Роторный гидродинамический кавитационный аппарат

Роторный гидродинамический кавитационный аппарат

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к устройствам для образования потоковой кавитации для тонкодисперсного эмульгирования, диспергирования и смешивания в системах «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело». Может быть использовано в химической, нефтяной, фармацевтической, машиностроительной, горнодобывающей и других отраслях промышленности, а также для приготовления обеззараженных кормов для сельскохозяйственных животных. С целью повышения производительности аппарата, а также повышения количественного образования кавитационных пузырьков в роторе аппарата предусмотрено непрерывное, в отличие от роторно-импульсных аппаратов, ступенчатое образование кавитационных пузырьков, «схлопывание», исчезновение которых предусматривается в обрабатываемой жидкости, суспензии.

Известно устройство, многоступенчатый роторно-импульсный аппарат, патент России № 2206380, в котором у ротора со сквозными отверстиями с обеих сторон расположены два статора с радиальными пазами. Отверстия ротора и пазы статора образуют между собой ступени роторно-пульсационных пар.

Недостатками известного устройства являются:

- прерывистое движение обрабатываемой жидкости по ступеням аппарата, что препятствует образованию большого количества кавитационных пузырьков.

Известно устройство, роторно-импульсный аппарат, авторское свидетельство № 829155, предназначенный для проведения гетерогенных процессов, интенсификация которых достигается чередованием роторов и статоров, снабженных прорезями, в котором расстояние между ротором и статором кратно полуволне возбуждаемых колебаний. Такое расположение ротора и статора способствует образованию стоячей волны с развитыми акустическими течениями.

Недостатками известного устройства является импульсное образование колебаний в обрабатываемой среде.

Известно устройство, роторный кавитационный аппарат, патент России № 2174045, содержащий корпус с входными и выходными отверстиями и образующий рабочую камеру, в которой размещены статор и на приводном валу ротор. Статор и ротор состоят из дисков, установленных поочередно вдоль оси симметрии рабочей камеры в направлении вход выход, при этом первый от входа диск ротора снабжен радиальными лопатками, второй диск ротора, расположенный между дисками статора с радиальными прорезями и лопастями, один в виде клина, вторые - в виде параллелепипеда.

Недостатками известного устройства являются:

- сложность устройства;

- возможность обрабатывать только системы «жидкость-жидкость».

Известно устройство, роторный диспергатор, патент России № 2040962, предназначенный для измельчения зернистых материалов в процессе диспергирования суспензий, содержащий корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор с каналами в плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора. Статор выполнен в виде соплового аппарата с сужающимися в направлении движения жидкости соплами, а ротор выполнен в виде рабочего центробежного колеса и периферийного кольца-активатора с системой каналов, оси которых перпендикулярны к направлению движения жидкости.

Недостатками известного устройства являются:

- отверстия статора выполнены сужающимися, что приводит только к ускорению жидкости массового образования кавитационных пузырьков;

- исполнение отверстий ротора под углом 90-120° к отверстиям статора приводит к ударному измельчению зерен измельчаемого материала и также не способствует образованию в роторе большого количества кавитационных пузырьков.

Известно устройство, кавитационный реактор, авторское свидетельство №1694196, которое относится к перемешиванию в кавитационных реакторах, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода, ротор которого выполнен в виде диска с закрепленными на нем кавитаторами клиновидной формы. В процессе вращения ротора за кавитаторами образуются пузырьки каверны, в хвостовой части которых происходит схлопывание кавитационных пузырьков. Оригинальное размещение кавитаторов позволяет использовать их и для прокачивания обрабатываемой жидкости.

Недостатками известного устройства являются:

- слабое образование кавитационных пузырьков;

- отсутствие гарантии, что вся обрабатываемая жидкость подвергается кавитационной обработке.

Известно устройство, мешалка, патент России № 2234974, которое относится к устройствам перемешивания и суспензирования материалов в жидкости. Мешалка содержит корпус с отражательными планками, установленными на его внутренней поверхности. На вертикальном валу закреплен дисковый ротор, на верхней периферийной поверхности которого установлены конфузоры, большим сечением обращенные в сторону вращения. Дисковый ротор по радиальной периферии имеет буртик, высота которого равна большему диаметру конфузора.

