до 5 мм. Очевидно, что в таких вариантах реализации данного изобретения длина лопатки или лопаток или подобных им конструкций может быть меньше, например, немного меньше, чем ширина зазора.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель может быть выполнен с возможностью, например, обеспечения вращения вокруг оси симметрии за счет передачи импульса от текучей среды-носителя к распределителю, вызванной касательными напряжениями.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения в камере при работе устройства может образовываться вращающийся слой целевой среды и текучей среды-носителя. В целевой среде может присутствовать твердая фаза или текучая среда. Например, вращающийся слой может псевдоожижать целевую среду, в которой твердая фаза находится в текучей среде-носителе.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения камера может образовывать псевдоожиженный слой для псевдоожижения целевой среды, содержащей твердую фазу в текучей среде-носителе, например, в которой текучая среда-носитель может содержать жидкость и/или газ.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения камера может быть выполнена, например, сконфигурирована для контакта целевой среды, содержащей текучую среду, с текучей средой-носителем, например, в которой текучая среда-носитель может содержать жидкость и/или газ.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения устройство может быть выполнено с возможностью обеспечения азимутальной скорости между нагнетаемой текучей средой-носителем и кольцевой стенкой, которая превышает 5 м/с, например, в диапазоне от 5 м/с до 500 м/с, например, в диапазоне от 10 м/с до 300 м/с, например, в диапазоне от 10 м/с до 100 м/с. Например, в устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель может быть приспособлен для вращения с угловой скоростью в диапазоне от 100 до 200 рад/с, например в диапазоне от 200 до 1500 рад/с, например в диапазоне от 250 до 1000 рад/с.
Устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать входное устройство для подачи в камеру целевой среды, например, до и/или во время работы устройства. В качестве альтернативы, камера может быть сконфигурирована таким образом, чтобы ее можно было открыть перед началом работы устройства для того, чтобы ввести в камеру целевую среду.
Устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать на распределителе по меньшей мере одну лопатку, причем указанная по меньшей мере одна лопатка выступает наружу от распределителя по существу в радиальном направлении относительно оси симметрии. По меньшей мере одна лопатка может быть, например, сконфигурирована или выполнена с возможностью приведения во вращение распределителя вокруг оси симметрии путем передачи импульса между нагнетаемой текучей средой-носителем и по меньшей мере одной лопаткой с отклонением нагнетаемой текучей среды-носителя в направлении потока, соответствующем по существу радиальному направлению вовнутрь.
Однако следует отметить, что касательные напряжения, действующие на распределитель, например, на перфорированный цилиндр, могут быть достаточными для приведения распределителя во вращение, например, без необходимости использования лопаток, как указано выше.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере одна лопатка может быть изогнутой, имея свободную оконечную часть, удаленную от распределителя и смещенную под углом относительно закрепленной оконечной части (лопатки), причем смещение под углом представляет собой смещение под углом вокруг оси симметрии в направлении, противоположном направлению потока нагнетания текучей среды-носителя в камеру через по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды при работе устройства. Такая изогнутая лопатка, например лопатка турбинного типа, может выгодно улучшить передачу импульса от нагнетаемой текучей среды.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, распределитель, например часть ротора, может быть выполнен как единое целое, например, при необходимости, включая по меньшей мере одну лопатку.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель текучей среды может быть отделен зазором от нижней и/или от верхней стенок камеры. Этот зазор может находиться под давлением, например, при работе устройства это давление может слегка превышать давление в камере. Это может по существу предотвращать увеличение трения вследствие попадания материала, например, мелких частиц, в зазор.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере одна лопатка может содержать по меньшей мере три лопатки, равномерно распределенных по периферийной поверхности распределителя.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, распределитель может содержать цилиндр, имеющий перфорации, предусмотренные в нем, чтобы дать возможность нагнетаемой текучей среде-носителю проходить через распределитель по существу в радиальном направлении вовнутрь. Например, внешняя периферийная поверхность распределителя, например перфорированный цилиндр, может иметь площадь пропускного сечения в диапазоне от 40% до 99%, например в диапазоне от 50% до 90%. При работе устройства цилиндр может образовывать тороидальный твердый слой, жидкостный слой или удерживать твердо-жидкостный слой.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере часть нижней стенки может быть образована нижней пластиной, которая расположена в центре вокруг оси симметрии в плоскости, перпендикулярной оси симметрии, и которая механически отделена от распределителя так, чтобы оставаться механически неподвижной, когда распределитель вращается вокруг оси симметрии.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, нижняя пластина может обладать вращательной симметрией относительно оси симметрии. Нижняя пластина имеет коническую форму и таким образом своей вершиной в центральной части проходит к верхней стенке, а своей периферийной частью отходит от верхней стенки.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель может иметь механическую опору, обеспечивающую возможность распределителю вращаться вокруг оси симметрии, например, чтобы он мог свободно вращаться за счет приведения его в движение нагнетаемой текучей средой-носителем.
Устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать вращающийся вокруг оси симметрии вал, механически сопряженный с распределителем для обеспечения распределителю механической опоры и обеспечения возможности вращения распределителя.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения вращающийся вал на своей наружной поверхности может содержать внешний подшипник для взаимодействия с манжетой, образованной в корпусе камеры.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель может содержать сопрягающую конструкцию для механического сопряжения вращающегося вала с распределителем, например, с цилиндром, в котором предусмотрены перфорации, для обеспечения возможности нагнетаемой текучей среде-носителю проходить через распределитель по существу в радиальном направлении вовнутрь.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, вращающийся вал может представлять собой полый вал, причем вращающийся вал может содержать внутренний подшипник на своей внутренней поверхности для взаимодействия со шпинделем, который соосно расположен внутри вращающегося вала. Этот шпиндель может быть механически сопряжен с нижней пластиной.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения соединительная конструкция может содержать пластину, ориентированную перпендикулярно валу. Эта пластина может иметь желобок для образования лабиринтного уплотнения для текучей среды в соединении с нижней пластиной.
Устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения содержит выпускное отверстие для выпуска текучей среды-носителя из камеры. Например, устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать выходное устройство, например конструкцию в виде дымовой трубы, для сбора текучей среды-носителя из камеры, например, через отверстие в камере, например, выпускное отверстие может быть или представлять собой выходное устройство, например конструкцию в виде дымовой трубы. Выходное устройство, например конструкция в виде дымовой трубы, может быть выполнено с возможностью сбора текучей среды-носителя из камеры через отверстие в верхней стенке, например, в центральной части верхней стенки. Выходное устройство, например, конструкция в виде дымовой трубы, может быть выполнено с возможностью сбора текучей среды-носителя из камеры через отверстие в нижней стенке, например, в центральной части нижней стенки. Выходное устройство, например конструкция или конструкции в виде дымовой трубы, может быть выполнено с возможностью сбора текучей среды-носителя из камеры через отверстие как в верхней, так и в нижней стенках, например, в центральной области верхней и нижней стенок.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды может содержать сопло, заканчивающееся отверстием в кольцевой стенке, причем это сопло имеет первую секцию стенки, которая непрерывно и тангенциально соединяется с внутренней поверхностью кольцевой стенки, и вторую секцию стенки, которая соединяется с внутренней поверхностью кольцевой стенки под острым углом таким образом, чтобы азимутально сфокусировать поток нагнетаемой текучей среды-носителя вдоль указанной внутренней поверхности.
Во втором аспекте настоящее изобретение также относится к способу приведения целевой среды в контакт с текучей средой-носителем в технологическом процессе, который требует интенсивного межфазного обмена импульсом, массой и/или энергией между текучей средой-носителем и целевой средой. Такой способ включает:
- подачу целевой среды в камеру вмещения целевой среды при контакте с текучей средой-носителем, причем камера по существу обладает вращательной симметрией относительно оси симметрии и выполнена таким образом, что остается механически неподвижной при выполнении способа;
- нагнетание текучей среды-носителя под давлением в камеру, например, по меньшей мере через одно отверстие в кольцевой стенке камеры, причем это нагнетание осуществляется по существу в тангенциальном направлении относительно внутренней поверхности кольцевой стенки;
- выпуск указанной текучей среды-носителя из указанной камеры, например путем сбора текучей среды-носителя из камеры через выпускное отверстие, и
- приведение во вращательное движение распределителя текучей среды в камере за счет нагнетаемой текучей среды-носителя вследствие передачи импульса между нагнетаемой текучей средой-носителем и распределителем, причем нагнетаемую текучую среду-носителя отклоняют в направлении потока, соответствующем по существу радиальному направлению вовнутрь относительно оси симметрии с прохождением через распределитель в направлении оси симметрии.
Конкретные и предпочтительные аспекты изобретения изложены в прилагаемых независимых и зависимых пунктах формулы изобретения. Признаки, указанные в зависимых пунктах формулы изобретения могут быть объединены с признаками, указанными в независимых пунктах формулы изобретения и с признаками других зависимых пунктов формулы изобретения в соответствии с необходимостью, а не только как прямо указано в пунктах формулы.
