ДИСПЕРГАТОР Российский патент 2005 года по МПК B01F7/26 

Изобретение относится к диспергационно-смесительно-насосному оборудованию и может быть использовано в производстве пищевых продуктов, топливных смесей, горном деле, нефтяной, химической, лакокрасочной, строительной и других отраслях промышленности.

Известен диспегатор, содержащий корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор со щелями в боковых стенках. Щели ротора и статора выполнены в виде криволинейных синус-спиральных поверхностей (полезная модель РФ №22621, опубл. 2002 г.).

Данный диспергатор не обеспечивает промышленной производительности.

Наиболее близким к предложенному является роторный аппарат гидроударного действия (диспергатор), содержащий корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор со щелями в боковых цилиндрических стенках, имеющими криволинейные поверхности. Щели ротора выполнены в виде дозвуковых сопел, сужающихся в сторону статора. Щели статора выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности, а поверхности стенок соседних щелей попарно соединены внутри ротора сопряженной с ними выпуклой поверхностью (SU 1586759, МКИ 5 В 01 F 7/00, опубл. 1991 г.).

Однако такая конструкция диспергатора из-за концентричного расположения ротора и статора относительно корпуса и несвязного геометрического/криволинейного и углового расположения щелей относительно статора и корпуса не обеспечивает промышленной (высокой) производительности. Это обуславливает то, что процесс ротационного перемещения гидродинамической среды по криволинейным боковым синус-спиральным поверхностям ротора и статора с переходом в концентрично расположенный канал между корпусом и статором не достигает одновременно с созданием мощного напора движения возмущающих струй потока на стенки корпуса ускоренного синергетического роста момента импульса (L²MT^-1=кг·м²/с) струйного истечения на основной поток. В результате происходит снижение величины насосного эффекта, падение скорости гидродинамического течения и ухудшение режимных (ре) и/или циркуляционных характеристик диспергатора, в частности, происходит физическое уменьшение величины гидродинамического действия или кванта действия (L²MT^-1=Дж·с) или гидродинамического удара в потоке.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в усовершенствовании конструкции диспергатора за счет устранения геометрической (криволинейной: выпуклой и вогнутой) и угловой несвязности рабочих (синус-спиральных) боковых поверхностей стенок ротора, статора и концентричности (симметричности) расположения корпуса диспергатора.

Технический результат, который достигается при использовании изобретения, заключается в повышении производительности (скорости гидродинамического течения) с одновременным увеличением ротационной мощности гидродинамических квантов и гидродинамического квантования моментов импульсов ротора за счет синхронизации механических, акустических, гидроударных, струйных и кавитационных (турбулентных устойчивых) воздействий на обрабатываемый поток, текущий через связные геометрические криволинейные боковые поверхности стенок щелей ротора, статора и каналы корпуса диспергатора и наличии криволинейного угла между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью статора.

Технический результат достигается тем, что в диспергаторе, содержащем корпус, внутри которого расположены ротор и статор со щелями, имеющими криволинейные поверхности стенок, щели ротора выполнены сужающимися в сторону статора, а щели статора - расширяющимися в сторону корпуса, причем каждая щель статора имеет стенки с вогнутой поверхностью, а поверхности стенок соседних щелей попарно соединены внутри ротора сопряженной с ними выпуклой поверхностью, согласно изобретению ротор и статор установлены асимметрично относительно внутренней поверхности корпуса с образованием криволинейного угла между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью статора, каждая щель ротора имеет одну стенку с выпуклой поверхностью и другую стенку с вогнутой поверхностью, причем щели имеют следующие параметры: радиус кривизны выпуклых поверхностей стенок щелей ротора ρ_рвып равен от 60 до 110 мм, радиус кривизны вогнутых поверхностей стенок щелей ротора ρ_рвог равен от 20 до 70 мм, радиус кривизны выпуклых поверхностей, соединяющих поверхности стенок соседних щелей внутри ротора, ρ_рс равен от 5 до 30 мм, а радиус кривизны вогнутых поверхностей стенок щелей статора ρ_свог равен от 60 до 150 мм, при этом все радиусы кривизны лежат в сечении, перпендикулярном оси статора и ротора.

