EA012471B1

EA012471B1 - Роторно-кавитационное устройство

Info

Publication number: EA012471B1
Application number: EA200800219A
Authority: EA
Inventors: Владимир Николаевич Козаков; Николай Эммануилович Тернюк; Анатолий Тариелович Перадзе; Александр Михайлович Безруков; Елена Владимировна Лелюк
Original assignee: Владимир Николаевич Козаков; Николай Эммануилович Тернюк; Анатолий Тариелович Перадзе; Александр Михайлович Безруков; Елена Владимировна Лелюк
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-10-30
Also published as: UA92155C2; EA200800219A1

Abstract

Изобретение относится к устройствам для создания искусственной кавитации с целью использования возникающих кавитационных эффектов для интенсификации физико-химических процессов в разных областях промышленности, например химической, пищевой, биохимической и др. Роторно-кавитационное устройство содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями, статор в виде набора первых концентрических цилиндров с активационными элементами, каждая пара из которых образует концентрический зазор, и установленный на приводном валу дискообразный ротор в виде набора вторых концентрических цилиндров с активационными элементами, которые входят в зазоры между первыми концентрическими цилиндрами статора, при этом активационные элементы каждого концентрического цилиндра статора и ротора выполнены в виде периодически расположенных отверстий овальной формы с орбитально ориентированной маленькой осью овала, при этом промежуток между отверстиями превышает размер маленькой оси овала. Таким образом, заявляемое изобретение представляет собой роторно-кавитационное устройство, которое благодаря оптимизации конструктивных параметров и проработке геометрической формы и размеров активационных элементов позволяет обеспечить высокую интенсификацию кавитационных процессов, а также позволяет снизить вредное влияние кавитационных процессов на элементы конструкции, существенным образом повысить уровень надежности работы устройства.

Description

Изобретение относится к устройствам для создания искусственной кавитации с целью использования возникающих кавитационных эффектов для интенсификации физико-химических процессов в различных отраслях промышленности, например химической, пищевой, биохимической и др.

В настоящее время актуальной является проблема получения высококачественных нефтепродуктов, например композиционных, преимущественно углеводных, автомобильных или энергетических топлив, в том числе с использованием исходных материалов низкого качества. Чаще всего высококачественные нефтепродукты получают благодаря влиянию на них химических веществ (ПАВ, присадки) или тепловыми, электромагнитными и другими физическими полями. Однако влияние на нефть и нефтепродукты при помощи химических веществ приводит к существенному увеличению себестоимости конечного продукта, ускорению износа ректификационных колонн и является практически не регулированным процессом. Поэтому наиболее целесообразным является физическое влияние на обрабатываемую среду, такое как влияние кавитационной обработки. Но существующие устройства для осуществления кавитационной обработки не обеспечивают необходимый результат, то есть получение высококачественных нефтепродуктов с обеспечением приемлемых материальных затрат на процессы их обработки, что в первую очередь обусловлено конструктивными недостатками используемых устройств. Также актуальной проблемой является создание водотопливных эмульсий, которые имели бы высокую стойкость к расслоению воды и топлива. Такие эмульсии представляют собой особую разновидность топлива, которая существенно улучшает процесс горения и позволяет снизить расход нефтепродуктов, которые имеют достаточно высокую стоимость. Для создания подобных эмульсий также применяется кавитационная обработка среды, которая осуществляется при помощи кавитационных устройств. Однако использование кавитационных устройств существующей конструкции не позволяет обеспечить получение водотопливных эмульсий необходимого качества и с высокой стойкостью к расслоению без добавления к обрабатываемой среде специальных эмульгаторов или других добавок. Кроме того, конструкция существующих разновидностей кавитационных устройств является достаточно ненадежной и недолговечной благодаря неблагоприятному действию кавитационных процессов на силовые элементы конструкции. Однако несмотря на все перечисленные недостатки, кавитационные устройства широко используются и область их использования постоянно расширяется. Так, кавитационные устройства, при помощи которых осуществляют кавитационную обработку среды, используют в котлоагрегатах промышленных предприятий, в теплогенераторах и нефтяных базах для интенсификации перегонки нефти путем регулирования фазовых переходов сырья кавитационным влиянием. Перспективным является применение кавитационной обработки при осуществлении безреагентных методов очищения воды, что позволит существенно снизить стоимость очищения питьевой воды. Таким образом, очень актуальной является проблема разработки кавитационного устройства, которое бы обеспечивало необходимое качество конечного продукта благодаря эффективной интенсификации кавитационных процессов и было бы надежным и долговечным при эксплуатации.

