МАШИНОСТРОЕНИЕ

Роторно-модуляционным аппаратом

Называется такой аппарат (имеющий в своем составе ротор), в котором происходит преобра­зование (модуляция) потенциальной и кинети­ческой энергии, подводимой к аппарату (про­пускаемой через аппарат) рабочей жидкости (или смеси жидкости с твердыми частицами, жидкостью или газом), в энергию других видов - в основном, акустическую, кавитационную, тепловую и кинетическую энергию пульсаци - онного, разгонно-тормозного движения. Эти аппараты применяют в химической, пищевой, горнодобывающей, угольной, парфюмерной, фармацевтической, машиностроительной и других отраслях промышленности для обра­ботки систем жидкость - жидкость, жидкость - твердое тело и газ - жидкость, на технологиче­ской стадии диспергирования: получения двух­фазных и многокомпонентных в общем случае эмульсий (дисперсий, суспензий) как концен­трированных, так и разбавленных.

Исследованию рот орно-модуляционных аппаратов посвящено большое количество ра­бот [2, 7, 23 -25,51,52].

Классификация роторно-модуляцион - ных аппаратов. Основными частями роторно- модуляционного аппарата являются соосные ротор и статор с отверстиями (каналами), по­мещенные в полом корпусе (рабочей камере) с некоторым зазором относительно друг друга. В них реализуются следующие основные факто­ры воздействия на жидкую гетерогенную сре­ду: механический; гидродинамический (в том числе кавитационный); гидроакустический (в том числе кавитационный).

В роторно-пульсационных (РПА) и гид­родинамических аппаратах роторного типа (ГАРТ) основными являются механический и гидродинамический факторы воздействия. Ве­личина зазора между ротором и статором в них сравнима с геометрическими параметрами ка­налов - шириной или высотой.

В роторных аппаратах с модуляцией по­тока (РАМП) и роторно-импульсных аппаратах (РИА) основными являются гидродинамиче­ский и гидроакустический факторы воздейст­вия. Величина зазора между ротором и стато­ром в них мала по сравнению с поперечными размерами каналов ротора и статора.

Классификация роторно-модуляционных аппаратов по различным признакам представ­лена в табл. 3.3.6.

Основной конструктивный признак аппа­рата определяется формой и расположением каналов ротора и статора относительно оси вращения ротора. По этому признаку роторно- модуляционные аппараты разделяются на ра­диальные (обрабатываемая среда движется в каналах ротора и статора в радиальном направ­лении), аксиальные (обрабатываемая среда движется в аксиальном направлении) и ради- ально-аксиальные (обрабатываемая среда дви­жется в направлении, промежуточном между аксиальным и радиальным). Этот признак в наибольшей мере определяет особенности рас­чета параметров аппарата.

Основные конструкции роторно-моду­ляционных аппаратов. Независимо от типа роторно-модуляционные аппараты работают в соответствии с одним принципом - расход обрабатываемой среды периодически изменя­ется по определенному закону, т. е. модулиру­ется как во времени, так и в пространстве, при­чем закон модуляции определяется геометри­ческими (конструктивными) и режимными характеристиками аппарата.

Компоненты обрабатываемой среды от­дельно или совместно подаются в аппарач че­рез входной патрубок при помощи внешнего насоса (для роторно-модуляционных аппаратов аксиального типа) или самотеком и (или) под действием внешнего насоса (для роторно - модуляционных аппаратов радиального типа). Затем под действием внешнего давления и центробежных сил (в аппаратах аксиального типа центробежные силы инерции напора не создают) обрабатываемая среда поступает в рабочую камеру через совпадающие в опреде­ленные моменты времени каналы ротора и статора.

Таким образом происходит модуляция течения - обрабатываемая среда изменяет свои
кинематические характеристики (скорость и ускорение), периодически испытывая ускоре­ние и торможение, вследствие чего возникают значительные знакопеременные напряжения (при этом возможно возникновение кавитации и связанных с ней напряжений), действующие на обрабатываемую среду. Модуляция течения характеризуется несимметрией во времени, поскольку процесс ускорения обрабатываемой среды более продолжителен, чем процесс тор­можения, при этом на этапе торможения отри­цательное ускорение по абсолютному значе­нию значительно превышает положительное ускорение на этапе ускорения.

