RU2040962C1

RU2040962C1 - Rotor dispergator

Info

Publication number: RU2040962C1
Application number: RU92008509A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Витальевич Кореневский
Original assignee: Геннадий Витальевич Кореневский
Priority date: 1992-11-25
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 1995-08-09

Abstract

FIELD: grain materials grinding. SUBSTANCE: rotor dispergator has body, that has stator in the form of nozzle apparatus and rotor in the form of working wheel of centrifugal pump with blades bent forward in direction of rotation, and also has peripheral ring of activator with system of canals, located in plane of rotation. Canals are made cylindrical so that their axes are mainly perpendicular to direction of liquid motion, that exits from nozzles. Due to rotor and nozzle apparatus speed of liquid (suspension) exit is significantly increased and presence of ring-activator allows to realize in input part of canals process of particles destruction during their hitting solid wall and each other. Conditions for cyclical decrease and increase of pressure are formed there and that allows to realize process of cavitation destruction of particles. EFFECT: efficiency of grain materials grinding. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измельчению зернистых материалов и может быть использовано в процессах диспеpгирования суспензий и обработки загрязненных рабочих жидкостей. The invention relates to the grinding of granular materials and can be used in the processes of dispersing suspensions and processing contaminated working fluids.

Известны диспергаторы с различными принципами действия. Согласно принятой классификации методов диспеpгирования и диспергирующих устройств диспергаторы разделяются по принципу действия: а) за счет ударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных полостей; б) за счет энергии удара о наковальню частиц, движущихся с потоком жидкости. Dispersants with various principles of action are known. According to the accepted classification of dispersion methods and dispersing devices, dispersants are divided according to the principle of action: a) due to shock waves arising from the collapse of cavitation cavities; b) due to the energy of impact on the anvil of particles moving with the fluid flow.

Известен также роторный аппарат гидроударного действия, который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению. Указанное устройство содержит корпус с концентричным ротором и статором, имеющим щели в боковых стенках. Щели ротора выполнены в виде дозвуковых сопл, сужающихся к статору, а щели статора расширяющимися в сторону корпуса с вогнутыми поверхностями. Диспергирование суспензий осуществляется за счет двух последовательных гидроударов прямого гидравлического удара в момент перекрытия сопла и при гидродинамической кавитации (вторичный гидроудар). В описании работы указанного роторного диспергатора дана неверная физическая интерпретация происходящих в нем процессов, что делает возможным дальнейшее повышение эффективности подобного рода устройств. Так первая стадия измельчения частиц порождается резким повышением давления в результате прямого гидравлического удара. На самом деле повышение давления лишь следствие гидравлического удара, возникающего при частичном и полном перекрытии сопла. Само по себе повышение давления жидкости при гидравлическом ударе (12 х 10⁵ Па) не может быть причиной механического разрушения сплошных частиц, например, таких как сталь, бронза и др. В то же время известно, что при ударе о твердую стенку при скорости потока 30-40 м/с такие частицы эффективно разрушаются. В указанном устройстве также имеет место соударение частиц с твердой стенкой, но в качестве наковальни выступают участки внутренней цилиндрической поверхности статора (перемычки), разделяющие расширяющиеся каналы.Also known rotary apparatus hydropercussion action, which is the closest in technical essence to the claimed invention. The specified device contains a housing with a concentric rotor and a stator having slots in the side walls. The rotor slots are made in the form of subsonic nozzles, tapering to the stator, and the stator slots expanding towards the body with concave surfaces. The dispersion of suspensions is carried out due to two consecutive hydraulic shock of direct hydraulic shock at the moment of shutting off the nozzle and during hydrodynamic cavitation (secondary hydraulic shock). The description of the operation of the indicated rotary dispersant gives an incorrect physical interpretation of the processes occurring in it, which makes it possible to further increase the efficiency of such devices. So the first stage of particle grinding is generated by a sharp increase in pressure as a result of direct hydraulic shock. In fact, the increase in pressure is only a consequence of the water hammer that occurs when the nozzle is partially and completely blocked. In itself, an increase in fluid pressure during water hammer (12 x 10 ⁵ Pa) cannot be the cause of mechanical failure of solid particles, such as steel, bronze, etc. At the same time, it is known that when it hits a solid wall at a flow rate 30-40 m / s such particles are effectively destroyed. In this device, there is also a collision of particles with a solid wall, but sections of the inner cylindrical surface of the stator (lintels) separating the expanding channels act as an anvil.

