СМЕСИТЕЛЬ
MIXER

Изобретение относится к области гидравлики и гидроаэродинамики и может использоваться в промышленности и коммунальном хозяйстве для энергосберегающего приготовления смесей в потоках жидкостей или газов, преимущественно при вводе добавки в большой объем движущегося потока жидкости или газа.
Известно устройство для смешивания жидких или газообразных сред в потоках жидкостей и газов (RU 2306171 С1, 2008), которое содержит размещаемую в потоке камеру смешения с отверстиями, выполненую в виде цилиндра с каплеобразным поперечным сечением или с каплеобразным поперечным сечением с отсеченной заостренной частью, и установленную внутри цилиндра, по меньшей мере, одну перфорированную трубку для ввода реагента.
Известен статический струйный смеситель (RU 75589 U1, 2008), который содержит помещенную в поток трубчатую камеру смешения каплевидного сечения, в которой выполнены отверстия для входа воды, расположенные фронтально по отношению к направлению потока вдоль образующей камеры смешения, и выходные отверстия для смеси воды и реагента, расположенные на боковых поверхностях вдоль образующей, а также центральную перфорированную трубку для ввода реагента. Камера смешения снабжена эжектором, который установлен соосно трубке для ввода реагента и снабжен отверстиями для входа воды, выполненными напротив фронтальных отверстий камеры смешения, и симметричными отверстиями для выхода смеси воды и реагента, расположенными на боковых поверхностях вдоль образующей по всей высоте эжектора и равноудаленными от входных отверстий последнего и друг от друга.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для смешивания жидких или газообразных сред в потоках жидкостей и газов (RU 2080166 С1, 1997). Ближайший аналог представляет собой тело, помещенное в поток жидкости или газа, и содержит прямоугольный в поперечном сечении конфузор, обращенный навстречу потоку, и два полых круговых цилиндра. Конфузор соединен с первым цилиндром, ось которого перпендикулярна набегающему потоку. На боковых поверхностях первого цилиндра вдоль его образующих равномерно выполнены отверстия для выброса смеси в набегающий поток. Второй цилиндр установлен у переднего края конфузора перпендикулярно набегающему потоку и связан с трубопроводом для подвода вводимого в поток компонента смеси. На обеих боковых поверхностях второго цилиндра вдоль его образующих между нижней и верхней стенками конфузора равномерно выполнены отверстия для выброса вводимого компонента. Отверстия на боковых поверхностях первого и второго цилиндров выполнены в зонах, расположенных симметрично относительно миделевого сечения соответствующего цилиндра и ограниченных в направлении потока дугой окружности, соответствующей центральному углу 20°.
Поскольку во всех упомянутых выше аналогах выброс компонента смеси в поток осуществляется только вследствие разрежения, создаваемого в зонах расположения отверстий за счет энергии набегающего потока, упомянутые аналоги обеспечивают смешение без применения дополнительных источников энергии, которые в иных случаях необходимы для нагнетания вводимого компонента смеси.
Вместе с тем, ближайший аналог, как и все упомянутые выше аналоги, не позволяет обеспечить эффективное смешивание при низких значениях скорости потока жидкости или газа, не превышающих 0,3-0,5 м/с, поскольку создаваемое набегающим потоком разрежение в зонах расположения отверстий зависит от его скорости.
Задачей настоящего изобретения явилось создание смесителя, который обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности смешивания компонентов при низких значениях скорости потока жидкости или газа, не превышающих 0,3-0,5 м/с, а также в расширении арсенала технических средств подобного назначения.
Поставленная задача решена и сформулированный технический результат достигнут тем, что предлагаемый смеситель, как и ближайший аналог, выполненный с возможностью установки в потоке жидкости или газа и содержащий установленный поперек потока первый полый цилиндр с отверстиями, которые выполнены, по меньшей мере, вдоль одной его образующей, расположенной ниже по потоку от осевого поперечного сечения первого цилиндра, перпендикулярного направлению потока, полый входной участок, который своей полостью, сообщающейся с полостью первого цилиндра, обращен навстречу потоку, и установленный поперек потока в полости входного участка второй полый цилиндр с полостью, сообщающейся с источником смешиваемого компонента, и с отверстиями, которые выполнены, по меньшей мере, вдоль одной его образующей, расположенной ниже по потоку от осевого поперечного сечения второго цилиндра, перпендикулярного направлению потока, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен, по меньшей мере, одним экранирующим элементом, который установлен на внешней поверхности первого цилиндра вдоль его образующей, расположенной выше по потоку по отношению к выполненным в первом цилиндре отверстиям.