Работает известное устройство следующим образом: исходная смесь, содержащая твердые частицы и жидкость, подается в центр вращающегося ротора и под действием центробежной силы смесь отбрасывается к конфузорам. Разогнавшись в конфузорах, смесь частиц и жидкости ударяется о поверхность отражательных планок.

Недостатками известного устройства являются:

- неправильное, с точки зрения использования центробежной силы, расположение конфузоров. Радиальное расположение конфузоров: большим диаметром к центру, а малым к периферии диска, намного улучшило бы эффективность устройства;

- если составить план скоростей смеси, выходящей из малого диаметра конфузора, то видно, что радиальная составляющая, которая должна ударить струю в отражательные планки, мала. Скорее всего, суспензия ударится в суспензию, находящуюся между ротором и корпусом, чем и обеспечивается перемешивание с одновременным диспергированием.

Известно устройство, насос-теплогенератор, (прототип) патент России № 94029725, предназначенный для прямого преобразования механической энергии в тепловую энергию, включающий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой и нагнетательными патрубком для отвода нагретой жидкости, консольно подвешенный внутри корпуса на валу привода вращения полый ротор. Роторы в известном устройстве выполнены в виде:

а) лопастей, оснащенных в периферийной части каналами (карманами), расположенными за каждой лопастью;

б) в роторе выполнены каналы, в периферийной части которых расположены углубления (карманы), открытыми концами направленные в сторону вращения.

Положительным в известном устройстве является то, что предпринята попытка создания эффективного устройства, все процессы которого по нагреву жидкости протекают в роторе.

Недостатками известного устройства являются:

- недостаточно эффективная форма, с точки зрения образовывания гидродинамической кавитации, формы отверстий, выполненных в виде прямолинейных каналов, в периферийной части которых находятся углубления (карманы), вызывающие колебания жидкости;

- в конструкции ротора с дугообразными каналами, хотя и снижается внутреннее гидросопротивление и повышается эксплуатационная надежность устройства, но это делается для уменьшения опасности кавитации.

Раскрытие изобретения.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание простого, ремонтоспособного, эффективного и универсального устройства, в котором непрерывно и в большом количестве осуществляется процесс образования кавитационных пузырьков, «схлопывание» которых происходит в обрабатываемой жидкости, суспензии и т.д.

Техническим результатом изобретения является создание устройства, в котором в результате непрерывного и массового образования кавитационных пузырьков и создания условий их «схлопывания» в обрабатываемой жидкости или суспензии, происходит ускоренный разогрев жидкости или суспензии, уничтожение патогенной микрофлоры, создание устойчивых эмульсий, тонкодисперсное измельчение твердых тел в жидкости и т.д.

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкций роторного гидродинамического кавитационного аппарата, порядка его работы со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены:

На Фиг.1 изображен заявляемый роторный гидродинамический кавитационный аппарат в продольном разрезе, включающий:

корпус аппарата 1;

приводной вал 2;

гидродинамические кавитаторы 3;

всасывающая полость 4.

На Фиг. 2 изображен поперечный разрез заявляемого устройства, включающий:

лопатки ротора 5;

броневую защиту корпуса 6;

регулятор избыточного давления 7;

корпус ротора 8.

На Фиг.3 изображен продольный разрез гидродинамического кавитатора, включающий:

корпус ротора 8;

круглоцилиндрические насадки Вентури 9, 11;

резонирующую камеру 10;

внезапно расширяющийся насадок Борда 12;

кольцевые водоворотные зоны А, В, образующиеся в насадках Вентури;

кольцевую водоворотную зону резонирующей камеры Б;

кольцевую водоворотную зону насадка Борда Г;

d_o - внутренний диаметр насадка Вентури;

d_к - внутренний диаметр резонирующей камеры и насадка Борда;

l_о =l - длина насадка Вентури;

l_к - длина резонирующей камеры;

l_в.р - длина внезапно расширяющегося насадка Борда;

Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, включающем; корпус аппарата 1, на приводном валу 2 закреплен ротор 8, в радиальных отверстиях которого от лопаток ротора 5, до периферии ротора установлены сборные гидродинамические кавитаторы 3, На внутренней поверхности корпуса, установлена ребристая бронезащита 6.

