Кавитационный смеситель принцип работы
Обновлено: 04.07.2024
смеситель кавитационного типа
Изобретение относится к смесителям для получения эмульсий путем кавитационной обработки потока жидкостной смеси в теплоэнергетике, металлообработке, в химической, лакокрасочной, пищевой промышленности. Смеситель содержит цилиндрическую рабочую камеру с соосными подводящим патрубком в виде конфузора и отводящим патрубком в виде диффузора. В рабочей камере на входе установлены смесительные элементы в виде многоструйного сопла, за которым установлен патрубок подачи добавочного компонента смеси. По периметру сечения рабочей камеры выполнен порогообразный выступ. По всей длине концевого участка камеры установлены радиальные продольные ребра. Технический результат состоит в повышении надежности и экономичности устройства. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.
Формула изобретения
1. Смеситель кавитационного типа, содержащий рабочую камеру постоянного сечения, подводящий и отводящий патрубки, расположенные соосно рабочей камере по ходу движения потока и выполненные в виде конфузора и диффузора соответственно, смесительные элементы, установленные в рабочей камере, и патрубок подачи добавочного компонента смеси, отличающийся тем, что смесительные элементы выполнены в виде многоструйного сопла, установленного на входе рабочей камеры, при этом оптимальная величина относительной площади многоструйного сопла выбирается из соотношения
где опт - оптимальная величина относительной площади сопла;
A 1 - суммарная площадь сопловых отверстий многоструйного сопла;
A 2 - площадь поперечного сечения рабочей камеры.
2. Смеситель по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности рабочей камеры в начале ее концевого участка выполнен порогообразный выступ, расположенный по периметру поперечного сечения рабочей камеры.
3. Смеситель по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочая камера снабжена радиальными продольными ребрами, расположенными по всей длине ее концевого участка.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области получения эмульсий путем кавитационной обработки потока жидкостной смеси, в частности к устройствам для приготовления эмульсий, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например в теплоэнергетике для приготовления водомазутной смеси и металлообрабатывающей промышленности для приготовления смазывающих и охлаждающих жидкостей, в химической, лакокрасочной, пищевой промышленности и т.д.
Известен статический смеситель непрерывного действия, содержащий цилиндрический корпус с установленными в нем поперечными рядами смесительных элементов, выполненных в виде дисков с отверстиями, расположенных под углом к продольной оси смесителя и снабженных завихрителями. При этом угол наклона отверстий в дисках выполнен увеличивающимся в каждом диске по ходу движения потока, а живое сечение в дисках выполнено уменьшающимся по ходу движения потока [1].
В данной конструкции поток смеси при прохождении через смесительные элементы в виде дисков с отверстиями подвергается многократному внезапному сужению и внезапному расширению, что сопровождается большими потерями энергии потока и приводит к увеличению энергозатрат на преодоление гидравлического сопротивления движению потока смеси. Причем увеличение гидравлического сопротивления и соответственно энергозатрат усугубляется увеличивающимся углом наклона отверстий в дисках, наличием завихрителей и уменьшающимся живым сечением в дисках.
Конструкция такого смесителя недостаточно надежна, так как смесительные элементы подвергаются интенсивному износу под воздействием образующихся вихрей и циркуляционных течений, приводящих к вибрации и выщербливанию материала смесительных элементов.
Кроме того, конструкция не содержит патрубка для подвода добавочного компонента смеси, то есть обрабатываемую смесь необходимо заранее подготовить, что усложняет технологический процесс.
Известен смеситель кавитационного типа, содержащий рабочую камеру постоянного сечения, подводящий и отводящий патрубки, расположенные соосно рабочей камере по ходу движения потока, смесительные элементы, установленные в рабочей камере, и патрубок подачи добавочного компонента смеси. Смесительные элементы выполнены в виде установленных по сечению рабочей камеры последовательно друг за другом цилиндрических обтекателей с насечкой и эллиптических обтекателей, которые установлены, в свою очередь, с возможностью вращения вокруг собственной оси, при этом отношение расстояния между цилиндрическими обтекателями к диаметру обтекателя равно 0,8 . 1,1, а отношение высоты обтекателя к его диаметру равно 0,8 . 1,2. Максимальная интенсивность кавитации, то есть оптимальная длина зоны кавитации за цилиндрическими обтекателями, в известном решении устанавливается равной 1,5 . 3,0 диаметрам цилиндрического обтекателя путем изменения свободного расстояния между эллиптическими обтекателями за счет их поворота вокруг своих осей на угол от 0 до 90 o . Кроме того, подводящий патрубок выполнен в виде диффузора (расширяющегося по ходу течения канала), а отводящий патрубок - в виде конфузора (сходящегося по ходу течения канала)[2].
При определенных режимах работы расположение смесительных элементов (обтекателей) последовательно друг за другом приводит к тому, что последующий ряд обтекателей может оказаться непосредственно в зоне кавитационной эрозии. В этом случае последующий ряд обтекателей будет интенсивно изнашиваться, что приведет к выходу обтекателей из строя и снижению надежности устройства.
Это подтверждается тем, что максимальная интенсивность кавитационной эрозии, приводящая к наиболее интенсивному износу образцов, находящихся в этой зоне, происходит как раз на расстоянии 0,2 . 4 характерных размеров (диаметров) обтекаемых образцов [3, рис. 7, стр. 170].
