Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in Flüssigkeiten, mit einem in einer Arbeitskammer untergebrachten Ständer, der in Form eines Hohlzylinders ausgeführt ist und an dessen Umfangsfläche eine Reihe von Öffnungen vorgesehen ist, sowie mit einem ebenfalls in der Arbeitskammer untergebrachten und mit einem Antrieb verbundenen Läufer, der koaxial zum Ständer angeordnet ist und an dessen Umfangsfläche eine Reihe von Öffnungen vorgesehen ist, deren Anzahl um eine ganze Zahl grösser ist als die Anzahl der im Ständer vorgesehenen Öffnungen, wobei bei einem periodischen Überdecken dieser Öffnungen durch die Öffnungen des Ständers das in den Hohlraum des Läufers eintretende flüssige Medium in die Arbeitskammer gelangt.
Solche Vorrichtungen dienen bei der Durchführung von physikalisch-chemischen Prozessen zur Intensivierung der Einwirkung auf die Struktur von Körpern, die sich in flüssiger Phase befinden. Sie werden insbesondere zum Dispergieren, Emulgieren und Koagulieren von Emulsionen, Lösungen, Suspensionen oder homogenen Flüssigkeiten verwendet.
Zu diesem Zweck verwendet man verschiedene Typen von Vorrichtungen, die Schall- oder Ultraschallschwingungen in flüssigen Medien erzeugen. Darunter werden auch Vorrichtungen verwendet, in denen zur Erzeugung der Wellen ein drehbarer Läufer und ein feststehender Ständer dienen, welche mit Kanälen oder Rohrleitungen versehen sind. Solche Vorrichtungen werden ständig vervollkommnet, um eine Trennung der Grundfrequenz der Schwingungen von den Geräuschen zu erreichen, welche durch den in solchen Vorrichtungen vorkommenden Kavitationsvorgang erzeugt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad solcher Vorrichtungen erhöht werden. Die Verwendung dieser Vorrichtungen ist jedoch dadurch begrenzt, dass die Frequenz der hier erzeugbaren Schwingungen tief ist.
In der eingangs genannten bekannten Vorrichtung ist die Welle des Läufers mit einem Antrieb verbunden. Die Arbeitskammer und der Ständer sind als ein Ganzteil ausgebildet und mit einem mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung versehenen Deckel derart verschlossen, dass die Arbeitskammer einen geschlossenen Hohlraum bildet, der mit dem Hohlraum des Läufers über die Öffnungen des Ständers, des Läufers und des zwischen diesen vorgesehenen Spaltes verbunden ist. Das flüssige Medium wird in den Hohlraum des Läufers eingeführt und durch die Öffnungen des Läufers, den zwischen dem Läufer und dem Stator bestehenden Spalt und die Öffnungen des Ständers in die Arbeitskammer durchgedrückt, die eine Austrittsöffnung aufweist.
Die im Läufer und im Ständer vorgesehenen Öffnungen sind in Form von Schlitzen derart ausgeführt, dass die Wände zwischen den Öffnungen als Stäbe ausgebildet sind, deren eines Ende mit dem Körper des Läufers oder des Ständers verbunden ist. Der Läufer oder der Ständer weisen eine oder mehrere Wände auf, und diese sind koaxial zueinander derart angeordnet, dass die offene Stirnseite des Ständers der offenen Stirnseite des Läufers oder der Boden des Läufers der offenen Stirnseite des Ständers zugewandt sind.
Die Erzeugung der akustischen Schwingungen in dieser bekannten Vorrichtung erfolgt während der Drehung des eine Flüssigkeit enthaltenden Läufers von dem Moment an, wenn die Mehrzahl der Öffnungen in der Kombination Läufer Ständer periodisch zusammenfällt oder nicht zusammenfällt; dabei wird der Strom der Flüssigkeit in den Öffnungen unterbrochen, während die Flüssigkeit im Hohlraum des Läufers und des Ständers ununterbrochen weiterfliesst. Bei einem solchen Fliessen des flüssigen Mediums entstehen in der Vorrichtung akustische Schwingungen, und es entsteht auch eine hydrodynamische Kavitation mit einem breiten Bereich der akustischen Frequenzen. Dabei werden die genannten Schwingungen an die Arbeitskammer und an den Hohlraum des Läufers wie Wellen mit einem akustischen Druck abgegeben.
Eine derartige Ausführung der genannten Vorrichtung wirkt sich jedoch nur geringfügig bei der Durchführung von physikalisch-chemischen Prozessen wie bei der Homogenisierung, Dispergierung und Emulgierung aus. Dies wird dadurch verursacht, dass die Schwingungen ein kontinuierliches Spektrum von Frequenzen aufweisen, das für die hydrodynamische Kavitation im flüssigen Medium verantwortlich ist. Für die Durchführung eines bestimmten physikalisch-chemischen Prozesses sind mächtige akustische Schwingungen mit einer abtrennbaren Grundfrequenz erforderlich, die der Art des Prozesses optimal angepasst sind. Die genannten Schwingungen sind nicht nur in den Öffnungen des Läufers und des Ständers, sondern in einem grösseren Masse auch im Hohlraum oder in den Hohlräumen des Läufers und in der Arbeitskammer erforderlich, wo die Hauptmasse des zu beschallenden Mediums vorhanden ist.
Der Kavitationsprozess im flüssigen Medium ruft ausserdem an der Grenze zwischen den Phasen Flüssigkeit-fester Körper eine Erosion der Metallteile der Vorrichtung hervor, und dadurch vermindert er die Lebensdauer dieser Vorrichtung.
Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrunde gelegt, eine Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einer Flüssigkeit zu schaffen, deren Ausführung die Herstellung von Schall- oder Ultraschallschwingungen mit vorgegebener Frequenz ermöglicht. Ausserdem soll die Vorrichtung ermöglichen, dass die Amplitude dieser Schwingungen im Vergleich zu den Harmonischen der Frequenzen maximal ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Läufer in Form eines Zylinders mit geschlossenen-Stirnflä- chen ausgeführt ist, dass in einodieser Stirnwände eine Off- nung für das in den Hohlraum des Läufers eintretende flüssige Medium vorgesehen ist, dass dieser Hohlraum ein geschlossener Hohlraum ist, und dass die Breite a der Öffnungen, die jeweils an der Seitenfläche des Läufers bzw. Ständers ausgebildet sind, der Aussenradius R des Läufers und die Winkelgeschwindigkeit co des Läufers gemäss der Beziehung 2R2 a gewählt sind, wobei C die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist.
Im Ständer und im Läufer wird zweckmässigerweise mindestens eine zusätzliche Reihe von Öffnungen ausgeführt, wobei im Läufer die Öffnungen der ersten und der zusätzlichen Reihe übereinander angeordnet sind, und im Ständer die Öffnungen der ersten und der zusätzlichen Reihe zueinander verschoben sind, wodurch eine Erhöhung der Frequenz der akustischen Schwingungen unter der Aufrechterhaltung der vorgegebenen Amplitude dieser Schwingungen erreicht wird.