Известно роторно-кавитационное устройство, описанное в патенте Англии № 138889, которое имеет роторный и статорный диски с зубчатыми элементами, установленными за ходом концентрических кругов, в котором между элементами статорного диска от центра к периферии проходят сквозные радиальные каналы, а между элементами роторного диска сквозные с наклоном к радиусу основные (широкие) и вспомогательные (узкие) каналы.

Недостатком описанного решения является относительно низкая продуктивность и недостаточная эффективность перемешивания, так как в общем случае число пульсаций за один оборот ротора определяется произведением количества элементов роторного и статорного дисков. Поэтому с точки зрения интенсификации и качества процессов, которые происходят в устройстве, желательно увеличивать количество элементов как на статорном, так и на роторном дисках. Однако если на статорном диске увеличение в определенных пределах числа элементов не встречает преград, то на роторном диске увеличение числа элементов может привести к нарушению ориентации каналов с наклоном и образованию сквозных радиальных каналов. Последнее обстоятельство является нежелательным, так как в этом случае часть компонентов, которые смешиваются, проходит через сквозные радиальные каналы статора и ротора, не поддаваясь влиянию элементов статорного и роторного дисков, вследствие чего интенсивность и качество перемешивания падают. Поэтому в данном устройстве количество элементов ротора меньше количества элементов статора, а количество локальных пульсаций за один оборот ротора меньше числа элементов статора.

Известно кавитационное устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР № 1358140, которое использует эффекты гидродинамической кавитации, создаваемой в замкнутой камере с жидкой рабочей средой, которая протекает через нее. Устройство содержит корпус, кавитатор, который выполнен в виде крыльчатки с клинообразной формой пересечения лопастей и острой передней кромкой, которая установлена на приводном валу с возможностью обращения и оборудована коаксиально установленным внешним цилиндром, жестко соединенным с ее лопастями, на котором закреплены кронштейны с установленными на них параллельно основной дополнительными крыльчатками с клинообразной формой пересечения лопастей и острой передней кромкой.

Недостатком указанного устройства является невысокая продуктивность и относительно низкая

- 1 012471 эффективность кавитационной обработки, особенно для энергоемких технологических процессов, которые обусловлены значительными затратами энергии на диссипативные явления - гидравлическое трение, преодоление гидравлического сопротивления среды и др.

Известно также роторно-кавитационное устройство, описанное в патенте РФ № 2165787, которое содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями, установленные в нем статор и ротор и привод, при этом в боковых стенках статора и ротора выполнены каналы, на внешней цилиндрической поверхности ротора между каналами параллельно им выполнены канавки, размещенные на некотором расстоянии одна от другой.

Недостатком данного устройства является высокая энергоемкость процесса обработки, который осуществляется при помощи указанного устройства, и необходимость установки дополнительного насоса для нагнетания жидкости под давлением в полость ротора, а также недостаточная продуктивность устройства и эффективность вследствие того, что устройство состоит из одной пары одноступенчатых ротора и статора.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, является роторно-кавитационное устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР № 1033169, содержащее корпус с впускным и выпускным отверстиями, статор в виде набора первых концентрических цилиндров с активационными элементами, каждая пара из которых образовывает концентрический зазор, и установленный на приводном валу дискообразный ротор в виде набора вторых концентрических цилиндров с активационными элементами, которые входят в зазоры между первыми концентрическими цилиндрами статора. В данном случае активационные элементы представляют собой прорези. Также устройство содержит средство для создания дополнительных пульсаций, которое выполнено в виде соосных дисков с прорезями, один из дисков кинематически связан с ротором и количество прорезей в нем кратно количеству прорезей в цилиндрах.

Недостатками описанной конструкции является недостаточная интенсивность кавитационных процессов и низкий уровень надежности работы устройства. Первый из указанных недостатков обусловлен невозможностью обеспечения стойких кавитационных процессов в связи с особенностями конструктивного исполнения статора и ротора и в связи с геометрической формой активационных элементов стентора и ротора, то есть прорезей, которая не позволяет обеспечить высокую эффективность осуществления кавитационной обработки среды. Низкий уровень надежности работы устройства является следствием вышеуказанных факторов, а также неблагоприятного действия кавитационных процессов на силовые элементы конструкции.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача создания роторно-кавитационного устройства, которое благодаря оптимизации конструктивных параметров и проработке геометрической формы и размеров активационных элементов позволит обеспечить высокую интенсификацию кавитационных процессов, а также позволит снизить вредное влияние кавитационных процессов на элементы конструкции, существенно повысить уровень надежности работы устройства.

