RU2488438C2

RU2488438C2 - Device for physicochemical treatment of fluids

Info

Publication number: RU2488438C2
Application number: RU2011128251/05A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Мищенко; Леонид Петрович Вахрушев; Виктор Михайлович Червяков; Евгений Сергеевич Шитиков
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-07-27
Also published as: RU2011128251A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to generators of acoustic vibrations in fluid flows and may be used for intensification of physicomechanical, hydromechanical and heat-and-mass exchange processes in systems "liquid-liquid" and "solid-liquid". Rotor-type apparatus comprises casing with intake and discharge branch pipes to accommodate rotor and stator with channels in cylinder lateral walls arranged concentrically, and insonify chamber. Cylindrical resonators connected via inlet channel and located one above the other and opposite rotor channel outlets accommodate reciprocating rod, on the cover side end. Fluid is fed into resonator via inlet channels arranged tangentially to inner surface while fluid outlet channel is arranged radially. Number of channels in rotor in one of the rows is 8-12 times larger than on the other row. Frequency of intrinsic oscillators of resonator equals that of the device generated by maximum number of rotor channels.

EFFECT: higher intensity of cavitation.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для создания колебаний в жидкой проточной среде и может быть использовано для проведения различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость».The invention relates to a device for creating oscillations in a liquid flowing medium and can be used for various physicochemical, hydromechanical and heat and mass transfer processes in the liquid-liquid and solid-liquid systems.

Известно устройство для создания акустических колебаний в проточной жидкой среде, содержащее помещенные в рабочую камеру ротор и статор, с выполненными на образующей щелями, привод вращения ротора, причем щели в роторе и статоре расположены рядами и размещены в роторе друг над другом, а в статоре сдвинуты друг относительно друга на величину, определяемыми соотношениями, а количество щелей в роторе в каждом ряде одинаково, но превышает количество щелей в статоре в целое число раз (А.с. СССР 495862 В06В, Бюл. 29, 1976). Цель устройства: повышение рабочей частоты и интенсивности акустического поля. Недостатком данного устройства является недостаточная интенсивность кавитации в модуляторе устройства для получения, например, высокодисперсных эмульсий.A device is known for generating acoustic vibrations in a flowing liquid medium, comprising a rotor and a stator placed in a working chamber, with slots made on a generatrix, a rotor rotation drive, the slots in the rotor and stator being arranged in rows and placed one above the other in the rotor, and shifted in the stator relative to each other by an amount determined by the ratios, and the number of slots in the rotor in each row is the same, but exceeds the number of slots in the stator by an integer number of times (A.S. USSR 495862 V06V, Bull. 29, 1976). The purpose of the device: increasing the working frequency and intensity of the acoustic field. The disadvantage of this device is the insufficient intensity of cavitation in the modulator of the device to obtain, for example, highly dispersed emulsions.

Наиболее близким к изобретению по получаемому эффекту является роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, причем канал статора выполнен в виде сопла и имеет в суженной части два цилиндрических резонатора соединенных с ним. В аппарате частота колебаний, генерируемая каналами статора, превышает частоту колебаний, генерируемых перекрывающимися каналами ротора и статора (основной тон), что способствует повышению интенсивности кавитации. Согласно описанию изобретения, кавитационные образования выносятся в большой объем камеры озвучивания, что снижает эффективность кавитационной обработки жидкой среды. Недостатком является также невозможность плавного регулирования частоты собственных колебаний объемных резонаторов.Closest to the invention, the effect obtained is a rotor apparatus comprising a housing with medium inlet and outlet nozzles, a rotor and a stator concentrically mounted in it with channels in the side walls of the cylinders, a sounding chamber, a drive, the stator channel being made in the form of a nozzle and has a narrowed parts are two cylindrical resonators connected to it. In the apparatus, the oscillation frequency generated by the stator channels exceeds the oscillation frequency generated by the overlapping rotor and stator channels (main tone), which contributes to an increase in cavitation intensity. According to the description of the invention, cavitation formations are carried out into a large volume of the sounding chamber, which reduces the efficiency of cavitation treatment of a liquid medium. The disadvantage is the inability to smoothly control the frequency of the natural oscillations of the volume resonators.