Die Öffnungen der zusätzlichen Reihe werden zweckmässigerweise gegenüber den Öffnungen der ersten Reihe um eine Grösse L verschoben, die aus dem Verhältnis a + bc a + bc n ermittelt wird, worin a - die Breite der Öffnungen der ersten Reihe von Öffnungen; bc - der Abstand zwischen den Öffnungen der ersten Reihe von Öffnungen; n - die Anzahl der Reihen von Öffnungen bedeuten.
Im Ständer werden zweckmässigerweise die Öffnungen der ersten und der zusätzlichen Reihe in Gruppen verteilt, welche ungleichmässig am Umfang des Ständers verteilt sind, wobei eine erste Gruppe der Öffnungen der zusätzlichen Reihe gegenüber einer ersten Gruppe der ersten Reihe, und eine zweite Gruppe der Öffnungen der ersten Reihe gegenüber der ersten Gruppe der Öffnungen der zusätzlichen Reihe um einen Abstand n verschoben ist, dessen Grösse aus der Gleichung
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ermittelt wird, worin
Zp - die Anzahl der Öffnungen der ersten Reihe im
Läufer;
Zc - die Anzahl der Öffnungen der ersten Reihe im
Ständer;
K= ss.n - die Anzahl der Druckimpulse während der Bewegung des Läufers um einen Winkel 2x
Zp n - die Anzahl der Reihen von Öffnungen im Ständer oder Läufer;
; Zc die Anzahl der Gruppen von Öffnungen in der ersten
Reihe der Öffnungen des Ständer bei
Zc
2
Im Hohlraum des Läufers ist zweckmässigerweise mindestens ein ringförmiger Ansatz vorgesehen, der im Zwischenraum zwischen der ersten und der zusätzlichen Reihe der Öffnungen untergebracht ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht die Erzeugung von akustischen Schwingungen in einer Flüssigkeit, die stabil sind, eine maximale Amplitude bei einer vorgegebenen Frequenz aufweisen, die im Bereich der hörbaren Schwingungen bzw. im Ultraschallbereich liegen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 im Längsschnitt die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in Flüssigkeiten;
Fig. 2 Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1;
Fig. 3 den in Fig. 1 wiedergegebenen Abschnitt des Läufers in abgewickelter Form;
Fig. 4 den Ständerabschnitt gemäss der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in abgewickelter Form;
Fig. 5 den Ständerabschnitt gemäss der dritten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in abgewickelter Form;
Fig. 6 den Ständerabschnitt bei einer einreihigen Anordnung der Öffnungen gemäss der in Fig. 5 wiedergegebenen Ausführungsform in abgewickelter Form;
Fig. 7 im Längsschnitt die vierte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung;
;
Fig. 8 im Längsschnitt die fünfte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8;
Fig. 10 im Längsschnitt die sechste Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 11 eine radiale Verteilung von Zentrifugalkräften, die im Hohlraum der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in fliessenden Flüssigkeiten entstehen.
Die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen
Schwingungen in einem fliessenden, flüssigen Medium enthält ein Gehäuse 1 (Fig. 1), das mit einer Zwischenstütze 2 verbun den ist, welche auf einer Hauptstütze 3 mit einem an dieser angebrachten Antrieb 4 befestigt ist.
Im Gehäuse 1 ist auf Lagerabstützungen 5 ein Läufer 6 frei drehbar angebracht, der in Form eines Hohlzylinders mit einer auf diesen aufgesetzten Scheibe 7 ausgeführt ist, wobei diese
Scheibe 7 die Lagerabstützungen 5 vor dem flüssigen Medium schützt. Die Verschiebung der Welle 8 des Läufers 6 entlang der Achse der Lagerabstützungen 5 ist durch eine Mutter 9 verhindert. Der Unterteil des Gehäuses 1 ist mit einem Deckel
10 verschlossen; durch die in diesem Deckel 10 vorgesehene
Bohrung ist die Welle 8 des Läufers 6 geführt, die mit der
Welle 11 des Antriebes 4 mittels einer Kupplung gekuppelt ist.
Koaxial zum Läufer 6 ist ein Ständer 13 angeordnet, der in
Form eines Hohlzylinders ausgeführt ist. Im Zwischenraum zwischen dem Ständer 13 und dem Läufer 6 ist ein Flansch 14 untergebracht, der mit dem Ständer 13 starr gekuppelt ist, welcher seinerseits mit dem Gehäuse 1 und den Deckeln 15 und 16 starr befestigt ist, die eine Arbeitskammer 17 bilden und mit Öffnungen 18 zur Ableitung des flüssigen Mediums versehen sind, wobei als flüssiges Medium bei der vorliegenden
Ausführungsform der Vorrichtung Wasser verwendet wird.
Die Verbindung zwischen den Deckeln 15 und 16 ist mit einem Dichtungsring 19 versehen, während die Innenfläche 20 des Deckels 16 als Fläche zur Rückstrahlung der akustischen
Wellen dient.
Mit der Stirnfläche des Läufers 6 steht in einem ständigen
Kontakt eine Dichtungsbuchse 21, welche an den Läufer 6 mittels Federn 22 angedrückt ist und welche mit Anschlägen
23 versehen ist, die die Drehung dieser Buchse verhindern; dabei sind die Federn 22 und die Anschläge 23 in einem Ring
24 untergebracht, der feststehend im Gehäuse 1 angeordnet ist. Hermetische Abdic,htung der Buchse 21 mit dem Ring 24 ist durch einen Dichtungsring 25 gesichert, der eine freie verti kale Verschiebung der Buchse 21 ermöglicht.
Im Gehäuse 1 ist ein ringförmiger Hohlraum 26 vorgesehen, der mit der Atmosphäre durch einen Kanal 27 leitungsverbun den ist. Wie es oben dargelegt wurde, ist der Ständer 13 in Form eines Hohlzylinders ausgebildet, an dessen Seitenfläche eine Reihe von Öffnungen 28 vorgesehen ist, die in Form von
Schlitzen ausgebildet sind. Der Läufer 6 ist in Form eines
Hohlzylinders mit geschlossenen Stirnseiten ausgeführt, die einen geschlossenen Hohlraum 29 bilden, wobei in der oberen von diesen Stirnen eine Öffnung vorgesehen ist, die mit einem im Flansch 14 vorgesehenen Kanal 30 übereinstimmt, durch welchen das Wasser dem Hohlraum 29 zugeführt wird.
