МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2003 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к области эмульгирования и диспергирования коллоидных систем в смесителях с вращающимися дисками вокруг горизонтальной оси в неподвижных резервуарах, в частности к устройствам, и может быть использовано в фотохимической, пищевой, фармацевтической и микробиологической промышленности.

Известен многоступенчатый роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутри корпуса размещены ротор, выполненный на валу привода, и два статора. На роторе вокруг вала выполнены сквозные отверстия, а с обеих его сторон концентричными венцами расположены лопатки. Статоры наружной стороной соединены с корпусом посредством фланцев. На внутренних сторонах статоров выполнены цилиндры с радиальными пазами, охватывающие с зазором венцы лопаток, которые образуют между собой ступени роторно-пульсационных пар. (Патент РФ 2090253. Способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный аппарат для его осуществления. - МКИ 6: В 01 F 7/00. Бюл. 26, 20.09.97). Данное устройство принято за прототип.

Недостатком известного роторно-пульсационного аппарата, принятого за прототип, является его низкая эффективность переработки коллоидной системы из-за недостаточного вибрационного воздействия статора на дисперсную фазу. Это связано с тем, что, во-первых, в зазоре между корпусом и статором по мере эксплуатации под действием колебаний статора уплотняется дисперсная фаза, что очень влияет на спектр колебаний статора; во-вторых, зазор, заполненный дисперсной фазой, передает корпусу механические колебания статора, которые вызывают резонанс колебаний всего аппарата, что приводит к сокращению срока его службы, при этом еще расходуется часть воспроизведенной энергии; в-третьих, наличие окон в обечайке статора исключает в зазоре получение каких-либо гидродинамических колебаний, необходимых для переработки коллоидной системы, и, в-четвертых, невысокая производительность аппарата.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции роторно-пульсационного аппарата с более высокой производительностью, позволяющего вести обработку различных по составу и природе коллоидных систем под воздействием спектра частот гидроакустических колебаний и волновым резонансом гидродинамических деформаций с наложением собственных колебаний роторно-пульсационного аппарата.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является повышение производительности и качества переработки и расширение сферы применения роторно-пульсационного аппарата, в частности для диспергирования, гомогенизации, пастеризации и стерилизации коллоидных систем.

Указанный технический результат достигается тем, что, в известном многоступенчатом роторно-пульсационном аппарате, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, внутри корпуса размещены ротор, установленный на валу привода, вокруг последнего на роторе выполнены сквозные отверстия, а с обеих его сторон концентричными венцами расположены лопатки, и два статора, которые наружной стороной соединены с корпусом посредством фланцев, а на внутренних сторонах выполнены цилиндры с радиальными пазами, охватывающие с зазором венцы лопаток и образующие между собой ступени роторно-пульсационных пар, согласно предложенному техническому решению фланцы сопряжены со статорами посредством цилиндрических втулок, внутренний диаметр которых больше диаметра приводного вала, образующие с последним внутренние полости, сообщающиеся с входным патрубком, а между статорами и корпусом образованы наружные полости, сообщающиеся с выходным патрубком, при этом внутренние и наружные полости сообщены друг с другом через радиальные отверстия, выполненные в теле втулок; на каждой ступени роторно-пульсационной пары ширина радиальных пазов, по крайней мере, не больше толщины лопаток; рабочие поверхности лопаток и радиальных пазов каждой ступени выполнены с углами наклона к радиусу ротора с вершинами на пересечении радиуса с окружностями внутренних поверхностей венца и цилиндра соответствующей роторно-пульсационной пары; на втулках установлены заслонки, изменяющие площадь проходного сечения радиальных отверстий на втулках, в виде поворотного кольца с окнами, выполненными соосно с радиальными отверстиями; внутри втулок размещены полые цилиндры, которые соединены одним торцом с первым венцом ротора, а с другого торца выполнены пазы, открывающие радиальные отверстия при вращении ротора; рабочие поверхности лопаток и радиальных пазов роторно-пульсационных пар выполнены с переменным углом отклонения от радиуса ротора с уменьшением величины угла отклонения по мере удаления каждой последующей ступени роторно-пульсационной пары от оси вращения ротора; ширина радиальных пазов и толщина лопаток роторно-пульсационных пар на каждой предыдущей ступени роторно-пульсационных пар выполнены с размерами, большими, чем на более удаленной соседней ступени роторно-пульсационной пары от оси вращения ротора; радиальные пазы на противоположных статорах расположены асимметрично друг к другу и смещены на половину угла между соседними радиальными пазами на первой или последней ступенях роторно-пульсационных пар путем поворота статора вокруг оси вращения ротора.

Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного многоступенчатого роторно-пульсационного аппарата, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен продольный разрез предложенного многоступенчатого роторно-пульсационного аппарата; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - фрагмент ступени роторно-пульсационной пары, узел Б на фиг. 2.

Многоступенчатый роторно-пульсационный аппарат содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. Внутри корпуса 1 размещены ротор 4, установленный на валу 5 диаметром D₁, и два статора 6 и 7, расположенные по разные стороны ротора 4 и сопряженные наружными сторонами посредством цилиндрических втулок 8 с фланцами 9, соответственно, последними статоры 6 и 7 соединены с корпусом 1 (фиг. 1). На роторе 4 вокруг приводного вала 5 выполнены сквозные отверстия 10. Внутренний диаметр D₂ втулок 8 больше D₁ вала 5, образующие между собой внутренние полости 11 и 12, сообщающиеся между собой через отверстия 10 и с входным патрубком 2. Снаружи втулок 8 между корпусом 1 и статорами 6 и 7 образованы наружные полости 13 и 14, сообщающиеся с выходным патрубком 3, при этом внутренние 11 и 12 и наружные полости 13 и 14 сообщены друг с другом соответственно через радиальные отверстия 15, выполненные в теле втулок 8. На втулках установлены заслонки 16, изменяющие площадь проходного сечения радиальных отверстий 15 на втулках 8, в виде поворотного кольца с окнами 17, выполненными соосно с радиальными отверстиями 15, посредством валика 18 с зубчатой передачей. Внутри втулок 8 размещены полые цилиндры 19, которые соединены одним торцом с первым венцом ротора 4, а с другого торца цилиндра выполнены пазы 20, открывающие радиальные отверстия 15 при вращении ротора 4. С обеих сторон ротора 4 концентричными венцами 21 расположены лопатки 22 (фиг. 2). На внутренних сторонах статоров 6 и 7 выполнены цилиндры 23 с радиальными пазами 24, охватывающие с зазором δ венцы 21 с лопатками 22, образующие между собой ступени роторно-пульсационных пар. Лопатки 22 на венцах 21 и пазы 24 на цилиндрах 23 на каждой ступени сопряженной пары размещены в определенном порядке, где ширина а радиальных пазов 24 по крайней мере не больше толщины b лопаток 22 (фиг. 3).

На каждой ступени роторно-пульсационных пар рабочие поверхности 25 лопаток 22 выполнены с переменным отклонением от радиуса 26 ротора 4 на углы α с вершинами на пересечении радиуса 26 с окружностями 27 внутренних поверхностей венцов 21 с лопатками 22, а рабочие поверхности 28 радиальных пазов 24 отклонены от радиуса 26 ротора 4 на углы β с вершинами на пересечении радиуса 26 с окружностями 29 внутренних поверхностей цилиндров 23 с радиальными пазами 24 с уменьшением по мере удаления от оси вращения. Радиальные пазы 24 одного из статоров 6 или 7 смещены относительно другого статора соответственно поворотом его вокруг вала 5 на угол, равный половине угла между соседними радиальными пазами 24 на первой и последней ступенях роторно-пульсационных пар.

Предложенный роторно-пульсационный аппарат работает следующим образом.

