КАВИТАТОР
CAVITATOR

Изобретение относится к устройствам для генерации кавитационных явлений и может быть использовано в теплоэнергетике, нефтехимической промышленности, а именно в гидродинамических теплогенераторах, системах подготовки углеводородных топлив к сжиганию, установках для очистки воды, в кавитационных технологиях, связанных с переработкой вязких нефтей, нефтепродуктов, каменноугольной смолы.
Известно устройство для подготовки к сжиганию обводненного мазута, в котором тела кавитации выполнены из пластин с изогнутой поверхностью в виде прямого геликоида (патент на полезную модель RU №112984, МПК F23K 5/12, 27.01.2012).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является кавитатор, содержащий конфузор, диффузор, сопло, завихряющий элемент, обтекатель, входной и выходной патрубки (http://www.tstu.ru/r.php?r=structure.kafedra&sort=&id=3&f=eito. Статические гидродинамические кавитаторы). Недостатки известного устройства:
1. Торможение потока жидкости завихряющим пластинчатым элементом вызывает уменьшение скорости потока и снижает кавитационный эффект.
2. Невозможность достижения высокого кавитационного эффекта из-за ограничения скоростей потока жидкости, которые могут быть достигнуты в сужающем элементе в виде сопла.
Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи повышения кавитационного эффекта.
Технический результат достигается тем, что в кавитаторе, содержащем конфузор, диффузор, сопло, завихряющий элемент, выполненный в виде геликоида, обтекатель, входной и выходной патрубки, согласно заявляемому изобретению завихряющий элемент выполнен в виде периферийно расположенных сужающихся спиралевидных геликоидных каналов с выходом в сопло, каждый спиралевидный канал в поперечном сечении имеет форму геликоида с соотношением малой и большой осей 0,47…0,75 и с внутренним плавным сужением по длине спиралевидных каналов, которые одновременно закручены с числом витков от 1,5 до 2,5 вокруг конической поверхности в виде сходящихся к вершине конуса спиралей с шагом закрутки, увеличивающимся по мере сужения спиралевидных каналов, спиралевидные каналы имеют основной внутренний выступ, который по форме выполнен в виде геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида, и дополнительные внутренние плавные выступы, расположенные с тупого конца геликоида, геликоиды вместе с основным и дополнительными внутренними выступами закручены вокруг своих продольных осей спиралевидных каналов с шагом 0,9…1,3 от наибольшей оси геликоида в направлении, противоположном направлению закрутки спиралевидных геликоидных каналов вокруг конической поверхности.
Коническая поверхность, вокруг которой закручены спиралевидные геликоидные каналы, имеет вид поверхности прямого конуса или вид гиперболической поверхности.
Таким образом, технический результат достигается путем применения спиральных геликоидных сужающихся каналов двойного закручивания, движение жидкости по которым сопровождается резким увеличением скорости и возрастанием кавитационного эффекта.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан предлагаемый кавитатор, на фиг.2 - вид А на фиг.1, а на фиг.3 показан вид В на фиг.2.
Цифрами на чертежах обозначены следующие элементы: 1 - конфузор, 2 - диффузор, 3 - сопло, 4 - обтекатель, 5 - спиралевидные геликоидные каналы, 6 - основной внутренний выступ геликоидных каналов, 7 - дополнительные выступы спиралевидных геликоидных каналов, 8 - направление вращения основного вихря, 9 - направление вращения дополнительного вихря, 10 - направление винтообразной закрутки спиралевидных геликоидных каналов, 11 - входной патрубок, 12 - выходной патрубок.
Кавитатор содержит конфузор 1, диффузор 2, сопло 3, завихряющий элемент, выполненный в виде геликоида, обтекатель 4, входной 11 и выходной 12 патрубки.
Отличием предлагаемого кавитатора является то, что завихряющий элемент выполнен в виде периферийно расположенных сужающихся спиралевидных геликоидных каналов 5 с выходом в сопло 3.
Каждый спиралевидный канал 5 в поперечном сечении имеет форму геликоида с соотношением малой и большой осей 0,47…0,75 и с внутренним плавным сужением по длине спиралевидных каналов 5.
Спиралевидные геликоидные каналы 5 одновременно закручены с числом витков от 1,5 до 2,5 вокруг конической поверхности в виде сходящихся к вершине конуса спиралей с шагом закрутки, увеличивающимся по мере сужения каналов 5.
Спиралевидные геликоидные каналы 5 имеют основной внутренний выступ 6, который по форме выполнен в виде геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида.