Техническая задача изобретения - повышение интенсивности кавитации.The technical task of the invention is to increase the intensity of cavitation.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в устройстве для физико-химической обработки жидкой среды, содержащем корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор с каналами в боковых стенках, расположенными в два ряда друг над другом, с цилиндрическими резонаторами в статоре, камеру озвучивания, привод, в цилиндрических резонаторах, соединенных каналами входа, находящихся друг над другом и напротив выходов из каналов ротора, с торца со стороны крышки корпуса, находится шток с возможностью возвратно-поступательного перемещения, причем жидкость подается в резонатор через каналы входа, выполненные тангенциально к его внутренней поверхности, а канал выхода жидкой среды из резонатора расположен радиально. Количество каналов в роторе в одном из рядов в 8-12 раз больше чем в другом. Частота собственных колебаний резонатора равна частоте колебаний устройства, генерируемая рядом каналов в роторе, с наибольшим их количеством.The object of the invention is achieved in that in a device for physicochemical processing of a liquid medium, comprising a housing with inlet and outlet nozzles of the medium, a rotor and a stator concentrically installed in it with channels in the side walls located in two rows one above the other, with cylindrical resonators in the stator, sounding chamber, drive, in the cylindrical resonators connected by input channels located one above the other and opposite the outputs from the rotor channels, from the end from the side of the housing cover, there is a rod with the possibility of reciprocating movement, moreover, the fluid is supplied to the resonator through the inlet channels made tangentially to its inner surface, and the channel for the exit of the liquid medium from the resonator is located radially. The number of channels in the rotor in one of the rows is 8-12 times more than in the other. The natural frequency of the resonator is equal to the oscillation frequency of the device generated by a number of channels in the rotor, with the largest number of them.

На фиг.1 изображен роторный аппарат, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.Figure 1 shows a rotary apparatus, a longitudinal section; figure 2 is a section aa in figure 1; figure 3 is a section bB in figure 1.

Устройство для физико-химической обработки жидкой среды содержит корпус 1 с патрубком 2 выхода среды; крышку 3 с патрубком 4 входа среды, ротор 5 с каналами 6 в боковых стенках, статор 7 с каналами входа 8 в резонатор 9, канал выхода из резонатора 10, шток 11, уплотнение штока 12, камеру озвучивания 13, образованную корпусом 1, крышкой 3 и наружной поверхностью статора 7.A device for physico-chemical processing of a liquid medium comprises a housing 1 with a nozzle 2 of the medium outlet; a cover 3 with a nozzle 4 of the medium inlet, a rotor 5 with channels 6 in the side walls, a stator 7 with input channels 8 into the resonator 9, the outlet channel from the resonator 10, the rod 11, the stem seal 12, the sounding chamber 13 formed by the housing 1, the cover 3 and the outer surface of the stator 7.

Устройство работает следующим образом. Обрабатываемая среда под давлением поступает в патрубок 4 и проходит в полость ротора 5. Затем через расположенные в два ряда каналы ротора 6 и входные каналы входа 8, расположенные друг над другом попадает тангенциально в полости объемных резонаторов в статоре 7, выходит через радиальные каналы 10 в камеру озвучивания 13 и выводится из устройства через патрубок 2. Шток 11 находится в полости резонатора 9 с возможностью возвратно-поступательного перемещения для регулирования объема резонатора и уплотняется элементом 12.The device operates as follows. The medium being processed under pressure enters the nozzle 4 and passes into the cavity of the rotor 5. Then, through two channels of the rotor 6 and input channels of the input 8 located one above the other, tangentially enters the cavity of the volume resonators in the stator 7, it exits through the radial channels 10 the sounding chamber 13 and is removed from the device through the pipe 2. The rod 11 is located in the cavity of the resonator 9 with the possibility of reciprocating movement to control the volume of the resonator and is sealed by the element 12.

