КАВИТАЦИОННАЯ НАСАДКА

Полезная модель относится к устройствам для очистки поверхностей под водой кавитационной струей, в том числе поверхностей корпусов судов, мостов, подводных платформ.
Применение кавитационной струи для очистки под водой возможно из-за разницы в скорости потока воды, движущейся в струе, и скорости движения молекул внутри потока этой струи воды, скорость перемещения собственно потока воды в струе будет значительно выше, чем скорость движения молекул воды внутри этого потока, что приводит к разрыву равномерности потока с образованием вакуума и пара пузырьков со значительной энергией. Во время столкновений таких пузырьков с препятствием происходит взрыв с направленным вектором движения в пузырь, что приводит к отрыву и удалению частиц на поверхности, подлежащей очистке.
Известным решением, принятым в качестве ближайшего аналога, является кавитационная насадка (патент Украины на полезную модель №88243, МПК (2014.01 B63B 59/00 B08B 3/04 (2006.01). Кавитационная насадка содержит корпус с центральным проточным каналом, образованным входным конфузором, расширительной камерой и выходным диффузором. Центральный проточный канал выполнен с предварительной цилиндрической камерой, которая размещена между входным конфузором и расширительной камерой, размеры предварительной и расширительной камер определены по формулам:
0
l=(l-3)d; (длина предварительной камеры);
0
D=d+(l-3);
0
где d=0,5-3,0 мм - диаметр входного конфузора на входе в предварительную цилиндрическую камеру;
l - длина предварительной цилиндрической камеры, мм;
d- диаметр выходного диффузора на выходе из расширительной камеры, мм;
D- диаметр расширительной камеры, мм;
0
0
l- длина расширительной камеры l=0,8-1,5 мм;
конфузор выполнен с углом сужения α=10-30°, диффузор выполнен с углом расширения β=35-70°, насадка дополнительно содержит расширенный на выходе защитный корпус, который снаружи охватывает корпус насадки с образованием защитной камеры, заполненной прокладкой из эластичного материала. Прокладка кавитационной насадки выполнена из эластичного материала - из резины
Признаками ближайшего аналога, совпадающими с существенными признаками полезной модели, является наличие в кавитационной насадке корпуса с центральным проточным каналом диаметром d=0,5-3,0 мм, образованным входным конфузором и выходным диффузором, с углом сужения α=10-30°, с углом расширения β=35-70°.
Причинами, препятствующими достижению технического результата при использовании ближайшего аналога, является образование при входе в конфузор турбулентного течения за счет стыка на месте соединения кавитационной насадки с рабочим инструментом, где генерируется достаточно мощный по отношению к потоку турбулентный вихрь, а так же наличие неэффективной и трудоемкой в изготовлении расширительной камеры.
Наличие защитного корпуса не является необходимым. Уровень безопасности, обеспечиваемый защитным корпусом избыточен, так как энергия разрыва насадки в плотной среде, такой как вода, не является сколь либо критичной для возможности разлета осколков форсунки далее 2-3 см. и не представляет угрозы даже руке водолаза.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности образования кавитационной струи в воде, что позволит обеспечить выполнение работ более низким энергетическим ресурсом.
В основу полезной модели поставлена техническая задача усовершенствования конструкции кавитационной насадки и расширения арсенала технических средств.
дцпк
к
Поставленная техническая задача решается тем, что в кавитационной насадке, включающей корпус с центральным проточным каналом диаметром d=0,5-3,0 мм, образованным входным конфузором и выходным диффузором, с углом сужения α=10-30°, с углом расширения β=35-70°, согласно полезной модели корпус содержит дополнительный центральный проточный канал диаметром D=6,4-12,7 мм, расположенный перед конфузором, с длиной L=(1,5-2,0)L, где
дцпк
L- длина дополнительного центрального проточного канала,
к
к
L - длина конфузора, равная L=0,5D/(tg α/2)-0,5d/(tg α/2);
д
к
диффузор выполнен длиной L=0,618L;
цпк
центральный проточный канал выполнен длиной L=l,618d.
Между совокупностью существенных признаков полезной модели и техническим результатом, достигаемым, существует следующая причинно-следственная связь.
д
к
к
Турбулентные вихри в пристеночных слоях, а так же на местах соединений и стыков по ходу движения потока, резко тормозят образование кавитационной струи, снижают расчетные данные по эффективности кавитационной струи насадки. Это происходит потому, что при турбулентном течении потока воды движение молекул воды внутри потока происходит быстрее, чем движение самого потока, а при кавитационном, наоборот, движение потока быстрее, чем движение молекул. За счет такой взаимокомпенсации резко падает энергия кавитационной струи на выходе. Наибольшую проблему представляет место соединения кавитационной насадки с рабочим инструментом, где генерируется достаточно мощный по отношению к потоку турбулентный вихрь. Принципиально важно, чтобы поток, попадая в конфузор, приобретал свойство стационарного, ламинарного течения, лишался турбулентных свойств. Экспериментально было определенно расстояние от резьбового соединения до входа потока в конфузор, на котором это условие выполняется, как 1,5-2,0 расстояния длины конфузора. Остальные величины определены также экспериментальным путем. Наибольший результат дают параметры элементов кавитационной насадки, связанные между сбой через числа (коэффициенты) Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144 и так далее), что отраженно в математических зависимостях: длина диффузора L=0,618L, где коэффициент 0,618 и L - длина центрального проточного канала.
Полезная модель проиллюстрирована графическим материалом, где на фигуре указаны: центральный проточный канал 1, конфузор 2, диффузор 3, дополнительный центральный проточный канал 4.
Кавитационная насадка работает следующим образом. Поток воды, проходя через дополнительный центральный проточный канал 4, приобретает свойства стационарного потока, проходя через конфузор 2 с углом сужения α, не теряет свойство стационарного патока, попадает далее в центральный проточный канал 1, на выходе из которого в диффузоре 3 с углом расширения β генерируется кавитационная струя. Кавитация возникает в результате повышения скорости течения в соответствии с законом Бернулли. Диаметр центрального проточного канала 1 рассчитывается так, чтобы скорость движения жидкости по нему была максимально возможной при данных характеристиках насоса по таблицам жиклерных отверстий. Это позволит создать суперкавитационный поток, кавитационную струю с большой разрушительной силой. Диаметр дополнительного проточного канала 4 рассчитывается так, чтобы совпадал с диаметром рабочего инструмента.