ГЕНЕРАТОР КАВИТАЦИИ
CAVITATION GENERATOR

Изобретение относится к технике генерации пузырьковой кавитации и может быть использовано в строительной, химической, пищевой и других отраслях промышленности для диспергирования, эмульгирования, получения однородных смесей и т.д.
Известен генератор кавитации [патент РФ №2235950, 2004 г., F24J 3/00], содержащий корпус с патрубками для подвода и отвода жидкости, расположенные внутри корпуса статор и ротор, привод ротора, причем статор и ротор выполнены в виде соосных дисков, перфорированных сквозными отверстиями. Статор выполнен в виде одного или нескольких кольцевых дисков, а ротор - в виде двух соосных дисков, установленных с зазором относительно друг друга. Диски ротора смонтированы на независимых валах, имеющих самостоятельные независимые приводы, и вращаются навстречу друг другу. При встречном вращении дисков ротора относительно друг друга или при их вращении относительно неподвижных дисков статора на кромках отверстий в дисках возникает пузырьковая кавитация. В узких зазорах между дисками может возникнуть вихревая кавитация.
Недостаток известного генератора заключается в том, что кавитация генерируется па стенках устройства. При работе данного генератора имеет место разрушение рабочих поверхностей и его эффективность значительно снижается.
Известен также генератор кавитации [патент РФ №2115176, 1998 г., G10K 15/04], содержащий корпус с внутренней рабочей камерой и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводкой вал и установленный на валу активатор. Активатор выполнен в виде диска, на котором по нормали к его боковым поверхностям вдоль нескольких радиусов активатора на пилонах обтекаемой формы установлены цилиндрические кавитаторы, перекрывающие рабочую камеру с некоторым зазором от ее торцевых стенок, а на торцевых стенках рабочей камеры также на обтекаемых пилонах установлены подобные неподвижные кавитаторы.
Недостатком этого генератора является недостаточно высокая эффективность при тонком измельчении сыпучих материалов.
Наиболее близким техническим решением является аппарат, включающий высокосдвиговые роторы и статоры для смесителей и эмульгаторов (High shear rotors and stators for mixers and emulsifiers) [патент США №US6241472, 2001 г., B01F 7/00; B01F 7; (IPC-7):F)1D1/02; B01F 7/00]. Этот аппарат содержит цилиндрический ротор, по крайней мере, на одной из боковых поверхностей которого выполнены продольные желобки, и цилиндрический статор, на боковой поверхности которого выполнены аналогичные продольные желобки, смонтированные таким образом, что при вращении ротора поверхность ротора с желобками перемещается относительно поверхности статора с желобками. При этом в желобках и ротора, и статора возбуждается пузырьковая кавитация, существенно увеличивающая интенсивность перемешивания и эмульгирования в жидкостях, суспензиях или эмульсиях, протекающих по желобкам.
Недостатком данного устройства является тот факт, что стенки, формирующие желобки и на статорах, и на роторах, в известном решении в зонах максимальных сдвиговых напряжений в жидкости имеют острые кромки. При вращении ротора максимальные растягивающие усилия в жидкости образуются, прежде всего, вблизи острых кромок. При этом высока вероятность того, что за острой кромкой формируется не облако пузырьков, а один относительно большой пузырек. Такая кавитация недостаточно эффективна. Кроме того, в силу того, что кавитация развивается вблизи твердых стенок, при работе аппарата происходит интенсивное разрушение его стенок.
В основу изобретения положена задача создания генератора кавитации, конструкция которого позволила бы увеличить эффективность кавитационной обработки суспензий и эмульсий и повысить ресурс успешной работы аппаратов.
Поставленная задача решается с помощью генератора кавитации, содержащего корпус с внутренней рабочей камерой и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и установленный на валу диск-активатор. При этом, по крайней мере, на одной из сторон диска-активатора соосно с валом жестко закреплены цилиндры-патрубки с волнистыми стенками, с зазором между цилиндрами и торцевой стенкой рабочей камеры, а на торцевых стенках рабочей камеры жестко установлены в просветах между цилиндрами-патрубками на диске-активаторе без контакта с ними подобные неподвижные цилиндры-патрубки с зазорами между цилиндрами и диском и с возможностью вращения цилиндров-патрубков на активаторе между неподвижными цилиндрами-патрубками на торцевых стенках рабочей камеры. При этом количества волн на всех цилиндрах-патрубках, расположенных с одной стороны активатора, совпадают между собой и с числом волн на цилиндрах-патрубках, установленных на торцевой стенке камеры с той же стороны. Периодические волны на цилиндрах-патрубках имеют гладкую по дуговой координате, без угловых изломов форму. Предпочтительно, волны на цилиндрах-патрубках имеют симметричную, например, синусоидальную по дуговой координате форму. В другом техническом решении предпочтительно периодические волны на цилиндрах-патрубках имеют несимметричную по дуговой координате форму.
На фиг.1 и фиг.2 показана схема генератора кавитации в двух сечениях с симметричной формой волн на поперечном сечении цилиндров-патрубков. Генератор содержит корпус 1 с внутренней камерой 8 и с патрубками: 2 - для подвода жидкости и 3 - для отвода жидкости. Внутри корпуса 1 установлен приводной вал 4 с закрепленным на нем диском-активатором 5. На боковых поверхностях диска-активатора 5 установлены подвижные цилиндры-патрубки 7, а на торцевых стенках рабочей камеры 8 установлены неподвижные цилиндры-патрубки 6 с соответствующим выбором радиусов всех цилиндров-патрубков для обеспечения вращения активатора вокруг своей оси.
На фиг.3 представлен вариант генератора кавитации с несимметричной формой волн по дуговой координате на цилиндрах-патрубках.
Предложенный генератор кавитации работает следующим образом.
Обрабатываемая жидкость по патрубку 2 поступает в рабочую камеру 8 внутри корпуса 1. Через зазоры между неподвижными цилиндрами-патрубками 6 и диском-активатором 5, а затем между подвижными цилиндрами-патрубками 7 на диске 5 и стенками камеры 8 жидкость заполняет всю камеру 8. При вращении активатора 5 вокруг своей оси закрепленные на нем волнистые цилиндры-патрубки 7 заставляют жидкость двигаться по коридорам, образованным этими подвижными 7 стенками с соседними неподвижными волнистыми стенками 6. Неподвижные стенки камеры 8 и цилиндры-патрубки 6 тормозят потоки. В результате в кольцевых каналах между неподвижными цилиндрами-патрубками 6 и подвижными 7 формируется динамичная система вихревых структур, с образованием кластеров пульсирующих кавитационных пузырьков. При непрерывной подаче в рабочую камеру 8 жидкость проходит по лабиринту между стенками активатора и стенками рабочей камеры с их волнистыми цилиндрами-патрубками, участвует как в радиальном, так и в круговом движении и многократно подвергается кавитационной обработке. При этом пузырьковые кластеры образуются не на стенках устройства, а в объеме жидкости. Благодаря этому при работе устройства его стенки не подвергаются кавитационной эрозии. После обработки жидкость выводится из камеры 8 по патрубку 3.
На предложенный генератор кавитации разработана техническая документация, изготовлены и испытаны опытные образцы. Испытания на водоугольном топливе показали хорошее качество измельчения угля.