ВИХРЕВОЕ КАВИТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
VORTEX CAVITATION DEVICE

Изобретение относится к оборудованию для переработки, модификации, структуризации, тепловыделения, очистки различных жидкостей, а также для улучшения химических процессов в водных растворах.
Вихревое кавитационное устройство (ВКУ), (фиг.1) содержит размещенные внутри трубки корпуса (5) соосно с ней трубку кавитатора (6), входной (2) и выходной (3) завихритель. Входная трубка кавитатора (конфузор) (8) расположена соосно с завихрителями непосредственно за ними. Выходная втулка кавитатора (диффузор) (4) выходит за пределы трубки корпуса. Вихревое кавитационное устройство присоединяется к трубопроводу подачи рабочей среды через промежуточную втулку (1) и присоединительный штуцер (7).
Известно использование кавитаторов для получения тепловой энергии в жидкостях (патент РФ № 2061195, F24J 3/00).
В описании изобретения по указанному патенту предлагается использовать в качестве использования источника кавитации трубки Вентури.
Для реализации кавитационных процессов в жидкости, как показывают исследования, могут быть использованы также различного типа вибраторы или вводимые в жидкость источники акустических волн. Недостатком кавитатора по указанному патенту является недостаточно высокий КПД преобразования.
Многократные исследования течений, потоков жидкости в отводах (разные углы изгиба), в искривленных каналах доказали, что при изменении вектора движения в отводах, каналах возникают вихревые течения за счет сил инерции. Вихревые течения в каналах создают мощные динамические сопротивления потоку, вплоть до срыва самого потока при высоких скоростях и высоком коэффициенте турбулизации.
Это негативно сказывается на организации кавитационных зон в устройстве.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является получение технического результата, заключающегося в переработке, модификации, структурировании, очистке жидкостей, тепловыделении в жидкостях, а также интенсификации химических процессов в водных растворах.
Технический результат - повышение интенсивности кавитационных процессов.
Разные производители кавитационного оборудования предлагают технику, работающую на разных физических принципах. Но кавитационная эффективность оборудования напрямую зависит от размеров парогазового пузырька. Чем больше диаметр пузырька, тем больше энергии выделяется при схлопывании. У производителей кавитационной техники размеры парогазового пузырька лимитированы малыми геометрическими размерами выходных каналов. В ВКУ выходной канал рассчитан и изготовлен так, чтобы при заданных параметрах работы получить максимально возможный размер пузырька.
Предлагаемое устройство не имеет общих конструктивных признаков с известным из названного патента источником кавитации для тепловыделения в жидкости - трубкой Вентури. Использование упомянутых завихрителей или каких-либо других конкретных кавитаторов в качестве средств для реализации комплекса поставленных задач не известно.
Вихревое кавитационное устройство разработано для:
1. нефтепродуктов (нефть, мазут, дизтопливо);
2. воды (технической, питьевой);
3. технических жидкостей (получение смазочно-охлаждающих жидкостей);
4. синтетических масел;
5. любых других жидкостей.
Поставленная задача решается за счет того, что вихревое кавитационное устройство содержит размещенные внутри трубки корпуса (5) соосно с ней трубку кавитатора, входной и выходной завихритель. Входная трубка кавитатора расположена соосно с завихрителями непосредственно за ними. Выходная втулка кавитатора выходит за пределы трубки корпуса. Вихревое кавитационное устройство присоединяется к трубопроводу подачи рабочей среды через промежуточную втулку и присоединительный штуцер.
При создании вихревого кавитационного устройства пассивного типа принято ряд условий, при которых возможно получение мощных кавитационных зон жидкости:
1. Область низких давлений должна быть достаточной для выхода жидкости на линию насыщения при низких температурах.
2. Время нахождения парогазовой фазы жидкости в области низких давлений на линии насыщения должно быть достаточным, чтобы степень сухости насыщенного пара в пузырьке была максимально близка к единице. Сухой пар - насыщенный пар без жидкой фазы, то есть с той же температурой насыщения при данном давлении, только без капель жидкости и степенью сухости, близкой к единице.
3. Размер парогазового пузырька должна быть максимально возможным.
4. Переход вихревого потока из области низкого давления в область высокого давления должен быть максимально быстрым.
Для получения мощных кавитационных процессов ВКУ должно создать области низких давлений Рвод.≤813 Па, где исходной точкой является нижний предел температуры воды Твод.=4°С, так как при снижении значений этих параметров возможен фазовый переход жидкости в твердое состояние. Физический принцип создания области низких давлений был выбран, исходя из задачи компактности и простоты конструкции - вихревые и закрученные потоки.
Закрученные потоки воды могут создавать осевое разряжение с низким давлением. Для этого достигнуты определенные параметры работы устройства. Кроме этого, для создания осевой симметричной зоны низкого давления, требуется очень точное распределение закрученного потока по цилиндрической конструкции. Чем больше поворотных сопел расположено по окружности, тем лучше формируется закрученный поток, тем больше объемная составляющая кавитационной зоны.
Помимо спирально закрученных потоков сформировано и радиальное вращение жидкости по линии тока. Это создано за счет использования многокамерной конструкции.
