РОТОРНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2017 года по МПК B01F7/10 

Область техники

Изобретение относится к технике диспергирования и переработки жидких продуктов, в частности стоков и отходов агропромышленного комплекса, и может быть использовано на городских очистных сооружениях для обеззараживания токсичных отходов, в частности биологического происхождения. Известный уровень техники

Известен роторный аппарат, включающий смесительную камеру, снабженную подводящим и отводящим патрубками и соосно установленными дисками ротора и статора с зубчатыми элементами, размещенными на рабочих поверхностях упомянутых дисков друг против друга по чередующимся концентрическим окружностям (см. авт. свид. СССР №921611, М.кл. B01F 7/26, опубл. 23.04.1982 г.). Зубчатые элементы одного из дисков выполнены со смещением по концентрическим окружностям.

Недостатками известного роторного аппарата являются недостаточная степень диспергирования и обеззараживания обрабатываемого жидкого продукта.

Указанные недостатки обусловлены недостаточной степенью воздействия зубчатых элементов на жидкий продукт, ввиду их низкой линейной скорости, что не приводит к образованию кавитационных зон в смесительной камере. Как известно, образование кавитационных зон в смесительной камере способствует выделению тепла и интенсификации процессов диспергирования и обеззараживания жидкого продукта.

Известен роторный аппарат, принятый в качестве прототипа, включающий электродвигатель и смесительную камеру, снабженную подводящим и отводящим патрубками и соосно установленными дисками ротора и статора с элементами для генерирования процесса кавитации в жидком продукте, заполняющем смесительную камеру, размещенными на рабочих поверхностях упомянутых дисков друг против друга по чередующимся концентрическим окружностям (см. авт. свид. СССР №1181698, М.кл. B01F 7/26, опубл. 30.09.1985 г.). За счет использования элементов для генерирования процесса кавитации, установленных на дисках ротора и статора, обеспечивается определенное гидродинамическое и кавитационное воздействие на жидкий продукт, заполняющий смесительную камеру.

Недостатками известного роторного аппарата являются недостаточная степень диспергирования и обеззараживания обрабатываемого жидкого продукта. Это объясняется тем, что в известном роторном аппарате не обеспечивается необходимое воздействие на обрабатываемый жидкий продукт, ввиду отсутствия зон локального ускорения обрабатываемого жидкого продукта в смесительной камере и недостаточному числу кавитационных зон, образующихся в смесительной камере и интенсифицирующих процессы диспергирования и обеззараживания обрабатываемого жидкого продукта за счет выделения тепла при его обработке в смесительной камере.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание роторного аппарата, обеспечивающего высокую степень диспергирования и обеззараживания жидкого продукта, подаваемого в роторный аппарат, за счет оснащения последнего элементами, обеспечивающими эффективное кавитационное воздействие на жидкий продукт.

Для решения поставленной задачи в известном роторном аппарате, включающем электродвигатель и смесительную камеру, снабженную подводящим и отводящим патрубками и соосно установленными дисками ротора и статора с элементами для генерирования процесса кавитации в жидком продукте, заполняющем смесительную камеру, размещенными на рабочих поверхностях упомянутых дисков друг против друга по чередующимся концентрическим окружностям, согласно изобретению, каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, тангенциально установленных на рабочих поверхностях диска ротора на расстоянии (A_i) и диска статора на расстоянии (A'_i) от оси соответствующего диска, при этом величины (A_i) и (A'_i) определяются следующими зависимостями:

0,1D₁≤A_i<0,55 D₁,

0,1D₂≤A'_i<0,45 D₂,

где

A_i - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска ротора, мм;

A'_i - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска статора, мм;

D₁ - диаметр рабочей поверхности диска ротора, мм;

D₂ - диаметр рабочей поверхности диска статора, мм.

Выполнение каждого элемента для генерирования процесса кавитации в виде сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, при их тангенциальном расположении на рабочей поверхности диска ротора на расстоянии (A_i), и диска статора на расстоянии (A'_i) от оси соответствующего диска, которые определяются по одной из вышеуказанных зависимостей и образуют на них чередующиеся концентрические окружности, позволяет обеспечить активное гидродинамическое и кавитационное воздействие на жидкий продукт, находящийся в смесительной камере. При вращении ротора движущийся в смесительной камере поток жидкого продукта разбивается на большое количество малых (локальных) потоков, проходящих через сопла Лаваля, что приводит к созданию зон локального ускорения обрабатываемого жидкого продукта. Каждое сопло Лаваля или насадка, подобная соплу Лаваля, содержит сужающийся канал, в котором происходит увеличение скорости истечения жидкого продукта, и образование зоны локального ускорения, и расширяющийся канал, на выходе из которого происходит генерирование процесса кавитации, за счет схлопывания кавитационных пузырьков парогазовой смеси, выделяющейся из жидкого продукта, и возникновения явления гидродинамической кавитации в обрабатываемом жидком продукте, приводящий к выделению значительного количества тепла.