В качестве первого отличительного признака известного устройства указано на наличие щелей в роторе, выполненных в виде дозвуковых сопл. Однако для практически несжимаемых жидкостей (вода и т. п.) получение сверзвуковых скоростей истечения из сопл невозможно, но и для достижения звуковых скоростей (для воды 1430 м/с) необходимо сработать в сопле перепад давления порядка 10⁹ Па, получение которого в ротационных гидромашинах за счет центробежных сил технически неосуществимо. Таким образом, характеристика сопла как дозвукового ошибочно заимствована из технической термодинамики (газодинамики), а применительно к роторному диспергатору следует говорить только о сужающемся канале (сопле), как средстве увеличения скорости истечения жидкости (суспензии). В качестве второго отличительного признака этого устройства указано, что в статоре щели выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности и утверждается, что такие поверхности в наибольшей степени способствуют возникновению интенсивной гидродинамической кавитации. Однако периодическое перекрывание выходного сечения сопел перемычками статора может вызывать только интенсивное вихреобразование за кромками каналов (щелей) статора. Понижение давления в жидкости до уровня достаточного для наступления кавитации возможно только в центрах вихрей, доля которых в объеме жидкости, прилегающей к каналу статора весьма мала. Система сопел, являясь продолжением межлопаточных каналов рабочего колеса центробежного насоса, способствует дополнительному повышению давления в потоке в радиальном направлении (к периферии), что будет тормозить образование кавитационных полостей, а, следовательно, снижается интенсивность процессов диспеpгирования взвесей в жидкости.As the first distinguishing feature of the known device, the presence of slots in the rotor made in the form of subsonic nozzles is indicated. However, for practically incompressible liquids (water, etc.), obtaining supersonic velocities from the nozzles is impossible, but to achieve sound velocities (for water 1430 m / s) it is necessary to operate a pressure drop of about 10 ⁹ Pa in the nozzle, which is obtained in rotational hydromachines due to centrifugal forces is not technically feasible. Thus, the characteristic of a nozzle as a subsonic is erroneously borrowed from technical thermodynamics (gas dynamics), and as applied to a rotary disperser, we should only speak of a narrowing channel (nozzle) as a means of increasing the rate of fluid (suspension) outflow. As a second distinguishing feature of this device, it is indicated that in the stator, the slots are made expanding towards the body and have concave surfaces, and it is claimed that such surfaces contribute most to the occurrence of intense hydrodynamic cavitation. However, periodic overlapping of the nozzle exit section by the stator bridges can only cause intense vortex formation beyond the edges of the stator channels (slots). A decrease in the pressure in the liquid to a level sufficient for cavitation to occur is possible only at the centers of the vortices, the fraction of which in the volume of liquid adjacent to the stator channel is very small. The nozzle system, as a continuation of the interscapular channels of the impeller of a centrifugal pump, contributes to an additional increase in pressure in the flow in the radial direction (to the periphery), which will inhibit the formation of cavitation cavities, and, consequently, the intensity of dispersion of suspensions in the liquid decreases.

Целью изобретения является повышение эффективности процессов диспергирования суспензий (взвесей) за счет увеличения интенсивности первой стадии измельчения частиц при соударении о твердую стенку и друг с другом, а также второй стадии измельчения частиц с помощью ударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных полостей. The aim of the invention is to increase the efficiency of dispersion processes of suspensions (suspensions) by increasing the intensity of the first stage of particle grinding upon impact against a solid wall and with each other, as well as the second stage of particle grinding by means of shock waves arising from the collapse of cavitation cavities.

Поставленная цель достигается тем, что в известном роторном диспергаторе, содержащем корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор с каналами в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, статор выполнен в виде соплового аппарата с сужающимися в направлении движения жидкости соплами, а ротор выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса с лопатками, загнутыми вперед по ходу вращения рабочего колеса, а также периферийного кольца-активатора с системой каналов, оси которых преимущественно перпендикулярны направлению движения жидкости, выходящей из сопл, причем каналы с входной стороны попеременно перекрываются межсопловыми перемычками статора. This goal is achieved by the fact that in the known rotary disperser containing a housing inside which the rotor and stator are concentrically mounted with channels in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor, the stator is made in the form of a nozzle apparatus with nozzles tapering in the direction of fluid movement, and the rotor is made in the form the impeller of a centrifugal pump with vanes bent forward in the direction of rotation of the impeller, as well as a peripheral activator ring with a system of channels, the axes of which are mainly perpendicular to the rule of motion of the fluid exiting the nozzles, and the channels from the input side are alternately overlapped by the nozzle bridges of the stator.

