РОТОРНЫЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ КАВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2009 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к устройствам для образования потоковой кавитации для тонкодисперсного эмульгирования, диспергирования и смешивания в системах «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело». Может быть использовано в химической, нефтяной, фармацевтической, машиностроительной, горнодобывающей и других отраслях промышленности, а также для приготовления обеззараженных кормов для сельскохозяйственных животных. С целью повышения производительности аппарата, а также повышения количественного образования кавитационных пузырьков в роторе аппарата предусмотрено непрерывное, в отличие от роторно-импульсных аппаратов, ступенчатое образование кавитационных пузырьков, «схлопывание», исчезновение которых предусматривается в обрабатываемой жидкости, суспензии.

Известно устройство, многоступенчатый роторно-импульсный аппарат, патент России № 2206380, в котором у ротора со сквозными отверстиями с обеих сторон расположены два статора с радиальными пазами. Отверстия ротора и пазы статора образуют между собой ступени роторно-пульсационных пар.

Недостатками известного устройства являются:

- прерывистое движение обрабатываемой жидкости по ступеням аппарата, что препятствует образованию большого количества кавитационных пузырьков.

Известно устройство, роторно-импульсный аппарат, авторское свидетельство № 829155, предназначенный для проведения гетерогенных процессов, интенсификация которых достигается чередованием роторов и статоров, снабженных прорезями, в котором расстояние между ротором и статором кратно полуволне возбуждаемых колебаний. Такое расположение ротора и статора способствует образованию стоячей волны с развитыми акустическими течениями.

Недостатками известного устройства является импульсное образование колебаний в обрабатываемой среде.

Известно устройство, роторный кавитационный аппарат, патент России № 2174045, содержащий корпус с входными и выходными отверстиями и образующий рабочую камеру, в которой размещены статор и на приводном валу ротор. Статор и ротор состоят из дисков, установленных поочередно вдоль оси симметрии рабочей камеры в направлении вход выход, при этом первый от входа диск ротора снабжен радиальными лопатками, второй диск ротора, расположенный между дисками статора с радиальными прорезями и лопастями, один в виде клина, вторые - в виде параллелепипеда.

Недостатками известного устройства являются:

- сложность устройства;

- возможность обрабатывать только системы «жидкость-жидкость».

Известно устройство, роторный диспергатор, патент России № 2040962, предназначенный для измельчения зернистых материалов в процессе диспергирования суспензий, содержащий корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор с каналами в плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора. Статор выполнен в виде соплового аппарата с сужающимися в направлении движения жидкости соплами, а ротор выполнен в виде рабочего центробежного колеса и периферийного кольца-активатора с системой каналов, оси которых перпендикулярны к направлению движения жидкости.

Недостатками известного устройства являются:

- отверстия статора выполнены сужающимися, что приводит только к ускорению жидкости массового образования кавитационных пузырьков;

- исполнение отверстий ротора под углом 90-120° к отверстиям статора приводит к ударному измельчению зерен измельчаемого материала и также не способствует образованию в роторе большого количества кавитационных пузырьков.

Известно устройство, кавитационный реактор, авторское свидетельство №1694196, которое относится к перемешиванию в кавитационных реакторах, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода, ротор которого выполнен в виде диска с закрепленными на нем кавитаторами клиновидной формы. В процессе вращения ротора за кавитаторами образуются пузырьки каверны, в хвостовой части которых происходит схлопывание кавитационных пузырьков. Оригинальное размещение кавитаторов позволяет использовать их и для прокачивания обрабатываемой жидкости.

Недостатками известного устройства являются:

- слабое образование кавитационных пузырьков;

- отсутствие гарантии, что вся обрабатываемая жидкость подвергается кавитационной обработке.

Известно устройство, мешалка, патент России № 2234974, которое относится к устройствам перемешивания и суспензирования материалов в жидкости. Мешалка содержит корпус с отражательными планками, установленными на его внутренней поверхности. На вертикальном валу закреплен дисковый ротор, на верхней периферийной поверхности которого установлены конфузоры, большим сечением обращенные в сторону вращения. Дисковый ротор по радиальной периферии имеет буртик, высота которого равна большему диаметру конфузора.

Работает известное устройство следующим образом: исходная смесь, содержащая твердые частицы и жидкость, подается в центр вращающегося ротора и под действием центробежной силы смесь отбрасывается к конфузорам. Разогнавшись в конфузорах, смесь частиц и жидкости ударяется о поверхность отражательных планок.