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными и будут объяснены посредством ссылки на вариант (варианты) реализации изобретения, описанные ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 показан схематический вид сверху устройства, приведенного в качестве примера, в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 2 показан схематический вид сбоку устройства, приведенного в качестве примера, в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 3 показан трехмерный схематический вид устройства, приведенного в качестве примера, в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 4 показан подробный трехмерный схематический вид камеры и распределителя в устройстве, приведенном в качестве примера, в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 5 показаны поперечные сечения камеры, распределителя и вала в устройстве, приведенном в качестве примера, в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 6 показано поперечное сечение вала в устройстве, приведенном в качестве примера, в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 7 схематично показана роторная часть устройства в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 8 показано, в качестве примера, сравнение азимутальной скорости псевдоожиженного слоя, которая может быть достигнута с помощью устройства и способа в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, и скорости, которая может быть достигнута с использованием известной технологии газожидкостного псевдоожижения в поле центробежных сил.
На фиг. 9 схематично показан распределитель устройства в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 10 показана система в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
На фиг. 11 показаны местоположения мест измерения давления, приводимые в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 12 показан вид, полученный с помощью цифровой камеры, размещенной под устройством в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, приводимый в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 13 показана установка для анемометрии по двумерному изображению частиц, приводимая в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 14 показаны значения скорости вращения ротора как для потока без частиц, так и для потока с частицами в зависимости от скорости воздуха на входе и массового расхода воздуха, приводимые в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 15 показаны рассчитанные азимутальные скорости в твердом слое в зависимости от скорости воздуха на входе и массового расхода воздуха, приводимые в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 16 показано распределение давления в газоприемной рубашке для потока без частиц и в пяти характерный случаях для потока с частицами, приводимое в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 17 показана разница давлений в точках «Камера p1» и «Камера р4» по отношению к давлению в точке «Рубашка p1», приводимая в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 18 показана подробная геометрия и радиальные положения мест отбора давления, относящихся к разностям давлений, показанным на фиг. 17, приводимые в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 19 показана разность давлений в точках «Выход p1, р2, р3 и р4» по отношению к давлению в точке «Рубашка p1», приводимая в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 20 показано расположение мест отбора давления, относящихся к разностям давлений, показанным на фиг. 19, приводимое в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 21 показано расположение мест отбора давления, относящихся к разностям давлений, показанным на фиг. 22, приводимое в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 22 показана разница давлений в местах отбора давления по отношению к давлению в точке «Рубашка p1», расположенных на верхней наружной стенке, в центре вверху и на выпускной линии, приводимых в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 23 показан профиль давления для потока без частиц и для потока с частицами, приводимый в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 24 показано участие трех условных секций устройства в соответствии с вариантами реализации данного изобретения в общем падении давления для потока без частиц и для потока с частицами, приводимое в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 25 показаны азимутальные скорости, измеренные посредством анемометрии по изображению частиц для трех различных массовых расходов воздуха, приводимые в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 26 показана угловая скорость ротора, полученная из измерений давления и измерений посредством анемометрии по изображению частиц, приводимая в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 27 показаны мгновенные изображения частиц, полученные посредством анемометрии по изображению частиц, и соответствующие поля скоростей, приводимые в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 28 показана величина кинетической энергии, передаваемая потоком воздуха, и величина кинетической энергии, необходимая для вращения ротора при потоке без частиц, приводимая в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 29 показана величина кинетической энергии, передаваемая потоком воздуха, и величина кинетической энергии, необходимая для вращения ротора при потоке с частицами, приводимая в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
На фиг. 30 показана вращающаяся целевая среда, приводимая в движение текучей средой-носителем, которые приводятся в качестве примера для иллюстрации вариантов реализации данного изобретения.
Описанные чертежи являются схематическими, и не имеют ограничительного характера. На чертежах размеры некоторых элементов, возможно, были увеличены и не были вычерчены в масштабе с иллюстративной целью.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.
На разных фигурах одинаковые номера позиций относятся к тем же или аналогичным элементам.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение будет описано в отношении конкретных вариантов реализации изобретения и со ссылкой на определенные графические материалы, но изобретение ими не ограничивается, а ограничивается только формулой изобретения. Описанные чертежи являются схематическими, и не имеют ограничительного характера. На чертежах размеры некоторых элементов, возможно, были увеличены и не были вычерчены в масштабе с иллюстративной целью. Размеры и относительная размерность иногда не соответствуют современному практическому воплощению изобретения.
Кроме того, термины «первый», «второй» и тому подобное в описании и в формуле изобретения используются для различения похожих элементов и вовсе необязательно используются для описания последовательности во времени, в пространстве, в ранжировании или при любом другом способе. Следует понимать, что используемые таким образом термины при соответствующих обстоятельствах являются взаимозаменяемыми, и что варианты реализации изобретения, описанные здесь, могут функционировать в последовательностях, отличных от описанных или проиллюстрированных в данном документе.
Кроме того, термины «верх», «под» и им подобные в описании и формуле изобретения используются в описательных целях и не обязательно для описания относительных положений. Следует понимать, что используемые таким образом термины при соответствующих обстоятельствах являются взаимозаменяемыми, и что варианты реализации изобретения, описанные здесь, могут функционировать в ориентациях, отличных от описанных или проиллюстрированных в данном документе.
Следует отметить, что термин, «содержащий», используемый в формуле изобретения, не должен интерпретироваться как ограничиваемый средствами, перечисленными ниже. Это не исключает другие элементы или этапы. Таким образом, его следует интерпретировать как термин, указывающий на наличие указанных функций, целых чисел, этапов или компонентов, но не исключающий наличия или добавления одной или нескольких других функций, целых чисел, этапов или компонентов или их групп. Таким образом, объем выражения «устройство, содержащее средства А и В», не должен быть ограничен устройствами, состоящими только из компонентов А и В. Это означает, что в отношении данного изобретения единственными соответствующими компонентами устройства являются компоненты А и В.
Ссылка в этом описании на «один вариант реализации изобретения» или просто на «вариант реализации изобретения» означает, что конкретная функция, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом реализации изобретения, включены по меньшей мере в один вариант реализации данного изобретения. Таким образом, появления фразы «один вариант реализации изобретения» или фразы «вариант реализации изобретения» в различных местах по всему данному описанию не обязательно означают, что все они ссылаются на один и тот же вариант реализации изобретения, но и такое тоже возможно. Кроме того, конкретные функции, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом, как это будет очевидно специалисту, располагающему обычными познаниями в данной области техники, из этого описания одного или нескольких вариантов реализации изобретения.
Аналогичным образом, следует понимать, что в описании проиллюстрированных вариантов реализации изобретения различные функции изобретения иногда группируются вместе в одном варианте реализации изобретения, в графическом материале или в его описании с целью оптимизации раскрытия изобретения и с целью оказания помощи в понимании одного или больше различных аспектов изобретения. Тем не менее, этот способ раскрытия изобретения не должен интерпретироваться как отражающий намерение того, что заявленное изобретение требует большего количества функций, чем явно указано в каждом пункте формулы изобретения. Скорее, он должен интерпретироваться как способ отражения нижеприведенных пунктов формулы изобретения, поскольку аспекты изобретения лежат не во всех особенностях одного предыдущего описанного варианта реализации изобретения. Таким образом, пункты формулы изобретения, следующие за подробным описанием, тем самым явно включены в это подробное описание, причем каждый пункт формулы изобретения представляет собой отдельный вариант реализации данного изобретения.
Кроме того, хотя некоторые варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, включают в себя одни, а не другие признаки, включенные в другие варианты реализации изобретения, подразумевается, что комбинации признаков различных вариантов реализации изобретения находятся в пределах объема изобретения и образуют другие варианты реализации изобретения, как это будет понятно специалистам, располагающим обычными познаниями в данной области техники. Например, в формуле изобретения любой из заявленных вариантов реализации изобретения может использоваться в любой комбинации.
В приведенном в данном документе описании изложены многочисленные конкретные детали. Однако понятно, что варианты реализации изобретения могут быть осуществлены на практике без этих конкретных деталей. В других случаях общеизвестные способы, конструкции и методики не были показаны подробно, чтобы не затруднять понимание данного описания.
В тех случаях, когда в вариантах реализации данного изобретения делается такая ссылка, как «под давлением», то это означает, что речь идет о применение градиента давления при работе устройства или при применении такого способа, как принудительное введение в камеру текучей среды из источника, например, из такого как впускное отверстие для текучей среды. Таким образом, ссылка на впускное отверстие для нагнетания в камеру текучей среды-носителя под давлением может означать впускное сопло для текучей среды, подходящее для подачи текучей среды-носителя в камеру, когда к текучей среде во впускном сопле прикладывается существенно более высокое давление, например, вблизи приемной стороны впускного сопла, чем давление установившееся в камере, например, вблизи выхода текучей среды из впускного сопла текучей среды.
