РОТОРНЫЙ КАВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2001 года по МПК B01F7/00 B01F11/02 

Изобретение относится к устройствам для создания искусственной кавитации с целью использования возникающих кавитационных эффектов для интенсификации физико-химических процессов в различных отраслях промышленности, например, химической, пищевой, биохимической и др.

Кроме того, устройство может быть использовано для обеззараживания и дезактивации жидкостей, а также в качестве компактного источника тепла в любой области народного хозяйства.

Известен роторный активатор физико-химических процессов, использующий эффекты гидродинамической кавитации, создаваемой в замкнутой камере, заполненной рабочей жидкостью [1]. В камере установлены статор и на приводном валу ротор, при вращении которого в результате взаимодействия статора и ротора с рабочей средой возникают кавитационные явления, сопровождающиеся локальными, значительными по величине повышениями температуры и давления, которые являются инициирующими факторами различных физико-химических процессов.

Недостатками указанного устройства являются невысокая производительность и относительно низкая эффективность активации, особенно для энергоемких технологических процессов, обусловленные значительными потерями энергии на диссипативные явления - гидравлическое трение, преодоление гидродинамического сопротивления среды и др.

Известен роторный кавитационный активатор, в котором режим кавитации создается в интенсивном ультразвуковом поле, возбуждаемом в жидкой среде [2].

Известный активатор состоит, по меньшей мере, из двух рабочих камер, в первой из которых имеется входное отверстие для подачи рабочей среды, во второй - выходное. В каждой камере на приводном валу установлен ротор, представляющий собой рабочее колесо центробежного насоса. По окружности рабочего колеса закреплено кольцо с отверстиями. Статор выполнен в виде концентричного с ротором кольца с отверстиями, расположенными напротив отверстий в кольце ротора.

При вращении ротора рабочая жидкость колесом центробежного насоса подается на его выход и проходит через отверстия в кольцах ротора и статора, которые периодически перекрываются.

Когда отверстия закрываются, давление в камере возрастает до некоторого максимального значения, определяемого напором жидкости на входе и напором насоса, т. е. его мощностью, при открывании - падает до минимального значения, определяемого требуемым расходом, т.е. производительностью устройства. Таким образом, при работе устройства в рабочей среде возбуждается и распространяется переменное поле давлений, т.е. звук.

Частота звука f = N•n, где N - число отверстий в кольцах ротора и, соответственно, статора; n - угловая скорость ротора.

Интенсивность звука ~Δp² где p = p(max)-p(min) - перепад давлений, возникающий в камере при периодическом закрывании и открывании отверстий.

В известном устройстве N, n и p выбраны таким образом, что в рабочей среде возбуждается ультразвук, интенсивность которого достаточна для того, чтобы в среде возникли кавитационные явления, эффекты которых (локальные повышения давления и температуры, ионизация частиц среды и др.) активируют необходимые физико-химические процессы.

Недостатками известного устройства являются ограниченные эффективность активации физико-химических процессов и производительность устройства, обусловленные следующими причинами.

Известно (см., например, Л.Д.Ландау, А.И.Ахиезер, Е.М.Лифшиц "Курс общей физики", - М., - 1965 г.), что кавитация ограничивает интенсивность ультразвука в жидкой среде. В известном устройстве увеличение интенсивности ультразвука связано с повышением перепада давлений p(max)-p(min) в рабочей камере, что, в свою очередь, ведет к увеличению мощности центробежного насоса или количества последовательно работающих устройств (как предложено автором). Оба указанных способа приводят к увеличению размеров, массы, энергопотребления и стоимости устройства.

Более того, увеличение интенсивности ультразвука в известном устройстве указанными экстенсивными средствами ограничено тем, что при его работе в зазоре между роторными и статорными кольцами уже при относительно малых скоростях вращения ротора возникает гидродинамическая кавитация, которая ограничивает интенсивность генерируемого ультразвука. Указанное ограничение приводит к тому, что интенсивность кавитационных явлений и, соответственно, эффективность активации в известном устройстве практически не превосходит эффективности известных гидродинамических активаторов.

