РОТОРНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2007 года по МПК B01F7/28 

Изобретение относится к устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для интенсификации процессов эмульгирования, абсорбции и других в системах «жидкость-жидкость».

Известен роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода жидкой среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с отверстиями в боковых стенках, камеру озвучивания и привод. Отверстия в боковых стенках ротора и статора выполнены в форме треугольников и в камере озвучивания напротив отверстий статора расположены вертикальные стержни (а.с. СССР №1169721, B01F 7/28, 1985 г.). Стержни преобразуют кинетическую энергию струй в энергию гидродинамической кавитации. Основной недостаток этой конструкции заключается в том, что скорость струи, выходящей из отверстий статора в камеру озвучивания, резко падает, кинетическая энергия ее значительно уменьшается и, как следствие, происходит недостаточно интенсивная кавитационная обработка жидкой среды.

Наиболее близким к изобретению по получаемому эффекту является роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода жидкой среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках, камеру озвучивания, привод. В канале статора установлены один или несколько вертикальных стержней, которые чередуются с горизонтальными (патент №2225250 от 10.03.2004). Основной недостаток этой конструкции следующий. Установка стержней в каналах вдоль оси статора или ротора вызывает турбулизацию проточной жидкой среды в основном только перед первым со стороны центра статора или ротора стержнем. Перед последующими стержнями формируется застойная зона. Поток жидкости, обтекая установленные таким образом стержни, делится на две одинаковые непересекающиеся части, чем снижается его способность генерировать импульсные колебания в камере озвучивания. Очевидно также, что такая постановка стержней требует выполнения сложных гидродинамических расчетов, на основании которых должны определяться параметры каналов и стержней. В противном случае установка стержней может привести к обратному результату.

Техническая задача изобретения - интенсификация процесса смесеобразования в роторно-пульсационном аппарате для получения устойчивых к расслаиванию эмульсий.

Известно, что для образования гомогенной смеси энтропия должна увеличиваться, а свободная энергия уменьшаться. Необратимость процесса повышается, если он сопровождается диссипативными эффектами, например турбулентностью, трением или изменением электрического сопротивления.

Исходя из этого достигаемый технический результат заключается в организации конструктивными способами необратимого процесса смешения в системе «жидкость-жидкость» за счет импульсного пересечения потоков с одновременным дополнительным возбуждением колебаний в камере озвучивания посредством предлагаемого расположения стержней в каналах статора и их исполнения. В соответствии с этим поток жидкой среды должен огибать стержни, установленные в каналах статора, без разделения на части или с разделением на существенно неодинаковые части и входить в камеру озвучивания под некоторым углом. При этом в соседних двух каналах потоки должны выходить из каналов в камеру озвучивания сходящимися, а потоки, выходящие из каналов, расположенных по обеим сторонам от указанных двух каналов, - расходящимися. Таким образом, в камере озвучивания формируется чередование зон с различным внутренним давлением, что способствует интенсификации кавитационного воздействия на жидкую среду.

Дополнительным способом, усиливающим процесс смешения, является установка стержней, форма которых отличается от цилиндрической или имеющих частично цилиндрическую поверхность. Целью таких решений является, во-первых, концентрация энергии потоков при их прохождении между стержнями; во-вторых, создание сдвиговых процессов в потоке. Примером первого решения является исполнение стержней с лысками, ориентированными параллельно на соседних стержнях, что увеличивает скорость течения потока и усиливает колебания жидкой среды в камере озвучивания. Вторым решением является исполнение стержней с переменным поперечным сечением, например, имеющих коническую форму и установленных так, что поток проходит между поверхностями разных радиусов. Таким способом формируется сдвиг слоев в потоке и увеличивается внутреннее трение.

Дополнение поверхностей стержней, между которыми проходит поток жидкой среды, рифлениями создает местную микротурбулизацию, способствующую диссипации энергии.

Повышения качества смешения можно достигнуть еще и тем, что можно создать окружную скорость движения жидкой среды в кольцевом пространстве камеры озвучивания. Этого можно достигнуть, выполнив каналы в роторе или в статоре с переменным шагом и чередованием их так, чтобы создать направленное движение всего кольцевого объема камеры озвучивания или, по крайней мере, ее частей. Таким образом можно воздействовать на жидкую среду не только в радиальном направлении, но и в перпендикулярном ему направлении в каждом локальном объеме.