В тех случаях, когда в вариантах реализации данного изобретения делается ссылка на «по существу обладает вращательной симметрией» или даже просто на «обладает вращательной симметрией», это может указывать на осевую симметрию в той степени, что любая асимметрия из-за наличия впускного отверстия для текучей среды в кольцевой стенке не учитывается, и/или в той степени, что незначительные отклонения от осевой симметрии игнорируются, поскольку не оказывают существенного влияния на функционирование и/или на работу устройства. Таким образом, устройство, в котором отсутствует буквальная осевая симметрия, не должно рассматриваться как выходящее за пределы предполагаемого объема изобретения, если отклонение осевой симметрии является просто незначительным.
В тех случаях, когда в вариантах реализации данного изобретения делается ссылка на тангенциальную, азимутальную, радиальную и/или осевую ориентации, они могут интерпретироваться относительно цилиндрической системы координат или относительно цилиндрически направленной системы координат, в которых осевая ориентация идентифицируется с осью симметрии камеры в устройстве, как указано ниже, в соответствии с вариантами реализации данного изобретения.
В первом аспекте настоящее изобретение относится к устройству для приведения целевой среды в контакт с текучей средой-носителем. Устройство содержит камеру, которая содержит кольцевую стенку, нижнюю стенку и верхнюю стенку, сконфигурированные таким образом, что при работе устройства камера образует полость для вмещения целевой среды при контакте с текучей средой-носителем. Камера по существу обладает вращательной симметрией относительно оси симметрии. Камера выполнена таким образом, что остается механически неподвижной при работе устройства. Устройство содержит по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды для нагнетания под давлением текучей среды-носителя в камеру. По меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды выполнено с возможностью нагнетания текучей среды-носителя в камеру по существу в тангенциальном направлении относительно внутренней поверхности кольцевой стенки. Устройство также содержит распределитель текучей среды, расположенный в камере, причем распределитель текучей среды выполнен таким образом, что нагнетаемая текучая среда-носитель направляется при ее прохождении через распределитель по существу радиально вовнутрь относительно оси симметрии.
Распределитель по существу обладает вращательной симметрией относительно оси симметрии. Кроме того, распределитель выполнен с возможностью вращения вокруг оси симметрии. При работе устройства это вращение происходит за счет передачи импульса между нагнетаемой текучей средой-носителем и распределителем.
В соответствии с вариантами реализации данного изобретения на фиг. 1-9 в качестве примера показано устройство 1. Это устройство 1 предназначено для приведения целевой среды в контакт с текучей средой-носителем.
Предпочтительно устройство может работать, например, может быть пригодным для работы при максимальных азимутальных скоростях от 10 м/с и выше, например, в диапазоне от 10 м/с и 100 м/с и, возможно, даже выше, при относительно низком массовом расходе текучей среды-носителя в диапазоне от 8 до 30 г/с.
Устройство 1 содержит камеру 2, которая содержит кольцевую стенку 3, нижнюю стенку 4 и верхнюю стенку 5, сконфигурированные таким образом, что камера 2 образует полость для вмещения целевой среды при контакте с текучей средой-носителем при работе устройства.
Камера 2 по существу обладает вращательной симметрией относительно оси (А) симметрии. Например, камера 2 может быть в целом круглой и/или иметь цилиндрическую форму.
Камера 2 выполнена так, чтобы оставаться механически неподвижной при работе устройства. Камера может называться статором или статорной частью. Камера может образовывать часть корпуса, или может быть неподвижно механически сопряжена с корпусом для того, чтобы во время работы устройства устойчиво удерживаться, например, на основании, или например, чтобы в пространстве оставаться неподвижной относительно системы координат, имея привязку к фиксированной точке и иметь фиксированную ориентацию по отношению к земной поверхности.
При нормальной работе устройства камера 2 может, в частности, не иметь возможности вращаться, оставаясь неподвижной относительно внешней статической системы координат.
Устройство содержит по меньшей мере одно впускное отверстие 6 для текучей среды для нагнетания в камеру текучей среды-носителя под давлением, например, за счет перепада давления, например, для нагнетания текучей среды-носителя, когда при работе устройства образуется разность давлений между камерой и по меньшей мере одним впускным отверстием для текучей среды.
По меньшей мере одно впускное отверстие 6 для текучей среды может образовывать отверстие в кольцевой стенке 3 камеры 2. Однако варианты реализации данного изобретения не обязательно ограничиваются этим, например, по меньшей мере одно впускное отверстие 6 для текучей среды может образовывать отверстие в нижней стенке 4, в верхней стенке 5 или любую комбинацию отверстий в кольцевой стенке 3, в нижней стенке 4 и/или в верхней стенке 5.
По меньшей мере одно впускное отверстие 6 для текучей среды выполнено с возможностью нагнетания текучей среды-носителя в камеру по существу в тангенциальном направлении относительно внутренней поверхности кольцевой стенки 3.
Устройство также содержит распределитель 7 текучей среды, расположенный в камере 2, причем распределитель 7 текучей среды выполнен так, чтобы обеспечивать возможность нагнетаемой текучей среде-носителю проходить через распределитель по существу радиально вовнутрь относительно оси симметрии А. Распределитель 7 текучей среды по существу обладает вращательной симметрией относительно оси (А) симметрии.
Распределитель 7 текучей среды, кроме того, выполнен с возможностью вращения вокруг оси (А) симметрии. Это вращение при работе устройства обусловлено передачей импульса между нагнетаемой текучей средой-носителем и распределителем, например, когда распределитель отклоняет нагнетаемую текучую среду-носитель в направлении потока, соответствующем по существу радиальному направлению вовнутрь.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель 7 текучей среды может быть выполнен с возможностью, например, вращения вокруг оси симметрии за счет передачи импульса от текучей среды-носителя к распределителю, вызванной касательными напряжениями.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения камера может образовывать псевдоожиженный слой для псевдоожижения целевой среды, в которой твердая фаза находится в текучей среде-носителе, например, в которой текучая среда-носитель может содержать жидкость и/или газ. Например, при работе устройства псевдоожижение слоя может поддерживаться вращающимся распределителем 7 текучей среды.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения камера может быть выполнена, или например, сконфигурирована для контакта целевой среды, содержащей жидкость с текучей средой-носителем, например, в которой текучая среда-носитель может содержать текучую среду и/или газ. Например, при работе устройства вращающийся распределитель 7 текучей среды может поддерживать наличие жидкостного слоя или твердо-жидкостного слоя.
Например, целевая среда может содержать первую жидкость, а текучая среда-носитель может содержать вторую жидкость, причем первая жидкость и вторая жидкость не могут смешиваться друг с другом.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель 7 текучей среды может быть выполнен с возможностью вращения с угловой скоростью в диапазоне от 100 до 200 рад/с, например в диапазоне от 200 до 1500 рад/с, например, в диапазон от 250 до 1000 рад/с.
Ссылаясь на фиг. 3, устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать входное устройство 8 для подачи в камеру 2 целевой среды, например, до и/или во время работы устройства. В качестве альтернативы, камера может быть сконфигурирована таким образом, чтобы ее можно было открыть перед началом работы устройства для того, чтобы ввести в камеру целевую среду. Например, верхняя крышка 9 может быть (обратимо) съемной для обеспечения доступа к камере 2 перед работой устройства.
Устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать на распределителе 7 по меньшей мере одну лопатку 10, причем по меньшей мере одна лопатка выступает наружу от распределителя 7 в преимущественно радиальном направлении относительно оси симметрии. По меньшей мере одна лопатка 10 может быть выполнена с возможностью приведения во вращение распределителя 7 вокруг оси (А) симметрии путем передачи импульса между нагнетаемой текучей средой-носителем и по меньшей мере одной лопаткой 10 с отклонением, например, одновременно, нагнетаемой текучей среды-носителя в направлении потока, соответствующем по существу радиальному направлению вовнутрь.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере одна лопатка 10 может быть изогнутой, имея свободную оконечную часть, удаленную от распределителя 7 и смещенную под углом относительно закрепленной оконечной части (лопатки), находящейся вблизи распределителя 7, причем смещение под углом представляет собой смещение под углом вокруг оси симметрии в направлении, противоположном направлению потока нагнетания текучей среды-носителя в камеру 2 через по меньшей мере одно впускное отверстие для текучей среды при работе устройства.
Например, свободная оконечная часть лопатки 10 может отстоять от кольцевой стенки 3 камеры 2 на расстояние менее 10 мм, например, менее 5 мм, например, в диапазоне от 0 мм до 3 мм, например, 1 мм В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере одна лопатка 10 может содержать по меньшей мере три лопатки, равномерно распределенных по периферийной поверхности распределителя 7.
Ссылаясь на фиг. 7, в устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель 7 может содержать цилиндр 16, имеющий перфорации, предусмотренные в нем, чтобы дать возможность нагнетаемой текучей среде-носителю проходить через распределитель 7 по существу в радиальном направлении вовнутрь. Например, перфорации могут быть выполнены в виде прорезей. Например, прорези могут быть расположены для формирования Н-образных профилированных прорезей, например, со смещением самих прорезей в виде кирпичной кладки. Это может по существу обеспечить хорошую площадь пропускного сечения, в то же время обеспечивая достаточную прочность конструкции цилиндра, например, в частности, для обеспечения прочности при вращении с высокими скоростями.
