ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к технологии гидромеханической обработки жидкостей, имеющих в своем составе связанный водород, с деструктивным преобразованием их химических связей на молекулярном уровне для различных технологических целей и непосредственно касается способа и устройства для резонансного возбуждения жидкости с помощью роторного гидродинамического возбудителя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны способ и устройство для нагревания жидкости (патент RU 2150055), способ и устройство для кондиционирования углеводородных жидкостей (патент RU 2155636) и способ и устройство для эмульгирования (международная публикация WO 99/36164), в которых используется один и тот же роторный гидродинамический возбудитель. Все указанные способы включают подачу жидкости в полость рабочего колеса, вращающегося внутри статора, выпуск жидкости из рабочего колеса через ряд выходных отверстий, равномерно распределенных на его периферийной кольцевой поверхности, в кольцевую резонансную полость, ограниченную периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса и внутренней коаксиальной поверхностью статора, и отвод жидкости из кольцевой резонансной полости в сборную камеру. При этом номинальные величины радиуса R периферийной кольцевой поверхности рабочего колеса и частоты n его вращения задаются в зависимости от выбранного количества К его выходных отверстий согласно следующим эмпирическим соотношениям:
R=1,1614 К [мм] (т.н. “активный” радиус),
n=3,8396 К-1,5×106 [об/мин].
Приведенные соотношения получены из известной (например, из описания к патенту RU 2150055) эмпирической зависимости
где V [м/с] - окружная скорость вращения жидкости на радиусе R [м] с учетом эмпирического допущения, что t=L, где t [м] - окружной шаг расположения выходных отверстий рабочего колеса на окружности с “активным” радиусом R; L [м] - длина волны возбуждаемых в жидкости звуковых колебаний, эмпирически численно приравненная известной физической константе постоянной тонкой структуры α , взятой в метрах.
Все упомянутые устройства содержат ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно установленное на валу рабочее колесо. Последнее выполнено в виде диска с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд выходных отверстий, равномерно распределенных по окружности. Статор имеет коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие для подачи жидкости, сообщенное с полостью рабочего колеса, и выпускное отверстие для отвода жидкости. Имеется кольцевая резонансная полость, образованная периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора. Статор имеет сборную камеру, сообщенную, с одной стороны, с его выпускным отверстием и, с другой стороны, с кольцевой резонансной полостью. Предусмотрено средство для привода ротора с заданной частотой вращения.
Описанные аналоги объединяются общим процессом резонансного возбуждения жидкости, имеющей в своем составе связанный водород, для деструктивного преобразования ее химических связей на молекулярном уровне. В этих аналогах предпринята результативная попытка выбора оптимальных значений основных рабочих параметров в зависимости от выбранного количества выходных отверстий рабочего колеса. Однако потенциальные возможности подобного резонансного возбуждения жидкости остаются не исчерпанными. В частности, кольцевая резонансная полость, являющаяся здесь основной “активной” зоной в потоке жидкости, недостаточно развита в аксиальном направлении, что сокращает время пребывания в ней обрабатываемой жидкости и снижает эффективность резонансного возбуждения и соответственно качество технологической обработки жидкости.
Из уровня техники известно также аналогичное устройство для резонансного возбуждения жидкости (заявка RU 2002116939, решение о выдаче патента от 26.06.2003), в котором предусмотрен возврат для дополнительной обработки части обрабатываемой жидкости из кольцевой резонансной полости в полость рабочего колеса по контуру внутренней рециркуляции жидкости. При этом контур внутренней рециркуляции жидкости образован с тыльной стороны рабочего колеса с помощью промежуточного уплотнения, установленного перед концевым уплотнением рабочего колеса, и ряда перепускных отверстий, выполненных в его несущем диске перед промежуточным уплотнением. Здесь возвращаемая жидкость поступает не на вход, а в серединную часть рабочего колеса, что снижает эффективность дополнительной обработки жидкости.
ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание таких способа и устройства для резонансного возбуждения жидкости, имеющей в своем составе связанный водород, с помощью роторного гидродинамического возбудителя, которые позволяют существенно повысить эффективность резонансного возбуждения и соответственно качество технологической обработки жидкости.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе резонансного возбуждения жидкости, имеющей в своем составе связанный водород, для деструктивного преобразования ее химических связей на молекулярном уровне с помощью роторного гидродинамического возбудителя, включающем, как и упомянутый известный способ,
- подачу подлежащей обработке жидкости в полость рабочего колеса, вращающегося внутри статора,
- выпуск обрабатываемой жидкости из рабочего колеса через ряд выходных отверстий, равномерно распределенных на его периферийной кольцевой поверхности, в кольцевую резонансную полость, ограниченную периферийной кольцевой поверхностью рабочего колеса и внутренней коаксиальной поверхностью статора,
- выпуск обрабатываемой жидкости из кольцевой резонансной полости в сборную камеру статора,
- возврат части обрабатываемой жидкости из кольцевой резонансной камеры в полость рабочего колеса для дополнительной обработки и
- отвод обработанной жидкости из сборной камеры,
при этом соблюдается следующая эмпирическая зависимость:
R3n2=23,0949× 103 [м3/мин2],
где R [м] - радиус кольцевой поверхности рабочего колеса;
n [об/мин] - частота вращения рабочего колеса,
согласно изобретению, кольцевая резонансная полость выполнена развитой в аксиальном направлении таким образом, что ее аксиальная протяженность В составляет по крайней мере В=1,7 b, где b - ширина проточной части на выходе рабочего колеса.
Поставленная задача одновременно решается с помощью предлагаемого устройства для резонансного возбуждения жидкости, имеющей в своем составе связанный водород, с помощью роторного гидродинамического возбудителя, которое позволяет реализовать описанный способ резонансного возбуждения жидкости в рамках единого изобретательского замысла. Это устройство, как и упомянутое известное, содержит
- ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно установленное на валу лопастное рабочее колесо, при этом
- рабочее колесо выполнено в виде несущего и покрывающего дисков с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд выходных отверстий для прохождения жидкости, равномерно распределенных по окружности,
- статор, имеющий коаксиальную рабочему колесу стенку, впускное отверстие для подачи жидкости, сообщенное с полостью рабочего колеса, и выпускное отверстие для отвода жидкости, сообщенное со сборной камерой,
- кольцевую резонансную полость, которая образована внутренней поверхностью коаксиальной стенки статора и внешней поверхностью периферийной кольцевой стенки рабочего колеса и сообщена со сборной камерой статора,
- контур внутренней рециркуляции жидкости из кольцевой резонансной полости в полость рабочего колеса и
- средство для привода ротора с заданной частотой вращения,
при этом радиус R внешней поверхности периферийной кольцевой стенки рабочего колеса составляет
R=28,4777 n-2/3×103 [мм],
где n [об/мин] - заданная частота вращения рабочего колеса.
Согласно изобретению, периферийная кольцевая стенка рабочего колеса выполнена шириной, минимальная величина которой составляет В=1,7 b, где b - ширина проточной части на выходе рабочего колеса.
Описанное выполнение кольцевой резонансной полости уже при указанном минимальном значении ширины В позволяет заметно увеличить время пребывания в ней обрабатываемой жидкости и тем самым повысить эффективность резонансного возбуждения и соответственно качество технологической обработки жидкости. Верхний предел диапазона выбора аксиальной протяженности кольцевой резонансной полости фактически определяется конструктивными и технологическими соображениями в отношении работоспособности, надежности и технологичности ротора машины.
