ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДИСПЕРГАТОР

Гидродинамический диспергатор
Полезная модель относится к области получения и гомогенизации дисперсных систем с жидкой средой с помощью кавитации и может быть использована для получения эмульсий с заданной концентрацией компонентов, например водотопливных. Заявляемое устройство может найти применение в топливной, энергетической, цементоперерабатывающей, химической, нефтедобывающей, пищевой, косметической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
В топливной промышленности, например, широко известны сравнительные данные о горении безводного и эмульгированного топлива. Они показали, что жидкое эмульгированное топливо сгорает значительно бьютрее, чем безводное. Содержание 10-20% воды в эмульгированном топливе не ухудшает, а даже интенсифицирует процесс горения за счет дополнительного внутритопочного дробления капель, увеличения поверхности испарения частиц и улучшения перемешивания горючего с воздухом. Уменьшение времени горения эмульгированного топлива благоприятно сказывается на стадии догорания сажистых остатков, улучшая общую полноту сгорания топлива и уменьшая отложения сажи (нагара) на рабочих поверхностях. Механизм горения капель мазутно-водной эмульсии заключается в том, что при прогреве и испарении капель они вначале увеличиваются в диаметре, а затем взрываются, вследствие того, что температура кипения мазута равна примерно 300°С, т.е. в 2,5-3 раза выше, чем для воды. Установлено, что капля эмульсии размером 2 мм и влажностью 30% сгорает за 2,8 секунды, а капля мазута такого же размера - за 3,7 секунды. Явление внутритопочного разрыва капель ускоряет испарение, улучшает смесеобразование и позволяет значительно интенсифицировать
гoo {tr i
B01F11/02 процесс сжигания жидких топлив, что в свою очередь зависит от дисперсии и
гомогенизации топливно-водяной смеси. Высокий уровень дисперсности воднотопливной эмульсии определяет также отсутствие отрицательных последствий, а именно, высокую устойчивость и длительную нерасслаиваемость эмульсии, химическую инертность входящей в эмульсию воды при последующем её хранении и контактах с металлическими поверхностями гидроаппаратуры. В промышленности получили распространение следующие способы и устройства для получения топливно-водяных эмульсий: механические мешалки, диспергаторы и барботирующие устройства. Наиболее эффективными из них являются диспергаторы (гидродинамические излучатели). Диспергатор устройство, преобразующее часть энергии струи жидкости (эмульсии) в энергию акустических волн. В результате работы диспергатора наблюдается явление кавитации. Кавитация - образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (кавитационные пузырьки). Кавитация может сопровождаться рядом физических и химических эффектов, например, искрообразованием и люминисценцией. Обнаружено влияние электрического тока и магнитного поля на кавитацию. При кавитации пузырьки схлопываясь, создают кратковременные импульсы давления, способные разрушать прочные материалы. Схлопывание пузырьков сопровождается нагревом газа в пузырьках, а также ионизацией газа в пузырьках. Для получения высокодисперсной эмульсии необходимо создание в обрабатываемой жидкости упругих звуковых волн с регулярным образованием кавитационных пузырьков в полупериоде разрежения и их схлопыванием в полупериоде сжатия.
Известен гидродинамический ультразвуковой эмульгатор, включающий сопло, выполненное в виде прямоугольной щели, и резонансную пластину (аналог - а.с. СССР №169907 МПК B01F 3/00, 1965 г.).
г// J3
2 Недостаткомизвестного эмульгатораявляются большие
гидродинамические потери на входе струи эмульсии, невозможность создания звукового поля с необходимой частотой, давлением и акустической мощностью, а значит, и измельчения твердых примесей.
Известен ультразвуковой диспергатор включающий корпус, сопло, резонатор, с закрепленной заостренной пластиной, установленной консольно, острием направленной к соплу (прототип - см. а.с. СССР №1000089 МКИЗ В01F 11/02,1983г.).
В известном диспергаторе недостаточно используются все возможности звукового поля и акустических колебаний в эмульсии, в частности возможность введения в эмульсию акустических колебаний различных частот.