Ссылаясь на фиг. 9, распределитель 7, кроме того, может содержать профилированные периферийные кольцевые участки 91, которые предусмотрены на верхней и нижней стенках цилиндра и от периферии идут радиально внутрь. В некоторых случаях эти периферийные кольцевые участки могут быть скошены, например, для увеличения толщины в направлении радиально к цилиндру 16 и/или таким образом, что расстояние между обоими периферийными кольцевыми участками 91, измеренное в осевом направлении, уменьшается по направлению к цилиндру 16. При работе устройства цилиндр, а также верхние и нижние периферийные кольцевые участки могут образовывать по существу компактную опорную часть для удержания псевдоожиженного слоя, жидкостного слоя или твердо-жидкостного слоя, например, для уменьшения возможных потерь на трение за счет разности в угловой скорости между неподвижной камерой и угловой скоростью вращающейся вместе с цилиндром целевой среды.
В другом аспекте данное изобретение также может относиться к роторной части для использования в устройстве в соответствии с вариантами осуществления первого аспекта данного изобретения. Эта роторная часть может содержать распределитель 7 текучей среды, например цилиндр 16, например перфорированный цилиндр. Роторная часть также может содержать сопрягающую конструкцию 15 для механического сопряжения вращающегося вала 12 с распределителем 7 текучей среды, например, с цилиндром 16. Сопрягающая конструкция 15 может содержать пластину 19. Эта пластина может быть желобчатой и вместе с нижней пластиной может образовывать для текучей среды лабиринтное уплотнение 71, например, как показано на фиг. 5. Роторная часть также может содержать по меньшей мере одну лопатку 10.
Роторная часть может быть изготовлена из полимерного материала, например из прозрачного полимера.
3
В качестве примера вариантов реализации изобретения, относящегося к полимеру, без ограничения, этот материал может иметь плотность в диапазоне от 1180 до 1200 кг/м, и/или временное сопротивление разрыву в диапазоне от 49 до 50 МПа. Например, роторная часть может иметь массу в диапазоне от 1 до 250 г, предпочтительно в диапазоне от 5 до 100 г, например в диапазоне от 25 до 50 г, например 38 г. В цилиндре могут быть предусмотрены перфорации, чтобы на внутренней кромке получить площадь пропускного сечения, например, в 58%. Цилиндр может иметь внутренний диаметр в диапазоне, например, от 40 мм до 160 мм, например, от 60 мм до 100 мм, например, от 70 мм до 90 мм, например, 80 мм. Толщина стенки цилиндра может составлять от 0,5 до 10 мм, например, от 1 до 5 мм, например, 2 мм. Лопатки 10 могут иметь толщину в диапазоне от 1 мм до 10 мм, например, в диапазоне от 2 мм до 5 мм, например, 3 мм.
Например, как один из вариантов реализации данного изобретения, но без ограничения, роторная часть может быть напечатана как цельная часть на 3D-принтере с использованием стереолитографии (например, как сменная цельная часть).
Перфорированный цилиндр 16, может иметь площадь пропускного сечения в диапазоне от 40% до 99%, например в диапазоне от 50% до 90%. Например, термин «площадь пропускного сечения» может относиться к частному от деления общей площади перфораций к общей площади цилиндра, еще не содержащего перфорации.
Термин «перфорация» не обязательно относится к отверстиям, полученным в результате перфорирования, он может в равной степени относиться к аналогичным отверстиям, полученным другим способом. Например, перфорация может быть в равной степени сформирована как единое целое в цилиндре при изготовлении цилиндра, например, с использованием технологии трехмерной печати, чтобы сформировать цилиндр как единое целое, или как единое целое сформировать распределитель 7 или, например, сформировать как единое целое роторную часть, содержащую распределитель, а в некоторых случаях по крайней мере одну лопатку на распределителе.
При работе устройства цилиндр может образовывать тороидальный твердый слой, жидкостный слой или удерживать твердо-жидкостный слой.
Ссылаясь на фиг. 4, в устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения по меньшей мере часть нижней стенки 4 может быть образована нижней пластиной 11, которая расположена в центре вокруг оси симметрии А в плоскости, перпендикулярной оси симметрии А, и которая механически отделена от распределителя 7, чтобы оставаться механически неподвижной, когда распределитель 7 вращается вокруг оси симметрии А.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения нижняя пластина 11 может обладать вращательной симметрией относительно оси А симметрии. Нижняя пластина может быть конусообразной, чтобы своей центральной части проходить к верхней стенке 5 и своей периферийной частью отходить от верхней стенки 5. Другими словами, нижняя пластина может иметь такую конусность, что центральная часть нижней пластины была бы ближе к верхней стенке 5, чем периферийная часть нижней пластины.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель 7 может иметь механическую опору, обеспечивающую возможность распределителю 7 вращаться вокруг оси симметрии, например, чтобы он мог свободно вращаться, за счет приведения его во вращательное движение нагнетаемой текучей средой-носителем.
Ссылаясь на фиг. 5 и фиг. 6, устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать вращающийся вокруг оси симметрии А вал 12, причем вращающийся вал механически сопряжен с распределителем 7, чтобы с одной стороны обеспечить распределителю 7 механическую опору, а с другой, чтобы обеспечить вращение распределителя 7. Например, вращающийся вал может быть металлическим валом, например валом из нержавеющей стали, например, выполненным из нержавеющей стали SS316.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения вращающийся вал 12 может содержать внешний подшипник 13, например, шарикоподшипник, например по меньшей мере один подшипник с низким коэффициентом трения, который своей наружной поверхностью взаимодействует с корпусом камеры, например, взаимодействует с манжетой 14, которая сформирована в корпусе камеры.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения распределитель может содержать сопрягающую конструкцию 15 для механического сопряжения вращающегося вала 12 с распределителем 7, например, с цилиндром 16, в котором предусмотрены перфорации, чтобы дать возможность нагнетаемой текучей среде-носителю проходить через распределитель по существу в радиальном направлении вовнутрь.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения вращающийся вал 12 может представлять собой полый вал, например полый металлический вал, в котором вращающийся вал может содержать внутренний подшипник 17, например, шарикоподшипник, например по меньшей мере один подшипник с низким коэффициентом трения, который своей внутренней поверхностью взаимодействует со шпинделем 18, который соосно расположен внутри вращающегося вала. Этот шпиндель 18 может быть механически сопряжен с нижней пластиной 11.
3
3
Вал может состоять из материала, имеющего плотность в диапазоне от 5000 до 15000 кг/м, например, около 8000 кг/м, и временное сопротивление разрыву в диапазоне от 300 до 900 МПа, например, около 515 МПа. Варианты реализации данного изобретения не ограничиваются такими значениями, приведенными в качестве примера.
Вал может иметь малую массу, например, в диапазоне от 0 до 500 г, например, предпочтительно в диапазоне от 25 до 250 г, например, в диапазоне от 40 до 100 г, например, около 60 г.
В устройстве в соответствии с вариантами реализации данного изобретения сопрягающая конструкция 15 может содержать пластину 19, которая расположена в плоскости, перпендикулярной валу. Эта пластина может быть желобчатой и вместе с нижней пластиной может образовывать для текучей среды лабиринтное уплотнение, например, как показано на фиг. 5.
Ссылаясь, например, на фиг. 3, устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать выходное устройство 20, например конструкцию в виде дымовой трубы, для сбора текучей среды-носителя из камеры через отверстие в верхней стенке, например, в центральной части верхней стенки. Например, газовыпускной патрубок 21 может быть соединен с выходным устройством 20.
Возвращаясь к фиг. 1, в устройстве, в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, по меньшей мере одно впускное отверстие 6 для текучей среды может содержать сопло, заканчивающееся отверстием в кольцевой стенке, причем это сопло имеет первую секцию стенки, которая непрерывно и тангенциально соединяется с внутренней поверхностью кольцевой стенки, и вторую секцию стенки, которая соединяется с внутренней поверхностью кольцевой стенки под острым углом, чтобы азимутально сфокусировать нагнетаемый поток текучей среды-носителя вдоль внутренней поверхности кольцевой стенки.
Во втором аспекте данное изобретение также относится к способу приведения целевой среды в контакт с текучей средой-носителем. Способ включает в себя подачу целевой среды в камеру для вмещения целевой среды при контакте с текучей средой-носителем, например, для вмещения целевой среды при контакте с текучей средой-носителем. Камера по существу обладает вращательной симметрией относительно оси симметрии и выполнена таким образом, что при выполнении способа остается механически неподвижной.
Способ включает в себя этап нагнетания текучей среды-носителя под давлением в камеру, например, по меньшей мере через одно отверстие в кольцевой стенке камеры, через которое это нагнетание осуществляется по существу в тангенциальном направлении относительно внутренней поверхности кольцевой стенки.
