Способ гидродинамического возбуждения жидкости, роторный гидродинамический возбудитель и устройство для приготовления композиционного топлива

Способ гидродинамического возбуждения жидкости, роторный гидродинамический возбудитель и устройство для приготовления композиционного топлива

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к технологии гидромеханической обработки жидкостей, имеющих в своем составе связанный водород, с деструктивным преобразованием химических связей жидкостей на молекулярном уровне для различных технологических целей и непосредственно касается способа гидродинамического возбуждения жидкости, роторного гидродинамического возбудителя и устройства для приготовления композиционного топлива.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известны способ и устройство для резонансного возбуждения жидкости, имеющей в своем составе связанный водород, с целью деструктивного преобразования химических связей жидкости на молекулярном уровне (российский патент №2221637 с приоритетом от 31.12.2002, опубликован 20.01.2004).

Этот способ включает подачу подлежащей обработке жидкости в полость рабочего колеса, вращающегося внутри статора, выпуск обрабатываемой жидкости из рабочего колеса через ряд выходных отверстий, равномерно распределенных на его периферийной кольцевой поверхности, в кольцевую полость, ограниченную периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса и коаксиальной поверхностью статора, выпуск жидкости из кольцевой полости в сборную камеру статора и отвод обработанной жидкости на потребление.

Это устройство содержит ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно консольно установленное на валу лопастное рабочее колесо с несущим и покрывающим дисками, статор, вмещающий ротор и имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие для подачи жидкости, сообщенное со входом рабочего колеса, и выпускное отверстие для отвода жидкости, сообщенное с выходом рабочего колеса, кольцевую полость, образованную между периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора и сообщенную с выпускным отверстием, и средство для привода ротора с заданной частотой вращения. Предусмотрен вариант использования изобретения, в частности, для приготовления водотопливной эмульсии как композиционного топлива для теплоэнергетических установок.

При всех достоинствах этого изобретения следует отметить, что оно не исчерпывает дальнейших потенциальных возможностей повышения эффективности гидромеханической обработки жидкостей. В частности, в описанном устройстве в силу конструктивных особенностей не представляется возможным реализовать известные сами по себе свойства осесимметричного вихревого движения жидкости. В то же время, как известно, в подобном вихревом потоке вблизи оси вращения жидкости создаются условия для возникновения интенсивной кавитации, способствующей повышению эффективности гидромеханической обработки жидкости.

ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание таких способа гидродинамического возбуждения жидкости, роторного гидродинамического возбудителя и устройства для приготовления композиционного топлива, которые позволяют существенно повысить эффективность возбуждения жидкости и соответственно улучшить качество ее технологической обработки и тем самым улучшить эксплуатационные качества композиционного топлива.

Поставленная задача решается предлагаемым способом гидродинамического возбуждения жидкости с помощью роторного возбудителя, включающим, как и упомянутый известный способ, подачу подлежащей обработке жидкости на вход лопастного рабочего колеса, вращающегося внутри статора, выпуск обрабатываемой жидкости из рабочего колеса в кольцевую полость, ограниченную периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса и коаксиальной поверхностью статора, выпуск жидкости из кольцевой полости и отвод обработанной жидкости на потребление.

Согласно изобретению, выпуск жидкости из кольцевой полости осуществляют через образованную статором и тыльной стороной рабочего колеса кольцевую вихревую камеру с формированием в ней осесимметричного центростремительного вихревого потока жидкости, распространяющегося вплоть до оси ее вращения, и выпуск жидкости из вихревой камеры осуществляют центральным вихревым потоком, ось которого совпадает с осью вращения рабочего колеса.

Согласно предпочтительному воплощению изобретения, исходящий из вихревой камеры центральный вихревой поток жидкости преобразуют с помощью радиального диффузора в осесимметричный центробежный вихревой поток, поступающий в сборную камеру.

Поставленная задача одновременно решается с помощью предлагаемого роторного гидродинамического возбудителя, который позволяет реализовать описанный способ гидродинамического возбуждения жидкости в рамках единого изобретательского замысла. Этот роторный гидродинамический возбудитель, как и упомянутое известное устройство, содержит

- ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно консольно установленное на валу лопастное рабочее колесо с несущим и покрывающим дисками,

- статор, вмещающий ротор и имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие для подачи жидкости, сообщенное со входом рабочего колеса, и выпускное отверстие для отвода жидкости, сообщенное с выходом рабочего колеса,

- кольцевую полость, образованную между периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора и сообщенную с выпускным отверстием, и

- средство для привода ротора с заданной частотой вращения.

