Вихревой кавитатор

Полезная модель относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использована в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей, для воздействия на биологические объекты.
Известен вихревой нагреватель - теплогенератор по патенту Российской Федерации №2045715, кл. F25B 29/00, 1995, содержащий цилиндрический корпус, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с корпусом, на выходе которого размещено тормозное устройство, соединенное с выходным патрубком.
Особенностью этой конструкции является циклон, выполненный в виде улитки, в которой при слиянии входящего потока и потока совершившего почти полный оборот за счет конкуренции между ними возникает акустический сигнал. Образовавшаяся звуковая волна распространяется в корпус и усиливается в нем за счет преобразования в стоячую волну, что обуславливает в вакууметрическую фазу разрыв сплошности жидкости и образование кавитационных каверн, а в манометрическую - схлопывание этих каверн с выделением тепловой энергии (Фиг. 1).
Однако, у этого устройства имеется ряд недостатков - оно имеет существенные гидродинамические потери на поворот жидкости, деформацию и трение об ограждающие поверхности. Особенно эти потери велики в корпусе, поскольку движение в нем сопровождается еще и вращением жидкости, что значительно увеличивает путь трения, а при скоростях более 20 метров секунду эти потери составляет почти половину всех энергетических затрат.
Вращение жидкости обуславливает потери на многократное участие ее в трении о внутренние поверхности корпуса вследствие возникновения при этом встречного осевого течения Россби (Фиг. 2).
Известна вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму с центральным отверстием и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, а сама диафрагма выполнена заодно с расширяющимся к выходу раструбом, вход которого соединен с центральным отверстием (Патент РФ на изобретение №2098723, кл. 6F25B 9/02, 1997 г.).
Предлагаемая конструкция устраняет смешивание тангенциально входящего вихревого потока и идущего ему навстречу охлажденного приосевого потока, что повышает термодинамическую эффективность устройства. Причем в своей конструктивной версии (Фиг. 1, описания патента №2098723) авторы предлагают выполнить камеру энергетического разделения (корпус) в виде отдельного блока с возможностью его полного удаления или быстрой замены на другой с иными техническими характеристиками. Для этого на нем предусмотрены с разных концов резьбы и контрящие гайки.
Однако, данное устройство предназначено для работы с газовыми средами и поэтому не создает акустической кавитации.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является и принят за прототип вихревой кавитатор (положительное решение о выдаче патента Российской Федерации по заявке на изобретение №2016150758, кл. F24V 99/00, 2018), содержащий цилиндрический корпус, выполненый вращающимся за счет установки по торцам в подшипниках, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с корпусом, на выходе которого размещено тормозное устройство, соединенное с выходным патрубком, корпус также снабжен уплотнениями в местах подвижных соединений с торцовой стенкой циклона и фланцем выходного патрубка, например, в виде фланцев по концам корпуса с концентричными его оси канавками, входящими в скользящее сопряжение с концентричными выступами торцовой стенки циклона и фланца выходного патрубка.
В данном техническом решении устранены многие вышерассмотренные недостатки: исключено трение между жидкостью и внутренней поверхностью корпуса, в нем отсутствует ранее указанное течение Россби, приводящее к многократному взаимодействию каждой частички движущейся жидкости с неподвижным корпусом и т.д.
Однако, рассматриваемое устройство имеет сложную конструкцию, высокую стоимость, трудоемкость настройки, пониженную надежность и трудности в эксплуатации. В некоторых практических ситуациях важно иметь не столько абсолютно совершенное, и дорогое устройство, а сколько возможность его быстрого изготовления, доступность для широких слоев населения, простого в эксплуатации, долговечного и т.д. и в то же время примерно равного по возможностям тому же самому совершенному устройству.
В последнее время создание новой техники приобрело особую актуальность. Во-первых, потому что новые средства производства стимулируют развитие известных и создание новых технологий, а новые технологии влекут за собой, в свою очередь, и появление дополнительно новых устройств, а так же их адаптацию под различные задачи и в других сферах деятельности.
Во-вторых, в условиях жесткой конкуренции развитие новых технологий, создание новых технических продуктов и средств производства дает неоспоримые преимущества той стране, которая ими обладает.
Особую актуальность это обстоятельство имеет для нашей страны, поскольку со всех границ она окружена высокоиндустриальными странами, и для сохранения своих границ и территорий необходимо, как минимум, не уступать им в техническом развитии.
Следовательно, необходимы во множестве новые технические решения, которые создадут арсенал средств для осуществления разного вида технических проектов, необходимо создавать и развивать особо эффективные устройства и технологии на основе глубоких научных поисков и обоснований. Особо важным направлением является создание машин и технологий на основе новых физических принципов действия, глубокое их изучение, развитие с последующей реализацией в дальнейшие инновационные разработки.