Способ включает в себя приведение во вращательное движение распределителя текучей среды в камере за счет нагнетаемой текучей среды-носителя вследствие передачи импульса между нагнетаемой текучей средой-носителем и распределителем, в котором нагнетаемая текучая среда-носитель отклоняется в направлении потока, соответствующем по существу радиальному направлению вовнутрь относительно оси симметрии и проходит через распределитель в направлении оси симметрии.
Дальнейшие особенности способа в соответствии с вариантами реализации данного изобретения будут понятны из приведенного выше описания, относящегося к вариантам осуществления первого аспекта данного изобретения. В частности, способ в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может включать в себя работу устройства в соответствии с вариантами осуществления первого аспекта данного изобретения, например, выполнение этапа для получения требуемых функций устройства, как описано выше.
В третьем аспекте данное изобретение также относится к системе, включающей в себя устройство в соответствии с вариантами реализации первого аспекта данного изобретения. Например, фиг. 10 иллюстрирует такую систему 100, приводимую в качестве примера. Система в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может содержать линию подачи текучей среды-носителя, например линию подачи 101 сжатого воздуха, соединенного с регулятором давления 102. Текучая среда-носитель может подаваться под контролируемым давлением в устройство 1 в соответствии с вариантами реализации данного изобретения. Например, сжатый воздух при 200-300 кПа в данном примере перед входом в камеру может проходить через расходомер и регулирующий клапан.
Система может содержать механизм загрузочного устройства для подачи, например, твердого вещества в устройство 1. Например, такой механизм загрузочного устройства может содержать загрузочный шнек 103 для контролируемого получения целевой среды от питающего устройства 104, например, от гравиметрического питателя с регулируемым давлением, например, соединенного с источником 105 сжатого воздуха с помощью регулятора 106 давления. Например, гравиметрический питатель может доставлять твердые частицы в загрузочный шнек диаметром 10 мм, который транспортирует твердые частицы в камеру. Гравиметрический питатель может быть заключен в герметичный металлический корпус, подключенный к линии сжатого воздуха. Такой герметичный металлический корпус может давать возможность регулировать давление в верхней части гравиметрического питателя, например, в этом примере до максимального значения 300 кПа.
Выходное устройство устройства 1, например, выпускное отверстие или конструкция в виде дымовой трубы, может быть подсоединено к выпускному отверстию системы, например к воздуховыпускному отверстию 107. Между выходным устройством устройства 1 и выпускным отверстием 107 может быть предусмотрена установка мешочного фильтра 108 для отделения твердых частиц от отработанного воздуха.
Система может дополнительно содержать средства управления и измерения, такие известные в данной области техники, как расходомеры 109, термометры TI, манометры PI, указатели направления потока FI и измерительные преобразователи расхода FT.
В примере, иллюстрирующем варианты реализации данного изобретения, на фиг. 8 показано сравнение азимутальной скорости (представленной маркерами 81 в виде заполненных кружочков) псевдоожиженного слоя, которая может быть достигнута устройством и способом в соответствии с вариантами реализации данного изобретения, со скоростью, которая может быть достигнута с использованием известной технологии газожидкостного псевдоожижения в поле центробежных сил (представленной маркерами 82 в виде пустых кружочков). Квадратные маркеры соответствуют результатам исследований «Solids velocity fields in a cold-flow gas-solid vortex reactor», выполненных Kovacevic et al, Chem. Eng. Sci. 123, pp. 220-230, а треугольные маркеры представляют другие результаты, полученные авторами. Все маркеры являются типичными для внешней кромки.
Ссылка на предшествующий уровень техники в этом примере соответствует устройству для газо-твердых веществ, известному в данной области техники, например такому, который описан в исследованиях «Gas-solid fluidized beds in vortex chambers», выполненных De Wilde, Chem. Eng. Process. Process Intensif. 85, стр. 256-290
При применении способа предшествующего уровня техники, на который сделана ссылка, азимутальные скорости в твердом слое могут достигать менее 10 м/с, в то же время требуя относительно высокой массовой скорости потока воздуха, как указано маркерами 82 в виде пустых кружочков. Подход в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может позволить добиться тех скоростей, которые указаны маркерами 81 в виде заполненных кружочков. Например, максимальное центробежное ускорение, испытываемое слоем при применении известной технологии с использованием поля центробежных сил, было эквивалентно, например, 150-кратному гравитационному ускорению. Напротив, подход в соответствии с вариантами реализации данного изобретения неожиданно показал максимальное центробежное ускорение, эквивалентное 5000-кратной силе тяжести. Кроме того, снижение массовой скорости потока газа примерно на 50% может быть достаточным, в данном примере, для достижения сравнимых центробежных ускорений. Более того, кроме кинетической энергии поступающего воздуха никакого внешнего потребления энергии не требуется. И наоборот, можно наблюдать снижение примерно на 50% падения давления для достижения сопоставимых центробежных ускорений.

В качестве примера устройства в соответствии с данным изобретением была реализована система, показанная на фиг. 10. Гравиметрический питатель, модели KMLSFSKT20, приобретение которого было осуществлено у компании COPERION К-TRON, использовался для подачи твердых частиц в загрузочный шнек диаметром 10 мм, который транспортирует твердые частицы в камеру устройства. Герметичный корпус гравиметрического питателя был подсоединен к линии подаче сжатого воздуха с давлением максимум до 300 кПа. Перед входом в камеру сжатый воздух с давлением от 200 до 300 кПа проходит через расходомер модели EL-FLOW, приобретение которого было осуществлено у компании BRONKHORST, и регулирующий клапан модели RESEARCH CONTROL, приобретение которого было осуществлено у компании BADGER METER. Мешочный фильтр модели 6943, приобретение которого было осуществлено у компании FILTEX, отделяет твердые частицы от отработанного воздуха на выходе устройства.
В этом примере устройство содержит вращающийся перфорированный цилиндр, например, как показано на фиг. 7. Цилиндр имеет номинальный диаметр 80 мм. Камера имеет номинальную высоту 15 мм.
Двенадцать датчиков дифференциального давления и три датчика абсолютного давления (UNIK 5000) были использованы во время проведения этого образцового эксперимента. Датчики дифференциального давления имеют диапазон измерения от -20 до 20 кПа, два датчика абсолютного давления имеют диапазон измерения от 80 до 120 кПа, а оставшийся датчик абсолютного давления имеет диапазон измерения от 80 до 160 кПа. Все датчики давления имеют частотную характеристику 3,5 кГц и точность по всей шкале ± 0,04%. Была использована плата сбора данных (DAP 840, приобретение которой было осуществлено у компании MICRO STAR LABORATORIES) с частотой 10 Гц.
Расположение мест отбора давления для его измерения показано на фиг. 11. Датчик абсолютного давления с наибольшим диапазоном измерения был подключен к месту отбора давления на наружной стенке рубашки под углом 70° в направлении по часовой стрелке, начиная с положения на 12 часов. На фиг. 11 этот датчик абсолютного давления обозначен как «Рубашка p1». Три датчика дифференциального давления, обозначенные как «Рубашка р2», «Рубашка р3» и «Рубашка р4», были подключены к местам отбора давления на наружной стенке рубашки под азимутальными углами в направлении по часовой стрелке 130°, 190° и 250°, начиная с положения на 12 часов. Четыре датчика дифференциального давления были подключены к местам отбора давления, расположенным внутри камеры под постоянным азимутальным углом и в радиальных положениях от 20 до 30 мм. Эти датчики дифференциального давления на фиг. 11 обозначены как «Камера p1», «Камера р2», «Камера р3» и «Камера р4». Кроме того, четыре датчика дифференциального давления, «Выход p1», «Выход р2», «Выход р3» и «Выход р4» были подключены к местам отбора давления, расположенным на стенке раструба выходного устройства. Наконец, измеряли также перепад давления на кольцевой стенке верхней крышки и в точке, обозначенной как «Верх р2» на фиг. 11. Абсолютное давление измеряли в точке «Верх p1», расположенной в центре верхней крышки и на линии воздуховыпускного патрубка. Расположение последнего места отбора давления на фиг. 11 не показано. Для всех датчиков дифференциального давления в качестве эталонного имелся датчик абсолютного давления, расположенный в точке «Рубашка p1». Во время этого образцового эксперимента все датчики давления ежедневно перекалибровывались.
Ход экспериментов регистрировался с помощью цифровой камеры (GOPRO 3+), размещенной под устройством в соответствии с вариантами реализации данного изобретения. Иллюстрация вида, сделанного с помощью цифровой камеры, показана на фиг. 12. Пять круглых смотровых окон 121, выполненных из прозрачного поликарбонатного стекла, равномерно распределены под нижней крышкой. Радиально расположенные между 30 мм и 43 мм, таким образом, являются визуально доступными. Следовательно, высота слоев до 10 мм вместе с внешней кольцевой стенкой ротора наблюдались в ходе экспериментов. Отметим, что визуальный доступ к радиальным позициям менее 30 мм ограничен статической нижней торцевой стенкой, как показано на фиг. 12. Цифровой тахометр (модель 470, TESTO) был размещен горизонтально, луч был направлен через отверстие, пробитое через неподвижную крышку вала из нержавеющей стали. Кроме того, показания от подключения к расходомеру, было адаптировано для регистрации во время экспериментов.