Недостатками известного устройства являются:

- неправильное, с точки зрения использования центробежной силы, расположение конфузоров. Радиальное расположение конфузоров: большим диаметром к центру, а малым к периферии диска, намного улучшило бы эффективность устройства;

- если составить план скоростей смеси, выходящей из малого диаметра конфузора, то видно, что радиальная составляющая, которая должна ударить струю в отражательные планки, мала. Скорее всего, суспензия ударится в суспензию, находящуюся между ротором и корпусом, чем и обеспечивается перемешивание с одновременным диспергированием.

Известно устройство, насос-теплогенератор, (прототип) патент России № 94029725, предназначенный для прямого преобразования механической энергии в тепловую энергию, включающий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой и нагнетательными патрубком для отвода нагретой жидкости, консольно подвешенный внутри корпуса на валу привода вращения полый ротор. Роторы в известном устройстве выполнены в виде:

а) лопастей, оснащенных в периферийной части каналами (карманами), расположенными за каждой лопастью;

б) в роторе выполнены каналы, в периферийной части которых расположены углубления (карманы), открытыми концами направленные в сторону вращения.

Положительным в известном устройстве является то, что предпринята попытка создания эффективного устройства, все процессы которого по нагреву жидкости протекают в роторе.

Недостатками известного устройства являются:

- недостаточно эффективная форма, с точки зрения образовывания гидродинамической кавитации, формы отверстий, выполненных в виде прямолинейных каналов, в периферийной части которых находятся углубления (карманы), вызывающие колебания жидкости;

- в конструкции ротора с дугообразными каналами, хотя и снижается внутреннее гидросопротивление и повышается эксплуатационная надежность устройства, но это делается для уменьшения опасности кавитации.

Раскрытие изобретения.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание простого, ремонтоспособного, эффективного и универсального устройства, в котором непрерывно и в большом количестве осуществляется процесс образования кавитационных пузырьков, «схлопывание» которых происходит в обрабатываемой жидкости, суспензии и т.д.

Техническим результатом изобретения является создание устройства, в котором в результате непрерывного и массового образования кавитационных пузырьков и создания условий их «схлопывания» в обрабатываемой жидкости или суспензии, происходит ускоренный разогрев жидкости или суспензии, уничтожение патогенной микрофлоры, создание устойчивых эмульсий, тонкодисперсное измельчение твердых тел в жидкости и т.д.

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкций роторного гидродинамического кавитационного аппарата, порядка его работы со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены:

На Фиг.1 изображен заявляемый роторный гидродинамический кавитационный аппарат в продольном разрезе, включающий:

корпус аппарата 1;

приводной вал 2;

гидродинамические кавитаторы 3;

всасывающая полость 4.

На Фиг. 2 изображен поперечный разрез заявляемого устройства, включающий:

лопатки ротора 5;

броневую защиту корпуса 6;

регулятор избыточного давления 7;

корпус ротора 8.

На Фиг.3 изображен продольный разрез гидродинамического кавитатора, включающий:

корпус ротора 8;

круглоцилиндрические насадки Вентури 9, 11;

резонирующую камеру 10;

внезапно расширяющийся насадок Борда 12;

кольцевые водоворотные зоны А, В, образующиеся в насадках Вентури;

кольцевую водоворотную зону резонирующей камеры Б;

кольцевую водоворотную зону насадка Борда Г;

d_o - внутренний диаметр насадка Вентури;

d_к - внутренний диаметр резонирующей камеры и насадка Борда;

l_о =l - длина насадка Вентури;

l_к - длина резонирующей камеры;

l_в.р - длина внезапно расширяющегося насадка Борда;

Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, включающем; корпус аппарата 1, на приводном валу 2 закреплен ротор 8, в радиальных отверстиях которого от лопаток ротора 5, до периферии ротора установлены сборные гидродинамические кавитаторы 3, На внутренней поверхности корпуса, установлена ребристая бронезащита 6.