Акустико-кавитационные технологии являются таким направлением, поскольку благодаря достижению высоких плотностей энергий в момент коллапса кавитационных каверн можно получать и видоизменять формы энергии, управлять изменением свойств воды и других жидкостей, обрабатывать твердые и газообразные компоненты в жидких средах.
В то же время эти устройства должны быть надежны, просты по конструкции и доступны для широкого круга пользователей.
Целью предлагаемого технического решения является существенное упрощение конструкции и удешевлении вихревого кавитатора при сохранении показателей качества его рабочего процесса.
Для достижения поставленной цели в вихревом кавитаторе, содержащем ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, первая торцевая сторона которого имеет центральное выходное отверстие, вторая торцевая сторона глухая, а обечайка снабжена тангенциальным входным патрубком, лопастной насос с рабочим колесом, всасывающим и нагнетательным патрубками, соединительный трубопровод, а так же подводящий и отводящий патрубки циклон центральным выходным отверстием соосно соединен непосредственно со всасывающим патрубком лопастного насоса, а входной тангенциальный патрубок циклона и нагнетательный патрубок лопастного насоса имеют встречную ориентацию и связаны соединительным трубопроводом.
При этом:
- соединительный трубопровод перед входным тангенциальным патрубком циклона снабжен спрямителем потока, например, в виде звездообразно соединенных вдоль оси трубопровода пластин;
- подводящий патрубок тангенциально подсоединен ко всасывающему патрубку лопастного насоса попутно вращению рабочего колеса;
- отводящий патрубок подсоединен к глухой торцовой стенке циклона соосно центральному выходному отверстию первой торцовой стенки.
Соединение циклона соосно центральным выходным отверстием непосредственно со всасывающим патрубком лопастного насоса обуславливает исключение из исходной структуры кавитатора его корпуса и возвратного трубопровода (Фиг. 3), что устраняет, во-первых, гидравлические потери в возвратном трубопроводе, обеспечивает снижение в нем вихревой составляющей потока, во-вторых, существенно упрощает конструкцию вихревого кавитатора, в несколько раз снижает трудоемкость его изготовления, а значит и стоимость, повышает надежность работы изделия, его ресурс. В-третьих, в случае если корпус прототипа перестанет вращаться или будет подтормаживать, то в нем возникнут существенные гидравлические потери, связанные с трением вращающейся жидкости о внутренние стенки корпуса, с появлением сложной структуры течений в нем (в том числе течений Россби), многократно увеличивающих непроизводительные затраты энергии.
Связь входного тангенциального патрубка циклона и нагнетательного патрубка лопастного насоса соединительным трубопроводом при их встречной ориентации (Фиг. 4) дает возможность произвести взамен утраченных за счет исключения корпуса новые преимущества перед прототипом. В этом случае в циклоне создается вращение потока жидкости попутно направлению вращения рабочего колеса лопастного насоса и при входе такого потока из циклона непосредственно сразу в лопастной насос он уже имеет предварительную подкрутку вдогонку за лопастями рабочего колеса центробежного насоса. Разница окружных скоростей между входящей в насос жидкостью и лопастями рабочего колеса для такого предварительно подкрученного потока уменьшается, следовательно, нагрузка на лопасть уменьшится, уменьшится момент на валу и потребляемая мощность, повысится его экономичность (Фиг. 5, Фиг. 6). С другой стороны, и энергия, передаваемая жидкости насосом, уменьшается, однако сумма удельных энергий - пришедшей с предварительно подкрученной жидкостью и переданной рабочим колесо лопастного насоса достигнет требуемого, то есть паспортного значения. Окружная скорость колеса при этом сохранится, а окружная скорость жидкости на выходных кромках лопастей меньше скорости рабочего колеса быть в этом случае не может, следовательно, и напор на выходе из насоса не станет меньше номинального (Фиг. 7, Фиг. 8).
Результат от реализации рассматриваемых признаков обеспечивается тем, что в лопастной насос возвращается энергия от потока каждый раз оставшаяся от предыдущего цикла (при движении жидкости по траектории лопастной насос - циклон - лопастной насос - и т.д.) и самому насосу требуется лишь добавить часть ее, недостающую до номинального показателя. При этом, чем меньше ее потери в контуре, тем на меньшую величину требуется ее восполнить, однако при сохранении необходимого значения на выполнение полезной функции. В заявляемом же устройстве потери минимальны, а необходимая величина энергии на выполнение полезной функции в большинстве гидродинамических кавитаторах составляет лишь 6-10% от входной ее величины.