Ротор состоит из центральной и периферийной частей, между которыми располагается неподвижный сопловой аппарат (статор). Центральная часть ротора представляет из себя рабочее колесо центробежного насоса с малой степенью реактивности (лопатки загнуты вперед по ходу вращения рабочего колеса), что позволяет большую часть напора, сообщаемого потоку в колесе, преобразовать в скоростной напор (кинетическая энергия потока) и соответственно уменьшить долю статического напора (потенциальная энергия давления потока). Такое соотношение наиболее благоприятно для реализации двух стадий измельчения частиц: увеличение скоростного напора приводит к росту скорости потока на выходе из рабочего колеса (на входе в сопловой аппарат) и соответственно к увеличению скорости выхода потока из соплового аппарата; уменьшение статического напора способствует незначительному повышению давления в радиальном направлении (к периферии), что важно с точки зрения зарождения и развития кавитационных полостей (внутреннее вскипание жидкости из-за локального понижения давления в жидкости). The rotor consists of a central and peripheral parts, between which there is a fixed nozzle apparatus (stator). The central part of the rotor is an impeller of a centrifugal pump with a low degree of reactivity (the blades are bent forward in the direction of rotation of the impeller), which allows most of the pressure imparted to the flow in the wheel to be converted into a high-speed head (kinetic energy of the flow) and, accordingly, to reduce the proportion of static head (potential energy of flow pressure). This ratio is most favorable for the implementation of two stages of particle grinding: an increase in the velocity head leads to an increase in the flow velocity at the exit of the impeller (at the entrance to the nozzle apparatus) and, accordingly, to an increase in the rate of flow exit from the nozzle apparatus; a decrease in static pressure contributes to a slight increase in pressure in the radial direction (to the periphery), which is important from the point of view of nucleation and development of cavitation cavities (internal boiling of a liquid due to a local decrease in pressure in the liquid).

Каналы соплового аппарата (сопла) выполнены так, что одна из стенок канала совпадает по направлению с тангенциальной составляющей абсолютной скорости потока на выходе из рабочего колеса. Это способствует безударному входу потока в сопловой аппарат, а также увеличивает протяженность канала в направлении движения потока, что в свою очередь позволяет стабилизировать поле скоростей потока на выходе из сопла. The channels of the nozzle apparatus (nozzle) are designed so that one of the channel walls coincides in direction with the tangential component of the absolute flow velocity at the exit of the impeller. This contributes to the shock-free flow inlet into the nozzle apparatus, and also increases the length of the channel in the direction of flow, which in turn makes it possible to stabilize the flow velocity field at the nozzle exit.

Периферийная часть ротора кольцо-активатор содержит систему цилиндрических каналов, оси которых составляют с направлением окружной скорости угол существенно больший 90^о (например 120-140^о), что в свою очередь уменьшает абсолютную скорость потока на выходе из каналов и снижает потери энергии в спиральной камере отвода диспергатора. Боковая поверхность входной части цилиндрического канала выполняет функцию наковальни, на которой происходит освобождение энергии удара частиц, движущихся в потоке в направлении преимущественно перпендикулярном оси канала. Цилиндрическая поверхность канала изменяет траекторию движения частиц из прямолинейной в криволинейную, что увеличивает вероятность взаимного соударения частиц и их разрушения. Совокупное взаимодействие частиц с наковальней и друг с другом способствует интенсификации первой стадии измельчения частиц взвесей. Наличие малого радиального зазора между сопловым аппаратом и кольцом активатором позволяет практически замыкать цилиндрический канал со стороны его входа с помощью межсопловой перемычки статора при их относительном смещении. При быстром перекрытии входного сечения канала создаются условия для разрыва сплошности потока, который имеет место ввиду инерции столба жидкости, движущейся в канале. Таким образом, в достаточно большом объеме жидкости возникают кавитационные полости, что в сочетании с последующим резким повышением давления в канале способствует интенсификации второй стадии измельчения частиц взвесей.The peripheral portion of the rotor ring comprises a cylindrical channel activator system whose axes make with the direction of the circumferential velocity substantially greater angle ⁹⁰ (e.g. ^about 120-140), which in turn reduces the absolute flow velocity at the outlet of the channel and reduces energy loss in the volute dispersant outlet. The lateral surface of the inlet of the cylindrical channel performs the function of an anvil, on which the energy of impact of particles moving in the stream in the direction mainly perpendicular to the axis of the channel is released. The cylindrical surface of the channel changes the trajectory of the particles from straight to curved, which increases the probability of mutual collision of particles and their destruction. The combined interaction of particles with the anvil and with each other contributes to the intensification of the first stage of grinding particles of suspensions. The presence of a small radial clearance between the nozzle apparatus and the ring activator allows you to practically close the cylindrical channel from the side of its inlet using the inter-nozzle jumper of the stator with their relative displacement. With a quick overlap of the inlet channel section, conditions are created for the flow continuity breaking, which takes place due to the inertia of the liquid column moving in the channel. Thus, cavitation cavities arise in a sufficiently large volume of liquid, which, combined with a subsequent sharp increase in pressure in the channel, contributes to the intensification of the second stage of grinding particles of suspensions.

