На рисунке 1 представлена лабораторная установка, которая состоит из приводного асинхронного двигателя 1, многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства проточного типа 2, стальной крепежной опоры 3, приборов регистрации мгновенного давления и расхода 4.

Рисунок 1 – Лабораторная установка многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства

Предварительно подготовленный материал с измельчёнными частицами через входной патрубок поступает в многоступенчатое гидроударно-кавитационное устройство. В процессе функционирования материал разгоняется в направлении отверстий ротора. В момент перекрытия кольцом статора отверстий скорость движения потока резко снижается, происхо­дит гидравлический удар, сжимающие усилия через жидкость передаются на частицы твёрдых веществ, деформируя их. В момент совмещения отверстий ротора и статора нагрузка с частицы снимается, и она испытывает деформацию растяжения. При выходе из отверстия ротора в отверстие статора материал попадает в поле кавитационных импульсов, образованных расширением канала потока в рабочей камере. Под воздействием схлопывающихся пузырьков жидкости разрушаемая частица получает дополнительное разруше­ние от знакопеременных нагрузок. Большая суммарная поверхность кавитационных пузырьков обеспечивает интенсивный диффузионный обмен между жидкой и газовой фазами, в результате чего происходит ускорение активирующих реакций. Далее через выходной патрубок готовый продукт поступает в технологический процесс производства в непрерывном проточном режиме.

С целью определения расстояния между смежными отверстиями в статоре и роторе введем следующие обозначения:  - длина окружности, по которой статор и ротор соприкасаются, м; z – ширина отверстия в статоре и роторе, м; k_с – число отверстий в статоре; k_р – число отверстий в роторе.

Произведение параметров k_с*z – пропускной линейный размер статора. Этот параметр так же характеризуется, как суммарная ширина. Отсюда разность l – k_с*z будет являться сумма промежутков между отверстиями. Расстояние между смежными отверстиями в статоре можно будет определить из выражения , м. Аналогично произведение k_р*z – суммарная ширина отверстий ротора, разность l – k_р*z – сумма промежутков между отверстиями ротора. Расстояние между смежными отверстиями в роторе определится как , м.

Отверстия в статоре и роторе совпадают по форме и размерам. Однако в статоре конструктивно выполнено больше отверстий, чем в роторе. Несовпадение числа отверстий связано с необходимостью стабильной и равномерной работы устройства. При не выполнении данного условия, возникает эффект сплошного гидроудара, который может привести к разрушению самого устройства.

Пусть одно из отверстий в статоре и роторе полностью совпали. Определим на какую общую разность не сойдутся отверстия по следующему выражению:

По причине несовпадения отверстий при вращении ротора ширина щели несколько меньше ширины отверстия z. Обозначим выражение  -  как ∆, тогда ширина 1- ой щели – z; ширина 2 –ой щели – z – ∆; ширина 3-ей щели – z – 2∆ и т.д.

Выражение z=j*∆, означает, что если отверстие с номером j перекроется полностью, то именно там произойдёт гидроудар. Отсюда в отверстиях с номерами j, 3j, 5j и т.д. одномоментно будет происходить гидроудар, т.к. в этот момент они будут полностью закрыты. Количество полностью открытых и полностью закрытых отверстий в которых происходит гидроудар определиться из выражения  .

Определим пропускную способность ступени «статор-ротор». Пропускная способность с 0 – го по j – ое отверстие будет равна:  . Тогда общая проходная ширина определится по выражению:

Полученное значение так же будет являться суммарной проходной способностью.

Если сдвинем ротор на некоторую величину Е<∆, то все отверстия до j – го уменьшатся на величину Е*j, а отверстия от j до 2j увеличатся на эту же величину. Сумма отверстий, т.е. пропускная способность ступени, изменяться не будет. Пропускная способность определяется через параметры z и k. Из выражения z= j*∆ следует, что ∆=z/ j.

Частота ступени связана с параметром k, а параметр z связан с первоначальными размерами частиц, которые являются исходными значениями. Чем больше величина ∆, тем меньше j (номер полностью закрытого отверстия). Величиной ∆ регулируется количество самих гидроударов. Чем больше закрылось отверстие, тем сильнее гидроудар.