Согласно изобретению, рабочее колесо установлено на валу таким образом, что его вход обращен в сторону подшипников, а между несущим диском рабочего колеса и противолежащей стенкой статора образована кольцевая вихревая камера, выполненная развитой в радиальном направлении с переходом в центральный выходной канал, расположенный по оси вращения ротора.

Описанное расположение рабочего колеса относительно подшипников, наличие и особенности выполнения вихревой камеры позволяют существенно повысить эффективность возбуждения жидкости и соответственно улучшить качество ее технологической обработки.

Согласно предпочтительному воплощению изобретения, роторный гидродинамический возбудитель снабжен радиальным диффузором, вход которого сообщен с выходным каналом вихревой камеры, а выход - со сборной камерой.

В таком конструктивном выполнении радиальный диффузор выполняет комбинированную функцию преобразования в статический напор скоростного напора как расходной составляющей скорости жидкости, так и ее окружной составляющей.

Поставленная задача одновременно решается также с помощью предлагаемого устройства для приготовления композиционного топлива путем гидромеханической обработки смеси углеводородной жидкости и воды, которое позволяет в рамках единого изобретательского замысла осуществить прикладную реализацию описанного выше способа гидродинамического возбуждения жидкости. Это устройство, как и упомянутое выше известное, содержит

- ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно консольно установленное на валу лопастное рабочее колесо, причем

- рабочее колесо выполнено в виде несущего и покрывающего дисков с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд выходных отверстий для прохождения жидкости, равномерно распределенных по окружности,

- статор, вмещающий ротор и имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие для подачи жидкости, сообщенное со входом рабочего колеса, и выпускное отверстие для отвода жидкости, сообщенное с выходом рабочего колеса,

- кольцевую полость, образованную между периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора и сообщенную с выпускным отверстием, и

- средство для привода ротора с заданной частотой вращения.

Согласно изобретению, рабочее колесо установлено на валу таким образом, что его вход обращен в сторону подшипников, а между несущим диском рабочего колеса и противолежащей стенкой статора образована кольцевая вихревая камера, выполненная развитой в радиальном направлении с переходом в центральный выходной канал, расположенный по оси вращения ротора.

Согласно предпочтительному воплощению изобретения, устройство снабжено радиальным диффузором, вход которого сообщен с выходным каналом вихревой камеры, а выход - со сборной камерой.

Описанное выполнение устройства для приготовления композиционного топлива позволяет существенно улучшить эксплуатационные качества приготавливаемого композиционного топлива благодаря повышению эффективности гидродинамического возбуждения смеси углеводородной жидкости и воды.

Другие особенности изобретения будут ясны из нижеследующего подробного описания его воплощений со ссылками на прилагаемые чертежи.

ЧЕРТЕЖИ

Изобретение поясняется примерами его воплощения с иллюстрацией схематическими чертежами, на которых представлены:

Фиг.1 - роторный гидродинамический возбудитель в частичном продольном разрезе;

Фиг.2 - то же, применительно к устройству для приготовления композиционного топлива;

Фиг.3 - то же, частичное поперечное сечение по I-I (Фиг.2).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ гидродинамического возбуждения жидкости с помощью роторного возбудителя включает подачу подлежащей обработке жидкости на вход 1 (Фиг.1) лопастного рабочего колеса 2, вращающегося внутри статора 3. В процессе вращения рабочего колеса 2 обрабатываемая жидкость выпускается из него в кольцевую полость 4, ограниченную периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса 2 и противолежащей коаксиальной поверхностью статора 3. Из кольцевой полости 4 жидкость выпускается в вихревую камеру 5 с осесимметричным центростремительным потоком жидкости. В вихревой камере 5 жидкость вращается относительно оси, совпадающей с осью рабочего колеса 2, с окружной скоростью, увеличивающейся по направлению к оси вращения по закону сохранения количества движения. Осесимметричный центростремительный поток жидкости в вихревой камере 5 распространяется вплоть до оси вращения жидкости. Ее выпуск из вихревой камеры 5 осуществляется центральным вихревым потоком, ось которого совпадает с осью вращения рабочего колеса 2, который отводится на потребление или хранение непосредственно или через промежуточную сборную камеру 6 (Фиг.2). В образованном таким образом центральном вихревом потоке формируется приосевая зона пониженного давления вплоть до разрежения, что способствует интенсивной кавитации и соответствующему активному возбуждению жидкости с деструктивным воздействием на ее химические связи на молекулярном уровне. Для превращения скоростного напора расходной и окружной составляющих скорости жидкости в статический напор центральный вихревой поток, исходящий из вихревой камеры 5, предпочтительно преобразуют с помощью радиального диффузора 7 в осесимметричный центробежный вихревой поток, после чего подают его в сборную камеру 6.

