РОТОРНЫЙ ДИСПЕРГАТОР Российский патент 1995 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к измельчению зернистых материалов и может быть использовано в процессах диспеpгирования суспензий и обработки загрязненных рабочих жидкостей.

Известны диспергаторы с различными принципами действия. Согласно принятой классификации методов диспеpгирования и диспергирующих устройств диспергаторы разделяются по принципу действия: а) за счет ударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных полостей; б) за счет энергии удара о наковальню частиц, движущихся с потоком жидкости.

Известен также роторный аппарат гидроударного действия, который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению. Указанное устройство содержит корпус с концентричным ротором и статором, имеющим щели в боковых стенках. Щели ротора выполнены в виде дозвуковых сопл, сужающихся к статору, а щели статора расширяющимися в сторону корпуса с вогнутыми поверхностями. Диспергирование суспензий осуществляется за счет двух последовательных гидроударов прямого гидравлического удара в момент перекрытия сопла и при гидродинамической кавитации (вторичный гидроудар). В описании работы указанного роторного диспергатора дана неверная физическая интерпретация происходящих в нем процессов, что делает возможным дальнейшее повышение эффективности подобного рода устройств. Так первая стадия измельчения частиц порождается резким повышением давления в результате прямого гидравлического удара. На самом деле повышение давления лишь следствие гидравлического удара, возникающего при частичном и полном перекрытии сопла. Само по себе повышение давления жидкости при гидравлическом ударе (12 х 10⁵ Па) не может быть причиной механического разрушения сплошных частиц, например, таких как сталь, бронза и др. В то же время известно, что при ударе о твердую стенку при скорости потока 30-40 м/с такие частицы эффективно разрушаются. В указанном устройстве также имеет место соударение частиц с твердой стенкой, но в качестве наковальни выступают участки внутренней цилиндрической поверхности статора (перемычки), разделяющие расширяющиеся каналы.

В качестве первого отличительного признака известного устройства указано на наличие щелей в роторе, выполненных в виде дозвуковых сопл. Однако для практически несжимаемых жидкостей (вода и т. п.) получение сверзвуковых скоростей истечения из сопл невозможно, но и для достижения звуковых скоростей (для воды 1430 м/с) необходимо сработать в сопле перепад давления порядка 10⁹ Па, получение которого в ротационных гидромашинах за счет центробежных сил технически неосуществимо. Таким образом, характеристика сопла как дозвукового ошибочно заимствована из технической термодинамики (газодинамики), а применительно к роторному диспергатору следует говорить только о сужающемся канале (сопле), как средстве увеличения скорости истечения жидкости (суспензии). В качестве второго отличительного признака этого устройства указано, что в статоре щели выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности и утверждается, что такие поверхности в наибольшей степени способствуют возникновению интенсивной гидродинамической кавитации. Однако периодическое перекрывание выходного сечения сопел перемычками статора может вызывать только интенсивное вихреобразование за кромками каналов (щелей) статора. Понижение давления в жидкости до уровня достаточного для наступления кавитации возможно только в центрах вихрей, доля которых в объеме жидкости, прилегающей к каналу статора весьма мала. Система сопел, являясь продолжением межлопаточных каналов рабочего колеса центробежного насоса, способствует дополнительному повышению давления в потоке в радиальном направлении (к периферии), что будет тормозить образование кавитационных полостей, а, следовательно, снижается интенсивность процессов диспеpгирования взвесей в жидкости.

Целью изобретения является повышение эффективности процессов диспергирования суспензий (взвесей) за счет увеличения интенсивности первой стадии измельчения частиц при соударении о твердую стенку и друг с другом, а также второй стадии измельчения частиц с помощью ударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных полостей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном роторном диспергаторе, содержащем корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор с каналами в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, статор выполнен в виде соплового аппарата с сужающимися в направлении движения жидкости соплами, а ротор выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса с лопатками, загнутыми вперед по ходу вращения рабочего колеса, а также периферийного кольца-активатора с системой каналов, оси которых преимущественно перпендикулярны направлению движения жидкости, выходящей из сопл, причем каналы с входной стороны попеременно перекрываются межсопловыми перемычками статора.