An der Seitenfläche des Läufers 6 ist eine Reihe von Öff nungen 31 vorgesehen, die ebenfalls in Form von Schlitzen ausgebildet sind. Die Anzahl der Öffnungen 31 des Läufers 6 (Fig. 2) übersteigt um eine ganze Zahl die Anzahl der Öffnun gen 28 des Ständers 13, während die Breite a des Quer schnitts der Öffnungen 28 und 31 gemäss dem Verhältnis: a S (I) c gewählt wurde, worin co - Winkelgeschwindigkeit des Läufers 6;
R- Aussenradius des Läufers 6; c - Geschwindigkeit der Schallfortpflanzung im flüssigen
Medium bedeuten.
Dieses Verhältnis ergibt sich aus der Bedingung für die
Erzeugung eines direkten hydraulischen Schlages im Hohlraum
29 des Läufers 6 und in der Arbeitskammer 17, wo die Zeit t der Überdeckung der Öffnung 28 des Ständers 13 durch die
Abstände zwischen den Öffnungen 31 des Läufers 6 geringer oder der Zeit der doppelten Laufstrecke der Wellenfront des Druckes von der Öffnung 28 bis zur Oberfläche 20 und zurück gleich ist, d. h.
t s 2(R,-R) c worin Ro - den Radius der Oberfläche 20 bedeutet.
Die Aussenfläche des Läufers 6-(Fig. 1) und die Innenfläche des Ständers 13 sind zu deren Drehungsachse geneigt. Das ist dadurch bedingt, dass zwischen den genannten Flächen ein Spalt vorgesehen werden muss, der die erforderlichen Bedingungen für den Betrieb der Vorrichtung gewährleistet. Die Grösse dieses Spaltes wird durch die Verschiebung des Ständers 13 zusammen mit dem Flansch 14 und den Deckeln 15 und 16 entlang der Achse mittels der Änderung der Dicke des im Zwischenraum zwischen dem Ständer 13 und dem Gehäuse 1 des Ringes 32 angeordneten Ringes 32 bestimmt und eingestellt, dessen Dicke der Grösse des genannten Spaltes proportional ist.
Es ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung möglich, die der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist.
Das Unterscheidungsmerkmal dieser Ausführungsform besteht darin, dass im Läufer 6 eine zusätzliche Reihe von Öffnungen 33 (Fig. 3) vorgesehen ist, wobei die Öffnungen 31 der erstgenannten Reihe, nachstehend auch Hauptreihe genannt, und die Öffnungen 33 der zusätzlichen Reihe koaxial zueinander angeordnet sind. Im Ständer 13 ist auch eine zusätzliche Reihe von Öffnungen 34 (Fig. 4) ausgeführt, wobei die Öffnungen 28 und 34 derart angeordnet sind, dass deren Anordnung eine Vergrösserung der Grundfrequenz von akustischen Schwingungen unter der Aufrechterhaltung der Amplitude dieser Schwingungen gewährleistet.
Das wird dadurch erreicht, dass die Öffnungen 34 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen im Ständer 13 gegenüber den Öffnungen 28 der Haupreihe um eine Grösse L versetzt sind, die aus dem Verhältnis a+bc (II) n bestimmt wird, worin: a - Breite des Querschnitts der Öffnungen 28 der Hauptreihe; bc - Abstand zwischen den Öffnungen 28 derHauptreihe an der Kreislinie; n - Anzahl der Reihen von Öffnungen, die bei der vorlie genden Ausführungsform gleich 2 ist, bedeuten.
Es ist eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung möglich, die der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist. Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Öffnungen der Hauptreihe von Öffnungen 28 und die Öffnungen der zusätzlichen Reihe von Öffnungen 34 des Ständers 13 (Fig. 1) in Gruppen angeordnet sind, welche nicht gleichmässig über die Seitenfläche des Ständers verteilt sind. Innerhalb einer jeden Gruppe sind die Öffnungen jedoch gleichmässig untergebracht, wobei zwischen den benachbarten Öffnungen einer Gruppe ein Abstandswinkel von
2s < 1 q besteht, worin q - die Anzahl von Öffnungen in einer Gruppe bedeutet.
Die Gruppe a35 (Fig. 5) der Öffnungen 35 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen 34 ist gegenüber der Gruppe a36 der Öffnungen 36 der Hauptreihe von Öffnungen 28, und die Gruppe a37 der Öffnungen 37 der Hauptreihe von Öffnungen 28 gegenüber der Gruppe a35 der Öffnungen 35 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen 34 um einen Winkel rl versetzt, der aus dem Verhältnis
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bestimmt wird, worin Zp - Anzahl der Öffnungen der Hauptreihe von Öffnun gen 31 des Läufers 6; Zc - Anzahl der Öffnungen der Hauptreihe von Öffnun gen 28 des Ständers 13; K= .n - Anzahl der Druckimpulse bei der Umstellung des
Läufers 6 um den Winkel 2s ?=¯
Zp n - Anzahl der Reihen von Öffnungen im Ständer 13 oder im Läufer 6;
; Zc --- Anzahl der Gruppen a der Öffnungen in der Haupt q reihe von Öffnungen 28 des Ständers 13 bei
Zc 2 (bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt sie 3) bedeuten.
Um einen Winkel n ist auch die Gruppe < 13s der Öffnungen 38 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen 34 gegenüber der Gruppe a37 der Öffnungen 37 der Hauptreihe von Öffnungen 28 und die Gruppe a39 der Öffnungen 39 der Hauptreihe von Öffnungen 28 gegenüber der Gruppe a3s versetzt. Ähnlich ist die dritte Gruppe a40 der Öffnungen 40 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen 34 gegenüber der Gruppe a39, und die Gruppe a36 gegenüber der Gruppe a40 versetzt.
Aus dem oben angeführten Verhältnis III ergibt es sich, dass bei n=I eine einreihige Ausführung der Öffnungen bei deren Anordnung in Gruppen möglich ist. Dabei beträgt die Anzahl der Gruppen bei der vorliegenden Ausführungsform 3: a (Fig. 6), a42 und a43.
Die Anordnung der Öffnungen im Ständer 13 (Fig. 1) und im Läufer 6 gemäss allen obenbeschriebenen Ausführungsformen gewährleistet die Möglichkeit für die Herstellung der Grundfrequenz f der Druckimpulse in der Arbeitskammer 17 und in dem Hohlraum 29 des Läufers 6, die aus dem Verhältnis: f m Zp K
60 ermittelt wird, worin m - Umdrehungszahl je Minute des Läufers 6 bedeutet
Es ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem fliessenden flüssigen Medium möglich, die den oben beschriebenen Ausführungsformen gleich ist.
Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Stabilität der Druckimpulse durch das Vorhandensein eines ringförmigen Ansatzes 44 (Fig. 7) im Hohlraum 29 des Läufers 6 gewährleistet wird, wobei dieser Ansatz im Zwischenraum zwischen der Hauptreihe von Öffnungen 31 und der zusätzlichen Reihe von Öffnungen 33 des Läufers angeordnet ist. Die Innenfläche 45 des Läufers 6 und die Fläche 46 des ringförmigen Ansatzes 44 sowie auch die diesen Flächen entsprechenden Flächen 47 und 48 bilden dabei Hohlräume 49 bzw. 50.
