RU2321448C2

RU2321448C2 - Rotor milling-disperser

Info

Publication number: RU2321448C2
Application number: RU2006116165/15A
Authority: RU
Inventors: Александр Витальевич Ковалев (RU); Александр Витальевич Ковалев
Original assignee: Александр Витальевич Ковалев; Сидоров Александр Витальевич
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2008-04-10
Also published as: RU2006116165A

Abstract

FIELD: invention refers to milling of materials.

SUBSTANCE: it may be used in processes of dispersing of heterogeneous and homogeneous suspensions, in processes of crushing and activation of different materials in liquid medium and also for heating liquids. Milling-disperser has body inside which there is concentrically located hollow stator and rotor with radial slots. Cavity of rotor has input part formed with input axial socket, output part with mentioned radial slots limited from one side by end-butt wall of rotor and ring middle part. End-butt wall of rotor in zone of ring middle part of cavity of rotor has ring depression, whose surface conjugates surface of central wall of ring middle cavity of rotor with surface of end-butt wall in zone of output part of cavity of rotor. Ring depression has depth deeper then has geometrical surface having an axial cross-section arc of circumference of 90^o and conjugating the same surfaces. Technical result is in increasing of intensification of dispersion, milling, crushing, extraction and mass exchange reactions due to increase of hydraulic impact, tuning on destructive resonance, hydraulic and acoustic cavitation.

EFFECT: increases intensity of dispersion.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измельчению и смешиванию материалов и может быть использовано в процессах диспергирования гетерогенных и гомогенных суспензий, в процессах дробления и активации различных материалов в жидкой среде, в процессах уничтожения патогенных микроорганизмов с применением гидравлических ударов, высоко- и низкочастотного резонанса, гидравлической и акустической кавитации, высокотемпературного воздействия, а также может быть использовано для нагрева жидкостей в целях генерации тепла, преобразовывая электрическую энергию в тепловую с КПД более 100% (теплогенератор).The invention relates to the grinding and mixing of materials and can be used in the processes of dispersing heterogeneous and homogeneous suspensions, in the processes of crushing and activation of various materials in a liquid medium, in the processes of destroying pathogenic microorganisms using water hammer, high and low frequency resonance, hydraulic and acoustic cavitation , high-temperature exposure, and can also be used to heat liquids in order to generate heat, converting electrical energy iju with a thermal efficiency of over 100% (heat generator).

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является роторный аппарат гидроударного действия (смеситель-диспергатор), содержащий радиальный корпус с входным и выходным патрубками. В корпусе концентрично установлены ротор и статор, имеющие щели в боковых стенках. Щели ротора выполнены в виде дозвуковых сопел правильной формы, сужающихся к статору симметрично в независимости от направления движения ротора, а щели статора - расширяющимися в сторону корпуса с симметрично вогнутыми поверхностями. Полость ротора имеет входную часть, образованную входным осевым патрубком, выходную часть с упомянутыми радиальными щелями, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой ротора, и кольцевую среднюю часть. В полости ротора расположены активаторы - лопатки для создания центробежной силы обрабатываемому потоку и всасывания обрабатываемого материала в потоке (см. SU 1586759 А1, В01F 7/12, опубл. 1990 г.).The closest analogue of the invention is a rotary apparatus hydropercussion action (mixer-dispersant), containing a radial housing with inlet and outlet nozzles. A rotor and a stator are installed concentrically in the housing, having gaps in the side walls. The rotor slots are made in the form of subsonic nozzles of the correct shape, tapering to the stator symmetrically regardless of the direction of movement of the rotor, and the stator slots are expanding towards the body with symmetrically concave surfaces. The rotor cavity has an inlet part formed by an inlet axial nozzle, an outlet part with said radial slots bounded on one side by the end wall of the rotor, and an annular middle part. In the rotor cavity there are activators - blades for creating centrifugal force for the processed stream and suction of the processed material in the stream (see SU 1586759 A1, B01F 7/12, publ. 1990).