Кроме того, угол входа стенок щелей ротора с выпуклой поверхностью α₁ равен от 115° до 145°, а угол входа стенок щелей ротора с выпуклой поверхностью α₃ равен от 95° до 125°, при этом каждый угол входа образован касательной к поверхности стенки щели в точке сопряжения соответственно выпуклой поверхности с радиусом кривизны ρ_рвып или вогнутой поверхности с радиусом кривизны ρ_рвог с выпуклой поверхностью с радиусом кривизны ρ_рс относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур сечения статора в точке пересечения с ней предыдущей касательной, а угол выхода стенок щелей ротора с выпуклой поверхностью α₂ равен от 90,01° до 120°, а угол выхода стенок щелей ротора с вогнутой поверхностью α₄ равен от 65° до 89,99°, при этом каждый угол выхода образован касательной к поверхности стенки щели в точке пересечения этой поверхности с внешней поверхностью ротора относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур статора в точке пересечения с ней предыдущей касательной, при этом все касательные и окружности лежат в сечении ротора и статора, перпендикулярном осевому. При этом угол входа стенок щелей статора, расположенных со стороны стенок щелей ротора с вогнутой поверхностью при совмещении щелей ротора и статора, α₅ равен от 90,01° до 120°, а угол входа противоположных стенок щелей статора α₆ равен от 60° до 89,99°, а углы выхода и тех, и других указанных стенок щелей статора α₇ и α₈ равны от 60° до 120°, при этом каждый угол входа стенок щелей статора образован касательной к поверхности стенки щели статора в точке ее пересечения с внутренней поверхностью статора относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур статора, в точке пересечения с ней предыдущей касательной, а каждый угол выхода стенок щелей статора образован касательной к поверхности стенки щели статора в точке ее пересечения с внешней поверхностью статора относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур статора в этой точке, при этом все касательные и окружности лежат в сечении ротора и статора, перпендикулярном осевому. При этом криволинейный угол между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью статора равен от 0.1° до 20°.

Технический результат достигается за счет связности выполнения криволинейных выпуклых и вогнутых поверхностей стенок щелей ротора и статора.

Кроме того, достижению технического результата способствует выбор значений радиусов кривизны поверхностей стенок щелей ротора и статора и углов входа и выхода поверхностей стенок щелей ротора и статора, что обеспечивает устойчивое турбулентное течение диспергируемой среды с а - и/или хаотическими флуктуациями (колебаниями) основных параметров потока (скорости, температуры, давления, плотности, гидродинамического кванта действия, момента импульсов и т.п.). За счет адаптивного и/или автоматизированного регулирования частоты скорости вращения ротора при вариациях физического параметра действия (момента импульса) и скоростей девиации (отклонения) напряжений в потоке, создаваемом ротором, достигаются режимы перекрытия потока при движения среды сквозь щели и канал с резонансной частотой автоколебаний и с одновременным синхронизированным синергетическим действием сил различной природы: центробежной, ударной, гидроквантоударной, гидроакустической, кавитационной, турбулентной (вихревой), фрикционной. В результате силовых воздействий диспергируемая (обрабатываемая) среда разрушается до коллоидной и/или дисперсно-дисперсионной смеси с микро- и/или наноразмерами частиц. Заявленные признаки конструкции повышают производительность диспергатора в целом и увеличивают мощность квантов действия (моментов импульсов) на диспергируемую среду.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вид диспергатора в разрезе; на фиг.2 - поперечное сечение щели ротора и щели статора.