Описанный способ гидродинамического возбуждения жидкости реализуется в рамках единого изобретательского замысла соответствующим роторным гидродинамическим возбудителем (Фиг.1, 2), который содержит ротор 8 с валом 9, опирающимся на подшипники 10 и снабженным уплотнением 11. На валу 9 консольно установлено по крайней мере одно неподвижно соединенное с ним лопастное рабочее колесо 2, выполненное в виде несущего 12 и покрывающего 12а дисков. Статор 3, вмещающий ротор 8, имеет коаксиальную рабочему колесу 2 стенку 13, впускное отверстие 14 для подачи подлежащей обработке жидкости, сообщенное через входную камеру 15 со входом 1 рабочего колеса 2, и выпускное отверстие 16 или 17 (Фиг.2) для отвода обработанной жидкости, сообщенное с выходом рабочего колеса 2. Между периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса 2 и коаксиальной стенкой 13 статора 3 образована кольцевая полость 4. Рабочее колесо 2 установлено на валу 9 таким образом, что его вход 1 обращен в сторону подшипников 10, а между несущим диском 12 рабочего колеса 2 и противолежащей стенкой статора 3 образована сообщенная с кольцевой полостью 4 вихревая камера 5, выполненная развитой в радиальном направлении вплоть до оси вращения ротора 8. Вихревая камера 5 переходит в центральный выходной канал 18, расположенный по оси вращения ротора 8 и сообщенный с конечным пользователем непосредственно или через промежуточную сборную камеру 6 (Фиг.2). Предусмотрено любое подходящее из числа известных средство для привода ротора 8 с заданной частотой вращения, например электродвигатель (на чертежах не показан). Роторный гидродинамический возбудитель предпочтительно снабжен радиальным диффузором 7, вход которого сообщен с выходным каналом 18 вихревой камеры 5, а выход - со сборной камерой 6.

Описанный выше способ гидродинамического возбуждения жидкости реализуется в рамках единого изобретательского замысла также устройством для приготовления композиционного топлива путем гидромеханической обработки смеси углеводородной жидкости и воды с помощью роторного гидродинамического возбудителя (Фиг.2, 3). Последний содержит ротор 8 с валом 9, опирающимся на подшипники 10 и снабженным уплотнением 11. На валу 9 консольно установлено по крайней мере одно неподвижно соединенное с ним лопастное рабочее колесо 2, выполненное в виде несущего 12 и покрывающего 12а дисков с периферийной кольцевой стенкой 19. В последней выполнен ряд равномерно распределенных по окружности выходных отверстий 20 для выпуска обрабатываемой жидкости. Статор 3, вмещающий ротор 8, имеет коаксиальную рабочему колесу 2 стенку 13, впускное отверстие 14 для подачи подлежащей обработке жидкости, сообщенное через входную камеру 15 со входом 1 рабочего колеса 2, и выпускное отверстие 17 для отвода обработанной жидкости, сообщенное с выходом рабочего колеса 2. Между периферийной кольцевой стенкой 19 рабочего колеса 2 и коаксиальной стенкой 13 статора 3 образована кольцевая полость 4. Рабочее колесо 2 установлено на валу 9 таким образом, что его вход 1 обращен в сторону подшипников 10, а между несущим диском 12 рабочего колеса 2 и противолежащей стенкой статора 3 образована сообщенная с кольцевой полостью 4 вихревая камера 5, выполненная развитой в радиальном направлении вплоть до оси вращения ротора 8. Вихревая камера 5 переходит в центральный выходной канал 18, расположенный по оси вращения ротора 8 и сообщенный со сборной камерой 6. Предусмотрено любое подходящее из числа известных средство для привода ротора 8 с заданной частотой вращения, например электродвигатель (на чертежах не показан). Устройство для приготовления композиционного топлива предпочтительно снабжено радиальным диффузором 7, вход которого сообщен с выходным каналом 18 вихревой камеры 5, а выход - со сборной камерой 6. Для воды или иного компонента смеси жидкостей может быть предусмотрена отдельная распределительная камера 21 с рядом выходных отверстий, обеспечивающих равномерное распределение воды в массе углеводородной жидкости, поступающей на вход 1 рабочего колеса 2. Может быть предусмотрена возможность возврата по внешнему контуру рециркуляции (на чертежах не показан) во входную камеру 15 на повторную обработку части предварительно обработанной жидкости из сборной камеры 6 или непосредственно из выходного канала 18 вихревой камеры 5, в последнем случае - через выходное отверстие 22.