После выхода из лопастного насоса поток жидкости спрямляется и по соединительному трубопроводу вновь попадает в тангенциальный входной патрубок циклона для повторной закрутки и участия в следующих циклах.
Особенностью получившейся конструкции является то, что соединительный трубопровод в данном случае должен иметь изгиб на угол не меньше чем на 180°, что могут обеспечить либо два прямоугольных отвода, либо изгиб соединительного трубопровода на этот угол. Изгиб же (в обоих случаях) предполагает возникновение двух сопряженных вихрей с продольными осями за счет утыкания ядра потока о внутреннюю поверхность внешней стенки изогнутой трубы, отражения от нее с распадением на две части, каждая из которых по своей внутренней боковой поверхности трубы уходит на меньшие радиусы изгиба с последующим их смыканием и многократным повторением всех фаз рассмотренного цикла (Фиг. 10).
При входе потока с такой структурой через входной тангенциальный патрубок в циклон она оказывает воздействие на механизм звукообразования, нарушает синфазность взаимодействующих потоков в циклоне, следовательно, снижает амплитуду волн, создает шумы, а это снижает интенсивность процесса акустической кавитации. Для устранения этих негативных явлений в заявляемом устройстве предусмотрено снабжение соединительного трубопровода перед входом в тангенциальный патрубк циклона спрямителем потока, например, в виде звездообразно соединенных вдоль оси трубопровода пластин.
В этом случае поток, содержащий два сопряженных продольных вихря, обтекает продольные пластины и в каждом образовавшемся фрагменте русла становится продольно ориентированным и на выходе превращается в близкое к потенциальному течение.
Подсоединение подводящего патрубка тангенциально ко всасывающему патрубку лопастного насоса попутно вращению рабочего колеса (Фиг. 3, Фиг. 4) обеспечивает устранение встречного взаимодействия входного транзитного потока и вихревой составляющей циркуляционного потока на входе в лопастной насос. Следовательно, в этом случае исключаются гидравлические сопротивления на входе в вихревой кавитатор транзитному потоку и не создается снижение предварительной подкрутки циркуляционному потоку, что обеспечивает в еще большей степени проявление реализуемых в данном техническом решении принципов.
При наибольших значениях транзитного расхода им обеспечивается в еще большей степени предварительная подкрутка, которая увеличивает попутную рабочему колесу лопастного насоса окружную скорость вихревой составляющей.
Подсоединение отводящего патрубка к глухой торцовой стенке циклона соосно центральному выходному отверстию первой торцовой стенки (Фиг. 3) не уменьшает интенсивность вихря в циклоне и, во-вторых, возможно его дополнительно усиливает аналогично в воронках стоков, вызывающих окружное вращение жидкости относительно оси стока (при наибольших значениях транзитного расхода).
Совокупность всех предлагаемых признаков в заявляемом техническом решении является необходимой и достаточной для существенного удешевления устройства, причем с сохранением всех показателей качества его функционирования по отношению к прототипу, таких как меньшая энергоемкость за счет согласования параметров (направлений вращения жидкости) рабочих процессов лопастного насоса и циклона, более высоких кавитационных свойств циклона за счет получения при этом повышенного давления на насосе.
Предлагаемое техническое решение пояснено следующими графическими иллюстрациями:
Фиг. 1. Механизм протекания акустической кавитации;
Фиг. 2. Структура течений внутри вихревых кавитаторов с неподвижным корпусом;
Фиг. 3. Продольный разрез предлагаемого вихревого кавитатора;
Фиг. 4. Поперечный разрез по циклону предлагаемого вихревого кавитатора;
Фиг. 5. Зависимости изменения потребляемой мощности от величины транзитного расхода для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;
Фиг. 6. Зависимости изменения потребляемой мощности на разных частотах вращения рабочего колеса лопастного насоса (при 0,2272 л/с) для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;
Фиг. 7. Зависимости изменения разности давлений на выходе входе в лопастной насос от величины транзитного расхода для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;
тр
Фиг. 8. Зависимости изменения разности давлений на выходе входе в лопастной насос на разных частотах вращения рабочего колеса лопастного насоса (при q=0,2272 л/с) для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;
тр
Фиг. 9. Зависимости изменения тепловой мощности на разных частотах вращения рабочего колеса лопастного насоса (при q=0,2272 л/с) для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;
Фиг. 10. Структура потоков в поворотах трубопроводов.