Кроме указанных факторов на обрабаты­ваемую среду воздействуют значительные ка­сательные (сдвиговые) напряжения в зазоре между ротором и статором, турбулентность, пульсации, вибрации, акустические колебания, гидродинамическая и акустическая кавитация.

Затем из рабочей камеры аппарата обра­батываемая среда вытекает через выходной трубопровод в бак готовой продукции или (в случае необходимости) на линию циркуляции для повторной обработки.

Ротор и статор могут иметь любую фор­му. Наибольшее распространение получили дисковые роторы и статоры (в аппаратах акси­ального типа) и цилиндрические и конические роторы и статоры (в аппаратах радиального типа). В конических аппаратах при помощи относительного осевого перемещения ротора и статора можно регулировать величину ради­ального зазора между ними как при исследова­нии, так и при промышленной наладке и пуске аппарата в эксплуатацию.

Отверстия (каналы) в роторе и статоре могут иметь поперечное сечение различной формы (прямоугольное, круглое, треугольное, эллиптическое, Т-образное, Г-образное и др.). Кроме того, каналы ротора и статора могут быть одинаковыми или отличаться между со­бой в зависимости от назначения аппарата. Отверстия круглого сечения наиболее просты в изготовлении. Их обычно выполняют в про­мышленных установках с относительно малой производительностью. В тех случаях, когда необходимо обрабатывать десятки кубических метров жидкой среды в час, отверстия в роторе и статоре следует выполнять прямоугольного сечения.

Основное влияние на технологические процессы оказывают следующие геометриче­ские параметры роторно-модуляционного ап­парата:

Ширина отверстий по дуге вращения внешней боковой поверхности ротора ар и

Статора ас;

Расстояние между краями соседних кана­лов Ь;

Толщина боковых стенок (для роторно - модуляционных аппаратов радиального типа) или толщина дисков (для роторно - модуляционных аппаратов аксиального типа)

Ротора /р и статора /с, которые определяют

Инерцию жидкости при ее течении из каналов ротора через каналы статора в рабочую камеру;

Радиальный (для роторно-модуляционных аппаратов радиального типа) и аксиальный (для роторно-модуляционных аппаратов акси­ального типа) зазор 5.

Режимными параметрами являются пере­пад давлений между входом в аппаратат и вы­ходом из него Др и угловая скорость ротора Q.

Роторно-модуляционный аппарат ради­ального типа с регулируемым радиальным зазором между ротором и статором представ­лена на рис. 3.3.25, аксиального типа - на рис. 3.3.26 и радиально-аксиального типа - на рис. 3.3.27, радиального типа с нерегулируе­мым радиальным зазором между ротором и статором - на рис. 3.3.28.

Основные технические данные типичного роторно-модуляционного аппарата радиально­го типа приведена ниже.

Производительность, mV4..................................... 0... 10

Частота вращения ротора, мин-1............................. 0.. .3600

Число каналов.

В роторе................................................................. 40

В статоре............................................................... 10...40

Частота генерации импульсов давления (частота модуляции

Обрабатываемой среды), кГц........................................ 0.. .2,5

Радиальный зазаор между ротором и

Статором, мм..................................................................... 0,05... 1,00

Радиус внешней поверхности ротора, мм 70. .100 Радиус внутренней поверхности

Рабочей камеры, мм....................................................... 100...200

Мощность электродвигателя, кВт........................ 1... 4

Ширина каналов, мм:

TOC \o "1-3" \h \z ротора................................................................... 1...3

Статора................................................................... 2

Высота каналов, мм:

Ротора................................................................... 6

Статора................................................................. 5

Конусность боковых поверхностей

Ротора и статора,0............................................................ 0...6

Диапазон рабочих температур, °С......................... 10... 100

Расчет основных технологических ха­рактеристик и конструктивных размеров, энергетических затрат и мощностей приво­дов. Расчет основных технологических харак­теристик и конструктивных размеров роторно - модуляционного аппарата ведется на основе решения нестационарного уравнения Бернулли для модулятора аппарата, образованного кана­лами ротора и статора и зазором между ними. Для роторно-модуляционного аппарата акси­ального типа основное уравнение имеет вид:

