КАВИТАТОР

Полезная модель относится к области конструкции устройств для генерации кавитационных явлений для последующего их использования в кавитационных технологиях, связанных с переработкой вязких нефтей, нефтепродуктов, каменноугольной смолы, а также в разработках нефтегазовых месторождений. Полезная модель может быть использована в нефтехимической промышленности, теплоэнергетике, в конструкциях установок для очистки воды и в системах подготовки углеводородных топлив к сжиганию.
Известно устройство, содержащее конфузор, диффузор, сопло, обтекатель, входной и выходной патрубки, завихряющий элемент, выполненный в виде периферийно расположенных сужающихся спиралевидных каналов с выходом в сопло и имеющих в поперечном сечении форму геликоида с соотношением малой и большой осей 0,47…0,75 и с внутренним плавным сужением по длине каналов, которые одновременно закручены с числом витков от 1,5 до 2,5 вокруг конической поверхности в виде сходящихся к вершине конуса спиралей с шагом закрутки, увеличивающимся по мере сужения каналов, также имеющих основной внутренний выступ, который по форме выполнен в виде геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида, и дополнительные внутренние плавные выступы, расположенные с тупого конца геликоида, геликоиды вместе с основным и дополнительными внутренними выступами закручены вокруг своих продольных осей каналов с шагом 0,9…1,3 от наибольшей оси геликоида в направлении, противоположном направлению закрутки геликоидных каналов вокруг конической поверхности, а коническая поверхность, вокруг которой закручены геликоидные каналы, имеет вид поверхности прямого конуса (см. описание патента на изобретение №2516638 от 20 мая 2014 г. FindPatent.ru>patent/251/2516638.html).
Недостатки известного устройства:
1. Узкая область применения в промышленной эксплуатации вследствие прямоточного действия при создании и распространении ультразвуковых волн только в направлении распространения потока жидкости вдоль оси кавитатора.
2. Невозможность формирования и усиления акустических волн, повернутых под углом 90° к направлению первоначального потока жидкости вдоль оси кавитатора.
Указанные недостатки устранены в заявляемой полезной модели, которая направлена на решение задачи повышения кавитационного эффекта.
Указанная цель достигается путем применения элементов, обеспечивающих передачу движения потока жидкости и создание дополнительных условий автомодельного режима для усиления кавитационного эффекта и формирования акустической волны, развернутой на 90° относительно продольной оси кавитатора.
Конструкция заявляемого устройства показана на фиг. 1-3, где позициями обозначены следующие элементы:
1 - конфузор,
2 - диффузор,
3 - сопло,
4 - обтекатель,
5 - спиральные геликоидные каналы,
6 - основные выступы геликоидных каналов,
7 - дополнительные выступы геликоидных каналов,
8 - направление вращения основного вихря,
9 - направление вращения дополнительного вихря,
10 - направления закрутки спиральных геликоидных каналов,
11 - входной патрубок,
12 - выходной патрубок,
13 - конический многогранник,
14 - выходные каналы,
15 - шток,
16 - коническая диафрагма,
17 - дросселирующий канал.
Назначение и взаимодействие элементов следующее.
Конфузор 1 (см. фиг. 1) служит для постепенного сужения площади общего проходного сечения потока жидкости, подаваемой в сопло 3 из входного патрубка 11.
Сопло 3 служит для формирования соосного направления движения потока жидкости относительно поперечного сечения диффузора 2.
Диффузор 2 является непосредственным элементом, в котором возникает кавитация в потоке жидкости, выходящей с высокой скоростью из сопла 3.
Кавитация это образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости в диффузоре 2, которое происходит из-за увеличения ее скорости. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением, кавитационная полость захлопывается, излучая при этом ударную волну с выделением теплоты.
Обтекатель 4 служит для предварительного увеличения скорости жидкости и для периферийного подвода жидкости из входного патрубка 11 к входу в спиральные геликоидные каналы 5, которые предназначены для разделения потока жидкости на отдельные струи и для последующего увеличения скорости движения этих струй путем двойного винтообразного закручивания.