Недостатком такого аппарата является невысокая скорость прохождения обрабатываемого потока из-за предложенной геометрии полости ротора. Кроме того, из-за симметричности радиально размещенных щелей в роторе и статоре, а также из-за равноудаленности их от корпуса аппарата - ограничена площадь возникновения гидродинамической и акустической кавитации, что отрицательно влияет на диапазон возникающего резонанса и гасит его из-за накладки потоков, так как они хаотичны и взаимоподавляют друг друга. Еще одним недостатком является невозможность увеличения производительности, так как он работает как самовсасывающий насос, и объем обрабатываемого потока ограничен его пропускной способностью.The disadvantage of this apparatus is the low speed of the processed stream due to the proposed geometry of the rotor cavity. In addition, due to the symmetry of the radially placed slots in the rotor and stator, as well as due to their equidistance from the body of the apparatus, the area of occurrence of hydrodynamic and acoustic cavitation is limited, which negatively affects the range of the resulting resonance and dampens it due to the overlap of flows, since they are chaotic and mutually suppressing each other. Another disadvantage is the impossibility of increasing productivity, since it works as a self-priming pump, and the volume of the processed stream is limited by its throughput.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей и увеличение производительности при уменьшении энергозатрат не в ущерб качеству обработки материалов и максимально быстрого нагрева для эффективного получения тепла, интенсификации диспергирования, измельчения, дробления, экстрагирования и массообменных реакций за счет повышения силы гидравлического удара, настройки на разрушающий резонанс, гидравлической и акустической кавитации, а также преобразование электрической энергии через электродвигатель посредством вращения ротора для создания кавитации - в тепловую.The objective of the invention is to expand operational capabilities and increase productivity while reducing energy consumption without compromising the quality of processing materials and heating as quickly as possible for efficient heat generation, intensification of dispersion, grinding, crushing, extraction and mass transfer reactions by increasing the force of hydraulic shock, tuning for destructive resonance , hydraulic and acoustic cavitation, as well as the conversion of electrical energy through electric motors body by rotating the rotor to create cavitation - in the heat.

Поставленная задача решается тем, что измельчитель-диспергатор содержит корпус, внутри которого концентрично расположены полые статор и ротор с радиальными щелями, полость ротора имеет входную часть, образованную входным осевым патрубком, выходную часть с упомянутыми радиальными щелями, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой ротора, и кольцевую среднюю часть. Торцевая стенка ротора в зоне кольцевой средней части полости ротора имеет кольцевое углубление, поверхность которого сопрягает поверхность центральной стенки кольцевой средней части полости ротора с поверхностью торцевой стенки в зоне выходной части полости ротора, причем кольцевое углубление имеет большую глубину, чем имеет геометрическая поверхность, имеющая в осевом сечении дугу окружности 90° и сопрягающая те же поверхности.The problem is solved in that the chopper-dispersant contains a housing inside which the hollow stator and the rotor are arranged concentrically with radial slots, the rotor cavity has an inlet part formed by an inlet axial nozzle, an outlet part with said radial slots bounded on one side by the end wall of the rotor, and the annular middle part. The end wall of the rotor in the region of the annular middle part of the rotor cavity has an annular recess, the surface of which matches the surface of the central wall of the annular middle part of the rotor cavity with the surface of the end wall in the region of the outlet part of the rotor cavity, the annular recess having a greater depth than the geometric surface having axial section of an arc of a circle of 90 ° and matching the same surface.

Углубления указанной глубины создают завихрение потока («гидроподушку») в зоне сопряжения поверхности центральной стенки кольцевой средней части полости ротора с поверхностью торцевой стенки в зоне выходной части полости ротора, в результате которого увеличивается скорость прохождения потока на 25-30%. Кроме того, «гидроподушка» уменьшает нагрузку на нагнетательный насос и на узлы измельчителя-диспергатора, уменьшая таким образом энергопотребление оборудования, увеличивая его КПД.The recesses of the indicated depth create a turbulence of the flow (“hydropillow”) in the interface zone of the surface of the central wall of the annular middle part of the rotor cavity with the surface of the end wall in the area of the outlet part of the rotor cavity, which increases the flow rate by 25-30%. In addition, the "hydraulic cushion" reduces the load on the discharge pump and on the nodes of the grinder-disperser, thereby reducing the energy consumption of the equipment, increasing its efficiency.