Другие особенности изобретения будут ясны из нижеследующего подробного описания примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
ЧЕРТЕЖИ
Изобретение поясняется примерами его воплощения с иллюстрацией схематическими чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - устройство для резонансного возбуждения жидкости, частичный продольный разрез по I-I (Фиг.2);
Фиг.2 - то же, частичное поперечное сечение по II-II (Фиг.1, 3, 4);
Фиг.3 - то же (Фиг.1) с добавлением диафрагмы;
Фиг.4 - то же (Фиг.3) с добавлением выходной кольцевой вихревой камеры.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ резонансного возбуждения жидкости, имеющей в своем составе связанный водород, для деструктивного преобразования ее химических связей на молекулярном уровне осуществляется с помощью роторного гидродинамического возбудителя. Подлежащая обработке жидкость подается в полость 1 (Фиг.1) рабочего колеса 2 через впускное отверстие 3 статора 4. В процессе вращения рабочего колеса 2 обрабатываемая жидкость выпускается из него в кольцевую резонансную полость 5, ограниченную периферийной кольцевой поверхностью 6 (Фиг.2) рабочего колеса 2 и противолежащей внутренней коаксиальной поверхностью 7 статора 4, через ряд выходных отверстий 8, равномерно распределенных на периферийной кольцевой поверхности 6 рабочего колеса 2. В пределах кольцевой резонансной полости 5 обрабатываемая жидкость продолжает вращаться относительно центральной оси 9 и претерпевает при этом резонансные колебания звуковой частоты, которые вызываются взаимодействием элементарных потоков, вытекающих из выходных отверстий 8 рабочего колеса 2, между собой и с коаксиальной поверхностью 7 статора 4. Обработанная жидкость отводится из кольцевой резонансной полости 5 в сборную камеру 10 и удаляется оттуда через выпускное отверстие 11 статора 4. Часть обрабатываемой жидкости возвращается из кольцевой резонансной полости 5 в полость 1 рабочего колеса 2 для дополнительной обработки. Необходимый скоростной напор жидкости создается лопатками 12 рабочего колеса 2 и дополнительно при необходимости путем приложения к жидкости внешнего давления.
При этом соблюдается следующая эмпирическая зависимость номинальных величин, вытекающая из приведенной выше известной зависимости (1):
где R [м] - “активный” радиус кольцевой поверхности 6 рабочего колеса 2,
n [об/мин] - частота вращения рабочего колеса 2.
Согласно изобретению, кольцевая резонансная полость 5 выполнена развитой в аксиальном направлении таким образом, что ее аксиальная протяженность В составляет по крайней мере В=1,7 b, где b - ширина проточной части на выходе рабочего колеса.
Наибольшая величина аксиальной протяженности В кольцевой резонансной полости 5 ограничивается конструктивными и технологическими соображениями, касающимися работоспособности, надежности и технологичности ротора машины, и выбирается исходя из практической целесообразности и/или технической осуществимости в отношении результирующих геометрических размеров и прочности рабочего колеса 2.
В предпочтительном воплощении (Фиг.3)кольцевая резонансная полость 5 продолжена в аксиальном направлении пассивным участком 5а, образованным противолежащими коаксиальными поверхностями статора. Пассивный участок 5а целесообразно выполнить со стороны рабочего колеса 2, обращенной в сторону сборной камеры 10, но также он может быть выполнен и с другой стороны рабочего колеса 2. Такое дополнительное расширение кольцевой резонансной полости 5, как это установлено экспериментально, способствует дальнейшему повышению эффективности резонансного возбуждения жидкости и соответственно повышению качества ее технологической обработки.
В другом предпочтительном воплощении (Фиг.4) выпуск обрабатываемой жидкости из кольцевой резонансной полости 5 (5а) в сборную камеру 10 осуществляется через образованную в статоре 4 с тыльной стороны рабочего колеса 2 выходную кольцевую вихревую камеру 5b с центростремительным потоком жидкости. Экспериментально установлено, что это дополнительно способствует дальнейшему повышению качества технологической обработки жидкости.
В следующем предпочтительном воплощении возврат части обрабатываемой жидкости из кольцевой резонансной полости 5 в полость 1 рабочего колеса 2 осуществляется через перепускную кольцевую вихревую камеру 5с с центростремительным потоком жидкости, образованную между передней частью рабочего колеса 2 и статором 4. Перепускная кольцевая вихревая камера 5с функционально аналогична выходной кольцевой вихревой камере 5b и похожим образом способствует дальнейшему повышению качества технологической обработки жидкости.
