RU211414U1

RU211414U1 - Роторно-пульсационный аппарат

Info

Publication number: RU211414U1
Application number: RU2022104121U
Authority: RU
Inventors: Валерий Владимирович Хомяков; Максим Александрович Промтов
Original assignee: Акционерное общество "ПлазмаТЭК технолоджи"
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2022-06-03

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для гидродинамического и акустического, в том числе за счет кавитационных эффектов, видов воздействий на обрабатываемую гомогенную или гетерогенную жидкость, и может быть использована в химической, нефтяной, фармацевтической, пищевой, и других отраслях промышленности для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепло-массообменных процессов, изменения физико-химических параметров обрабатываемых жидкостей.

Технический результат конструкции предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности обработки жидкости за счет усиления гидродинамических и акустических видов воздействий.

Поставленная задача решается тем, что в роторно-пульсационном аппарате, имеющем вращающийся дисковый ротор с каналами на торцевых стенках, установленном с зазором между двумя неподвижными дисковыми статорами с каналами на торцевых поверхностях, оси каналов ротора находятся на пересечениях радиальных лучей с угловым шагом β=α/z и окружностей с радиусами

, оси каналов статора располагаются на пересечении окружностей с радиусами

и линиями, по форме соответствующими Архимедовой спирали, описываемой уравнением

, где n - номер окружности расположения осей каналов n-го ряда, α=2π/k - угловой шаг расположения линий спиралей на торцевых поверхностях статоров, k - количество спиралей,

- радиус окружности расположения осей каналов n-го ряда, z - количество окружностей с радиусами

,

- угол поворота образующей спирали n-го ряда, α - параметр спирали, выбираемый из диапазона чисел от 10 до 500, причем должно выполняться условие

, где

- диаметр каналов n-го ряда в роторе и статорах,

- диаметр каналов (n+1)-го ряда в роторе и статорах. Линии спиралей расположения осей каналов одного статора, смещены относительно противолежащих линий расположения осей каналов другого статора на величину угла β. Каналы в роторе имеют сужение в виде конфузора, расширение в виде диффузора, симметричные относительно плоскости, равноудаленной от торцевых поверхностей ротора и соединяющую их цилиндрическую горловину с соотношениями длин конфузора, горловины и диффузора как 1:1:1 или выполнены в форме трубки Вентури. На ступице ротора установлены лопатки для нагнетания обрабатываемой жидкости в камеру второго, от входа в аппарат, статора.

Description

Полезная модель относится к устройствам для гидродинамического и акустического, в том числе за счет кавитационных эффектов, видов воздействий на обрабатываемую гомогенную или гетерогенную жидкость, и может быть использована в химической, нефтяной, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепло-массообменных процессов, изменения физико-химических параметров обрабатываемых жидкостей.

Известна динамическая сирена, содержащая входной и выходной патрубки, ротор и статор, выполненные в виде тел вращения и снабженные отверстиями, расположенными одно под другим, в которой отверстия в статоре расположены по образующей, а в роторе сдвинуты по дуге его внешней поверхности на постоянную величину (А.с. СССР на изобретение SU 732026, МКИ В06В 1/20, опубл. 05.05.1980).

Известен роторный аппарат, содержащий роторный и статорный диски с зубчатыми элементами, размещенными по чередующимися концентрическим окружностям, причем зубчатые элементы одного из дисков выполнены со смещением по концентрическим окружностям на угол α=2π/(m⋅n), где m - число секторов, образуемых зубьями на соответствующем диске, n - число концентрических окружностей соответствующего диска, а размеры b элементов по дугам соответствующих концентрических окружностей радиуса r находятся в интервале r⋅n⋅α>b≥r⋅α (А.с. СССР на изобретение SU 921611, МКИ B01F 7/26, опубл. 23.04.1982).

Известен роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор со сквозными каналами в боковых стенках, камеру озвучивания и привод, в котором каналы в стенке статора выполнены переменного сечения с чередующимися сужениями и расширениями (А.с. СССР на изобретение SU 1389830, МКИ B01F 7/28, опубл. 02.06.1986).

Известен высокочастотный многорядный роторно-импульсный аппарат, содержащий корпус с кольцевой рабочей камерой, установленные в корпусе концентрично с зазором, выполненные в виде тел вращения полые статор и ротор, в боковых стенках которых выполнены сквозные каналы, расположенные рядами с количеством рядов не менее одного, причем каналы ротора и статора выполнены таким образом, что в положении, когда каналы первого ряда ротора совмещены с каналами первого ряда статора, каналы других рядов ротора сдвинуты в окружном направлении относительно каналов соответствующих рядов статора на определенную величину (Патент РФ на изобретение RU 2179895, МПК В06В 1/20, опубл. 27.02.2002).