Обтекатель 4 (см. фиг. 1) выполнен в форме круглого прямого конуса. Геликоидные каналы 5 выполнены сужающимися по ходу движения жидкости и одновременно расположены винтообразно на конической поверхности с направлением винтообразной закрутки, обозначенной позицией 10 (см. фиг. 2). Винтообразная закрутка 10 выполнена сходящейся к вершине конической поверхности (на фиг. 1 ось конической поверхности позицией не обозначена).
Одновременно уменьшается площадь ее проходного сечения. Поэтому в струе жидкости возникает центростремительная сила, которая увеличивает скорость движения жидкости в струе.
Число геликоидных каналов от 2 до 10 штук в зависимости от типа жидкости и величин расхода и давления, с которыми подается жидкость насосом.
Форма геликоида канала 5 имеет соотношение малой и большой осей 0,47…0,75, а внутренний плавный выступ 6 (фиг. 3) по форме выполнен в виде геометрической поверхности второго порядка с острого конца геликоида.
Шаг закрутки спиральных геликоидных каналов 5 по конической поверхности переменный и увеличивается по мере увеличения длины канала. Перед выходом в сопло 3 закрутка спиральных геликоидных каналов минимальна. Число витков каналов 5 вокруг конической поверхности составляет от 1,5 до 2,5 в зависимости от назначения кавитатора.
Внутренние выступы 6 (см. фиг. 3) служат закручивания струй в направлении 8, которое противоположно направлению закрутки геликоидных каналов 5 вокруг оси конической поверхности. Вращающийся вихрь 8 предназначен для создания области понижения давления жидкости по ходу ее продвижения по каналу 5, что позволяет увеличивать скорость потока жидкости в струе.
Дополнительные внутренние выступы 7 (см. фиг. 3) служат для возбуждения дополнительных вихрей 9, которые представляют собой своеобразные «жидкостные подшипники» для уменьшения трения, на которых перемещается основная струя жидкости с направлением вращения 8.
Выступы 6 и 7 вместе с острым концом геликоида (на фиг. 3 острый конец позицией не обозначен) закручены винтообразно по длине геликоида. Длина геликоида по наибольшей оси равна 0,45…0,65 от шага винтообразной навивки выступов. Острый конец геликоида (на фиг. 3 позицией не обозначен) через 0,45…0,65 от шага навивки располагается на месте тупого конца геликолида, то есть происходит поворот геликоида на 180°. Таким образом шаг закрутки геликоида и внутренних выступов вокруг оси геликоидного канала составляет 0,9…1,3 от наибольшей оси геликоида.
5
Закрутка выступов 6, 7 (на фиг. 3 позицией не обозначена) противоположна направлению закрутки каналов 10 и совпадает с направлением вращения основного вихря 8. При этом, как указано выше, непосредственно геликоидный канал 5 закручен в направлении 10 по конической поверхности (на фиг. 1 коническая поверхность позицией не обозначена) с числом витков от 1,5 до 2,5. Двойная закрутка приводит к тому, что на участке последнего витка в геликоидных каналах 5 струи жидкости достигают предельной скорости «по растяжению жидкости» без дополнительного повышения давления жидкости во входном патрубке 11. Целостность ее потока нарушается уже на выходе из геликоидных каналов 5. Формируются парообразные полости уже на входном участке сопла 3. При скорости жидкости выше 12 м/с образуется около 7×10 кавитационных каверн в зоне пониженного давления. Затем в полости диффузора 2 происходит схлопывание каверн с давлением в центре около 400 МПа со сферическим распространением ударных волн и формируется ультразвуковое излучение. Кавитационный эффект повышается только за счет двойной закрутки струй жидкости в каналах 5 без дополнительного повышения давления, развиваемого насосом.
Коническая диафрагма 16 с дросселирующим каналом 17 по оси отделяет полость диффузора 2 от полости выходного патрубка 12. Сужающаяся поверхность конической диафрагмы 16 усиливает ультразвуковое излучение и этим достигается положительный кавитационный эффект по сравнению с известной конструкцией.
Дросселирующий канал 17 служит для дозированного пропускания жидкости в направлении конического многогранника 13. При передаче потока жидкости на выходе из канала 17 в полость выходного патрубка 12 дополнительно обеспечивается условие автомодельного режима течения и формирования усиленной акустической волны. Это также обеспечивает дополнительный акустический эффект по сравнению с известной конструкцией.
Конический многогранник 13 служит поворота распространения потока жидкости и ультразвуковой волны на 90° относительно общей оси устройства (на фиг. 1 ось позицией не обозначена) за счет граней многогранника 13, ориентированных относительно выходных каналов 14 и расположенных симметрично и равномерно на цилиндрической поверхности выходного патрубка 12 (на фиг. 1 грани позициями не обозначены). Число граней многогранника 13 равно числу выходных каналов 14. Предпочтительным является также соответствие числа выходных каналов числу геликоидных каналов.
Шток 15 крепится к коническому многограннику 13 и вместе с ним подвижен в продольном осевом направлении относительно торцевой стенки выходного патрубка 12 (на фиг. 1 торцевая стенка позицией не обозначена). Шток 15 удерживает многогранник 13 от самопроизвольного вращательного движения вокруг общей оси устройства.
Поток жидкости и ультразвуковая волна при отражении от граней многогранника 13, направляются в выходные каналы 14.
Выходные каналы 14 имеют минимальные размеры не менее длины волны ультразвукового излучения и служат для прохождения направленного ультразвукового излучения кавитирующей жидкости к обрабатываемому объекту.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При подаче жидкости, например равной плотности воды, под давлением 6 МПа после обтекателя 4 со скоростью 12 м/с в каналы 5 происходит ее двойное закручивание: спирально за счет выступов 6 и винтообразно за счет навивки каналов 5 по конусообразной поверхности. За счет центростремительных сил и сужения площади поперечного сечения каналов происходит возрастание скорости движения потока жидкости в каналах. Дополнительное возрастание скорости движения потока жидкости происходит за счет уменьшения сил трения вследствие «проскальзывания» вращающейся струи 8 по дополнительному вихреобразному турбулентному слою 9.
Двойное закручивание струй в геликоидных каналах 5 происходит за счет спиралевидной закрутки каналов в направлении 10 и закрутки выступов 6, 7 в каналах. На выходе из каналов жидкость испытывает максимальные растяжения, и образуются первичные кавитационные пузырьки.
При прохождении жидкости через сужение сопла 3, а затем при расширении в диффузоре 2 в потоке жидкости возникают вихреобразования, отрывные течения и кавитация.
При этом жидкость на выходе из сопла 3 и диффузоре 2 подвергается пониженному давлению ниже «напряжения растяжения». Целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Давление жидкости падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре и жидкость переходит в другое состояние, образуя фазовые пустоты (каверны), которые называются кавитационными пузырьками.
2
Для воды максимальное растяжение очищенной воды при 10°С составляет 280 кг/см. Разрыв возникает при давлениях лишь немного меньших давления насыщенного пара.
После перехода жидкости в диффузоре 2 в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии расширяющейся жидкости рост пузырька прекращается, и он начинает сокращаться.
5
Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, по своей сути который является гидравлическим ударом. В зоне пониженного давления образуется около 7×10 кавитационных каверн, которые при схлопывании образуют акустическое ультразвуковое излучение с частотой около 380 кГц со сферическим распространением ударных волн.
Конической поверхностью диафрагмы 16 ультразвуковое излучение концентрируется и усиливается. При прохождении канала 17 и обтекании колеблющегося многогранника 13 для передачи потока жидкости и формирования акустической волны обеспечиваются условие автомодельного режима. Происходит усиление интенсивности звукового давления акустической волны и поворот направления ультразвукового излучения на 90° относительно продольной оси устройства.
После прохождения выходных каналов 14 кавитационно-акустическое излучение высокой интенсивности и частоты воздействует на обрабатываемый объект.