Роторно-кавітаційний пристрій

1. Роторно-кавітаційний пристрій, що містить корпус з впускним та випускним отворами, статор у вигляді набору перших концентричних циліндрів з активаційними елементами, кожна пара із яких утворює концентричний зазор, та встановлений на C2 2 (19) 1 3 Для створення подібних емульсій також застосовується кавітаційна обробка середовища, яка здійснюється за допомогою кавітаційних пристроїв. Але використання кавітаційних пристроїв існуючої конструкції не дозволяє забезпечити отримання водопаливних емульсій потрібної якості та з великою стійкістю до розшарування без додавання до оброблюваного середовища спеціальних емульгаторів або інших добавок. Крім того, конструкція існуючих різновидів кавітаційних пристроїв є досить ненадійною та недовговічною завдяки несприятливій дії кавітаційних процесів на силові елементи 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. 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 кавітаційний пристрій, описаний у авторському свідоцтві СРСР №1358140, який вико 92155 4 ристовує ефекти гідродинамічної кавітації, створюваної у замкнутій камері з рідким робочим середовищем, що протікає через неї. Пристрій містить корпус, кавітатор, який виконаний у вигляді крильчатки з клиноподібною формою перетину лопатей та гострою передньою крайкою, яка встановлена на привідному валу з можливістю обертання і обладнана коаксіальне встановленим зовнішнім циліндром, жорстко з'єднаним з її лопатями, на якому укріпленні кронштейни з встановленими на них паралельно основній додатковими крильчатками з клиноподібною формою перетину лопатей і гострою передньою крайкою. Недоліком зазначеного пристрою є невисока продуктивність і відносно низька ефективність кавітаційної обробки, особливо для енергоємних технологічних процесів, що обумовлені значними втратами енергії на дисипативні явища - гідравличне тертя, подолання гідравличного опору середовища та інші. 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 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 винаходу, що заявляється, є роторно-кавітаційний пристрій, описаний у авторському свідоцтві СРСР №1033169, що містить корпус з впускним та випускним отворами, статор у вигляді набору перших концентричних циліндрів з активаційними елементами, кожна пара із яких утворює концентричний зазор, та встановлений на привідному валу дископодібний ротор у вигляді набору других концентричних циліндрів з активаційними елементами, які входять в зазори між першими концентричними" циліндрами статору. У даному випадку активаційні елементи являють собою прорізи. Також пристрій містить засіб для створення додаткових пульсацій, що виконаний у вигляді співвісних дисків з прорізами, один з дисків кінематичне зв'язаний з ротором і кількість прорізів у ньому кратно кількості прорізів в циліндрах. Недоліками описаної конструкції є недостатня інтенсивність кавітаційних процесів і низький рівень надійності роботи пристрою. Перший з вказаних недоліків зумовлений неможливістю забезпечення стійких кавітаційних процесів у зв'язку з особливостями конструктивного виконання статора та ротора та у зв'язку з геометричною формою активаційних елементів статора та ротора, тобто прорізів, яка не дозволяє забезпечити високу ефективність здійснення кавітаційної обробки середовища. Низький рівень надійності роботи пристрою 5 є наслідком вищезазначених факторів, а також несприятливої дії кавітаційних процесів на силові елементи конструкції. В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача створити роторно-кавітаційний пристрій, який завдяки оптимізації конструктивних параметрів та проробленню геометричної форми та розмірів активаційних елементів, дозволить забезпечити високу інтенсифікацію кавітаційних процесів, а також дозволить знизити шкідливий вплив кавітаційних процесів на елементи конструкції, істотно підвищити рівень надійності роботи пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що розроблений роторно-кавітаційний пристрій, що містить корпус з впускним та випускним отворами, статор у вигляді набору перших концентричних циліндрів з активаційними елементами, кожна пара з яких утворює концентричний зазор, та встановлений на привідному валу дископодібний ротор у вигляді набору других концентричних циліндрів з активаційними елементами, які входять в зазори між першими концентричними циліндрами статору, при цьому активаційні елементи кожного концентричного циліндру статора-і*» ротора виконані у вигляді періодично розташованих отворів овальної форми з орбітальне орієнтованою маленькою віссю овалу, при цьому проміжок між отворами перевищує розмір маленької осі овалу, що дозволяє уникнути проскакування оброблюваного середовища крізь отвори, що у свою чергу дозволяє підвисити ефективність