Задача решаемая предложенной полезной моделью - повышение эффективности эмульгирования, дисперсии и гомогенизации путем создания оптимальных режимов кавитации.
Поставленная задача достигается тем, что в известном гидродинамическом диспергаторе, содержащем корпус, сопло и резонансную консольно закрепленную пластину острием направленную к соплу, в соответствии с полезной моделью, диспергатор снабжен элементами крепления пластины, установленной с возможностью перемещения, выходное отверстие сопла выполнено в виде щели, а задняя стенка корпуса выполнена в виде вогнутой криволинейной поверхности.
В зоне перехода отверстия в длинные стороны щели, профили продольного сечения сопла имеют форму выпуклых криволинейных поверхностей.
Пластина установлена с возможностью настройки на диапазон частот 0,5 365 кГц.
11   П
3 Пластина установлена с возможностью замены.
Между лластиной и задней стенкой корпуса установлен дополнительный элемент, имеющий форму вогнутой криволинейной поверхности и соединенный с корпусом с образованием зазора между стенкой корпуса и элементом.
Элементы крепления пластины вторым концом закреплены на сопле.
Фиг. 1 - гидродинамический диспергатор;
Фиг. 2 - вид А фиг.1;
Фиг. 3 - сечение В-В фиг. 1;
Фиг. 4 - сечение Г-Г фиг.1.
Гидродинамический диспергатор 1 состоит из корпуса 2, сопла 3, консольно закрепленной сменной резонансной пластины 4. Пластина 4 имеет клиновидный выступ, обращенный в сторону сопла 3. Консольное крепление пластины 4 обеспечено элементами крепления 5. Элементы крепления 5 выполнены в виде плоских пластин, одним концом соединенных с периферийной частью сопла 3, а вторым концом удерживающих резонансную пластину 4, так, что пластина 4 расположена между данными элементами. Входное отверстия 6 сопла 3 - окружность, плавно лереходящая на выходе из сопла в щель 7. В зоне сопла от входного отверстия 6 до щели 7 профили продольного сечения сопла, образующие на выходе длинные стороны щели, имеют форму выпуклых криволинейных поверхностей. В зоне сопла от входного отверстия 6 до щели 7 профили сечения сопла, образующие короткие стороны щели, с целью уменьшения трудоемкости изготовления, а также в связи с незначительностью гидравлических потерь, могут быть выполнены различным образом, в том числе, например, и прямолинейными. Пластина 4 размещена в плоскости наибольшего сечения щели 7 сопла.
4 Задняя стенка 8 корпуса выполнена в виде вогнутой криволинейной
поверхности с выходным отверстием 9. Возможна установка также дополнительного элемента 10, также имеющего форму вогнутой криволинейной поверхности и соединенного с корпусом посредством перемычек 11 с образованием зазора между стенкой цилиндрической части корпуса 2 и элементом 10. Как задняя стенка 8 корпуса 2, так и дополнительный элемент 10 могут быть выполнены либо в виде шарового сегмента, либо в виде параболоида вращения, либо в виде эллиптического параболоида.
Устройство работает следующим образом.
При истекании струй из щелевидного отверстия 7 сопла 3, вследствие их высокой скорости и соударений, наблюдается гидродинамическая кавитация, сопровождаемая интенсивными ультразуковыми колебаниями (первое ультразвуковое поле).
При набегании потока эмульсии в зоне гидродинамической кавитации на острый срез резонансной пластины 4, в ней возбуждаются колебания, передающиеся в окружающую среду. Кроме того, колебания возбуждаются и в элементах крепления 5 пластины 4, в результате чего увеличивается амплитуда колебания пластины 4. При настройке пластины 4 в резонанс с колебаниями потока в эмульсии возникают интенсивные акустические колебания ультразвуковой частоты, необходимые для измельчения частиц (второе ультразвуковое поле). Кроме того, пластина испытывает также воздействие первого ультразвукового поля.