Zur Herstellung einer maximalen Amplitude von Druckimpulsen weisen die oben genannten Flächen 45, 46, 47 und 48 eine Neigung in der Richtung zum periphären Teil des Läufers 6 (Fig. 8) auf, indem sie Hohlräume 51 und 52 von einer kegelförmigen Form bilden. Die Form dieser Hohlräume kann jedoch komplizierter sein, was durch die Beständigkeit der Geschwindigkeit des Ausfliessens vom flüssigen Medium im Läufer 6 bestimmt wird.
Es ist auch eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung möglich, die den oben beschriebenen Ausführungsformen ähnlich ist. Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, dass in den Hohlräumen 51 und 52 des Läufers Schaufeln 53 (Fig. 9) einer Zentrifugalpumpe angeordnet sind, wodurch es möglich wird, ein Selbsteinsaugen des flüssigen Mediums zu verwirklichen und den Druck des flüssigen Mediums in diesen Hohlräumen zu erzeugen. Eine solche Anordnung der Schaufeln 53 ist auch bei einer einreihigen Ausführung der Öffnungen im Läufer 6 (Fig. 1) und im Ständer 13 zweckmässig.
Es ist auch eine sechste Ausführungsform der Vorrichtung möglich, die den oben beschriebenen Ausführungsformen auch ähnlich ist.
Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Arbeitskammer 54 (Fig. 10) durch einen Deckel 16 und einen Zylinder 55 gebildet ist. Eine solche Ausführung gestattet es, das flüssige Medium in der Kammer 54 einer mehrfachen Einwirkung der akustischen Schwingungen auszusetzen.
Der Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen im fliessenden flüssigen Medium wird wie folgt verwirklicht
Das flüssige Medium wird durch den Kanal 30 (Fig. 1) der Vorrichtung zugeführt, und es füllt unter der Einwirkung der Druckkräfte den Hohlraum 29 des Läufers 6. Dann werden durch die Öffnungen 31 des Läufers 6 der Spalt zwischen dem Läufer 6 und dem Ständer 13 und durch die Öffnungen 28 des Ständers 13 die Arbeitskammer 17 mit dem flüssigen Medium gefüllt, aus welcher es auch unter einem Druck durch die Öffnungen 18, welche in den Deckeln 15 und 16 vorgesehen sind, ausfliesst.
Durch das Vorhandensein des Druckes im Spalt zwischen dem Läufer 6 und dem Ständer 13 wird eine Vorverdichtung der Dichtungsbuchse 21 an die Stirnfläche des Läufers 6 gesichert, was ein dichtes Anliegen der Dichtungsbuchse an die genannte Stirnfläche sowie eine hermetische Abdichtung des Hohlraumes 29 und der Arbeitskammer 17 gewährleistet.
Dem Läufer 6 wird mittels des Antriebes 4 eine Drehungsbewegung mit der vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit lss mitgeteilt. Im Hohlraum 29 des Läufers 6 wird dabei der Druck einer Zentrifugalkraft hergestellt, die dem Quadrat des Produktes der Winkelgeschwindigkeit w mit der Grösse vom Radius R des Läufers 6 proportional ist.
Im Falle des Ausfliessens einer geringen Menge vom flüssigen Medium durch die Stirndichtung der Buchse 21 und des Läufers 6 wird das Medium mittels der Scheibe 7 in den ringförmigen Hohlraum 26 geleitet, aus welchem es durch den Kanal 27 aus der Vorrichtung abgeleitet wird.
Da der Hohlraum 29 des Läufers 6 geschlossen ausgebildet ist, nimmt der radiale Druck in diesem Hohlraum in der Richtung zum periphären Teil des Läufers 6 zu.
Zu einem besseren Verständnis des Betriebes der Vorrichtung ist in Fig. 11 die Figur radialer Verteilung der Zentrifugalkräfte dargestellt, in der an der Ordinatenachse der Zuwachs des radialen Druckes AP, und an der Abzissenachse die Grösse vom Radius R des Läufers 6 angegeben sind.
Während der Drehung des Läufers 6 werden die Öffnungen 28 des Ständers 13 periodisch durch die Abstände zwischen den Öffnungen 31 des Läufers 6 überdeckt und bei der Übereinstimmung mit den Öffnungen 31 aufgemacht. Auf diese Weise ändert sich der Verbrauch der Flüssigkeit beim Ausfliessen dieser aus dem Hohlraum 29 in die Arbeitskammer 17 periodisch in der Zeit, was eine unabdingbare Bedingung für das Enstehen des Wellenprozesses sowohl im Hohlraum 29 des Läufers 6 wie auch in der Arbeitskammer 17 bildet.
Die Drehungsgeschwindigkeit des Läufers 6 ist derart bemessen, dass die Zeit der Bewegung einer Öffnung 31 des Läufers 6 zwischen zwei benachbarten Öffnungen 28 des Ständers 13 für die Wiederherstellung des maximalen Radialdruckes AP ausreicht.
Wie es in dem Verhältnis I schon wiedergegeben wurde, wurde die Breite des Querschnitts der Öffnungen 28 und 31 im Querschnitt so gewählt, dass sie den Bedingungen des direkten hydraulischen Schlages im Hohlraum 29 des Läufers 6 und in der Arbeitskammer 17 entspricht. Ausgehend davon wird die Erzeugung der akustischen Schwingungen im flüssigen Medium wie folgt verwirklicht.
Beim Zusammenfallen der Öffnungen 28 des Ständers 13 mit den Öffnungen 31 des Läufers 6 wird in dem Hohlraum 29 des Läufers 6 die Wellenfront eines verminderten Druckes, und in der Arbeitskammer 17 die Wellenfront eines erhöhten Druckes erzeugt.
Beim Nichtzusammenfallen der Öffnungen 28 des Ständers
13 mit den Öffnungen 31 des Läufers 6 geht die kinetische Energie des fliessenden flüssigen Mediums in die potentielle Energie des Zusammendrückens des Mediums in dem Hohlraum 29 des Läufers 6 und der Verdünnung des Mediums in der Arbeitskammer 17 über. Dabei verbreitern sich die Wellen des Druckes, die akustischen Wellen.