Количество возвращаемой на дополнительную обработку жидкости регулируется изменением проходного сечения перепускной кольцевой вихревой камеры 5с в ее самом узком месте и может составлять 10... 90%, предпочтительно 25... 75% от ее полного количества, покидающего рабочее колесо 2, в зависимости от требующегося соотношения качество/производительность обработки. Тем самым достигается возможность оптимального управления процессом гидромеханической обработки жидкости.
В наиболее предпочтительном воплощении резонансное возбуждение жидкости осуществляется на частоте
где n [об/мин] - частота вращения рабочего колеса 2;
где R [мм] - радиус кольцевой поверхности 6 рабочего колеса 2,
3≤ d≤ 30 - выбранное целое число.
При этом в расчет принимаются только целочисленные или близкие к нему расчетные значения количества выходных отверстий 8 рабочего колеса 2. Окончательный выбор рабочей частоты возбуждения жидкости осуществляется опытным путем с учетом физико-химических и иных свойств конкретной обрабатываемой жидкости.
Описанный способ резонансного возбуждения жидкости, имеющей в своем составе связанный водород, с использованием роторного гидродинамического возбудителя реализуется соответствующим устройством (Фиг.1...4), которое содержит ротор 13 с валом 14, опирающимся на подшипники 15 и снабженным уплотнением 16. На валу 14 установлено по крайней мере одно неподвижно соединенное с ним лопастное рабочее колесо 2, выполненное в виде несущего 17 и покрывающего 17а дисков с периферийной кольцевой стенкой 18. В последней выполнен ряд равномерно распределенных по окружности выходных отверстий 8 для выпуска обрабатываемой жидкости. Радиус R внешней поверхности периферийной кольцевой стенки 18 рабочего колеса 2 составляет
где n [об/мин] - заданная частота вращения рабочего колеса.
Статор 4 имеет коаксиальную рабочему колесу 2 стенку 19, впускное отверстие 3 для подачи подлежащей обработке жидкости, сообщенное с полостью 1 рабочего колеса 2, и выпускное отверстие 11 для отвода обработанной жидкости. Кольцевая резонансная полость 5 образована коаксиальной стенкой 19 статора 4 и периферийной кольцевой стенкой 18 рабочего колеса 2 и сообщена со сборной камерой 10. Предусмотрено любое подходящее из числа известных средство для привода ротора 13 с заданной частотой вращения, например электродвигатель (на чертежах не показан).
Согласно изобретению, периферийная кольцевая стенка 18 рабочего колеса 2 выполнена шириной, минимальная величина которой составляет В=1,7 b, где b - ширина проточной части на выходе рабочего колеса 2.
Наибольшая ширина В периферийной кольцевой стенки 18 рабочего колеса 2 ограничивается конструктивными и технологическими соображениями, касающимися работоспособности, надежности и технологичности ротора 13, и выбирается исходя из практической целесообразности и/или технической осуществимости в отношении результирующих геометрических размеров и прочности рабочего колеса 2.
В предпочтительном воплощении (Фиг.3) в статоре 4 по крайней мере с одной стороны рабочего колеса 2, преимущественно со стороны сборной камеры 10, установлена диафрагма 20 с периферийной кольцевой стенкой 21. Наружная поверхность последней концентрична коаксиальной поверхности 7 статора 4 и имеет диаметр, равный или близкий диаметру внешней поверхности периферийной кольцевой стенки 18 рабочего колеса. Тем самым образуется пассивный участок 5а кольцевой резонансной полости 5, продолжающий ее в аксиальном направлении.
В другом предпочтительном воплощении (Фиг.4) в статоре 4 перед сборной камерой 10 установлена перегородка 22, снабженная центральным кольцевым перепускным отверстием 23. Тем самым образована выходная кольцевая вихревая камера 5b с центростремительным потоком жидкости, сообщенная со сборной камерой 10 перепускным отверстием 23.
В следующем предпочтительном воплощении контур внутренней рециркуляции жидкости включает перепускную кольцевую вихревую камеру 5с, образованную между покрывающим диском 17а рабочего колеса 2 и статором 4 и соединяющую второй выход кольцевой резонансной полости 5 со входом в рабочее колесо 2. Количество возвращаемой на дополнительную обработку жидкости может регулироваться изменением ширины С (Фиг.1) на выходе перепускной кольцевой вихревой камеры 5с.