В другом случае длина зоны кавитации может превышать расстояние между двумя соседними рядами обтекателей. В результате последующий ряд обтекателей не только будет находиться в зоне очагов кавитации и подвергаться износу, но и перестанет выполнять свою основную функцию - побудителя вторичного очага кавитации, интенсифицирующего процесс приготовления смеси, так как захлопывание каверн (пузырьков), заполненных парами жидкости и газом, будет происходить уже за этим рядом обтекателей и дальше поток смеси будет распространяться в трубопроводе. Это также снижает надежность устройства.
Вместе с тем, выполнение подводящего патрубка в виде диффузора, а отводящего патрубка в виде конфузора способствует увеличению энергозатрат, ибо при таком исполнении устройство работоспособно при условии обеспечения достаточно высоких скоростей на входе и на выходе, что приводит к большим потерям энергии на транспорт смеси в трубопроводе.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является принятый в качестве прототипа смеситель, содержащий цилиндрический корпус с осевым каналом ввода первого компонента, трубки с изогнутыми концами для ввода второго компонента смеси, установленные в боковых отверстиях корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения и/или поворота вокруг своей оси и установленные перед трубками кавитаторы, выполненные, например, в виде усеченных конусов, направленных меньшими основаниями навстречу потоку [4].
Часть кавитаторов (завихрителей) выполнена со сквозными отверстиями, при этом завихрители с отверстиями и без них могут быть размещены чередуясь, а площадь сечения предшествующего завихрителя превышает площадь наибольшего сечения последующего.
Второй компонент смеси подается по трубкам непосредственно в зону кавитации за завихрителями, знаки относительных смещений и углов поворота трубок, расположенных за смежными завихрителями, могут быть различны (исходным положением трубки считают такое, когда срез ее изогнутого конца касается центра основания завихрителя, то есть конец трубки находится на оси корпуса). При этом целесообразно, чтобы относительное смещение и угол поворота трубки, расположенной за предшествующим завихрителем, были соответственно больше и меньше, чем соответствующие величины для трубки, расположенной за последующим завихрителем. Угол поворота трубки может лежать в диапазоне 15 - 25 o , относительное смещение конца трубки может составлять 20 - 70%.
Последовательное расположение кавитаторов в данном устройстве может привести к тому, что последующие кавитаторы (по отношению к предыдущим) окажутся в зоне кавитационной эрозии и подвергнутся интенсивному износу. Размещение трубок для ввода второго компонента непосредственно в кавитационной зоне может также привести к их эрозии. Кроме того, последовательное размещение, а также чередование завихрителей с отверстиями и без них приводит к неоправданно высоким гидравлическим потерям за счет резкого торможения потока перед сплошными завихрителями, то есть имеет место трансформация кинетической энергии в потенциальную, затем потенциальной энергии - в кинетическую при каждом последующем разгоне и торможении потока смеси, то есть появляются дополнительные потери энергии по длине проточной части смесителя, даже если каждый из кавитаторов (завихрителей) выполняют свою функцию побудители кавитации. Это приводит к увеличению энергозатрат на преодоление гидравлического сопротивления движению потока смеси.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание смесителя кавитационного типа, конструкция которого более надежна в работе за счет исключения возможности кавитационного износа смесительных элементов и требует меньших энергозатрат на эксплуатацию благодаря уменьшению гидравлического сопротивления движению потока смеси.
Технической задачей, решаемой изобретением, является также уменьшение длины рабочей камеры и соответственно уменьшение осевых габаритов смесителя.
Для решения поставленной задачи в известном смесителе кавитационного типа, содержащем рабочую камеру постоянного сечения, подводящий и отводящий патрубки, расположенные соосно рабочей камере по ходу движения потока и выполненные в виде конфузора и диффузора, соответственно, смесительные элементы, установленные в рабочей камере, и патрубок подачи добавочного компонента смеси, согласно изобретению смесительные элементы выполнены в виде многоструйного сопла, установленного на входе рабочей камеры, при этом оптимальная величина относительной площади многоструйного сопла выбирается из соотношения:
где опт. - оптимальная величина относительной площади сопла;
A 1 - суммарная площадь сопловых отверстий многоструйного сопла;
A 2 - площадь поперечного сечения рабочей камеры.
В частных случаях исполнения устройство характеризуется следующими признаками.
Согласно изобретению на внутренней поверхности рабочей камеры в начале ее концевого участка выполнен порогообразный выступ, расположенный по периметру поперечного сечения рабочей камеры.
Согласно изобретению рабочая камера снабжена радиальными продольными ребрами, расположенными по всей длине ее концевого участка.