После экспериментального определения расхода устройства и вычислив значения сечения щели можно определить среднюю скорость истечения смеси. Для вычисления давления полученную скорость необходимо подставить в формулу Жуковского:

р=ρ(V₁-V₀)a, Н/м²

где:     ρ – плотность суспензии, кг/м³; V₁ иV₀ – скорость движения потока в отверстии ротора до и после перекрытия, м/с; а – скорость распространения ударной волны в отверстии ротора, равная скорости распространения звука в суспензии, м/с [2].

С точки зрения ёмкости всего устройства частоты гидроударов можно классифицировать по двум основным группам: частота для отверстий и частота для межлопастной части устройства. При чём частота для межлопастной части устройства будет в j+1 раз выше, чем у отверстий.

Силу гидроударного сжатия частиц р так же можно определить по формуле Жуковского. Пренебрегая ничтожно малыми конечными скоростями пусть V₀=0 м/с. Тогда V₁ определиться из выражения:

где:     Q – расход, м³/с; m – длина отверстия, м

Если величина р будет превышать прочность частицы, то это приведёт к её разрушению. При р меньшем прочности частицы для достижения требуемого результата частица будет разрушена только при многократном повторении процесса диспергации, либо при условии прохождения через несколько ступеней устройства.

Обозначим толщину стенки ротора (глубина отверстия) – h, м; скорость суспензии V₁, м/с; время движения частицы в отверстии ротора – t, сек. Тогда время прохождения частицы через отверстие ротора определится:  , сек.

Для расчёта частоты гидроударных импульсов в отверстии ротора воспользуемся следующей формулой:

f=n*k_с, об./мин.

где:     n – частота вращения ротора, об./мин.; k_с – количество отверстий в статоре.

Частота гидроударных импульсов в отверстии статора определится по аналогичной формуле f = nk_р (k_р – количество отверстий в роторе).

Тогда время между ударами в отверстии определится как , сек. Если t=t, то частица испытает всего один гидроудар (один в роторе, другой в статоре). Если t<t, то частица испытает некоторое количество гидроударов. Если t>t, то часть суспензии пройдёт насквозь через отверстия и щели статора и ротора и вообще не испытает гидроудара.

На эффективную работу устройства влияет параметр характеризующий волны увеличения и уменьшения давления. Волна увеличения давления обусловлена явлением гидроудара. Волна уменьшения давления возникает в следствии того, что в отверстии ротора происходит повышение давления, что в свою очередь приводит к понижению давления в самом отверстии статора. При чём частота на сжатие в роторе определится как k_р*n, а частота на разряжение в статоре как k_с*n. Понижение давления в большей мере способствует положительному эффекту разрушения частицы, так как разрушающее воздействие на растяжении более эффективно, чем на сжатие [3].

Все выше приведённые параметры и условия характерны для каждой ступени многоступенчатого устройства.

Определим минимально необходимое количество отверстий в статоре и роторе каждой из ступеней устройства для выполнения условия роста импульсной частоты на каждой последующей ступени. Так как все ступени находятся на одном общем валу и n об./мин. у всех ступеней одинаково, то для того чтобы увеличить частоту каждой последующей ступени необходимо исходить из условия 2f=n*2k. То есть необходимо пропорционально увеличить число отверстий. При этом так же требуется и пропорционально уменьшить размер самих отверстий для того, чтобы пропускная способность каждой ступени осталась неизменной. Таким образом, исходя из вышесказанного, для каждой последующей ступени необходимо в 2 раза увеличить количество отверстий, но и, соответственно, в 2 раза уменьшить ширину самих отверстий.

Исходя из того, что в каждой из ступеней будет сохраняться условие V₁^{1ступени}=V₁^{2ступени}=V₁^{3ступени}=V₁^{4ступени}, то и р давление гидроудара будет везде одинаковое р₁^{1ступени}=р₁^{2ступени}=р₁^{3ступени}=р₁^{4ступени}.