Dieser Prozess wiederholt sich mit einer Frequenz von f o) Zp
26
Da die Oberfläche 20 des Deckels 16, der von der zylindrischen Oberfläche des Läufers 6 in einer Entfernung angeordnet ist, die einer ganzen Zahl der Halbwellen entspricht, die akustischen Wellen in erforderlicher Phase reflektiert, welche mit der Phase von neu entstehenden Wellen zusammenfällt, werden in der Arbeitskammer 17 die Bedingungen der Schwingungsresonanz erfüllt, und die Amplitude der Wellen des akustischen Druckes erreicht ihren maximalen Wert. Die Schwingungsresonanz fördert die Verbreitung der Druckimpulse gleichzeitig durch alle Öffnungen 28 des Läufers 13.
Das Prinzip der Erzeugung von akustischen Schwingungen gemäss den übrigen Ausführungsformen der Vorrichtung ist dem oben beschriebenen Prinzip ähnlich.
Der Unterschied der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung besteht darin, dass sich die Zahl der Druckimpulse während einer Drehung des Läufers 6 proportional der Anzahl der Öffnungen des Läufers 6 und des Ständers 13 vergrössert.
Dabei wird die Verbreitung der Impulse des Druckes aufeinanderfolgend durch im Ständer 13 vorgesehene Öffnungen 28 (Fig. 4) der Hauptreihe von Öffnungen, und dann durch alle Öffnungen 34 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen verwirklicht.
Der Unterschied der dritten Ausführungsform der Vorrichtung besteht darin, dass die Zahl der Druckimpulse während einer Drehung des Läufers 6 proportional dem Produkt der Zahl der Reihen mit der Zahl der Gruppen von Öffnungen zunimmt, die auf der Seitenfläche des Ständers 13 nicht gleichmässig angeordnet sind. Dabei wird die Verbreitung der Druckimpulse auch aufeinanderfolgend durch alle Öffnungen 36 (Fig. 5) der Gruppe a36 und dann durch alle Öffnungen 35 der Gruppe a3s und ferner durch die Öffnungen 37 der Gruppe a37, die Öffnungen 38 der Gruppe ciii, die Öffnungen 39 der Gruppe a39 und die Öffnungen 40 der Gruppe a40 verwirklicht.
Bei einer einreihigen Ausführung der Vorrichtung wird die Verbreitung der Druckimpulse aufeinanderfolgend durch alle Öffnungen 41 (Fig. 6) der Gruppe a4i, dann durch die Öffnungen 42 der Gruppe a42 und die Öffnungen 43 der Gruppe a43 verwirklicht.
Wie obenbeschrieben, wird die Stabilität der Druckimpulse nach der Amplitude der akustischen Schwingungen bei der zweiten und der dritten Ausführungsform der Vorrichtung durch das Vorhandensein eines Ansatzes 44 (Fig. 7) im Hohlraum 29 des Läufers 6 gewährleistet, welcher Ansatz den Hohlraum 29 in zwei Hohlräume 49 und 50 einteilt. In einer jeden Öffnung 31 und 33 der Haupt- und der zusätzlichen Reihe der Öffnungen des Läufers 6, die durch den Ansatz 44 eingeteilt sind, wird während der Zeit der Verschiebung zwischen den zwei benachbarten Öffnungen 28 (Fig 4, 5) und 34 der Haupt- und der zusätzlichen Reihen der Öffnungen des Ständers 13 (Fig. 7) der maximale Radialdruck AP der Zentri fugalkräfte wiederhergestellt, und zwar unabhängig von der Änderung des Radialdruckes in den Öffnungen der anderen Reihe von Öffnungen, welche durch den Ansatz 44 getrennt ist.
Der in Fig. 11 wiedergegebene Zuwachs des Radialdruckes
AP vergrössert sich von Null bis zum maximalen Wert. Dem Nullwert AP entspricht der Punkt N (fig. 8), und dem Maximalwert die zylindrische Aussenfläche des Läufers 6.
In der Vorrichtung gemäss der vierten Ausführungsform. in der die Fläche 45, 46 und 47, 48 eine Neigung in der Richtung zum peripheren Teil des Läufers 6 aufweisen, ist die Geschwindigkeit des Ausfliessens des flüssigen Mediums am Abschnitt N-R (Fig. 11) des Zuwachses des Radialdruckes von Zentrifugalkräften konstant. Die Anordnung von Schaufeln 53 einer Zentrifugalpumpe in den Hohlräumen 51 (Fig. 8), 52 des Läufers 6 gewährleistet das Vorhandensein statischen Druckes vom flüssigen Medium in den genannten Hohlräumen, wobei unter der Einwirkung dieses Druckes das flüssige Medium in die Arbeitskammer 17 übergeht; die Ausbildung der Arbeitskammer 54 (Fig. 10) in Form eines Hohlzylinders ermöglicht die Verwirklichung eines kontinuierlichen Zyklus der wiederholten Einwirkung der akustischen Wellen auf das flüssige Medium.
Bei allen Ausführungsformen der Vorrithtung sind in der Arbeitskammer 17 (Fig. 1) und 54 (Fig. 10) in dem gesamten Volumen des flüssigen Mediums stehende Wellen der akustischen Schwingungen anwesend.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem fliessenden flüssigen Medium weist wesentliche technische Unterschiede von den bekannten und für ähnliche Zwecke zu verwendenden Vorrichtungen auf, welche darin bestehen, dass in der erfindungsgemässen Vorrichtung der Effekt des direkten hydraulischen Schlages in einem fliessenden flüssigen Medium in Verbindung mit dem Zuwachs des Druckes von Zentrifugalkräften und der Geschwindigkeit der mechanischen Einwirkung auf das fliessende Medium benutzt ist. Der Aufbau der Vorrichtung gestattet es, im flüssigen Medium mächtige akustische Schwingungen mit vorgegebener Arbeitsfrequenz zu erzeugen, die aus einem breiten Frequenzbereich gewählt wurde, was einen wichtigen Faktor der Intensivierung von verschiedenen physikalisch-chemischen Prozessen ist.
The present invention relates to a device for generating acoustic vibrations in liquids, with a stand housed in a working chamber, which is designed in the form of a hollow cylinder and on the circumferential surface of which a number of openings are provided, as well as with a also housed in the working chamber and with A runner connected to a drive, which is arranged coaxially to the stator and on the circumferential surface of which a series of openings is provided, the number of which is an integer greater than the number of openings provided in the stator, with a periodic covering of these openings by the openings of the Stator the liquid medium entering the cavity of the rotor enters the working chamber.
Such devices are used when physico-chemical processes are carried out to intensify the effect on the structure of bodies that are in the liquid phase. They are used in particular for dispersing, emulsifying and coagulating emulsions, solutions, suspensions or homogeneous liquids.
Various types of devices that generate sonic or ultrasonic vibrations in liquid media are used for this purpose. Among them, devices are also used in which a rotatable rotor and a fixed stand, which are provided with channels or pipelines, are used to generate the waves. Such devices are constantly being improved in order to achieve a separation of the fundamental frequency of the vibrations from the noises which are generated by the cavitation process occurring in such devices. This can increase the efficiency of such devices. The use of these devices is limited by the fact that the frequency of the vibrations that can be generated here is low.
