RU2695193C1 - Rotary pulse apparatus and method of its operation - Google Patents
Rotary pulse apparatus and method of its operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2695193C1 RU2695193C1 RU2018134999A RU2018134999A RU2695193C1 RU 2695193 C1 RU2695193 C1 RU 2695193C1 RU 2018134999 A RU2018134999 A RU 2018134999A RU 2018134999 A RU2018134999 A RU 2018134999A RU 2695193 C1 RU2695193 C1 RU 2695193C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- housing
- stator
- ribs
- resonance
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/50—Mixing liquids with solids
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
- B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
- B01F27/94—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis with rotary cylinders or cones
Abstract
Description
Изобретение относится к роторно-импульсным аппаратам, и может быть использовано в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, нефтехимии и нефтепереработки для проведения процессов диспергирования, перемешивания, эмульгирования, экстрагирования, жидкостной экстракции, кавитационной обработки, деагломерации наноразмерных частиц, проведения реакций в гетерогенных системах жидкость-твердое или жидкость-жидкость и других процессов, в которых требуется локальный ввод большого количества энергии в небольшой объем.The invention relates to rotary-pulse devices, and can be used in chemical, pharmaceutical, food and other industries, petrochemicals and oil refining for dispersion, mixing, emulsification, extraction, liquid extraction, cavitation treatment, deagglomeration of nanosized particles, reactions in heterogeneous liquid-solid or liquid-liquid systems and other processes in which local input of a large amount of energy into a small volume.
Известен роторно-импульсный аппарат (патент РФ №2335337, B01F 7/00, B01F 5/06), содержащий корпус, имеющий впускной и выпускной патрубки, внутри корпуса установлены роторные и статорные диски, количеством не менее пяти, с зубчатыми элементами с параллельными друг другу рабочими поверхностями, размещенными по чередующимся концентрическим окружностям, при этом зубчатые элементы одной или нескольких концентрических окружностей роторного или статорного дисков смещены на величину, обеспечивающую перекрытие сквозных сечений между зубчатыми элементами соседней пары концентрических окружностей роторного и статорного дисков при открытом положении сквозного сечения любой другой соседней пары, отличающийся тем, что соотношение ширины зубчатого элемента к ширине промежутка между ними на соответствующей концентрической окружности составляет 0,5-3,0, преимущественно 0,65-1,10, а зазор между соседними статорными и роторными дисками преимущественно составляет 0,4-0,6.Known rotary-pulse apparatus (RF patent No. 2335337,
Известное решение позволяет повысить эффективность работы роторно-пульсационного аппарата при одновременном улучшении однородности обрабатываемой среды за один цикл гомогенизации за счет интенсификации пульсаций скорости потока, позволяющих получить оптимальный размер частиц эмульсии - 5-10 мкм. Вместе с тем, в известном изобретении недостаточно эффективно происходит преобразование энергии, так как пространственно-временной масштаб генерируемых в аппарате пульсаций не согласован с акустическими характеристиками среды.The known solution allows to increase the efficiency of the rotary-pulsation apparatus while improving the homogeneity of the medium being processed in one homogenization cycle due to the intensification of pulsations of the flow rate, allowing to obtain the optimal particle size of the emulsion - 5-10 microns. However, in the known invention, energy conversion is not efficient enough, since the spatiotemporal scale of the pulsations generated in the apparatus is not consistent with the acoustic characteristics of the medium.
Известен роторно-импульсный аппарат (патент РФ №2516559, B01F 7/02) содержащий привод, корпус с входным и выходным патрубками и установленные в корпусе ротор и статор, на рабочих поверхностях которых выполнены концентрично расположенные по окружности ряды шипов, чередующихся с пазами, входные лопатки, жестко прикрепленные к рабочей поверхности ротора, и выходные лопатки, являющиеся выступами последнего ряда шипов и пазов, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными входными лопатками, установленными между входными лопатками на роторе, который установлен с возможностью реверсивного вращения, при этом длина дополнительных входных лопаток меньше длины входных лопаток насоса, оси симметрии дополнительных входных лопаток, входных лопаток и выходных лопаток расположены радиально, а продольная ось напорного патрубка и центральные оси ротора и статора расположены на одной прямой.Known rotary-pulse apparatus (RF patent No. 2516559,
Известное техническое решение позволяет аппарат увеличить срок службы аппарата с одновременным упрощением конструкции и сохранением функций диспергатора, гомогенизатора и насоса. Вместе с тем, конструкцией аппарата не предусмотрено повышение эффективности его работы за счет использования акустических характеристик среды.The known technical solution allows the apparatus to increase the service life of the apparatus while simplifying the design and preserving the functions of the dispersant, homogenizer and pump. However, the design of the apparatus does not provide for an increase in the efficiency of its operation through the use of acoustic characteristics of the medium.
