РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ АППАРАТ Российский патент 2007 года по МПК B01F7/00 B01F15/00 

Изобретение относится к устройствам для обработки различных жидкотекучих сред. Оно может быть использовано в химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, микробиологической, фармацевтической, пищевой, парфюмерной, кормовой, энергетике, химико-фотографической и других отраслях промышленности, дорожном строительстве для высокоэффективного перемешивания, для обессоливания и обезвоживания нефти, для снижения вязкости различных жидкостей, в частности нефти и нефтепродуктов, для увеличения выхода светлых фракций при перегонке нефти, для удаления из нефти и нефтепродуктов серы и ее соединений, для выращивания и заглушки бактерий, для проведения звукохимических реакций, для изготовления различных эмульсионных лекарственных форм, для получения искусственной крови, для гомогенизации, пастеризации и стерилизации молока и молочных продуктов, при производстве спирта, для приготовления различных смесей, пюре и т.д., для производства различных косметических препаратов, в том числе и экстрактов, для экстрагирования различных веществ из различного сырья, для получения водобитумных и водотопливных эмульсий и т.д.

Известно устройство для обработки жидкотекучих сред (авторское свидетельство СССР №1479088, кл. В01F 7/28, 15.05.89, бюл. 18). Оно содержит корпус с входным и выходным патрубками, ротор, выполненный в виде колеса центробежного насоса, и статор, выполненный в виде кольца с разрезом по образующей и проточными каналами. Устройство работает следующим образом. Обрабатываемая жидкотекучая среда, например суспензия, через входной патрубок поступает в корпус аппарата, где за счет энергии, сообщенной ей вращающимся ротором, она движется в радиальном направлении. За счет пульсации давления в аппарате разрезной статор совершает колебательные движения. Это приводит к диспергированию компонент, содержащихся в обрабатываемой жидкотекучей среде. Недостатком этого устройства является то, что вал, на котором установлено колесо центробежного насоса, осуществляет только передачу крутящего момента от привода к этому колесу. Этот вал никак не участвует в создании акустических колебаний в аппарате.

Известен роторно-пульсационный аппарат (авторское свидетельство СССР №1148638, В01F 11/02, 07.04.85, бюл. 13). Аппарат содержит корпус с входным и выходным патрубками. В корпусе установлен статор, на торце которого выполнены коаксиальные цилиндры с проточными каналами. С помощью упругих элементов (лопастей) и ступицы (втулки) на приводном валу установлен ротор, на торце которого, обращенном к статору, установлены коаксиальные цилиндры, расположенные между коаксиальными цилиндрами статора, с проточными каналами. Аппарат работает следующим образом: обрабатываемая жидкотекучая среда поступает в аппарат. В аппарате она подвергается интенсивному перемешиванию, диспергированию за счет взаимодействия ее с элементами конструкции аппарата, элементами коаксиальных цилиндров ротора и статора, лопаток ротора и статора, а кроме того, благодаря тому, что диск ротора совершает крутильные колебания на упругих элементах (лопастях), эффективность диспергирования в этом устройстве возрастает. Недостатком этого устройства является то, что его вал, как и в предыдущем устройстве, осуществляет только передачу вращения от привода диску ротора. Он также не участвует в создании акустических колебаний в аппарате.

Известен роторно-пульсационный акустический аппарат (патент РФ №2162363, кл. В01F 7/00, 27.01.2001, бюл. 3) как наиболее близкий аналог предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков, взятый нами за прототип. Он содержит корпус, в котором с зазором к нему посредством упругих лопаток или обечаек установлены статоры, выполненные в виде дисков, на торцах которых, обращенных в противоположные от корпуса стороны, размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами и ротор, выполненный в виде диска, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, расположенные между коаксиальными цилиндрами статоров, закрепленного консольно на валу ротора посредством упругих лопаток и втулки (ступици). Аппарат работает следующим образом. В корпус аппарата поступает жидкотекучая обрабатываемая среда (ЖОС). Эта среда, двигаясь по проточным каналам ротора и статора благодаря вращающемуся ротору, подвергается интенсивному механическому перемешиванию, диспергированию и т.д. за счет взаимодействия с элементами коаксиальных цилиндров ротора и статоров. Кроме того, за счет того, что при вращении диска ротора он совершает веерные, или зонтичные, или комбинированные веерно-зонтичные колебания, этот диск генерирует в ЖОС акустические волны сжатия-разряжения-сжатия и т.д. Эти акустические волны имеют значительную интенсивность J=10⁵ Вт/см² (J=10⁷ Вт/м²).