В наиболее предпочтительном воплощении количество К выходных отверстий 8 рабочего колеса 2 составляет К=1,72205 R d-1, где 3≤ d≤ 30 - выбранное целое число.
При этом в расчет принимаются только целочисленные или близкие к нему расчетные значения количества выходных отверстий 8 рабочего колеса 2.
Радиальный размер Н кольцевой резонансной полости 5 может быть выбран произвольно в разумных пределах, но для улучшения резонансных свойств предпочтительна эмпирическая величина: Н=0,91 m [мм], где 10≥ m≥ 1 - выбранное целое число.
Ширина выходных отверстий 8 рабочего колеса 2 может составлять предпочтительно половину их окружного шага на окружности радиуса R и может незначительно изменяться на всем их радиальном протяжении.
Для решения обычных практических задач гидромеханической обработки жидкости достаточно применения устройства согласно изобретению с одним рабочим колесом 2. Однако при необходимости ротор 13 может содержать два и более рабочих колес, обычным образом устанавливаемых на общем валу 14, которые по потоку жидкости могут обычным образом соединяться последовательно или параллельно. Возможно также параллельное, последовательное или комбинированное соединение по потоку жидкости нескольких автономных устройств согласно изобретению как с одним, так и с несколькими рабочими колесами.
Описанное устройство для резонансного возбуждения жидкости работает следующим образом (Фиг.1... 4):
Ротор 13 с рабочим колесом 2 приводится, например, электродвигателем с заданной частотой вращения согласно зависимости (2). Подлежащая обработке жидкость подается через впускное отверстие 3 статора 4 в полость 1 рабочего колеса 2, вращающегося внутри статора 4. Из полости 1 рабочего колеса 2 обрабатываемая жидкость под напором выпускается через ряд его выходных отверстий 8 в кольцевую резонансную полость 5 между рабочим колесом 2 и статором 4. При этом вращающаяся в кольцевой резонансной полости 5 жидкость подвергается резонансному возбуждению с частотой F согласно зависимости (3). Затем вращающаяся жидкость проходит пассивный участок 5а кольцевой резонансной полости 5 и поступает в выходную кольцевую вихревую камеру 5b с центростремительным потоком жидкости, где жидкость продолжает вращаться с окружной скоростью, соответствующей известному закону сохранения количества движения. Из выходной кольцевой вихревой камеры 5b обработанная жидкость поступает через центральное кольцевое перепускное отверстие 23 в сборную камеру 10 и оттуда выводится через выпускное отверстие 11 на дальнейшую обработку, хранение или использование. Часть первоначально обработанной жидкости возвращается для дополнительной обработки из кольцевой резонансной полости 5 в полость 1 рабочего колеса 2 по внутреннему контуру рециркуляции, включающему перепускную кольцевую вихревую камеру 5с. Количество возвращаемой на дополнительную обработку жидкости может регулироваться изменением проходного сечения перепускной кольцевой вихревой камеры 5с.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Практическая область промышленного применения изобретения охватывает энергетическую, теплотехническую, химическую, нефтеперерабатывающую, нефтехимическую и другие отрасли промышленности, связанные с технологической переработкой жидкостей, а также смежные отрасли.
Перечень видов жидкостей, поддающихся гидромеханической обработке согласно изобретению, охватывает практически любые естественные и искусственные жидкости, имеющие в своем составе связанный водород, прежде всего воду, спирты, углеводородные жидкости и их смеси, в том числе с водой, в широком диапазоне вязкости и других физико-химических свойств. В частности, обработке согласно изобретению могут подвергаться такие углеводородные жидкости, как спиртовая смесь перед перегонкой, сырая нефть или газоконденсат перед дистилляцией, мазут перед повторной перегонкой или крекингом, газойль перед каталитическим крекингом, лигроин перед риформингом, другие промежуточные или конечные продукты нефтепереработки, такие как гудрон, включая кислый гудрон, перед дальнейшей переработкой или использованием. Не составляют исключения также всевозможные растворы, эмульсии, суспензии и т.п. смеси на основе упомянутых жидкостей, в том числе взаимно не смешивающихся, такие как мазут с водой, дизельное топливо с водой, бензин с водой и другие водотопливные смеси (композиционное топливо).