Поставленная задача решается тем, что разработанное роторно-кавитационное устройство, содержащее корпус с впускным и выпускным отверстиями, статор в виде набора первых концентрических цилиндров с активационными элементами, каждая пара которых образует концентрический зазор, и установленный на приводном валу дискообразный ротор в виде набора вторых концентрических цилиндров с активационными элементами, которые входят в зазоры между первыми концентричными цилиндрами статора, при этом активационные элементы каждого концентрического цилиндра статора и ротора выполнены в виде периодически расположенных отверстий овальной формы с орбитально ориентированной маленькой осью овала, при этом промежуток между отверстиями превышает размер маленькой оси овала, что позволяет избежать проскок обрабатываемой среды сквозь отверстия, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность кавитационной обработки.

Возникновение пульсаций потока газообразной или жидкой среды в радиальных направлениях в области рабочей зоны роторно-кавитационного устройства при его работе возникает за счет того, что при вращении ротора, отверстия в стенках концентрических цилиндров, из которых он набран, могут перекрываться сплошными частями аналогичных цилиндров, из которых складывается статор. При этом частота и амплитуда пульсаций потока определяется скоростью вращения ротора и геометрией ротора и статора устройства. Таким образом, вышеупомянутое конструктивное исполнение устройства обеспечивает возможность осуществления кавитационной обработки среды с высокой интенсивностью. Геометрическая форма активационных элементов, то есть отверстий статора и ротора, позволяет существенно интенсифицировать кавитационное вихреобразование в отверстиях и зазорах концентрических цилиндров ротора и статора благодаря возможности создания стойких кавитационных вихрей, а также благодаря созданию кавитационных микровихрей. В зоне встречи потоков кавитационных вихрей интенсивно образуются кавитационные пузырьки оптимальных размеров, которые при схлопывании инициируют кавитационные эффекты, которые активизируют физико-химические процессы в рабочей среде. Выполнение статора и ротора в виде набора концентрических цилиндров, то есть выполнение их многоступенчатыми, приводит к снижению энергии, которая расходуется на единицу рабочего объема устройства, то есть к увеличению его эффективности как механо-химического активатора и кавитатора.

Целесообразным является выполнение роторно-кавитационного устройства, при котором каждый

- 2 012471 цилиндр большего диаметра имеет отверстия меньших размеров, чем смежный цилиндр меньшего диаметра. Такое конструктивное выполнение устройства разрешает повысить эффективность осуществления кавитационной обработки благодаря предотвращению проскока обрабатываемой среды.

Также целесообразным является выполнение роторно-кавитационного устройства, при котором каждый цилиндр большего диаметра имеет радиальную толщину стенки меньших размеров, чем смежный цилиндр меньшего диаметра. Такое конструктивное выполнение устройства благодаря постепенному уменьшению радиальной толщины стенок цилиндров позволяет оптимизировать расходы энергии устройством, которое, в свою очередь, позволяет повысить экономическую эффективность использования устройства, а также такое конструктивное выполнение устройства разрешает предотвратить уменьшение скорости движения жидкости во время цикла ее обработки.

Преобладающим является выполнение устройства с обеспечением его крыльчаткой, которая установлена на приводном валу между ротором и смежной с ним стенкой корпуса. Такое расположение крыльчатки приводит к увеличению количества ступеней обработки и за счет повышения насосного эффекта позволяет применять устройство для активации жидкостных систем, вязкость которых колеблется в широких границах, без снижения производительности работы устройства. Кроме того, установление крыльчатки позволяет создать дополнительное разрежение во внутреннем объеме устройства, которое обуславливает повышение кавитационного эффекта и качества конечного продукта.

Преобладающим также является выполнение устройства таким образом, чтобы отношение величины большой оси овала к величине маленькой оси овала радиальных отверстий составляло от 1,5 до 2,5. Выполнение радиальных отверстий с указанным соотношением величины большой оси овала к величине маленькой оси овала позволяет обеспечить оптимальность процесса кавитационной обработки по величине производительности через минимальные значения гидросопротивления при избранной для каждого конкретного случая высоте цилиндров.