Процесс выделения тепла связан с физическим воздействием поля схлопывающихся кавитационных пузырьков. Выделение тепла происходит в каждом из сопел Лаваля, или насадки, подобной соплу Лаваля, расположенных как на рабочих поверхностях диска ротора, так и на рабочей поверхности диска статора, в результате преобразования потенциальной энергии пузырьков, накопленной ими в стадии роста при вхождении в сопло Лаваля, в кинетическую энергию ударных волн, выделяемую в стадии их схлопывания на выходе из сопла Лаваля. При этом кинетическая энергия ударных волн определяет интенсивность кавитации и величину выделяемого при кавитации тепла.

При таком воздействии роторного аппарата на жидкий продукт происходит его эффективное диспергирование, за счет кинетической энергии ударных волн, которые обеспечивают гидродинамическое воздействие на жидкий продукт, и его обеззараживание, за счет выделения большого количества тепла в рабочем объеме жидкого продукта, заполняющего смесительную камеру.

В частном варианте выполнения роторного аппарата элементы для генерирования процесса кавитации в виде сопел Лаваля и/или насадок, подобных соплам Лаваля, размещенные на рабочих поверхностях диска ротора и/или диска статора, расположены в радиальном направлении.

Это позволяет уравнивать давление жидкости с противоположных сторон диска ротора, что благоприятным образом сказывается на эксплуатационных характеристиках роторного аппарата, в частности, на его надежности.

Техническим преимуществом предложенного изобретения является обеспечение высокой степени диспергирования и обеззараживания жидкого продукта, подаваемого в роторный аппарат, за счет повышения эффективности кавитационного воздействия на жидкий продукт.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на Фиг. 1 изображен общий вид роторного аппарата; на Фиг. 2 - вид A Фиг. 1; на Фиг. 3 - сечение Б-Б Фиг. 1; на Фиг. 4 - сечение В-В Фиг. 1; на Фиг. 5 изображено сопло Лаваля; на Фиг. 6 изображен диск ротора с радиальным расположением элементов для генерирования процесса кавитации; на Фиг. 7 - диск статора с радиальным расположением элементов для генерирования процесса кавитации на рабочей поверхности.

Роторный аппарат содержит электродвигатель 1, смесительную камеру 2 для обрабатываемого жидкого продукта, снабженную подводящим патрубком 3 и отводящим патрубком 4. В смесительной камере 2 соосно установлены диск ротора 5 и диски статора 6 с элементами 7 и 7', соответственно, для генерирования процесса кавитации в обрабатываемом жидком продукте. Элементы 7 размещены на рабочих поверхностях диска ротора 5 по концентрическим окружностям 8, а элементы 7' размещены на рабочих поверхностях дисков статора 6 по концентрическим окружностям 9. При этом элементы 7, размещенные на диске ротора 5, и элементы 7', размещенные на диске статора 6, расположены друг против друга таким образом, что концентрические окружности 8, на которых находятся элементы 7, чередуются с концентрическими окружностями 9, на которых размещены элементы 7', в результате чего в смесительной камере 2 образуются зоны циркуляции жидкого продукта, между элементами 7 и 7', и зоны локального ускорения обрабатываемого жидкого продукта, проходящего непосредственно через полости указанных элементов 7 и 7'.

Каждый из элементов 7 и 7' выполнен в виде сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, тангенциально установленных на рабочих поверхностях диска ротора 5 на расстоянии (A_i) и диска статора 6 на расстоянии (A'_i) от оси соответствующего диска, при этом величины (A_i) и (A'_i) определяются следующими зависимостями:

0,1D₁≤A_i<0,55 D₁,

0,1D₂≤A'i<0,45 D₂,

где

A_i - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска ротора 5, мм;

A'_i - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска статора 6, мм;

D₁ - диаметр рабочей поверхности диска ротора 5, мм;

D₂ - диаметр рабочей поверхности диска статора 6, мм.

