РОТОРНЫЙ АППАРАТ ГИДРОУДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ "САМПО" Российский патент 1994 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к устройствам для измельчения твердых веществ в жидкостях, приготовления суспензий и эмульгирования жидкостей и может быть использовано в областях обогащения полезных ископаемых, производстве строительных материалов, изготовления топливных смесей, в химической и нефтехимической промышленности.

Известны различные устройства для диспергирования, смешения, приготовления суспензий и эмульгирования различных веществ. Устройства такого типа обычно реализуются в виде размещенных в корпусе перемешивающих органов, при этом корпус содержит входные и выходные патрубки. Степень диспергирования или эмульгирования (в зависимости от вида дисперсионной и дисперсной сред) определяется формой и расположением рабочих органов, скоростями их перемещения, температурой и реологическими характеристиками обрабатываемой среды.

К широко известным устройствам для тонкого диспергирования и эмульгирования относятся так называемые "роторно-пульсационные аппараты" (РПА). Они представляют собой корпус, внутри которого по входному центральноосевому патрубку подается подлежащая обработке среда. Ротор и статор в таких устройствах перфорированы и установлены коаксиально с небольшим зазором. Выход подвергающегося обработке продукта осуществляется в радиальном направлении через перфорации в рабочих органах. Процесс обработки осуществляется в узких зазорах между поверхностями ротора и статора. Для повышения эффективности обработки и осуществления подачи среды в зону обработки на валу ротора устанавливаются лопасти.

Такие аппараты позволяют осуществить диспергирование и эмульгирование гетерогенных сред, однако, принцип, заложенный в основу их работы, обусловливает ряд технических недостатков. Так, воздействие на обрабатываемую среду "сдвиговыми" напряжениями в зазорах между поверхностями ротора и статора (роторными и/или статорными элементами, если последних много) создает большое гидравлическое сопротивление системы в целом, что влечет за собой большой расход энергии привода вращения ротора и износ рабочих органов, ограничивает производительность обработки среды. Кроме того, наличие малых зазоров между элементами ротора и статора, в том случае, когда таких элементов несколько, не позволяет реализовать резонансный режим работы по гидроударному воздействию на обрабатываемую среду.

Более перспективными устройствами для диспергирования и эмульгирования гетерогенных сред являются устройства типа гидродинамической сирены, в которых в обрабатываемой среде реализуются процессы гидроудара и кавитации. Такие устройства, в отличие от устройства известного типа, имеют одну пару рабочих органов (ротор - статор). Количество отверстий (перфораций) в роторе и статоре может быть различным, так же, как и их форма. Так, например, описан роторный аппарат - гидродинамическая сирена, в котором отверстия имеют радиальную направленность, а тело ротора между отверстиями выполнено в виде трехгранных призм с выпуклой гранью, обращенных к внутренней поверхности ротора.

Наиболее близкий изобретению аналог (прототип) - роторный аппарат гидроударного действия для диспергирования суспензий, содержит корпус с входным и выходным патрубками. Внутри корпуса концентрично друг другу расположены ротор и статор. В роторе выполнены щели, равномерно сужающиеся в своем поперечном сечении от осевой части ротора в сторону статора. Щели, выполненные в статоре, расширяются в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности, что способствует созданию в обрабатываемой среде интенсивной гидродинамической кавитации. В приосевой полости тело ротора имеет форму лопаток для создания в обрабатываемой среде центробежного потока.

Однако, наряду с преимуществами, касающимися широкого спектра обрабатываемых гетерогенных сред (от эмульсий до суспензий твердых абразивных веществ), известные роторные аппараты гидроударного действия имеют и ряд недостатков. К основным из них следует отнести нереализованность возможности создания резонансного режима в гетерогенной (многофазной) обрабатываемой среде. Скорость распространения ударных волн примерно равна скорости звука в жидкости и достаточно велика. Из-за последнего обстоятельства акустический резонанс реализуется лишь в так называемой "резонансной камере озвучивания" гидродинамических сирен и в принципе не может быть достигнут в рассматриваемых устройствах в узком пространстве отверстий (перфораций, щелей) ротора и статора для приемлемых с точки зрения потребляемой мощности и числа оборотов привода устройства размеров ротора и статора.

Таким образом, решаемая настоящим изобретением техническая задача состоит в повышении эффективности устройства за счет создания в обрабатываемой среде акустического резонанса не только в объеме камеры озвучивания, но и в объемах между перемычками (в отверстиях, щелях) ротора и статора.