Видеоизображение с цифровой камеры отображалось на экране, расположенном в удобном месте, которое постоянно контролировалось в ходе экспериментов. Данные, одновременно наблюдаемые и записываемые на видео, представляли собой объемный расход газа, высоту слоя и угловую скорость ротора.
Объемный расход воздуха контролировался с помощью ПИД-регулятора (модель Compact V2, SIEMENS). Параметры ПИД были установлены в соответствии с методом автоколебаний. Максимальный массовый расход воздуха составлял 17,5 г/с, что соответствовало скорости воздуха на входе 82 м/с. В отсутствие твердых частиц ротор начал вращаться обеспечивая массовый расход воздуха 7,0 г/с, что соответствовало скорости воздуха на входе 41 м/с. Эксперименты как с потоком без частиц, так и с потоком с частицами были ограничены этим диапазоном массового расхода воздуха. Однако эксперименты и с более высокими массовыми расходами воздуха считаются осуществимыми. Несмотря на то, что скорость вращения ротора в верхнем пределе вышеупомянутого диапазона массового расхода воздуха превысила 1050 рад/с (10000 оборотов в минуту), в конце этого образцового эксперимента не было видимых признаков деформации ротора и/или отрыв лопаток.
-3
3
-1
Объемный расход воздуха был установлен на уровне 5,6⋅10 м с, что соответствует массовому расходу воздуха 12 г/с и скорости подачи газа 62 м/с. В этих условиях давление в газоприемной рубашке варьировалось от 114 до 115 кПа.
-3
Гравиметрический питатель доставлял порцию твердых веществ общей массой от 50 до 100 г в заборный узел загрузочного шнека. Твердые вещества состояли из соснового дерева со средней плотностью гранул 500 кг м и максимальным размером 1,5 мм.
В металлическом корпусе, который окружает гравиметрический питатель было установлено давление между 125 и 130 кПа.
Скоростью вращения червяка у загрузочного шнека составила 50-100 рад/с. Наличие твердого слоя в камере было подтверждено визуальным контролем через прозрачные стеклянные смотровые окна.
Загрузочный шнек после достижения определенной загрузки камеры твердыми частицами был отключен. Затем давление в корпусе, который окружает гравиметрический питатель, было установлено на значение ниже, чем в камере, чтобы предотвратить попадание в камеру твердого вещества находящегося в загрузочном шнеке.
Объемный расход газа был установлен на значения, указанные в программе экспериментов. Затем одновременно были запущены видеосистема и система сбора данных о давлении. Сбор данных и видеозапись были одновременно остановлены через 60-120 с.
Этот порядок действий повторяли с одинаковой загрузкой твердых частиц для четырех различных массовых расходов воздуха. Эксперименты проводились с различными величинами загрузки твердых веществ в диапазоне от 0,7 до 5,9 г, а также при потоке без частиц.
-3
3
-1
-3
3
-1
Затем в системе подачи твердого вещества сбрасывали давление и объемный расход газа устанавливали на уровне 8,3⋅10 м с. При этом условии ротор остановился, и объемный расход газа был увеличен до 5,6⋅10 м с, чтобы осуществить унос твердых частиц, которые остались в камере.
Наконец, была измерена масса твердых частиц, удерживаемых в мешочном фильтре, и камера была открыта для проверки механической целостности ротора.
В конце каждого образцового эксперимента возможность визуального контроля через смотровые окна была слегка затруднена. Это указывало на то, что небольшое количество пыли присутствовало в зазоре между неподвижной торцевой стенкой и ротором. Воздух под давлением продували через отверстие, используемое для измерения скорости вращения, пока не появилась полноценная возможность визуального контроля камеры.
В дополнение к вышеупомянутым экспериментам была проведена анемометрия по двумерному изображению частиц - PIV (2D PIV) для оценки азимутальных скоростей твердого слоя и того, отличаются ли они от азимутальной скорости ротора. Устройство для 2D PIV было оснащено 4-мегапиксельной CCD-камерой 131 (ImagerProX4M) и Nd:YAG лазером фирмы "Litron" с энергией 135 мДж и частотой 15 Гц. Набор оптики был использован для направления рассеянного лазерного света 132, например, двойного импульсного рассеянного лазерного света, к смотровому окну, а камера PIV была установлена перпендикулярно нижней торцевой стенке для получения изображений освещенных частиц 134 твердого слоя, например, удерживалась на внешней кольцевой стенке 135 ротора, как показано на фиг. 13. Количество пикселей на твердую частицу варьировалось от 200 до 3000. Таким образом, сектор 133 рассеянного лазерного света PIV-измерений определяется установкой лазера.
На фиг. 14 показана скорость вращения ротора как для потока без частиц, так и для потока с частицами с загрузкой твердых частиц в 5,9 г. Скорость впуска воздуха по вторичной оси X на фиг. 14 была рассчитана с учетом того, что площадь поперечного сечения основного воздуховпускного патрубка представляет собой прямоугольник высотой 15 мм и шириной 9 мм. Уменьшение площади поперечного сечения при присоединении линии подачи воздуха к рубашке увеличивает скорость поступающего свежего воздуха. Кроме того, между лопатками и внешней стенкой рубашки имеется зазор в 1 мм, что обеспечивает циркуляцию воздуха вокруг рубашки. Этот зазор в 1 мм является первой попыткой найти компромисс между импульсом, передаваемым ротору, и азимутальной симметрией давления в рубашке.
-3
Общая масса ротора составляет 98 г. Загрузка твердого вещества в 5,9 г приводит к увеличению массы на 6% по сравнению со случаем потока без частиц. Визуальный контроль слоя показал, что высота слоя слегка колеблется около 9 мм. Для этой высоты слоя и средней плотности гранул в 450-500 кг м рассчитанная доля пустот в слое варьируется от 0,56 до 0,61. Угловая скорость ротора увеличивалась с увеличением массового расхода воздуха по кривой сигмоидального типа как для потока без частиц, так и для потока с частицами. Угловая скорость ротора для потока с частицами была выше, чем для потока без частиц. Разница в угловой скорости между потоком с частицами и потоком без частиц увеличилась с 62 до 77 рад/с, когда массовый расход воздуха увеличился с 9,1 до 11,5 г/с. Этот диапазон массового расхода воздуха соответствовал скоростям воздуха на входе 51 и 62 м/с. Для двух последних массовых расходов воздуха, т.е. 14,5 и 17,5 г/с (что соответствовало соответствующим скоростям воздуха на входе 72 и 82 м/с) разница в угловой скорости между потоком с частицами и потоком без частиц стабилизировалась при угловой скорости около 82 рад/с.
Результаты PIV-измерений, которые дополнительно обсуждаются ниже, показали, что средняя разница в азимутальной скорости между ротором и твердым слоем составляла 3%. Таким образом, значения угловых скоростей на фиг. 14 являются первым указанием угловых скоростей твердого слоя. Рассчитанные азимутальные скорости твердого слоя на внутренней и внешней кромках, то есть в радиальных положениях 31 и 40 мм, показаны на фиг. 15. Расчеты учитывают наблюдаемую разницу в 3% между азимутальными скоростями ротора и слоя. Радиально-зависимое центробежное ускорение, рассчитанное в центре твердого слоя, т.е. на радиусе 35,5 мм, изменяется от 340-кратного до 4710-кратного увеличения по сравнению с гравитационным ускорением Земли.
На фиг. 16 показано распределение давления в газоприемной рубашке для потока без частиц и для пяти случаев потока с частицами. В последних загрузках твердых веществ их вес варьировался от 0,7 до 5,9 г. Три датчика дифференциального давления, обозначенные как «Рубашка р2», «Рубашка р3» и «Рубашка р4» и расположенные, как показано на фиг. 11, измеряли разницу давлений относительно абсолютного давления, измеренного в точке «Рубашка p1».
Далее в настоящем документе разность давлений относится к абсолютному значению разности давлений. Случай потока без частиц показал самые низкие перепады давления в рубашке со значениями ниже 0,5 кПа во всем диапазоне массового расхода воздуха. В отличие от других случаев, для потока без частиц перепад давления в точке «Рубашка р2» уменьшался с увеличением массового расхода воздуха. С другой стороны, для потока без частиц перепад давления в точках «Рубашка р3» и «Рубашка р4» увеличивается с увеличением массового расхода воздуха, причем последний демонстрирует большую разницу. У потока с частицами, перепад давления в точке «Рубашка р2» был номинально постоянным в диапазоне массового расхода воздуха 9,1-11,5 г/с, а затем увеличивался при больших массовых расходах воздуха. У потока с частицами, перепад давления в точках «Рубашка р3» и «Рубашка р4» увеличивается с увеличением массового расхода воздуха в полном диапазоне массового расхода воздуха и приближался друг к другу с увеличением величины загрузки твердых частиц. При максимальной загрузке твердых частиц, показанной на фиг. 16, перепады давления в точках «Рубашка р3» и «Рубашка р4» отличались менее чем на 3% во всем диапазоне массового расхода воздуха. Абсолютное давление, измеренное в точке «Рубашка p1», увеличивалось с увеличением массового расхода воздуха с 108 кПа до 130 кПа. Процент перепада давления, рассчитанный как максимальный перепад давления, деленный на абсолютное давление в точке «Рубашка p1», был ниже 1% для всех случаев. На фиг. 16 показано довольно незначительное влияние величины загрузки твердых частиц и массового расхода воздуха на азимутальную симметрию рубашки. Одной линии подачи газа в сочетании с соединением эжекторного типа и с зазором в 1 мм между газоприемной рубашкой и лопатками ротора было достаточно для поддержания в газоприемной рубашке азимутальной симметрии давления.