Каждое сопло Лаваля или насадка, подобная соплу Лаваля, содержит сужающийся канал 10, в котором происходит увеличение скорости движения жидкого продукта и образование зоны локального ускорения, и расширяющийся канал 11, на выходе из которого происходит генерирование процесса кавитации (см. Фиг. 5).

В отдельном варианте выполнения роторного аппарата элементы 7 и 7' для генерирования процесса кавитации в виде сопел Лаваля и/или насадок, подобных соплу Лаваля, которые размещены на рабочих поверхностях диска ротора 5 и/или диска статора 6, расположены в радиальном направлении (см. Фиг. 6 и Фиг. 7).

Роторный аппарат работает следующим образом.

В смесительную камеру 2 через подводящий патрубок 3 подают обрабатываемый жидкий продукт, в частности навоз или отходы животноводческого производства, который заполняет полость смесительной камеры 2. При включении электродвигателя 1 начинает вращаться диск ротора 5, на рабочих поверхностях которого по концентрическим окружностям 8 размещены элементы 7 для генерирования процесса кавитации, выполненные в виде сопел Лаваля, или насадок, подобных соплам Лаваля, относительно дисков статора 6, на рабочих поверхностях которых по концентрическим окружностям 9 размещены элементы 7', которые также выполнены в виде сопел Лаваля или насадок, подобным соплам Лаваля. Вращение ротора 5 за счет сил трения и вязкости обрабатываемого жидкого продукта приводит его во вращение в полости смесительной камеры 2. При этом жидкий продукт, заполняющий полости всех и каждого из сопел Лаваля, подвергается одновременному воздействию как от центробежной силы, возникающей в результате вращения горизонтально расположенного диска ротора 5, так и от гидродинамического воздействия со стороны указанного сопла, в результате чего в сужающемся канале 10 сопла Лаваля происходит увеличение скорости движения жидкого продукта и образование зоны локального ускорения, а на выходе из расширяющегося канала 11 сопла Лаваля происходит генерирование процесса кавитации, за счет схлопывания кавитационных пузырьков и возникает явление гидродинамической кавитации в обрабатываемом жидком продукте, что приводит к выделению значительного количества тепла в рабочем объеме смесительной камеры 2.

Выделение тепла происходит в каждом из сопел Лаваля, и/или в каждой насадке, подобной соплу Лаваля, расположенных как на рабочих поверхностях диска ротора 5, так и на рабочих поверхностях дисков статора 6. Теплообразующий эффект достигается за счет преобразования потенциальной энергии пузырьков парогазовой смеси, которые образуются в жидком продукте при его движении через каждое сопло Лаваля, в кинетическую энергию ударных волн, которые возникают на выходе сопел Лаваля и создают зоны локальной гидродинамической кавитации. Это объясняется тем, что изначально, при вхождении жидкого продукта в сужающийся канал 10, происходит рост давления в жидком продукте и накопление потенциальной энергии в нем, которая потом превращается в кинетическую энергию ударных волн, которые генерируются на выходе из сопла Лаваля, т.е. в расширяющемся канале 11.

Преимуществом заявляемого роторного аппарата является повышение степени перемешивания, гомогенизации и диспергирования обрабатываемого жидкого продукта, при одновременном выделении значительного количества тепла в рабочем объеме смесительной камеры 2. Жидкий продукт, прошедший обработку в рабочем объеме смесительной камеры 2, выводится из нее с помощью отводящего патрубка 4.

Таким образом, явление кавитации, которое воспроизводится в заявленном роторном аппарате, приводит к интенсификации перемешивания жидкого продукта с значительным образованием тепла и достижением эффекта обеззараживания обрабатываемого жидкого продукта.

Пример использования заявляемого роторного аппарата.

В качестве обрабатываемого жидкого продукта использовали жидкие отходы агропромышленного комплекса, в частности животноводческого происхождения, которые имели следующий состав: навоз - 20%, моча скота - 11%, органическая подстилка - 32%, отходы растительных кормов - 13%, вода - остальное. Исходная температура обрабатываемого жидкого продукта, который подавался в роторный аппарат, составляла 15-20°C.