Данная техническая задача решается за счет того, что в роторном аппарате гидроударного действия, включающем установленные в корпусе статор и ротор, образованные коаксиально размещенными с зазором цилиндрическими элементами с чередующимися по периметру перемычками и прорезями, патрубок ввода, соединенный с полостью приосевой части ротора, содержащего лопатки, патрубок вывода, соединенный с полостью между корпусом и статором, привод, соединенный с валом ротора, перемычки ротора выполненные заодно с лопатками и образующие лопасти первой и второй групп, лопасти первой группы длиннее лопастей второй группы, причем последние находятся между лопастями первой группы, сами лопасти расширяются со знакопостоянной выпуклостью в сторону цилиндрической поверхности ротора, образуя на основаниях лопастей заостренные и тупые кромки и имея в приосевой части постоянное сечение, при этом основания лопастей ротора и перемычек статора заострены в тангенциальном направлении.

Дополнительные отличия состоят в том, что перемычки статора имеют по одному участку, вытянутому в тангенциальном направлении, имеющему постоянную толщину в радиальном направлении, и по одному участку, вытянутому в радиальном направлении, имеющему постоянную толщину в тангенциальном направлении.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана конструкция роторного аппарата гидроударного действия в сечении, перпендикулярном к оси вала ротора.

Изобретение основано на следующем.

Для того, чтобы резонанс гидроударов достигался не только в "камере озвучивания", но и в объеме между перемычками ротора и статора, в предлагаемом устройстве за счет выполнения перемычек определенной формы в указанном объеме создается и квазистационарно поддерживается режим начальной стадии кавитации. В этом случае обрабатываемая среда становится существенно квазистационарно двухфазной (жидкость + пар), причем резонансные свойства среды в рассматриваемом случае определяются, главным образом, скрытой теплотой фазового перехода, а скорость распространения ударных волн становится пропорциональной давлению и много меньшей скорости звука в однофазной среде, что предопределяет возможность реализации резонанса в малых по размеру объемах: длины упругих волн в "камере озвучивания" и в пространстве между перемычками в таком режиме будут достаточно малы, благодаря чему и возможен акустический резонанс системы в целом.

На чертеже показана конструкция аппарата.

Аппарат состоит из корпуса 1, внутри которого размещен жестко соединенный с корпусом статор 2, выполненный в форме полого цилиндра с отверстиями 3. Внутри статора коаксиально с зазором установлен ротор 4, закрепленный на валу 5, связанном с приводом (не показан). Ротор состоит из длинных лопастей 6 и коротких лопастей 7.

На чертеже также обозначены: 8 - прорези между основаниями 9 ротора, резонаторы 10 и 11 и выходной патрубок 12.

Короткие лопасти расположены между длинными лопастями, причем число коротких лопастей не меньше числа длинных лопастей. Внешние стороны лопастей лежат на кривых:
ϕ_n(r) : ϕ = 2π + (r²-R2o

),, где N_R - общее число лопастей;
ω_o - угловая скорость вращения ротора (тангенциальный угол отсчитывается в направлении обратном направлению вращения ротора);
n - номер лопасти;
R_o - радиус окружности, на которой лежат обращенные к валу (внутренние) окончания длинных лопастей;
h_r - высота цилиндра ротора;
r - расстояние от оси вала;
Y_o - номинальный расход установки в режиме циркуляции, рассчитываемый по формуле
Y_o = S_общ. ˙ ω_o R, где R - радиус окружности, на которой лежат обращенные к периферии ротора (внешние) окончания длинных лопастей;
S_общ - общее эффективное проходное сечение установки, которое находится из расчета потерь напора при турбулентном режиме (Re > 10⁴):
= 3,78 + 1- +
+ f(N_c,λ) - 2α · F(N_c,λ)+ - , где S_прох= min(h_r, h_c) · , где S_прох. - проходное сечение роторно-пульсационного аппарата (РПА);
Q_R, Q_c - тангенциальная ширина отверстий ротора (статора) на радиусах R, (R + δ);
δ - радиальный зазор между ротором и статором;
N_c - число отверстий в статоре;
h_c - высота цилиндра статора;
R₁ - радиус окружности, на которой лежат обращенные к валу окончания коротких лопастей;
σ - приращения площади проходного сечения между внешней поверхностью статора (радиус R_c и внутренней поверхностью корпуса, приходящееся на угловой период статора (2 π/N_c);
S_вых - эффективное проходное сечение внешнего (циркуляционного) контура;
α = 0,36 · ; λ = + ;
f(N_c,λ) = 1- +(λ-1)ln + - ;
F(N_c,λ)= 1- -(λ-1)ln + - (λ-1) lnN_c+
+ ϕ·(λ-1)·ln+ζ·(λ-1)L - L - - ;
L(z)= dx , где ζ_R , ζ , ( ϕ ) - коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса и геометрии перемычек ротора, статора и внутренней поверхности корпуса в областях резкого сужения (расширения) местных проходных сечений, могут быть найдены из справочников по гидравлике.