На эффективное разрушение частицы так же оказывает влияния такой параметр, как резонансное разрушения частицы при нескольких последовательных гидроударных импульсах. Такие импульсы совпадают с частотой собственных колебаний частицы, что приводит к возникновению эффекта резонанса, который положительно влияет на процесс разрушения частицы.

Таким образом, на эффективную работу многоступенчатого гидроударно-кавитационного проточного устройства оказывает влияние целый ряд параметров: число и размер отверстий в статоре и роторе, пропускная способность ступени, частота вращения ротора, исходный размер поступающей на доизмельчение частицы, давление гидроудара, интенсивность диффузионного обмена между воздушной и жидкой средами, достаточность импульсов для резонансного разрушения частицы, частота на разряжение в статоре и сжатие в роторе.

В зависимости от требуемого гранулометрического состава суспензии подбирается число ступеней устройства и частотные характеристики каждой из них. Для создания эффективного процесса смешивания и доизмельчения в многоступенчатом устройстве предусматривается такая последовательность конструктивно различных колесных пар, которая позволяет получать высокодисперсные, активированные однородные системы.

МГКУ представлено на рис. 1. Устройство содержит входной патрубок 1 и выходной патрубок 2, корпус 3, внутри которого установлены роторы 4, 5, 6, 7 и статоры 9 четырёх ступеней, крышка 10, вал 11 и электропривод 13. Роторы, статоры и направляющие воронки 8 представляют собой ступени, содержащие колёсные пары «статор-ротор» со щелями в боковых стенках и рабочими камерами ступеней 12.

Рисунок 1 – Многоступенчатое гидроударно-кавитационное устройство

Ротор представляет собой полый цилиндр с рядом радиальных, равномерно расположенных по поверхности щелями и направляющими, служащими для разгона жидкой составляющей. Статор выполнен в виде цилиндрического стакана и так же имеет ряд щелей. Количество щелей в роторах и статорах ступени одинаково и направлено на создание гидроударных импульсов различной силы, вызываемых перепадами давлений при периодическом перекрывании щелей ротора и статора.

Обрабатываемый материал через входной патрубок поступает в МГКУ. В процессе его прохождения через ступень устройства он разгоняется в направлении щелей ротора. В момент перекрытия этих щелей кольцом статора движение потока резко снижается, происхо­дит гидравлический удар, сжимающие усилия через жидкость передаются на частицы твёрдых веществ, деформируя их. В момент совмещения щелей ротора и статора нагрузка с частицы снимается, и она испытывает деформацию растяжения. Далее при выходе из щели ротора в щель статора материал попадает в поле кавитационных импульсов, образованных расширением канала потока в рабочей камере МГКУ. Под воздействием схлопывающихся пузырьков жидкости разрушаемая частица получает дополнительное разруше­ние от знакопеременных нагрузок. Большая суммарная поверхность кавитационных пузырьков обеспечивает интенсивный диффузионный обмен между жидкой и газовой фазами, в результате чего происходит ускорение активирующих реакций. Далее через выходной патрубок обработанный продукт поступает в технологический процесс производства.

На эффективное разрушение частицы в устройстве так же оказывает влияния такой параметр, как резонансное разрушения частицы при нескольких последовательных гидроударных импульсах. Такие импульсы совпадают с частотой собственных колебаний частицы, что приводит к возникновению эффекта резонанса, который положительно влияет на процесс разрушения частицы.

Эффективная работа МГКУ определяется многими параметрами: числом, формой и размером щелей в статоре и роторе, пропускной способности ступени, частотой вращения ротора, исходным размером поступающей на обработку частицы, давлением в рабочей камере, силой гидроудара, интенсивностью диффузионного обмена между воздушной и жидкой средами, степенью кавитацинного воздействия, достаточностью импульсов для резонансного разрушения частицы, частотами на разряжение в статоре и на сжатие в роторе.

В зависимости от требуемого гранулометрического состава суспензии подбирается число ступеней устройства и частотные характеристики каждой из них. Для создания эффективного процесса обработки материала в МГКУ предусматривается такая последовательность конструктивно различных ступеней, которая позволяет получать высокодисперсные, активированные однородные системы.