Устройство-аналог настоящего изобретения - роторно-импульсный аппарат (патент РФ №2591974, B01F 7/00, B01F 7/28), содержащий корпус с входным и выходным патрубками с установленными в нем ротором и статором с рабочими элементами в виде концентрично расположенных зубьев, отличающийся тем, что ротор и статор на периферии имеют кольцевые рифленые рабочие зоны, а в рифленой зоне ротора выполнены радиальные каналы с уменьшающейся к периферии глубиной.An analogue device of the present invention is a rotary-pulse apparatus (RF patent No. 2591974,
Направляющие каналы ротора выполнены с уменьшающейся к периферии ротора глубиной, что способствует увеличению скорости потока обрабатываемой среды на выходе из канала. Рифленая рабочая зона создает эффект истирания в тонком слое для дополнительного разрушения волокнистых включений, механоактивации дисперсной системы и образования устойчивых межмолекулярных связей. В то же время при вращении ротора происходит периодическое совмещение и перекрытие радиальных каналов ротора с каналами статора, что приводит к возникновению гидравлических ударов и развитию кавитации, в результате чего обрабатываемая среда подвергается интенсивным гидродинамическим и акустическим воздействиям. Совокупность указанных воздействий способствует интенсификации таких процессов, как гомогенизация, диспергирование и эмульгирование при обработке дисперсных систем с жидкой фазой.The guide channels of the rotor are made with decreasing depth to the periphery of the rotor, which contributes to an increase in the flow rate of the medium being treated at the channel exit. The corrugated working zone creates the effect of abrasion in a thin layer for additional destruction of fibrous inclusions, mechanical activation of the dispersed system and the formation of stable intermolecular bonds. At the same time, when the rotor rotates, the radial channels of the rotor are periodically aligned and overlapped with the stator channels, which leads to the occurrence of hydraulic shocks and the development of cavitation, as a result of which the medium being processed is subjected to intense hydrodynamic and acoustic influences. The combination of these effects contributes to the intensification of processes such as homogenization, dispersion and emulsification in the processing of dispersed systems with a liquid phase.
В то же время, в устройстве-аналоге не предусмотрена адаптация к акустическим характеристикам обрабатываемой среды.At the same time, the analog device does not provide adaptation to the acoustic characteristics of the medium being processed.
Устройство-прототип настоящего изобретения - роторно-импульсный аппарат (пат. США №9631732, B01D 17/04, B01D 17/042) в виде кавитационного реактора, содержащего импульсный клапан - корпус с входным патрубком для ввода потока жидкости и генерирования импульсного выходного потока, который подается на вход резонансной камеры, выполненной в форме трубки (далее по тексту - резонансная труба). В качестве импульсного клапана использует ротор с рядом регулярно отстоящих друг от друга углублений, при помощи которых образуются соединительные каналы между входным патрубком и выходным патрубком, подключенным к резонансной трубке. При вращении ротора за счет углублений возникает соединение между входным и выходным патрубками, которое регулярно открывается и закрывается, тем самым создавая импульсный выход, который приводит к формированию резонансных волн в резонансной камере. Ротор вращается с частотой, подходящей для создания кавитационных пузырьков, которые разрушаются в резонансной камере без повреждения вала устройства. Основным эффектом, достигаемым в устройстве-прототипе, является достижение условий, обеспечивающих создание кавитационного режима, а также снижение или даже полное исключение воздействия кавитационных пузырьков при их коллапсе на основные детали аппарата - корпус и вал.The prototype device of the present invention is a rotary-pulse apparatus (US Pat. No. 9631732, B01D 17/04, B01D 17/042) in the form of a cavitation reactor containing a pulse valve - a housing with an inlet pipe for inputting a fluid flow and generating a pulsed output stream, which is fed to the input of the resonant chamber made in the form of a tube (hereinafter referred to as the resonant tube). As a pulse valve, it uses a rotor with a number of recesses regularly spaced from each other, with the help of which connecting channels are formed between the inlet pipe and the outlet pipe connected to the resonance tube. When the rotor rotates due to the recesses, a connection occurs between the inlet and outlet nozzles, which opens and closes regularly, thereby creating a pulse output, which leads to the formation of resonant waves in the resonance chamber. The rotor rotates at a frequency suitable for creating cavitation bubbles that break in the resonant chamber without damaging the device shaft. The main effect achieved in the prototype device is to achieve conditions that ensure the creation of a cavitation mode, as well as to reduce or even completely eliminate the effect of cavitation bubbles during their collapse on the main parts of the device - the body and shaft.
Отметим следующие недостатки устройства-прототипа.Note the following disadvantages of the prototype device.