In the known device mentioned at the beginning, the shaft of the rotor is connected to a drive. The working chamber and the stator are designed as a whole part and closed with a cover provided with an inlet opening and an outlet opening in such a way that the working chamber forms a closed cavity that connects to the cavity of the rotor via the openings of the stator, the rotor and the between them provided gap is connected. The liquid medium is introduced into the cavity of the rotor and pushed through the openings of the rotor, the gap existing between the rotor and the stator and the openings of the stator into the working chamber, which has an outlet opening.
The openings provided in the rotor and in the stator are designed in the form of slots in such a way that the walls between the openings are designed as rods, one end of which is connected to the body of the rotor or the stator. The rotor or the stator have one or more walls, and these are arranged coaxially to one another in such a way that the open end face of the stator faces the open end face of the rotor or the base of the rotor faces the open end face of the stator.
The generation of the acoustic vibrations in this known device occurs during the rotation of the rotor containing a liquid from the moment when the plurality of openings in the combination of rotor and stator periodically collapse or do not collapse; the flow of liquid in the openings is interrupted while the liquid continues to flow in the cavity of the rotor and the stator. When the liquid medium flows in this way, acoustic oscillations arise in the device, and hydrodynamic cavitation with a wide range of acoustic frequencies also arises. The mentioned vibrations are transmitted to the working chamber and to the cavity of the rotor like waves with an acoustic pressure.
However, such a design of the device mentioned has only a slight effect when physico-chemical processes are carried out, such as homogenization, dispersion and emulsification. This is caused by the fact that the vibrations have a continuous spectrum of frequencies, which is responsible for the hydrodynamic cavitation in the liquid medium. To carry out a certain physico-chemical process, powerful acoustic oscillations with a separable fundamental frequency are required, which are optimally adapted to the type of process. The vibrations mentioned are not only required in the openings of the rotor and the stator, but to a greater extent also in the cavity or cavities of the rotor and in the working chamber, where the main mass of the medium to be sonicated is present.
The cavitation process in the liquid medium also causes erosion of the metal parts of the device at the boundary between the phases of liquid-solid bodies, and thereby reduces the service life of this device.
The invention was based on the object of creating a device for generating acoustic vibrations in a liquid, the design of which enables the production of sound or ultrasonic vibrations with a predetermined frequency. In addition, the device should enable the amplitude of these oscillations to be at a maximum compared to the harmonics of the frequencies.
This object is achieved according to the invention in that the rotor is designed in the form of a cylinder with closed end faces, that an opening is provided in one of these end walls for the liquid medium entering the cavity of the rotor, that this cavity is a closed cavity and that the width a of the openings, which are each formed on the side surface of the rotor or stator, the outer radius R of the rotor and the angular speed co of the rotor are selected according to the relationship 2R2 a, where C is the speed of sound in water.
At least one additional row of openings is expediently made in the stator and in the runner, the openings of the first and the additional row being arranged one above the other in the runner, and the openings of the first and the additional row being shifted from one another in the stator, thereby increasing the frequency the acoustic vibrations is achieved while maintaining the predetermined amplitude of these vibrations.
The openings of the additional row are expediently displaced with respect to the openings of the first row by an amount L, which is determined from the ratio a + bc a + bc n, where a - the width of the openings of the first row of openings; bc - the distance between the openings of the first row of openings; n - mean the number of rows of openings.
In the stand, the openings of the first and the additional row are expediently distributed in groups, which are distributed unevenly on the circumference of the stand, with a first group of the openings of the additional row opposite a first group of the first row, and a second group of the openings of the first Row is shifted from the first group of the openings of the additional row by a distance n, the size of which from the equation
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it is determined in which
Zp - the number of openings of the first row in the
Runner;
Zc - the number of openings of the first row in the
Stand;
K = ss.n - the number of pressure pulses during the movement of the rotor by an angle 2x
Zp n - the number of rows of openings in the stator or rotor;
; Zc is the number of groups of openings in the first
Row of openings of the stand
Zc
2
In the cavity of the rotor, at least one annular extension is expediently provided, which is accommodated in the space between the first and the additional row of openings.
The device according to the invention enables acoustic vibrations to be generated in a liquid which are stable, have a maximum amplitude at a predetermined frequency, which are in the range of audible vibrations or in the ultrasonic range.
In the following, exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:
1 shows the present device for generating acoustic vibrations in liquids in longitudinal section;
FIG. 2 a section along the line II-II of FIG. 1;
FIG. 3 shows the section of the rotor shown in FIG. 1 in developed form; FIG.
4 shows the stand section according to the second embodiment of the device according to the invention in developed form;
5 shows the stand section according to the third embodiment of the device according to the invention in developed form;
6 shows the stand section in a single-row arrangement of the openings according to the embodiment shown in FIG. 5 in developed form;
7 shows the fourth embodiment of the device according to the invention in longitudinal section;
;
8 shows in longitudinal section the fifth embodiment of the device according to the invention;
FIG. 9 a section along the line IX-IX of FIG. 8;
10 shows the sixth embodiment of the device according to the invention in longitudinal section;
11 shows a radial distribution of centrifugal forces which arise in the cavity of the present device for generating acoustic vibrations in flowing liquids.
The present device for generating acoustic
Vibrations in a flowing, liquid medium contains a housing 1 (Fig. 1), which is verbun with an intermediate support 2, which is attached to a main support 3 with a drive 4 attached to this.
In the housing 1, a rotor 6 is freely rotatably mounted on bearing supports 5, which is designed in the form of a hollow cylinder with a disc 7 placed thereon, this being
Washer 7 protects the bearing supports 5 from the liquid medium. The displacement of the shaft 8 of the rotor 6 along the axis of the bearing supports 5 is prevented by a nut 9. The lower part of the housing 1 is provided with a cover
10 closed; by the provided in this cover 10
Bore is guided by the shaft 8 of the rotor 6, which with the
Shaft 11 of the drive 4 is coupled by means of a coupling.
A stator 13 is arranged coaxially to the rotor 6, which in
Is executed in the form of a hollow cylinder. In the space between the stator 13 and the rotor 6, a flange 14 is housed, which is rigidly coupled to the stator 13, which in turn is rigidly attached to the housing 1 and the covers 15 and 16, which form a working chamber 17 and with openings 18 are provided for discharging the liquid medium, the liquid medium used in the present case
Embodiment of the device water is used.
The connection between the covers 15 and 16 is provided with a sealing ring 19, while the inner surface 20 of the cover 16 as a surface for reflecting the acoustic
Serves waves.
