УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ТЕКУЩИХ СРЕД
DEVICE FOR MIXING FLUID MEDIA

Изобретение относится к газовой динамике и может быть использовано в технологиях, требующих приготовления различных смесей в потоках жидкостей или газов, в особенности при необходимости смешивать малые добавки с большим объемом движущейся среды, в частности, в химической промышленности или при приготовлении лекарственных веществ.
Известно, что в основе наиболее эффективных устройств, использующих энергию движущегося газа, лежит явление увеличения полного давления газового потока под действием струи другого, более высоконапорного газового потока. Передача энергии от одного потока к другому происходит путем турбулентного смешения. Это явление лежит в основе газовых и иных эжекторов, позволяющих работать в широком диапазоне изменения параметров газов, позволяет регулировать рабочий процесс и переходить от одного режима работы к другому, создавать устройства различного назначения, например эффективные форсунки для сжигания топлива, образования аэрозолей, смешения различных сред и т.п. Описанное выше явление реализуют на практике с помощью эжекторов разного типа, которые, как правило, состоят из сопла высоконапорного (эжектирующего) газа, низконапорного (эжектируемого) газа, камеры смешения (обычно цилиндрической) и диффузора, обеспечивающих смешение сред в широком диапазоне температур, давлений, скоростей и плотностей [Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Гос. Изд-во технико-теоретической литературы, 1951, с.223-234; Делягин Г.Н. и др. Тепло генерирующие установки. - М.: Стройиздат, 1986, с.256-265].
Однако реально устойчивую и эффективную работу газо- или гидродинамических устройств в конкретных условиях не всегда возможно обеспечить за счет простых технических решений.
Известен способ смешивания жидких или газообразных сред в потоках жидкостей и газов, включающий размещение поперек потока жидкости или газа насадка с дренажными отверстиями на боковой поверхности [см. описание к патенту РФ №2080912, М. кл. В01F 3/00, опубл. 10.08.1997 г.], который выполнен в виде плохо обтекаемого кругового цилиндра и ориентирован так, чтобы дренажные отверстия по обе стороны боковой поверхности располагались в зоне наибольшего разрежения на поверхности насадка при обтекании его потоком.
Устройство, реализующее указанный способ, характеризуется простотой исполнения, монтажа и обслуживания. Оно не имеет специальной камеры смешения, поскольку способно обеспечить смешение непосредственно в потоке эжектируемой среды.
Однако отсутствие камеры смешения не уменьшает значительно габариты устройства в целом, поскольку эффективное смешение сред возможно на длине не менее 8-10 диаметров сопла эжектируемой среды, кроме того, функциональные возможности такого устройства ограничены в основном низконапорными потоками.
Известна форсунка для образования аэрозолей, которая имеет в своем составе сопло Лаваля, тороподобную и кольцевую камеры [см. описание к патенту Украины №78079, М. кл. A01G 25/00, опубл. 15.02.2007 г.], дополнительно содержит крыльчатку, установленную на выходе из диффузора, которая позволяет расширить угол распыления аэрозолей.
Однако установка крыльчатки на пути скоростного потока хотя и мелко дисперсных частиц, с одной стороны, существенно снижает надежность устройства, с другой стороны, уменьшение скорости эжектирующего газа снижает эффективность смешения сред в вихревой камере.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство для распыления жидкости, содержащее корпус с каналами для подачи эжектирующей и эжектируемой жидкости, сопло Лаваля, сужающаяся и расширяющаяся части которого разделены камерой смешения, выполненной торовидной, при этом эжектирующие отверстия камеры смешения соединены с эжектируемым каналом через дополнительную кольцевую камеру [см. описание к патенту РФ №2083247, М. кл. А62С 31/02, опубл. 10.07.1997 г.].
Описанное выше устройство обеспечивает эффективное распыление жидкости до размеров капель порядка 0,005 мм.
Однако торовидная форма вихревой камеры ограничивает функциональные возможности устройства. При незначительных изменениях свойств эжектирующего и эжектируемого потоков вихревая камера теряет свою способность к завихрению потоков и становится тормозом, а на ее стенках налипают частицы жидкости или газа, эффективность распыления и смешивания уменьшаются.