На фиг. 17 показана разность давлений в точках Камера p1 и Камера р4 относительно давления в точке «Рубашка p1» (см. фиг. 11). Подробные геометрические характеристики и радиальное расположение соответствующих мест отбора давления показаны на фиг. 18. Отверстие для отбора давления, соответствующего точке «Камера p1», охватывает радиальные положения от 27,3 до 29,6 мм, т.е. его среднее радиальное положение составляет 28,5 мм. Наоборот, отверстие для отбора давления, соответствующего точке Камера р4, охватывает радиальные местоположения от 17,9 до 22,0 мм, то есть его среднее радиальное положение составляет 20,0 мм.
В случае потока без частиц перепад давления в точке «Камера p1» в основном обусловлен контактом с ротором. У потока без частиц перепад давления в точке Камера p1 увеличился с 0,6 до 4,3 кПа при увеличении массового расхода воздуха с 9,1 до 17,5 г/с. Для того же диапазона массового расхода воздуха и максимальной загрузки твердых частиц перепад давления в точке Камера p1 увеличился в 2,1-1,4 раза по сравнению с потоком без частиц. Во всем диапазоне величины загрузки твердых частиц и при самом низком массовом расходе воздуха, то есть при 9,1 г/с, поток с частицами показал отклонения падений давлений между точкой Камера р1 и точкой Камера р4 менее чем на 20%. У потока с частицами, при увеличении массового расхода воздуха, отклонение перепада давления между точкой Камера p1 и точкой Камера р4 увеличивалось в диапазоне между 25 и 50%. Кроме того, у потока без частиц отклонение перепада давления между точкой Камера p1 и точкой Камера р4 было заметно выше, достигая прироста в 75%. Это указывает на то, что перепад давления вблизи ротора камеры был менее чувствительным к изменениям массового расхода воздуха в присутствии твердого слоя.
На фиг. 19 показаны разность давлений в точках «Выход p1», «Выход р2», «Выход p3» и «Выход р4» относительно давления в точке «Выход p1» (см. фиг. 11). Расположение этих мест отбора давления показано на фиг. 20. Место отбора давления, соответствующее точке «Выход p1», расположено в горловине выходного устройства, то есть в осевом положении в месте с самой низкой площадью поперечного сечения. Горловина выходного устройства расположена на расстоянии 22,6 мм от горизонтальной плоскости в нижней части сплошного слоя. Последние три места отбора давления охватывают осевые положения 22,6-45,1 мм и радиальные положения 10-18,8 мм. В случае потока без частиц перепад давления в точке «Выход p1» увеличился с 4,6 до 14,7 кПа с увеличением массового расхода воздуха с 9,1 до 14,5 г/с, то есть с увеличением в 3,2 раза. Аналогичное поведение наблюдалось в точке «Выход p1» для всех случаев у потока с частицами со средним приращением разности давлений в 4,6 раза. С другой стороны, как и в случае потока без частиц, так и в случае потока с частицами не наблюдалось дополнительного падения давления в точке «Выход p1» при увеличении массового расхода воздуха с 14,5 до 17,5 г/с. Как и в случае потока без частиц, так и в случае потока с частицами наблюдалось постоянное увеличение перепада давления в точке «Выход р4» во всем диапазоне массового расхода воздуха. Тем не менее, перепад давления между точкой «Выход р4» и точкой «Выход p1» всегда составлял менее 1 кПа в диапазоне массового расхода воздуха 9,1-14,5 г/с. При дальнейшем увеличении массового расхода воздуха до 14,5 г/с перепад давления между точкой «Выход р4» и точкой «Выход p1» составил 5,7 кПа для потока без частиц, а для потока с частицами среднее значение составило 3,0 кПа. И наоборот, при увеличении массового расхода воздуха с 14,5 до 17,5 г/с в случае потока без частиц наблюдался дополнительный перепад давления в 11,3 кПа, тогда как для случая потока с частицами соответствующее среднее значение составляло 9,5 кПа. Из этих результатов следуют два важных вывода: 1) существует значительный перепад давления между точкой «Выход p1» и точкой «Выход р4» для массовых расходов воздуха более 14,5 г/с и 2) перепад давления между точкой «Выход p1» и точкой «Выход р4» значительно выше в случае потока без частиц.
На фиг. 22 показана разница давлений в местах отбора давления по отношению к точке «Рубашка p1», расположенных на верхней наружной стенке, в центре вверху и на выпускной линии. Абсолютное давление измерялось в центре вверху и на выпускной линии, а перепад давления по отношению к точке «Рубашка p1» измерялся на верхней наружной стенке. Расположение этих мест отбора давления показано на фиг. 21. Место отбора давления на верхней наружной стенке расположено на расстоянии 72,0 мм относительно горизонтальной плоскости в нижней части сплошного слоя при радиусе 32 мм. Давление в центре вверху всегда было ниже, чем давление у верхней наружной стенки и в выпускной линии. Давление между центром вверху и выпускной линией увеличивалось с увеличением массового расхода воздуха, но уменьшалось с увеличением загрузки твердых частиц. Эта зона низкого давления соответствует закручивающемуся потоку в раструбе выходного устройства. Ожидается, что зона низкого давления будет простираться вокруг центральной оси раструба выходного устройства, но также будет смещаться вверх через выпускной патрубок в сторону от камеры из-за наличия профилированной нижней торцевой стенки.
На фиг. 23 показан профиль давления по всей камере для потока без частиц и для потока с частицами с величиной загрузки твердых частиц в 5,9 г при самых низких и самых высоких массовых расходах воздуха (т.е. 9,1 и 17,5 г/с). Абсолютные давления были рассчитаны путем вычитания соответствующих разниц давлений из абсолютного давления в точке «Рубашка p1». Поток без частиц показал более высокое общее падение давления по сравнению с потоком с частицами во всем экспериментальном диапазоне массового расхода воздуха. В то время как у потока без частиц общее падение давления увеличилось с 4,7 до 25,6 кПа при увеличении массового расхода воздуха с 9,1 до 17,5 г/с, соответствующее общее падение давления для потока с частицами увеличилось с 3,4 до 21,1 кПа.
У потока без частиц наблюдалось увеличение абсолютного давления в раструбе выходного устройства, хотя места, где происходил этот прирост давления, варьировались в зависимости от массового расхода воздуха. При самом низком массовом расходе воздуха, т.е. при 9,1 г/с, было обнаружено восстановление давления между точкой «Выход p1» и точкой «Выход р2». Однако давление снова снизилось между точкой «Выход р2» и точкой «Выход p3». При самом высоком массовом расходе воздуха, т.е. при 17,5 г/с, было обнаружено восстановление давления между точкой «Выход p3» и выпуском. Что касается восстановления давления в раструбе выходного устройства, то поток с частицами показал результаты, сопоставимые с таковыми для потока без частиц при самом низком массовом расходом воздуха. При самом высоком массовом расходе воздуха наблюдалось восстановление давления между точкой «Выход р4» и выпуском. Переход кинетической энергии в давление в раструбе выходного устройства был едва обнаружен и для практических целей незначителен. На фиг. 23 показан вклад раструба выходного устройства в общее падение давления. При самом высоком массовом расходе воздуха падение давления между точкой «Выход p1» и выпуском составлял 43% от общего перепада давления для потока без частиц и 30% для потока с частицами.
Для удобства анализа профиля давления, устройство в соответствии с вариантами реализации данного изобретения может быть условно разделено на три основные секции, а именно: «Рубашка р1»-«Камера p1», «Камера р1»-«Выход p1» и «Выход р1»-выпуск. На фиг. 24 показан вклад этих секций в общее падение давления для потока без частиц и для потока с частиц при наибольшей загрузке твердых частиц. Для массового расхода воздуха до 15,1 г/с последняя секция, т.е. «Выход р1»-выпуск, имела предельный вклад менее 3%. Сопоставимый результат наблюдался как для потока без частиц, так и для потока с частицами. При увеличении массового расхода воздуха до 14,5 г/с на последнюю секцию приходилось 21 и 8% общего падения давления при потоке без частиц и при потоке с частицами соответственно. Наконец, при дальнейшем увеличении массового расхода воздуха до 17,5 г/с на последнюю секцию пришлось 43 и 30% общего падения давления при потоке без частиц и при потоке с частицами соответственно. Центральная секция устройства, т.е. между точками «Камера р1»-«Выход-р1», привносит наибольший вклад в общее давление как при потоке без частиц, так и при потоке с частицами. Отметим, что для массового расхода воздуха от 9,1 до 11,5 г/с угловая скорость ротора при максимальной загрузке твердого вещества варьировалась от 316 до 697 рад/с. Этот диапазон угловых скоростей соответствует азимутальным скоростям твердого слоя на внутренней кромке слоя, и который составляет 10-22 м/с. С гидродинамической точки зрения этого относительно низкого массового расхода воздуха достаточно для стабильной работы устройства. Отметим, что это наблюдение касается только падения давления, поскольку стабильность работы не была нарушена при более высоких массовых расходах воздуха.