Для расчета вихревых кавитационных устройств применялись решения систем дифференциальных уравнений, определялись области решений систем уравнений, находились приближенные решения, использовался итерационный метод расчета.
В выходной части вихревого кавитационного устройства, по осевой линии, формируется область низкого давления на линии насыщения воды для заданной температуры (T-s диаграмма области применения уравнений темодинамических свойств воды по всей области параметров).
В зонах низкого давления на линии насыщения формируется парогазовая фаза воды (процесс кипения при низкой температуре).
Постепенно, с увеличением давления к выходу ВКУ, заполнение парогазовыми пузырьками зон низкого давления падает. В газовых пузырьках формируется насыщенный пар, который характеризуется степенью сухости, так как, насыщенный пар, при схлопывании пузырьков, выделяет максимальную энергию кавитации.
Размеры парогазового пузырька в ВКУ зависят от совокупности параметров, таких как: размер конструкции, физические параметры процесса, физические свойства перерабатываемой жидкости. Кавитационные процессы в жидкости зависят от вида жидкости, химического состава жидкости, концентрации взвешенных частиц и растворенного газа.
Очень важным параметром в кавитационных процессах является переход зоны низкого давления в зону атмосферного (высокого) давления. Чем быстрее осуществляется переход, тем выше скорость сжатия сферы пузырька, тем больше кавитационной энергии выделяется при схлопывании.
Вихревое кавитационное устройство условно разделено на три камеры:
1. Первая камера - промежуточная втулка (1) и входной завихритель (2).
2. Вторая камера - промежуточная втулка (1) и выходной завихритель (3).
3. Третья камера - выходной завихритель (3) и входная трубка кавитатора (конфузор) (8).
ВКУ является многокамерным устройством. Многокамерность требуется для организации оптимального динамического потока, создания максимально эффективных кавитационных зон в кавитаторе.
На фиг.2 показано распределение потока жидкости в условных камерах вихревого кавитационного устройства.
Первая камера с входным завихрителем (2) построена таким образом, чтобы, с одной стороны, повернуть течение жидкости и в последующем создать закрученный поток и, с другой стороны, свести к минимуму влияние вихря в каналах завихрителя на кавитационные зоны в устройстве.
Конструкция завихрителя позволяет на начальном этапе увеличить ускорение течения жидкости на входе каналов.
Вторая камера с выходным завихрителем (3) построена таким образом, чтобы поток жидкости совпадал с осью каналов завихрителя. При такой организации течения жидкости в каналах не формируется вихревое течение, жидкость разгоняется с минимальными потерями.
Проходные сечения каналов у входного и выходного завихрителей разные. Функция первого завихрителя - создание во второй камере строго распределенного закрученного потока жидкости. Функция второго завихрителя - создание в третьей камере оптимальных кавитационных зон с максимально развитой кавитацией.
Входной (2) и выходной (3) завихрители должны быть очень точно позиционированы по отношению друг к другу. Это необходимо для согласования угла закрутки линии тока жидкости при выходе из канала первого завихрителя, с осью канала второго завихрителя (вход в канал).
Количество проходных каналов в каждом завихрителе должно быть строго одинаково. Минимальное количество проходных каналов должно быть не менее 3-х. Они должны быть расположены через 120°. Чем больше проходных каналов в ВКУ, тем выше коэффициент заполнения парогазовой фазой жидкости кавитационных зон.
Третья камера с конической частью входной втулки (конфузор) (8) и выходным завихрителем (3) является устройством создания начального участка кавитационных зон в вихревом кавитаторе. Создание зон низкого давления, давления насыщения для каждой конкретной жидкости требуют свою абсолютно конкретную геометрию деталей.
Спиралевидные, высокоскоростные потоки воды, протекая по стенкам конфузора, взаимодействуют со слоями жидкости по оси устройства. Происходит мощное закручивание с возникновением центробежных сил, достаточных для разрыва сплошности потока. По оси устройства появляются газовые пузырьки парогазовой фазы жидкости. Инициатором разрыва сплошности жидкости могут быть микроскопические пузырьки растворенного газа, мелкодисперсные твердые взвешенные частицы.
В образованных газовых пузырьках начинается испарение жидкости через поверхность пузыря, с появлением насыщенного пара. По оси устройства формируется зона развития кавитационного эффекта кипения жидкости с образованием массового количества пузырей, насыщенных паром.
Оптимальный угол раскрытия конфузора для каждой конкретной жидкости определяется индивидуально в зависимости от температуры, вязкости и плотности жидкости. Если бы вместо конфузора был сплошной цилиндрический канал, то высокоскоростные потоки не смогли бы раскрутить такую массу жидкости. Высокоскоростные потоки раскручивают массу жидкости именно в конфузоре. Неправильно рассчитанный и изготовленный конфузор снижает объемную геометрию кавитационных зон, вплоть до их полного исчезновения.
По мере нарастания температуры жидкости нарастает давление насыщения. Кавитационная зона начинает вытягиваться вдоль цилиндрической части. Цилиндрическая часть начинается от конфузора и нужна для дальнейшего развития и увеличения парогазовой фазы жидкости и разрыва сплошности потока.
Выходная втулка (диффузор) (4) служит для согласования внешнего давления среды и внутреннего давления в устройстве.