На фиг. 1 схематично показан роторный диспергатор, поперечное сечение; на фиг. 2 то же, продольное сечение; на фиг. 3 иллюстрация, поясняющая механизм взаимного столкновения и измельчения частиц взвесей. In FIG. 1 schematically shows a rotary dispersant, a cross section; in FIG. 2 the same, longitudinal section; in FIG. 3 illustration explaining the mechanism of mutual collision and grinding of particles of suspensions.

Роторный диспергатор состоит из корпуса 1 со спиральной камерой отвода суспензии, входного 2 и выходного 3 патрубков, ротора 4, выполненного в виде рабочего колеса центробежного насоса, неподвижного соплового аппарата (статора) 5 с системой сопел 6 и жестко связанного с ротором кольца-активатора 7 с системой цилиндрических каналов 8. The rotary disperser consists of a housing 1 with a spiral chamber for discharging the suspension, input 2 and output 3 nozzles, rotor 4, made in the form of a centrifugal impeller, a stationary nozzle apparatus (stator) 5 with a nozzle system 6 and an activator ring 7 rigidly connected to the rotor with a system of cylindrical channels 8.

Роторный диспеpгатор работает следующим образом. Поток жидкости (суспензии) подается на вход 2 корпуса 1, откуда он попадает в межлопаточные каналы ротора 4. В рабочем колесе центробежного насоса происходит преобразование механической энергии вращения ротора в гидравлическую энергию потока жидкости. При этом наличие лопаток, загнутых вперед по ходу вращения ротора, приводит к тому, что доля скоростного напора жидкости на выходе из колеса существенно больше доли статического напора. Выходя из межлопаточных каналов ротора 4, жидкость направляется в неподвижный сопловой аппарат 5, в соплах которого происходит увеличение скорости истечения (и уменьшение давления) жидкости до требуемой величины, например 30-40 м/с. Выходные сечения сопел 6 аппарата 5 циклически сообщаются с цилиндрическими каналами 8 кольца-активатора 7 или перекрываются межканальными перемычками. Число каналов 8 в кольце-активаторе 7 делается некратным числу сопел 6 аппарата 5, что исключает одновременное перекрытие всех сопел 6 и возникновение гидравлического удара в подводящих трубопроводах. В момент прохождения входного сечения канала 8 мимо выходного сечения сопла 6 происходит взаимодействие высокоскорстного потока жидкости с цилиндрической поверхностью канала 8, ориентированной преимущественно перпендикулярно направлению истечения жидкости из сопла 6. При взаимодействии с твердой стенкой канала 8 и друг с другом частиц взвесей высвобождается энергия удара, которая расходуется на измельчение частиц (1-я стадия измельчения). Rotary dispersant operates as follows. The flow of liquid (suspension) is fed to the input 2 of the housing 1, from where it enters the interscapular channels of the rotor 4. In the impeller of the centrifugal pump, the mechanical energy of rotation of the rotor is converted into the hydraulic energy of the fluid flow. Moreover, the presence of blades bent forward in the direction of rotation of the rotor leads to the fact that the fraction of the high-pressure head of fluid at the wheel exit is significantly greater than the proportion of static head. Leaving the interscapular channels of the rotor 4, the fluid is directed to a stationary nozzle apparatus 5, in the nozzles of which an increase in the rate of outflow (and decrease in pressure) of the fluid to the desired value, for example 30-40 m / s, takes place. The output sections of the nozzles 6 of the apparatus 5 are cyclically communicated with the cylindrical channels 8 of the activator ring 7 or are overlapped by inter-channel jumpers. The number of channels 8 in the activator ring 7 is made multiple by the number of nozzles 6 of the apparatus 5, which eliminates the simultaneous overlap of all nozzles 6 and the occurrence of water hammer in the supply pipelines. At the moment of passage of the input section of the channel 8 past the output section of the nozzle 6, a high-speed fluid flow interacts with the cylindrical surface of the channel 8, oriented mainly perpendicular to the direction of fluid flow from the nozzle 6. When interacting with the solid wall of the channel 8 and the suspension particles with each other, impact energy is released, which is spent on grinding particles (1st stage grinding).