Ширина выходных отверстий 20 рабочего колеса 2 в окружном направлении может составлять предпочтительно половину их окружного шага и может незначительно изменяться на всем их радиальном протяжении. Количество этих отверстий известным образом выбирается в зависимости от выбранной частоты акустического воздействия на жидкость и может составлять, например, 50...150 шт.

Для решения обычных практических задач гидромеханической обработки жидкости может быть достаточным применение устройства согласно изобретению с одним рабочим колесом 2. Однако при необходимости ротор 8 может содержать в рамках единого изобретательского замысла два и более рабочих колес, обычным образом устанавливаемых на общем валу 9, которые по потоку жидкости могут обычным образом соединяться последовательно или параллельно. Возможно также параллельное, последовательное или комбинированное соединение по потоку жидкости нескольких автономных устройств согласно изобретению как с одним, так и с несколькими рабочими колесами.

Описанное устройство для приготовления композиционного топлива работает следующим образом (Фиг.2...3):

Ротор 8 с рабочим колесом 2 приводится, например, электродвигателем с заданной частотой вращения. Подлежащая обработке жидкость или смесь жидкостей подается через впускное отверстие 14 во входную камеру 15 и далее на вход 1 рабочего колеса 2, вращающегося внутри статора 3. Из полости рабочего колеса 2 обрабатываемая жидкость под напором выпускается через ряд его выходных отверстий 20 в кольцевую полость 4 между рабочим колесом 2 и коаксиальной стенкой 13 статора 3. При этом вращающаяся в кольцевой полости 4 жидкость подвергается акустическому возбуждению с выбранной частотой. Затем вращающаяся жидкость поступает в вихревую камеру 5 и продолжает вращаться в виде осесимметричного спиралеобразного центростремительного потока с окружной скоростью, возрастающей по направлению к оси вращения соответственно закону сохранения количества движения. При этом в приосевой зоне вихревой камеры 5 и выходного канала 18 образуется область пониженного давления вплоть до разрежения, сопровождающегося возникновением интенсивной кавитации. Из выходного канала 18 вихревой камеры 5 осевой поток обработанной жидкости поступает на вход радиального диффузора 7, преобразующего скоростной напор в статический, и с его выхода - в сборную камеру 6. Из нее жидкость уже в виде композиционного топлива выводится через выпускное отверстие 17 на дальнейшую обработку, хранение или использование. Часть первоначально обработанной жидкости может быть возвращена по внешнему контуру рециркуляции (на чертежах не показан) во входную камеру 15 для дополнительной обработки из сборной камеры 6 или непосредственно из выходного канала 18 вихревой камеры 5, в последнем случае - через выходное отверстие 22.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Практическая область промышленного применения изобретения охватывает энергетическую, теплотехническую, химическую, нефтеперерабатывающую, нефтехимическую и другие отрасли промышленности, связанные с технологической переработкой жидкостей, а также смежные отрасли.

Перечень видов жидкостей, поддающихся гидромеханической обработке согласно изобретению, охватывает практически любые естественные и искусственные жидкости, имеющие в своем составе связанный водород, прежде всего воду, спирты, углеводородные жидкости и их смеси, в том числе с водой, в широком диапазоне вязкости и других физико-химических свойств. Не составляют исключения также всевозможные растворы, эмульсии, суспензии и т.п. смеси на основе упомянутых жидкостей, в том числе взаимно не смешивающихся, такие как мазут с водой, дизельное топливо с водой, бензин с водой и другие водотопливные смеси (композиционное топливо).

Ниже приведен конкретный пример практической реализации изобретения (Табл.1) и вариант его использования применительно к приготовлению водомазутной эмульсии как композиционного топлива для котельных и печных установок (Табл.2).

