СПОСОБ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FLUID DISPERSION AND DEVICE TO THIS END

Предлагаемое изобретение относится к технике смешивания потоков жидкофазных сред и может быть использовано, например, в энергетике при разработке и изготовлении диспергаторов (кавитаторов, эмульгаторов), предназначенных для подготовки к сжиганию различных топливных смесей (получение эмульсий топливных смесей), в частности мазута, содержащего воду.
Известен способ диспергирования жидкостей, включающий доведение параметров потока жидкостей до возникновения кавитации путем уменьшения сечения потока и последующего расширения сечения потока (патент РФ №2040320, опубл. 25.07.95).
Недостатком данного способа диспергирования является большая неравномерность диспергирования в поперечном сечении потока и большая энергоемкость процесса.
Известен также способ диспергирования жидкостей, включающий распределение потока жидкости на несколько потоков, ускорение потоков путем уменьшения их сечения до возникновения кавитации, а затем смешивание этих потоков с одновременным увеличением сечения потока. Уменьшение сечения потока в данном техническом решении производится путем установки стержней, на которых и возникает кавитация. Данный способ реализован в изобретении по патенту РФ №2239491, опубл. 10.11.2004. Реализация изобретения позволяет достичь более равномерного диспергирования по поперечному сечению потока, так как стержни, при обтекании которых возникает кавитация, равномерно распределены по потоку.
Недостатком способа является большая энергоемкость процесса и низкая эффективность перемешивания жидкостей, образующих смесь.
Наиболее близким к предлагаемому является способ, реализованный в устройстве для диспергирования (патент РФ №2215203, опубл. 27.10.2003), включающий распределение потока жидкости на несколько потоков, ускорение потоков путем уменьшения их сечения до возникновения кавитации, а затем смешивание этих потоков с одновременным увеличением сечения потока, по которому поток жидкости предварительно закручивают. Закрутка потока позволяет улучшить перемешивание жидкостей.
Недостатком данного способа является большая энергоемкость процесса и сложность регулирования оптимальных режимов работы устройств, реализующих способ.
Известно также устройство для диспергирования жидкости (см. патент РФ №2239491, опубл. 10.11.2004 г.), содержащее корпус в котором установлена по крайней мере одна перегородка для разделения потока и устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их смесью жидкостей.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность перемешивания жидкостей из-за отсутствия в устройстве элементов, обеспечивающих закрутку потока, и большая энергоемкость процесса.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является диспергатор по патенту РФ №2215203, опубл. 27.10.2003 г. Это известное устройство содержит корпус с внутренней поверхностью в виде тела вращения, установленное соосно оси внутренней поверхности корпуса профилированное центральное тело в виде тела вращения (центральный обтекатель) и струеформирующие каналы, обеспечивающие закрутку потока. Формирование струй в данном случае осуществляется с помощью лопаточного венца.
Конструкция данного устройства изготавливается под конкретные параметры потока и не позволяет изменять минимальное сечение потока и соотношение тангенциальной и осевой составляющей скорости потока в устройстве, поэтому при изменении параметров потока необходимо заменять все устройство или его отдельные части.
Задачей изобретений является снижение энергоемкости процесса и повышение эффективности перемешивания жидкостей, образующих смесь, а также достижение возможности регулирования параметров потоков жидкости без изменения конструкции устройства или его частей.
Для получения такого технического результата в предлагаемом способе диспергирования жидкости, включающем ускорение и закрутку потока жидкости, равномерное распределение потока жидкости на ряд потоков, доведение параметров потока жидкости до возникновения кавитации и смешивание потоков с одновременным расширением сечения потока, дополнительно поток жидкости разделяют, по крайней мере, на два концентрических потока, при этом смежным концентрическим потокам придают вращение в разные стороны и разделяют на ряд отдельных потоков каждый из концентрических потоков и дополнительно ускоряют каждый из отдельных потоков путем их сужения, а затем производят смешивание всех потоков.
Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в дополнительном разделении потока жидкости, по крайней мере, на два концентрических потока, при этом смежным концентрическим потокам придают вращение в разные стороны и разделяют на ряд отдельных потоков каждый из концентрических потоков и дополнительно ускоряют каждый из отдельных потоков путем их сужения, а затем производят смешивание этих всех потоков.
При смешивании концентрических и закрученных в разные стороны потоков не только образуется зона эффективного перемешивания потоков, но и образуется зона кавитационных вихрей, причем из-за сложения скоростей закрученных в разные стороны потоков вихри образуются при меньшей скорости потока в наиболее суженных частях диспергатора, что уменьшает энергоемкость процесса.
Целесообразно при реализации способа параметры закрутки концентрических потоков выбирать из условия равенства нулю суммарного момента вращения, а регулировать параметры закрутки путем изменения соотношения тангенциальной и осевой скорости и минимального сечения потоков каждого из отдельных потоков.
Для достижения названного технического результата предлагается устройство для диспергирования жидкостей, которое, как и прототип, содержит корпус с внутренней поверхностью в виде тела вращения, установленное соосно оси внутренней поверхности корпуса профилированное центральное тело в виде тела вращения (центральный обтекатель) и струеформирующие каналы, обеспечивающие закрутку потока, а также устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их смесью жидкостей.
В отличии от известного в предлагаемом устройстве имеются, по крайней мере, одна дополнительная перегородка, выполненная концентрично внутренней поверхности корпуса, а струеформирующие каналы, разделенные перегородкой, имеют ориентацию, обеспечивающую противоположное направление закрутки концентрических потоков относительно оси устройства. Предлагаются также струеформирующие каналы для закрутки потока смеси жидкостей формировать из пакета тонких пластин с окнами, повернутыми относительно друг друга относительно оси корпуса. При этом целесообразно тонкие пластины повернуть относительно друг друга таким образом, чтобы огибающая по ходу движения жидкостей края окон в пластинах кривая была плавной. Для облегчения возникновения кавитации целесообразно края окон в пластинах выполнять с острыми кромками, а также предусматривать дополнительные устройства, вызывающие кавитацию, например выступы в окнах на некоторых из пластин.
Предложенное устройство позволяет не только эффективно и с меньшими энергозатратами производить диспергирование смесей жидкостей, но и позволяет регулировать основные параметры диспергатора, а именно минимальное сечение потока и соотношение тангенциальной и осевой составляющей скорости потока в устройстве.
Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности. Подлежащий диспергированию поток жидкостей ускоряют путем уменьшения сечения потока, затем разделяют, по крайней мере, на два концентрических потока, при этом смежным концентрическим потокам придают вращение в разные стороны. Каждый из концентрических потоков разделяют на ряд отдельных потоков и дополнительно ускоряют эти потоки путем уменьшения их сечения, а затем производят смешивание этих потоков с одновременным расширением общего сечения потока. Регулирование параметров концентрических потоков производят путем изменения соотношения тангенциальной и осевой составляющей скорости и минимального сечения каждого из отдельных потоков. Параметры закрутки концентрических потоков целесообразно выбирать из условия равенства нулю суммарного момента вращения.
При смешивании концентрических и закрученных в разные стороны потоков на границе концентрических потоков образуется зона высоких касательных напряжений, что приводит не только к интенсивному перемешиванию жидкостей, но и к появлению вихревой кавитации, при этом процессы происходят при меньших энергозатратах, так как относительные скорости потоков, закрученных в разные стороны, увеличиваются. Например, при соотношении тангенциальной и осевой скорости в каждом из концентрических потоков перед их смешиванием, равном 1, относительная скорость разнонаправленных потоков в зоне смешивания достигает 1,4.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - общий вид устройства для диспергирования жидкостей (диспергатора) в разрезе;
на фиг.2 - сечение А-А общего вида устройства;
на фиг.3 - вид одного из струеформирующих каналов, образованный окнами в тонких пластинках (вид Б на сечении А-А);
на фиг.4 - часть одной из пластинок диспергатора с выступами для облегчения возникновения кавитации.