With the face of the rotor 6 is in a constant
Contact a sealing bush 21, which is pressed against the rotor 6 by means of springs 22 and which with stops
23 which prevent the rotation of this bushing; the springs 22 and the stops 23 are in a ring
24, which is arranged in a stationary manner in the housing 1. Hermetic sealing of the bushing 21 with the ring 24 is secured by a sealing ring 25 which enables the bushing 21 to be freely vertically displaced.
In the housing 1, an annular cavity 26 is provided, which is leitungsverbun with the atmosphere through a channel 27 to the. As stated above, the stand 13 is designed in the form of a hollow cylinder, on the side surface of which a series of openings 28 is provided, which are in the form of
Slots are formed. The runner 6 is in the form of a
Hollow cylinder executed with closed end faces, which form a closed cavity 29, wherein in the upper of these foreheads an opening is provided which corresponds to a channel 30 provided in the flange 14 through which the water is supplied to the cavity 29.
On the side surface of the rotor 6 a number of openings 31 Publ is provided, which are also in the form of slots. The number of openings 31 of the rotor 6 (Fig. 2) exceeds the number of openings 28 of the stand 13 by an integer, while the width a of the cross-section of the openings 28 and 31 according to the ratio: a S (I) c was chosen where co - the angular velocity of the rotor 6;
R- outer radius of the rotor 6; c - speed of sound propagation in the liquid
Medium mean.
This ratio results from the condition for
Generation of a direct hydraulic shock in the cavity
29 of the rotor 6 and in the working chamber 17, where the time t of the coverage of the opening 28 of the stator 13 by the
The distances between the openings 31 of the runner 6 are less than or equal to the time of twice the travel distance of the wave front of the pressure from the opening 28 to the surface 20 and back, i.e. H.
t s 2 (R, -R) c where Ro - means the radius of the surface 20.
The outer surface of the rotor 6- (Fig. 1) and the inner surface of the stator 13 are inclined to their axis of rotation. This is due to the fact that a gap must be provided between the surfaces mentioned, which ensures the necessary conditions for the operation of the device. The size of this gap is determined and adjusted by moving the stand 13 together with the flange 14 and the covers 15 and 16 along the axis by changing the thickness of the ring 32 arranged in the space between the stand 13 and the housing 1 of the ring 32 whose thickness is proportional to the size of the gap.
A second embodiment of the device according to the invention is possible, which is similar to the embodiment described above.
The distinguishing feature of this embodiment is that an additional row of openings 33 (FIG. 3) is provided in the rotor 6, the openings 31 of the first-mentioned row, hereinafter also referred to as the main row, and the openings 33 of the additional row being arranged coaxially to one another. In the stand 13 there is also an additional row of openings 34 (FIG. 4), the openings 28 and 34 being arranged in such a way that their arrangement ensures an increase in the fundamental frequency of acoustic oscillations while maintaining the amplitude of these oscillations.
This is achieved in that the openings 34 of the additional row of openings in the stand 13 are offset from the openings 28 of the main row by an amount L which is determined from the ratio a + bc (II) n, where: a - width of the Cross section of the openings 28 of the main row; bc - distance between openings 28 of the main row on the circular line; n - number of rows of openings, which is 2 in the present embodiment, mean.
A third embodiment of the device is possible which is similar to the embodiment described above. The difference of this embodiment is that the openings of the main row of openings 28 and the openings of the additional row of openings 34 of the stand 13 (FIG. 1) are arranged in groups which are not evenly distributed over the side surface of the stand. Within each group, however, the openings are housed evenly, with a distance angle of between the adjacent openings of a group
2s <1 q, where q - means the number of openings in a group.
The group a35 (FIG. 5) of the openings 35 of the additional row of openings 34 is opposite the group a36 of the openings 36 of the main row of openings 28, and the group a37 of the openings 37 of the main row of openings 28 is opposite the group a35 of the openings 35 of the additional row of openings 34 offset by an angle rl which is the ratio
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it is determined where Zp - number of openings of the main series of openings 31 of the rotor 6; Zc - number of openings of the main series of openings 28 of the stand 13; K = .n - number of pressure pulses when changing the
6 by the angle 2s? = ¯
Zp n - number of rows of openings in the stator 13 or in the rotor 6;
; Zc --- Number of groups a of openings in the main q series of openings 28 of the stand 13 at
Zc is 2 (it is 3 in the present embodiment).
The group <13s of the openings 38 of the additional row of openings 34 is also offset by an angle n relative to the group a37 of the openings 37 of the main row of openings 28 and the group a39 of the openings 39 of the main row of openings 28 relative to the group a3s. Similarly, the third group a40 of openings 40 of the additional row of openings 34 is offset from group a39, and group a36 is offset from group a40.
From the above-mentioned ratio III it follows that with n = I a single-row design of the openings is possible with their arrangement in groups. The number of groups in the present embodiment is 3: a (FIG. 6), a42, and a43.
The arrangement of the openings in the stator 13 (Fig. 1) and in the rotor 6 according to all of the above-described embodiments ensures the possibility of producing the fundamental frequency f of the pressure pulses in the working chamber 17 and in the cavity 29 of the rotor 6, which is derived from the ratio: fm Zp K
60 is determined, where m - number of revolutions per minute of the rotor 6 means
A fourth embodiment of the device according to the invention for generating acoustic vibrations in a flowing liquid medium is possible, which is the same as the embodiments described above.
The difference of this embodiment is that the stability of the pressure pulses is ensured by the presence of an annular projection 44 (Fig. 7) in the cavity 29 of the rotor 6, this projection in the space between the main row of openings 31 and the additional row of openings 33 of the rotor is arranged. The inner surface 45 of the rotor 6 and the surface 46 of the annular projection 44, as well as the surfaces 47 and 48 corresponding to these surfaces, form cavities 49 and 50, respectively.
To produce a maximum amplitude of pressure pulses, the above-mentioned surfaces 45, 46, 47 and 48 are inclined in the direction towards the peripheral part of the rotor 6 (Fig. 8) by forming cavities 51 and 52 of a conical shape. The shape of these cavities can, however, be more complicated, which is determined by the stability of the speed of outflow of the liquid medium in the rotor 6.
A fifth embodiment of the device, which is similar to the embodiments described above, is also possible. The difference of this embodiment is that blades 53 (FIG. 9) of a centrifugal pump are arranged in the cavities 51 and 52 of the rotor, which makes it possible to self-suck in the liquid medium and to increase the pressure of the liquid medium in these cavities produce. Such an arrangement of the blades 53 is also expedient in the case of a single-row design of the openings in the rotor 6 (FIG. 1) and in the stator 13.
A sixth embodiment of the device is also possible, which is also similar to the embodiments described above.
The difference in this embodiment is that the working chamber 54 (FIG. 10) is formed by a cover 16 and a cylinder 55. Such an embodiment makes it possible to subject the liquid medium in the chamber 54 to multiple effects of the acoustic vibrations.
