ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ КАВИТАТОР
HYDRODYNAMIC CAVITATOR

Изобретение относится к химическому оборудованию и может быть использовано в области производства пищевых продуктов, кормопроизводстве, лакокрасочной промышленности, при подготовке топливных смесей и других смежных областях.
Известны различные устройства, аппараты, в которых используется кавитационный эффект в жидкой среде, за счет чего добиваются эффективного измельчения твердых частиц, структурных и молекулярных изменений в сложных молекулах и агломератах, разрушения органических и минеральных примесей, интенсивного перемешивания, диспергирования многокомпонентных несмешиваемых жидкостей и твердых включений с образованием гомогенных стойких тонкодисперсных эмульсий и суспензий.
Для этой цели созданы различные аппараты и устройства, о чем свидетельствуют авторские свидетельства и патенты РФ /1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8/. Известны также различные установки кавитационно-гидродинамического действия различных фирм /9/.
В большинстве этих аппаратов и устройств основными элементами являются концентрично или коаксиально расположенные ротор и статор. Ротор вращается в статоре. Со стороны ротора насосом подается обрабатываемое сырье, чаще в виде жидкости или жидкости с различными твердыми или газовыми включениями. Под действием высоких скоростей вращающегося ротора сырье начинает диспергироваться еще в полости ротора. В моменты совпадения отверстий в роторе и статоре сырье из полости ротора впрыскивается в так называемую рабочую зону, где происходит гидродинамическая и акустическая кавитация.
Недостатком концентрично расположенных ротора и статора является постепенное увеличение зазора между ними. Из-за этого начинает снижаться интенсивность кавитационных процессов в них (типичный представитель - патент №2321448, /7/).
Известна кавитационная гидродинамическая установка, в которой окна ротора и статора расположены не на ободе, а на их плоскости соприкосновения /9/. В ней предусмотрен механизм регулировки зазора между ротором и статором, позволяющий оперативно регулировать этот зазор. В ней кавитационный процесс происходит одноразово в щели статора.
В патенте №2280823 /8/ ротор и статор также расположены концентрично (коаксиально). Преимуществом устройства по этому патенту является то, что формирование области кавитационного процесса происходит в виде сферической или цилиндрической волны сходящегося типа, а для сходящейся волны интенсивность звука возрастает пропорционально квадрату текущего радиуса, а амплитуда волны увеличивается пропорционально первой степени радиуса. В обрабатываемом сырье образуются кавитационные пузырьки путем создания периодически изменяющегося давления. В этом устройстве гидродинамические и акустические кавитационные процессы происходят также одноразово.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности воздействия на обрабатываемую (перерабатываемую) среду акустической энергии, возникающей в процессе гидродинамической кавитации.
Предлагаемый гидродинамический кавитатор развивает идею усиления сходящихся волн, причем, обеспечивается много раз повторяющееся многократное усиление сходящихся волн.
Много раз повторяющееся усиление волн обеспечивается многократным фокусированием то на одном, то на другом фокусе эллиптического тора этих волн, создавая резонансное явление.
Это достигается тем, что в гидродинамическом кавитаторе, имеющем корпус, в котором расположены входной патрубок, успокоительная камера и посаженный на вал диск активатора с отверстиями по окружности, рабочую камеру с отверстиями и выходным патрубком, рабочая камера имеет форму эллиптического тора, отверстия в которой расположены по окружности, образованной вращением большой оси эллипса вокруг центральной оси эллиптического тора, а отверстия в диске активатора расположены соосно с отверстиями в рабочей камере.
На фиг.1 изображено сечение гидродинамического кавитатора плоскостью, проходящей через ось вращения вала.
На фиг.2 изображено сечение лопаток рабочего центробежного колеса и направляющего аппарата.
На фиг.3 - сечение по плоскости отверстий в диске активатора и стенке рабочей камеры.
На фиг.4 изображен гидродинамический кавитатор без рабочего центробежного колеса.
Гидродинамический кавитатор имеет корпус 1, входной патрубок 2, успокоительную камеру 3, диск активатора 4, на котором выполнено множество отверстий 5, рабочую камеру 6 в форме эллиптического тора с фокусами 7 и 8 и множеством отверстий 9 в стенке. На рабочей камере расположен выходной патрубок 10. Диск активатора 4 и рабочее центробежное колесо 11 посажены на вал 12, выход которого герметизирован сальниковым уплотнением 13. В успокоительной камере между диском активатора 4 и рабочим центробежным колесом 11 установлен направляющий аппарат 14, имеющий диффузорные отводящие каналы 15 и обратные подводящие каналы 16, разъединенные безлопаточным кольцевым пространством.
Гидродинамический кавитатор работает следующим образом.