Вихревой кавитатор устроен следующим образом, он содержит (Фиг. 3, Фиг. 4) ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона 1, первая торцевая стенка 2 которого имеет центральное выходное отверстие 3, вторая торцевая стенка глухая 4, а обечайка 5 снабжена тангенциальным входным патрубком 6, лопастной насос 7 с рабочим колесом 8 и лопастями 9, всасывающим 10 и нагнетательным 11 патрубками, соединительный трубопровод 12, а так же подводящий 13 и отводящий патрубки 14. При этом циклон 1 центральным выходным отверстием 3 соосно соединен непосредственно со всасывающим патрубком 10 лопастного насоса 7, а входной тангенциальный патрубок 6 циклона 1 и нагнетательный патрубок 11 насоса 7 имеют встречную ориентацию и связаны соединительным трубопроводом 12. Кроме того, рабочее колесо 8 установлено в лопастном насосе 7 на приводном валу 15, а соединительный трубопровод 12 перед входным тангенциальным патрубком 6 циклона 1 снабжен спрямителем потока 16, например, в виде звездообразно соединенных вдоль оси трубопровода пластин, подводящий патрубок 13 тангенциально подсоединен ко всасывающему патрубку 10 лопастного насоса 7 попутно вращению рабочего колеса 8, отводящий патрубок 14 подсоединен ко второй глухой торцовой стенке 4 циклона 1 соосно центральному выходному отверстию 3 первой торцовой стенки 2.
Вихревой кавитатор работает следующим образом. Перед пуском через подводящий патрубок 13 внутренние объемы лопастного насоса 7 и циклона 1 под давлением заполняется водой. Воздух при этом вытесняется через отводящий патрубок 14. При пуске от приводного вала 15 начинает вращаться рабочее колесо 8 лопастного насоса 7. Оно лопастями приводит в движение и разгоняет воду в окружном и радиальных направлениях, создавая во всасывающем патрубке 10 разрежение, а в нагнетательном патрубке 11 давление воды. За счет разности этих давлений приводится в движение вода и в циклоне 1, она поступает из лопастного насоса 7 по соединительному трубопроводу 12 в тангенциальный патрубок 6 циклона 1. Далее жидкость движется вдоль внутренней поверхности обечайки 5 в циклоне 1 незначительно теряя скорость, и поэтому расширяясь в поперечном сечении. Следовательно, появляется центростремительная составляющая, увеличивающаяся по пути следования основного потока вдоль обечайки 5. При достижении рассматриваемой частью потока места слияния его с входной частью из выходного тангенциального патрубка 6, эти части конкурируют между собой поочередно обжимая друг друга и создавая тем самым упругие (акустические) волны.
Амплитуда колебаний растет с увеличением входного давления на тангенциальном патрубке, кроме того разность давлений на входе и выходе циклона 1 обуславливает величину скорости жидкости в циклоне 1, следовательно, ее рост увеличивает частоту создаваемых звуковых волн.
Выполнив положительную функцию после взаимодействия с входным потоком рабочая жидкость (вода) через центральное выходное отверстие 3 вращающимся осевым потоком покидает циклон 1 и попадает во всасывающий патрубок 10 лопастного насоса 7. В лопастном насосе поток с предварительной закруткой (полученной в циклоне 1) попадает на вращающиеся в том же направлении лопасти 9 рабочего колеса 8, получает от них дополнительную кинетическую энергию, преобразуемую на выходе с лопастей 9 в гидравлическое давление, и снова участвует в последующих циклах.
Причем, по мере прохождения соединительного трубопровода 12 жидкость после поворота создает два сопряженных осевых вихря (Фиг. 10), на поддержание которых затрачивается дополнительная мощность, а также они неблагоприятно воздействуют на создание акустических сигналов. Для устранения этих вихревых течений в конце соединительного трубопровода 12 установлен спрямитель потока 16. Он разделяет вращающийся поток на отдельные сектора, устраняет радиальные течения в узких секторных каналах и в итоге на выходе из спрямителя потока 16 получается течение близкое к потенциальному. При взаимодействии этого потока, прошедшего тангенциальный патрубок 6 циклона 1 с его же более ранней частью, совершившей почти полный оборот по внутренней обечайке 5 циклона, получается более стабильный и выразительный (с меньшей долей шумов) акустический сигнал, что повышает эффективность вихревого кавитатора.
тр
тр
Следует так же отметить то, что возможные остаточные объемы воздуха при этом участвуя в вихревом движении за счет малой плотности отжимаются более плотной водой в приосевое пространство, откуда через отводящий патрубок 14 в первую очередь удаляются из вихревого кавитатора. Режим работы кавитатора определяется величиной расхода транзитного потока q, при его меньшем значении жидкость нагревается до высоких температур, при большем значении q жидкость нагревается незначительно (при работе кавитатора в качестве теплогенератора).