Известен насос-теплогенератор, на валу которого между корпусными торцевыми поверхностями (статорами) с зазором расположен минимум один диск (ротор), на обеих торцевых поверхностях которого выполнены минимум по два ряда лунок, на различных относительно вала радиусах, на прилегающей к торцевой поверхности диска с лунками корпусных торцевых поверхностях также выполнено минимум по два ряда подобных лунок на различных относительно вала радиусах (Патент РК на изобретение KZ 27948, МПК F24J 3/00, опубл. 25.12.2013).

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемых технических решений является конструкция устройства для нагрева жидкости, состоящего из неподвижного цилиндрического корпуса (статора) и жестко связанной с ним крышки, имеющего входной патрубок, выходной патрубок, цилиндрическую полость, внутри которой с зазором установлен с возможностью вращения закрепленный на валу диск (ротор) с глухими отверстиями, расположенными по периферии в его торцах по окружности, и углублениями, выполненными на цилиндрической поверхности диска, на торцах диска и противолежащих поверхностях корпуса и крышки выполнены глухие отверстия, имеющие форму цилиндрической поверхности без фасок и округлений, и размещенные по окружности в виде радиальных рядов (Патент РФ на изобретение RU 2290573, МПК F24J 3/00, опубл. 27.12.2006).

Недостатком вышеописанной конструкции является невысокая эффективность гидродинамического и акустического, в том числе за счет кавитационных эффектов, видов воздействий на обрабатываемую жидкость.

,

, где

- диаметр каналов (n+1)-го ряда в роторе и статорах. Линии спиралей расположения осей каналов одного статора смещены относительно противолежащих линий расположения осей каналов другого статора на величину угла β. Каналы в роторе имеют сужение в виде конфузора, расширение в виде диффузора, симметричные относительно плоскости, равноудаленной от торцевых поверхностей ротора, и соединяющую их цилиндрическую горловину с соотношениями длин конфузора, горловины и диффузора как 1:1:1 или выполнены в форме трубки Вентури. На ступице ротора установлены лопатки для нагнетания обрабатываемой жидкости в камеру второго, от входа в аппарат, статора.

Предлагаемый роторно-пульсационный аппарат (фиг. 1) содержит вращающийся ротор в форме диска 1 со сквозными каналами 2 на торцевых поверхностях 3, посаженный на вал 4, установленный в подшипниковом узле 5, располагаемый с зазорами между двумя неподвижными статорами в форме дисков 6 и 7 со сквозными каналами 8 и 9 на торцевых поверхностях 10 и 11. Статоры 6 и 7 установлены в корпусе 12, имеющем выходной патрубок 13, с торцевых поверхностей закрытых крышками 14 и 15 с патрубком ввода обрабатываемой жидкости 16. Крышки 14 и 15, статоры 6 и 7 образуют камеры статоров 20 и 21. Цилиндрические поверхности статоров 6 и 7, внутренних поверхностей крышек 14 и 15, корпуса 12 образуют рабочую камеру 22. У основания ступицы ротора 1 выполнены отверстия 23 для прохода обрабатываемой жидкости, а на ступице ротора 1 установлены лопатки 24 для ее нагнетания в камеру 20 второго, от входного патрубка 16 статора 6.

Каналы ротора 2, статоров 8 и 9 могут иметь цилиндрическую форму или сужения в виде конфузора 27 и расширения в виде диффузора 28, соединенные цилиндрической горловиной 29 с соотношениями длин конфузора, горловины и диффузора как 1:1:1 (фиг. 2, а). Геометрические параметры и форма конфузора 27 и диффузора 28 одинаковые и симметричные относительно плоскости, равноудаленной от торцевых поверхностей ротора 3. Часть канала ротора 2 выполняет функцию конфузора 27, если в нее входит поток жидкости из каналов статора 8 или 9. Часть канала ротора 2 выполняет функцию диффузора 28, если в нее входит поток жидкости из горловины 29.

Каналы статора 8 (фиг. 2, б) и 9 (фиг. 2, в) также могут быть выполнены в форме трубки Вентури, имеющей конфузор 27, цилиндрическую горловину 29 и диффузор 28.

На фиг. 3-5 показаны разрезы аппарата по плоскостям А-А, Б-Б и В-В. Разрезы А-А и В-В показывают вид торцевых поверхностей статоров 6 и 7 со стороны входного патрубка. На торцевых поверхностях статоров 6 и 7 выполнены сквозные каналы 8 и 9, центральные оси которых располагаются на пересечении окружностей с радиусами

, где

- радиус окружности расположения осей каналов n-го ряда, n - целое число, определяющее номер ряда,

- угол поворота образующей спирали n-го ряда, α - параметр спирали, определяющий кривизну линии спирали и выбираемый из диапазона чисел от 10 до 500.