В корпусе аппарата со стороны приводного устройства расположена всасывающая полость, а на выходном патрубке установлен регулятор избыточного давления 7. Гидродинамические кавитаторы включают круглоцилиндрические насадки Вентури 9, 11, резонирующие камеры 10, и внезапно расширяющие насадки Борда. Лопатки ротора 5, установленные под углом к радиусу, предназначены для сообщения обрабатываемой жидкости или суспензии кинетической силы инерции и направления ее в гидродинамические кавитаторы 3. Броневая защита корпуса 6 предназначена для защиты корпуса от воздействия «охлопывающихся» навигационных пузырьков, не успевших сомкнуться в обрабатываемой жидкости. Количество устанавливаемых гидродинамических кавитаторов зависит от размеров ротора и определяется из условий прочности ротора. Диаметры деталей и их длина находятся в определенной зависимости между собой и зависят от производительности заявляемого аппарата.

Работает роторный гидродинамический кавитационный аппарат следующим образом.

Приводной вал 2, с закрепленным на нем ротором 8, установлен в корпусе 1, получив от любого привода (электродвигатель, ДВС, ветродвигатель и. т.д.) энергию вращения лопатки ротора 5, закачивает жидкость или суспензию из всасывающей полости 4, передает ее частицам кинетическую энергию и отбрасывает ее в радиальном направлении к входным отверстиям гидродинамических кавитаторов 3. Входные отверстия гидродинамических кавитаторов выполнены как внезапное сужение трубопровода. (Т.М.Башта «Машиностроительная гидравлика». М., «Машиностроение.» - 1971 г., стр. - 82). Жидкость, проходя мимо прямоугольной кромки входного отверстия, благодаря силам инерции частиц жидкости, сжимается в круглоцилиндрическом насадке Вентури 9, с образованием кольцевой водоворотной зоны - А. Затем струя обрабатываемой жидкости расширяется и заполняет весь насадок.

Сама водоворотная зона А, как и транзитная струя, в пределах этой области характеризуется наличием вакуума, а значит создан первый участок образования кавитационных пузырьков.

Под действием силы инерции смесь жидкости и кавитационных пузырьков направляется в резонирующую камеру 10. Проходя через резонирующую камеру 10, транзитная струя жидкости образует вторую кольцевую водоворотную зону - Б.

Поверхность раздела в резонирующей камере выражена нечетко. Она носит неустановившийся и неустойчивый характер. Периодически эта поверхность получает местные искривления, которые, попадая в транзитную струю, уносятся ею. Поверхность же раздела вновь восстанавливается с тем, чтобы в последующие моменты опять распасться, вызывая пульсацию скоростей, импульсы вакуума и давлений. Это второй участок образования кавитационных пузырьков.

Далее транзитная струя жидкости попадает круглоцилиндрический насадок Вентури 11, работа которого аналогична насадку - 9, в котором образуется кольцевая водоворотная зона - В. Это - третий последовательно расположенный участок образования кавитационных пузырьков. Транзитная струя жидкости, прошедшая три участка насыщения кавитационными пузырьками, попадает во внезапно расширяющийся насадок Борда 12, в котором образуется четвертый участок с пониженным давлением, водоворотная зона - Г.

Из насадок Борда - 12 смесь жидкости и кавитационных пузырьков с большой скоростью влетает в слой обрабатываемой жидкости, расположенной между ротором 8 и броневой защитой корпуса - 6, давление в котором поддерживается регулятором избыточного давления.

Наличие избыточного давления, а также ребристая поверхность бронедиска способствуют интенсивному «захлопыванию» - исчезновению навигационных пузырьков, сопровождающемуся резким повышением температур до 2000°С и давлений 10000 кг/см², появлению ударных волн, обеспечивающих эмульгирование, обеззараживание жидкостей и диспергирование твердых тел.

По мере износа деталей гидродинамических кавитаторов от абразивного износа и снижения плотности кавитации их заменяют на новые.

Длина насадков Вентури выбирается по рекомендации (P.P. Чугаев, «Гидравлика», М. Энергия. Ленинградское отделение 1971 г., стр.310).

(3,5÷4)d_o≤l_o=l1≤(6÷7)d_o,

где

l_o и l₁ - длина насадков Вентури;

d_o - диаметр отверстия в насадке.

Длина резонансной камеры и ее диаметр определены экспериментально и равны:

d_к=l_к1=3d_o

Диаметр внезапно расширяющегося насадка Борда принят одинаковым с диаметром резонансной камеры, а ее длина l_в.р=5d_o определена экспериментально.

Пример № 1. Приготовление водоугольного топлива.