.с/г л , v2 г Vі Bvv Ар

L — + л/ — + £ — +--------- = —;

Dt 2d 2 2d р

(3.3.11)

Для роторно-модуляционного аппарата ради­ального типа

. dv If 2 Bvv

Le— + - ^v +--------------------------------------

E dt 2 Г d

P 2

(3.3.12)

Где = - мгновенное значение

Средней по сечению канала статора скорости (среднерасходной скорости); Q(t) - объем­ный расход жидкости как функция времени; Sо - площадь сечения канала статора (выход­ного отверстия модулятора); /е = I + (l + Г^х

/ті - эффективная длина модулятора

(прерывателя); Г - квадратный корень из от­ношения площади выходного отверстия моду­лятора (выходного отверстия канала статора) к площади входного отверстия модулятора (вход­ного отверстия канала ротора); / - суммарная

Толщина боковых стенок ротора и статора и зазора 5 между ротором и статором; X - коэф­фициент гидравлического сопротивления тре­ния; d - гидравлический диаметр каналов пре­рывателя; Др - перепад давлений на модуля­торе; £ - суммарный коэффициент местного гидравлического сопротивления; В - коэффици­ент гидравлического сопротивления, учиты­вающий потери напора, линейно зависящие от скорости жидкости; v - коэффициент кинемати­ческой вязкости жидкости; р - плотность обра­батываемой среды; Q - угловая скорость рото­ра; - радиус внешней поверхности ротора.

Коэффициент гидравлического сопротив­ления модулятора аппарата

' <? л2

(3.3.13)

В S(t)

Площадь сечения системы каналов

Ротора и с і агора, своооднач ыя протекания обрабатываемой среды (приходное сечение) в данный момент времени; зависит от скорости вращения ротора, формы сечения каналов и зазора между ротором и статором.

Значения коэффициентов 8 и В приведе­ны ниже.

0,1 0,2 0,25 0,3 0,4

Є............ и, ы 0,61 0,62 - 0,62 0,63

В........ - - - 3000

При протекании обрабатываемой среды по каналам подвижного ротора и неподвижно­го статора в промежутке времени 0, a/(QR)

Гидравлическое сопротивление модулятора уменьшается, а в промежутке времени

2aj(flR) увеличивается, поэтому на

Первом этапе: длительностью t0 = a/(QR)

Обрабатываемая среда ускоряется, а на втором этапе (особенно в его конце) - замедляется. Характерные зависимости среднерасходных величин скорости V и ускорения dvldt обраба­тываемой среды от времени t в модуляторе роторно-модуляционного аппарата представ­лены на рис. 3.3.29.

На основе решения основного уравнения определяются:

Средний за период модуляции Т расход обрабатываемой среды

1 Т

(<Q) = ZS0-\v(t)dt;

0

Где Z - число каналов в роторе (статоре) аппа­рата; рк - гидростатическое давление обраба­тываемой среды в рабочей камере; pv(Q) -

Давление насыщенных паров основного жидко­го компонента обрабатываемой среды в рабо­чей камере аппарата при температуре 8; Д/?0Тр - глубина отрицательного импульса

Давления (по абсолютному значению), генери­руемого при торможении обрабатываемой сре­ды в модуляторе аппарата.

Период модуляции

Т= а + Ь QR '

Для эффективного проведения техноло­гического процесса (диспергирование, гомоге­низация, растворение, смешение др.) в кавита - ционном режиме работы аппарата требуется выполнение условия X < 1. Это условие опре­деляет эффективность работы роторно-модуля­ционного аппарата в кавитационном режиме, и расчет этого неравенства однозначно опреде­ляет основные кинематические, режимные и геометрические параметры этого аппарата.

Расчет минимальных энергетических за­трат и мощностей приводов производится на основе выражения

Ршп =2тійр^О2/5 + А/?(0) + О,5р

Где /*р - высота боковой поверхности ротора;

[і - коэффициент динамической вязкости обра­батываемой среды.

Первое слагаемое - мощность, расходуе­мая на преодоление сил вязкого трения в зазо­ре между ротором и статором, второе - мощ­ность, связанная с преодолением сил сопро­тивления в подводящем и выходном патрубках аппарата; третье - мощность, соответствующая кинетической энергии обрабатываемой среды.