Величина угла между соседними радиальными лучами β=α/z, где z - количество окружностей для расположения рядов каналов в роторе и статорах. Угловой шаг расположения веток спиралей α для каналов статоров α=2π/k, где k - целое число, определяющее количество спиралей, располагаемых на торцевых поверхностях дисков. Оси расположения каналов 2 в роторе 1 находятся на пересечениях радиальных лучей и окружностей с радиусами

(фиг. 4).

Линии спиралей для расположения осей каналов одного статора, смещены относительно противолежащих линий для расположения осей каналов другого статора на величину угла β (фиг. 3 и 5).

С целью недопущения пересечения каналов на торцевых поверхностях ротора и статоров должно выполняться условие:

, где

- диаметр каналов (n+1)-го ряда в роторе и статорах.

На ступице ротора 1 установлены лопатки 24 для нагнетания обрабатываемой жидкости в камеру 20 второго, от входа в аппарат, статора 6.

Роторно-пульсационный аппарат (фиг. 1) работает следующим образом. Обрабатываемая жидкость подается в устройство под давлением через патрубок 16, проходит в камеру статора 21, захватывается лопатками 24 и подается во вторую, от входа в аппарат, камеру статора 20, проникает в зазоры 25 и 26 между ротором 1 и статорами 6 и 7. Жидкость из камер статоров 20 и 21 через каналы статора 8 и 9, каналы ротора 2 также попадает в зазоры 25 и 26 между ротором и статорами. Обрабатываемая жидкость из камеры 20 через каналы 8 и каналы 2 попадает как в зазор 25, так и в зазор 26. Аналогично, жидкость из камеры 21 через каналы 9 и каналы 2 попадает как в зазор 26, так и в зазор 25.

Расположение каналов в статорах выполнено таким образом, чтобы не происходило сквозного совпадения каналов 2 в роторе 1 и каналов 8 и 9 в статорах 6 и 7. Импульс давления при совмещении каналов 8 и каналов 2 распространяется в канал 2, так как в камере 20 давление больше чем в канале 2. Соответственно, импульс давления при совмещении каналов 9 и каналов 2 распространяется в канал 2, так как в камере 21 давление больше, чем в канале 2. При получении импульса движения за счет перепада давления между камерой 20 и каналом 2, соответственно, между камерой 21 и каналом 2, в каналах 8 и 9 возникает кавитация за счет большой скорости потока и локального падения давления до давления насыщенных паров в жидкости.

При течении потока жидкости в каналах 2, имеющих форму конфузора 27, диффузора 28 и соединяющую их горловину 29, в каналах 8 и 9, в том числе выполненных в виде трубки Вентури, интенсивность кавитации выше, чем при течении потока через цилиндрический канал (фиг. 2). Это обусловлено тем, что сжатие потока жидкости в конфузоре 27 увеличивает кинетическую энергию потока в горловине 29. За счет увеличения скорости потока в горловине 29 давление в потоке снижается. Если давление в горловине близко или достигает давления насыщенных паров веществ, имеющихся в обрабатываемой жидкости, то находящиеся в жидкости микропузыри газов начинают расти с большой скоростью, то есть возникает кавитация. Кавитационные пузыри выносятся в диффузор 28 и далее в зазоры 25 и 26, где пульсируют и схлопываются, оказывая интенсивное гидродинамическое и акустическое воздействие на обрабатываемую жидкость.

При вращении ротора 1 на его торцевых стенках 3 в пристеночном слое жидкости создаются большие центробежные силы, которые за счет создания перепада давления вытягивают жидкость из каналов 2 в зазоры 25 и 26. За счет разрежения в каналах 2 также возникает кавитация, которая оказывает гидродинамическое и акустическое воздействие на жидкость. При больших усилиях сдвига на поверхностях 3 ротора 1 и поверхностях 10 и 11 статоров 6 и 7, а также в зазорах 25 и 26 возникают большие силы трения, которые локально нагревают жидкость в малом объеме. В силу это фактора, в зазорах 25 и 26 создаются условия для возникновения новых зон кавитационных эффектов для гидродинамического и акустического воздействия на обрабатываемую жидкость. Из зазоров 25 и 26 обрабатываемая жидкость попадает в рабочую камеру 22 и выводится из устройства через патрубок 13.

При движении жидкости в зазоре между ротором и статором она испытывает большие сдвиговые напряжения, как за счет градиента скорости в окружном направлении при вращении ротора, так и за счет движения в радиальном направлении за счет перепада давления между входом и выходом из аппарата, а также за счет центробежного давления, создаваемого при вращении ротора.