Многоструйное сопло обеспечивает дробление потока на несколько высокоскоростных струй и формирует высокоскоростной многоструйный поток. Давление в пограничных слоях струй непосредственно за соплом снижается до давления насыщенных паров, что приводит, с одной стороны, к подсосу добавочной среды (в случае расположения патрубка подачи добавочного компонента смеси непосредственно за многоструйным соплом), а с другой стороны, к интенсивному паровыделению и формированию на некотором удалении от сопла потока высокоскоростной парожидкостной смеси. Далее эта парожидкостная смесь, обладая средней скоростью выше скорости звука, переходит в дозвуковое течение в прыжке перемешивания, где происходят резкое повышение давления, конденсация паров жидкости и захлопывание пузырьков. Благодаря этому осуществляются интенсивное дробление добавочного компонента до мельчайших капелек, их проникновение в несущую среду и, как следствие, образование высокодисперсной эмульсии.
Количество сопловых отверстий ограничивается только степенью очистки жидкости. При этом, чем больше сопловых отверстий, тем больше струй и тем больше очагов кавитации, создаваемых в струйных пограничных слоях. Таким образом, многоструйное сопло обеспечивает создание достаточного количества очагов кавитации для приготовления суспензии, что исключает необходимость второго и последующих рядов смесительных элементов как дополнительных побудителей очагов кавитации. При этом многоструйное сопло находится вне зоны действия кавитации, что способствует повышению надежности устройства.
Вместе с тем обеспечивается только однократный разгон потока и последующее его торможение в рабочей камере. Тем самым снижаются потери энергии.
Выполнение на внутренней поверхности рабочей камеры в начале ее концевого участка порогообразного выступа, расположенного по периметру поперечного сечения рабочей камеры, локально несколько сужает сверхзвуковой поток. Вследствие этого инициируется прыжок перемешивания в конкретном месте рабочей камеры, где сверхзвуковой парожидкостный поток переходит в дозвуковой в виде скачка давления и где одновременно происходит конденсация паров жидкости. Таким образом, порогообразный выступ выполняет функцию побудителя возникновения прыжка перемешивания, что позволяет повысить устойчивость формирования прыжка перемешивания и, как следствие, повысить надежность работы смесителя, а кроме того, дает возможность сформировать прыжок перемешивания на меньшей длине рабочей камеры.
Снабжение рабочей камеры радиальными продольными ребрами, расположенными по всей длине ее концевого участка, где совершается прыжок перемешивания, обеспечивает разделение проходного сечения на несколько каналов. В результате амплитуда колебаний давления в зоне прыжка перемешивания уменьшается, благодаря чему снижаются вибрации, которые распространяются на все устройство и на гидросистему, и, следовательно, повышается надежность устройства. Вместе с тем, радиальные продольные ребра стабилизируют, успокаивают поток, выравнивают профиль скоростей, деформированный в прыжке перемешивания. Это обеспечивает минимальные потери энергии при торможении дозвукового потока в диффузоре. Такое выполнение наиболее целесообразно в том случае, когда поперечные размеры рабочей камеры достаточно велики.
При отсутствии порогообразного выступа радиальные продольные ребра могут выполнять одновременно функцию побудителя прыжка перемешивания.
Эмпирически установлено, что оптимальная величина относительной площади сопла (отношение суммарной площади сопловых отверстий многоструйного сопла к площади поперечного сечения рабочей камеры) находится в пределах, определяемых соотношением:
При соблюдении этого соотношения обеспечивается минимальный перепад давлений на смесителе и, стало быть, минимальные потери энергии в нем, что доказано экспериментально. Выход за пределы оптимальной зоны изменения относительной площади сопла приводит при прочих равных условиях к увеличению потерь давления и, как следствие, к росту энергозатрат на эксплуатацию смесителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен смеситель кавитационного типа, разрез; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - графики изменения относительной величины, отражающей потери энергии в смесителе, в функции относительной площади сопла.
Смеситель кавитационного типа содержит цилиндрическую рабочую камеру 1, расположенные соосно рабочей камере 1 по ходу движения потока подводящий патрубок в виде конфузора 2 и отводящий патрубок в виде диффузора 3, смесительные элементы в виде многоструйного сопла 4, установленного в рабочей камере 1 на ее входе, патрубок 5 подачи добавочного компонента смеси, установленный непосредственно за многоструйным соплом 4. Патрубок 5 может быть установлен в подводящем патрубке - конфузоре 2 (на чертеже не показано). В преимущественном варианте исполнения на внутренней поверхности рабочей камеры 1 в начале ее концевого участка, то есть на расстоянии 2 . 3 диаметров от выходного нормального сечения камеры 1 выполнен порогообразный выступ 6, расположенный по всему периметру поперечного сечения рабочей камеры 1, а по всей длине ее концевого участка установлены радиальные продольные ребра 7.
В других вариантах исполнения рабочая камера 1 может быть снабжена либо только порогообразным выступом 6 (на чертеже не показано), либо только ребрами 7 (на чертеже не показано).
На фиг. 2 представлены графики, выполненные по результатам испытаний, из которых следует, что оптимальной зоной изменения относительной площади сопла 4 является
опт. = 0,45-0,70.
Перепад давлений на смесителе P вх. - P вых. , где (P вх. - давление на входе смесителя, P вых. - давление на выходе смесителя) фактически представляет собой потери давления на смесителе и, следовательно, отражает потери удельной энергии в нем.
Минимуму функции (где P н.п. - давление насыщенных паров) отвечает минимум потерь на смесителе.