В безразмерном виде основное расчетное уравнение роторно-модуляционных аппаратов радиального типа

Но

(3.3.18)

Аксиального типа dw

, Но

+ W2 HOЈ(t) + WЈ(T)—= 1, dx SW Re

(3.3.19)

Критерий гомохронности

Где Ho =

2 L

(мера нестационарности потока обрабатывае­мой среды); d - гидравлический (эквивалент­ный) диаметр канала ротора (статора); \2

Ro =

- ротационный коэффициент; масштаб скорости (характерная

Vo

Скорость), tq =------ - масштаб времени (ха -

C1R

Рактерное время); w = v/vq - безразмерная (относительная) скорость; x = t/tq - безраз­мерное (относительное) время.

Роторно-модуляционные аппараты целе­сообразно применять при Но1, т. е. при высокой степени нестационарности потока обрабатываемой среды в кавитационном и тур­булентном режимах работы аппарата.

3.3.4. ПЕНООБРАЗОВАТЕЛИ

Пенные аппараты используются для про­ведения процессов очистки газов от пыли и вредных компонентов, для получения новых композиционных материалов с малой удельной плотностью и развитой поверхностью пор, а также для покрытия поверхностей тканей, по­лимерных материалов и металлов тонкой рав­номерной пленкой вспененной жидкости [73]. Обработка материалов пеной позволяет суще­ственно сократить расходы жидкостей и одно­временно улучшить равномерность обработки поверхности.

Все пенные аппараты по принципу созда­ния пены можно разделить натри группы:

Колонного типа, в которых пена образу­ется при диспергировании газа в жидкости за счет наличия статических решеток и, иногда, за счет применения ПАВ;

Циклонно-пенные без статических реше­ток;

Пенообразователи роторного типа. Пенные аппараты колонного типа со статическими решетками [10, 73]. Пенные аппараты, разработанные в ЛТИ им. Ленсовета,

В качестве основного элемента имеют ситча - тую тарелку, на которой происходит образова­ние подвижной нестабильной пены (без введе­ния каких-либо пенообразователей) за счет гидродинамических условий. При этом на та­релке формируется сильно турбулизованный газожидкостный пенный слой в виде быстро движущихся пленок и струй жидкости, тесно перемешанных с пузырьками и струями газа, и обеспечивается большая удельная площадь поверхности контакта фаз в единице объема (до 1000 м2/м3).

Благодаря подвижности пены происходит непрерывное обновление поверхности контак­та, а следовательно, снижается диффузионное сопротивление, повышается скорость процес­сов, и при одинаковых производительностях эти пенные аппараты имеют значительно меньшие габаритные размеры по сравнению с рядом аппаратов другого типа.

Однако из-за начилия тарелок в активном объеме максимальная допускаемая скорость газа в пенных аппаратах не превышает 3,5 м/с, при очистке газов от абразивных пылей проис­ходит износ тарелок, а следовательно, изменя­ется первоначальный гидродинамический ре­жим работы.

В одноступенчатом пенном уловителе со­довой пыли исходный запыленный газ входит в патрубок 9 (рис. 3.3.30), проходит через решет­ку 2 и вспенивает жидкость, поступающую в аппарат по штуцеру 6. В слое пены осуществ­ляется очистка воздуха от пыли. Избыточная и загрязненная жидкости сливаются через порог З в нижнюю часть пенного аппарата и выво­дятся через штуцер 8. Очищенный воздух, от­ражаясь от каплеотбойника 5, выходит через патрубок 10.

Обычные пенные аппараты с провальны­ми решетками при повышении скорости газа (по свободному сечению) выше 2 м/с входят в пульсирующий режим с волновыми пульса­циями слоя пены. Поэтому пенные аппараты с провальными решетками выполняют со стаби­лизаторами 3 слоя пены (рис. 3.3.31), представ­ляющие собой пакетные насадки высотой па­кета 50 или 60 мм с квадратными ячейками 30x30 и 35x35 мм. Постановка стабилизатора пены позволяет устойчиво работать при скоро­сти газа до 3 м/с.