1) Генерирование пульсаций производится на частотах, которые соответствуют очень высоким гармоникам резонансной трубы, например, 17-й. В описании изобретения-прототипа приводится пример, в котором длина резонансной трубы составляет 500 мм, при этом собственная частота колебаний такой трубы составляет 1400 Гц (в предположении, что скорость звука в жидкости составляет 1500 м/с). При частоте вращения ротора 166,7 об/с (10000 об/мин) при наличии трех углублений на поверхности ротора, частота генерируемых в аппарате пульсаций составит 3×166,7=500 Гц. Далее в описании изобретения-прототипа делается заключение о необходимости создания резонанса на частоте, являющейся наименьшим общим кратным от двух частот - 500 Гц и 1400 Гц. Такой частотой является 7000 Гц, которая в 5 раз превышает первую (основную) гармонику для резонансной трубы, и в 14 раз - частоту возбуждаемых в аппарате колебаний.1) The generation of pulsations is performed at frequencies that correspond to very high harmonics of the resonance tube, for example, the 17th. In the description of the prototype invention, an example is given in which the length of the resonance tube is 500 mm, while the natural frequency of oscillation of such a tube is 1400 Hz (assuming that the speed of sound in a liquid is 1500 m / s). With a rotor speed of 166.7 r / s (10000 r / min) in the presence of three recesses on the surface of the rotor, the frequency of the pulsations generated in the apparatus will be 3 × 166.7 = 500 Hz. Further, in the description of the prototype invention, a conclusion is drawn about the need to create a resonance at a frequency that is the smallest common multiple of two frequencies — 500 Hz and 1400 Hz. Such a frequency is 7000 Hz, which is 5 times higher than the first (main) harmonic for a resonance tube, and 14 times higher than the frequency of oscillations excited in the apparatus.
Таким образом, в устройстве-прототипе резонансной трубы возбуждаются колебания, которые многократно превышают частоту основной гармоники. Как известно из теории колебаний (Ден-Гартог Д.П. Механические колебания. М.: Физматгиз, 1960. - 574 с.; Пейн Г. Физика колебаний и волн. М.: Мир, 1979. - 389 с), амплитуда таких колебаний существенно снижается по мере возрастания номера гармоники. Это приводит к резкому снижению эффекта резонансных колебаний (даже для второй гармоники амплитуда колебаний примерно на порядок ниже амплитуды первой гармоники).Thus, in the prototype device of the resonant tube, oscillations are excited that are many times higher than the fundamental frequency. As is known from the theory of oscillations (Den-Hartog D.P. Mechanical vibrations. M .: Fizmatgiz, 1960. - 574 p .; Payne G. Physics of vibrations and waves. M: Mir, 1979. - 389 s), the amplitude of such oscillation decreases significantly with increasing harmonic number. This leads to a sharp decrease in the effect of resonant oscillations (even for the second harmonic, the amplitude of the oscillations is approximately an order of magnitude lower than the amplitude of the first harmonic).
2) Рекомендуемые в описании изобретения-прототипа частоты, оптимальные для создания кавитации - от 20 кГц до 26 кГц. Эти частоты существенно превышают частоту, генерируемую ротором при его вращении, т.е. амплитуда колебаний в резонансной трубе с такими гармониками будет чрезвычайно низка.2) The frequencies recommended in the description of the prototype invention are optimal for creating cavitation from 20 kHz to 26 kHz. These frequencies significantly exceed the frequency generated by the rotor during its rotation, i.e. the amplitude of oscillations in a resonance tube with such harmonics will be extremely low.
3) Для достижения кавитационных эффектов в устройстве-прототипе использованы чрезвычайно высокие скорости вращения ротора, что приводит к быстрому износу и повышенным энергозатратам.3) To achieve cavitation effects in the prototype device, extremely high rotor speeds are used, which leads to rapid wear and increased energy consumption.
4) Далее в устройстве-прототипе предлагается возможность применения дистального (т.е. находящегося на дальнем конце резонансной трубы, противоположном от присоединения к аппарату) клапана, регулировка которого позволит дополнительно осуществлять корректировку собственной частоты колебаний резонансной трубы. Действительно, из теории колебаний известно (Ден-Гартог Д.П. Механические колебания. М.: Физматгиз, 1960. - 574 с.; Пейн Г. Физика колебаний и волн. М.: Мир, 1979. - 389 с.), что граничные условия на каждом из концов резонансной трубы (что используется, например, в строительстве музыкальных инструментов - органов) влияют на форму стоячей волны в трубе и на частоты резонансных колебаний. Вместе с тем, отличие частот при полностью открытых концах (когда резонансная труба работает как полуволновой вибратор) и полностью закрытом свободном конце (когда резонансная труба работает как четвертьволновой вибратор) на основной гармонике не превышает значения 2, а по мере роста номера гармоники колебаний приближается к единице. Т.е. эффект открытия указанного клапана мало влияет на значение частот колебаний на высоких гармониках. Вместе с тем, энергия колебаний в аппарате при открывании дистального клапана будет снижаться, поскольку через открытый клапан может происходить истечение рабочей среды из аппарата.4) Further, in the prototype device, it is proposed the possibility of using a distal (i.e., located at the far end of the resonance tube, opposite to the attachment to the apparatus) valve, the adjustment of which will allow for additional adjustment of the natural frequency of the resonance tube. Indeed, it is known from the theory of oscillations (Den-Hartog D.P. Mechanical vibrations. M .: Fizmatgiz, 1960. - 574 pp .; Payne G. Physics of vibrations and waves. Moscow: Mir, 1979. - 389 pp.), that the boundary conditions at each end of the resonance tube (which is used, for example, in the construction of musical instruments - organs) affect the shape of the standing wave in the tube and the frequencies of the resonant vibrations. At the same time, the difference between the frequencies at fully open ends (when the resonance tube works like a half-wave vibrator) and completely closed free end (when the resonance tube works like a quarter-wave vibrator) at the fundamental harmonic does not exceed 2, and as the harmonic number grows, it approaches unit. Those. the effect of opening the specified valve has little effect on the value of the oscillation frequencies at high harmonics. At the same time, the oscillation energy in the apparatus when opening the distal valve will decrease, since through the open valve, the medium can flow out of the apparatus.