При этом входной участок смесителя выполнен в виде полого цилиндра и установлен на первом цилиндре.
Отверстия в первом цилиндре выполнены вдоль его образующей, расположенной ниже по потоку и отстоящей от осевого поперечного сечения первого цилиндра, перпендикулярного направлению потока, на центральный угол, не превышающий 10°.
Отверстия во втором цилиндре выполнены вдоль его образующей, расположенной ниже по потоку и отстоящей от осевого поперечного сечения второго цилиндра, перпендикулярного направлению потока, на центральный угол, не превышающий 10°.
Экранирующий элемент смесителя выполнен в виде удлиненной пластины.
Пластина экранирующего элемента установлена на расстоянии от выполненных в первом цилиндре отверстий, равном 0,2-0,3 от размера упомянутых отверстий вдоль направления потока, и под углом 30°-60° по отношению к направлению потока, а ширина пластины экранирующего элемента выбрана равной 0,7-1,8 от размера упомянутых отверстий вдоль направления потока.
Снабжение заявляемого смесителя, по меньшей мере, одним экранирующим элементом, который установлен на внешней поверхности первого цилиндра вдоль его образующей, расположенной выше по потоку по отношению к выполненным в первом цилиндре отверстиям, обеспечивает повышение эффективности смешивания компонентов при низких значениях скорости потока жидкости или газа, не превышающих 0,3-0,5 м/с, что подтверждается следующими обстоятельствами.
Известно (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Иностранная литература, 1969), что при поперечном обтекании цилиндра на его боковых поверхностях образуются зоны разрежения, за которыми следует отрыв потока с образованием расширяющейся вниз по потоку области, которая заполнена вихрями, периодически формирующимися и сходящими с цилиндра в точках отрыва потока.
Поэтому, как и в ближайшем аналоге, упомянутые зоны разрежения, в которых расположены отверстия первого и второго цилиндров, обеспечивают отсос и выброс в поток подводимого к ним смешиваемого компонента, а образующиеся за первым и вторым цилиндрами вихри обеспечивают интенсивное перемешивание этого компонента с потоком.
Вместе с тем, при скоростях потока, не превышающих 0,3-0,5 м/с, разрежение у поверхности первого цилиндра в области, где расположены его отверстия, оказывается недостаточным для интенсивного отсоса смешиваемого компонента из его внутренней полости и эффективного смешивания с движущимся потоком.
При функционировании заявляемого смесителя экранирующий элемент при его обтекании отрывает поток от поверхности первого цилиндра и создает дополнительное разрежение в области расположения отверстий первого цилиндра, обеспечивая более интенсивный отсос смешиваемого компонента из его внутренней полости, а формирующиеся и сходящие с кромки экранирующего элемента к отверстиям вихри обеспечивают более эффективное смешивание с движущимся потоком смешиваемого компонента.
Как было установлено авторами настоящего изобретения при экспериментальных исследованиях, при наилучшем осуществлении заявляемого изобретения, охарактеризованного, в том числе, зависимыми пунктами формулы изобретения, применение в конструкции упомянутого экранирующего элемента обеспечивает повышение коэффициента разрежения на 40-48% по сравнению с ближайшим аналогом.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящего изобретения и достижении сформулированного технического результата благодаря наличию у заявляемого смесителя перечисленных отличительных признаков.
На фиг. 1 показан заявляемый смеситель, который установлен в показанном в разрезе трубопроводе, по которому движется поток жидкости или газа, причем входной участок смесителя показан в частичном разрезе, где 1 - первый цилиндр, 2 - второй цилиндр, 3 - трубопровод, 4 - входной участок, 5 - отверстия первого цилиндра, 6 - пластина и 7 - отверстия второго цилиндра.
На фиг. 2 приведен разрез по А-А второго цилиндра 2, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 приведен разрез по Б-Б первого цилиндра 1, показанного на фиг. 1.
Предлагаемый смеситель, все элементы которого выполнены из металла или для предотвращения коррозии из полимерного материала, установлен в трубопроводе 3, по которому движется поток жидкости или газа.
Смеситель содержит полый первый цилиндр 1, выполненный, например, как круговой цилиндр, и установленный поперек потока так, что его ось находится в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубопровода 3.
Смеситель содержит входной участок 4, который выполнен в виде полого кругового цилиндра и установлен на первом цилиндре 1 так, что своей полостью, сообщающейся с полостью первого цилиндра 1, входной участок 4 обращен навстречу потоку, а его ось совпадает с осью трубопровода 3.