В промышленности нашли применение многополочные пенные аппараты с более вы­соким КПД абсорбции или пылеулавливания (рис. 3.3.32). Для поддержания постоянной высоты пенного слоя 80... 150 мм в аппарате имеются переливной порог 7, сливная коробка 8, перелив 9 и гидрозатвор 10.

Дальнейшим развитием аппаратов с сит - чатыми тарелками явилась разработка безнаса -

ГЩШ,

^Жидкость

Рис. 3.3.32. Схема многополочного пенного аппарата:

I - корпус; 2 - приемная коробка для ввода газа;

3 - решетка; 4 - диффузор для ввода жидкости;

5 - сепарационное устройство; 6 - пенный слой;

7 - порог; 8 - сливная коробка; 9 - перелив;

10- гидрозатвор

Дочных циклонно-пенных аппаратов [10]. Бла­годаря турбулизации газожидкостных потоков при отсутствии насадки можно уменьшить габаритные размеры и массу аппарата. Безна - садочные циклонно-пенные аппараты допус­кают в активном объеме высокие скорости газа (до 7 м/с и выше) и большую плотность оро­шения. В этих аппаратах вспенивание жидко­сти осуществляется не с помощью решеток, а иными конструктивными средствами. Поток газов в них имеет вид раскручивающейся спи­рали при его тангенциальном подводе.

Тангенциальный поток газа в улитке или кольцевом пространстве между наружным и внутренним цилиндрами аппарата способству­ет пылеотделению (в случае использования аппаратов в качестве пылеуловителей) и обес­печивает возможность устойчивого формиро­вания динамического газожидкостного слоя в виде пены благодаря равномерной подаче газа в активный объем, осуществляемой через входное отверстие по всему периметру внут­реннего цилиндра.

По конструктивным особенностям ци­клонно-пенные аппараты следует отнести к однополочным, поэтому их целесообразно применять для процессов охлаждения и нагре­ва газов, пылеулавливания, а также для аб­сорбции и десорбции только хорошо раство­римых паров и газов.

Эти аппараты весьма эффективны как га­зоохладители, так как позволяют снизить тем­пературу газа до температуры уходящей из аппарата воды при начальных значениях тем­пературы газа до 400 °С. При этом одновре­менно производится хорошая очистка газа от пыли. Они весьма перспективны для адиабат­ного снижения температуры газа, так как не требуют протока воды, эффективны как абсор­беры и десорберы хорошо растворимых паров и газов.

Циклонно-пенные улиточные аппараты

(рис. 3.3.33). Аппарат состоит из полого ци­линдра или конуса 2, улитки 1 для закручива­ния потока газа, поступающего в активное про­странство аппарата, двойного конуса 13 для отвода шлама и отделения пузырьков газа от уходящей из аппарата жидкости, патрубка 4 для подачи жидкости в аппарат, влагоотбойни - ка 5 и каплеуловителя б для отделения капелек жидкости из газа, выходящего из аппарата, патрубка 7 для отвода газа и патрубков 12 к 8 для отвода жидкости. Для частичной стабили­зации уровня пены в аппарате служит конусная вставка 3, а для измерения уровня жидкости в нем - водомерная трубка 11.

Спиральная улитка служит здесь для рав­номерного подвода газового потока к активно­му объему аппарата и частичного преобразова­ния давления газа в динамический напор. В спиральной > литке циклонно-пенных аппара­тов газовый поток имеет противоположное направление по сравнению с потоком в улитке вентилятора.

Циклонно-пенный аппарат с тангенци­альным патрубком (рис. 3.3.34). По оси кор­пуса аппарата с помощью диска 3 установлен внутренний цилиндр 6 с конусом 8 с четырьмя окнами 7 для прохода газа, которые в статиче­ском состоянии частично перекрыты жидко-

Стью, находящейся в бункере 10 с пластинчатой решеткой (рис. 3.3.34). В верхней части внут­реннего цилиндра установлен каплеуловитель 2. Полость аппарата выше диска 3 является сепа- рационной камерой. Уловленная жидкость удаляется из аппарата по сливному патрубку /.