При соблюдении соотношения опт. = 0,45-0,70 обеспечивается минимальный перепад давлений на смесителе и, стало быть, минимальные потери энергии в нем во всем практическом диапазоне изменения коэффициентов сопротивления рабочей камеры = 0,08. 1,00 и гидравлически совершенном профилировании других элементов проточной части.
Устройство работает следующим образом.
Один из компонентов смеси, составляющий больший процент, например мазут, насосом по трубопроводу (на чертеже не показано) подают в подводящий патрубок - конфузор 2, который разгоняет поток. Многоструйное сопло 4 обеспечивает дальнейший разгон потока до скорости выше критической и его дробление на несколько струй. Сразу же за соплом 4 формируются высокоскоростные струи, в пограничных слоях которых обеспечивается снижение давления до давления насыщенных паров. В результате непосредственно за соплом 4 образуется зона пониженного давления и организуется эжектирование добавочного компонента смеси из патрубка 5. В этой зоне наблюдается интенсивное паровыделение и на некотором участке за соплом 4 формируется парожидкостный сверхзвуковой поток. Этот поток, перемещаясь, достигает порогообразного выступа 6 в концевом участке рабочей камеры 1, при прохождении через который сечение потока локально сужается, в результате чего в этом месте инициируется прыжок перемешивания (скачок давления). Парожидкостный сверхзвуковой поток в скачке давления переходит в дозвуковой, где происходят резкое повышение давления и интенсивная конденсация паров. В итоге происходят дробление компонентов смеси, их взаимное проникновение друг в друга и получение высокодисперсной стойкой эмульсии. При больших поперечных размерах рабочей камеры 1 (большом диаметре) радиальные продольные ребра 7 стабилизирует поток, выравнивают поле скоростей, уменьшают вибрации. Далее успокоенный дозвуковой поток попадает в отводящий патрубок - диффузор 3, где осуществляется его дальнейшее торможение с минимальными потерями энергии до скорости, приемлемой для транспортирования эмульсии в трубопроводе.
Таким образом, заявляемый смеситель кавитационного типа обеспечивает получение высокодисперсной эмульсии при меньших энергозатратах на эксплуатацию и является более надежным.
Изобретение может найти применение в теплоэнергетике, в металлообрабатывающей, химической, лакокрасочной, пищевой и других отраслях промышленности.
Литература
1. Авт. св. 961140, М.Кл. 6 B 01 F 3/08. Статический смеситель / Заявл. 10.07.79, опубл. 30.09.82.
2. Авт. св. 745050, М.Кл. 6 B 01 F 3/08. Кавитационный реактор / Заявл. 07.10.77, опубл. 07.08.81.
3. Ефимов А.В. К вопросу взаимозависимости кавитационной эрозии, гидравлики потока и формы обтекаемого тела // Исследование сооружений и оборудования гидроузлов: Труды МИСИ, N 67. - М.: МИСИ, 1969. С. 160-173.
4. Авт. св. 2081689, М.Кл. 6 B 01 F 5/00. Смеситель / Заявл, 18.05.94, опубл. 20.06.97.
Кавитационный смеситель
Кавитационный смеситель предназначен для смешения различных жидкостей и их смесей, в том числе воды и водных растворов. Корпус смесителя имеет два диаметрально расположенных резьбовых отверстия, в которые вставлены разгонные форсунки, выходной срез которых выполнен заподлицо с внутренней цилиндрической полостью. В полости коаксиально с зазором установлен цилиндрический полый ротор, который имеет два диаметрально расположенных отверстия. Выходные отверстия разгонных форсунок и отверстия ротора расположены на одной диаметральной оси. Полость ротора выполнена сферической формы и плавно сопрягается с поверхностью конусной полости, образуя полость каплевидной формы, которая заканчивается соплом. Технический результат состоит в увеличении надежности работы и повышении интенсивности смешивания. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к конструкциям смесителей для различных жидкостей и их смесей.
Изобретение с наибольшим эффектом может быть использовано в различных технологических процессах для интенсификации процесса смешения различных жидкостей и их смесей, в том числе воды и водных растворов.
Достоинством данной конструкции смесителя является интенсификация процесса перемешивания жидких сред путем образования вихревого турбулентного течения по всему объему перемешиваемой жидкости.
Наряду с достоинством в этой конструкции мешалки есть и недостатки.
В силу пониженного давления в узкой части сопла в реактивной струе возникают пузырьки, которые на границе поверхности сферического днища, а также мешалки, очень быстро и с большой силой охлопываются, что сопровождается сильными ударами, вызывающими кавитационную эрозию, которая способствует постепенному разрушению поверхности твердых стенок смесителя.
Известна конструкция кавитационного смесителя (А.с. СССР №117933, МПК В01F 7/04, БИ №33, 1985 г.), содержащего корпус с патрубками подачи обрабатываемого материала и реагента отвода полученной смеси, крыльчатки с лопастями кавитирующего профиля, установленные в корпусе с возможностью их осевого перемещения.