В частных вариантах щели ротора могут быть выполнены в виде дозвуковых сопел с наклоном навстречу движению ротора, что позволяет максимально увеличить величины перепада давления между устьем сопла ротора и щелью статора.In private versions, the rotor slots can be made in the form of subsonic nozzles with a slope towards the rotor movement, which allows to maximize the pressure drop between the mouth of the rotor nozzle and the stator slit.

Щели статора, расширяющиеся в сторону корпуса, с несимметричными вогнутыми поверхностями, позволяют равномерно выводить обрабатываемый поток из рабочей зоны смесителя-диспергатора, не гася автоколебания акустической кавитации, и увеличить площадь зоны возникновения вторичного гидроудара и гидродинамической кавитации, что приводит к более интенсивному разрушению, перемешиванию обрабатываемых материалов в жидкой среде, а также генерации тепла.The stator slots, expanding towards the body, with asymmetric concave surfaces, allow the treated stream to be uniformly removed from the working area of the mixer-dispersant without quenching the self-oscillations of acoustic cavitation, and to increase the area of the secondary hydroshock and hydrodynamic cavitation, which leads to more intense destruction, mixing processed materials in a liquid medium, as well as heat generation.

Измельчитель-диспергатор работает как самовсасывающий насос, а также может быть снабжен насосом-нагнетателем, соединенным с входной частью полости ротора и подающим обрабатываемый поток под высоким давлением. Насос-нагнетатель может быть оснащен преобразователем частоты, что позволяет в автоматическом режиме плавно и точно по расчету регулировать скорость обрабатываемого потока, для удержания возникающих в аппарате гидродинамической и акустической кавитации, резонансных колебаний в необходимых, заданных диапазонах и параметрах. Отсутствие в роторе лопаток способствует прохождению потока с обрабатываемым материалом в заданном объеме на единицу времени, что позволяет максимально стабильно использовать создаваемые зоны гидродинамической кавитации и удерживать заданный диапазон гидроакустического резонанса в потоке.The chopper-dispersant works as a self-priming pump, and can also be equipped with a supercharger pump connected to the inlet part of the rotor cavity and supplying the treated stream under high pressure. The pump-supercharger can be equipped with a frequency converter, which allows automatically and smoothly and precisely calculated to regulate the speed of the processed flow, in order to keep the hydrodynamic and acoustic cavitation arising in the apparatus, resonant oscillations in the necessary, given ranges and parameters. The absence of blades in the rotor facilitates the passage of the flow with the processed material in a given volume per unit time, which allows the most stable use of the created zones of hydrodynamic cavitation and to maintain a given range of hydroacoustic resonance in the stream.

Расширяющаяся форма полости, образованная между внутренней поверхностью корпуса, имеющей форму витка спирали, и наружной поверхностью статора, наиболее приспособлена для динамического вывода обрабатываемого потока с рабочей зоны, с заданным диапазоном гидроакустического резонанса, без подавления автоколебаний в потоке, что позволяет продлевать их воздействие на обрабатываемый материал в трубопроводе по замкнутому кругу.The expanding cavity shape formed between the inner surface of the spiral-shaped housing and the outer surface of the stator is most suitable for dynamically removing the treated stream from the working zone, with a given range of hydroacoustic resonance, without suppressing self-oscillations in the stream, which allows prolonging their effect on the processed material in the pipeline in a vicious circle.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид смесителя-диспергатора; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a General view of the mixer-dispersant; figure 2 is a section aa in figure 1.