При вращении кольца-активатора 7 относительно соплового аппарата 5 имеет место циклическая коммутация части каналов 8 с соплами 6. При этом остальные каналы 8 располагаются против межсопловых перемычек, которыми каналы 8 замыкаются с входной стороны. Перекрытие входного сечения канала 8 означает мгновенное уменьшение расхода на входе в канал практически до нуля. Однако, вследствие инерции столба жидкости в канале 8, а также попутного действия центробежных сил расход на выходе из него не может мгновенно уменьшиться до нуля. Это обстоятельство способствует разрыву сплошности потока и резкому уменьшению давления во входной части канала 8. В результате этого создаются условия для образования кавитационных полостей. При сообщении канала 8 со следующим по ходу движения соплом 6 происходит практически мгновенный рост давления в входной части канала 8 и, соответственно, захлопывание кавитационных полостей. Наличие двух указанных факторов приводит к росту интенсивности измельчания частиц за счет кавитации (2-я стадия измельчения). Далее измельченные частицы с потоком жидкости выносятся в спиральную камеру корпуса 1, а через патрубок 3 происходит удаление готовой суспензии. When the activator ring 7 is rotated relative to the nozzle apparatus 5, there is a cyclic switching of a part of the channels 8 with the nozzles 6. In this case, the remaining channels 8 are located against the inter-nozzle jumpers, by which the channels 8 are closed on the input side. Overlapping the inlet section of channel 8 means an instantaneous decrease in flow rate at the inlet of the channel to almost zero. However, due to the inertia of the liquid column in channel 8, as well as the associated action of centrifugal forces, the flow rate at the outlet from it cannot instantly decrease to zero. This circumstance contributes to the discontinuity of the flow and a sharp decrease in pressure in the inlet of the channel 8. As a result, conditions are created for the formation of cavitation cavities. When the channel 8 communicates with the nozzle 6 following the direction of travel, an almost instantaneous increase in pressure occurs in the inlet part of the channel 8 and, accordingly, the collapse of cavitation cavities. The presence of these two factors leads to an increase in the intensity of particle grinding due to cavitation (2nd stage of grinding). Next, the crushed particles with a fluid flow are carried out into the spiral chamber of the housing 1, and through the pipe 3 the finished suspension is removed.

В предлагаемой конструкции роторного диспергатора используются два фактора ускорения потока перед измельчением частиц применен ротор в виде рабочего колеса центробежного насоса с малой степенью реактивности и неподвижный сопловой аппарат, обеспечивающий значительное увеличение скорости потока. Этим достигается повышение интенсивности первой стадии измельчения частиц взвесей за счет их соударения с твердой стенкой и друг с другом. Наличие в кольце-активаторе цилиндрических каналов циклически соединяемых с соплами и отсоединяемыми от них позволяет интенсифицировать процесс образования и захлопывания кавитационных полостей, а, следовательно, и повысить эффективность процесса на второй стадии измельчения частиц. Совокупное влияние перечисленных конструктивных факторов позволит существенно повысить эффективность процесса диспергирования суспензий и повысить их качество. In the proposed design of the rotary dispersant, two factors are used to accelerate the flow before grinding the particles. The rotor is used in the form of an impeller of a centrifugal pump with a low degree of reactivity and a stationary nozzle apparatus, which provides a significant increase in the flow rate. This achieves an increase in the intensity of the first stage of grinding particles of suspensions due to their collision with a solid wall and with each other. The presence in the activator ring of cylindrical channels cyclically connected with nozzles and disconnected from them allows one to intensify the process of formation and collapse of cavitation cavities, and, consequently, to increase the efficiency of the process at the second stage of particle grinding. The combined influence of the listed design factors will significantly increase the efficiency of the process of dispersing suspensions and improve their quality.

Claims

1. A ROTOR DISPERSANTER containing a housing inside which a rotor and a stator are concentrically mounted with channels in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor, characterized in that the stator is made in the form of a nozzle apparatus with nozzles tapering in the direction of fluid movement, and the rotor is made in the form of a working wheels of a centrifugal pump with vanes bent forward in the direction of rotation of the impeller, as well as a peripheral activator ring with a system of channels, the axes of which are mainly perpendicular to the direction of movement of the liquid ti exiting the nozzles, the channels on the inlet side alternately overlapped webs mezhsoplovymi stator.

2. The dispersant according to claim 1, characterized in that the channels are cylindrical.