РОТОРНЫЙ АППАРАТ
ROTARY DEVICE

Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических, тепломассообменных процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое - жидкость».
Известен роторный аппарат, содержащий концентрично размещенные в рабочей камере ротор и статор с отверстиями на боковой поверхности, патрубки входа и выхода среды, в камере напротив выходных отверстий статора под углом, близким к 90° по отношению к исходящей струе, расположены пружинные элементы (А.с. СССР 1240440, В01F, 7/28, 1986 г.). Недостатком этой конструкции является то, что дробление капель обрабатываемой среды в рабочей камере осуществляется за счет вихревых потоков, создаваемых пружинными элементами и их механическими колебаниями, а это значительно менее эффективно, чем кавитационное диспергирование.
Наиболее близким к изобретению по получаемому эффекту является роторный аппарат, содержащий концентрично размещенные в рабочей зоне ротор и статор с отверстиями на боковой поверхности, патрубки входа и выхода среды, отверстия ротора и статора выполнены в форме треугольников, и в камере напротив отверстий статора расположены вертикальные стержни (А.с. СССР 1169721, B01F, 7/28, 1985 г.). В этой конструкции стержни используют остаточную кинетическую энергию струй, преобразуя ее в энергию кавитации. Основной недостаток этой конструкции - невозможность плавно регулировать интенсивность кавитации и отсутствие возможности синхронизации дополнительных колебаний и основных, генерируемых роторным аппаратом.
Техническая задача изобретения - интенсификация физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в роторном аппарате, содержащем корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, в боковой стенке камеры напротив выхода из каналов в статоре установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения стержни, ось которых совпадает с осью каналов в статоре, и на торцевой поверхности находится отражатель в виде лунки, причем расстояние между торцом стержня и наружной поверхностью статора не менее 0,05 мм.
На фиг.1 изображен роторный аппарат, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - график зависимости величины кавитационных импульсов давления от расстояния между торцом стержня и наружной поверхностью статора; на фиг.4 - график зависимости величины кавитационных импульсов давления от угловой частоты вращения ротора.
Роторный аппарат содержит корпус 1 с патрубком выхода среды 2, крышку 3 с патрубком входа 4, статор 5 с каналами 6 в боковых стенках, ротор 7 с каналами 8 в боковых стенках, камеру озвучивания 9, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 5, стержни 10 в камере озвучивания 9.
Роторный аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая среда поступает через патрубок 4 под давлением в полость ротора 7. Затем через канала 8 ротора 7 и каналы 6 статора 5 проходит в камеру озвучивания 9 и выводится из аппарата через патрубок 2.
Одним из важнейших факторов, интенсифицирующих процессы эмульгирования, диспергирования, экстракции и т.д. в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость» является возбуждаемые в обрабатываемой среде кавитация и турбулентные пульсации среды.
Обрабатываемая среда на выходе из канала статора, попадая на отражатель, расположенный на торцевой поверхности стержня, образует кавитационную полость между выходом канала статора и отражателем. Кавитационная полость пульсирует с определенной частотой и интенсивностью, определяемыми соотношениями между размерами канала статора и отражателя и расстояния между ними при определенной форме отражающей поверхности. Наиболее экономически выгодна вогнутая форма отражателя в виде лунки (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П.Галямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979, с.80). Таким образом, обрабатываемая среда в камере озвучивания подвергается дополнительному акустическому воздействию при возникновении интенсивной кавитации. Одновременно в роторном аппарате генерируются акустические колебания, вызываемые периодически перекрываемыми каналами ротора и статора (основной тон). Частота этих колебаний зависит от угловой частоты вращения ротора и числа каналов в роторе и статоре. Если по известным методикам рассчитать размеры канала статора и лунки, предусмотреть регулирование расстояния между отражателем и выходом канала статора, определить число каналов в роторе и статоре, частоту вращения электродвигателя, приводящего во вращение ротор, так, что частота колебаний основного тона будет равна частоте колебания кавитационной полости, то возникает резонанс. При этом повышается интенсивность колебания и его монохроматичность. Одновременно возрастает интенсивность кавитационных явлений на выходе из канала статора. Кроме того, так как направление движения обрабатываемой среды резко изменяется после попадания ее на отражатель, то в камере озвучивания возникают интенсивные турбулентные потоки. Таким образом, в предлагаемой конструкции осуществляется двухступенчатая обработка жидкой среды. Среда в начале канала подвергается интенсивному кавитационному и механическому воздействию при периодическом перекрывании каналов статора, а затем кавитационному, ударному и турбулентному воздействию на выходе из канала статора. Все вышеуказанные факторы позволяют значительно интенсифицировать процессы эмульгирования, диспергирования, растворения, экстракции и т.д.