Ротор состоит из центральной и периферийной частей, между которыми располагается неподвижный сопловой аппарат (статор). Центральная часть ротора представляет из себя рабочее колесо центробежного насоса с малой степенью реактивности (лопатки загнуты вперед по ходу вращения рабочего колеса), что позволяет большую часть напора, сообщаемого потоку в колесе, преобразовать в скоростной напор (кинетическая энергия потока) и соответственно уменьшить долю статического напора (потенциальная энергия давления потока). Такое соотношение наиболее благоприятно для реализации двух стадий измельчения частиц: увеличение скоростного напора приводит к росту скорости потока на выходе из рабочего колеса (на входе в сопловой аппарат) и соответственно к увеличению скорости выхода потока из соплового аппарата; уменьшение статического напора способствует незначительному повышению давления в радиальном направлении (к периферии), что важно с точки зрения зарождения и развития кавитационных полостей (внутреннее вскипание жидкости из-за локального понижения давления в жидкости).

Каналы соплового аппарата (сопла) выполнены так, что одна из стенок канала совпадает по направлению с тангенциальной составляющей абсолютной скорости потока на выходе из рабочего колеса. Это способствует безударному входу потока в сопловой аппарат, а также увеличивает протяженность канала в направлении движения потока, что в свою очередь позволяет стабилизировать поле скоростей потока на выходе из сопла.

Периферийная часть ротора кольцо-активатор содержит систему цилиндрических каналов, оси которых составляют с направлением окружной скорости угол существенно больший 90^о (например 120-140^о), что в свою очередь уменьшает абсолютную скорость потока на выходе из каналов и снижает потери энергии в спиральной камере отвода диспергатора. Боковая поверхность входной части цилиндрического канала выполняет функцию наковальни, на которой происходит освобождение энергии удара частиц, движущихся в потоке в направлении преимущественно перпендикулярном оси канала. Цилиндрическая поверхность канала изменяет траекторию движения частиц из прямолинейной в криволинейную, что увеличивает вероятность взаимного соударения частиц и их разрушения. Совокупное взаимодействие частиц с наковальней и друг с другом способствует интенсификации первой стадии измельчения частиц взвесей. Наличие малого радиального зазора между сопловым аппаратом и кольцом активатором позволяет практически замыкать цилиндрический канал со стороны его входа с помощью межсопловой перемычки статора при их относительном смещении. При быстром перекрытии входного сечения канала создаются условия для разрыва сплошности потока, который имеет место ввиду инерции столба жидкости, движущейся в канале. Таким образом, в достаточно большом объеме жидкости возникают кавитационные полости, что в сочетании с последующим резким повышением давления в канале способствует интенсификации второй стадии измельчения частиц взвесей.

На фиг. 1 схематично показан роторный диспергатор, поперечное сечение; на фиг. 2 то же, продольное сечение; на фиг. 3 иллюстрация, поясняющая механизм взаимного столкновения и измельчения частиц взвесей.

Роторный диспергатор состоит из корпуса 1 со спиральной камерой отвода суспензии, входного 2 и выходного 3 патрубков, ротора 4, выполненного в виде рабочего колеса центробежного насоса, неподвижного соплового аппарата (статора) 5 с системой сопел 6 и жестко связанного с ротором кольца-активатора 7 с системой цилиндрических каналов 8.

Роторный диспеpгатор работает следующим образом. Поток жидкости (суспензии) подается на вход 2 корпуса 1, откуда он попадает в межлопаточные каналы ротора 4. В рабочем колесе центробежного насоса происходит преобразование механической энергии вращения ротора в гидравлическую энергию потока жидкости. При этом наличие лопаток, загнутых вперед по ходу вращения ротора, приводит к тому, что доля скоростного напора жидкости на выходе из колеса существенно больше доли статического напора. Выходя из межлопаточных каналов ротора 4, жидкость направляется в неподвижный сопловой аппарат 5, в соплах которого происходит увеличение скорости истечения (и уменьшение давления) жидкости до требуемой величины, например 30-40 м/с. Выходные сечения сопел 6 аппарата 5 циклически сообщаются с цилиндрическими каналами 8 кольца-активатора 7 или перекрываются межканальными перемычками. Число каналов 8 в кольце-активаторе 7 делается некратным числу сопел 6 аппарата 5, что исключает одновременное перекрытие всех сопел 6 и возникновение гидравлического удара в подводящих трубопроводах. В момент прохождения входного сечения канала 8 мимо выходного сечения сопла 6 происходит взаимодействие высокоскорстного потока жидкости с цилиндрической поверхностью канала 8, ориентированной преимущественно перпендикулярно направлению истечения жидкости из сопла 6. При взаимодействии с твердой стенкой канала 8 и друг с другом частиц взвесей высвобождается энергия удара, которая расходуется на измельчение частиц (1-я стадия измельчения).

