КАВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к устройствам для перемешивания, диспергирования, эмульгирования и гомогенизации жидких сред, в частности, для получения эмульсий и суспензий в гидродинамическом кавитационном поле. Наиболее широкое применение полезная модель может найти в энергетике, пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической, целлюлозно-бумажной и парфюмерной промышленности.
Перечисленные отрасли народного хозяйства базируются на обработке жидких сред, поэтому для их продуктивного развития необходимо постоянно совершенствовать соответствующие технологии и устройства. Для производства жидких однородных и неоднородных систем и субстанций широкое распространение приобрели кавитационные смесители. Эффективность эксплуатации кавитационных смесителей в значительной мере зависит от особенностей конструктивного устройства их основного рабочего органа - кавитатора. Форма кавитатора, размеры, отношение отдельных элементов его конструкции, позиционирование относительно других конструктивных составляющих кавитационного аппарата в конечном итоге определяют эффективность работы всей установки.
5
Известен кавитационный смеситель в состав, которого входит проточная камера с подводными и отводными патрубками и установленный в ней кавитатор, который имеет форму срезанного конуса (патент Украины №1017, МПК: B01F 5/00, D21B 1/36, опубл. 30.12.93, Бюл. №3). Для интенсификации перемешивания в корпусе смесителя за кавитатором закреплена коническая полая насадка. Кавитатор установлен с возможностью передвижения в продольном направлении, что позволяет изменять его положение относительно насадки и таким образом регулировать в ней величину гидростатического давления.
К недостаткам этого устройства следует отнести недостаточную эффективность перемешивания, к тому же подвижный рабочий элемент и насадка существенно усложняют его конструкцию.
8
Подобный кавитационный смеситель описан в патенте Украины №31086 (МПК: В01F 5/00, опубл. 25.03.2008, Бюл. №6). От вышеуказанного он отличается наличием на кавитаторе прорезей пирамидальной формы, во всем другом признаки обоих устройств практически совпадают. Прорези направлены вершинами по ходу потока жидкости. Поток, попадая на них, закручивается за счет сужения, увеличивая скорость до установления кавитационного режима вытекания, принуждая при этом кавитатор вращаться.
Несмотря на то, что этот кавитационный смеситель, по сравнению с вышеописанным, обеспечивает более эффективное перемешивание обрабатываемой жидкости, его нельзя отнести к разряду высокопродуктивных. Причиной этого является то, что прорези пирамидальной конфигурации не имеют острых кромок, а значит, они не могут быть эффективным турбулизатором потока. Турбулизация в этом случае происходит, в основном, за счет сил трения, и энергия закрученного потока, обеспечиваемая прорезями, является недостаточной для активного взаимодействия с каверной, созданной за острой кромкой кавитатора. Кроме этого, очевидно, что кавитатор, который в процессе работы постоянно вращается, имеет ограниченный срок эксплуатации и требует частого ремонта.
8
Известен также кавитационный смеситель, содержащий корпус с конфузором, диффузором и проточной частью, в которой на штоке установлен кавитатор в виде конуса с боковыми проточками (патент Украины №52855, МПК: B01F 5/00, опубл. 15.01.2003, Бюл. №1). В проточной части размещен дополнительный кавитационный элемент в виде вставки с центральным осевым каналом, оснащенной фрагментами, которые инициируют создание самостоятельных каверн.
Эта установка в состоянии обеспечить широкий диапазон режимов кавитационного смешивания, но она имеет достаточно сложную конструкцию, и также как и вышеупомянутое устройство, часто выходит из строя из-за перегрузки и быстрого изнашивания деталей механизма осевого перемещения кавитатора.
6
В качестве прототипа полезной модели принят кавитационный аппарат, который содержит последовательно соединенные конфузор потока исходного материала, цилиндрический корпус, диффузор отвода обработанного материала, установленный вдоль горизонтальной оси корпуса, по меньшей мере, один кавитатор со сквозными отверстиями, который имеет форму срезанного конуса, ориентированного своей вершиной навстречу потоку (патент Украины №20323, МПК: B01F 3/00, D21B 1/36, опубл. 27.02.98, Бюл. №1).
Особенностью этого аппарата является то, что он содержит несколько одинаковых по конструкции кавитаторов, которые размещены последовательно один за другим, при этом размер каждого последующего кавитатора равномерно уменьшается по сравнению с предыдущим. Благодаря этому каверны, которые создают кавитаторы, взаимодействуют между собой, каждая каверна вступает в резонанс со следующей каверной, что способствует повышению степени диспергации и гомогенизации потока.