Поэтому целью заявляемого технического решения является повышение эффективности распыления или смешивания многокомпонентных сред, расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для смешивания текучих сред, содержащем корпус с каналами подачи эжектирующей и эжектируемой среды, канал подачи эжектирующей стреды (КПЭС) имеет сужающуюся (диффузор) и расширяющуюся (конфузор) части, разделенные камерой смешения, при этом отверстия камеры смешения для впуска эжектируемой среды соединены с каналом эжектируемой среды через дополнительную кольцевую камеру, согласно изобретению внутренняя поверхность камеры смешения выполнена в виде поверхности тела вращения плоскости, ограниченной двумя конхоидами улитки Паскаля и проекциями торцов суживающейся и расширяющейся частей диффузора и конфузора, обращенными друг к другу, конхоиды улитки Паскаля симметрично расположены относительно оси КПЭС и симметрично или асимметрично относительно полярной оси конхоид, полярная ось конхоид перпендикулярна оси КПЭС, проекции торцов суживающейся и расширяющейся частей КПЭС параллельны полярной оси конхоид и перпендикулярны оси КПЭС, оси отверстий для впуска эжектируемой среды направлены под углом α=35÷65° относительно оси КПЭС, при этом
1
2
2
1
1
2
a/a=d/d=D/D=1÷9, где
1
a - расстояние от торца сужающейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
2
а - расстояние от торца расширяющейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
1
d - минимальный диаметр сужающейся части КПЭС;
2
d - минимальный диаметр расширяющейся части КПЭС;
1
D - диаметр торца сужающейся части КПЭС;
2
D - диаметр торца расширяющейся части КПЭС,
1
2
а длина камеры смешения Н между торцами суживающейся и расширяющихся частями КПЭС равна сумме a+а и определена соотношением R≤H≤2R, где R - радиус неподвижной окружности конхоиды.
Согласно изобретению оно содержит от 1 до 28 впускных отверстий для эжектируемой среды.
Согласно изобретению для газообразных потоков l≥2R, где l - константа конхоиды.
Согласно изобретению для жидких потоков R≤l≤2R.
Согласно изобретению для потоков, содержащих твердые фракции, 0≤l≤R.
Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.
Решение также обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача улучшения устройства для смешивания текучих сред, в котором вследствие выполнения внутренней поверхности камеры смешения в виде поверхности тела вращения плоскости, ограниченной двумя конхоидами улитки Паскаля и проекциями торцов суживающейся части диффузора и расширяющейся части конфузора, обращенными друг к другу, расположения конхоид улитки Паскаля симметрично относительно оси канала подачи эжектирующей среды (КПЭС) и симметрично или асимметрично относительно полярной оси конхоид, выполнения полярной оси конхоид перпендикулярно оси КПЭС, проекций торцов суживающейся и расширяющейся частей КПЭС параллельно полярной оси конхоид и перпендикулярно оси КПЭС, направления осей отверстий для впуска эжектируемой среды под углом α=35÷65° относительно оси КПЭС, при этом
1
2
2
1
1
2
a/a=d/d=D/D=1÷9, где
1
a - расстояние от торца сужающейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
2
а - расстояние от торца расширяющейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
1
d - минимальный диаметр сужающейся части КПЭС;
2
d - минимальный диаметр расширяющейся части КПЭС;
1
D - диаметр торца сужающейся части КПЭС;
2
D - диаметр торца расширяющейся части КПЭС,
1
2
и выполнения длины (Н) камеры смешения между торцами суживающейся и расширяющихся частей КПЭС, равной сумме a+а, которая лежит в пределах R≤Н≤2R, где R - радиус неподвижной окружности конхоиды, обеспечивается новый технический результат. Он заключается в том, что эжектируемый через отверстия камеры смешения поток может быть либо непрерывный, либо дискретный вплоть до отдельных частиц при определенных значениях температуры, давления и скорости эжектирующего потока. Эжектируемое вещество многократно отражается от стенок камеры, образует просто завихрения или завихрения типа «вихри в вихре», которые взаимодействуют с эжектирующим потоком. За счет этого повышается эффективность смешивания потоков в соотношениях как 1:1, так и 1:10000, исключаются условия для образования «мертвых зон» и налипания частиц на поверхность камеры смешения. При определенных значениях температуры, давления и скорости эжектирующего потока вследствие столкновения частиц возможно разрушение не только крупных частиц, но и молекул, то есть преобразование вещества.
Хотя теория газового эжектора разработана достаточно хорошо [см. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Гос. Изд-во технико-теоретической литературы, 1951], предложена и методика расчета, однако необходимость делать в процессе расчета множество допущений, приводит в конечном счете к результатам, которые проверяются только экспериментально. В результате такой проверки и появилось множество технических решений, которые в некоторых случаях успешно используют на практике. В некоторых случаях использование предложенных технических решений остается проблематичным, поскольку они не содержат в формуле и описании сколь либо приемлемых отправных точек, пригодных для реализации этих технических решений [см., например, описание к патенту РФ №2083247, М.кл. А62С 31/02, опубл. 10.07.1997 г.].
Заявляемое техническое решение принципиально отличается от известных тем, что, базируясь на фундаментальных теоретических посылках, не только предлагает новый подход к формированию камеры смешения, но и дает достаточно конкретные отправные точки, необходимые для реализации технического решения в широком диапазоне эжектирующих и эжектируемых веществ.