Одним из основных интенсифицирующих факторов различных химико-технологических процессов, протекающих в жидкой среде, является кавитация. Для увеличения интенсивности кавитации при акустической обработке в технологических объемах генерируются колебания, отличающиеся не менее чем на порядок. В предполагаемой конструкции это достигается тем, что каналы в роторе выполнены в 2 ряда. При этом в одном из рядов количество каналов в 8-12 раз больше чем в другом. Так как частота, генерируемая перекрывающимися каналами ротора и статора, определяется числом отверстий в роторе, при одной и той же угловой скорости вращения ротора, то в предлагаемой двухрядной конструкции ряды отверстий в роторе генерируют колебания, отличающиеся в 8-12 раз. Отметим, что количество входных каналов в резонаторы, расположенных по внутренней поверхности статора, одинаково во всех рядах. Для того чтобы расход среды через ряды отверстий был одинаков, т.е. интенсивность колебаний разной частоты была одинаковой, высоту и ширину каналов в ряду с меньшим количеством отверстий необходимо увеличивать. Расчеты геометрических размеров сечения каналов ведутся по известным методикам (А.М. Балабышко, В.Ф. Юдаев. Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. - М.: Недра, 1992. - 176 с). В случае, когда необходимо увеличить интенсивность колебаний одной из частот - меньшей или большей, необходимо увеличивать расход через соответствующий ряд каналов, увеличивая геометрические размеры их поперечного сечения, или уменьшить размеры каналов другого ряда. Выбор одного из вариантов зависит от конкретных геометрических размеров всего устройства, расхода через устройство и т.д.One of the main intensifying factors of various chemical-technological processes taking place in a liquid medium is cavitation. To increase the intensity of cavitation during acoustic processing in technological volumes, oscillations are generated that differ by no less than an order of magnitude. In the proposed design, this is achieved by the fact that the channels in the rotor are made in 2 rows. Moreover, in one of the rows the number of channels is 8-12 times more than in the other. Since the frequency generated by the overlapping channels of the rotor and stator is determined by the number of holes in the rotor at the same angular speed of rotation of the rotor, in the proposed two-row design, the rows of holes in the rotor generate oscillations that differ by 8-12 times. Note that the number of input channels to the resonators located on the inner surface of the stator is the same in all rows. In order for the flow rate through the rows of holes to be the same, i.e. the intensity of oscillations of different frequencies was the same, the height and width of the channels in a row with fewer holes must be increased. The calculation of the geometric dimensions of the channel cross section is carried out according to well-known methods (A.M. Balabyshko, V.F. Yudaev. Rotary devices with flow modulation and their application in industry. - M .: Nedra, 1992. - 176 s). In the case when it is necessary to increase the oscillation intensity of one of the frequencies — smaller or greater, it is necessary to increase the flow rate through the corresponding row of channels, increasing the geometric dimensions of their cross section, or reduce the dimensions of the channels of the other row. The choice of one of the options depends on the specific geometric dimensions of the entire device, flow through the device, etc.

Обрабатываемая среда попадает в цилиндрические резонаторы, где и происходит основной процесс кавитационной обработки жидкой среды. Для увеличения амплитуды колебаний необходимо в резонаторе создать резонанс. При этом интенсивность колебаний возрастает в 4 раза. Соответственно значительно возрастает и интенсивность кавитации. Частота колебаний объемного резонатора зависит от его объема, т.е. длины и диаметра (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. с.314-315).The medium being processed falls into cylindrical resonators, where the main process of cavitation processing of the liquid medium takes place. To increase the amplitude of oscillations, it is necessary to create a resonance in the resonator. In this case, the oscillation intensity increases 4 times. Accordingly, the cavitation intensity also increases significantly. The oscillation frequency of the cavity resonator depends on its volume, i.e. length and diameter (Ultrasound. Small Encyclopedia. Head. Ed. IP Golyamin. - M.: Soviet Encyclopedia, 1979. p. 314-315).