Исходные продукты: вода 40%, уголь фракции 0-10 мкм.

В результате обработки получена желеобразная тиксотропная масса, размер частиц угля в которой составил:

до 200 мкм - 1,5%

от 200 до 100 мкм - 12%

от 100 до 70 мкм - 15%

остальное <70 мкм 71,5%.

Эмульсия не расслаивалась в течение 2 лет. Затраты энергии на приготовление 1 т продукта составляют 15-17 кВт.

Пример № 2. Обеззараживание питьевой воды.

При 2-х кратном проходе через аппарат воды погибало 85% бактерий.

После 4-5 кратного прохода через аппарат 100%.

Пример № 3. «Мокрый» помол зерна в воде.

С целью приготовления корма для свиней.

Исходные продукты: зерно пшеницы 1 часть   вода 2 части

После 10 минутной обработки получена разогретая до 70°С желеобразная масса, которая продолжала загустевать, клейстеризоваться. В открытой емкости в условиях свинофермы корм не прокис.

Таким образом, заявляемый роторный гидродинамический кавитационный аппарат может найти применение для измельчения угля и горных пород, приготовления различного топлива, эмульсий, в том числе из несмешивающихся жидкостей, производить в процессе кавитационной обработки пастеризацию, стерилизацию и обеззараживание коллоидных смесей.

Изготовление в роторе цилиндрических каналов, в которые поочередно вставляются детали гидродинамического кавитатора, изготовленные из высокопрочных и устойчивых к абразивному износу деталей, делает ремонт проточной части ротора простой операцией и ведет к увеличению ресурса непрерывной работы агрегата.

Изобретение может быть осуществлено на любом машиностроительном предприятии.

Источники информации

1. Патент России № 2306380, B01F 7/00, 2003 г.

2. Авторское свидетельство № 829155, B01F 7/28, 1981 г.

3. Патент России № 2174045, B01F 7/00, 11/02, 2001 г.

4. Патент России № 2040962, B01F 7/00, 1997 г.

5. Авторское свидетельство № 1694196, B01F 7/16, 1991 г

6. Патент России № 2234974, B01F 7/26, 5/16, В28С 5/16, 2004 г.

7. Патент России № 94029725, F24J 3/00.

8. Т.М.Башта «Машиностроительная Гидравлика». М.: Машиностроение, 1971 г., стр.44…49, 78…91, 115…117.

9. P.P.Чугаев «Гидравлика», М.: Энергия. Ленинградское отделение 1971 г., стр.14…15, 134…143, 298…313.

Изобретение относится к устройствам образования потоковой кавитации с захлопыванием кавитационных пузырьков в обрабатываемой жидкости, эмульсии, суспензии и может применяться для смешивания несмешиваемых жидкостей, приготовления водоугольного топлива, тонкодисперсного измельчения горных пород, обеззараживания и стерилизации обрабатываемых продуктов, приготовления жидких кормов из злаков и т.д. Роторный гидравлический кавитационный аппарат включает корпус, приводной вал с закрепленным на нем ротором, в радиальных отверстиях которого от лопаток ротора до его периферии установлены сборные гидродинамические кавитаторы. В гидродинамических кавитаторах последовательно расположены круглоцилиндрические насадки Вентури, резонирующие камеры, круглоцилиндрические насадки Вентури, внезапно расширяющиеся насадки Борда, образующие четыре участка образования кавитационных пузырьков. Изобретение обеспечивает повышение эффективности аппарата за счет непрерывного образования кавитационных пузырьков с их «захлопыванием» в обрабатываемой жидкости, чтобы защитить детали аппарата от жесткого воздействия при их схлопывании. Аппарат прост по устройству, прост в ремонте и может быть изготовлен на машиностроительном предприятии. 3 ил.

Роторный гидравлический кавитационный аппарат, включающий корпус, приводной вал с закрепленным на нем ротором, в радиальных отверстиях которого от лопаток ротора до его периферии установлены сборные гидродинамические кавитаторы, на внутренней поверхности статора расположена ребристая бронезащита, а на выходном патрубке - регулятор избыточного давления, отличающийся тем, что в гидродинамических кавитаторах последовательно расположены круглоцилиндрические насадки Вентури, резонирующие камеры, круглоцилиндрические насадки Вентури, внезапно расширяющиеся насадки Борда, образующие четыре участка образования кавитационных пузырьков.