Таким образом, в изобретении-прототипе не предусмотрена тонкая регулировка частоты собственных колебаний в резонансной трубе на частоту пульсаций, генерируемых в роторно-импульсном аппарате.Thus, the invention prototype does not provide for fine adjustment of the frequency of natural oscillations in the resonant tube to the frequency of the pulsations generated in the rotary pulse apparatus.
5) Попадание газовых или кавитационных пузырей в жидкость приводит к резкому снижению скорости звука в образовавшейся при этом газожидкостной смеси. Известно, что при газосодержании всего 1-2% скорость звука в воде снижается с ~1500 м/с до 72-100 м/с, т.е. в 15-20 раз (Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Часть 1. М: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 464 с.) В результате чего частота собственных колебаний в резонансной трубе резко снижается (также в 15-20 раз), происходит «уход» с резонанса.5) The ingress of gas or cavitation bubbles into the liquid leads to a sharp decrease in the speed of sound in the resulting gas-liquid mixture. It is known that when the gas content is only 1-2%, the speed of sound in water decreases from ~ 1500 m / s to 72-100 m / s, i.e. 15-20 times (Nigmatulin RI Dynamics of multiphase media.
Таким образом, попытка применить в устройстве-прототипе принцип генерирования резонансных пульсаций реализована через гармоники высокого порядка, что приводит к резкому снижению эффекта колебаний, т.е энергия пульсаций используется неэффективно.Thus, an attempt to apply the principle of generating resonant pulsations in a prototype device is realized through high-order harmonics, which leads to a sharp decrease in the effect of oscillations, i.e., the pulsation energy is used inefficiently.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности процессов диспергирования, интенсификация массообмена, снижение энергетических затрат за счет точной регулировки и реализации стабильных резонансных пульсаций на основных гармониках колебаний в дополнительных элементах аппарата - одной или нескольких резонансных камерах.The objective of the invention is to increase the efficiency of dispersion processes, intensify mass transfer, reduce energy costs due to precise adjustment and the implementation of stable resonant pulsations at the main harmonics of vibrations in the additional elements of the apparatus - one or more resonant chambers.
Поставленная задача достигается тем, что в роторно-импульсном аппарате, содержащем корпус с расположенным соосно ему статором цилиндрической либо конической формы, состоящий из неподвижных ребер, соосный ему ротор цилиндрической либо конической формы, соответственно форме статора, с установленными на нем ребрами, с образованием между неподвижными ребрами статора и вращающимися ребрами ротора зазора, при этом между соседними ребрами ротора и между соседними ребрами статора выполнены отверстия для прохода фаз, а вал ротора соединен с приводом, корпус снабжен центральным патрубком для ввода фаз и периферийным патрубком для отвода продуктов, а между корпусом и статором выполнена кольцевая камера, согласно изобретению, к кольцевой камере в нижней части корпуса подключена одна или несколько резонансных камер, заполненных жидкостью, при этом на противоположном от корпуса конце каждой из резонансных камер установлен выпускной клапан, резонансные камеры выполнены с возможностью плавной регулировки их объема, предпочтительно при помощи поршней с регулируемым положением, соединенных с исполнительными устройствами, а к корпусу подключены один или несколько датчиков давления, сигнал с которых подается на контроллер, с возможностью управления объемом резонансных камер путем подачи управляющего сигнала на исполнительные устройства.The problem is achieved in that in a rotary-pulse apparatus containing a housing with a cylindrical or conical stator arranged coaxially to it, consisting of fixed ribs, a cylindrical or conical rotor coaxial to it, corresponding to a stator shape, with ribs mounted on it, with the formation between fixed stator ribs and rotating ribs of the gap rotor, while holes for passage of phases are made between adjacent ribs of the rotor and between adjacent ribs of the stator, and the rotor shaft is connected to iodine, the housing is equipped with a central branch pipe for phase input and a peripheral pipe for product withdrawal, and an annular chamber is made between the housing and the stator, according to the invention, one or more resonance chambers filled with liquid are connected to the annular chamber in the lower part of the housing; an exhaust valve is installed at the end of each of the resonance chambers, resonance chambers are made with the possibility of smooth adjustment of their volume, preferably by means of pistons with an adjustable position, with integrated with actuators, and one or more pressure sensors are connected to the housing, the signal from which is supplied to the controller, with the ability to control the volume of the resonance chambers by supplying a control signal to the actuators.