Достоинством данного смесителя является то, что с целью интенсификации процесса смешения по всему объему корпуса за счет создания касательных срезающих напряжений и снижения удельных затрат энергии он имеет снабженный кавитаторами кольцевой обтекатель, на внешней и внутренней поверхности которого закреплены лопасти крыльчаток, при этом последние имеют взаимно противоположное направление, патрубок подачи реагента имеет на выходной части его две установленные концентрично по оси корпуса трубы, образующие два выхода для реагента на материал, причем выход по ходу движения материала выполнен в виде конфузора, обтекатель подпружинен и установлен с возможностью осевого перемещения при помощи шариковой муфты на направленном против движения материала выходе с образованием кольцевой камеры и кавитаторы расположены в конфузере, кроме того, конфузор выполнен с образующей по форме кривой синуса.
Однако в заявленном кавитационном смесителе, наряду с достоинствами, имеются существенные недостатки, а именно:
- сложность конструкции крыльчаток с лопастями кавитирующего профиля;
- сложность конструкции подачи реагента.
Положительный эффект интенсификации процесса смешения по всему объему корпуса смесителя путем кавитационного процесса имеет и отрицательный эффект - кавитационную эрозию твердых стенок смесителя.
В движущейся среде возникают пузырьки, которые на границе поверхностей лопастей крыльчаток очень быстро и с большой силой охлопываются, что являются одной из причин быстрого износа лопастей гребных винтов и гидротурбин, работающих с кавитацией (Иванов Б.Н. Законы физики. - М.: Высшая школа, 1986, стр.214, 215).
Известны конструкции гидродинамических аппаратов с использованием эффекта кавитации для интенсификации различных технологических процессов (А.с. 821625 СССР Гидродинамический аппарат для обработки суспензий. К.С.Гордейчук, Е.Д.Малимон. - Опубл. В Б.И. - 1981, №14; Гордейчук К.С., Малимон Е.Д. Особенности обработки водно-волокнистых суспензий в кавитационно-гидродинамических аппаратах с вибраторами; Гидродинамика больших скоростей; КрПИ. - Красноярск, 1981. - С.35-40).
Использование конструкций, имеющих вибраторы со скошенными во взаимопересекающихся плоскостях площадками на торце, совершающими колебания под действием импульсных струй жидкости определенной частоты, приводят к существенному снижению удельных энергозатрат на единицу продукции за счет более полного использования кавитационных явлений. Оптимальная работа аппарата с такими вибраторами возможна при определенном соотношении частот собственных колебаний вибраторов с частотой заданных колебаний импульсными струями. Частота колебаний импульсных струй зависит от частоты перекрытия соответствующих отверстий статорного кольца, расположенного напротив торца вибратора, и от величин отверстий венца ротора (А.с. 821625 СССР. Гидродинамический аппарат для обработки суспензий. К.С.Гордейчук, Е.Д.Малимон - Опубл. В Б.И. 1981. - №4).
Это решение является наиболее близким по технической сущности и принято за прототип.
При вращении ротора импульсные струи, формируемые отверстиями, расположенными в шахматном порядке по образующей венца ротора 1, перекрывают отверстия статорного кольца 2 и поочередно воздействуют с усилием Р1 и Р2 соответственно то на одну, то на другую площадку вибратора 3, вызывая его колебания.
Особенность конструкции этих вибраторов состоит в том, что импульсные струи должны поочередно воздействовать на соответствующие площадки. Кроме того, при колебании вибратора каждая площадка, подвергающаяся воздействию импульсной струи при прохождении вибратором состояния равновесия, должна находиться в таком положении, чтобы воздействие струи поддерживало колебания вибратора (Малимон Е.Д. Особенности применения вибраторов в некоторых типах гидродинамических аппаратов, Межвузовский сборник "Гидродинамика больших скоростей"; КрПИ. - Красноярск, 1989. - С.133-136).
Однако существенным недостатком данной конструкции является кавитационная эрозия торцевых площадок вибратора под действием импульсных струй. Разрушение торцевых площадок вибратора импульсными струями отрицательно влияет на работу гидродинамического аппарата, практически снижает его эффективность, т.к. с разрушением их торцовых площадок импульсные струи не вызывают колебания вибраторов.
Это связано с тем, что импульсные струи создают на торцевых площадках вибраторов значительные давления, а высокоскоростной характер истечения струй через формируемые отверстия венца ротора 1 и статорного кольца 2 сопровождается интенсивным кавитационным явлением.
Образовавшиеся пузырьки, достигнув поверхности препятствия, могут быстро схлопнуться, возбудить ударную волну, что повлечет за собой удар волны по поверхности. Многократные импульсные напряжения приводят к локальным усталостным напряжениям (Гегузин Я.Е. Пузыри. М, 1985. - С.154-158).
Другим недостатком конструкции является снижение упругих сил материала вибратора в силу усталости материала при продолжительной работе и снижение его эффективности, что требует замены изношенных вибраторов на новые, что экономически нецелесообразно.
Целью настоящего изобретения является увеличение надежности работы конструкции и повышение интенсификации смешения различных жидкостей и их смесей путем эффекта взрывной кавитации импульсных струй по всему объему смесителя.
Поставленная цель достигается тем, что корпус кавитационного смесителя имеет диаметрально расположенные два резьбовых отверстия, в которых вставлены разгонные форсунки, выходной срез которых выполнен заподлицо с внутренней цилиндрической полостью.
В нижней части цилиндрическая полость заканчивается коаксиальной канавкой, служащей лабиринтным уплотнением.