Выражение для S_общ справедливо для случая, когда внешний цилиндр статора плотно прилегает к внутренней кромке выходного патрубка. В противном случае во втором слагаемом в квадратных скобках вместо N_сследует использовать N_c*, которое определяется из известных формул деления потока в разветвленной сети.

Для коротких лопастей r в формуле (2) изменяется от R₁ до R при соблюдении условия R_o < R₁ < R.

Внутренние стороны лопастей во внешней части ротора (при r ≈ R) резко приближаются к соответствующей части соседней лопасти, а затем (при R > r > R₁) гладко выходят на кривые (1) с поправкой, обусловленной минимально конструктивно возможной толщиной лопастей.

Отверстия в статоре в сечении имеют приближающуюся к прямоугольной форму, а их просвет лимитирован лишь конструктивной прочностью.

Устройство работает следующим образом.

Ротор приводится во вращение через вал 5, связанный с приводом. Подлежащий обработке материал в виде суспензии (эмульсии) самотеком или под давлением подается в полость ротора через центральноосевой патрубок ввода. Для этих целей удобно использовать бак-накопитель, снабженный вентилем для регулировки производительности аппарата. При вращении ротора 4 лопасти 6 и 7, выполненные в виде приливов на его торцевой поверхности, захватывают суспензию (эмульсию) и направляют ее на периферию к прорезям 8 в цилиндрической поверхности ротора. Эти прорези образованы промежутками между основаниями 9 длинных 6 и коротких 7 лопастей.

В процессе периодического перекрытия прорезей 8 ротора и прорезей 3 статора, образованных промежутками между основаниями перемычек статора, суспензия (эмульсия) подвергается воздействию гидравлических ударов, акустических волн, распространяющихся в резонаторах 10 ротора и 11 статора. Основания лопастей ротора 9 и перемычек статора заострены в тангенциальном направлении, что создает квазистационарный режим начальной кавитации в резонаторах 10 и 11, благодаря чему эффективные длины волн гидравлических пульсаций уменьшаются и становятся равными резонансным, при этом резко возрастает амплитуда пульсаций давления и частота "схлопывания" кавитационных пузырьков.

Использование: изобретение относится к устройствам для приготовления суспензий и эмульсий. Сущность изобретения: устройство содержит установленные в корпусе статор 2 и ротор, образованные коаксильно размещенными с зазором цилиндрами с чередующимися по периметру перемычками и прорезями 3, патрубок ввода, соединенный с полостью приосевой части ротора, содержащего лопатки, патрубок вывода, соединенный с полостью между корпусом и статором, привод, соединенный с валом 5 ротора. Перемычки ротора выполнены заодно с лопатками и образуют лопасти первой и второй групп, лопасти первой группы длиннее лопастей второй группы, причем последние находятся между лопастями первой группы. Лопасти расширяются со знакопостоянной выпуклостью в сторону цилиндрической поверхности ротора, образуя на основаниях лопастей заостренные и тупые кромки и имея в приосевой части постоянное сечение. Основания лопастей ротора и перемычек статора заострены в тангенциальном направлении. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Роторный аппарат гидроударного действия, включающий установленные в корпусе статор и ротор, образованные коаксиально размещенными с зазором цилиндрическими элементами с чередующимися по периметру перемычками и прорезями, патрубок ввода, соединенный с полостью приосевой части ротора, содержащего лопатки, патрубок вывода, соединенный с полостью между корпусом и статором, привод, соединенный с валом ротора, отличающийся тем, что перемычки ротора выполнены заодно с лопатками и образуют лопасти первой и второй групп, а лопасти первой группы длиннее лопастей второй группы, причем последние находятся между лопастями первой группы, при этом лопасти расширяются со знакопостоянной выпуклостью в сторону цилиндрической поверхности ротора, образуя на основаниях лопастей заостренные и тупые кромки, и имеют в приосевой части постоянное сечение, а основания лопастей ротора и перемычек статора заострены в тангенциальном направлении. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что перемычки статора имеют по одному участку, вытянутому в тангенциальном направлении, имеющему постоянную толщину в радиальном направлении, и по одному участку, вытянутому в радиальном направлении, имеющему постоянную толщину в тангенциальном направлении.