Поставленная задача достигается тем, что в способе эксплуатации роторного-импульсного аппарата, заключающемся в подаче исходных компонентов в корпус аппарата, отводе продуктов из него, в передаче вращательного движения ротору, согласно изобретению, в ходе работы аппарата при помощи контроллера и исполнительных устройств происходит плавное изменение объема каждой из резонансных камер таким образом, чтобы сигнал, поступающий с датчиков давления, достигал максимального значения, соответствующего резонансу колебаний в системе «корпус - резонансные камеры».The problem is achieved in that in the method of operation of the rotary-pulse apparatus, which consists in feeding the source components to the apparatus body, removing products from it, in transmitting rotational motion to the rotor, according to the invention, a smooth change occurs during operation of the apparatus using the controller and actuators the volume of each of the resonance chambers in such a way that the signal coming from the pressure sensors reaches a maximum value corresponding to the resonance of oscillations in the system “housing - ezonansnye camera. "
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства: продольный разрез А-А и поперечный разрез.In FIG. 1 shows a General view of the proposed device: a longitudinal section aa and a transverse section.
Заявляемые устройство и способ позволяют обеспечить повысить эффективность процессов диспергирования, интенсифицировать массообмен, снизить энергетические затраты за счет использования резонансных колебаний в системе «корпус аппарата - резонансные камеры». А благодаря наличию системы тонкой регулировки длины резонансных камер и контроля амплитуды давления с обратной связью удается поддерживать резонансные колебания при вариациях свойств обрабатываемой среды (изменению плотности и скорости звука при нагреве и т.п.).The inventive device and method allows to increase the efficiency of dispersion processes, to intensify mass transfer, to reduce energy costs through the use of resonant vibrations in the system "apparatus - resonant chambers". And thanks to the presence of a system of fine adjustment of the length of the resonance chambers and control of the pressure amplitude with feedback, it is possible to maintain resonance vibrations with variations in the properties of the medium being processed (changes in the density and speed of sound during heating, etc.).
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.
Роторно-импульсный аппарат содержит корпус 1 с внутренним статором 2 цилиндрической либо конической формы с внутренними неподвижными ребрами 3, соосный статору 2 ротор 4 цилиндрической либо конической формы (соответственно форме статора 2), с установленными на нем ребрами 5. Между неподвижными ребрами 3 статора 2 и вращающимися ребрами 5 ротора 4 образован зазор δ, при этом между соседними ребрами 5 ротора и между соседними ребрами 2 корпуса выполнены отверстия (называемые также прорезями или окнами) для прохода фаз, а вал 6 ротора 4 соединен с приводом (на фиг. 1 не показан). Неподвижные ребра 3 статора 2 могут иметь форму столбиков цилиндрической, призматической или иной формы, пластин плоской или изогнутой формы. Статор 2 может также в виде оболочки цилиндрической или конической формы с прорезями, в этом случае ребрами 3 являются части оболочки между прорезями. Таким же образом могут быть выполнены и ребра 5 - они могут иметь форму радиальных ребер, как показано на фиг. 1, либо, при изготовлении ротора в форме цилиндрической или конической оболочки с прорезями, ребрами 5 являются части оболочки ротора между прорезями. Ребра 3 и 5 расположены равномерно по окружности статора 2 и ротора 4 соответственно, поэтому все прорези в роторе 4 имеют одинаковую ширину, равно как и все прорези в статоре 2 имеют одинаковую ширину, но прорези в статоре и в роторе могут по ширине не совпадать. Корпус 1 снабжен центральным патрубком 7 для ввода фаз и периферийным патрубком 8 для отвода продуктов. Между наружной стенкой корпуса 1 и статором 2 находится кольцевая камера 9. К кольцевой камере 9 в нижней части корпуса подключена одна или несколько резонансных камер 10, заполненных жидкостью (как правило, той же жидкостью, которая подается в аппарат), при этом на противоположном от корпуса конце каждой из резонансных камер 10 установлен выпускной клапан 11 (воздухоотводчик для отделения газа или пара из жидкости), резонансные камеры 10 выполнены с возможностью плавной регулировки их объема, предпочтительно при помощи поршня 12 с регулируемым положением. Резонансные камеры 10 имеют протяженную форму, т.е. отношение их длины к поперечному размеру составляет не менее 5-10, и могут быть выполнены в виде прямолинейных или изогнутых цилиндрических труб. Регулировка положения поршней 12 осуществляется за счет исполнительных устройств 13 пневматического, электрического или иного типа. К корпусу 1, преимущественно у места соединения резонансных камер 10 с кольцевой камерой 9, подключены один или несколько датчиков давления 14, сигнал с которых подается на контроллер 15, управляющий объемом резонансных камер 10 путем подачи управляющего сигнала на исполнительные устройства 13.The rotary-pulse apparatus comprises a