К преимуществам предлагаемого конструктивного решения можно отнести то, что его можно использовать практически в любых аналогичных устройствах с минимальными затратами на модернизацию.
Для подтверждения эффективности предлагаемой конструкции проведены эксперименты по определению интенсивности кавитации в камере озвучивания и растворению хлорида натрия в воде.
кв
Интенсивность кавитации оценивалась по величине кавитационных импульсов давления Р, определяемых с помощью датчика из титаната бария, помещенного вблизи кавитационной области, образующейся между выходом канала статора и отражателем 11. Оптимальный режим достигался изменением частоты вращения ротора ω и расстояния L между выходом из канала статора и отражателем 11 за счет перемещения резьбового стержня в боковой стенке камеры.
-1
-1
-1
-1
опт
На фиг.3 изображены графики, характеризующие интенсивность кавитации в зависимости от ω и L в водопроводной воде. Очевидно, что при изменении ω=(125…300)с максимум кавитации наблюдается при L≈0,45 мм. При частоте вращения ротора ω=125 с кавитация максимальна, причем после оптимального значения L интенсивность кавитации плавно спадает. При ω=100,150 с интенсивность кавитации более критична к изменению L, и уже при L>1 мм она не изменяется, в исследованных пределах. Таким образом, при ω=125 с имеем наилучший режим работы с точки зрения интенсивности кавитации.
опт
опт
Эксперименты по получению водомазутной и спиртобензиновой смесей показали, что значение L изменяется в пределах ~ (0,1… 1,2) мм. Это объясняется влиянием физико-механических свойств среды (вязкость, коэффициент поверхностного натяжения и т.д.). Таким образом, с учетом погрешностей изготовления, измерения и т.д. расстояние от выхода канала статора (наружная поверхность статора) до торца стержня должно быть не менее 0,05 мм. На основе проведенного экспериментального исследования можно сделать еще один вывод о том, что предлагаемое устройство можно использовать для интенсификации процессов в системах «твердое-жидкость», например растворения, экстракции и т.д., при условии, что характерный размер твердых частиц меньше оптимального значения L для предотвращения забивания каналов. Хотя, например в процессах растворения, при увеличении L больше оптимального значения можно ожидать увеличения скорости процесса за счет увеличения поверхности контакта фаз при дроблении твердых частиц на торцевой поверхности стержней и уменьшения толщины диффузионного слоя в условиях сильно развитой турбулентности.
опт
-1
Па фиг.4 показаны графики, более наглядно показывающие влияние ω на интенсивность кавитации при L=0,45 мм. Очевидно, что значение ω=125 с соответствует предложенному механизму интенсификации процесса кавитации при рассмотренном конструктивном решении роторного аппарата, т.е. режиму резонанса.
Эффективность аппарата при проведении массообменных процессов оценивается временем достижения концентрации насыщения при растворении хлорида натрия с максимальным размеров частиц менее 0,45 мм. Результаты исследования приведены в таблице
Таблица
Частота вращения ротора, с<sup>-1</sup>
50
100
125
150
200
Время достижения концентрации насыщения, с
базовая конструкция
20
15,5
14,5
13,5
12,5
предлагаемая конструкция
16
12
8,5
10
9,5
Эксперименты показывают, что при несоблюдении условий резонанса время достижения концентрации насыщения уменьшается приблизительно на (20…26)%, а при соблюдении резонанса - приблизительно на 40%. Результаты исследования процесса растворения показывают, что роторный аппарат работает наиболее эффективно в случае, когда частота колебаний, излучаемых роторным аппаратом, совпадает с частотой колебаний кавитационной полости между выходом канала статора и отражателем в виде лунки.