Техническое решение промышленно применимо, поскольку изготовлено на современном оборудовании в нескольких экземплярах и успешно испытано для смешивания жидкостей (в том числе вязких) с жидкостями, порошками и газами; порошков с порошками, жидкостями и газами; газов с газами; растворов веществ или суспензий; лекарственных веществ до соотношения 1÷2000; различных масел с водой для получения эмульсий различной концентрации.
Фиг.1. Устройство для смешивания текучих сред.
Фиг.2. Схема смешивания сред в зоне вблизи дифузора.
Фиг.2а. Стандартная схема построения конхоид (Паскаля улитки).
Фиг.3. Схема смешивания сред в зоне полярной оси конхоид.
Фиг.4. Схема смешивания сред в зоне вблизи конфузора.
Устройство для смешивания текучих сред (фиг.1), содержит корпус 1 с каналами для подачи эжектирующей среды 2 и канал эжектируемой среды 3. Канал для подачи эжектирующей среды (КПЭС) имеет сужающуюся (диффузор) часть 4 и расширяющуюся (конфузор) часть 5. Между ними расположена камера 6 смешения. Часть корпуса, несущая диффузор, имеет отверстия 7 для впуска эжектируемой среды, количество которых может быть от 1 до 28 в зависимости от количества смешиваемых сред и характеристик эжектирующего и эжектируемого потоков. Эти отверстия соединены с каналом 3 эжектируемой среды через дополнительную кольцевую камеру 8. Внутренняя поверхность камеры 6 смешения выполнена в виде поверхности тела вращения плоскости, ограниченной двумя конхоидами улитки Паскаля 9 и 10, а также проекциями торцов суживающейся 11 и расширяющейся 12 частей диффузора 4 и конфузора 5, которые обращены друг к другу. Конхоиды 9 и 10 улитки Паскаля симметрично расположены относительно оси 14 КПЭС и асимметрично относительно полярной оси 13 конхоид 9 и 10. Полярная ось 13 конхоид 9 и 10 перпендикулярна оси 14 КПЭС. Проекции 11 и 12 торцов суживающейся 4 и расширяющейся 5 частей КПЭС параллельны полярной оси 13 конхоид и перпендикулярны оси 14 КПЭС. Таким образом, между диффузором 4 и конфузором 5 образована камера смешения 6, имеющая сложную форму.
В таблице, приведенной ниже, показаны основные параметры некоторых устройств для смешивания разных сред и характеристики эффективности смешивания различных текущих сред.
Таблица
Параметры устройства
Пример 1Смешивание газов
Пример 2Смешивание жидкостей
Пример 3Смешивание порошков
H, мм
3
10
25
R, мм
12
18
32
a<sub>1</sub>, мм
1
5
23
а<sub>2</sub>, мм
2
5
2
d<sub>1</sub>, мм
2
2
3
d<sub>2</sub>, мм
1,5-2,0
2
3-4
D<sub>1</sub>, мм
14
6
8
D<sub>2</sub>, мм
9
6
12
l=f(R), mm
0,1÷0,75
1,0÷1,50
2,0÷2,5
µ, %
0,055÷0,10
0,5÷1,0
5÷10
*µ - отклонение концентрации веществ в единице объема.
Устройство работает следующим образом. Канал 2 подачи эжектирующей среды направляет эжектирующую среду в диффузор 4, а затем через камеру смешения 6 в конфузор 5. Канал 3 эжектируемой среды направляет ее вначале в кольцевую камеру 8, обеспечивающую равный доступ эжектируемой среды к отверстиям 7, которые направляют эжектируемую среду также в камеру смешения под соответствующим углом, обеспечивая, таким образом, взаимодействие эжектирующей и эжектируемой среды. Сложная форма камеры смешения 6 обеспечивает образование вихревых потоков и эффективное перемешивание эжектирующей и эжектируемой среды.
На фиг.2 показано, как смешиваются газы с газами и газы с жидкостью. При этом происходит не только смешивание, но и распыление полученной смеси в виде тумана с мелко дисперсными каплями. Эффективное смешивание возможно при соотношениях компонентов от 1:1000 до 50:50.
На фиг.3 показано, как смешивается жидкость с жидкостью и жидкость с порошками. При этом обеспечивается качественное смешивание (см. таблицу). При определенных условиях возможна деструкция компонентов и образование новых веществ.
На фиг.4 показано, как смешиваются порошки с жидкостью и жидкость с жидкостью с образованием струйного потока.
Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения и описания примеров его осуществления, единый конструктивный подход к реализации устройств позволяет осуществить такие, которые способны качественно смешивать различные среды в широком диапазоне веществ и технических условий, что обеспечивает очень широкий диапазон их использования.