В смесительную камеру 2 через подводящий патрубок 3 подавали указанный жидкий продукт, который заполнял полость смесительной камеры 2. При включении электродвигателя 1, за счет вращения диска ротора 5, жидкий продукт начинал вращаться в полости смесительной камеры 2. Попадая в тангенциально расположенные относительно оси вращения сопла Лаваля, и/или насадки, подобные соплам Лаваля, указанный жидкий продукт измельчался на мелкие составляющие с образованием мелких пузырьков парогазовой смеси, при этом в сужающемся канале 10 сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, парогазовая смесь начинала сжиматься, что приводило к увеличению давления в пузырьках до 0,5-1,2 МПа. Затем, попадая в расширяющийся канал 11 сопла Лаваля, пузырьки парогазовой смеси схлопывались, что приводило к образованию ударной волны и кавитационному измельчению жидкого продукта. Вместе с тем жидкий продукт, заполняющий смесительную камеру 2, нагревался за счет процесса интенсивного тепловыделения в зонах локальной гидродинамической кавитации, температура в которых повышалась до 800-900°C. В результате интенсивного теплообразования в зонах локальной гидродинамической кавитации жидкий продукт в объеме смесительной камеры 2 нагревался до температуры 120-180°C, что обеспечивало его обеззараживание при обработке в роторном аппарате.

Одновременно с этим происходил процесс перемешивания, гомогенизации и диспергирования обрабатываемого жидкого продукта в роторном аппарате. Температура жидкого продукта после его обработки в роторном аппарате на выходе отводящего патрубка 4 составляла 95-105°C. В результате проведенной обработки жидкого продукта в заявляемом роторном аппарате был получен дисперсный, с размером частиц 25-75 мкм, обеззараженный жидкий продукт, характеризующийся следующими показателями: азот аммонийный - 1703,3 мг/дм³, железо общее - 68,6 мг/дм³, фосфаты - 395,3 мг/дм³, хлориды - 614,2 мг/дм³, сульфаты - 160,8 мг/дм³, сухой остаток - 12000,0 мг/дм³, pH - 9,8, индекс coli-фаги 6×10⁴ в 1 дм³.

Полученный жидкий продукт по своему составу может быть использован в качестве органического удобрения.

Технический результат

Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение высокой степени диспергирования и обеззараживания жидкого продукта, подаваемого в роторный аппарат за счет повышения эффективности кавитационного воздействия на жидкий продукт.

Изобретение относится к переработке стоков и отходов агропромышленного комплекса. Роторный аппарат включает электродвигатель 1 и смесительную камеру 2, снабженную подводящим патрубком 3 и отводящим патрубком 4 и соосно установленными дисками ротора 5 и статора 6 с элементами для генерирования процесса кавитации в обрабатываемом жидком продукте, который заполняет смесительную камеру 2. Элементы для генерирования процесса кавитации размещены на рабочих поверхностях упомянутых дисков друг против друга по чередующимся концентрическим окружностям. Каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, тангенциально установленных на рабочих поверхностях диска ротора 5 на расстоянии (A_i) и диска статора 6 на расстоянии (A'_i) от оси соответствующего диска, при этом величины (A_i) и (A'_i) определяются следующими зависимостями:

0,1D₁≤A_i<0,55 D₁,

0,1D₂≤A'_i<0,45 D₂,

где A_i - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска ротора 5, мм; A'_i - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска статора 6, мм; D₁ - диаметр рабочей поверхности диска ротора 5, мм; D₂ - диаметр рабочей поверхности диска статора 6, мм. Технический результат изобретения - обеспечение высокой степени диспергирования и обеззараживания жидкого продукта, подаваемого в роторный аппарат за счет повышения эффективности кавитационного воздействия на жидкий продукт. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Роторный аппарат, включающий электродвигатель и смесительную камеру, снабженную подводящим и отводящим патрубками и соосно установленными дисками ротора и статора с элементами для генерирования процесса кавитации в обрабатываемом жидком продукте, заполняющем смесительную камеру, размещенными на рабочих поверхностях упомянутых дисков друг против друга по чередующимся концентрическим окружностям, отличающийся тем, что каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, тангенциально установленных на рабочих поверхностях диска ротора на расстоянии (A_i) и диска статора на расстоянии (A'_i) от оси соответствующего диска, при этом величины (A_i) и (A'_i) определяются следующими зависимостями:

0,1D₁≤А<0,55D₁,

0,1D₂≤A'_i<0,45D₂,

где

A_i - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска ротора, мм;

A'_i - расстояние от оси диска до i-го сопла Лаваля или насадки, подобной соплу Лаваля, установленных на рабочей поверхности диска статора, мм;

D₁ - диаметр рабочей поверхности диска ротора, мм;

D₂ - диаметр рабочей поверхности диска статора, мм.

2. Роторный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что элементы для генерирования процесса кавитации в виде сопел Лаваля и/или насадок, подобных соплам Лаваля, размещенные на рабочих поверхностях диска ротора и/или диска статора, расположены в радиальном направлении.