Ротор снабжен подшипниковым узлом, корпус которого герметично соединен с корпусом кавитационного смесителя при помощи фторопластового уплотнительного кольца. Кроме того, подшипниковый узел снабжен манжетой для герметизации полости корпуса кавитационного смесителя при вращении ротора. Нижний фланец подшипникового узла имеет коаксиальную канавку, идентичную коаксиальной канавке цилиндрической полости.
Цилиндрический полый ротор в нижней и верхней части заканчивается венцами, которые установлены с зазором в коаксиальные канавки цилиндрической полости и нижнего фланца подшипникового узла.
Для привода ротора с заданной угловой скоростью он имеет вал с подшипниками, на верхнем конце которого установлен шкив.
Для расширения области применения кавитационного смесителя в различных технологических процессах он снабжен эжектором.
Сущность данного технического решения заключается в том, что
- корпус кавитационного смесителя имеет диаметрально расположенные два резьбовых отверстия, в которые вставлены разгонные форсунки, выходной срез которых выполнен заподлицо с внутренней цилиндрической полостью;
- в цилиндрической полости коаксиально установлен цилиндрический полый ротор, который имеет диаметрально расположенные два отверстия, причем выходные отверстия разгонных форсунок и два отверстия ротора расположены на одной диаметральной оси;
- полость ротора выполнена сферической формы, поверхность которого плавно сопрягается с поверхностью конусной полости корпуса смесителя, образуя полость каплевидной формы, которая заканчивается соплом;
- для расширения области применения кавитационного смесителя в различных технологических процессах он снабжен эжектором.
Увеличение надежности работы конструкции достигается путем упрощения конструкции кавитационного смесителя без применения упругих вибраторов.
Применение разгонных форсунок, расположенных диаметрально на одной оси с диаметрально расположенными отверстиями ротора, позволило решить сложную техническую задачу путем повышения интенсификации смешения различных жидкостей и их смесей за счет эффекта взрывной кавитации по всему объему смесителя.
Эффект взрывной кавитации по всему объему смесителя достигается путем неизбежного встречного столкновения двух импульсных струй, создаваемых путем вращения ротора с определенной угловой скоростью.
При прохождении жидкостей через разгонные форсунки в струях образуются микропузырьки, а при столкновении скоростных импульсных струй происходит катастрофическое их разрушение по всему объему смесителя. При этом происходит схлопывание микропузырьков. При схлопывании микропузырьков образуются кумулятивные микроструи со скоростями порядка 200. 1000 м/с и ударным местным давлением порядка 10 3 МПа, которые воздействуют на реагирующие компоненты на расстояниях, соизмеримых с размером молекул (Гидродинамика больших скоростей: Межвузовский сборник, КрПИ; Отв. ред. В.А.Кулагин. - Красноярск, 1989 г. - С.27-32).
Таким образом, интенсивное перемешивание компонентов реагирующих жидкостей по всему объему смесителя создается путем взрывного эффекта встречного катастрофического столкновения кавитирующих импульсных струй.
Кроме того, для достижения протекания оптимального технологического процесса кавитационного смешения различных жидкостей и их смесей кавитационный смеситель снабжен ротором со шкивом для привода ротора с заданной угловой скоростью.
Выполнение внутренней полости кавитационного смесителя в виде полости каплевидной формы уменьшает кавитационную эрозию твердых стенок внутренней полости смесителя в силу идеальной сферической формы, не имеющей на своей поверхности других сложных форм поверхностей, провоцирующих отрицательный эффект разрушения.
На фиг.1 показан общий вид кавитационного смесителя; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - вид Б на фиг.2.
Кавитационный смеситель для перемешивания различных жидкостей и их смесей содержит корпус 1 с двумя резьбовыми отверстиями 2, диаметрально расположенными, в которые вставлены разгонные форсунки 3, выходной срез 4 которых выполнен заподлицо с внутренней цилиндрической полостью 5.
В нижней части цилиндрическая полость 5 заканчивается коаксиальной канавкой 6.
Ротор 7 снабжен подшипниковьм узлом 13, корпус которого герметично соединен с корпусом 1 кавитационного смесителя при помощи уплотнительного кольца 14, например, из фторопласта. Кроме того, подшипниковый узел 13 снабжен манжетой 15 для герметизации полости корпуса 1 кавитационного смесителя при вращении ротора 7. Нижний фланец 16 подшипникового узла 13 имеет коаксиальную канавку 17, идентичную коаксиальной канавке 6 цилиндрической полости 5.
Цилиндрический полый ротор 7 в нижней и верхней части заканчивается венцами 18 и 19, которые установлены с зазором в коаксиальные канавки 6 и 17 цилиндрической полости 5 и нижнего фланца 16 подшипникового узла 13. Венцы 18 и 19 ротора 7 и коаксиальные канавки 6 и 17 служат лабиринтным уплотнением для гашения импульсного давления на герметизирующие детали при работе кавитационного смесителя.
Для расширения области применения кавитационного смесителя в различных технологических процессах он снабжен эжектором 24, корпус 25 которого герметично соединен с соплом 12 корпуса 1 кавитационного смесителя при помощи прокладки 26, например, из фторопласта. Корпус 25 эжектора 24 соединен с соплом 12 корпуса 1 смесителя при помощи резьбового соединения.