Приводной вал 12 с центробежным рабочим колесом 11 и диском активатора 4 приводятся во вращение электродвигателем, двигателем внутреннего сгорания или гидромотором (на фиг.1 и 4 не показано). Обрабатываемое сырье подается через входной патрубок 2 в центробежное рабочее колесо 11, а из центробежного рабочего колеса поступает в направляющий аппарат 14. Направляющий аппарат обеспечивает осесимметричный поток жидкости за рабочим колесом, создавая тем самым условия для ее установившегося относительного движения в области колеса, уменьшает момент скорости и преобразует кинетическую энергию потока, выходящего из колеса, в потенциальную энергию давления с отводом потока в успокоительную камеру 3. При вращении диска активатора 4 в моменты совпадения отверстий 5 и 9 сырье впрыскивается в рабочую камеру 6 (число отверстий 5 и 9 определяется расчетом). Так как отверстия в рабочей камере расположены вдоль большой оси эллипса, впрыснутое сырье неминуемо проходит через фокус 7. В каждой струйке при перекрытии диском активатора 4 отверстия 5 происходит резкий разрыв потока. Так как порция впрыснутой в рабочую камеру жидкости обладает массой, то она не останавливается мгновенно, а продолжает свое движение, растягиваясь. За счет этого понижается давление потока до давления насыщенных паров жидкости (вакуума). При этом жидкость вскипает, и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров. Струя вскипевшей жидкости достигает области ближайшего фокуса эллипса 7 рабочей камеры. В области фокуса 7 силы инерции сравниваются с результирующей силой давления в рабочей камере и силой разряжения внутри этой области. За точкой равновесия начинают происходить следующие процессы: сила инерции уменьшается до нуля за счет торможения жидкости; давление в области фокуса 7 начинает превышать результирующую силу, в результате чего происходит схлопывание кавитационных пузырьков. Резкое (внезапное) исчезновение кавитационных пузырьков приводит к образованию гидравлических ударов, и как следствие, к созданию волны сжатия и растяжения в жидкости с ультразвуковой частотой. Кроме того, закрытие (схлопывание) кавитационных пузырьков сопровождается интенсивными ударными волновыми процессами с возникновением локальных зон сверхвысоких давлений и температур и кумулятивного (остронаправленного) точечного ударного воздействия на близлежащие участки жидкости, окружающей область схлопывания кавитационных пузырьков. Из области фокуса 7 эллипса распространяются сферические ударные волны до стенок рабочей камеры, оттуда отражаются и, в силу оптических свойств эллипса, проходят через второй фокус 8, в области которого происходит процесс колебаний ударных волн. Период колебаний обычно делится на два полупериода. В течение действия на жидкость полупериода отрицательной полуволны переменного давления в жидкости, находящейся в фокусе 8, осуществляется процесс разрежения. Если растягивающие напряжения превышают предел прочности жидкости на разрыв, то жидкость разрывается и в местах разрыва образуются вакуумные парогазовые пузырьки микроскопических размеров. В течение действия на жидкость следующего полупериода положительной полуволны переменного давления и под действием внешнего давления в рабочей камере кавитационные пузырьки сжимаются. Сферическая граница пузырька с нарастающим ускорением устремляется к центру и сжимает парогазовую смесь, находящуюся в пузырьке. Захлопывающиеся кавитационные пузырьки порождают в жидкости в фокусе 8 мощные импульсы давления и ударные волны. Из области фокуса 8 эллипса распространяются сферические ударные волны до стенок рабочей камеры, оттуда отражаются и, в силу оптических свойств эллипса, проходят через первый фокус 7. В рабочей камере возникает резонанс ударных волн, многократно распространяющихся между полюсами 7 и 8. Много раз повторяющееся усиление волн обеспечивается многократным фокусированием то на одном, то на другом фокусе эллипса этих волн, создавая резонансное явление.
Время цикла и частота колебаний зависят от частоты вращения диска активатора, скорости распространения ударной волны в данной жидкости и параметров эллиптического тора.
Условия возникновения кавитации в рабочей камере определяются соотношением давлений в успокоительной камере и рабочей камере, а также зависят от частоты импульсов давления в одном отверстии и резонансной частоты в рабочей камере (эти параметры определяются расчетом).
Упругие волны в жидкости со временем затухают, их энергия постепенно переходит в тепловую энергию. Ударная волна в результате затухания через какое-то время переходит в звуковую.
Работа гидродинамического кавитатора в режиме кавитационных резонансных гидроударов устанавливается степенью открытия или закрытия кранов на входном и выходном патрубках (краны на фиг.1 и 4 не показаны).
В одном и том же гидродинамическом кавитаторе, имеющем конкретные размеры (диаметр диска активатора, размеры рабочей камеры, число отверстий в диске активатора и рабочей камере) происходят процессы нагрева, измельчения твердых включений, смешивание и диспергирование. При кавитации происходит разрыв межмолекулярных цепочек высокомолекулярных углеводородных соединений с дроблением длинных цепочек на средние, средних - на малые, в результате чего из темных нефтепродуктов образуются более легкие, т.е. светлые нефтепродукты.
Настоящий гидродинамический кавитатор может быть выполнен в двух вариантах: с рабочим центробежным колесом и направляющим аппаратом (фиг.1), и без рабочего центробежного колеса и направляющего аппарата с внешним насосным агрегатом (на фиг.4 насосный агрегат не показан).
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1477458. Роторно-пульсационный аппарат. 07.05.89. Бюл. №17.
2. Авторское свидетельство СССР №1479088. Роторный аппарат. 15.05.89. Бюл. №18.
3. Авторское свидетельство СССР №1530234. Насос-диспергатор. 23.12.89. Бюл. №47.
4. Авторское свидетельство СССР №1604448. Роликовый диспергатор. 17.11.90. Бюл. №41.
5. Авторское свидетельство СССР №1604449. Диспергатор-дегазатор для неньютоновских жидкостей. 07.11.90. Бюл. №41.
6. Патент РФ №2188697. Аппарат для очистки газов. Опубл. 10.09.2002.
7. Патент РФ №2321448. Роторный измельчитель-диспергатор. Опубл. 10.04.2008. Бюл.№10.
8. Патент РФ №2280823. Способ получения энергии, устройство для ее получения и система управления устройством. Опубл. 27.07.2006. Бюл. №21.
9. Установка кавитационная гидродинамическая. Рекламный материал ООО «ЭнергоБалт - Сервис», 3 листа.