В корпусе аппарата со стороны приводного устройства расположена всасывающая полость, а на выходном патрубке установлен регулятор избыточного давления 7. Гидродинамические кавитаторы включают круглоцилиндрические насадки Вентури 9, 11, резонирующие камеры 10, и внезапно расширяющие насадки Борда. Лопатки ротора 5, установленные под углом к радиусу, предназначены для сообщения обрабатываемой жидкости или суспензии кинетической силы инерции и направления ее в гидродинамические кавитаторы 3. Броневая защита корпуса 6 предназначена для защиты корпуса от воздействия «охлопывающихся» навигационных пузырьков, не успевших сомкнуться в обрабатываемой жидкости. Количество устанавливаемых гидродинамических кавитаторов зависит от размеров ротора и определяется из условий прочности ротора. Диаметры деталей и их длина находятся в определенной зависимости между собой и зависят от производительности заявляемого аппарата.

Работает роторный гидродинамический кавитационный аппарат следующим образом.

Приводной вал 2, с закрепленным на нем ротором 8, установлен в корпусе 1, получив от любого привода (электродвигатель, ДВС, ветродвигатель и. т.д.) энергию вращения лопатки ротора 5, закачивает жидкость или суспензию из всасывающей полости 4, передает ее частицам кинетическую энергию и отбрасывает ее в радиальном направлении к входным отверстиям гидродинамических кавитаторов 3. Входные отверстия гидродинамических кавитаторов выполнены как внезапное сужение трубопровода. (Т.М.Башта «Машиностроительная гидравлика». М., «Машиностроение.» - 1971 г., стр. - 82). Жидкость, проходя мимо прямоугольной кромки входного отверстия, благодаря силам инерции частиц жидкости, сжимается в круглоцилиндрическом насадке Вентури 9, с образованием кольцевой водоворотной зоны - А. Затем струя обрабатываемой жидкости расширяется и заполняет весь насадок.

Сама водоворотная зона А, как и транзитная струя, в пределах этой области характеризуется наличием вакуума, а значит создан первый участок образования кавитационных пузырьков.

Под действием силы инерции смесь жидкости и кавитационных пузырьков направляется в резонирующую камеру 10. Проходя через резонирующую камеру 10, транзитная струя жидкости образует вторую кольцевую водоворотную зону - Б.

Поверхность раздела в резонирующей камере выражена нечетко. Она носит неустановившийся и неустойчивый характер. Периодически эта поверхность получает местные искривления, которые, попадая в транзитную струю, уносятся ею. Поверхность же раздела вновь восстанавливается с тем, чтобы в последующие моменты опять распасться, вызывая пульсацию скоростей, импульсы вакуума и давлений. Это второй участок образования кавитационных пузырьков.

Далее транзитная струя жидкости попадает круглоцилиндрический насадок Вентури 11, работа которого аналогична насадку - 9, в котором образуется кольцевая водоворотная зона - В. Это - третий последовательно расположенный участок образования кавитационных пузырьков. Транзитная струя жидкости, прошедшая три участка насыщения кавитационными пузырьками, попадает во внезапно расширяющийся насадок Борда 12, в котором образуется четвертый участок с пониженным давлением, водоворотная зона - Г.

Из насадок Борда - 12 смесь жидкости и кавитационных пузырьков с большой скоростью влетает в слой обрабатываемой жидкости, расположенной между ротором 8 и броневой защитой корпуса - 6, давление в котором поддерживается регулятором избыточного давления.

Наличие избыточного давления, а также ребристая поверхность бронедиска способствуют интенсивному «захлопыванию» - исчезновению навигационных пузырьков, сопровождающемуся резким повышением температур до 2000°С и давлений 10000 кг/см², появлению ударных волн, обеспечивающих эмульгирование, обеззараживание жидкостей и диспергирование твердых тел.