Спиралевидные геликоидные каналы 5 имеют дополнительные внутренние плавные выступы 7, расположенные с тупого конца геликоида.
Геликоиды вместе с основным внутренним 6 и дополнительными внутренними плавными 7 выступами закручены вокруг своих продольных осей спиралевидных каналов 5 с шагом 0,9…1,3 от наибольшей оси геликоида в направлении, противоположном направлению закрутки спиралевидных геликоидных каналов вокруг конической поверхности.
Коническая поверхность, вокруг которой закручены спиралевидные геликоидные каналы 5, имеет вид поверхности прямого конуса или вид гиперболической поверхности.
Назначение и взаимодействие элементов следующее.
Конфузор 1 (см. фиг.1) служит для постепенного сужения площади общего проходного сечения потока жидкости, подаваемой в сопло 3 из входного патрубка 11.
Сопло 3 служит для формирования соосного направления движения потока жидкости относительно поперечного сечения диффузора 2.
Диффузор 2 является непосредственным элементом, в котором возникает кавитация в потоке жидкости, выходящей с высокой скоростью из сопла 3.
Кавитация - это образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости в диффузоре 2, которое происходит из-за увеличения ее скорости. Перемещаясь с потоком в область выходного патрубка 12 с более высоким давлением, кавитационная полость захлопывается, излучая при этом ударную волну с выделением теплоты.
В предлагаемом кавитаторе обтекатель 4 служит для предварительного увеличения скорости жидкости и для периферийного подвода жидкости из входного патрубка 11 к входу в спиралевидные геликоидные каналы 5, которые предназначены для разделения потока жидкости на отдельные струи и для последующего увеличения скорости движения этих струй путем двойного винтообразного закручивания.
Обтекатель 4 (см. фиг.1) в зависимости от назначения кавитатора может быть выполнен в форме круглого прямого конуса, усеченного прямого конуса, гиперболоида, параболоида. На фиг.1 обтекатель 4 показан в виде круглого прямого конуса.
Спиралевидные геликоидные каналы 5 выполнены сужающимися по ходу движения жидкости и одновременно расположены винтообразно на конической поверхности (на фиг.1 прямая коническая поверхность позицией не обозначена) с направлением 10 винтообразной закрутки (см. фиг.2). Винтообразная закрутка с направлением 10 выполнена сходящейся к вершине конической поверхности (на фиг.1 ось конической поверхности позицией не обозначена). Одновременно уменьшается площадь ее проходного сечения. Поэтому в струе жидкости возникает центростремительная сила, которая увеличивает скорость движения жидкости в струе.
Количество спиралевидных геликоидных каналов 5 может быть от двух до десяти единиц в зависимости от типа жидкости, величин расхода и давления, с которыми подается жидкость насосом.
Форма геликоида спиралевидного канала 5 имеет соотношение малой и большой осей 0,47…0,75, а основной внутренний выступ 6 (фиг.3) по форме выполнен в виде геометрической поверхности второго порядка с острого конца геликоида.
Вместо конической поверхности, на которой винтообразно размещены спиралевидные геликоидные каналы 5, в зависимости от назначения кавитатора, может быть использована гиперболическая поверхность.
Шаг закрутки спиралевидных геликоидных каналов 5 по конической поверхности переменный и увеличивается по мере увеличения длины канала. Перед выходом в сопло 3 закрутка спиралевидных геликоидных каналов 5 минимальна. Число витков спиралевидных геликоидных каналов 5 вокруг конической поверхности составляет от 1,5 до 2,5 в зависимости от назначения кавитатора.
Основной внутренний выступ 6 (см. фиг.3) служит для закручивания струй в направлении 8, которое противоположно направлению закрутки спиралевидных геликоидных каналов 5 вокруг оси конической поверхности. Вращающийся вихрь 8 предназначен для создания области понижения давления жидкости по ходу ее продвижения по каналу 5, что позволяет увеличивать скорость потока жидкости в струе.
Дополнительные внутренние плавные выступы 7 (см. фиг.3) служат для возбуждения дополнительных вихрей 9, которые представляют собой своеобразные «жидкостные подшипники» для уменьшения трения, на которых перемещается основная струя жидкости с направлением вращения 8.
Выступы 6 и 7 вместе с острым концом геликоида (на фиг.3 острый конец позицией не обозначен) закручены винтообразно по длине геликоида.
Длина геликоида по наибольшей оси равна 0,45…0,65 от шага винтообразной навивки выступов.