Ниже приведены конкретный пример практической реализации изобретения (Табл.1) и варианты его использования применительно к нагреванию воды для системы водяного отопления (Табл.2), кондиционированию (термин “кондиционирование” здесь означает придание обрабатываемой жидкости физико-химических свойств, благоприятных в отношении эффективности дальнейшей переработки и/или использования обработанной жидкости) сырой нефти перед дистилляцией (Табл.3) и приготовлению водомазутной смеси как композиционного топлива для котельной установки (Табл.4).
Изобретение касается способа и устройства для резонансного возбуждения жидкости с помощью роторного гидродинамического возбудителя и может использоваться в энергетической, теплотехнической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и смежных отраслях промышленности с целью повышения качества гидромеханической обработки жидкости. Способ включает подачу жидкости в рабочее колесо (2), выпуск жидкости из него через ряд выходных отверстий в кольцевую резонансную полость (5), возврат части жидкости в полость рабочего колеса для дополнительной обработки и отвод обработанной жидкости в сборную камеру (10). Согласно изобретению, кольцевая резонансная полость выполнена развитой в аксиальном направлении таким образом, что ее аксиальная протяженность В составляет по крайней мере В=1,7 b, где b - ширина проточной части на выходе рабочего колеса. Кольцевая резонансная полость продолжена в аксиальном направлении пассивным участком (5а). Выпуск жидкости из кольцевой резонансной полости в сборную камеру осуществляется через выходную кольцевую вихревую камеру (5b). Возврат части жидкости из кольцевой резонансной полости в полость рабочего колеса осуществляется через перепускную кольцевую вихревую камеру (5с). Устройство содержит рабочее колесо (2) с рядом выходных отверстий, статор (4) с впускным и выпускным (11) отверстиями, сообщенную со сборной камерой (10) кольцевую резонансную полость (5) и контур внутренней рециркуляции жидкости. Согласно изобретению, в статоре установлены диафрагма (20), образующая пассивный участок (5а) полости (5), и перегородка (22) с центральным перепускным отверстием (23), образующая выходную кольцевую вихревую камеру (5b). Контур внутренней рециркуляции жидкости включает перепускную кольцевую вихревую камеру (5с), образованную между покрывающим диском рабочего колеса и статором. Изобретение позволяет существенно повысить эффективность резонансного возбуждения и соответственно качество обработки жидкости. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 4 ил., 4 табл.
R3n2=23,0949· 103 [м3/мин2],
где R [м] - радиус периферийной кольцевой поверхности рабочего колеса;
n [об/мин] - частота вращения рабочего колеса,
отличающийся тем, что кольцевая резонансная полость выполнена развитой в аксиальном направлении таким образом, что ее аксиальная протяженность В составляет по крайней мере
В=1,7 b,
где b - ширина проточной части на выходе рабочего колеса.
F=К n 60-1 [Гц],
где n [об./мин] - частота вращения рабочего колеса;
К=1,72205 R d-1 - количество выходных отверстий рабочего колеса, где R[мм] - радиус периферийной кольцевой поверхности рабочего колеса, 3≤ d≤ 30 - выбранное целое число.
R=28,4777 n-2/3·103 [мм],
где n [об/мин] - заданная частота вращения рабочего колеса,
отличающееся тем, что периферийная кольцевая стенка рабочего колеса выполнена с шириной, минимальная величина которой составляет
В=1,7 b,
где b - ширина проточной части на выходе рабочего колеса.
K=1,72205Rd-1,
где 3≤ d≤ 30 - выбранное целое число.
Н=0,91 m [мм],
где 10≥ m≥ 1 - выбранное целое число.
| СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1995 |
|
RU2155636C2 |