Кроме того, эжектор 24 снабжен форсункой 27 и всасывающим патрубком 28, которые герметично соединены с подшипниковым узлом 13 при помощи резьбового соединения болтами 30. Подшипниковый узел 13 снабжен крышкой 31с сальниковым уплотнением 32. Крышка 31 соединена с подшипниковым узлом 13 при помощи резьбового соединения болтами 33. Шкив 23 закреплен на валу 20 при помощи резьбового соединения гайками 34. Подшипниковый узел 13 снабжен дистанционной втулкой 35.
Кавитационный смеситель для перемешивания различных смесей и их жидкостей работает следующим образом.
Затем по разгонным форсункам 3 подают жидкости, например пресную воду по одной разгонной форсунке, а морскую воду по другой разгонной форсунке. Путем поочередного перекрытия и поочередного открытия отверстий 8 и 7 создаются сильные встречные импульсные струи со скоростями, например, 100 м/с, которые неизбежно сталкиваются с удвоенной скоростью 200 м/с. При прохождении струй через форсунки 3 со скоростью 100 м/с в струях образуются кавитационные пузырьки. При столкновении двух таких импульсных струй, создающих значительное противодавление друг другу, кавитационный процесс приобретает катастрофически взрывной характер, в результате чего наблюдается распад жидкости по всему объему смесителя (фиг.3).
При схлопывании микропузырьков образуются кумулятивные микроструи со скоростями порядка 200. 1000 м/с и ударным местным давлением порядка 10 3 МПа, которые воздействуют на реагирующие компоненты на расстояниях, соизмеримых с размером молекул.
Таким образом, взрывной кавитационный процесс позволяет ускорять смешения жидкостей в сотни раз быстрее и эффективнее по всему объему смесителя по сравнению с существующими кавитационными смесителями.
Создавая катастрофически взрывной кавитационный процесс смешения различных жидкостей и их смесей, тем самым можно сокращать время на технологический процесс и увеличивать производительность, повышать эффективность производства.
При смешении двух разных жидкостей в кавитационном смесителе можно к ним добавлять третью жидкость (газ) через эжектор 24 и тем самым придавать необходимые различные свойства смешиваемых сред (фиг.1).
1. Кавитационный смеситель для смешения различных жидкостей, включающий корпус с крышкой и с внутренней цилиндрической полостью, в которой коаксиально с зазором установлен ротор с отверстиями, отличающийся тем, что корпус выполнен с двумя диаметрально расположенными резьбовыми отверстиями, в которых установлены разгонные форсунки, выходной срез форсунок выполнен заподлицо с внутренней цилиндрической полостью корпуса, нижняя часть которой выполнена с коаксиальной канавкой.
2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен полым с двумя диаметрально расположенными одинаковыми отверстиями, причем выходные отверстия разгонных форсунок и отверстия ротора расположены на одной диаметральной оси.
3. Смеситель по п.2, отличающийся тем, что полость ротора выполнена в виде части сферы, поверхность которой плавно сопрягается с поверхностью конусной полости, выполненной в нижней части корпуса, при этом полость ротора и конусная полость корпуса образуют общую полость каплевидной формы, а конусная полость корпуса заканчивается соплом.
4. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что ротор снабжен подшипниковым узлом, корпус которого герметично соединен с корпусом смесителя при помощи уплотнительного кольца из фторопласта, кроме того, подшипниковый узел снабжен манжетой и нижним фланцем, в котором выполнена коаксиальная канавка, идентичная коаксиальной канавке цилиндрической полости корпуса смесителя, при этом ротор в нижней и верхней части снабжен венцами, установленными с зазором в коаксиальных канавках цилиндрической полости корпуса и нижнего фланца подшипникового узла, а смеситель снабжен эжектором, корпус которого соединен герметично с соплом при помощи резьбового соединения и прокладки из фторопласта.
Кавитационный смеситель
Использование: смешение жидкостей. Сущность изобретения: кавитационный смеситель содержит цилиндрический корпус, внутри которого на патрубке закреплен полый кавитатор в виде конуса. Система отражателей обеспечивает отражение обтекающих конус кавитационных струй жидкости в область между кавитатором и центральным отражателем, который расположен нормально к направлению струи жидкости, вылетающей из сопла. Положительный эффект: повышается качество смешения и гидравлический КПД кавитационного смесителя. 2 ил.
Изобретение относится к устройствам для смешения жидкостей.
Известно устройство для смешения жидкостей, содержащее корпус с проточной камерой, в которой установлен инжектор [1] .
Недостатком устройства является отсутствие интенсифицирующего воздействия на процесс перемешивания, в результате чего состав полученной смеси имеет недостаточную гомогенность.
Известно устройство для смешения жидкостей, содержащее корпус с проточной камерой, в которой расположен распылитель [2] .
Однако процесс распыления в условиях избыточного давления основного потока жидкости и при заметной скорости потока подавляется, в связи с чем перемешиванием охватывается лишь доля потока в непосредственной близости от распылителя.
Известен кавитационный смеситель, содержащий цилиндрический корпус, кавитатор в виде полого конуса, подводящий патрубок, выходной конец которого расположен в полости конуса [3] .