Предлагаемое устройство для реализации способа содержит (фиг.1) корпус 1 с внутренней поверхностью в виде тела вращения. Внутри корпуса 1 установлены пакеты тонких пластин 2 и 3, стянутые между собой фигурными шайбами 4 и 5 с помощью центрального обтекателя 6 и болта 7. Непосредственно к корпусу 1 пакеты пластин крепятся с помощью резьбовой втулки 8. Корпус 1 диспергатора имеет фланцы 9 и 10, с помощью которых он устанавливается в разрыв трубопровода и крепится к фланцам подводящей трубы 11 и отводящей трубы 12. Возможная форма тонких пластин 2 и 3 изображена на фиг.2 - по форме это шайбы, по наружному краю которых выполнены трапецеидальные окна 13 и 14 на пластинах 2 и 3 соответственно. Струеформирующие каналы образованы путем последовательного поворота соседних в пакете тонких пластин с окнами относительно друг друга вокруг оси корпуса (фиг.2 и фиг.3), при этом ориентация струеформирующих каналов, образованных окнами 13 и 14, должна обеспечивать противоположное направление закрутки концентрических потоков жидкостей относительно оси устройства. Целесообразно шаг, на который сдвигаются края окон соседних пластины относительно друг друга, плавно увеличивать от входа к выходу (фиг.3), например согласно арифметической или геометрической прогрессии. Изменение параметров прогрессии 7 позволяет изменять соотношение тангенциальной и осевой составляющей скорости потока и минимальное сечение потока в струеформирующем канале, при этом огибающие по ходу движения жидкостей края окон кривые (фиг.3) имеют плавный изгиб. Для улучшения перемешивания жидкостей и облегчения возникновения кавитации края окон в пластинах имеют острые кромки 15 (фиг.3), кроме этого края некоторых окон могут быть снабжены выступами 16 (фиг.4). Концентричная внутренней поверхности корпуса 1 перегородка 17 в данном устройстве образована пакетом тонких пластин 2, а точнее перемычками 18 на этих пластинах между внутренним круглым отверстием и окнами 13.
Устройство работает следующим образом.
Подвергаемую диспергированию смесь жидкостей через подводящую трубу 11 под давлением подают внутрь корпуса 1, где жидкости при движении внутри корпуса плавно ускоряются из-за сужения потока с помощью центрального обтекателя 6 и фигурной шайбы 4. Далее поток разделяется на два концентрических потока с помощью перегородки 17. Наружный концентрический поток дополнительно ускоряется и получает вращение относительно оси устройства при прохождении жидкостей по струеформирующим каналам, образованным пакетом тонких пластин 2, а внутренний концентрический поток также дополнительно ускоряется и получает вращение относительно оси устройства при прохождении жидкостей по струеформирующим каналам, образованным пакетом тонких пластин 3, при этом наружный и внутренний концентрический поток получают противоположное направление закрутки. После прохождения струеформирующих каналов происходит слияние наружного и внутреннего концентрического потока, а так как эти потоки закручены в разные стороны, то на их границе образуется зона больших касательных напряжений, в центрах вихрей появляются каверны и образуется зона вихревой кавитации. Вихреобразование и кавитация возникает также на острых краях кромок пластин, которые образуют струеформирующие каналы и на выступах 16 на краях окон.
Предложенная конструкция устройства для диспергирования жидкостей позволяет без изменения конструкции изменять конфигурацию струеформирующих каналов и, соответственно, основные параметры устройства, а именно минимальное сечение потока и соотношение тангенциальной и осевой составляющей скорости потока в устройстве. Это позволяет перенастраивать диспергатор на оптимальный режим работы при изменении параметров потока жидкости и уменьшить энергозатраты на диспергирование.