Резонансная настройка ультразвукового диспергатора осуществляется перемещением пластины 4 в осевом направлении в удерживающих ее элементах 5, имеющих продольные отверстия для ее крепления. Момент резонанса определяется усилием характерного кавитационного шума.
2.
5
Выполнение задней стенки 8 корпуса диспергатора в виде вогнутой криволинейной поверхности обеспечивает фокусирование акустической энергии в диспергируемой эмульсии в зоне между основанием крепления пластины 4 и задней стенкой 8 корпуса, что обеспечивает дополнительное воздействие на смешиваемые компоненты. Мощность этого дополнительного воздействия несколько снижается из-за выполнения в задней стенке выходного отверстия 9. Для повышения эффективности дополнительного воздействия возможна установка между пластиной и задней стенкой корпуса дополнительного элемента 10, имеющего форму вогнутой криволинейной поверхности и соединенного с корпусом с образованием зазора между стенкой корпуса 2 и элементом 10. Наличие зазора обеспечивает выход эмульсии без нарушения эффекта кавитации, позволяет достигать максимально эффективных результатов при получении качественных показателей смеси.
При воздействии гидродинамической кавитации и звуковых полей на смесь углеводородного топлива и воды происходит разрыв углеводородных цепочек топлива и образование свободных радикалов ОН и Н воды, в результате чего, свободные радикалы ОН и Н воды и разорванные углеводородные цепочки топлива образуют в кавитационной области устойчивые ассоциаты водотопливной эмульсии. Энергия связей молекул в ассоциатах значительная, поэтому они достаточно устойчивы и не разрушаются механическим путем и при повышении температуры.
Для получения достаточно стабильной коллоидной смеси, достаточно обработать смесь в кавитаторе, настроенном на диапазон частот 0,5-15 кГц.
Для получения высокачественной стабильной топливной эмульсии коллоидную смесь обрабатывают в кавитаторе в котором создается звуковое поле с частотой 15-365 кГц, переменным звуковым давлением ориентировочно 0,2 610,0 кГс/см. Это оптимальный диапазон в смысле технологического эффекта,
экономичности процесса и техники безопасности.
Выполнение гидродинамического диспергатора с соплом, выходное отверстие которого выполнено в виде щели, позволяет создать одинаковый скоростной напор по всей ее длине, чем обеспечиваются одинаковые условия обработки всей протекающей жидкости. Форма перехода входной полости сопла в щель по криволинейным выпуклым поверхностям позволяет сформировать плоскую струю с наименьшими потерями энергии на преодоление гидравлического сопротивления, вызванного изменением сечений.
Ориентировка сопла относительно пластины и размещение пластины в плоскости наибольшего сечения щели сопла позволяет возбудить акустическое колебание максимальной амплитуды за счет создания оптимальных условий возникновения завихрений - источников акустических колебаний при взаимодействии струи с пластиной.
Наличие плоских элементов, обеспечивающих консольное крепление резонансной пластины позволяет усилить эффект от колебания самой пластины колебанием указанных элементов, что повышает эффективность работы диспергатора.
Выполнение задней стенки корпуса имеющей форму вогнутой криволинейной поверхности создает дополнительный эффект отражения акустических волн с образованием продольной волны и усилением воздействия на обрабатываемую смесь в появляющейся особо интенсивной зоне воздействия, образуемой за счет фокусировки продольных волн.
Предлагаемое устройство позволяет возбудить в обрабатываемой эмульсии несколько зон кавитации, что резко улучшает качество диспергирования и увеличивает производительность процесса.
.
7 При одновременном введении в жидкость акустичеоких колебаний
различных частот возрастает эрозионная активность области кавитации, турбулентность и скорость акустических потоков, т.е. факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс образования эмульсий.
Испытания эмульсии, полученной в результате использования заявляемого гидродинамического диспергатора показали, ее высокую эффективность горения и устойчивость к разделению на компоненты (не менее одного года), а также значительное снижение сажистости.
,. и
. 8