Недостатком аппарата является недостаточно высокая эффективность смешивания и ограниченность технологических возможностей, что, прежде всего, проявляется при смешивании жидкостей с разными реологическими свойствами. Другими словами, результаты смешивания прямо связаны с составом смеси. Сквозные отверстия кавитаторов этого аппарата ориентированы параллельно горизонтальной оси, и при таких условиях наиболее эффективно смешиваются взаимно растворимые жидкости (например, водные растворы разной концентрации - керосин с дизельным топливом). А при необходимости получения эмульсий или суспензий (например, мазут-вода, угольная пыль-вода или другие), где должна иметь место гидродинамическая кавитация высокого уровня, возникают проблемы. Эти проблемы вызваны как несовершенной формой кавитаторов, так и параллельной направленностью сквозных отверстий относительно горизонтали.
В основу полезной модели поставлена задача повышения эффективности работы и расширения технологических возможностей кавитационного аппарата путем усовершенствования формы кавитатора и оптимизации размерных соотношений его конструктивных составляющих, в частности, дополнением конической части кавитатора цилиндрической, на которой выполнены круговые полости, и выполнением наклона сквозных отверстий в интервале от 1° до 75°, в результате чего круговые полости на поверхности кавитатора выступают в качестве турбулизаторов потока, их струи взаимодействуют с основным потоком под углом и содействуют возникновению пульсаций (нестационарности) каверны с микро-дроблением и гомогенизацией потока, а также обеспечивается возможность эффективного смешивания жидкостей в широком диапазоне состава ингредиентов.
Поставленная задача достигается за счет того, что в кавитационном аппарате, который содержит последовательно соединенные конфузор потока выходного материала, цилиндрический корпус и диффузор отвода обработанного материала, вдоль горизонтальной оси корпуса установлен, по меньшей мере, один кавитатор со сквозными отверстиями, который имеет форму срезанного конуса, сориентированного своей вершиной навстречу потоку, причем, в соответствии с полезной моделью, коническая форма кавитатора по ходу потока переходит в цилиндрическую, на которой предусмотрены, по меньшей мере, две круговые полости, глубина, ширина и расстояние между которыми составляют 2-3 мм, сквозные отверстия ориентированы под углом 1-75° относительно горизонтальной оси корпуса, соотношение величины диаметра сквозных отверстий к величине наибольшего диаметра конуса составляет 1:8-1:15, а длина конуса кавитатора составляет 1,2-1,8 величины наибольшего диаметра конуса.
Суммарность отличительных признаков предложенного технического решения, как-то конусно-цилиндрической формы кавитатора, наличие на его цилиндрической части проточек в виде круговых полостей, размерных соотношений последних и наклона сквозных отверстий в выбранном интервале величин обусловливают указанный выше технический результат, который достигается в процессе эксплуатации кавитационного аппарата.
Круговые полости, которые размещены по периметру цилиндрической части кавитатора, фактически являются локальными турбулизаторами потока, которые создают пульсирующие ударные волны («микровзрывы») и кумулятивные микроструи, обеспечивающие интенсивное перемешивающее и эрозийное воздействие на обрабатываемую среду.
При натекании потока жидкости на кавитатор в корпусе кавитационного прибора за кромкой кавитатора создаются кавитационные каверны. В кольцевом зазоре между поверхностью цилиндрического корпуса и цилиндрической частью кавитатора жидкость достигает наиболее (критической) скорости из-за того, что этот зазор является наименьшим в пустоте корпуса. Повышение скорости сопровождается резким снижением давления с генерированием кавитационных микро-пузырьков. Генерирование этих микро-пузырьков резко усиливается в моменты попадания потока на круговые полости. И так, наткнувшись на первую полость, поток испытывает внезапное расширение, и, двигаясь дальше, сталкивается с кольцевым участком цилиндрической части (промежутки между полостями), здесь поток резко сужается, после чего он попадает в следующую полость, в которой снова расширяется. Такие «скачки» потока способствуют образованию пульсирующих каверн на выходе кавитатора, возникновению ударных волн и колебаний высокой частоты с микродроблением и гомогенизацией жидкости.
Эрозионная активность кавитационного поля дополнительно усиливается потоком пузырьков, которые генерируются на острых кромках сквозных отверстий кавитатора, причем она зависит от угла наклона отверстий. Потоки, которые выходят из отверстий под углом к горизонтали, разбивают основной поток за кромкой кавитатора, и тем самым еще больше измельчают обрабатываемую жидкость.
Путем проведения многочисленных опытов и инженерных расчетов было установлено, что наибольшая активность кавитационного поля имеет место тогда, когда сквозные отверстия, которые пронизывают тело кавитатора, размещены под углом 1-75° относительно горизонтальной оси корпуса, а размеры круговых полостей и расстояние между ними одинаковы независимо от диаметра цилиндрической части кавитатора и составляют 2-3 мм. Таким же образом было установлено, что для обеспечения эффективного смешивания жидкостей необходимо придерживаться отношения величины диаметра сквозных отверстий к величине наибольшего диаметра конуса в пределах 1:8-1:15, а длины конуса кавитатора в пределах 1,2-1,8 величины наибольшего диаметра конуса.