При вращении кольца-активатора 7 относительно соплового аппарата 5 имеет место циклическая коммутация части каналов 8 с соплами 6. При этом остальные каналы 8 располагаются против межсопловых перемычек, которыми каналы 8 замыкаются с входной стороны. Перекрытие входного сечения канала 8 означает мгновенное уменьшение расхода на входе в канал практически до нуля. Однако, вследствие инерции столба жидкости в канале 8, а также попутного действия центробежных сил расход на выходе из него не может мгновенно уменьшиться до нуля. Это обстоятельство способствует разрыву сплошности потока и резкому уменьшению давления во входной части канала 8. В результате этого создаются условия для образования кавитационных полостей. При сообщении канала 8 со следующим по ходу движения соплом 6 происходит практически мгновенный рост давления в входной части канала 8 и, соответственно, захлопывание кавитационных полостей. Наличие двух указанных факторов приводит к росту интенсивности измельчания частиц за счет кавитации (2-я стадия измельчения). Далее измельченные частицы с потоком жидкости выносятся в спиральную камеру корпуса 1, а через патрубок 3 происходит удаление готовой суспензии.

В предлагаемой конструкции роторного диспергатора используются два фактора ускорения потока перед измельчением частиц применен ротор в виде рабочего колеса центробежного насоса с малой степенью реактивности и неподвижный сопловой аппарат, обеспечивающий значительное увеличение скорости потока. Этим достигается повышение интенсивности первой стадии измельчения частиц взвесей за счет их соударения с твердой стенкой и друг с другом. Наличие в кольце-активаторе цилиндрических каналов циклически соединяемых с соплами и отсоединяемыми от них позволяет интенсифицировать процесс образования и захлопывания кавитационных полостей, а, следовательно, и повысить эффективность процесса на второй стадии измельчения частиц. Совокупное влияние перечисленных конструктивных факторов позволит существенно повысить эффективность процесса диспергирования суспензий и повысить их качество.

Использование изобретения: измельчение зернистых материалов. Сущность изобретения: роторный диспергатор имеет корпус, в котором выполнены статор в виде соплового аппарата и ротор в виде рабочего колеса центробежного насоса с лопатками, загнутыми вперед по ходу вращения, а также периферийного кольца активатора с системой каналов, расположенных в плоскости вращения. Каналы выполнены цилиндрическими так, что их оси преимущественно перпендикулярны направлению движения жидкости, выходящей из сопел. Благодаря ротору и сопловому аппарату удается существенно повысить скорость истечения жидкости (суспензии), а наличие кольца активатора позволяет реализовать во входной части каналов процесс разрушения частиц при соударении с твердой стенкой и друг и другом. Там же создаются условия для циклического понижения и повышения давления, что позволяет реализовать процесс кавитационного разрушения частиц. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. РОТОРНЫЙ ДИСПЕРГАТОР, содержащий корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор с каналами в плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора, отличающийся тем, что статор выполнен в виде соплового аппарата с сужающимися в направлении движения жидкости соплами, а ротор выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса с лопатками, загнутыми вперед по ходу вращения рабочего колеса, а также периферийного кольца-активатора с системой каналов, оси которых преимущественно перпендикулярны к направлению движения жидкости, выходящей из сопл, причем каналы с входной стороны попеременно перекрываются межсопловыми перемычками статора. 2. Диспергатор по п.1, отличающийся тем, что каналы выполнены цилиндрическими.