Диспергатор состоит из корпуса 1 с входным патрубком (не показан) и выходным патрубком 2. Внутри корпуса 1 асимметрично его внутренней поверхности установлены полые цилиндрические статор 3 и ротор 4. Ротор 4 расположен внутри статора 3 коаксиально ему и с зазором относительно него. В боковых цилиндрических стенках ротора 4 выполнены щели 5, каждая щель имеет одну вогнутую и одну выпуклую поверхности, а щель в целом сужается в сторону статора 3. В боковых цилиндрических стенках статора 3 выполнены щели 6, каждая щель имеет две вогнутые поверхности и расширяется в сторону корпуса. В полости ротора 4 расположены лопатки 7 для придания диспергируемой среде центробежной силы. Криволинейные выпуклые и вогнутые поверхности щелей имеют соответствующие радиусы кривизны и значения углов: ρ_рвып - кривизна выпуклых (вып.) криволинейных поверхностей стенок щелей 5 ротора (р); ρ_рвог - кривизна вогнутых (вог.) криволинейных поверхностей стенок щелей 5 ротора (р); ρ_свог - кривизна вогнутых (вог.) криволинейных поверхностей стенок щелей 6 статора (с); ρ_рс - радиус кривизны выпуклых поверхностей, соединяющих поверхности стенок соседних щелей 5 внутри ротора; α₁ - угол входа стенок щелей 5 ротора между касательной в точке сопряжения выпуклой поверхности с радиусом кривизны ρ_рвып с выпуклой поверхностью с радиусом кривизны ρ_рс и касательной к окружности, описывающей внешний контур сечения статора 3, в точке пересечения предыдущей касательной; α₂ - угол выхода стенок щелей 5 ротора между касательной в точке пересечения выпуклой поверхности с радиусом кривизны ρ_рвып с внешней поверхностью ротора 4 и касательной к окружности, описывающий внешний контур статора 3, в точке пересечения предыдущей касательной; α₃ - угол входа стенок щелей 5 ротора между касательной в точке сопряжения вогнутой поверхности с радиусом кривизны ρ_рвог с выпуклой поверхностью с радиусом кривизны ρ_рс и касательной к окружности, описывающей внешний контур сечения статора 3, в точке пересечения предыдущей касательной; α₄ - угол выхода стенок щелей 5 ротора между касательной в точке пересечения вогнутой поверхности с радиусом кривизны ρ_рвог с внешней поверхностью ротора 4 и касательной к окружности, описывающий внешний контур статора 3, в точке пересечения предыдущей касательной; α₅ - угол входа стенок щелей 6 статора, расположенных со стороны стенок щелей 5 ротора с вогнутой поверхностью при совмещении щелей 5, 6 ротора и статора, между касательной к поверхности стенки щели 6 статора в точке ее пересечения с внутренней поверхностью статора 3 и касательной к окружности, описывающей внешний контур статора 3, в точке пересечения с ней предыдущей касательной; α₆ - угол входа стенок щелей 6 статора, расположенных со стороны стенок щелей 5 ротора с выпуклой поверхностью при совмещении щелей 5 и 6 ротора и статора, между касательной к поверхности стенки щели 6 статора в точке ее пересечения с внутренней поверхностью статора 3 и касательной к окружности, описывающей внешний контур статора 3, в точке пересечения с ней предыдущей касательной; α₇, α₈ - углы выхода и тех, и других указанных щелей 6 статора между касательной к поверхности стенки щели 6 статора в точке ее пересечения с внешней поверхностью статора 3 относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур статора 3 в этой точке.

