КАВИТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области кавитационной техники, в частности, к устройствам для нагрева жидкостей посредством кавитационного эффекта и может быть использована для повышения эффективности нагрева жидкостей в гидродинамических кавитационных термогенераторах, водонагревателях, теплогенерирующих устройствах и других тепловых приборах.
Кавитационный эффект заключается в том, что в жидкости образуются полости (каверны, пузырьки), заполненные парами жидкости, которые получаются в результате местного уменьшения давления жидкости ниже критического значения, равного давлению насыщающих паров жидкости при данной температуре. При увеличении давления жидкости пузырьки «схлопываются» с выделением тепла.
Известен гидродинамический кавитационный реактор по авторскому свидетельству СССР №1287934 [1], содержащий трубопровод в виде трубы Вентури, сотовый выпрямитель и кавитаторы, установленные в проточной камере трубы Вентури. Кавитаторы установлены на осевом стержне в три ряда и представляют собой диски или конусы, служащие для турбулизации потока жидкости и образования каверн на задней их стороне. При «схлопывании» каверн в их объеме повышаются давление и температура, образуется ударная волна, которая воздействует на свойства обрабатываемой жидкости.
Известное устройство имеет следующие недостатки:
- кавитаторы, установленные в проточной камере, очень незначительно влияют на понижение давления жидкости из-за их малой площади, в результате чего образование кавитационных каверн будет затруднено;
- кавитаторы почти не влияют на увеличение скорости жидкости и, стало быть, на уменьшение давления в жидкости;
- интенсивность нагрева жидкости и КПД устройства в результате будут незначительными.
Известно устройство для нагрева жидкости по патенту РФ №2162571 [2], в котором для повышения температуры нагрева жидкости дополнительно используется вставка, выполненная в виде перфорированной перегородки, установленной в инжекционном патрубке. Перфорированная перегородка установлена на расстоянии 20…150 мм от выходного отверстия инжекционного патрубка. Каналы в перегородке равномерно распределены по поверхности перегородки, диаметр каналов составляет 0,5…5 мм. При прохождении жидкости через каналы перегородки в жидкости образуются тороидальные каверны (кавитационные пузырьки), пульсирующие на выходе струй по их периферии. В кавернах с большой частотой происходят электрические разряды, энергия которых при «схлопывании» каверн переходит в тепловую, за счет чего происходит генерирование тепла в жидкости.
Недостатками известного устройства являются:
- низкая интенсивность кавитации жидкости, так как кавитационные зоны образуются только на выходе из каналов перегородки;
- отсутствие кавитации жидкости во всем ее объеме;
- незначительный КПД устройства и низкая температура нагрева жидкости. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является гидродинамический кавитационный реактор по авторскому свидетельству СССР №1283272 [3]. Устройство, взятое за прототип, состоит из входного и выходного патрубков и кавитатора, установленного в соединительных фланцах. В кавитаторе по концентрической окружности (в один или два ряда) выполнены каналы, расширяющиеся к выходу жидкости. На стороне входа жидкости в кавитаторе установлен отражательный конус, сужающий живое сечение входного патрубка. На выходе из каналов образуются кавитационные зоны с пузырьками. Поступая в выходной патрубок, где давление жидкости возрастает, пузырьки «схлопываются» с выделением тепла.
Недостатками известного устройства являются:
- низкая активность кавитационного процесса и малый объем кавитационных зон;
- незначительное выделение тепла, следствием чего является низкая температура нагрева жидкости и малый КПД устройства.
Предлагаемая полезная модель направлена на повышение интенсивности кавитационного процесса, увеличение теплопроизводительности и термического КПД кавитирующего устройства.
Задача решена тем, что в кавитирующем устройстве, включающем входной и выходной патрубки, кавитатор с каналами, расположенными по концентрической окружности; соединительные фланцы, в выходном патрубке дополнительно смонтированы отбойник и тормоз, последовательно соединенные между собой и с кавитатором, причем выходной патрубок выполнен двухколенным в виде сужающегося конуса, переходящего в цилиндр с площадью поперечного сечения, равной суммарной площади сечения каналов, выполненных в кавитаторе, при этом отбойник установлен по оси выходного патрубка с длиной, равной длине конической части патрубка L, а тормоз смонтирован в цилиндрической части выходного патрубка. Каналы в кавитаторе выполнены по касательным к концентрической окружности с углом наклона α к продольной оси кавитатора равным отношению .
Соотношение наружного диаметра отбойника и внутреннего диаметра цилиндрического патрубка выдержано в пределах 0,3…0,5.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фигуре 1 изображено предлагаемое кавитирующее устройство в продольном разрезе. На фигуре 2 изображен кавитатор на виде слева (вид А) и дан разрез В-В через один из каналов кавитатора. На фигуре 3 дан вид справа (вид Б) на тормоз и отбойник.
Предлагаемое кавитирующее устройство представляет собой трубчатую конструкцию, состоящую из входного патрубка 1, двухколенного выходного патрубка, имеющего конический патрубок 2 и цилиндрический патрубок 3. Входной патрубок 1 и выходной конический патрубок 2 соединены между собой посредством фланцев 4. Концы патрубков 1 и 3 также снабжены фланцами для монтажа устройства в трубопроводной системе.