Приводной вал 5, установленный в корпусе 1, сообщает вращение ротору 4. Коллоидная система поступает через входной патрубок 2 в полость 11 и через сквозные отверстия 10 в полость 12. Вращающиеся лопатки 22 толщиной b=14 мм, расположенные венцами 21 с обеих сторон ротора 4, своими рабочими поверхностями 25 с углом наклона α = 4^° к радиусу 26 захватывают дисперсную фазу и задают ей линейные перемещения по окружностям венцов 21, при которых дисперсная фаза под воздействием центробежных сил и угла α устремляется в радиальные пазы 24 шириной a = 12 мм в цилиндрах 23 статоров 6 и 7 с углом рабочей поверхности β = 3^° и нагнетается в последующие ступени роторно-пульсационных пар. При этом в зазорах между венцом 21 с лопатками 22 и цилиндром 23 с радиальными пазами 24, образующими роторно-пульсационные пары, происходит сложный комплекс различных гидродинамических процессов, в каждой из которых происходит измельчение коллоидной системы и высокоградиентное течение в зазоре δ = 0,1 мм между вращающимися венцами 21 с лопатками 22 мм и неподвижными цилиндрами 23 с радиальными пазами 24.

В последних происходят интенсивная турбулизация потока дисперсной фазы, вихреобразование, кавитация и пульсация потока за счет изменения проходного сечения радиальных пазов 24 из-за перемещения лопаток 22, вызывающие при обработке коллоидной системы спектр частот гидроакустических колебаний. Изменение углов на рабочих поверхностях 25 лопаток 22 до α = 1^° и на рабочих поверхностях 28 радиальных пазов 24 до β = 0^°, а также ширины радиальных пазов до а = 8 мм и толщины лопаток до b = 10 мм в направлении к последней ступени роторно-пульсационных пар усиливают разрушение измельчаемой дисперсной фазы при свободном ударе о рабочие поверхности 28 радиальных пазов 24 с образованием частиц, разлетающихся с определенной скоростью за счет полученной кинетической энергии, и насосный эффект конструкции. Асимметричное расположение радиальных пазов 24 на статорах 6 или 7 путем смещения одного статора относительно другого поворотом вокруг вала 5 на угол, равный половине угла между соседними радиальными пазами 24 на первой или последней ступенях роторно-пульсационных пар, интенсифицируют гидроакустические процессы в аппарате. На выходе из статоров под действием насосного эффекта основная часть коллоидной системы поступает в выходной патрубок 3, а часть ее перемещается в полости 13 и 14, затем через радиальные отверстия 15 на втулках 8 в полости 11 и 12, из которых измельчаемая дисперсная фаза снова захватывается ротором 4 и направляется на переработку в статоры 6 и 7. Установленные на втулках 8 заслонки в виде поворотных колец 16 с окнами 17 регулируют проток дисперсной фазы поворотом его вокруг оси вращения ротора 4 с помощью валика 18 с зубчатой передачей, тем самым создают в полостях 13 и 14 упругие гидродинамические колебания.

Размещенные внутри втулок 8 полые цилиндры 19, которые соединены одним торцом с первым венцом ротора 4, а с другого торца цилиндров 19 выполнены пазы 20, последние периодически открывают радиальные отверстия 15 при вращении ротора 4, тем самым создают пульсирующий эффект, которым дополнительно вызывают в полостях 13 и 14 встречные гидродинамическим колебаниям волновые упругие деформации коллоидной системы, еще более интенсифицируя процесс ее обработки.

На предложенный многоступенчатый роторно-пульсационный аппарат разработана техническая документация, изготовлен и испытан опытный образец. Испытания показали хорошее качество и высокую производительность переработки.