Показателями качества рассматриваемого рабочего процесса являются:
- величина потребляемой мощности;
- величина разности давлений на входе и выходе насоса, являющаяся оценкой удельной энергии, сообщенной насосом жидкости;
тр
- значение температуры нагрева жидкости (разности на выходе и входе в кавитатор) на каждом из рассматриваемых режимов q, являющаяся оценкой проявления кавитационных качеств кавитатора.
По всем вышерассмотренным показателям предлагаемое техническое решение имеет преимущества, как перед конструкциями с неподвижным корпусом (см. аналог Патент РФ №2045715, кл. F25B 29/00, 1995), так и не уступает прототипу.
Во-первых, эта конструкция по потребляемой мощности сопоставима с прототипом, поскольку затраты на вращение жидкости в корпусе прототипа минимизированы (за счет вращения корпуса), а в рассматриваемом случае их нет вообще за счет исключения корпуса.
Во-вторых, при входе через центральное отверстие 3 первой торцовой стенки 2 во всасывающий патрубок 10 лопастного насоса 7 жидкость имеет значительную вихревую составляющую и лишь немного отстает от вращающихся лопастей 9 рабочего колеса 8. Следовательно, гидродинамическая сила взаимодействия между ними, пропорциональная квадрату разности окружных скоростей, незначительна, поэтому и момент на приводном валу 15 небольшой. В итоге произведение силы на плечо точки ее приложения и на заданную постоянную частоту вращения обуславливает минимальную потребляемую мощность, то есть дает ее экономию (Фиг. 5, Фиг. 6).
цир
Показатель величины разности давлений на выходе и входе насоса в рассматриваемом случае не должен быть ниже паспортного значения на соответствующем режиме Q, поскольку рабочее колесо 8 лопастного насоса 9 вращается с той же частотой и окружная составляющая скорости жидкости на выходе с лопастей будет не меньше, чем при режиме работы лопастного насоса без предварительной закрутки (как в случае варианта с неподвижным корпусом), а так же и не меньше, чем при вращающемся корпусе (эти сравниваемые варианты аналогичны).
Реально же достигнутое значение разности давлений существенно (на 60%) превышает паспортное значение (Фиг. 7, Фиг. 8), а это обстоятельство дает преимущества для предлагаемого варианта по отношению к конструкциям, содержащим корпус. Одной из основных причин превышения давления по отношению к паспортному значению является обстоятельство уменьшения скольжения в асинхронном двигателе привода (на фигурах не показан), поскольку уменьшение крутящего момента на приводном валу 15 в этом случае способствует повышению частоты вращения этого вала 15, вплоть до частоты вращения магнитного поля в электродвигателе. Повышение при этом частоты вращения рабочего колеса дает приращение давления в нагнетательном патрубке 11, да и напора вцелом.
Повышенное же давление реализуется в этом случае в усиление кавитационных способностей устройства и повышение его теплотворной способности (Фиг. 9).
В итоге получено устройство не уступающее прототипу по функциональным показателям и имеющее значительные преимущества по стоимости и надежности. Следовательно, поставленная цель при создании технического решения достигнута.
Использование предлагаемого вихревого кавитатора выгодно отличает его от аналогов. Во-первых, его малая стоимость значительно расширяет границы его использования и потребителей, что вызовет за счет его доступности для пользователей ускорение внедрения акустико-кавитационных технологий на широком диапазоне народо-хозяйственных задач. Во-вторых, простота его конструкции и изготовления предполагает возможность самостоятельного производства потенциальными пользователями этого устройства, а значит его совершенствования и развития. В этом случае в процесс развития навигационных технологий вовлекаются в значительной мере дополнительные многочисленные участники проекта, и в конечном итоге количество перерастет в качество, в создание еще более совершенной конструкции. Дополнительным аспектом такой ситуации, то есть вовлечения широких масс в созидательные процессы является повышение технической грамотности населения в стране, перемещение центра интересов больших групп людей от времяпровождения к творчеству, поскольку ставшие доступными акустико-кавитационные технологии имеют широкие перспективы использования, причем в еще более нетрадиционных, новых сферах применения.
В-третьих, использование устройства с повышенной надежностью существенно поднимет требования к другим конструкциям кавитаторов, отчего их производители будут вынуждены выпускать более совершенную продукцию.
Все выше рассмотренные обстоятельства в совокупности могут определить лидирующие позиции страны в развитии кавитационных технологий и технических средств для их осуществления.