При этом система контроллер 15, датчики давления 14, исполнительные устройства 13, поршни 12 совместно с резонансными камерами 10 позволяют обеспечить максимальное усиление пульсаций в рабочем объеме аппарата при резонансе.In this case, the
Устройство работает следующим образом. Аппарат предварительно заполняют обрабатываемой средой, включают привод вращения ротора 5, в корпус 1 роторно-импульсного аппарата через центральный патрубок 7 подают исходные компоненты - суспензию, эмульсию, другие виды смесей. В зазоре 5 между неподвижными ребрами 3 статора 2 и вращающимися ребрами 5 ротора 4, имеющем предпочтительные размеры от 100 до 500 мкм, за счет большой окружной скорости вращения ротора возникают высокие сдвиговые напряжения, способствующие тонкому диспергированию фаз. А за счет прерывания потока двухфазной (или многофазной) смеси, проходящей через отверстия (прорези, окна) между ребрами 3 и 5 внутри аппарата возникают пульсации давления, частота которых определяется соотношением (Балабудкин М.А. О закономерностях гидромеханических в роторно-пульсационных аппаратах// Теоретические основы химической технологии, 1975, т. 9, №5, с. 783-788):The device operates as follows. The apparatus is pre-filled with the medium to be treated, the
где n - частота вращения ротора, об/с;where n is the rotor speed, r / s;
z1 - число прорезей в статоре 2;z 1 - the number of slots in the
z2 - число прорезей в роторе 4;z 2 is the number of slots in the
d(z1, z2) - наибольший общий делитель чисел z1 и z2.d (z 1 , z 2 ) is the largest common divisor of the numbers z 1 and z 2 .
Исходя из известного в математике тождества (Виноградов И.М. Основы теории чисел. М.-Л.: Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1952, 180 с.)Based on the identity known in mathematics (I. Vinogradov, Fundamentals of Number Theory. M.-L.: State. Publishing House of Technical and Theoretical Literature, 1952, 180 pp.)
где (m, n) - наибольший общий делитель для двух целых чисел m и n (d(z1, z2) в формуле (1));where (m, n) is the greatest common factor for two integers m and n (d (z 1 , z 2 ) in formula (1));
[m, n] - наименьшее общее кратное для двух целых чисел m и n,[m, n] is the least common multiple for two integers m and n,
уравнение (1) легко преобразовать к видуequation (1) is easy to convert to
где D(z1, z2) - наименьшее общее кратное для целых чисел z1 и z2.where D (z 1 , z 2 ) is the least common multiple for the integers z 1 and z 2 .
Уравнение (3) позволяет определять частоты пульсаций давления, возникающих внутри аппарата.Equation (3) allows you to determine the frequency of pressure pulsations that occur inside the apparatus.
В ходе работы аппарата при помощи контроллера 15 и исполнительных устройств 13 происходит плавное изменение объема каждой из резонансных камер 10 таким образом, чтобы сигнал, поступающий с датчиков давления 14, достигал максимального значения, соответствующего резонансу колебаний в системе «корпус 1 - резонансные камеры 10».During operation of the apparatus using the
Пульсации давления, возникающие при совпадении окон статора 2 и ротора 4, передаются в кольцевую камеру 9, а из нее - в резонансные камеры 10. Датчики давления 14 преобразуют мгновенные значения давления в корпусе 1 и в кольцевой камере 9, который регистрируется и обрабатывается контроллером 15. Контроллер посредством подачи управляющего сигнала на исполнительные устройства 13 управляет положением поршней 12, за счет чего меняется объем резонансных камер 10.Pressure pulsations that occur when the windows of the
При совпадении длины L резонансных камер 10 (от места соединения с кольцевой камерой 9 до поверхности поршня 12, на фиг. 1 длина L показана вдоль осевой линии резонансной камеры 10) с величиной, кратной четверти длины акустической (звуковой) волны в жидкости, заполняющей резонансные камеры 10, т.е. при выполнении условияIf the length L of the resonance chambers 10 (from the point of connection with the
где k - номер гармоники; значение k=1 соответствует основной гармонике;where k is the number of harmonics; the value k = 1 corresponds to the fundamental harmonic;
λ - длина звуковой волны, м.λ is the sound wavelength, m
Таким образом, резонансные камеры 10 работают как четвертьволновые акустические вибраторы. При возбуждении резонансных колебаний на основной гармонике амплитуда колебаний достигает максимума, и достигается наибольший эффект использования энергии пульсаций, сгенерированных в аппарате.Thus, the
Контроллер 15 управляет положением поршней 10 таким образом, чтобы обеспечить максимальный уровень пульсаций давления, что достигается при выполнении условия (4), преимущественно при k=1, т.е.The
где с - скорость звука в жидкости, заполняющей резонансные камеры, м/с;where c is the speed of sound in the fluid filling the resonance chambers, m / s;
ƒ - частота пульсаций, Гц.ƒ - ripple frequency, Hz.