Также известно, что эффективность активации возрастает по мере увеличения частоты ультразвука, значение которой в известном устройстве зависит, как показано выше, от скорости вращения ротора и числа отверстий в кольцах ротора и статора. Современные технологические возможности позволяют изготовить известное устройство приемлемых для практики размеров с N ≃ 100 и n ≃ 200 об/с, что обеспечивает получение ультразвука с частотой f ≃ 20 кГц. Ультразвуки такой частоты не позволяют достичь высоких значений эффективности активации и производительности.

Кроме того, в известном устройстве интенсивность ультразвука нестабильна и существенно зависит от напора рабочей жидкости на входе и скоростного режима ротора, что ухудшает качество активации и создает определенные эксплуатационные проблемы, связанные с необходимостью контроля и регулировки режимов работы.

Еще один недостаток обусловлен тем, что, наряду с колебаниями ультразвуковой частоты, устройство генерирует достаточно интенсивный шум в слышимом диапазоне частот, что небезвредно для здоровья обслуживающего персонала и окружающих.

Целью настоящего изобретения является создание высокоэффективного кавитационного аппарата для активации различных физико-химических процессов в жидких средах, частично или полностью лишенного указанных выше недостатков.

Указанная цель достигается тем, что в известном роторном кавитационном аппарате, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями для рабочей жидкости, образующими рабочую камеру, в которой размещены статор и на приводном валу ротор, последние состоят из дисков, установленных вдоль оси симметрии камеры поочередно, в направлении вход-выход. Первый от входного отверстия диск ротора, представляющий собой нагнетательное колесо осевого насоса, снабжен радиальными лопатками, расположенными под углом к его плоскости, второй диск ротора, установленный между дисками статора, имеет, по крайней мере, две, расположенные в плоскости диска радиальные режущие лопасти, причем передняя по ходу вращения часть лопатки выполнена в виде клина, а задняя - в виде параллелепипеда с радиальными проточками на его боковых гранях. Диски статора снабжены радиальными прорезями, которые во втором диске выполнены сужающимися к его плоскостям. Внутри прорези второго диска статора вдоль оси симметрии прорези установлен радиальный керн треугольного сечения, одна из вершин которого лежит в плоскости диска, смежной с лопастями ротора. Кроме того, на плоскостях статорных дисков, смежных с режущими лопастями ротора, выполнены радиальные проточки. Радиальные лопатки и лопасти ротора, прорези и проточки в дисках статора расположены равномерно по окружностям дисков и имеют одинаковые радиальные длины.

На фиг. 1 изображено осевое сечение роторного кавитационного аппарата.

На фиг. 2 изображен общий вид роторного кавитационного аппарата.

Заявляемый роторный кавитационный аппарат состоит из корпуса 1, образующего рабочую камеру 2 с входным 3 и выходным 4 отверстиями, приводного вала 5, первого диска ротора 6 с радиальными лопатками 7, первого диска статора 8 с прорезями 9 и проточками 10, второго диска ротора 11 с радиальными режущими лопастями 12 и проточками 13, второго диска статора 14 с прорезями 15, керном 16 и проточками 17.

Устройство работает следующим образом. При вращении ротора 1 это первый диск 6 с лопатками 7, представляющий собой нагнетательное колесо осевого насоса, подает рабочую жидкость в объем рабочей камеры, ограниченный статорными дисками 8, 14. Первый диск статора 8, представляющий собой направляющий диск осевого насоса, предотвращает закручивание рабочей жидкости относительно оси симметрии устройства, что исключает уменьшение относительной скорости режущих лопастей ротора и набегающей на них жидкости. Вращающийся между статорными дисками 8, 14 второй диск ротора 11 своими режущими лопастями 12 рассекает набегающий поток жидкости. За счет действия известного в механике эффекта клина, возникающие в среде при вращении ротора разрывные напряжения значительно превышают предел прочности жидкости, поэтому на режущей кромке клина происходит разрыв сплошности жидкости и на гранях клина образуется большая кавитационная каверна. Последняя, взаимодействуя с радиальными проточками 10 и прорезями 15 во втором диске статора 14, дробится на большое количество мелких кавитационных пузырьков, которые в конце концов схлопываются в зазоре между плоскими гранями лопастей ротора 12 и статорными дисками 8, 14. Мощные кавитационные эффекты, возникающие при схлопывании, активируют соответствующие физико-химические процессы в рабочей среде.

