РОТОРНЫЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно энергетического и химического, и предназначено для получения тонкодисперсных стойких эмульсий. Оно может быть использовано для защиты окружающей среды путем подготовки к сжиганию не подлежащих регенерации сильнообводненных отходов нефтепродуктов. Может быть использовано также в пищевой промышленности при производстве соков, сметаны и т.д. при условии изготовления деталей из материалов, отвечающих требованиям пищевой промышленности.

Известны роторные гидродинамические аппараты (на базе роторно-пульсационных аппаратов), предназначенные для этой цели, содержащие ротор и статор, помещенные в корпусе и выполненные в виде чередующихся коаксиальных цилиндров с прорезями или в виде концентрически расположенных зубьев. Во внутренней зоне ротора могут быть установлены лопасти или ножи, обеспечивающие измельчение (резание) крупных фракций дисперсной фазы и улучшающие условия перемешивания и транспорта обрабатываемой среды [1, 2, 3]. Для приготовления тонкодисперсных систем между вращающимися и неподвижными цилиндрами следует использовать роторно-пульсационные аппараты (РПА) с минимально возможными зазорами. С уменьшением зазора эффективность диспергирования, а также пульсационных явлений возрастает. Однако выполнение малых зазоров весьма затруднительно, требует высокой точности изготовления и специальных приемов (притирки), что приводит к удорожанию аппарата. На таких поверхностях также сложно выполнять рифления и шероховатости, что приводит к повышению эффективности диспергирования. В то же время применение рабочих органов с гладкими поверхностями приводило к накапливанию частиц во внутренней полости аппарата и его забивке [1].

При промышленном выпуске аппаратов технологически невозможно выполнить все вышеназванные требования. При использовании промышленно выпускаемых аппаратов для приготовления эмульсии требуется ее многократная обработка, например 5-7 раз [2].

Таким образом, общим недостатком таких аппаратов является необходимость многократной циркуляции для получения тонкодисперсньгх эмульсий, что вызывает повышенные энергозатраты.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является роторный гидродинамический аппарат, содержащий корпус с патрубками подачи и отвода жидкой среды, внутри которого соосно установлены статорный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, и закрепленный на приводном валу роторный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей и насосные лопатки на входе в аппарат [4].

Недостатками этого устройства является проблематичность получения тонкодисперсных эмульсий и неэффективное использование лопаточного насосного аппарата (на входе).

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является повышение качества смешиваемых сред и уменьшение затрат энергии.

Техническая задача достигается тем, что в роторном гидродинамическом аппарате, содержащем корпус с патрубками подачи и отвода жидкой среды, внутри которого соосно установлены статорный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, и закрепленный на приводном валу роторный диск, содержащий по меньшей мере один концентрический ряд прорезей, и насосные лопатки, дополнительно установлено цилиндрическое кольцо с выполненными в нем равномерно по диаметру сверхзвуковыми соплами, содержащими сужающуюся часть, критическое сечение и расширительную часть, а насосное лопаточное колесо установлено над цилиндрическим кольцом, причем оси симметрии как сверхзвуковых сопел, так и лопаток колеса проходят через центр оси вала ротора (это обеспечивает минимальные гидравлические потери). Сверхзвуковое сопло может быть выполнено в виде кольцевого сопла с конической расширяющейся частью, или выполнено с некруглым сечением на срезе, или выполнено коротким с длиной расширительной части L, равной диаметру сопла на срезе D, а угол полураствора расширительной части сопла должен находиться в пределах 13-30°.

Основные теоретические и практические разработки по теории сопел выполнены в области ракетной техники [5]. При проектировании ракетных двигателей исходят из получения максимальной тяги, а этому способствует сопло, контур расширяющейся части которого обеспечивает в выходном сечении сопла параллельный поток с одним и тем же значением скорости в любой точке этого сечения, а поверхность сопла изготавливают максимально гладкими.

При использовании сверхзвуковых сопел в гидродинамических аппаратах для приготовления эмульсии стоит другая задача: создать в сопле максимально турбулентное течение с сильным дроблением потока. Кроме того, всего этого необходимо добиться при небольших размерах элементов, в которых могут быть размещены сверхзвуковые сопла.

Поэтому, в наших условиях предпочтительнее использовать кольцевые сопла, позволяющие значительное сокращить длину по сравнению с соплами Лаваля, основные недостатки которых связаны с их большой длиной, массой и низкой эффективностью при перерасширении потока.

Для этой же цели самое узкое сечение сопла (критическое сечение) выполнено в виде острой кольцевой кромки. Такая конструкция вызывает так называемое течение Прандтля-Майера: согласно теории обрыв стенки на острой кромке является источником непрерывных возмущений, приводящих к турбулизации потока. Расширительная часть сопла при этом выполнена конической с грубой обработкой, что упрощает технологию изготовления сопла и вызывает появление кавитации. Поскольку при истечении потока из сопла в окружающую среду (эмульсию) наблюдается превышение давления, то в потоке образуется ударная волна, которая распространяется против потока со сверхзвуковой скоростью тем большей, чем больше перепад давления на ее фронте, что приводит к срыву сверхзвукового течения в сопле и резкому дроблению эмульсии. Это явление обусловливает автоколебательный процесс, когда сверхзвуковое движение жидкости в сопле периодически возникает и срывается с частотой от нескольких герц до десятков герц, что в наших условиях чрезвычайно важно, так как позволяет значительно повысить степень измельчения эмульсии.

Угол полураствора расширительной части сопла при менее 12° обеспечивает равномерное поле скоростей на выходе из сопла, к чему стремятся при проектировании ракетных двигателей.