Благодаря тому что в этом аппарате возникают акустические волны такой большей интенсивности, с помощью этого аппарата удается получать ультратонкие эмульсии, суспензии, проводить звукохимические реакции и т.д. Недостатком этого устройства является то, что его вал предназначен только для передачи крутящего момента, т.е. для приведения во вращение диска ротора и не участвует на прямую в создании акустических колебаний в роторно-пульсационном акустическом аппарате.

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности процесса обработки жидкотекучих сред (ЖС): экстракции, растворения, проведения звукохимических реакций, проведения микробиологических процессов, эмульгирования, диспергирования, смешения, гомогенизации и т.д. путем создания в аппарате высокоэффективных, высокоинтенсивных в широком диапазоне частот колебаний плоскости диска вращающегося ротора, воздействующих на обрабатываемую среду за счет интенсивных колебаний вала ротора: повышения работоспособности устройства в целом (снижение утечек через контактное уплотнение уплотняемой жидкости, повышении работоспособности подшипников электродвигателя или подшипников устройства).

Сущность изобретения характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижение указанного эффекта тем, что в роторно-пульсационном акустическом аппарате, содержащем корпус, в котором с зазором к нему установлены статоры, на торцах которых размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, и диск ротора, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, закрепленного консольно на валу ротора посредством упругих лопаток и втулки, согласно изобретению вал ротора выполнен составным, состоящим из двух полувалов, при этом консольная часть полувала, на котором установлен диск ротора, выполнена из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более, а второй полувал выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000.

Кроме того, консольная часть вала ротора, где установлен диск ротора, выполнена ступенчато, с проточкой меньшего диаметра.

Контактное уплотнение установлено на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000.

Подшипники, посредством которых вал ротора установлен в корпусе, расположены на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000.

Между двумя полувалами установлена виброгасящая прокладка.

Кроме того, вал может быть целиком выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более.

Изготовление вала ротора составным, состоящим из двух полувалов, при этом выполнение консольной части полувала, на котором установлен диск ротора из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более, а второго полувала из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, приводит к тому, что амплитуда продольных, поперечных и крутильных колебаний консоли этого вала значительно возрастет по сравнению с прототипом, а т.к. на этой консоли закреплен диск ротора, то и амплитуда его колебаний резко возрастет. Таким образом возрастает амплитуда веерных, или зонтичных, или комбинированных веерно-зонтичных колебаний самого диска, (см. патент РФ №2145255, кл. В01F 7/00, 2000, бюл. 4; патент РФ №2162363, кл. В01F 7/00, 2001, бюл. 3), а кроме того, крутильные колебания вала ротора также увеличатся. Все это позволит резко увеличить интенсивность акустических колебаний диска ротора и, как следствие этого, увеличить интенсивность акустического поля в аппарате, что приведет к интенсификации процессов при обработке в аппарате различных жидкотекучих сред. Второй же полувал, выполненный из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, будет иметь значительно меньшую амплитуду колебаний, меньшую интенсивность этих колебаний. Кроме того, на границе раздела двух полувалов продольные акустические волны, распространяющиеся в консольном полувале, отразятся от границы раздела полувалов (см. Ультразвук. / Под ред. И.П.Галяминой, М.: Мал. Сов. энциклопедия, 1979, 400 с.), уменьшив еще тем самым амплитуду продольных, поперечных, крутильных колебаний второго полувала, выполненного из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000. Это снизит вибрационные нагрузки, например, на вал электродвигателя, в случае установки второго полувала непосредственно на его вал, и соответственно уменьшит вибрационные нагрузки на подшипники электродвигателя, повысив его работоспособность.

Выполнение консольной части вала ротора, где установлен диск ротора, ступенчато, с проточкой меньшего диаметра приводит к еще большему увеличению амплитуды поперечных радиальных и крутильных колебаний консоли вала ротора, а следовательно, к увеличению амплитуды и интенсивности колебаний диска ротора.

Установка контактного уплотнения на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, приводит к значительному снижению вибрационных нагрузок на это уплотнение и, как следствие этого, к увеличению герметизирующей способности уплотнения, к уменьшению утечек через это уплотнение.

Расположение подшипников, посредством которых вал установлен в корпусе на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, приводит к тому, что за счет значительно меньших его вибраций снизятся вибрационные нагрузки на эти подшипники, тем самым повысив их работоспособность, и в конечном счете повысит работоспособность устройства в целом.

Установка между двумя полувалами виброгасящей прокладки еще больше снизит вибрационные колебания второго полувала, на котором установлены подшипники и контактные уплотнения, и, таким образом, повысит работоспособность устройства в целом.

Выполнение вала ротора из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более позволит в случаях, когда к устройству не предъявляют повышенных требований по работоспособности и по утечкам обрабатываемых жидкотекучих продуктов с упрощенной конструкцией аппарата, повысить амплитуду и интенсивность акустических колебаний диска ротора за счет повышения амплитуды колебаний консоли вала ротора.

Существенными отличительными признаками изобретения является то, что вал ротора выполнен составным, состоящим из двух полувалов, при этом консольная часть полувала, на котором установлен диск ротора, выполнена из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более, а второй полувал выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, консольная часть вала ротора, где установлен диск ротора, выполнена ступенчато, с проточкой меньшего диаметра, контактное уплотнение установлено на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, подшипники, посредством которых вал ротора установлен в корпусе, расположены на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, между двумя полувалами установлена виброгасящая прокладка, вал ротора выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более.

Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о новизне и соответствии условию изобретательского уровня этого технического решения.

На фиг.1 изображен продольный разрез аппарата, вал ротора выполнен одним диаметром, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - элемент Б фиг.1, консольная часть вала ротора, где установлен диск ротора, выполнена ступенчато, с проточкой меньшего диаметра, на фиг.4 - то же, что и на фиг.3, но вал ротора выполнен составным, состоящим из двух полу валов, на фиг.5 - вал ротора с виброгасящей прокладкой, состоящий из двух полувалов, с установленными на втором полувале контактным уплотнением и подшипниках. На фиг.6 изображено сечение В-В фиг.1, на фиг.7 - сечение Г-Г фиг.1. На фиг.8 - схема поперечных колебаний вала ротора с консольным диском ротора, на фиг.9 - распространение продольных акустических волн в составном валу ротора, на фиг.10 - сечение Е-Е фиг.5, схема крутильных колебаний консольного полувала ротора, выполненного из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более. В таблице приведены данные акустической добротности различных материалов, (см. Ультразвук / Под ред. И.П.Голяминой, М.: Сов. энциклопедия, 1979, 400 с, стр.132-133).

Акустическая добротность - это количественный показатель, который характеризует, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе больше амплитуды колебаний при частотах ниже резонансных при одинаковой амплитуде вынуждающей силы.

Аппарат содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. В корпусе 1 с зазором к нему установлены статоры 4, на торцах которых, обращенных в противоположные от корпуса стороны, размещены коаксиальные цилиндры 5, в которых выполнены проточные каналы 6. Статоры 4 установлены в корпусе 1 с помощью фланцев 7 и обечаек 8 или упругих лопаток 9. Между статорами 4 установлен диск ротора 10, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры 11 с проточными каналами 12. Диск ротора 10 установлен посредством упругих лопаток 13 и втулки (ступицы) 14 на валу ротора 15. В свою очередь вал ротора 15 может быть установлен на валу электродвигателя 16 и выполнен одним диаметром. В корпусе 1 на валу 15 установлено контактное уплотнение 17. Это может быть сальниковая набивка, манжета или торцовое уплотнение (см. фиг.5). На валу ротора 15 может быть выполнена проточка 18 меньшего диаметра, чем диаметр вала (см. фиг.3-5). Вал ротора 15 может быть выполнен составным из двух полувалов 19 (см. фиг.5), изготовлен, например, из сплава титана, и 20, изготовлен из конструкционной стали, акустическая добротность которых ниже 13000 и находится в пределах 10000 - 6300 (см. таблицу), при этом контактное уплотнение 17 устанавливается в корпусе 1 на втором полувале 20. Второй полувал 20 может быть установлен в корпусе 1 посредством подшипников 21 и 22. Между полувалами 19 и 20 может быть установлена виброгасящая прокладка 23, изготовленная, например, из меди или сплава с большим содержанием никеля (см. таблицу).