В таком аппарате газ подается через тан­генциально расположенный патрубок 4 в коль­цевое пространство, образованное наружным 5 и внутренним 6 цилиндрами. Получив враща­тельное движение, газ поступает в нижнюю часть аппарата, закручивает жидкость, нахо­дящуюся там, и, понижая ее уровень, входит через окна 7 во внутренний цилиндр. Жид­кость, вытесненная из бункера давлением газа, поднимается по конусной части 8 внутреннего цилиндра, подхватывается и завихряется газо­вым потоком, входящим в цилиндр через окна. При этом во внутреннем цилиндре образуется турбулизованный газожидкостный слой под­вижной пены.

Циклонно-пенные аппараты с осевым патрубком и центробежными и другими завихрителями (рис. 3.3.35). Для обеспечения пенного режима взаимодействия газа с жидко­стью могут быть применены завихрители раз­личных типов, которые обусловливают конст­руктивные особенности циклонно-пенных аппа­ратов.

В аппарате, представленном на рис. 3.3.35, а, обеспечивается равномерность рас­пределения газа, закрученного в горизонталь­ной плоскости на входе в активный объем, создается фиксированная высота пенного слоя, исключаются непроизводительные затраты энергии на раскручивание и вращение невспе -

Ниваемой жидкости в бункере. Это достигается тем, что нижняя часть контактной трубы вы­полнена в виде многоканальной решетки - завихрителя 3, которая установлена непосред­ственно на днище аппарата, а кроме каплеуло - вителя 8 дополнительно установлен сепаратор 4 для разделения динамической пены. Решетка - завихритель существенно усиливает турбули - зацию пенного слоя. Фиксирование высоты пены осуществляется верхним отводом жидко­сти при наличии сепаратора для разделения пены.

Использование решетки-завихрителя по­зволило заменить тангенциальный патрубок, на осевой, что, в свою очередь, дало возможность уменьшить высоту и диаметр корпуса аппарата.

Аппарат содержит корпус /, внутренний цилиндр 2, многоканальную решеїку-завихри - гель 3, установленную на днище аппарата, се­паратор 4 для разделения динамической пены, перегородку 5, делящую аппарат на камеру 6
для ввода и распределения необработанных газов и камеру 7 для разделения динамической пены, каплеуловитель 8 для отделения капель жидкости из газового потока, перегородку 9, служащую для образования сепарационной камеры 10, канал 11 для отвода отсепариро - ванной жидкости, а также патрубки для ввода газа 12 и его вывода 13, для ввода жидкости 14 и ее вывода 15. В случае необходимости внут­ренний цилиндр может быть снабжен отвер­стиями 16 для возврата в него жидкости из камеры для разделения пены.

Такая конструкция аппарата позволяет получить равномерный по сечению и высоте пенный слой независимо от колебаний расхо­дов газа и жидкости.

Пенообразователи роторного типа представляют собой устройства, аналогичные высокоскоростным коллоидным мельницам или турбохемабсорберам в системе газ - жид­кость. В них возможно получение тонкодис­персных пен, особенно при наличии в жидко­сти легко вспенивающихся компонентов.

На рис. 3.3.36 показан такой пенообразо­ватель. Исходные жидкость и газ подаются во входной патрубок 3 в заданном соотношении по газонаполнению пен. Благодаря канавкам 4 на роторе 2 и статоре У возникают мощные пульсации давления в газожидкостной системе и образование устойчивых тонкодисперсных пен. Образующаяся пена под небольшим напо­ром, создаваемым конусным ротором, выбра­сывается через патрубок 7.

Расчет пенного аппарата. Расчет пенно­го аппарата начинают с выбора диаметра от -

Верстий (2...6 мм) и свободного сечения ре­шетки (25...35 % площади отверстий, отнесен­ной к площади аппарата). Затем выбирают высоту слоя пены (50... 150 мм). Высоту над - решеточной части аппарата назначают из диа­пазона 650...800 мм [46].

Расчет КПД процесса пылеулавливания можно вести по критериальным уравнениям [33]:

Для смачиваемой пыли

Л = 0,89z°>005St°'04;

Для плохо смачиваемой пыли

Г| = 0,89z°'005St°'235,

Vr ^ oTdlvv где z = г - -; St = т ; <УГ -

Л-М Мо

Скорость газа по свободному сечению аппарат, м/с; dj - диаметр наибольшего размера улав­ливаемых частиц; /zcq - высота расположения сливного отверстия от решетки; hn - высота переливного порога; - диаметр отверстий.