Ротор снабжен лопатками (не показаны) для создания центробежной силы движению потоку.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Исходная среда по входному патрубку корпуса 1 поступает на вращающийся ротор 3. Вращение ротора 3 действием центробежных сил вызывает равномерное (ротоидальное = масса ротора + масса жидкости) связное движение среды по криволинейной конической поверхности и распределение перемещающегося по "оборачивающейся" поверхности при одновременном равноускоренном центробежном направлении перемещаемого потока в полости и на лопатки 7 ротора 4. За счет нетормозящего обтекания средой лопаток 7 происходит дополнительное мягкое (спиральное) ускорение движения частиц среды, сопровождающееся ударно-фрикционным разрушением частиц, в том числе движущихся по лопаткам 7 под действием центробежных сил и сил Кориолиса. Далее движение происходит через плавное направление потока на криволинейные выпуклые (с углами входа α₁ и α₃ и радиусом кривизны ρ_рвып и ρ_рс) и вогнутые (с углом входа α₃ и радиусом кривизны ρ_рвог) поверхности стенок щелей 5 ротора. В результате скользящего направленного движения среды по криволинейным выпуклым и вогнутым поверхностям, образующим сужающиеся между стенками щели 5 ротора, происходит резкое и одновременно гладкое увеличение скользящей скорости движения среды по криволинейным поверхностям стенок щелей с синхронным падением давления в среде до достижения максимальных центробежных значений действия сил, сил механической природы и величин скоростей среды и частиц на выходе (углы выхода α₂ и α₄) по периметру ротора 4. В момент перекрытия щелей 5 ротора по его периметру концентрично расположенной внутренней поверхностью статора 3 происходит резкое повышение давления - прямой гидравлический удар. В последующий промежуток времени среда, движимая с резко замедленным ускорением, испытывает действия на нее центробежных сил ротора 4 и момента импульса (действия) массовых присоединенных сил центробежной инерции диспергируемого. Одновременно при торможении потока в момент перекрытия щелей 5 ротора внутренней поверхностью статора 3 на среду действуют реактивные, объемные сжимающиеся напряжения, что обуславливает процесс диспергирования среды между криволинейными выпуклыми и вогнутыми поверхностями стенок щелей 5 ротора. Затем следует механическое соударение частиц с криволинейной вогнутой боковой поверхностью стенки щели 5 ротора и в зазоре между ротором 4 и статором 3. В случае обработки прямым гидроударом дисперсионной среды около стенок ротора 4, перекрытого статором 3, возникает устойчивая кавитация /турбулентность/ вихреобразование. Далее с частотой перекрытия щелей 5 ротора статором 3 в движущейся среде возникают локальные устойчивые турбулентности в виде кавитационно-акустических (ультразвуковых) ускоренных течений с регулируемой частотой перекрывания щелей 5 и 6 ротора и статора с помощью преобразователя частоты (не показан). В момент совмещения щелей 5 ротора и щелей 6 статора (по углам α₂, α₄, α₅ и α₆) возросшее от перекрытия щелей давление резко сбрасывается в щели 6 статора путем ускоренного перемещения гидромассы в открытость. Щели 6 статора образованы криволинейными вогнутыми поверхностями стенок щелей 6 статора с кривизной ρ_свог и углами входа α₅ и выхода α₇ и с кривизной ρ_свог и углами входа α₆ и выхода α₈. Между криволинейными вогнутыми поверхностями стенок щелей 6 статора образуется вторичный гидравлический удар (гидродинамическая кавитациеустойчивая турбулентность) или мощный силоэнергетический квант действия. Гидродинамические действия квантов превращаются в струйный момент импульсов, направленных к внешней поверхности статора 3 через криволинейные вогнутые поверхности (с кривизной ρ_свог) стенок статора 3 под расширяющимися углами α₅=α₆, α₇=α₈ к внутренней поверхности корпуса 1, который имеет криволинейную направленность относительно внешней поверхности статора 3 под углом α в результате асимметричного расположения ротора 4 и статора 3 относительно корпуса 1. Между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью статора 3 при движении среды от действия момента импульсов создается поток, в котором возникает мощный перепад давления по мере развертывания (роста) криволинейного угла к выходному патрубку 2. При этом гидродинамическое движение среды между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью статора 3 (под криволинейным углом α) к выходному патрубку 2 сопровождается по периметру статора 3 мощным щелевым и одновременно связным, равномерно распределенным экстинкционным (гасящим) неголономным, перекрестным, сносимым насыщением постоянно несущегося с большой скоростью турбулизируемого гидросилового потока затопленными кавитационными устойчивыми струйными гидроквантами действия моментов импульсов по внутренней и внешней поверхности, соответственно, статора и корпуса. Между криволинейными вогнутыми поверхностями стенок щелей 6 статора при асимметричном расположении внутренней поверхности корпуса 1 и заданном криволинейным угле 0,1°-20° создается дополнительный перепад (градиент) давления при устойчиво-турбулентном (волновом) движении среды на выход. За счет дополнительного перепада давления и связности течений по криволинейным вогнутым и выпуклым боковым поверхностям стенок щелей 5 и 6 ротора и статора создаются дополнительные последовательные и локальные режимные условия ускоренного течения гидромассопотока и повышения скорости ре - и/или циркуляции потока в установке диспергирования в целом. Повышение скорости связного течения среды обуславливает повышение производительности (расхода, напора, подачи и других параметров, характеризующих работу и насосно-диспергационный эффект диспергатора) при синхронизации процессов плавного скольжения и одновременного экстинкционного торможения переносимых потоком (дисперсных) дисперсионных масс при переходе струйного течения из щелей ротора в щели статора и далее в гидродинамический поток, движущийся между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью статора.

При указанной последовательности и режимах процесса диспергирования происходит измельчение обрабатываемый среды, которая затем по выходному патрубку поступает под давлением на дальнейшее использование, или по производственно-технологическому назначению - на другой передел (операцию), или потребителю.

Заявленный диспергатор по сравнению с ближайшим аналогом имеет в 3-5 раз более высокую производительность вследствие повышения скоростей диспергирования и создания в обрабатываемой среде мощной скользящей экстинкции (гашения) гидроквантованных энергетических девиатационных (отклоняющих) напряжений, величина которых изменяется (по величине и направлению) и возрастает от изменения последовательности и/или режимов диспергирования при регулировании (автоматизированном и/или адаптивном) частотой вращения ротора (ротоида) центробежных гидродинамических ударных, ударно-механических действий и гидродинамических моментов импульсов (гидродинамических квантов действия) пропорционально росту степени кавитационной и/или устойчивой турбулентности от связного (скользящего) скоростного течения движущейся среды по плавно обтекаемым криволинейным внешним и внутренним поверхностям стенок щелей статора, ротора и корпуса. Обработанные в таком диспергаторе материалы представляют собой коллоидные (дисперсионные ≤ 5 мк) и/или дисперсные (тонкоизмельченные ≤ 50 мк) частицы в активированном и/или инициированном состоянии. Кроме того, такой диспергатор может быть использован для сухого (активационного) и мокрого (инициированного) разрушения (измельчения) абразивных и/или активных сред при повышенных (стерилизационных) и/или пониженных (пассивационных) режимах работы.

Изобретение относится к диспергационно-смесительно-насосному оборудованию и может быть использовано в производстве пищевых продуктов, топливных смесей, горном деле, нефтяной, химической, лакокрасочной, строительной и других отраслях промышленности. Диспергатор содержит корпус, внутри которого расположены ротор и статор со щелями, имеющими криволинейные поверхности стенок. Щели ротора выполнены сужающимися в сторону статора, а щели статора - расширяющимися в сторону корпуса. Каждая щель статора имеет стенки с вогнутой поверхностью, каждая щель ротора имеет одну стенку с выпуклой поверхностью и другую стенку с вогнутой поверхностью. Все криволинейные поверхности имеют определенные радиусы кривизны. Стенки щелей расположены под определенными углами. Технический результат состоит в повышении эффективности диспергирования за счет улучшения гидродинамики потока. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Диспергатор, содержащий корпус, внутри которого расположены ротор и статор со щелями, имеющими криволинейные поверхности стенок, щели ротора выполнены сужающимися в сторону статора, а щели статора - расширяющимися в сторону корпуса, причем каждая щель статора имеет стенки с вогнутой поверхностью, а поверхности стенок соседних щелей попарно соединены внутри ротора сопряженной с ними выпуклой поверхностью, отличающийся тем, что ротор и статор установлены асимметрично относительно внутренней поверхности корпуса с образованием криволинейного угла между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью статора, каждая щель ротора имеет одну стенку с выпуклой поверхностью и другую стенку с вогнутой поверхностью, при этом радиус кривизны выпуклых поверхностей стенок щелей ротора ρ_рвып равен от 60 до 110 мм, радиус кривизны вогнутых поверхностей стенок щелей ротора ρ_рвог равен от 20 до 70 мм, радиус кривизны выпуклых поверхностей, соединяющих поверхности стенок соседних щелей внутри ротора, ρ_рс равен от 5 до 30 мм, а радиус кривизны вогнутых поверхностей стенок щелей статора ρ_свог равен от 60 до 150 мм, при этом все радиусы кривизны лежат в сечении, перпендикулярном оси статора и ротора.2. Диспергатор по п.1, отличающийся тем, что угол входа стенок щелей ротора с выпуклой поверхностью α₁ равен от 115 до 145°, а угол входа стенок щелей ротора с выпуклой поверхностью α₃ равен от 95 до 125°, при этом каждый угол входа образован касательной к поверхности стенки щели ротора в точке сопряжения соответственно выпуклой поверхности с радиусом кривизны ρ_рвып или вогнутой поверхности с радиусом кривизны ρ_рвог с выпуклой поверхностью с радиусом кривизны ρ_рс относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур сечения статора в точке пересечения с ней предыдущей касательной, а угол выхода стенок щелей ротора с выпуклой поверхностью α₂ равен от 90,01 до 120°, а угол выхода стенок щелей ротора с вогнутой поверхностью α₄ равен от 65 до 89,99°, при этом каждый угол выхода образован касательной к поверхности стенки щели ротора в точке пересечения этой поверхности с внешней поверхностью ротора относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур статора в точке пересечения с ней предыдущей касательной, при этом все касательные и окружности лежат в сечении ротора и статора, перпендикулярном осевому.3. Диспергатор по п.1, отличающийся тем, что угол входа стенок щелей статора, расположенных со стороны стенок щелей ротора с вогнутой поверхностью при совмещении щелей ротора и статора, α₅ равен от 90,01 до 120°, а угол входа противоположных стенок щелей статора α₆ равен от 60 до 89,99°, а углы выхода и тех и других указанных стенок щелей статора α₇ и α₈ равны от 60 до 120°, при этом каждый угол входа стенок щелей статора образован касательной к поверхности стенки щели статора в точке ее пересечения с внутренней поверхностью статора относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур статора, в точке пересечения с ней предыдущей касательной, а каждый угол выхода стенок щелей статора образован касательной к поверхности стенки щели статора в точке ее пересечения с внешней поверхностью статора относительно касательной к окружности, описывающей внешний контур статора в этой точке, при этом все касательные и окружности лежат в сечении ротора и статора, перпендикулярном осевому.4. Диспергатор по п.1, отличающийся тем, что криволинейный угол между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью статора равен от 0,1 до 20°.