кавітаційної обробки. Виникнення пульсацій потоку газоподібного або рідкого середовища у радіальних напрямках в області робочої зони роторно-кавітаційного пристрою при його роботі виникає за рахунок того, що при обертанні ротора, отвори в стінках концентричних циліндрів, з яких він набраний, можуть перекриватися суцільними частинами аналогічних циліндрів, з яких складається статор. При цьому частота і амплітуда пульсацій потоку визначається швидкістю обертання ротора і геометрією ротора та статора пристрою. Таким чином, вищезазначене конструктивне виконання пристрою забезпечує можливість здійснення кавітаційної обробки середовища з високою інтенсивністю. Геометрична форма активаційних елементів, тобто отворів статору та ротору, дозволяє суттєво інтенсифікувати кавітаційне вихроутворення у отворах та зазорах концентричних циліндрів ротора та статора завдяки можливості створення стійких кавітаційних вихорів, а також завдяки створенню кавітаційних мікровихорів. В зоні зустрічі потоків кавітаційних вихорів інтенсивно утворюються кавітаційні бульбашки оптимальних розмірів, які при зхлопуванні ініціюють кавітаційні ефекти, що активізують фізико-хімічні процеси в робочому середовищі. Виконання статору та ротору у вигляді набору концентричних циліндрів, тобто виконання їх багатоступінчастими, приводить до зниження енергії, що витрачається на одиницю робочого об'єму пристрою, тобто до збільшення його ефективності як механохімічного активатора та кавітатора. Доцільним є виконання роторно-кавітаційного пристрою, при якому кожний циліндр більшого 92155 6 діаметру має отвори менших розмірів, ніж суміжний циліндр меншого діаметру. Таке конструктивне виконання пристрою дозволяє підвисити ефективність здійснення кавітаційної обробки завдяки запобіганню проскакування оброблюваного середовища. Також доцільним є виконання роторнокавітаційного пристрою, при якому кожний циліндр більшого діаметру має радіальну товщину стінки менших розмірів, ніж суміжний циліндр меншого діаметру. Таке конструктивне виконання 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. Переважним є виконання пристрою з забезпеченням його крильчаткою, яка встановлена на привідному валу між ротором і суміжною з ним стінкою корпусу. Таке розташування крильчатки приводить 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, що обумовлює підвищення кавітаційного ефекту та якості кінцевого продукту. Переважним також є виконання пристрою таким чином, щоб відношення величини великої осі овалу до величини маленької осі овалу радіальних отворів складало від 1,5 до 2,5. Виконання радіальних отворів з зазначеним співвідношенням величини великої осі овалу до величини маленької осі овалу дозволяє забезпечити оптимальність процесу кавітаційної обробки за величиною продуктивності через мінімальні значення гідроопору при обраній для кожного конкретного випадку висоті циліндрів. Перелік графічного матеріалу. Фіг.1 поперечний розріз роторнокавітаційного пристрою. Фіг.2 - геометрична форма активаційних елементів. Фіг.3 - схема утворення вихорів. Фіг.4 - геометричні співвідношення радіальної товщини стінок циліндрів у торцевому перетині статора. На Фіг.1 представлений поперечний розріз роторно-кавітаційного пристрою, на якому представлений пристрій, що містить корпус 1 з впускним 2 та випускним 3 отворами, статор 4 у вигляді набору перших концентричних циліндрів 5 з активаційними елементами, встановлений на привідному валу 6 ротор 7 у вигляді набору других концентричних циліндрів 8 з активаційними елементами. Також на Фіг.1 представлена крильчатка 9 пристрою. На Фіг.2 представлена геометрична форма активаційних елементів 10, виконаних у роторі 7. Активаційні елементи 10 виконані у вигляді періо 7 дично розташованих отворів овальної форми з орбітальне орієнтованою маленькою віссю а овалу, великою віссю b овалу та проміжком між отворами с. На Фіг.3 представлена схема утворення вихорів, тобто потоків та гідродинамічних явищ, що виникають у багатоступінчастому роторнокавітаційному пристрої на прикладі першого ступеню. При обертанні ротора 7 у напрямку, показаному стрілкою 11, швидкість рідини у радіальному зазорі між циліндром ротора 7 та циліндром статора 4 різко змінюється від значення окружної швидкості ротора 7 до нуля біля поверхні статора 4. Епюра 12 окружних швидкостей значною мірою залежить від властивостей оброблюваної рідини, параметрів пристрою і швидкості обертання ротора 7. При цьому потік рідини в зазорі піддається періодичним радіальним збуренням, які виникають при суміщенні отворів 10. Взаємодія окружного і радіального потоку з елементами статора 4 приводить до змін напрямку обертання потоку після проходження отворів статора 4, що показано ломаною стрілкою 13. У зоні зміни напрямку потоку утворюються стійки кавітаційні