Роторно-кавітаційний пристрій

1. Роторно-кавітаційний пристрій, що містить корпус з впускним та випускним отворами, статор з перфорованими концентричними виступами, які створюють концентричні канавки, та встановлений на привідному валу ротор з фланцем, від якого 3 конструкції. Однак незважаючи на всі перераховані недоліки кавітаційні пристрої широко використовуються та область їх використання постійно розширюється. Так кавітаційні пристрої, за допомогою яких здійснюють кавітаційну обробку середовища, використовують у котлоагрегатах промислових підприємств, у теплогенераторах, на нафтових базах для інтенсифікації перегонки нафти шляхом регулювання фазових переходів сировини кавітаційним впливом. Перспективним є застосування кавітаційної обробки при здійсненні безреагентних методів очищення води, що дозволить істотно знизити вартість очищення питної води. Також великі перспективи мають технології на основі кавітаційної обробки харчової сировини. Таким чином, дуже актуальною є проблема розробки кавітаційного пристрою, який би забезпечував потрібну якість кінцевого продукту завдяки ефективній інтенсифікації кавітаційних процесів та був би надійним та довговічним в експлуатації. Відомий роторно-кавітаційний пристрій, описаний в патенті Англії № 138889, який має роторний і статорний диски із зубчатими елементами, встановленими за перебігом концентричних кіл, у якому між елементами статорного диску від центру до периферії проходять наскрізні радіальні канали, а між елементами роторного диску наскрізні з нахилом до радіусу основні (широкі) та допоміжні (вузькі) канали. Недоліком описаного рішення є відносно низька продуктивність та недостатня ефективність перемішування, так як у загальному випадку число пульсацій за один оберт ротора визначається добутком кількості елементів роторного і статорного дисків. Тому, з точки зору інтенсифікації і якості процесів, що відбуваються в пристрої, бажано збільшувати кількість елементів як на статорному, так і на роторному дисках. Однак, якщо на статорному диску збільшення у певних межах числа елементів не зустрічає перепон, то на роторному диску збільшення числа елементів може привести до порушення орієнтації каналів з нахилом і утворенню наскрізних радіальних каналів. Остання обставина є небажаною, тому що у цьому випадку частина компонентів, які змішуються, проходить через наскрізні радіальні канали статора і ротора не піддаючись впливу елементів статорного і роторного дисків, внаслідок чого інтенсивність і якість перемішування спадають. Тому в даному пристрої кількість елементів ротора менше кількості елементів статора, а кількість локальних пульсацій за один оберт ротора менше числа елементів статора. Відомий також роторно-кавітаційний пристрій, описаний в патенті РФ №2165787, що містить корпус з впускним та випускним отворами, встановлені у ньому статор та ротор та привід, при цьому у бічних стінках статора та ротора виконані канали, на зовнішній циліндричній поверхні ротора між каналами паралельно їм виконані канавки, розміщені на деякій відстані одна від одної. Недоліком цього пристрою є висока енергоємність процесу обробки, який здійснюється за допомогою вказаного пристрою, та необхідність встановлення додаткового насоса для нагнітання 40030 4 рідини під тиском у порожнину ротора, а також недостатня продуктивність пристрою та ефективність внаслідок того, що пристрій складається з однієї пари одноступеневих ротора і статора. Найбільш близьким аналогом корисної моделі, що заявляється, є роторно-кавітаційний пристрій, описаний у патенті України на корисну модель № 22997, який містить корпус з впускним та випускним отворами та встановлені у ньому статор з перфорованими концентричними виступами, які створюють концентричні канавки, та встановлений на привідному валу ротор з фланцем, від якого відходять перфоровані концентричні виступи, які входять в канавки статора, при цьому перфорації мають вигляд періодично розташованих отворів овальної форми з орбітальне орієнтованою маленькою віссю овалу, при цьому проміжок між отворами перевищує розмір маленької осі овалу Недоліком описаного рішення є недостатня інтенсифікація кавітаційних процесів, що у свою чергу призводить до зниження продуктивності пристрою та якості кінцевого продукту. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача створити роторно-кавітаційний пристрій, який завдяки оптимізації конструктивних параметрів дозволить забезпечити високу інтенсифікацію кавітаційних процесів, що дозволить підвищити коефіцієнт корисної дії пристрою, а також дозволить знизити шкідливий вплив кавітаційних процесів на елементи конструкції, та істотно підвищити рівень надійності роботи пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що розроблено роторно-кавітаційний пристрій, що містить корпус з впускним та випускним отворами, статор з перфорованими концентричними виступами, які створюють концентричні канавки, та встановлений на привідному валу ротор з фланцем, від якого відходять перфоровані концентричні виступи, які входять в канавки статора, при цьому статор забезпечений замикаючим виступом, який охоплює периферійний виступ ротора, а на периферійній поверхні виступу ротора, який є суміжним із замикаючим виступом статора, виконані аксіальні проточки. Наявність замикаючого виступу статора дозволяє виключити можливість створення у зоні кавітаційної обробки суцільних радіальних каналів. Внаслідок цього увесь потік рідини, що оброблюється, утримується в зазорі між концентричними виступами ротора і статора значний час (до декілька десятків періодів). При цьому потік рідини в зазорі піддається періодичним радіальним збуренням, що виникають при суміщенні перфорацій, які виконані у концентричних виступах ротора та статора. Взаємодія окружного та радіального потоку оброблюваного середовища приводить до утворення стійкого кавітаційного вихору. Вихроутворення також має місце при взаємодії потоку з гострокінцевими поверхнями робочих елементів ротора та статора. В результаті цього в зазорах між концентричними виступами ротора та концентричними канавками статора утворюються 5 кавітаційні мікровихори. В зоні зустрічі потоків кавітаційних вихорів інтенсивно утворюються кавітаційні бульбашки оптимальних розмірів, які при схлопуванні ініціюють потужні кавітаційні ефекти, що активують фізико-хімічні процеси в робочому середовищі, що у свою чергу дозволяє підвищити коефіцієнт корисної дії пристрою. Доцільним є виконання на периферійній поверхні виступу ротора, який є суміжним із замикаючим виступом статора, аксіальних проточок для відводу оброблюваного середовища. Це дозволяє забезпечити здійснення подальшої обробки робочого середовища, бо площа аксіальних проточок дозволяє пропускати потік оброблюваного середовища в пристрої для подальшої обробки його за допомогою крильчатки без зменшення величини акустичних коливань. Це дозволяє підвищити продуктивність пристрою на 30-40%. Крім того, забезпечення статора замикаючим виступом сприяє підвищенню його експлуатаційної надійності, оскільки його наявність запобігає руйнуванню корпусу пристрою під негативним впливом кавітаційних процесів. Також можливе виконання статора у вигляді складеної деталі, одна частина якої містить замикаючий виступ, а інша частина - решту концентричних виступів статора, які мають перфорацію. Частини складеного статора можуть бути з'єднаними, наприклад, заклепувальним з'єднанням або будь-яким іншим придатним у даному випадку видом з'єднання. Також переважним є виконання додаткової зміцнювальної обробки поверхні замикаючого виступу, наприклад, цементації або нанесення будьякого іншого зміцнювального покриття, що дозволяє додатково підвищити експлуатаційну надійність пристрою. Виконання статора та ротора з декількома концентричними виступами, тобто виконання їх багатоступінчастими, призводить до зниження енергії, що витрачається на одиницю робочого об'єму пристрою, тобто до збільшення його ефективності як механохімічного активатора та кавітатора. Доцільним є таке виконання пристрою, при якому пристрій забезпечений крильчаткою, яка встановлена на привідному валу між ротором і суміжною з ним стінкою корпусу. Таке розташування крильчатки призводить до збільшення кількості ступіней обробки і за рахунок підвищення насосного ефекту дозволяє застосовувати пристрій для активації рідинних систем, в'язкість яких коливається у широких межах, без зниження продуктивності роботи пристрою. Крім того, встановлення крильчатки дозволяє створити додаткове розрідження у внутрішньому об'ємі пристрою, тобто створює негативний тиск, що обумовлює підвищення кавітаційного ефекту та якості кінцевого продукту. Також переважним є таке виконання пристрою, при якому концентричні виступи статора та ротора виконані у вигляді концентричних циліндрів, при цьому кожний концентричний циліндр більшого діаметру має радіальну товщину стінки менших розмірів, ніж суміжний циліндр меншого діаметру.Таке конструктивне виконання 40030 6 пристрою завдяки поступовому зменшенню радіальної товщини стінок циліндрів дозволяє оптимізувати витрати енергії пристроєм, що у свою чергу дозволяє підвищити економічну ефективність використання пристрою, а також таке конструктивне виконання пристрою дозволяє запобігти зменшенню швидкості руху рідині під час циклу її обробки. Перелік графічного матеріалу. Фіг. 1 - поперечний переріз роторнокавітаційного пристрою. Фіг. 2 - зображення тильної сторони ротора пристрою. Фіг. 3 - частковий розріз на вигляді спереду статора. Фіг. 4 - графік залежності продуктивності від в'язкості середовища, що оброблюється при різних частотах обертання ротора. На фіг. 1 представлений поперечний переріз роторно-кавітаційного пристрою, на якому представлений пристрій, що містить корпус 1 з впускним 2 та випускним 3 отворами, статор 4 з перфорованими концентричними виступами 5 та замикаючим виступом 6, що утворюють концентричні канавки 7, та ротор 8 з фланцем 9, від якого відходять перфоровані концентричні виступи 10, а також представлена крильчатка 11 пристрою, яка встановлена на привідному валу 12. На фіг. 2 представлене зображення тильної сторони ротора 8 пристрою, де показаний фланець 9 ротора 8, та аксіальні проточки 13 на периферійній поверхні виступу ротора 8, а також зазор 8 між виступом ротора 8 та замикаючим виступом 6 статора 4. На фіг. 3 представлений частковий розріз на вигляді спереду статора, де показані перфоровані концентричні виступи 5, замикаючий виступ 6 та концентричні канавки 7. При цьому перфорація виконана у вигляді вибірок, тобто виступи є зубчастими. На фіг. 4 представлений графік залежності продуктивності від в'язкості середовища, що оброблюється при частоті обертання ротора: 1 частота 1500 об/хв.; 2 - 3000 об/хв.; 3 - 5000 об/хв. Пристрій працює наступним чином. Середовище, що підлягає обробці, надходить крізь впускний отвір 2 в порожнину корпусу 1 та під дією негативного тиску, що створюється крильчаткою 11 у порожнину ротора 8, якому надається обертальній рух завдяки обертанню привідного валу 12, який можуть обертати за допомогою будь-якого придатного електродвигуна. Перфоровані концентричні виступи 5 та замикаючий виступ 6 утворюють концентричні канавки 7, у які входять перфоровані концентричні виступи 10 ротора 8, а перфорацію у даному випадку виконують у вигляді вибірок, а концентричні виступи - у вигляді концентричних циліндрів. При періодичному збігу вибірок на концентричних виступах статора 4 та ротора 8 відбувається зміна швидкості та тиску потоку, що оброблюється, що у свою чергу ініціює кавітаційні процеси, у результаті цього створюються каверни. При обертанні ротора швидкість рідини у радіальному зазорі d між ротором 8 та статором 4 різко змінюється від значення 7 40030 окружної швидкості ротора 8 до нуля біля поверхні статора 4. При цьому потік рідини в зазорі d піддається періодичним радіальним збуренням, які виникають при суміщенні отворів між зубцями циліндрів статора 4 та ротора 7. Взаємодія колового і радіального потоку з елементами статора 4 призводить до змін напрямку обертання потоку після проходження отворів статора 4. У зоні зміни напрямку потоку утворюються стійкі кавітаційні вихори. Замикаючий виступ 6 статора 4, що виконаний суцільним, стримує каверни, що утворились в зазорі між статором 4 та ротором 8, значний час. Далі середовище, що оброблюється, відводиться крізь аксіальні проточки 13 на периферійній поверхні виступу ротора 8, який є суміжним з поверхнею статора 4, та потрапляє на крильчатку 11. За допомогою крильчатки 11 здійснюють додаткове розрядження у об'ємі корпуса та подають оброблювану рідину крізь випускний отвір 3 корпуса 1 або на новий цикл обробки, або до ємності готової продукції. Для з'ясування основних технологічних характеристик розробленого роторно-кавітаційного пристрою у даному випадку провели експерименти з механічної і кавітаційної обробки водовугільних суспензій трьох видів зі змінюваним відношенням "тверде-рідке" середовище. При цьому очевидною є зміна в'язкості середовища, що обробляється. Експериментальне було доведено, що 8 продуктивність апарата практично не залежить від в'язкості оброблюваного середовища в досить широкому інтервалі зміни співвідношення "твердерідке". Відповідно до отриманих в експериментах результатів, критерієм ефективності будь-якої конструкції роторно-кавітаційного пристрою може служити комплекс його конструктивних і енергетичних параметрів: x - дисипація механічної потужності в одиниці об'єму середовища, що оброблюється; j - середнє значення градієнта швидкості зрушення оброблюваного середовища в зазорі між робочими органами пристрою; f 0 - основна частота пульсацій динамічного тиску в робочому об'ємі. Регулювання частоти обертання ротора пристрою дозволяє регулювати вищезазначені його параметри в наступних межах: x = (0,5-8,9)мВт/м3; j = (200-100000) с-1; f 0 = (300-1800) Гц. На основі експериментальних досліджень з використанням критерію ефективності, який враховує конструктивні і енергетичні параметри пристрою, а також у залежності від середовища, що оброблюється, розроблені наступні конструкції роторно-кавітаційного пристрою (табл. 1). Таблиця 1 Технічні характеристики роторно-кавітаційних пристроїв Тип відцентрового насоса К50-32-160 Число Потужність ступенів Подача, кавітатора, кавітації, м3/год. кВт циліндр у циліндрі 20 3.0-4.5 4 Кількість отворів у циліндрі, штук Зазор між ротором і статором, мм Швидкість обертання ротора, об./хв. 12-36 0.1-1 1500-5000 К80-50-2000 45 7.5-11.0 4 12-40 0.1-1 1500-5000 К100-80-160 90 18.5-22.0 4 12-40 0.1-1 1500-5000 Загалом підвищення продуктивності (інтенсивності) обробки сягає 70-80% у відношенні до продуктивності прототипу. Надійність роторнокавітаційного пристрою, основним показником якої є ресурс, завдяки конструктивному виконанню пристрою, зростає в 3-4 рази. Таким чином, корисна модель, що заявляється, являє собою роторно-кавітаційний пристрій, який завдяки оптимізації конструктивних параметрів дозволяє забезпечити високу інтенсифікацію кавітаційних процесів, що у свою чергу дозволяє підвищити коефіцієнт корисної дії пристрою, а також дозволяє знизити шкідливий вплив кавітаційних процесів на елементи конструкції, та істотно підвищити рівень надійності роботи пристрою. 9 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 40030 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601