УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОЙ СРЕДЫ

Изобретение относится к устройствам для создания колебаний в жидкой проточной среде и может быть использовано для проведения различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость».

Известно устройство для создания акустических колебаний в проточной жидкой среде, содержащее помещенные в рабочую камеру ротор и статор, с выполненными на образующей щелями, привод вращения ротора, причем щели в роторе и статоре расположены рядами и размещены в роторе друг над другом, а в статоре сдвинуты друг относительно друга на величину, определяемыми соотношениями, а количество щелей в роторе в каждом ряде одинаково, но превышает количество щелей в статоре в целое число раз (А.с. СССР 495862 В06В, Бюл. 29, 1976). Цель устройства: повышение рабочей частоты и интенсивности акустического поля. Недостатком данного устройства является недостаточная интенсивность кавитации в модуляторе устройства для получения, например, высокодисперсных эмульсий.

Наиболее близким к изобретению по получаемому эффекту является роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, причем канал статора выполнен в виде сопла и имеет в суженной части два цилиндрических резонатора соединенных с ним. В аппарате частота колебаний, генерируемая каналами статора, превышает частоту колебаний, генерируемых перекрывающимися каналами ротора и статора (основной тон), что способствует повышению интенсивности кавитации. Согласно описанию изобретения, кавитационные образования выносятся в большой объем камеры озвучивания, что снижает эффективность кавитационной обработки жидкой среды. Недостатком является также невозможность плавного регулирования частоты собственных колебаний объемных резонаторов.

Техническая задача изобретения - повышение интенсивности кавитации.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в устройстве для физико-химической обработки жидкой среды, содержащем корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках, расположенными в два ряда друг над другом, с цилиндрическими резонаторами в статоре, камеру озвучивания, привод, в цилиндрических резонаторах, соединенных каналами входа, находящихся друг над другом и напротив выходов из каналов ротора, с торца со стороны крышки корпуса, находится шток с возможностью возвратно-поступательного перемещения, причем жидкость подается в резонатор через каналы входа, выполненные тангенциально к его внутренней поверхности, а канал выхода жидкой среды из резонатора расположен радиально. Количество каналов в роторе в одном из рядов в 8-12 раз больше чем в другом. Частота собственных колебаний резонатора равна частоте колебаний устройства, генерируемая рядом каналов в роторе, с наибольшим их количеством.

На фиг.1 изображен роторный аппарат, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Устройство для физико-химической обработки жидкой среды содержит корпус 1 с патрубком 2 выхода среды; крышку 3 с патрубком 4 входа среды, ротор 5 с каналами 6 в боковых стенках, статор 7 с каналами входа 8 в резонатор 9, канал выхода из резонатора 10, шток 11, уплотнение штока 12, камеру озвучивания 13, образованную корпусом 1, крышкой 3 и наружной поверхностью статора 7.

Устройство работает следующим образом. Обрабатываемая среда под давлением поступает в патрубок 4 и проходит в полость ротора 5. Затем через расположенные в два ряда каналы ротора 6 и входные каналы входа 8, расположенные друг над другом попадает тангенциально в полости объемных резонаторов в статоре 7, выходит через радиальные каналы 10 в камеру озвучивания 13 и выводится из устройства через патрубок 2. Шток 11 находится в полости резонатора 9 с возможностью возвратно-поступательного перемещения для регулирования объема резонатора и уплотняется элементом 12.

Одним из основных интенсифицирующих факторов различных химико-технологических процессов, протекающих в жидкой среде, является кавитация. Для увеличения интенсивности кавитации при акустической обработке в технологических объемах генерируются колебания, отличающиеся не менее чем на порядок. В предполагаемой конструкции это достигается тем, что каналы в роторе выполнены в 2 ряда. При этом в одном из рядов количество каналов в 8-12 раз больше чем в другом. Так как частота, генерируемая перекрывающимися каналами ротора и статора, определяется числом отверстий в роторе, при одной и той же угловой скорости вращения ротора, то в предлагаемой двухрядной конструкции ряды отверстий в роторе генерируют колебания, отличающиеся в 8-12 раз. Отметим, что количество входных каналов в резонаторы, расположенных по внутренней поверхности статора, одинаково во всех рядах. Для того чтобы расход среды через ряды отверстий был одинаков, т.е. интенсивность колебаний разной частоты была одинаковой, высоту и ширину каналов в ряду с меньшим количеством отверстий необходимо увеличивать. Расчеты геометрических размеров сечения каналов ведутся по известным методикам (А.М. Балабышко, В.Ф. Юдаев. Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. - М.: Недра, 1992. - 176 с). В случае, когда необходимо увеличить интенсивность колебаний одной из частот - меньшей или большей, необходимо увеличивать расход через соответствующий ряд каналов, увеличивая геометрические размеры их поперечного сечения, или уменьшить размеры каналов другого ряда. Выбор одного из вариантов зависит от конкретных геометрических размеров всего устройства, расхода через устройство и т.д.

Обрабатываемая среда попадает в цилиндрические резонаторы, где и происходит основной процесс кавитационной обработки жидкой среды. Для увеличения амплитуды колебаний необходимо в резонаторе создать резонанс. При этом интенсивность колебаний возрастает в 4 раза. Соответственно значительно возрастает и интенсивность кавитации. Частота колебаний объемного резонатора зависит от его объема, т.е. длины и диаметра (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. с.314-315).

Исходя из металлоемкости устройства, т.е. его размеров и, учитывая, что частота колебаний ультразвука, рекомендуемая для основных химико-технологических процессов ≥5*10³ (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. с.16), размеры резонатора рассчитываются на наибольшую частоту, генерируемую устройством. При этом диаметр резонатора изменяется в интервале (10-20) мм, что допустимо для длинноканальных устройств, рассматриваемых в предлагаемом изобретении.

Количество резонаторов определяется исходя из конструктивных размеров статора, в основном диаметральных размеров, и технологией изготовления.

В каждом резонаторе со стороны крышки находится с возможностью возвратно-поступательного перемещения сплошной шток. При перемещении штока изменяется длина, и объем резонатора при этом изменяется и частота собственных колебаний резонатора. Это позволяет точнее настроить резонанс резонатора на максимальную частоту колебаний, генерируемых рядом каналов в роторе с наибольшим их количеством.

Для подтверждения эффективности предлагаемого устройства проведены эксперименты на водопроводной воде. Спектр частот колебаний в устройстве определялся анализатором спектра. Частота колебаний одного ряда каналов статора равнялась ≈500 Гц, второго ряда ≈4350 Гц. Величина кавитационных импульсов давления определялась гидрофоном и запоминающим осциллографом. Установлено, что по сравнению с прототипом, имеющим резонаторы такого же диаметра, величина кавитационных импульсов давления возросла в среднем на 45%. Наличие регулировочного штока в резонаторах позволило получить максимум кавитации. Таким образом, экспериментально подтверждена работоспособность и эффективность предлагаемой конструкции устройства для физико-химической обработки жидкой среды.