Измельчитель-диспергатор содержит корпус 1 в форме "улитки" с входным 2 и выходным 3 патрубками. Внутри корпуса концентрично друг другу расположены ротор 4 и статор 5. Внутренняя поверхность ротора имеет в поперечном сечении форму витка спирали, так что зазор между нею и статором расширяется в направлении выходного патрубка 3. В роторе выполнены радиальные щели в виде дозвуковых сопел 6 с наклоном навстречу движению ротора, сужающихся к статору. В статоре выполнены радиальные щели, расширяющиеся в сторону корпуса 1 с вогнутыми поверхностями 7, которые размещены несимметрично относительно оси щели. Такие поверхности в наибольшей степени способствуют возникновению интенсивной гидродинамической и акустической кавитации, чем, например, щели статора, равномерно увеличивающиеся в поперечном сечении от центра аппарата к периферии, или щели статора, расширяющиеся в сторону корпуса и имеющие симметрично вогнутые поверхности, а также способствуют более интенсивному выводу потока из рабочей зоны, что, в свою очередь, исключает гашение, потухание резонансов из-за накладки или торможения потоков.The chopper-dispersant contains a housing 1 in the form of a "snail" with input 2 and output 3 nozzles. The rotor 4 and the stator 5 are arranged concentrically to each other inside the housing. The inner surface of the rotor has a spiral coil shape in cross section, so that the gap between it and the stator extends in the direction of the outlet pipe 3. Radial slots are made in the rotor in the form of subsonic nozzles 6 with an inclined towards them the movement of the rotor, tapering to the stator. The stator is made of radial slots, expanding towards the housing 1 with concave surfaces 7, which are placed asymmetrically relative to the axis of the slit. Such surfaces are most conducive to the emergence of intense hydrodynamic and acoustic cavitation than, for example, stator slots uniformly increasing in cross section from the center of the apparatus to the periphery, or stator slots expanding towards the body and having symmetrically concave surfaces, and also contribute to a more intense the withdrawal of the stream from the working area, which, in turn, eliminates the damping, attenuation of resonances due to lining or inhibition of flows.

Полость ротора имеет входную часть 8, образованную входным патрубком 2, выходную часть 9 с радиальными щелями 6, ограниченную с одной стороны торцевой стенкой 10 ротора, и кольцевую среднюю часть 11. Торцевая стенка 10 ротора в зоне кольцевой средней части полости ротора имеет кольцевое углубление 12, поверхность которого сопрягает поверхность центральной стенки кольцевой средней части 11 полости ротора с поверхностью торцевой стенки 10 в зоне выходной части 9 полости ротора. Кольцевое углубление 12 имеет глубину большую, чем имеет геометрическая поверхность 13, имеющая в осевом сечении дугу окружности 90° и сопрягающая те же поверхности.The rotor cavity has an inlet part 8 formed by an inlet pipe 2, an outlet part 9 with radial slots 6, bounded on one side by the end wall 10 of the rotor, and an annular middle part 11. The end wall 10 of the rotor in the region of the annular middle part of the rotor cavity has an annular recess 12 , the surface of which matches the surface of the Central wall of the annular middle part 11 of the rotor cavity with the surface of the end wall 10 in the area of the output part 9 of the rotor cavity. The annular recess 12 has a depth greater than the geometric surface 13, which has an axial section of a circular arc of 90 ° and mates the same surface.

Измельчитель-диспергатор работает следующим образом.The grinder-dispersant operates as follows.

Приводом измельчителя-диспергатора могут быть такие системы, как электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, гидротурбины и гидроприводы, пневмоприводы, приводы, использующие энергию ветра, и любые другие, которые обеспечивают вращение ротора не менее 750 об/мин.The drive of the grinder-dispersant can be such systems as electric motors, internal combustion engines, hydraulic turbines and hydraulic drives, pneumatic drives, drives that use wind energy, and any others that provide rotor rotation of at least 750 rpm.