вихори, що представлені круговою стрілкою 14. У центрі такого кавітаційного вихору протягом значного часу (кілька десятків періодів) утримується оброблюване середовище, що обертається у напрямку обертання вихору. Також на Фіг.3 зображені кавітаційні мікровихори 15 (зображені спіральною стрілкою), що утворюються при взаємодії потоку з гострокромковими поверхнями робочих елементів ротора 7 та статора 4. На Фіг.4 представлені геометричні співвідношення радіальної товщини стінок концентричних циліндрів у торцевому перетині статора 4, де зображенні циліндри 5 статора 4, у даному випадку статор 4 виконаний у вигляді набору з чотирьох концентричних циліндрів 5, причому кожний циліндр статора 5 більшого діаметру виконаний з радіальною товщиною стінки менших розмірів, ніж у суміжного циліндру меншого діаметру, тобто забезпечується співвідношення h1>h2>h3>h4, де h1, h2, h3 та h4 - радіальні товщини стінки циліндрів. Циліндр статора 4 з найбільшим діаметром виконаний суцільним, що сприяє зменшенню руйнування корпусу 1 і крильчатки 9 від шкідливого впливу кавітаційних процесів, що відбуваються. Пристрій працює наступним чином. Середовище, що підлягає обробці, надходить крізь впускний отвір 2 в порожнину корпусу 1. При цьому середовище під дією вхідного тиску перетікає крізь активаційні елементи, виконані в концентричних циліндрах 5 статора 4 до порожнини ротору 7, якому надається обертальній рух завдяки обертанню привідного валу 6, який можуть обертати за допомогою будь-якого придатного електродвигуна. При періодичному збігу отворів 10 у концентричних циліндрах 5 та 8 ротора 7 і статора 4 відбувається зміна швидкості та тиску потоку 92155 8 середовища, що ініціює кавітаційні процеси. При обертанні ротора швидкість рідини у радіальному зазорі між ротором 7 та статором 4 різко змінюється від значення окружної швидкості ротора 7 до нуля біля поверхні статора 4. При цьому потік рідини в зазорі піддається періодичним радіальним збуренням, які виникають при суміщенні отворів 10. Взаємодія колового і радіального потоку з елементами статора 4 приводить до змін напрямку обертання потоку після проходження отворів статора 4. У зоні зміни напрямку потоку утворюються стійки кавітаційні вихори 14. У центрі такого кавітаційного вихору протягом значного часу (кілька десятків періодів) утримують оброблюване середовище, що обертається у напрямку обертання вихору. Також при взаємодії потоку з гострокромковими поверхнями робочих елементів ротора 7 та статора 4 утворюються кавітаційні мікровихори 15. За допомогою крильчатки 9 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 продуктивність апарата практично не залежить від в'язкості оброблюваного середовища в досить широкому інтервалі зміни співвідношення "тверде-рідке". Відповідно до отриманих в експериментах результатів, критерієм ефективності будь-якої конструкції роторно-кавітаційного пристрою може служити комплекс його конструктивних і енергетичних параметрів: - дисипація механічної потужності в одиниці об'єму середовища, що оброблюється; j - середнє значення градієнта швидкості зрушення оброблюваного середовища в зазорі між робочими органами пристрою; f0 - основна частота пульсацій динамічного тиску в робочому об'ємі. Регулювання частоти обертання ротору пристрою дозволяє регулювати вищезазначені його параметри в наступних межах: =(0,5-8,9)мВт/м3; j=(200-100000)с-1; f0=(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.). 9 92155 10 Таблиця Технічні характеристики роторно-кавітаційних пристроїв Тип відцентрового насоса К52-32-125 К50-32-160 К65-50-160 К80-50-200а К100-80-160 Потужність Подача, кавітатора, 3 м /год. кВт 8 1.2-3.0 20 3.0-4.5 25 5.5-7.5 45 7.5-11.0 90 18.5-22.0 Число ступенів кавітації, циліндр у циліндрі 4 4 4 4 4 Загалом підвищення продуктивності (інтенсивності) обробки сягає 50-70% по відношенню до продуктивності прототипу. Надійність роторнокавітаційного пристрою, основним показником якої є ресурс, завдяки конструктивному виконанню пристрою, зростає в 2-5 разів. Таким чином, винахід, що заявляється, являє собою роторно-кавітаційний пристрій, який Кількість отворів у циліндрі, штук 12-18 12-36 12-36 12-40 12-40 Зазор між роШвидкість тором і стаобертання тором, мм ротора, об./хв. 0.1-1 1500-6000 0.1-1 1500-50000.1-1 1500-5000 0.1-1 1500-5000 0.1-1 1500-5000 завдяки оптимізації конструктивних параметрів та проробленню геометричної форми та розмірів активаційних елементів дозволяє забезпечити високу інтенсифікацію кавітаційних процесів, а також дозволяє знизити шкідливий вплив кавітаційних процесів на елементи конструкції, істотно підвищити рівень надійності роботи пристрою. 11 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 92155 Підписне 12 Тираж 26 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