По мере износа деталей гидродинамических кавитаторов от абразивного износа и снижения плотности кавитации их заменяют на новые.

Длина насадков Вентури выбирается по рекомендации (P.P. Чугаев, «Гидравлика», М. Энергия. Ленинградское отделение 1971 г., стр.310).

(3,5÷4)d_o≤l_o=l1≤(6÷7)d_o,

где

l_o и l₁ - длина насадков Вентури;

d_o - диаметр отверстия в насадке.

Длина резонансной камеры и ее диаметр определены экспериментально и равны:

d_к=l_к1=3d_o

Диаметр внезапно расширяющегося насадка Борда принят одинаковым с диаметром резонансной камеры, а ее длина l_в.р=5d_o определена экспериментально.

Пример № 1. Приготовление водоугольного топлива.

Исходные продукты: вода 40%, уголь фракции 0-10 мкм.

В результате обработки получена желеобразная тиксотропная масса, размер частиц угля в которой составил:

до 200 мкм - 1,5%

от 200 до 100 мкм - 12%

от 100 до 70 мкм - 15%

остальное <70 мкм 71,5%.

Эмульсия не расслаивалась в течение 2 лет. Затраты энергии на приготовление 1 т продукта составляют 15-17 кВт.

Пример № 2. Обеззараживание питьевой воды.

При 2-х кратном проходе через аппарат воды погибало 85% бактерий.

После 4-5 кратного прохода через аппарат 100%.

Пример № 3. «Мокрый» помол зерна в воде.

С целью приготовления корма для свиней.

Исходные продукты:	зерно пшеницы	1 часть
	вода	2 части

После 10 минутной обработки получена разогретая до 70°С желеобразная масса, которая продолжала загустевать, клейстеризоваться. В открытой емкости в условиях свинофермы корм не прокис.

Таким образом, заявляемый роторный гидродинамический кавитационный аппарат может найти применение для измельчения угля и горных пород, приготовления различного топлива, эмульсий, в том числе из несмешивающихся жидкостей, производить в процессе кавитационной обработки пастеризацию, стерилизацию и обеззараживание коллоидных смесей.

Изготовление в роторе цилиндрических каналов, в которые поочередно вставляются детали гидродинамического кавитатора, изготовленные из высокопрочных и устойчивых к абразивному износу деталей, делает ремонт проточной части ротора простой операцией и ведет к увеличению ресурса непрерывной работы агрегата.

Изобретение может быть осуществлено на любом машиностроительном предприятии.

Источники информации

1. Патент России № 2306380, B01F 7/00, 2003 г.

2. Авторское свидетельство № 829155, B01F 7/28, 1981 г.

3. Патент России № 2174045, B01F 7/00, 11/02, 2001 г.

4. Патент России № 2040962, B01F 7/00, 1997 г.

5. Авторское свидетельство № 1694196, B01F 7/16, 1991 г

6. Патент России № 2234974, B01F 7/26, 5/16, В28С 5/16, 2004 г.

7. Патент России № 94029725, F24J 3/00.

8. Т.М.Башта «Машиностроительная Гидравлика». М.: Машиностроение, 1971 г., стр.44…49, 78…91, 115…117.

9. P.P.Чугаев «Гидравлика», М.: Энергия. Ленинградское отделение 1971 г., стр.14…15, 134…143, 298…313.

Роторный гидравлический кавитационный аппарат, включающий корпус, приводной вал с закрепленным на нем ротором, в радиальных отверстиях которого от лопаток ротора до его периферии установлены сборные гидродинамические кавитаторы, на внутренней поверхности статора расположена ребристая бронезащита, а на выходном патрубке - регулятор избыточного давления, отличающийся тем, что в гидродинамических кавитаторах последовательно расположены круглоцилиндрические насадки Вентури, резонирующие камеры, круглоцилиндрические насадки Вентури, внезапно расширяющиеся насадки Борда, образующие четыре участка образования кавитационных пузырьков.