Смеситель также содержит полый второй цилиндр 2, выполненный, например, как круговой цилиндр, с полостью, сообщающейся с источником смешиваемого компонента с помощью подводящего трубопровода. Второй цилиндр 2 установлен поперек потока в полости входного участка 4 так, что его ось находится в вертикальной плоскости, проходящей через ось трубопровода 3.
Во втором цилиндре 2, по меньшей мере, вдоль одной его образующей, расположенной ниже по потоку от осевого поперечного сечения второго цилиндра 2, перпендикулярного направлению потока, выполнены сквозные отверстия 7 второго цилиндра 2. При наилучшем осуществлении настоящего изобретения отверстия 7 второго цилиндра 2 регулярно расположены вдоль двух его образующих, которые симметричны относительно упомянутой вертикальной плоскости и отстоят от осевого поперечного сечения второго цилиндра 2, перпендикулярного направлению потока, на центральный угол, не превышающий 10°. Отверстия 7 второго цилиндра 2 имеют круглую форму, как показано на чертежах, но могут иметь и прямоугольную форму, причем форма и размеры отверстий 7 должны быть одинаковыми.
В первом цилиндре 1, по меньшей мере, вдоль одной его образующей, расположенной ниже по потоку от осевого поперечного сечения первого цилиндра 1, перпендикулярного направлению потока, выполнены сквозные отверстия 5 первого цилиндра 1. При наилучшем осуществлении настоящего изобретения отверстия 5 первого цилиндра 1 регулярно расположены вдоль двух его образующих, которые симметричны относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось трубопровода 3, и отстоят от осевого поперечного сечения первого цилиндра 1, перпендикулярного направлению потока, на центральный угол, не превышающий 10°. Отверстия 5 первого цилиндра 1 имеют круглую форму, как показано на чертежах, но могут иметь и прямоугольную форму, причем форма и размеры отверстий 5 должны быть одинаковыми.
Смеситель снабжен двумя экранирующими элементами в виде удлиненных пластин 6, которые установлены на внешней поверхности первого цилиндра 1 вдоль его образующих, расположенных выше по потоку по отношению к выполненным в первом цилиндре 1 отверстиям 5, с наклоном в сторону расположения отверстий 5.
Пластины 6 установлены (см. фиг. 3) на расстоянии R от выполненных в первом цилиндре 1 отверстий 5, равном 0,2-0,3 от размера D отверстий 5 вдоль направления потока, и под углом α, равным 30°-60° по отношению к направлению потока. Ширина h пластины 6 выбрана равной 0,7-1,8 от размера D отверстий 5 вдоль направления потока, что обеспечивает нависание краев пластин 6 над соответствующими отверстиями 5 вблизи их центров.
Приведенные здесь численные характеристики и соотношения, относящиеся к особенностям выполнения и установки пластин 6, получены авторами настоящего изобретения опытным путем и характеризуют наилучший вариант осуществления настоящего изобретения.
Смеситель работает при условии полного погружения в движущийся поток жидкости или газа следующим образом.
Некоторая часть набегающего потока, протекающего в трубопроводе 3, попадает в полость входного участка 4 и, обтекая второй цилиндр 2, создает разрежение в областях расположения отверстий 7 второго цилиндра 2. Под действием этого разрежения смешиваемый компонент от соответствующего источника по подводящему трубопроводу поступает во второй цилиндр 2 и выбрасывается через отверстия 7 по всей его длине в полость входного участка 4, смешиваясь с движущимся во входном участке 4 потоком по влиянием вихревого следа, возникающего за вторым цилиндром 2.
Образовавшаяся смесь из входного участка 4 поступает в полость первого цилиндра 1.
Основная часть протекающего в трубопроводе 3 потока, не попавшая во входной участок 4, обтекает первый цилиндр 1 и создает разрежение в областях расположения отверстий 5 первого цилиндра 1, вызывающее выброс смеси в поток из полости первого цилиндра 1 через отверстия 5. При этом эта основная часть набегающего потока обтекает не только первый цилиндр 1, но и пластины 6 экранирующих элементов, которые отрывают поток от поверхности первого цилиндра 1 и создают дополнительное разрежение в областях расположения отверстий 5 первого цилиндра 1, обеспечивая более интенсивный отсос смеси из его внутренней полости через отверстия 5, а формирующиеся вихри, сходящие с кромок пластин 6 к отверстиям 5, обеспечивают более эффективное смешивание ее с движущимся потоком.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности смешивания компонентов при низких значениях скорости потока жидкости или газа, не превышающих 0,3-0,5 м/с, а также в расширении арсенала технических средств подобного назначения.