На фиг. 25 показаны азимутальные скорости, измеренные посредством PIV для трех различных массовых расходов воздуха. Для каждого массового расхода воздуха проводили три повторных эксперимента по 100 пар PIV в каждом. Колебания массового расхода воздуха во время PIV-измерений частично объясняют относительно высокое среднее квадратическое отклонение измерений, особенно вблизи внутренней кромки слоя и у кольцевой стенки 251 ротора. Для каждого массового расхода воздуха вместо усреднения трех PIV-измерений отображаются все точки данных. Измерения PIV проводились главным образом для оценки того, вращается ли сплошной слой с такой же угловой скоростью, что и ротор. Сплошные линии на фиг. 25 представляют азимутальные скорости, соответствующие средней азимутальной скорости кольцевой стенки ротора. Сплошной слой вращается со средней азимутальной скоростью на 3% ниже, чем это указано серыми линиями. Средние отклонения в 5% были обнаружены для двух радиальных положений рядом с кольцевой стенкой ротора. В то время как в центре твердого слоя были обнаружены средние отклонения менее 2%.
На фиг. 26 вместе показаны угловая скорость ротора вычисленная по измерениям давления и угловая скорость ротора, полученная в результате измерений посредством PIV 261. Существует значительное расхождение между этими измерениями, особенно при массовых расходах воздуха выше 14 г/с. Наиболее вероятным объяснением этого расхождения является наличие пыли в зазоре между неподвижной торцевой стенкой и ротором. Однако, независимо от источника этого расхождения, это не делает недействительным тот факт, что твердый слой вращается со средними азимутальными скоростями, которые на 3% ниже, чем у ротора.
Мгновенные изображения твердого слоя выявили у него неоднородности в азимутальном направлении. Эти неоднородности не видны невооруженным глазом. На фиг. 27 показаны мгновенные изображения частиц, полученные посредством PIV, с неоднородностью и без нее для массового расхода воздуха 13,1±0,34 г/с. Мгновенное изображение 271 частиц соответствует тому, что удерживающий ротором слой полностью заполнен частицами. Также показано соответствующее поле 273 мгновенной скорости. Мгновенное изображение частиц 272 соответствует тому, что удерживающий ротором слой частично заполнен частицами. Также показано соответствующее поле 274 мгновенной скорости. Также показано поле 275 средней скорости из 100 пар PIV, при которой удерживающий ротором слой полностью заполнен частицами.
-5
2
Воздух моделируется как идеальный газ, а работа считается изотермической. В этих условиях энергетический баланс утверждает, что разность кинетической энергии плюс разность работы жидкости равна кинетической энергии вращения ротора и слоя текучей среды плюс энергия, рассеиваемая из-за трения. Однако первоначальные предположения также подразумевают, что отношение давления к плотности остается постоянным, например, кинетическая энергия воздуха является единственной энергией, вводимой в систему. Кинетическая энергия вращения ротора может быть рассчитана из скорости вращения и момента инерции ротора. Момент инерции был автоматически рассчитан в SOLIDWORKS на основе геометрических характеристик узла ротора, показанного на фиг. 4. Момент инерции ротора составляет 7,158⋅10 кг м. Наличие твердого слоя влияет на момент инерции. Однако при первом расчете влияние твердого слоя на момент инерции ротора не учитывалось. Отметим, что в этом конкретном образцовом эксперименте масса ротора составляет 98 г, а максимальная загрузка твердых веществ в случае потока без частиц приводит к увеличению массы только на 6%.
На фиг. 28 показана величина кинетической энергии, передаваемой потоком воздуха, и величина кинетической энергии, необходимая для вращения ротора для потока без частиц. Кроме того, на фиг. 28 также показана доля кинетической энергии, передаваемая от воздуха, которая преобразуется в энергию вращения ротора. Эта доля увеличивается с увеличением массового расхода воздуха, и максимума она достигает при массовом расходе воздуха в 14,5 г/с, что соответствует скорости нагнетания воздуха в 72 м/с. Максимум этой доли кинетической энергии, передаваемой от воздуха и преобразующейся в кинетическую энергию вращения ротора, составляет 87%. Самая низкая доля преобразования энергии составила 35% и была выявлена при самом низком массовом расходе воздуха. При увеличении массового расхода воздуха с 14,5 до 17,5 г/с доля преобразования энергии с максимального значения в 87% снизилась до 77%.
На фиг. 29 показана величина кинетической энергии, передаваемой потоком воздуха, и величина кинетической энергии, необходимая для вращения ротора для потока с частицами и с загрузкой твердых частиц в 1,6 г. Следует отметить, что кинетическая энергия вращения включает в себя момент инерции, который, как ожидается, изменится в присутствии твердого слоя. Следовательно, сравнение между фиг. 28 и фиг. 29 является только качественным. Тенденции, наблюдаемые при потоке без частиц, все еще сохраняются.
В этом примере устройство для псевдоожижения в поле центробежных сил в соответствии с вариантами реализации данного изобретения было испытано в широком диапазоне массового расхода воздуха и величин загрузки твердых веществ. Угловая скорость ротора увеличивалась с увеличением массового расхода воздуха по кривой сигмоидального типа как для потока без частиц, так и для потока с частицами. Угловая скорость ротора при потоке с частицами была выше, чем при потоке без частиц. Разница в угловой скорости между потоком с частицами и потоком без частиц увеличилась с 62 до 77 рад/с, когда массовый расход воздуха увеличился с 9,1 до 11,5 г/с. Этот диапазон массового расхода воздуха соответствовал скоростям воздуха на входе 51 и 62 м/с. Для двух последних массовых расходов воздуха, т.е. 14,5 и 17,5 г/с (что соответствовало соответствующим скоростям воздуха на входе 72 и 82 м/с) разница в угловой скорости между потоком с частицами и потоком без частиц стабилизировалась при угловой скорости около 82 рад/с. Результаты PIV-измерений показали, что средняя разница в азимутальной скорости между ротором и твердым слоем составляла 3%. Расчетные азимутальные скорости в твердом слое на внутренней и внешней кромках варьируются от 10 до 40 м/с. Радиально-зависимое центробежное ускорение, рассчитанное в центре твердого слоя изменяется от 340-кратного до 4710-кратного увеличения по сравнению с гравитационным ускорением Земли.
Поток без частиц показал более высокое общее падение давления по сравнению с потоком с частицами во всем экспериментальном диапазоне массового расхода воздуха. При потоке без частиц общее падение давления увеличилось с 4,7 до 25,6 кПа при увеличении массового расхода воздуха с 9,1 до 17,5 г/с. Соответствующее общее падение давления при потоке без частиц увеличилось с 3,4 до 21,1 кПа. Переход кинетической энергии в давление в раструбе выходного устройства едва обнаруживался и всегда составлял менее 2 кПа. При массовом расходе воздуха до 15,1 г/с, раструб выходного устройства показал предельный вклад менее 3% в общее падение давления. Сопоставимый результат наблюдался как для потока без частиц, так и для потока с частицами. При увеличении массового расхода воздуха до 14,5 г/с на раструб выходного устройства приходилось 21 и 8% общего падения давления при потоке без частиц и при потоке с частицами соответственно. При дальнейшем увеличении массового расхода воздуха до 17,5 г/с на последнюю секцию приходилось 43 и 30% общего перепада давления при потоке без частиц и при потоке с частицами соответственно.
Баланс энергии показывает, что 35-87% кинетической энергии, передаваемой от воздуха, преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора. Этот процент увеличивается с увеличением массового расхода воздуха, и максимума он достигает при массовом расходе воздуха в 14,5 г/с, что соответствует скорости нагнетания воздуха в 72 м/с.
2
3
2
3
2
3
В примере на фиг. 30 (иллюстрирующем варианты реализации данного изобретения) показана вращающаяся целевая среда (частицы Al и AlO), приводимая в движение текучей средой-носителем (воздухом) с массовым расходом 11,8 г/с. Слой состоит из четырех прослойков сферических частиц соответственно: (i) частицы AlO диаметром 1 мм (10 г), (ii) частицы Al диаметром 0,7 мм (10 г), (iii) частицы Al диаметром 0,5 мм (10 г), и (iv) частицы AlO в виде порошка диаметром от 0,05 до 0,150 мм (10 г). Слой общей массой 40 г вращался устойчиво и стабильно.