Недостатком известного кавитационного смесителя является то, что он имеет недостаточно высокие эксплуатационные показатели по следующим причинам.
Конструкция смесителя предусматривает распыление одной из жидкостей перед их смешением, а именно - той жидкости, которая подается в полость конуса через подводящий патрубок. Попадая в полость конуса, где пространство разрежено, распыляемая жидкость легко испаряется, переходя в парофазное состояние. Вторая же из смешиваемых жидкостей, обтекающая полый конус, практически не испаряется, оставаясь перед смешением в жидкофазном состоянии. Таким образом, после конуса гидромеханическому смешению подлежит пар и жидкость, а смешение веществ, находящихся в разнофазных состояниях, неэффективно. Поэтому качество смешения жидкостей в известном устройстве низкое. Соответственно низкие все технологические показатели, характеризующие работу известного смесителя.
Целью изобретения является повышение эксплуатационных показателей кавитационного смесителя.
Указанная цель достигается тем, что в кавитационном смесителе, включающем цилиндрический корпус с консольно установленным в нем полым кавитирующим конусом и кольцевым отражателем, конец подводящего патрубка на выходе в полость конуса снабжен соплом, против которого между конусом и кольцевым отражателем установлен центральный отражатель, причем рабочая поверхность кольцевого отражателя наклонена к оси корпуса под углом, обеспечивающим отражение кавитационных струй в область между кавитирующим конусом и центральным отражателем, т. е. под острым углом к направлению движения потока.
Снабжение соплом подводящего патрубка на выходе в полость конуса позволяет получать высокоскоростную струю примешиваемой жидкости, а наличие центрального отражателя против сопла между конусом и кольцевым отражателем обеспечивает ударное распыление и отражение этой жидкости в кавитационную полость между центральным отражателем и конусом.
Выполнение отражающей поверхности кольцевого отражателя, наклоненной к оси корпуса под углом, обеспечивающим отражение кавитационных струй в область между кавитирующим конусом и центральным отражателем, обеспечивает ударное распыление и отражение второй из смешиваемых жидкостей также в кавитационную полость, причем распыленные потоки обеих жидкостей взаимопересекаются. Это приводит к образованию гомогенной пылежидкостной смеси смешиваемых жидкостей, а поскольку такая смесь образуется в разреженном пространстве кавитационной полости, то пылежидкостная смесь испаряется. В итоге достигается идеальное качество смешения за счет рационального использования гидравлической энергии потока.
На фиг. 1 изображен кавитационный смеситель; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Смеситель содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого на подводящем патрубке 2 закреплен кавитатор в виде полого конуса 3. Конец патрубка снабжен соплом 4, против которого на стержнях 5 установлен центральный отражатель 6, а против конуса установлен кольцевой отражатель 7, рабочая поверхность 8 кольцевого отражателя наклонена к оси корпуса под острым углом к направлению движения потока, обесточивающим отражение обтекающих конус кавитационных струй жидкости в области между кавитатором 3 и центральным отражателем 6, который расположен нормально к направлению струи жидкости 9, вылетающей из сопла 4.
Кавитационный смеситель работает следующим образом.
Подаваемая в цилиндрический корпус 1 жидкость обтекает кавитатор 3 в виде высокоскоростных кавитационных струй 10. При этом за конусом 3 образуется разреженное пространство-кавитационная полость. Встречая на своем пути преграду в виде кольцевого отражателя 7, кавитационные струи от соударения с ним распыляются с отражением в кавитационную полость благодаря соответствующему наклону рабочей поверхности 8. Одновременно подаваемая в патрубок 2 вторая из смешиваемых жидкостей приобретает большую скорость благодаря соплу 4. Образованная при этом высокоскоростная струя 9 ударяется в центральный отражатель 6 с распылением и отражением пылежидкостной смеси в кавитационную полость. Отраженные жидкопылевые потоки обеих жидкостей взаимопересекаются, образуя пылежидкостную смесь, которая в условиях разреженной кавитационной полости превращается в пар с идеальным перемешиванием жидкостей. Далее парофазная смесь жидкостей устремляется к выходу из корпуса 1 через проходное сечение между кольцевым 7 и центральным 6 отражателями.
Таким образом, за счет рационального использования в смесителе гидравлической энергии потока достигается идеальное смешивание жидкостей, т. е. повышаются эксплуатационные показатели смесителя. (56) 1. Заявка Великобритании N 2089668, кл. В 01 F 5/10, 1980.
2. Авторское свидетельство СССР N 1351642, кл. В 01 F 5/00, 1987.
3. Авторское свидетельство СССР N 1662653, кл. В 01 F 5/06, 1991.
КАВИТАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ , содеpжащий цилиндpический коpпус, кавитатоp в виде полого конуса, подводящий патpубок, выходной конец котоpого pасположен в полости конуса, отличающийся тем, что он снабжен соплом, установленным на выходном конце патpубка, отpажателями, один из котоpых выполнен кольцевым и его pабочая повеpхность наклонена под остpым углом к напpавлению движения потока, а дpугой установлен соосно с соплом между кольцевым отpажателем и конусом.
Читайте также: