ГЕНЕРАТОР ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к устройствам, генерирующим колебания в проточной жидкой среде, и может быть использована для интенсификации технологических процессов, протекающих в жидких средах, в частности для удаления растворенных веществ при очистке природных и сточных вод. Колебания в жидкости сопровождаются пульсацией давлений, приводящей к диспергированию эмульсий и суспензий, способствуют перемешиванию локальных объемов жидкости.
Возбуждение колебаний звуковой и ультразвуковой частоты в текущем потоке жидкости базируется на физических эффектах, наблюдаемых в свистке Гальтона, резонаторе Гельмгольца, Гартмана, а также в условиях образования и захлопывания кавитационных каверн при определенных режимах течения жидкости.
Известен гидродинамический кавитационный реактор (патент РФ 2091157), содержащий последовательно расположенные конфузор и проточную камеру. В проточной камере вдоль нее на расстоянии друг от друга установлены кавитаторы в виде клиньев, острие которых направлено против потока жидкости, а полость камеры выполнена в виде участков, ступенчато расширяющихся в направлении от конфузора, при этом поперечное сечение каждого последующего участка больше поперечного сечения предшествующего участка в 1,05-1,45 раза. В реакторе по второму варианту кавитаторы в виде колец клиновой формы установлены на продольном стержне, расположенном по оси реактора. Площадь поперечного сечения потока проходящей жидкости меняется за счет изменения диаметра стержня. При этом при обтекании клина кавитатора и на его тыльной стороне образуются кавитационные каверны и локальные ударные волны, воздействующие на протекающую жидкость.
К недостаткам такого устройства следует отнести плохое перемешивание потока жидкости, движущейся в длинной проточной камере, что особенной существенно, если жидкость многокомпонентная и возможности предварительного перемешивания компонентов отсутствуют.
Известен диспергатор для маловязких эмульсий и суспензий (патент РФ 2349374), содержащий корпус с подающим жидкость соплом и отводящим патрубком. Внутри корпуса перпендикулярно оси сопла установлена преграда в виде цилиндра, в боковой поверхности которого имеются сквозные продольные пазы, в которых установлены клинья, острием к центру корпуса. При этом за клином остается свободным часть продольного паза, по которому жидкость может перетекать к отводящему патрубку. Струя жидкости из сопла бьет по центру цилиндра и отбрасывается по его плоскости к клиньям.
Недостатком такого устройства является то, что энергичное воздействие на жидкость происходит разово во время удара струи, а при отбросе жидкости к периферии на большой площади скорость потока существенно уменьшается, и для образования активной кавитации за торцами клиньев энергии потока будет недостаточно. Соответственно не возникнет и пульсаций кавитационного давления. Поскольку жидкость перетекает к отводящему патрубку по автономным каналам, активного перемешивания жидкости также не будет.
Вихревой генератор по авторскому свидетельству №1227261 содержит корпус, последовательно выполненные в нем коническое сопло, тороидальную камеру, разделенную пластинами на секторы, и конический диффузор. Такое устройство позволяет хорошо перемешивать жидкость, но частота возбуждаемых обычной тороидальной камерой колебаний низкая, что не способствует активному возникновению кавитации и соответствующих локальных пульсаций давления.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является вихревой акустический генератор по патенту РФ 2162376, в котором увеличение интенсивности излучаемого (генерируемого) возмущения достигается за счет того, что устройство содержит конфузорный входной канал с находящимся в нем соосно коническим рассекателем потока, выходной канал и тороидальную вихревую камеру между ними. Рабочая жидкость подается под давлением во входной канал. Перемещение рассекателя потока, осуществляемое принудительно, позволяет изменять зазор между боковыми поверхностями рассекателя и входного канала, подстраивая расход, давление рабочей жидкости и гидравлическое сопротивление генератора.
Анализируемый акустический генератор имеет следующие недостатки. Обычно для перекачивания жидкостей используют центробежные насосы, предельное давление которых при одной ступени не превышает 0,3 МПа. Напорная характеристика центробежных насосов такая, что при увеличении сопротивления перекачиваемому потоку давление насоса не увеличивается, а расход падает вплоть до полного прекращения подачи. Таким образом, уменьшение зазора между боковыми поверхностями конического рассекателя и входного канала будет просто приводить к снижению скорости потока и уменьшению энергии возбуждаемых вихревой камерой колебаний давления потока жидкости. В принципе максимальная скорость потока на входе в вихревую камеру будет достигаться при полном отсутствии вытеснителя во входном канале. Частота возбуждаемых обычной тороидальной камерой колебаний низкая, что не способствует возникновению активной кавитации и соответствующих локальных пульсаций давления.
Кроме того, в представленном описании изобретения не рассматривается вопрос, как будет подаваться жидкость в кольцевую полость входного канала и обеспечиваться равное динамическое давление по ее периметру.
Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью - повышение эффективности генератора гидродинамических колебаний путем активизации кавитационных процессов в потоке жидкости и возникающих при этом пульсаций давления.
Решение поставленной задачи достигается тем, что генератор гидродинамических колебаний, содержащий последовательно включенные входной канал кольцевого сечения в виде конфузора с расположенной в нем соосно конической вставкой-вытеснителем, тороидальную вихревую камеру и выходной канал, имеет перед входным каналом соединенную с ним кольцевую полость, обеспечивающую тангенциальный подвод жидкости в канал. Это достигается за счет расположения в боковой стенке полости отверстия под штуцер, направленного по касательной к окружности кольцевой полости. На поверхности конической вставки-вытеснителя, находящейся внутри конфузора, по образующей конуса выполнены канавки с острыми кромками. Поверхность вихревой камеры, получаемая вращением образующей ее фигуры вокруг оси, лежащей в плоскости этой фигуры и совпадающей с осью входного и выходного каналов, разбита на две части. Радиус профиля первой части, примыкающей к острой кромке выходного отверстия камеры, меньше радиуса профиля второй части, что образует нисходящую по ходу течения жидкости по поверхности вихревой камеры ступеньку.
Диаметр отверстия на выходе конфузорного входного канала и входного отверстия вихревой камеры равен (1,1-1,2) D - диметра выходного отверстия вихревой камеры. Расстояние между кромками входного и выходного отверстий вихревой камеры равно примерно 0,7 D, ступенька вихревой камеры имеют высоту примерно равную 0,2 D, длина выходного канала примерно равна 2 D, при этом на выходе канал перегорожен по диаметру пластиной, имеющей форму клина в зоне выходного отверстия.
Острие клина направлено навстречу потоку жидкости, а пластина закреплена в прорези диффузора, примыкающего к отверстию выходного канала и закрытого крышкой, обеспечивающей тангенциальный отвод жидкости из реактора через предусмотренное отверстие в боковой стенке крышки.
Схема устройства предлагаемого генератора гидродинамических колебаний приведена фиг. 1, где показан его продольный разрез по оси входного и выходного каналов и виды по указанным разрезам. Устройство состоит из пяти корпусных элементов. В первом элементе выполнена кольцевая полость 1, отверстие для штуцера подвода обрабатываемой воды 2 и закреплена коническая вставка-вытеснитель 3 с канавками 4 на ее конической поверхности. Во втором элементе выполнен конфузор 5 и вторая часть вихревой камеры 6. В третьем элементе выполнена первая часть вихревой камеры 7 с ее острой кромкой 8. В зоне контакта второго и третьего элементов корпуса из-за разности размеров образуется ступенька 9. В четвертом элементе выполнен диффузор 10 с прорезью 11, в которой установлена пластина 12, имеющая форму клина в зоне выходного канала. Пятый элемент выполнен в виде крышки 13, имеющей отверстие 14 в ее боковой стенке, обеспечивающее тангенциальный отвод жидкости из реактора.
Первый, второй и третий элементы устройства могут иметь неразъемное соединение, четвертый и пятый элементы (диффузор и крышка) присоединятся с помощью винтов с потайной головкой 15. Разъемное соединение позволяет контролировать состояние пластины 12 и заменять ее при разрушениях.
Использование генератора гидродинамических колебаний производится следующим образом. Обрабатываемая жидкость подается через отверстие 2 в кольцевую полость 1 генератора и совершает в ней вращательное движение, в процессе которого она, также вращаясь, движется в кольцевом зазоре между стенкой конфузора 5 и конической вставкой-вытеснителем 3. При такой организации движения потока жидкости исключается неравномерность давления уже в начале входного канала. Производительность насоса, подающего очищаемую жидкость, должна обеспечивать скорость течения жидкости в выходном канале не менее 4 м/с.
Поскольку при движении по конфузорному входному каналу диаметр кольцевого зазора уменьшается, скорость вращательного движения потока жидкости, при одинаковом ее расходе, существенно возрастает. Под действием центробежных сил поток жидкости прижимается к стенкам конфузора, а внутренняя часть вращающегося потока испытывает меньшее давление. При движении жидкости над канавками с острыми кромками 4 в них создаются условия для образования кавитационных каверн, которые, перемещаясь в потоке жидкости, поочередно захлопываются, создавая фон активных кавитацонных пульсаций давления.
Вращающаяся по инерции вода попадает в вихревую камеру и рассекается ее острой кромкой 8 на два потока. Часть воды продолжает движение по выходному каналу, а другая часть поступает в камеру, обтекая поверхность 7 и далее 6, упираясь и сжимая поток, выходящий из конфузора, направляя его только в выходной канал. При этом прекращается подача жидкости в вихревую камеру и там возникает разряжение, которое опять отклоняет поток и направляет его в вихревую камеру. Таким образом, происходит пульсация давлений потока жидкости в выходном канале генератора. В то же время при протекании жидкости по стенкам вихревой камеры за ступенькой 9 образуется зона с пониженным давлением, где возникают кавитационные каверны и пульсации давлений при их захлопывании.
Выходящий из канала поток жидкости рассекается пластиной 12 в форме клина, что сопровождается колебаниями клинового тона, а поскольку скорость потока за счет вихревой камеры пульсирует, спектр колебаний клинового тона существенно расширяется. За плоским торцом клина также создается зона разряжения, способствующая образованию кавитационных каверн. За счет тангенциального отвода жидкости из полости крышки 13 через отверстие 14 в полостях крышки и диффузора также образуется круговое движение жидкости.
Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечиваются условия хорошего перемешивания жидкости в кольцевой полости перед входным каналом, в самом канале, вихревой камере и в диффузоре и полости его крышки.
При движении жидкости над канавками с острыми кромками вставки-вытеснителя, набегании потока на острую кромку вихревой камеры, протекании над ступенькой в вихревой камере и рассекании острым клином жидкости, вытекающей из выходного канала, активно протекают процессы кавитации. Это способствует механотермолизу структуры воды и ее загрязнителей с появлением свободных водородных связей, диспергации и гомогенизации с образованием устойчивых эмульсий, суспензий, разрушении клеточных биологических культур.
В совокупности все это позволяет генератору гидродинамических колебаний успешно решать поставленные задачи.