Аппарат работает следующим образом. В корпус 1 через входной патрубок 2 поступает ЖОС. За счет вращения, передаваемого от вала электродвигателя 16 через вал ротора 15, диска ротора 10, в аппарате создается радиальный поток ЖОС. Этот поток, взаимодействуя с элементами конструкции аппарата, коаксиальными цилиндрами 6 статоров 4 и коаксиальными цилиндрами 11 диска ротора 10, а также с упругими лопатками 13, хорошо перемешивается, гомогенизируется, подвергается грубому диспергированию. Благодаря тому что диск ротора 10 совершает веерные, или зонтичные, или комбинированные верно-зонтичные или другие колебания различной формы, частоты и интенсивности (см. патент РФ №2145255, кл. В01F 7/00, 2000, Бюл. 4, патент РФ №2162363, кл, В01F 7/00, 2001, Бюл. 3), в ЖОС возникают акустические волны сжатия-разряжения-сжатия и т.д., которые приводят к разрушению различных дисперсионных фаз, находящихся в ЖОС (См. Фомин В.М., Щукин А.В. и др. О механизме воздействия акустических колебаний на жидкие среды. Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. Казань, №3, 2002 г., стр.3-8). Эти акустические волны, достигая статоров 4, установленных в корпусе 1 с зазором посредством фланцев 7 и обечаек 8 или упругих лопаток 9, отражаются от них и движутся в обратную сторону от статора к диску, кроме того, эти прямые волны, генерируемые диском ротора, вызывают аналогичные колебания статоров. Тем самым интенсифицируя акустику аппарата. Кроме того, благодаря тому что вал ротора 15 с консольно установленным на нем диском ротора 10 выполнен из одного из конструкционных материалов с акустической добротностью от 13000 и более, например, из латуни Л59, титана или титановых сплавов, имеющего значительно большую акустическую добротность, чем другие конструкционные материалы, амплитуда его колебаний возрастет, тем самым увеличится и амплитуда колебаний диска ротора 10. В предлагаемом изобретении вал ротора 15 под действием вынуждающих сил (вибрации в подшипниках 21, 22, колебания диска ротора 10, пульсации в ЖОС и т.д.) будет совершать следующие виды колебаний: поперечные (радиальные) колебания "б" за счет смещения центра масс ротора и оси его вращения "а" фиг.8; продольные (осевые) колебания "в", вызванные веерными, зонтичными или комбинированными веерно-зонтичными колебаниями диска ротора 10 фиг.9; крутильные колебания "д", вызванные пульсациями давления ЖОС в процессе ее течения в проточных каналах 6 и 12 статоров 4 и диска ротора 10. Все это приводит к значительному увеличению амплитуды колебаний диска ротора 10, к увеличению интенсивности акустических колебаний. Т.е. приводит к интенсификации процессов, происходящих в аппарате. Выполнение вала ротора 15 составным, состоящим из двух полувалов 19 и 20, при этом изготовление консольного полувала 19, где установлен диск ротора 10, из одного из сплавов титана с высоким значением акустической добротности, а второго полувала из конструкционной стали со значительно меньшим значением акустической добротности, а именно меньше 13000, приводит к тому, что продольные волны "в", распространяющиеся в титановом полувале 19, будут отражаться от границы их раздела "ж" в виде отраженной волны "г", тем самым значительно снизив интенсивность акустических колебаний во втором полувале 20, выполненном из конструкционной стали. А поскольку акустическая добротность конструкционной стали значительно меньше акустической добротности титановых сплавов, то и интенсивность колебаний второго полувала будет еще меньше. Таким образом, установка подшипников 21 и 22, а также контактного уплотнения 17 на втором полувале, выполненном из конструкционной стали, значительно повысит их работоспособность. Выполнение на консольном полувале 19 проточки 18 меньшего диаметра приводит к увеличению амплитуды поперечных (радиальных) и крутильных колебаний этого полувала. Установка между полувалами 19 и 20 виброгасящей прокладки 23 еще больше снизит вибрации второго полувала 20, выполненного из конструкционной стали, на котором установлены подшипники 21 и 22 и контактное уплотнение 17.

Экономический эффект от использования данного изобретения заключается в повышении эффективности работы аппарата в процессах диспергирования, экстракции, эмульгирования и т.д. при том, что энергетические затраты не возрастают.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, микробиологической, фармацевтической, пищевой, парфюмерной, кормовой, энергетике, химико-фотографической и других отраслях промышленности. Роторно-пульсационный акустический аппарат содержит статоры, на торцах которых размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами и диск ротора, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры ротора с проточными каналами. Вал ротора выполнен составным из двух полувалов, при этом консольный полувал, на котором установлен диск ротора, выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более, а второй полувал выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000. Консольный полувал ротора, где установлен диск ротора, выполнен ступенчато с проточкой меньшего диаметра. Контактное уплотнение установлено на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000. Подшипники, посредством которых вал ротора установлен в корпусе, расположены на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000, между двумя полувалами установлена виброгасящая прокладка. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса обработки жидкотекучих сред путем создания в аппарате высокоэффективных, высокоинтенсивных в широком диапазоне частот колебаний плоскости диска вращающегося ротора. 4 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Роторно-пульсационный акустический аппарат, содержащий корпус, в котором с зазором к нему установлены статоры, на торцах которых размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами и диск ротора, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, закрепленный консольно на валу ротора посредством упругих лопаток и втулки, отличающийся тем, что вал ротора выполнен составным, состоящим из двух полувалов, при этом консольный полувал, на котором установлен диск ротора, выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью от 13000 и более, а второй полувал выполнен из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000.2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что консольный полувал ротора, где установлен диск ротора, выполнен ступенчато с проточкой меньшего диаметра.3. Аппарат по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что контактное уплотнение установлено на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000.4. Аппарат по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что подшипники, посредством которых вал ротора установлен в корпусе, расположены на втором полувале, выполненном из конструкционного материала с акустической добротностью меньше 13000.5. Аппарат по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что между двумя полувалами установлена виброгасящая прокладка.