Исходя из металлоемкости устройства, т.е. его размеров и, учитывая, что частота колебаний ультразвука, рекомендуемая для основных химико-технологических процессов ≥5*10³ (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. с.16), размеры резонатора рассчитываются на наибольшую частоту, генерируемую устройством. При этом диаметр резонатора изменяется в интервале (10-20) мм, что допустимо для длинноканальных устройств, рассматриваемых в предлагаемом изобретении.Based on the metal consumption of the device, i.e. its size and, given that the ultrasonic vibration frequency recommended for basic chemical-technological processes is ≥5 * 10 ³ (Ultrasound. Small Encyclopedia. Head. Ed. I.P. Golyamina. - M.: Soviet Encyclopedia, 1979. p. 16), the dimensions of the resonator are calculated at the highest frequency generated by the device. In this case, the diameter of the resonator varies in the range of (10-20) mm, which is permissible for the long-channel devices considered in the present invention.

Количество резонаторов определяется исходя из конструктивных размеров статора, в основном диаметральных размеров, и технологией изготовления.The number of resonators is determined based on the design dimensions of the stator, mainly the diametrical dimensions, and the manufacturing technology.

В каждом резонаторе со стороны крышки находится с возможностью возвратно-поступательного перемещения сплошной шток. При перемещении штока изменяется длина, и объем резонатора при этом изменяется и частота собственных колебаний резонатора. Это позволяет точнее настроить резонанс резонатора на максимальную частоту колебаний, генерируемых рядом каналов в роторе с наибольшим их количеством.In each resonator from the side of the lid is located with the possibility of reciprocating movement of a solid rod. When the rod moves, the length changes, and the cavity volume also changes the frequency of the natural oscillations of the resonator. This allows you to more accurately adjust the resonance of the resonator to the maximum frequency of oscillations generated by a number of channels in the rotor with the largest number of them.

Для подтверждения эффективности предлагаемого устройства проведены эксперименты на водопроводной воде. Спектр частот колебаний в устройстве определялся анализатором спектра. Частота колебаний одного ряда каналов статора равнялась ≈500 Гц, второго ряда ≈4350 Гц. Величина кавитационных импульсов давления определялась гидрофоном и запоминающим осциллографом. Установлено, что по сравнению с прототипом, имеющим резонаторы такого же диаметра, величина кавитационных импульсов давления возросла в среднем на 45%. Наличие регулировочного штока в резонаторах позволило получить максимум кавитации. Таким образом, экспериментально подтверждена работоспособность и эффективность предлагаемой конструкции устройства для физико-химической обработки жидкой среды.To confirm the effectiveness of the proposed device, experiments were performed on tap water. The spectrum of vibration frequencies in the device was determined by a spectrum analyzer. The oscillation frequency of one row of stator channels was ≈500 Hz, of the second row ≈4350 Hz. The value of cavitation pressure pulses was determined by a hydrophone and a storage oscilloscope. It was found that, compared with the prototype, having resonators of the same diameter, the value of cavitation pressure pulses increased by an average of 45%. The presence of the adjusting rod in the resonators made it possible to obtain maximum cavitation. Thus, the operability and effectiveness of the proposed device design for physico-chemical treatment of a liquid medium has been experimentally confirmed.

Claims

1. A device for physico-chemical processing of a liquid medium, comprising a housing with medium inlet and outlet nozzles, a rotor and a stator concentrically mounted in it with channels in the side walls located in two rows one above the other, with cylindrical resonators in the stator, a sounding chamber, a drive, characterized in that in cylindrical resonators connected by input channels located one above the other and opposite the exits from the rotor channels, from the end from the side of the housing cover there is a rod with the possibility of reciprocating displacements, wherein the liquid is supplied into the cavity through the inlet channels formed tangentially to its inner surface, and the fluid outlet channel of the cavity is disposed radially.

2. A device for physicochemical processing of a liquid medium according to claim 1, characterized in that the number of channels in the rotor in one of the rows is 8-12 times greater than in the other.

3. The device for physico-chemical processing of a liquid medium according to claim 1, characterized in that the frequency of natural oscillations of the resonator is equal to the frequency of oscillations of the device generated by a number of channels in the rotor, with the largest number of them.