Между фланцами 4 смонтирован кавитатор 5, представляющий собой диск с каналами 6 для прохода жидкости из патрубка 1 в патрубки 2 и 3. К кавитатору 5 одним концом прикреплен отбойник 7, представляющий собой полый или цельный стержень. К другому концу отбойника прикреплен тормоз 8, представляющий собой несколько пластин, скрепленных между собой в виде продольного оперения.
Отбойник 7 смонтирован по оси конического патрубка 2, а тормоз - по оси цилиндрического патрубка 3. Длина отбойника равна длине конического патрубка 2.
Каналы 6 в кавитаторе выполнены по концентрической окружности и равномерно распределены по длине этой окружности. Оси каналов расположены по касательной к концентрической окружности и наклонены к продольной оси кавитатора под углом α равным отношению .
отб
ц
Наружный диаметр d отбойника 7 выполнен равным 0,3…0,5 от внутреннего диаметра d цилиндрического патрубка 3. Площадь сечения цилиндрического патрубка 3 принята равной суммарной площади сечения каналов 6, выполненных в кавитаторе 5.
Предлагаемое кавитирующее устройство работает следующим образом. Жидкость под давлением подается во входной патрубок 1, откуда через каналы 6 поступает в выходной конический патрубок 2. На выходе из каналов 6 скорость струй жидкости возрастает в 3-5 раз по сравнению со скоростью потока во входном патрубке. Давление жидкости в соответствии с законом Бернулли уменьшается во столько же раз, во сколько раз увеличивается скорость потока. По границам струй возникают кавитационные зоны, в которых происходит интенсивное образование кавитационных каверн. Так как каналы 6 расположены по касательным к концентрической окружности, струи жидкости на выходе из каналов образуют вращающийся поток жидкости, при этом турбулентность потока возрастает. Возрастает также скорость потока в целом, что приводит к дополнительному образованию кавитационных каверн.
При движении потока в коническом выходном патрубке благодаря наличию отбойника 7 и конической форме патрубка 2 «живое» сечение патрубка уменьшается по мере продвижения жидкости. Это обстоятельство обусловливает дополнительное увеличение скорости потока жидкости к концу патрубка 2, что приводит к интенсификации образования каверн в жидкости, причем по всему ее объему. Наличие отбойника препятствует образованию противотока течения и способствует перекрытию малоактивной разреженной зоны по оси устройства, которая не участвует в кавитационном процессе.
В цилиндрическом патрубке 3 благодаря наличию тормоза 8 турбулентный поток жидкости преобразуется в ламинарный поток, скорость потока резко падает, давление жидкости возрастает, что приводит к активному «схлопыванию» каверн, что сопровождается интенсивным тепловыделением. Образовавшееся при этом тепло расходуется на нагрев жидкости.
Повышению интенсивности кавитационного процесса способствует также то, что угол наклона α каналов к продольной оси кавитатора составляет . Указанный угол является оптимальным, так как обеспечивает эффективное закручивание потока с минимальным соударением струй с корпусом конического патрубка и, соответственно, с наименьшими потерями кинетической энергии потока жидкости. Так как длина отбойника равна длине конического патрубка, то наращивание скорости потока жидкости происходит на всей длине патрубка, причем процесс увеличения скорости идет с постоянным ускорением, что способствует повышению интенсивности кавитационного процесса по всей длине патрубка. Равенство площади сечения цилиндрического патрубка 3 и суммарной площади сечения каналов способствует образованию «подпора» в коническом и цилиндрическом патрубках и увеличивает время нахождения жидкости в кавитационных зонах, что, в свою очередь, способствует процессу теплопередачи от каверн к жидкости.
Соотношение наружного диаметра отбойника и внутреннего диаметра цилиндрического патрубка, равное 0,3…0,5, является оптимальным, так как это позволяет создать в коническом патрубке кольцевое пространство, в котором развивается максимальная скорость потока, соответственно, пониженное давление жидкости и, в конечном итоге, наилучшие условия для развития кавитационного процесса без дополнительного увеличения давления нагнетаемой жидкости.
Таким образом, предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом позволяет обеспечить повышение интенсивности кавитационного процесса, увеличение теплопроизводительности и термического КПД устройства.
Предлагаемая полезная модель кавитирующего устройства может быть использована в гидродинамических термогенераторах как вставка для дополнительного нагрева жидкостей, а также для обработки различных жидких технологических смесей.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1287934. Кл. B01J 19/24. Гидродинамический кавитационный реактор / Ивченко В.М., Есиков С.А.; опубл. 7.02.1985, БИ №5.
2. Патент РФ №2162571. Кл. F24D 3/02, F24H 4/02. Устройство для нагрева жидкости / Потапов Ю.С. и др.; опубл. 27.01.2001.
3. Авторское свидетельство СССР №1283272. Кл. D21В 1/36. Гидродинамический кавитационный реактор / Солоницын Р.А. и др.; опубл. 15.01.1987, БИ №2.
Перечень позиций к заявке
«Кавитирующее устройство»
1 - входной патрубок
2 - выходной конический патрубок
3 - выходной цилиндрический патрубок
4 - соединительные фланцы
5 - кавитатор
6 - каналы
7 - отбойник
8 - тормоз