Устройство, реализующее указанные режимные параметры, представлено на фиг.1. В разрезе изображены фрагменты ротора 1, статора 2, камеры озвучивания 3, каналы 4 в роторе 1 и каналы 5 в статоре 2. В каналах 5 статора расположены стержни 6. Оси первых стержней 6, расположенных по одну сторону от оси каналов 5, смещены от оси каналов 5 на величину δ₁ и оси вторых стержней 6, расположенных по другую сторону от оси каналов 5, смещены на такую же величину от оси каналов 5. Указанные первые и вторые стержни 6 отстоят от соответствующей противоположной боковой стороны канала 5 на величину δ₂ (указана на фиг.2), соизмеримую с шириной каналов 4 в роторе 1. Между каждым указанным первым стержнем 6 и каждым указанным вторым стержнем 6 имеется зазор δ₃ в виде щели, варьируя шириной которого можно изменять скорость потока жидкой среды при прохождении канала 5 в статоре.

Ширина а и длина h канала 5 определяется посредством заданных радиуса стержней 6, величин δ₁, δ₂, δ₃ и угла α между осью канала 5 и линией, соединяющей центры стержней 6, лежащие по разные стороны от оси канала 5. Расстояние δ₂ между стержнем 6 и противолежащей боковой стороной канала 5 соизмеримо с шириной канала 4 в роторе.

При расположении стержней в двух соседних каналах 5 таким образом, что средние стержни будут обращены друг к другу, потоки обрабатываемой жидкой среды, выходящие из этих каналов, будут сходиться в зависимости от ширины камеры озвучивания или будут пересекаться, не доходя до внешней стенки камеры озвучивания, или отражаться от нее, объединяясь в один поток, направленный к центру статора 2. И наоборот, при расположении стержней в двух соседних каналах 5 таким образом, что средние стержни 6 будут отстоять друг от друга на возможно большие расстояния, выходящие из каналов потоки обрабатываемой жидкой среды будут расходиться, создавая перепад давления. Боковая поверхность стержней 6 может быть цилиндрической или отличаться от нее. В последнем случае будет изменяться скорость потока жидкой среды вдоль щелевого зазора δ₃ и на выходе из каналов 5.

На фиг.2 показано изменение основной траектории движения потока жидкой среды при увеличении угла α.

На фиг.3 показаны стержни 6 с лысками 7, формирующими направленный скоростной поток обрабатываемой жидкой среды.

На фиг.4 стержни 6 отстоит от прилегающих к ним боковых сторон канала 5 на некоторую величину, формирующую дополнительную пульсацию в камере озвучивания.

На фиг.5 показан стержень 6, имеющий на боковой поверхности рифления 8 для усиления турбулизации.

Устройство работает следующим образом. Во время частичного, а затем и полного совмещения поперечных сечений каналов 4 и 5 соответственно в роторе 1 и статоре 2 происходит импульсная подача обрабатываемой жидкой среды в камеру озвучивания 3 в виде сходящихся и расходящихся потоков жидкой среды. В итоге создаются все условия, необходимые для интенсификации процесса смешивания различных по своим свойствам жидких сред, в том числе жидких сред, не смешиваемых в квазистатических условиях.

Наименьшее количество стержней 6 может быть два. При этом должно выполняться условие смещения центров стержней 6 относительно оси каналов 5 и их взаимно обратное расположение в двух соседних каналах.

Изобретение относится к устройствам для создания импульсных колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для процессов эмульгирования, абсорбции и других в системах "жидкость-жидкость". Аппарат содержит концентрические ротор и статор в виде цилиндрических колец со сквозными каналами в боковых стенках и камеру озвучивания. Изобретение решает задачу интенсификации процесса эмульгирования за счет размещения в каналах статора роторного аппарата стержней, расположение которых формирует сходящиеся и расходящиеся импульсные потоки в камере озвучивания. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода жидкой среды, установленные в нем имеющие форму цилиндрического кольца со сквозными каналами в боковых стенках концентрические ротор и статор, камеру озвучивания, стержни, установленные в каналах ротора и статора, привод ротора, отличающийся тем, что стержни, установленные в каналах статора, расположены со смещением их центров относительно оси симметрии каналов по обе стороны от указанной оси.2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в двух соседних каналах статора стержни расположены в отраженном виде, а в каналах через один имеют одинаковое расположение.3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что кратчайшее расстояние между двумя противолежащими стержнями и между поверхностью каждого стержня и противолежащей боковой поверхностью канала соизмеримо с шириной каналов в роторе.4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что стержни имеют лыски и установлены таким образом, что указанные лыски ориентированы попарно параллельно друг другу.5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что стержни имеют рифления на боковой поверхности.6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что стержни имеют боковую поверхность цилиндрической формы.7. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что каналы в статоре выполнены с одинаковым шагом, а каналы в роторе выполнены с переменным шагом, или наоборот.