При этом в кольцевой камере 9 и в рабочем объеме аппарата возникают резонансные пульсации давления, которые приводят к резкому увеличению пульсаций давления и скорости в окнах между ребрами, при этом происходит более тонкое диспергирование фаз, интенсифицируются массообменные процессы. Увеличивается доля энергии, вводимой в двухфазную систему, которая расходуется на выполнение полезной работы, снижаются непроизводительные затраты энергии. В результате повышается эффективность работы аппарата. Применение системы управления подстройкой резонансных камер 10 на резонансную частоту колебаний - котроллера 15 с датчиками давления 14 и исполнительных устройств 13 с поршнями 12 позволяет добиться отслеживания изменений в системе, связанных с нагревом, выделением в ней газов и другими причинами, способными приводить к изменению скорости звука.At the same time, resonant pressure pulsations arise in the
Для автоматического удаления воздуха и других газов, образующих в ходе реакций или выделяющихся при нагреве жидкости при ее нагреве, служат выпускные клапаны - воздухоотводчики 11. Это позволяет исключить существенного изменения скорости звука за счет попадания в жидкость газов и добиться тонкой подстройки на резонанс за счет использования контроллера 15 с датчиками давления 14 и исполнительными устройствами 13 и поршнями 12.For the automatic removal of air and other gases that are formed during reactions or released during heating of a liquid when it is heated, exhaust valves are used — air vents 11. This eliminates a significant change in the speed of sound due to the ingress of gases into the liquid and makes it possible to fine-tune the resonance by using
Пример конкретного выполнения 1.An example of a
В роторно-импульсный аппарат, выполненный по схеме, показанной на фиг. 1, при помощи насоса подают воду с находящейся в ней углеродными нанотрубками в виде агломератов со средним размером 800 мкм. Число прорезей в статоре z1=16, в роторе z2=4. Частота вращения ротора n=1500 об/мин = 25 об/с.In a rotary-pulse apparatus made according to the circuit shown in FIG. 1, using a pump, water is supplied with carbon nanotubes in it in the form of agglomerates with an average size of 800 μm. The number of slots in the stator z 1 = 16, in the rotor z 2 = 4. The rotor speed n = 1500 rpm = 25 r / s.
Наименьшее общее кратное для целых чисел 16 и 4 равно D(16, 4)=16. Согласно формуле (3) частота пульсаций в роторно-импульсном аппарате составляет ƒ=25⋅16=400 Гц. Скорость звука в воде с=1500 м/с. Расчет по формуле (5) дает значение L=937,5 мм. Резонансные камеры 10 выполнены с запасом длиной 1,2 м. При отключенном контроллере 15 (работа аппарата в режиме изобретения-аналога) амплитуда пульсаций в кольцевой камере 9 составила 0,23 бар, а средний размер деагломерированных нанотрубок составил 430 мкм. Потребляемая мощность при этом составила 20 кВт.The smallest common multiple for
При включении контроллера 15 и автоматической настройки на резонансные колебания амплитуда пульсаций в кольцевой камере 9 достигла 0,8 бар, а средний размер деагломерированных нанотрубок снизилась до 5,5 мкм. Уменьшение размера полученных частиц свидетельствует о значительно более эффективном использовании энергии. Потребляемая мощность при этом снизилась до 12 кВт.When the
Пример конкретного выполнения 2.An example of a
В роторно-импульсный аппарат, выполненный по схеме, показанной на фиг.1, при помощи насоса подают воду с находящейся в ней моторным маслом с растворенными в масле солями. Число прорезей в статоре z1=16, в роторе z2=5. Частота вращения ротора n = 3000 об/мин = 50 об/с.In a rotary-pulse apparatus, made according to the scheme shown in figure 1, using a pump serves water with motor oil in it with salts dissolved in the oil. The number of slots in the stator z 1 = 16, in the rotor z 2 = 5. The rotor speed n = 3000 rpm = 50 rpm.