В предлагаемом техническом решении преобразование механической энергии ротора в энергию активации производится непосредственно (механическая энергия вращения - кавитационная энергия), т.е. более эффективно, чем в системах с многоступенчатым преобразованием. (В прототипе механическая энергия вращения - ультразвуковая энергия - кавитационная энергия). Предложенная конструкция второго роторного диска с режущими лопастями, выполненными в виде клина, приводит к уменьшению непроизводительных потерь энергии на преодоление гидродинамического сопротивления, т.е. повышает КПД устройства. Совместное действие роторного и второго статорного дисков предложенных конструкций обеспечивает интенсивное образование кавитационных пузырьков оптимальных размеров, что повышает эффективность и производительность активации. Кроме того, увеличение размеров зоны кавитации и, соответственно, активируемого в единицу времени объема рабочей жидкости повышает производительность устройства.

Опытный образец предлагаемого технического решения испытывался в качестве устройства для обеззараживания воды. Получены следующие результаты.

1. В исходном образце речной воды содержалось 502 колонии бактерий. После обработки пробы в течение 15 мин количество бактерий в пробе - 86 колоний, в течение 20 мин - 77, в течение 30 мин - 17.

2. Исходный образец - фекальные сточные воды, содержание бактерий - миллионы колоний. После обработки в течение 20 мин - 98 колоний, в течение 30 мин - 37 колоний.

Кроме того, опытный образец настоящего изобретения испытывался в качестве дезактиватора жидких радиоактивных отходов. Установлено, что удельная мощность излучения исходной пробы, равная 487 мкР/час•л, после 30-минутной обработки в данном устройстве снизилась до значения 38 мкР/час•л. Мощность излучения от контрольного образца, не прошедшего обработки, за это же время в пределах точности измерений не изменилась.

При проведении испытаний было установлено, что устройство генерирует тепловую энергию, в два раза превышающую энергию, потребляемую от внешнего источника, т.е. является генератором тепла с КПД около 200%.

В настоящее время опытно-промышленный образец устройства готовится к эксплуатации на судах речфлота в качестве обеззараживателя речной воды.

Список литературы
1. Авторское свидетельство N 1358140, МКИ B 01 F 11/02. Кавитационный смеситель.

2. PCT N 94/09894, МКИ B 01 F 7/00, 11/02. Ультразвуковой активатор.

Изобретение относится к устройствам для создания искусственной кавитации в жидких средах с целью использования возникающих кавитационных эффектов для интенсификации различных физико-химических процессов. Аппарат содержит корпус, образующий рабочую камеру, в которой установлены статор и на приводном валу ротор. Статор и ротор состоят из дисков. Первый от входа диск ротора снабжен радиальными лопатками, расположенными под углом к его плоскости. Второй диск ротора, размещенный между дисками статора, снабжен радиальными лопастями, передняя часть которых выполнена в виде клина, а задняя - в виде параллелепипеда с радиальными проточками на его боковых гранях. Диски статора имеют прорези. В прорезях второго диска статора установлен керн треугольного сечения. Аппарат позволяет повысить эффективность и производительность активации физико-химических процессов, а также может быть использован для обеззараживания сточных и фекальных вод, дезактивации жидких радиоактивных отходов и получения тепловой энергии. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Роторный кавитационный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями и образующий рабочую камеру, в которой размещены статор и на приводном валу ротор, отличающийся тем, что 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, снабжен, по крайней мере, двумя расположенными в плоскости диска радиальными лопастями, передняя по ходу вращения часть которых выполнена в виде клина, задняя - в виде параллелепипеда с радиальными проточками на его боковых гранях, при этом прорези во втором диске статора выполнены сужающимися к плоскостям диска, а на плоскостях статорных дисков, смежных с лопастями ротора, выполнены радиальные проточки. 2. Роторный кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что радиальные лопатки первого диска ротора расположены под углом к его плоскости. 3. Роторный кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что радиальные лопатки и лопасти ротора, прорези и проточки в дисках статора расположены равномерно по окружностям своих дисков. 4. Роторный кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что в прорезях второго диска статора вдоль оси симметрии прорези установлен керн треугольного сечения, одна из вершин которого лежит в плоскости диска, смежной с лопастями ротора.