Изобретение относится к эмульгированию и диспергированию коллоидных систем в смесителях с вращающимися дисками вокруг горизонтальной оси в неподвижных резервуарах, в частности к устройствам, и может быть использовано в фотохимической, пищевой, фармацевтической и микробиологической промышленности. С целью повышения производительности и качества переработки и расширения сферы применения в роторно-пульсационном аппарате статоры соединены с корпусом посредством сопряженных между собой фланцев и цилиндрических втулок, внутренний диаметр которых больше диаметра приводного вала, образующие с последним внутренние полости, сообщающиеся с входным патрубком, а между статорами и корпусом образованы наружные полости, сообщающиеся с выходным патрубком, при этом внутренние и наружные полости сообщены друг с другом через радиальные отверстия, выполненные в теле втулок. Рабочие поверхности лопаток и радиальных пазов выполнены с переменным отклонением от радиуса ротора на углы с вершинами на пересечении радиуса с окружностями внутренних поверхностей венца и цилиндра соответствующей роторно-пульсационной пары с уменьшением величины по мере удаления ступени от оси вращения. Радиальные пазы на одном из статоров смещены относительно другого на половину угла между соседними радиальными пазами на первой и последней ступенях роторно-пульсационных пар путем поворота вокруг оси вращения ротора. На втулках установлены заслонки, изменяющие площадь проходного сечения радиальных отверстий на втулках, в виде поворотного кольца с окнами, выполненными соосно с радиальными отверстиями. Внутри втулок размещены полые цилиндры, которые соединены одним торцом с первым венцом ротора, а с другого торца выполнены пазы, открывающие радиальные отверстия при вращении ротора. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоступенчатый роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутри корпуса размещены ротор, установленный на валу привода, вокруг последнего на роторе выполнены сквозные отверстия, а с обеих его сторон концентричными венцами расположены лопатки, и два статора, которые наружной стороной соединены с корпусом посредством фланцев, а на внутренних сторонах выполнены цилиндры с радиальными пазами, охватывающие с зазором венцы лопаток ротора и образующие между собой ступени роторно-пульсационных пар, отличающийся тем, что фланцы сопряжены со статорами посредством цилиндрических втулок, внутренний диаметр которых больше диаметра приводного вала, образующие с последним внутренние полости, сообщающиеся с входным патрубком, а между статорами и корпусом образованы наружные полости, сообщающиеся с выходным патрубком, при этом внутренние и наружные полости сообщены друг с другом через радиальные отверстия, выполненные в теле втулок. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на каждой ступени роторно-пульсационной пары ширина радиальных пазов, по крайней мере, не больше толщины лопаток. 3. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочие поверхности лопаток и радиальных пазов каждой ступени выполнены с углами наклона к радиусу ротора с вершинами на пересечении радиуса с окружностями внутренних поверхностей венца и цилиндра соответствующей роторно-пульсационной пары. 4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на втулках установлены заслонки, изменяющие площадь проходного сечения радиальных отверстий на втулках, в виде поворотного кольца с окнами, выполненными соосно с радиальными отверстиями. 5. Аппарат по п.1 или 5, отличающийся тем, что внутри втулок размещены полые цилиндры, которые соединены одним торцом с первым венцом ротора, а с другого торца выполнены пазы, открывающие радиальные отверстия при вращении ротора. 6. Аппарат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что рабочие поверхности лопаток и радиальных пазов роторно-пульсационных пар выполнены с переменным углом отклонения от радиуса ротора с уменьшением величины угла отклонения по мере удаления каждой последующей ступени роторно-пульсационной пары от оси вращения ротора. 7. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что ширина радиальных пазов и толщина лопаток роторно-пульсационных пар на каждой предыдущей ступени роторно-пульсационных пар выполнены с размерами большими, чем на более удаленной соседней ступени роторно-пульсационной пары от оси вращения ротора. 8. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что радиальные пазы на противоположных статорах расположены асимметрично друг к другу и смещены на половину угла между соседними радиальными пазами на первой или последней ступенях роторно-пульсационных пар путем поворота статора вокруг оси вращения ротора.