Движущей силой в зазорах 25 и 26 является перепад давления между входным и выходным патрубками аппарата и центробежная сила. Для создания дополнительной динамической движущей силы в зазорах 25 и 26 от центральной оси к периферии ротора порядок совмещения каналов 8 и 9 с каналами 2 подбирается таким образом, чтобы происходила «бегущая волна» пульсаций давления в зазорах 25 и 26, от первой окружности (ряда) к последней окружности (ряда) расположения каналов 2, 8 и 9, и далее к камере 22. Это достигается за счет расположения осей каналов статоров на линиях, соответствующих по форме части Архимедовой спирали, описываемой уравнением

, где n - номер окружности расположения осей каналов n-го ряда,

- радиус окружности расположения осей каналов n-го ряда,

- угол поворота образующей спирали n-го ряда, β=α/z - угловой шаг расположения радиальных лучей для определения центров каналов статора, z - количество окружностей с радиусами

, α=2π/k - угловой шаг расположения линий спиралей, k - целое число, определяющее количество спиралей, располагаемых на диске для размещения центров каналов в статорах, α - параметр спирали, выбираемый из диапазона чисел от 10 до 500.

Направление вращения ротора выбирается таким образом, чтобы при совмещении каналов ротора с каналами статора, каналы ротора по мере поворота ротора совмещались с каналами статоров в последовательности от первого ряда каналов к последующим рядам. То есть, если центры каналов статоров располагаются на так называемой правой спирали, если смотреть со стороны входного патрубка (фиг. 3 и 5), то ротор (фиг. 4) вращается против часовой стрелки, если центры каналов статоров располагаются на «левой» спирали, то ротор вращается по часовой стрелке. Одновременно, будут совпадать каналы n-го и (n+1) рядов каналов ротора с n-ым рядом каналов одного из статоров и с (n+1) рядом каналов другого статора, либо будут совпадать каналы первого ряда первого статора с каналами первого ряда ротора и каналы последнего ряда второго статора с каналами последнего ряда ротора. Это условие позволяет избегать пульсации из каналов одного ряда статоров, направленных навстречу друг другу, и соответственно, гасящих друг друга импульсы давления. При указанном порядке совмещения каналов статоров и ротора, пульсации давления, возникающие при их совмещении, будут проталкивать жидкость в зазорах от первого ряда каналов к последующим, т.е. от центра к периферии дисков статора, что увеличивает движущую силу для течения жидкости от входа до выхода из аппарата.

Таким образом, предлагаемая конструкция роторно-пульсационного аппарата позволяет повысить эффективность гидродинамического и акустического, в том числе кавитационного, видов воздействия на обрабатываемую жидкость, обеспечить интенсификацию различных физико-химических, гидромеханических и тепло-массообменных процессов, изменить физико-химические параметры обрабатываемых жидкостей, например, снизить вязкость и температуру застывания парафинистой нефти и вязких нефтепродуктов, получить тонкодисперсные и стойкие эмульсии и суспензии, ускорить процесс растворения веществ в жидкости, увеличить выход целевых компонентов из различного вида сырья в раствор при экстрагировании.

Claims

1. Роторно-пульсационный аппарат, содержащий вращающийся ротор в форме диска со сквозными каналами на торцевых поверхностях, установленный в подшипниковом узле и позиционируемый с зазорами между двумя статорами в форме дисков со сквозными каналами на торцевых поверхностях, установленных в корпусе с крышками, имеющими входной и выходной патрубки, отличающийся тем, что оси каналов ротора находятся на пересечениях радиальных лучей с угловым шагом β=α/z и окружностей с радиусами

,

- угол поворота образующей спирали n-го ряда, α - параметр спирали, выбираемый из диапазона чисел от 10 до 500.

2. Роторно-пульсационный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что линии спиралей для расположения осей каналов одного статора смещены относительно противолежащих линий спиралей для расположения осей каналов другого статора на величину угла β, формируемого двумя соседними радиальными лучами, проходящими через центры расположения каналов, лежащих на одной линии спирали.

3. Роторно-пульсационный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что должно выполняться условие

, где

- диаметр каналов (n+1)-го ряда в роторе и статора.

4. Роторно-пульсационный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что каналы в роторе имеют сужение в виде конфузора, расширение в виде диффузора, симметричные относительно плоскости, равноудаленной от торцевых поверхностей ротора, и соединяющую их цилиндрическую горловину с соотношениями длин конфузора, горловины и диффузора как 1:1:1.

5. Роторно-пульсационный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что каналы в статорах имеют сужение в виде конфузора, цилиндрическую горловину и расширение в виде диффузора, соответствующие по профилю трубке Вентури.

6. Роторно-пульсационный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на ступице ротора установлены лопатки для нагнетания обрабатываемой жидкости в камеру второго, от входа в аппарат, статора.