Обрабатываемая среда самовсасыванием или под давлением, создаваемым насосом-нагнетателем высокого давления (на фиг. не показан), по входному патрубку 2 корпуса 1 поступает в полость ротора, где из-за углубления 12 создается "гидроподушка", которая увеличивает скорость прохождения потока обрабатываемого материала до 30% за счет исключения трения потока о стенку ротора при повороте жидкости на 90°, в движении, что, в свою очередь, уменьшает нагрузку на подшипники и уплотнения измельчителя-диспергатора, повышая срок его эксплуатации. Далее обрабатываемая среда, попадая в выходную часть полости ротора, дополнительно ускоряется и попадает в щели ротора в виде дозвуковых сопел 6, где ускорение достигает максимального значения. При перекрытии щелей ротора 4 боковыми стенками щелей статора 5 происходит резкое повышение давления - прямой гидравлический удар. Среда обрабатывается последовательно гидроударами по ходу движения ротора. В момент совмещения щелей ротора и статора обрабатываемая среда, получившая высокую кинетическую энергию в дозвуковых соплах полости ротора и щелей ротора, попадает в расширяющуюся щель статора, где происходит резкое повышение давления одновременно с падением скорости среды. При этом в зонах, прилегающих к вогнутым поверхностям 7 щелей статора, возникает вторичный гидроудар о стенки корпуса и гидродинамическая кавитация за счет безпорядочного завихрения потоков, вызывающая низко- и высокочастотный резонанс в обрабатываемой среде (акустическую кавитацию). В процессе гидроударов, при возникновении гидродинамической и акустической кавитации аккумулируется тепловая энергия, которая интенсифицирует массообменные процессы в обрабатываемой среде, также происходит настройка смесителя-диспергатора на необходимый резонанс, равный внутреннему резонансу обрабатываемых материалов, что позволяет разрушать межмолекулярные и межклеточные связи, одновременно нагревая жидкость и обрабатываемый материал.The medium to be processed by self-priming or under pressure created by a high-pressure pump-supercharger (not shown in Fig.), Enters the rotor cavity through the inlet pipe 2 of the housing 1, where a "hydraulic cushion" is created due to the recess 12, which increases the flow rate of the processed material up to 30% due to the exclusion of flow friction against the rotor wall when the fluid rotates 90 °, in motion, which, in turn, reduces the load on the bearings and seals of the grinder-dispersant, increasing its life. Further, the processed medium, getting into the output part of the rotor cavity, is additionally accelerated and enters the rotor slots in the form of subsonic nozzles 6, where the acceleration reaches its maximum value. When the rotor slots 4 are blocked by the side walls of the stator slots 5, a sharp increase in pressure occurs - a direct hydraulic shock. The medium is processed sequentially by water hammer along the rotor. At the moment of combining the rotor and stator slots, the processed medium, which received high kinetic energy in the subsonic nozzles of the rotor cavity and the rotor slots, enters the expanding stator slit, where a sharp increase in pressure occurs simultaneously with a decrease in the medium velocity. At the same time, in the zones adjacent to the concave surfaces of the 7 stator slots, a secondary hydroshock occurs on the housing walls and hydrodynamic cavitation due to random swirling of flows, which causes low- and high-frequency resonance in the medium being processed (acoustic cavitation). During hydroshocks, when hydrodynamic and acoustic cavitation occurs, thermal energy is accumulated, which intensifies the mass transfer processes in the medium being processed, and the mixer-disperser is tuned to the necessary resonance equal to the internal resonance of the processed materials, which allows breaking intermolecular and intercellular bonds while heating the liquid and the processed material.

Claims

1. A chopper-dispersant containing a housing, inside which the hollow stator and rotor are arranged concentrically with radial slots, the rotor cavity having an inlet part formed by an inlet axial nozzle, an outlet part with said radial slots bounded on one side by the end wall of the rotor, and an annular middle part, characterized in that the end wall of the rotor in the region of the annular middle part of the cavity of the rotor has an annular recess, the surface of which matches the surface of the central wall of the annular cp days of the part of the rotor cavity with the surface of the end wall in the area of the output part of the rotor cavity, and the annular recess has a greater depth than the geometric surface having an axial section of a circular arc of 90 ° and matching the same surfaces, and the inner surface of the housing has the shape of a spiral section perpendicular to the axis of the rotor and stator.

2. The chopper-dispersant according to claim 1, characterized in that the radial slots in the rotor are made in the form of subsonic nozzles tapering towards the stator, and the stator slots are made expanding towards the body with concave surfaces.

3. The chopper-dispersant according to claim 2, characterized in that the concave surfaces of the stator slots are made asymmetric about the axis of the slit, and the rotor nozzles are inclined towards its movement.

4. The chopper-dispersant according to claim 1, characterized in that it is equipped with a supercharger pump connected to the input part of the rotor cavity.