Острый конец геликоида (на фиг.3 позицией не обозначен) через 0,45…0,65 от шага навивки располагается на месте тупого конца геликоида, то есть происходит поворот геликоида на 180°. Таким образом, шаг закрутки геликоида и внутренних выступов 6, 7 вокруг оси геликоидного канала составляет 0,9…1,3 от наибольшей оси геликоида.
Закрутка выступов 6, 7 (на фиг.3 позицией не обозначена) противоположна направлению 10 закрутки геликоидных каналов 5 и совпадает с направлением вращения основного вихря 8. При этом, как указано выше, непосредственно геликоидный канал 5 закручен в направлении 10 по конической поверхности (на фиг.1 коническая поверхность позицией не обозначена) с числом витков от 1,5 до 2,5. Двойная закрутка приводит к тому, что на участке последнего витка в геликоидных каналах 5 струи жидкости достигают предельной скорости «по растяжению жидкости» без дополнительного повышения давления жидкости во входном патрубке 11. Целостность ее потока нарушается уже на выходе из геликоидных каналов 5 и образуются парообразные полости уже на входном участке сопла 3. Кавитационный эффект повышается только за счет двойной закрутки струй жидкости в спиралевидных геликоидных каналах 5 без дополнительного повышения давления, развиваемого насосом.
2
3
Предлагаемый кавитатор работает следующим образом. При использовании кавитатора в качестве узла гидравлического теплогенератора вода или ее смесь с растворенными в ней химическими веществами под давлением 10…18 кг/см и при расходе 1…2 м/ч насосом подается через патрубок 11 (см. фиг.1-3) на вход спиралевидных геликоидных каналов 5. За счет обтекателя 4 достигается ускорение потока перед входом в спиралевидные геликоидные каналы 5. Двигаясь по геликоидным каналам 5, жидкость дважды закручивается: спирально за счет основных внутренних выступов 6 и винтообразно за счет навивки геликоидных каналов 5 по конусообразной поверхности.
За счет центростремительных сил и сужения площади поперечного сечения геликоидных каналов 5 происходит возрастание скорости движения потока жидкости в каналах 5. Дополнительное возрастание скорости движения потока жидкости происходит за счет уменьшения сил трения вследствие «проскальзывания» вращающейся струи с направлением 8 по дополнительному вихреобразному турбулентному слою с направлением 9.
Двойное закручивание струй в геликоидных каналах 5 осуществляется за счет спиралевидной закрутки каналов в направлении 10 и закрутки выступов 6, 7 в каналах. На выходе из геликоидных каналов 5 жидкость испытывает максимальные растяжения и образуются первичные кавитационные пузырьки.
При прохождении жидкости через сужение сопла 3, а затем при расширении в диффузоре 2 в потоке жидкости возникают вихреобразования, отрывные течения и кавитация.
При этом жидкость на выходе из сопла 3 и диффузоре 2 подвергается давлению ниже «напряжения растяжения», целостность ее потока нарушается и образуются парообразные полости. Давление жидкости падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, и жидкость переходит в другое состояние, образуя фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырьками.
2
Для воды максимальное растяжение очищенной воды при 10°С составляет 280 кг/см. Разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара.
После перехода жидкости в диффузоре 2 в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии расширяющейся жидкости рост пузырька прекращается и он начинает сокращаться.
Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, который по своей сути является гидравлическим ударом. В результате схлопывания кавитационных газовых пузырьков высвобождается аномальная тепловая энергия жидкости в небольших объемах с образованием ударных волн.
За счет этого образуются места повышенной температуры жидкости до 800°С, то есть происходит тепловыделение.
Чем выше давление жидкости на входе кавитатора и выше скорость жидкости на входе в сопло 3, тем мощнее кавитация и тем больше тепла образуется, тем эффективнее кавитатор.
Преобразование кинетической энергии жидкости в тепловую энергию происходит также путем трибоэффекта, который по сути является нагревом жидкости теплотой, выделяющейся при торможении потока.
Нагретая жидкость используется в тепловых генераторах для целей отопления и горячего водоснабжения, а также в производственных технологических процессах.
После передачи теплоты в нагревательных устройствах жидкость насосом подается снова в кавитатор и процесс повторяется.
Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит повысить кавитационный эффект.
Предлагаемый кавитатор является тепловым трансформатором, в котором энергия гидродинамического давления движущейся струи жидкости, полученная в насосе, превращается за счет кавитации в тепловую энергию. Электрическая мощность привода насоса для получения кавитационного нагрева жидкости по этой схеме должна быть соизмерима с вырабатываемой тепловой мощностью.