Перечень графического материала

Фиг. 1 - поперечный разрез роторно-кавитационного устройства;

фиг. 2 - геометрическая форма активационных элементов;

фиг. 3 - схема образования вихрей;

фиг. 4 - геометрические соотношения радиальной толщины стенок цилиндров в торцевом пересечении статора.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез роторно-кавитационного устройства, на котором представлено устройство, которое содержит корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 отверстиями, статор 4 в виде набора первых концентрических цилиндров 5 с активационными элементами, установленный на приводном валу 6, ротор 7 в виде набора вторых концентрических цилиндров 8 с активационными элементами. Также на фиг. 1 представлена крыльчатка 9 устройства.

На фиг. 2 представлена геометрическая форма активационных элементов 10, выполненных в роторе 7. Активационные элементы 10 выполнены в виде периодически расположенных отверстий овальной формы с орбитально ориентированной маленькой осью а овала, большой осью Ь овала и промежутком между отверстиями с.

На фиг. 3 представлена схема образования вихрей, то есть потоков и гидродинамических явлений, которые возникают в многоступенчатом роторно-кавитационном устройстве, на примере первой ступени. При вращении ротора 7 в направлении, показанном стрелкой 11, скорость жидкости в радиальном зазоре δ между цилиндром ротора 7 и цилиндром статора 4 резко изменяется от значения окружной скорости ротора 7 к нулю возле поверхности статора 4. Эпюра 12 окружных скоростей в значительной степени зависит от свойств обрабатываемой жидкости, параметров устройства и скорости обращения ротора 7. При этом поток жидкости в зазоре δ поддается периодическим радиальным возмущениям, которые возникают при совмещении отверстий 10. Взаимодействие окружного и радиального потока с элементами статора 4 приводит к изменениям направления вращения потока после прохождения отверстий статора 4, что показано ломаной стрелкой 13. В зоне изменения направления потока образуются стойкие кавитационные вихри, которые представлены круговой стрелкой 14. В центре такого кавитационного вихря на протяжении значительного времени (несколько десятков периодов) содержится обрабатываемая среда, которая вращается в направлении вращения вихря. Также на фиг. 3 изображены кавитационные микровихри 15 (изображенные спиральной стрелкой), которые образуются при взаимодействии потока с острокромковыми поверхностями рабочих элементов ротора 7 и статора 4.

На фиг. 4 представлены геометрические соотношения радиальной толщины стенок концентрических цилиндров в торцевом пересечении статора 4, где изображены цилиндры 5 статора 4, в данном случае статор 4 выполнен в виде набора из четырех концентрических цилиндров 5, причем каждый цилиндр статора 5 большего диаметра выполнен с радиальной толщиной стенки меньших размеров, чем у смежного цилиндра меньшего диаметра, то есть обеспечивается соотношение 1ΐ|>1ι₂>1ι₃>1ι₄. где 1ΐ| 1ι₂. 1ι₃ и 1ι₄ радиальные толщины стенки цилиндров. Цилиндр статора 4 с наибольшим диаметром выполнен сплошным, что оказывает содействие уменьшению разрушения корпуса 1 и крыльчатки 9 от вредного влияния происходящих кавитационных процессов.

- 3 012471

Устройство работает следующим образом.

Среда, которая подлежит обработке, поступает сквозь впускное отверстие 2 в полость корпуса 1. При этом среда под действием входного давления перетекает сквозь активационные элементы, выполненные в концентрических цилиндрах 5 статора 4 в полость ротора 7, которому придается вращательное движение благодаря вращению приводного вала 6, который можно вращать с помощью любого пригодного электродвигателя. При периодическом совпадении отверстий 10 в концентрических цилиндрах 5 и 8 ротора 7 и статора 4 происходит изменение скорости и давления потока среды, которая инициирует кавитационные процессы. При вращении ротора скорость жидкости в радиальном зазоре δ между ротором 7 и статором 4 резко изменяется от значения окружной скорости ротора 7 к нулю возле поверхности статора 4. При этом поток жидкости в зазоре δ поддается периодическим радиальным возмущениям, которые возникают при совмещении отверстий 10. Взаимодействие кругового и радиального потока с элементами статора 4 приводит к изменениям направления обращения потока после прохождения отверстий статора 4. В зоне изменения направления потока образуются стойкие кавитационные вихри 14. В центре такого кавитационного вихря на протяжении значительного времени (несколько десятков периодов) удерживают обрабатываемую среду, которая вращается в направлении вращения вихря. Также при взаимодействии потока с острокромковыми поверхностями рабочих элементов ротора 7 и статора 4 образуются кавитационные микровихри 15. С помощью крыльчатки 9 осуществляют дополнительное разряжение в объеме корпуса и подают обрабатываемую жидкость сквозь выпускное отверстие 3 корпуса 1 или на новый цикл обработки, или к емкости готовой продукции.