The operation of the device according to the invention for generating acoustic vibrations in a flowing liquid medium is implemented as follows
The liquid medium is supplied to the device through the channel 30 (FIG. 1) and, under the action of the compressive forces, it fills the cavity 29 of the rotor 6. Then, through the openings 31 of the rotor 6, the gap between the rotor 6 and the stator is created 13 and through the openings 28 of the stand 13, the working chamber 17 is filled with the liquid medium, from which it flows out under pressure through the openings 18 which are provided in the covers 15 and 16.
The presence of the pressure in the gap between the rotor 6 and the stator 13 ensures that the sealing sleeve 21 is pre-compressed against the end face of the rotor 6, which ensures that the sealing sleeve rests tightly against the aforementioned end face and that the cavity 29 and the working chamber 17 are hermetically sealed guaranteed.
By means of the drive 4, the rotor 6 is informed of a rotational movement at the specified angular speed lss. In the cavity 29 of the rotor 6, the pressure of a centrifugal force is produced which is proportional to the square of the product of the angular velocity w with the size of the radius R of the rotor 6.
In the event that a small amount of the liquid medium flows out through the face seal of the bushing 21 and the rotor 6, the medium is guided by means of the disk 7 into the annular cavity 26, from which it is discharged through the channel 27 from the device.
Since the cavity 29 of the rotor 6 is designed to be closed, the radial pressure in this cavity increases in the direction towards the peripheral part of the rotor 6.
For a better understanding of the operation of the device, FIG. 11 shows the figure of radial distribution of the centrifugal forces in which the increase in radial pressure AP is indicated on the ordinate axis and the size of the radius R of the rotor 6 is indicated on the abscissa axis.
During the rotation of the rotor 6, the openings 28 of the stator 13 are periodically covered by the spaces between the openings 31 of the rotor 6 and opened when they match the openings 31. In this way, the consumption of the liquid as it flows out of the cavity 29 into the working chamber 17 changes periodically over time, which is an indispensable condition for the creation of the wave process both in the cavity 29 of the rotor 6 and in the working chamber 17.
The speed of rotation of the rotor 6 is such that the time of the movement of an opening 31 of the rotor 6 between two adjacent openings 28 of the stator 13 is sufficient to restore the maximum radial pressure AP.
As has already been shown in the ratio I, the width of the cross-section of the openings 28 and 31 in cross-section was chosen so that it corresponds to the conditions of the direct hydraulic shock in the cavity 29 of the rotor 6 and in the working chamber 17. Based on this, the generation of the acoustic vibrations in the liquid medium is implemented as follows.
When the openings 28 of the stator 13 coincide with the openings 31 of the rotor 6, the wave front of a reduced pressure is generated in the cavity 29 of the rotor 6, and the wave front of an increased pressure is generated in the working chamber 17.
When the openings 28 of the stand do not collapse
13 with the openings 31 of the rotor 6, the kinetic energy of the flowing liquid medium changes into the potential energy of the compression of the medium in the cavity 29 of the rotor 6 and the dilution of the medium in the working chamber 17. The waves of pressure, the acoustic waves, widen.
This process is repeated with a frequency of f o) Zp
26th
Since the surface 20 of the cover 16, which is arranged from the cylindrical surface of the rotor 6 at a distance corresponding to an integer number of half-waves, reflects the acoustic waves in the required phase, which coincides with the phase of newly emerging waves, in of the working chamber 17 meets the conditions of vibration resonance, and the amplitude of the waves of acoustic pressure reaches its maximum value. The vibration resonance promotes the propagation of the pressure pulses simultaneously through all openings 28 of the rotor 13.
The principle of generating acoustic vibrations according to the other embodiments of the device is similar to the principle described above.
The difference between the second embodiment of the device is that the number of pressure pulses during one rotation of the rotor 6 increases proportionally to the number of openings in the rotor 6 and the stator 13.
The propagation of the impulses of pressure is effected successively through openings 28 (FIG. 4) of the main row of openings provided in the stand 13, and then through all openings 34 of the additional row of openings.
The difference of the third embodiment of the device is that the number of pressure pulses during one rotation of the rotor 6 increases proportionally to the product of the number of rows with the number of groups of openings which are not evenly arranged on the side surface of the stator 13. The spread of the pressure pulses is also successively through all openings 36 (Fig. 5) of group a36 and then through all openings 35 of group a3s and further through openings 37 of group a37, openings 38 of group ciii, openings 39 of Group a39 and the openings 40 of the group a40 realized.
In a single-row embodiment of the device, the distribution of the pressure pulses is carried out successively through all the openings 41 (FIG. 6) of the group a4i, then through the openings 42 of the group a42 and the openings 43 of the group a43.
As described above, the stability of the pressure pulses according to the amplitude of the acoustic oscillations in the second and third embodiment of the device is ensured by the presence of a projection 44 (Fig. 7) in the cavity 29 of the rotor 6, which extension divides the cavity 29 into two cavities 49 and 50 divides. In each opening 31 and 33 of the main and the additional row of openings of the runner 6, which are divided by the extension 44, during the time of displacement between the two adjacent openings 28 (FIGS. 4, 5) and 34, the main one - And the additional rows of openings of the stand 13 (Fig. 7), the maximum radial pressure AP of the centrifugal forces restored, regardless of the change in radial pressure in the openings of the other row of openings, which is separated by the extension 44.
The increase in radial pressure shown in FIG
AP increases from zero to the maximum value. Point N (FIG. 8) corresponds to the zero value AP, and the cylindrical outer surface of the rotor 6 corresponds to the maximum value.
In the device according to the fourth embodiment. in which the surfaces 45, 46 and 47, 48 have an inclination in the direction of the peripheral part of the rotor 6, the speed of outflow of the liquid medium at the section N-R (Fig. 11) of the increase in the radial pressure of centrifugal forces is constant. The arrangement of blades 53 of a centrifugal pump in the cavities 51 (Fig. 8), 52 of the rotor 6 ensures the presence of static pressure from the liquid medium in said cavities, the liquid medium passing into the working chamber 17 under the action of this pressure; the design of the working chamber 54 (FIG. 10) in the form of a hollow cylinder enables the implementation of a continuous cycle of the repeated action of the acoustic waves on the liquid medium.
In all embodiments of the device, standing waves of acoustic vibrations are present in the working chamber 17 (FIG. 1) and 54 (FIG. 10) in the entire volume of the liquid medium.
The inventive device for generating acoustic vibrations in a flowing liquid medium has significant technical differences from the known devices to be used for similar purposes, which consist in the fact that in the inventive device the effect of the direct hydraulic shock in a flowing liquid medium in Connection with the increase of the pressure of centrifugal forces and the speed of the mechanical action on the flowing medium is used. The structure of the device makes it possible to generate powerful acoustic vibrations in the liquid medium with a given working frequency selected from a wide frequency range, which is an important factor in intensifying various physico-chemical processes.