В нашем случае для создания турбулентного течения угол полураствора расширительной части сопла должен быть более 13°, но не более 30°, так как технологически невозможно разместить на цилиндрическом кольце расчетное число сопел. Такие углы полураствора расширительной части позволяют без ухудшения гидравлических характеристик сопла изготовить короткие сопла с длиной расширительной части L, равной диаметру сопла D на срезе, что значительно эффективнее, чем сопла Лаваля, рассчитанные для таких коротких сопел.

Для повышения степени расширения у сопла, что приводит к турбулизации потока, целесообразно использовать сопла с некруглыми сечениями на срезе (прямоугольные, плоские, иметь форму кольца, или кольцевого сектора со скругленными углами, или произвольную форму, в том числе форму эллипса или многоугольника). Такой выбор конструкций коротких сопел позволяет использовать при их изготовлении более простые и дешевые технологии.

Вход эмульсии осуществляется через входную сужающую часть сопла. В выборе этой части нет строгих рекомендаций: многие сопла имеют очень короткую сужающуюся часть, а угол полураствора у сужающей части рекомендуется брать в пределах 30-60°.

Авторам не известны технические решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения.

На фиг. 1 изображен роторный гидродинамический аппарат в разрезе, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (вид на роторный диск).

Роторный гидродинамический аппарат (см. фиг. 1, 2) включает корпус, состоящий из статора 1, статорного диска 2, крышки 3 с патрубками подачи 4 и отвода жидкой среды 5, роторного диска 6 с цилиндрическим колесом 7, над которым установлено лопаточное колесо 8. При этом роторный диск 6 закреплен на приводном валу 9 электродвигателя 10. Роторный диск 6 содержит два 11 и 12 концентрических ряда прорезей, а статорный - два 13 и 14 концентрических ряда прорезей. На наружном диаметре роторного диска 6 установлено цилиндрическое кольцо 7 с выполненными в нем равномерно по диаметру сверхзвуковыми соплами 15, содержащими сужающуюся часть В, критическое сечение b и расширительную часть L. Над цилиндрическим кольцом 7 установлено лопаточное колесо 8. В крышке 3 выполнено также отверстие 16, через которое на вход в аппарат можно дополнительно вводить какой-либо компонент: воду, воздух, углеводороды и т.д.

Устройство работает следующим образом.

Через патрубки 4 в роторный гидродинамический аппарат подаются подвергаемые смешению и измельчению среды и затем измельчаются в зазорах между статорными и роторными дисками и при прохождении через прорези 11, 12, 13 и 14 статорного 2 и роторного 6 дисков. После этого эмульсия поступает в сопла 15, выполненные в цилиндрическом кольце 7. После прохождения сужающейся (дозвуковой) части сопла эмульсия поступает в критическое сечение (самое узкое сечение сопла), выполненное в виде острой кольцевой кромки. Такая конструкция вызывает так называемое течение Прандтля-Майера: согласно теории обрыв стенки на острой кромке является источником непрерывных возмущений, приводящих к турбулизации потока. При таком течении сверхзвуковое движение жидкости в расширяющейся части сопла 15 периодически возникает и срывается с частотой от нескольких герц до десятков герц, что позволяет повысить степень измельчения эмульсии. Установленное лопаточное колесо 8 не только позволяет использовать роторный гидродинамический аппарат как насос, но и создавая разрежение внутри корпуса способствует лучшему диспергированию эмульсии. Приготовленная эмульсия выходит через патрубок отвода жидкой среды 5.

Пример.

Изготовлен роторный гидродинамический аппарат, представленный на фиг. 1 и 2. В цилиндрическом кольце 7 равномерно по диаметру выполнены сверхзвуковые сопла 15, причем они выполнены плоскими с некруглым сечением на срезе короткими с длиной расширительной части L, равной диаметру сопла на срезе D, а угол полураствора расширительной части выполнен равным 15°; критическая часть сопла выполнена в виде острой кольцевой кромки. Оси симметрии сверхзвуковых сопел 15 и лопаток колеса 8 проходят через центр оси вала 9.

Характеристики роторного гидродинамического аппарата: производительность Q=5 куб./м при n=3000 об/мин и Q=7,5 куб.м/ч при n=9000 об/мин; мощность эл. двигателя N=5,5 кВт. На заводском испытательном стенде определялось качество эмульсии при однократной обработке. Эмульсия приготавливалась из мазута 100 и 10% воды. Определение качества эмульсии производилось на микроскопе МБИ-1 в проходящем свете по величине глобул воды в эмульсии. Число оборотов электродвигателя регулировалось частотным преобразователем. Как показало микроскопирование не менее 80% поля составили глобулы воды размером менее 3 мкм при n=3000 об/мин и менее 1 мкм при n=9000 об/мин.

Таким образом, предлагаемый роторный гидродинамический аппарат, за счет использования сверхзвуковых сопел в конструкции аппарата, по сравнению с прототипом позволяет получить более качественную эмульсию (средний размер капель уменьшился минимум в 3 раза) и более экономичен (за один проход получается эмульсия такая же, как в прототипе за несколько раз за счет циркуляции).

Источники информации

1. М.А. Балабудкин. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности. - М.: Медицина, 1983, 160 с.

2. RU 2131087 C1, F23K 5/12, F23D 11/34, 27.05.1999.

3. RU 2438769 C1, B01F 3/08, B01F 11/02, 10.01.2012.

4. RU 2335337 С2, B01F 7/00, B01F 5/06, 10.10.2008.

5. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Под. ред. В.М. Кудрявцева. М.: Высш. школа, 1975, 656 с.