Для определения основных технологических характеристик разработанного роторнокавитационного устройства в данном случае провели эксперименты из механической и кавитационной обработки водоугольных суспензий трех видов с изменяемым отношением твердая-жидкая среда. При этом очевидным является изменение вязкости среды, которая обрабатывается. Экспериментально было доказано, что производительность аппарата практически не зависит от вязкости обрабатываемой среды в довольно широком интервале изменения соотношения твердое-жидкое. В соответствии с полученными в экспериментах результатами, критерием эффективности любой конструкции роторно-кавитационного устройства может служить комплекс его конструктивных и энергетических параметров:

ξ - диссипация механической мощности в единицы объема среды, которая обрабатывается;

I - среднее значение градиента скорости сдвига обрабатываемой среды в зазоре между рабочими органами устройства;

Г₀ - основная частота пульсаций динамического давления в рабочем объеме.

Регулирование частоты вращения ротора устройства позволяет регулировать вышеупомянутые его параметры в следующих границах:

ξ == (0,5-8,9) мВт/м³;

(200-100000) с¹;

/о = (300-1800) Гц.

На основании экспериментальных исследований с использованием критерия эффективности, который учитывает конструктивные и энергетические параметры устройства, а также в зависимости от среды, которая обрабатывается, разработаны следующие конструкции роторно-кавитационного устройства.

Таблица

Технические характеристики роторно-кавитационных устройств

Тип центробежного насоса	Подача, м³/час	Мощность кавитатора, кВт	Число ступеней кавитации, цилиндр в цилиндре	Количество отверстий в цилиндре, штук	Зазор между ротором и статором, мм	Скорость вращения ротора, об ./мин.
К52-32-125	8	1.2-3.0	4	12-18	0.1-1	1500-6000
К50-32-160	20	3.0-4.5	4	12-36	0.1-1	1500-5000
К65-50-160	25	5.5-7.5	4	12-36	0.1-1	1500-5000
К80-50-200а	45	7.5-11.0	4	1240	0.1-1	1500-5000
К100-80-160	90	18.5-22.0	4	1240	0.1-1	1500-5000

В целом повышение производительности (интенсивности) обработки достигает 50-70% по отношению к производительности прототипа. Надежность роторно-кавитационного устройства, основным показателем которого является ресурс, благодаря конструктивному выполнению устройства возрастает в 2-5 раз.

Таким образом, заявляемое изобретение представляет собой роторно-кавитационное устройство, которое благодаря оптимизации конструктивных параметров и проработке геометрической формы и размеров активационных элементов позволяет обеспечить высокую интенсификацию кавитационных

- 4 012471 процессов, а также позволяет снизить вредное влияние кавитационных процессов на элементы конструкции, существенным образом повысить уровень надежности работы устройства.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Роторно-кавитационное устройство, которое содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями, статор в виде набора первых концентрических цилиндров с активационными элементами, каждая пара которых образует концентрический зазор, и установленный на приводном валу дискообразный ротор в виде набора вторых концентрических цилиндров с активационными элементами, которые входят в зазоры между первыми концентрическими цилиндрами статора, отличающееся тем, что активационные элементы каждого концентрического цилиндра статора и ротора выполнены в виде периодически расположенных отверстий овальной формы с орбитально ориентированной маленькой осью овала, при этом промежуток между отверстиями превышает размер маленькой оси овала.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый цилиндр большего диаметра имеет отверстия меньших размеров, чем смежный цилиндр меньшего диаметра.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый цилиндр большего диаметра имеет радиальную толщину стенки меньших размеров, чем смежный цилиндр меньшего диаметра.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно обеспечено крыльчаткой, которая установлена на приводном валу между ротором и смежной с ним стенкой корпуса.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение величины большой оси овала к величине маленькой оси овала радиальных отверстий составляет от 1,5 до 2,5.