Наименьшее общее кратное для целых чисел 16 и 5 равно D(16, 5)=80. Согласно формуле (3) частота пульсаций в роторно-импульсном аппарате ƒ=50⋅80=4000 Гц. Расчет по формуле (5) дает значение L=93,75 мм. Резонансные камеры 10 выполнены с запасом длиной 0,15 м. При отключенном контроллере 15 (работа аппарата в режиме изобретения-аналога) амплитуда пульсаций в кольцевой камере 9 составляет 0,15 бар, средний размер капель масла в эмульсии, отбираемой из выпускного патрубка 8, составляет 120 мкм, а доля экстрагированных из масла в воду солей составила 35%. Потребляемая мощность при этом составила 18 кВт.The smallest common multiple for
При включении контроллера 15 и автоматической настройки на резонансные колебания амплитуда пульсаций в кольцевой камере 9 достигла 0,73 бар, средний размер капель масла в эмульсии снизился до 20 мкм, а доля экстрагированных из масла в воду солей возросла до 83%. Уменьшение размера капель масла свидетельствует о существенном увеличении эффективности использования энергии. Потребляемая мощность при этом снизилась до 7 кВт.When the
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность процессов диспергирования, интенсифицировать массообмен, снизить энергетических затраты.Thus, the present invention allows to increase the efficiency of dispersion processes, to intensify mass transfer, to reduce energy costs.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018134999A RU2695193C1 (en) | 2018-10-03 | 2018-10-03 | Rotary pulse apparatus and method of its operation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018134999A RU2695193C1 (en) | 2018-10-03 | 2018-10-03 | Rotary pulse apparatus and method of its operation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2695193C1 true RU2695193C1 (en) | 2019-07-22 |
Family
ID=67512361
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018134999A RU2695193C1 (en) | 2018-10-03 | 2018-10-03 | Rotary pulse apparatus and method of its operation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2695193C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU214431U1 (en) * | 2020-08-20 | 2022-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Rotor-impulse apparatus |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2641453A (en) * | 1951-04-21 | 1953-06-09 | Nat Gypsum Co | Pin mixer |
| WO2000001474A1 (en) * | 1998-07-02 | 2000-01-13 | Wella Aktiengesellschaft | Method for producing aqueous emulsions or suspensions |
| RU2335337C2 (en) * | 2006-10-06 | 2008-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью ООО Компания "Чистые технологии" | Rotary-oscillatory device |
| RU2516559C2 (en) * | 2012-07-26 | 2014-05-20 | Владимир Сергеевич Хромых | Rotary pulsating machine |
| RU2591974C1 (en) * | 2015-02-12 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности" | Rotor-pulsation apparatus |
| US9631732B2 (en) * | 2013-11-01 | 2017-04-25 | Mitton Valve Technology Inc. | Cavitation reactor comprising pulse valve and resonance chamber |
-
2018
- 2018-10-03 RU RU2018134999A patent/RU2695193C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2641453A (en) * | 1951-04-21 | 1953-06-09 | Nat Gypsum Co | Pin mixer |
| WO2000001474A1 (en) * | 1998-07-02 | 2000-01-13 | Wella Aktiengesellschaft | Method for producing aqueous emulsions or suspensions |
| RU2335337C2 (en) * | 2006-10-06 | 2008-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью ООО Компания "Чистые технологии" | Rotary-oscillatory device |
| RU2516559C2 (en) * | 2012-07-26 | 2014-05-20 | Владимир Сергеевич Хромых | Rotary pulsating machine |
| US9631732B2 (en) * | 2013-11-01 | 2017-04-25 | Mitton Valve Technology Inc. | Cavitation reactor comprising pulse valve and resonance chamber |
| RU2591974C1 (en) * | 2015-02-12 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности" | Rotor-pulsation apparatus |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU214431U1 (en) * | 2020-08-20 | 2022-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Rotor-impulse apparatus |
| RU222284U1 (en) * | 2023-08-30 | 2023-12-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Rotary pulsation apparatus |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20160346758A1 (en) | Systems and methods for processing fluids | |
| RU2150055C1 (en) | Liquid heating method and device for its embodiment | |
| RU2166987C1 (en) | Cavitation apparatus | |
| EP3072579B1 (en) | Cavitation device | |
| WO2006068537A1 (en) | Method for heat-mass-energy exchange and device for carrying out said method | |
| RU2438769C1 (en) | Rotor-type hydrodynamic cavitator for fluids processing (versions) | |
| CN107265562A (en) | A kind of shearing Hydrodynamic cavitation generating means and Hydrodynamic cavitation process | |
| RU2695193C1 (en) | Rotary pulse apparatus and method of its operation | |
| US3533567A (en) | Apparatus for simultaneous oscillatory treatment of substances or mixtures thereof | |
| WO1980001497A1 (en) | Device for dispersing and homogenizing drilling mud | |
| RU2488438C2 (en) | Device for physicochemical treatment of fluids | |
| RU2495337C2 (en) | Electrically driven pump-sealed rotary heat generator | |
| RU2329862C2 (en) | Disperser-activator | |
| CN109351217A (en) | A kind of phaco device preparing pesticide micro capsule | |
| RU2267364C1 (en) | Method of generation of oscillations of a fluid flow and a hydrodynamic generator of the oscillations | |
| RU2591974C1 (en) | Rotor-pulsation apparatus | |
| RU2124550C1 (en) | Method and installation for processing heavy hydrocarbon material | |
| RU2346733C1 (en) | Cavitation generator | |
| RU2350856C1 (en) | Heat and mass and energy exchange method and device for realisation thereof | |
| RU138045U1 (en) | CAVITATION HYDRAULIC DISPERSANT | |
| RU2434674C1 (en) | Device for physicochemical treatment of fluids | |
| RU2063562C1 (en) | Hydrodynamic radiator | |
| RU2304261C1 (en) | Method and device for heat and mass exchange | |
| RU147896U1 (en) | ELECTRIC HYDRAULIC LIQUID EMULGATOR | |
| RU2381061C2 (en) | Reactor for cavitation treatment of fluids |