Таблица 1.
Пример практической реализации изобретения.
Наименование	Единица измерения	Величина
Производительность	м3/час	до 50
Частота вращения рабочего колеса	об./мин	3000 (синхр.)
Мощность приводного электродвигателя	кВт	45
Радиус периферийной кольцевой поверхности рабочего колеса	мм	140
Радиальный размер кольцевой полости	мм	10

Таблица 2.
Пример реализации изобретения в технологии приготовления водомазутной эмульсии как композиционного топлива для котельных и печных установок
Наименование	Единица измерения	Величина
Мощность приводного электродвигателя	кВт	45
Частота вращения ротора	об./мин	2940
Производительность приготовления композиционного топлива	м3/час	до 30
Радиус периферийной кольцевой поверхности рабочего колеса	мм	140
Количество выходных отверстий рабочего колеса	шт.	60
Частота акустического возбуждения жидкости	кГц	2,92
Радиальный размер кольцевой полости	мм	3,6
Количество воды в композиционном топливе	%	до 45
Рециркуляция по внешнему контуру	%	10...30
Дисперсность воды в композиционном топливе	мкм	1...2
Седиментационная стабильность при хранении
композиционного топлива при 20°С	мес.	>36
при 60°С		>12
при 99°С		2...3
Относительная низшая теплота сгорания композиционного топлива (по сравнению с исходным топливом)	%	95...100

1. Способ гидродинамического возбуждения жидкости с помощью роторного возбудителя, включающий подачу подлежащей обработке жидкости на вход лопастного рабочего колеса, вращающегося внутри статора, выпуск обрабатываемой жидкости из рабочего колеса в кольцевую полость, ограниченную периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса и коаксиальной поверхностью статора, выпуск жидкости из кольцевой полости и отвод обрабатываемой жидкости на потребление, отличающийся тем, что выпуск жидкости из кольцевой полости осуществляют через образованную статором и тыльной стороной рабочего колеса кольцевую вихревую камеру с формированием в ней осесимметричного центростремительного вихревого потока жидкости, распространяющегося вплоть до оси ее вращения, и выпуск жидкости из вихревой камеры осуществляют центральным вихревым потоком, ось которого совпадает с осью вращения рабочего колеса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходящий из вихревой камеры центральный вихревой поток жидкости преобразует с помощью радиального диффузора в осесимметричный центробежный вихревой поток, поступающий в сборную камеру.

3. Роторный гидродинамический возбудитель, содержащий a) ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно консольно установленное на валу лопастное рабочее колесо с несущим и покрывающим дисками, b) статор, вмещающий ротор и имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие для подачи жидкости, сообщенное со входом рабочего колеса, и выпускное отверстие для отвода жидкости, сообщенное с выходом рабочего колеса, c) кольцевую полость, образованную между периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора и сообщенную с выпускным отверстием, d) средство для привода ротора с заданной частотой вращения, отличающийся тем, что рабочее колесо установлено на валу таким образом, что его вход обращен в сторону подшипников, а между несущим диском рабочего колеса и противолежащей стенкой статора образована кольцевая вихревая камера, выполненная развитой в радиальном направлении с переходом в центральный выходной канал, расположенный по оси вращения ротора.

4. Роторный гидродинамический возбудитель по п.3, отличающийся тем, что он снабжен радиальным диффузором, вход которого сообщен с выходным каналом вихревой камеры, а выход - со сборной камерой.

5. Устройство для приготовления композиционного топлива путем гидромеханической обработки смеси углеводородной жидкости и воды с помощью роторного гидродинамического возбудителя, который содержит a) ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно консольно установленное на валу лопастное рабочее колесо, причем b) рабочее колесо выполнено в виде несущего и покрывающего диска с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд выходных отверстий для прохождения жидкости, равномерно распределенных по окружности, c) статор, вмещающий ротор и имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие для подачи жидкости, сообщенное со входом рабочего колеса, и выпускное отверстие для отвода жидкости, сообщенное с выходом рабочего колеса, d) кольцевую полость, образованную между периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора и сообщенную с выпускным отверстием, и e) средство для привода ротора с заданной частотой вращения, отличающееся тем, что рабочее колесо установлено на валу таким образом, что его вход обращен в сторону подшипников, а между несущим диском рабочего колеса и противолежащей стенкой статора образована кольцевая вихревая камера, выполненная развитой в радиальном направлении с переходом в центральный выходной канал, расположенный по оси вращения ротора.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено радиальным диффузором, вход которого сообщен с выходным каналом вихревой камеры, а выход - со сборной камерой.