Выбор конкретной величины угла наклона сквозных отверстий определяли, исходя из условий обеспечения эффективного смешивания жидкостей с разными реологическими характеристиками. Так, взаиморастворимые жидкости эффективно смешиваются при направлении отверстий под углом 0° (то есть, когда оси отверстий параллельны горизонтали), а для достижения положительного результата при смешивании трудно-растворимых жидкостей этот угол целесообразно увеличивать. В предложенном кавитационном аппарате предусмотрен интервал величин угла наклона сквозных отверстий в пределах 1-75°. При таком позиционировании отверстий достигается возможность достижения высокого результата в широком диапазоне состава жидких смесей. В случае несоблюдения установленного интервала величин технологические возможности кавитационного аппарата резко сужаются: если сквозные отверстия будут направлены под углом, меньшим 1°, то воздействие потоков, которые вытекают из них, на основной поток будет незначительным. А это означает, что эрозионная активность кавитационного поля будет недостаточно для эффективной обработки трудно-растворимых жидкостей, для получения эмульсий, суспензий т.д. При угле, большем 75°, также наблюдается минимальное воздействие исходящих из сквозных отверстий потоков на основной поток.
Одинаковый размер глубины, ширины круговых полостей и расстояния между ними в интервале 2-3 мм экспериментально установлен как наиболее оптимальный для данного технического решения, и несоблюдение этого интервала приводит к ухудшению качества смешивания жидкостей. Так, в случае, когда перечисленные размерные показатели будут меньшими 2-х мм, эффект турбулизации в полостях будет сведен к минимуму, что негативно скажется на результатах смешивания. При превышении этих размеров за пределы 3-х мм натекающий поток будет „притормаживаться" в полостях, что также снизит турбулизацию.
Относительно установленного отношения величины диаметра сквозных отверстий к величине наибольшего диаметра конуса в пределах 1:8-1:15, и длины конуса кавитатора в пределах 1,2-1,8 величины наибольшего диаметра конуса, необходимо также отметить, что любое отклонение в сторону уменьшения или увеличения от указанных интервалов величин приведет к ухудшению условий смешивания.
Конструктивное решение предложенного кавитационного аппарата объясняют чертежи, где представлено:
- на фиг.1 - схематическое изображение кавитационного аппарата;
- на фиг.2 - кавитатор в разрезе.
В состав кавитационного аппарата входят последовательно соединенные конфузор 1 потока входящего материала, цилиндрический корпус 2 и диффузор 3 отведения обработанного материала (фиг.1). Вдоль горизонтальной оси корпуса установлен стержень 4 с кавитатором 5, в котором выполнены сквозные отверстия 6 (фиг.1, вид по стрелке А). На цилиндрической части кавитатора выполнены круговые полости (проточки) 8, глубина a, ширина b и расстояние с между которыми составляют 2-3 мм (фиг.2). Сквозные отверстия 6 могут быть ориентированы относительно горизонтальной оси корпуса под углом а, интервал величин которого составляет 1-75°. Отношение величины диаметра сквозных отверстий d к величине наибольшего диаметра конуса D составляет 1:8-1:15, а длина конуса L кавитатора составляет 1,2-1,8 величины наибольшего диаметра D конуса. Количество круговых полостей 8 на цилиндрической части кавитатора колеблется в зависимости от конкретных условий технологического процесса, реологических характеристик смешанных ингредиентов и условий, которым должен соответствовать конечный продукт.
Кавитационный аппарат работает следующим образом:
Поток вещества, который поступает к конфузору 1, набегает на конусную часть кавитатора 5, который повернут своей меньшей основой навстречу потоку. В суженом канале между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса кавитационного аппарата и цилиндрической частью кавитатора скорость потока резко увеличивается, при этом происходит резкое снижение давления с генерированием кавитационных микро-пузырьков. В момент попадания потока на круговые полости генерирования этих микро-пузырьков еще больше увеличивается. При столкновении с первой полостью поток резко расширяется, а на участке, являющимся промежутком между полостями, резко сужается, после чего он попадает в следующую полость, в которой снова расширяется - происходит так называемый «взрыв» потока. Поток испытывает такие резкие изменения в течение всего периода прохождения им круговых полостей. Результатом этих изменений есть нестационарная пульсирующая каверна на выходе кавитатора, вызванная колебаниями высокой частоты и ударными волнами. Эта каверна характеризуется высокой степенью турбулизации, что способствует эффективному измельчению и гомогенизации потока.