КАВИТАЦИОННЫЙ ДЕГАЗАТОР ЖИДКОСТИ
CAVITATION LIQUID DEGASSER

Область техники
Изобретение относится к устройствам для удаления растворенных газов из жидкости и может быть использовано в различных технологических процессах, где растворенный газ искажает желаемый результат.
Уровень техники
Из химии известно, что количество растворенного газа в жидкости определяется термо-барической зависимостью, а также адсорбционными свойствами самой жидкости избирательно растворять газ. Растворенный газ в жидкости характеризуется давлением растворенного газа. Иногда этот параметр называют напряжением газа. При повышении температуры количество растворенного газа уменьшается, как и при понижении внешнего давления. При понижении давления в жидкости ниже давления растворенных газов за счет внешнего воздействия или гидродинамики течения, может возникнуть газовая кавитация в виде газовых пузырьков, которые можно удалить путем естественного их всплытия. Из уровня техники известно много способов удаления растворенных газов, основанных на понижении давления в жидкости. Одним из таких способов является понижение давления газа над жидкостью с помощью вакуумного насоса. При этом давление в жидкости также понижается, вызывая выделение растворенного газа (например, RU 2155626). Использование в такой схеме вакуумного насоса делает процесс громоздким и дорогостоящим.
Понизить локальное давление в жидкости можно с помощью ультразвуковой генерации зон пониженного давления [Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит. Кавитация. Мир, Москва, 1974. с 687]. В частности, из уровня техники известны способ дегазации воды и дегазатор (патент на изобретение RU 2278718), где дегазация основана на ультразвуковой генерации в жидкости газовых пузырьков и удаления их путем естественного всплытия. Однако устройство, описанное в изобретении, является громоздким, выполненным в виде вертикальной трубы с открытым концом и снабженным генератором ультразвука. Кроме того, необходимо отметить, что при работе устройства после волны разряжения и возникновения пузырьков идет волна сжатия, и пузырек схлопывается, уменьшая КПД системы.
Из уровня техники также известен кавитационный дегазатор (SU 1317727), включающий трубопроводы для подвода смеси и отвода дегазированной жидкости с размещенными в них соосно газоотводящими патрубком и кавитационным насадком с профилированными по спирали Архимеда каналами, сообщенными с вихревой камерой. При этом с целью повышения надежности устройства путем уменьшения уноса дегазируемой жидкости с отводимым газом, насадок выполнен коническим, а вихревая камера - в виде диффузора. В данном устройстве также используется понижение давления в жидкости посредством кавитационного конического насадка и вихревой камеры в виде диффузора с одинаковым углом раскрыва. Однако данное устройство характеризуется сложностью его изготовления.
Наиболее близким к заявляемому решению является дегазатор (RU 2139120), содержащий трубчатый корпус, два струеформирующих устройства с центральными каналами конической формы, тангенциальные патрубки входа жидкости и патрубки выхода жидкости и газа, резонатор, разделительный коллектор. Струеформирующие устройства выполнены соосно друг с другом с обеих сторон корпуса с возможностью смещения вдоль общей оси, снабжены центральными каналами и встречно направлены. Тангенциальные входные патрубки расположены с возможностью встречной закрутки потоков жидкости в центральных каналах. Кавитационная камера образована торцевыми частями струеформирующих устройств, выполненных коническими. Резонатор выполнен в виде подвижной части одного из струеформирующих устройств с расположением внутри резонатора сопловой части центрального канала, а снаружи - тороидальной полости. В данном устройстве реализуется многоступенчатая с высокой эффективностью дегазация жидкости. Однако данное устройство является довольно сложной конструкцией и для его работы требуется настройка системы на резонанс. Как и в перечисленных выше решениях из-за малости кавитационных пузырьков и удаления их путем естественного всплытия, такие дегазаторы являются малоэффективными.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является создание более простой и эффективной конструкции дегазатора, обеспечивающей существенное упрощение процедуры образования кавитационных пузырьков с увеличением их размера и созданием условий принудительного удаления их из жидкости.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является обеспечение простого и эффективного процесса дегазации за счет непосредственного образования цепочки кавитационных пузырьков большего размера, чем при обычном понижении давления, и создание условий, обеспечивающих их принудительное удаление из жидкости, и, как следствие, уменьшение растворенного газа в жидкости.
Технический результат достигается при использовании устройства для дегазации жидкости, включающего цилиндрическую емкость (внешний цилиндр), выполненную с возможностью вращения с постоянной скоростью относительно своей оси, и расположенный в емкости внутренний цилиндр (или цилиндрическое тело) с эксцентриситетом, также выполненный с возможностью вращения относительно своей оси в направлении, противоположном относительно направления вращения внешнего цилиндра, в циклическом режиме, характеризующимся заданным периодом вращения и остановки, при этом цилиндры выполнены с обеспечением соотношения R1/R2=0,5 - 0,8, где R1 - радиус внутреннего цилиндра, R2 - внешнего, при R2 от 1см до 8 см, и установлены с минимальным зазором между их боковыми стенками от 0,05 мм до 0,1 мм.
Технический результат достигается также за счет использования способа дегазации жидкости, согласно которому зазор между стенками цилиндрической емкости и внутреннего цилиндра заполняют жидкостью, после чего инициируют процесс вращения внешнего цилиндра и циклический (периодический) процесс встречного вращения внутреннего цилиндра до обеспечения необходимой дегазации жидкости. При этом внутренний цилиндр вращают с линейной скоростью Ω, равной 0,2-0,4 от линейной скорости вращения внешнего цилиндра ω. В одном из вариантов осуществления изобретения при линейной скорости вращения внешнего цилиндра 25 мм/с, скорость вращения внутреннего цилиндра составляет от 5 до 10 мм/с, при этом в течение одного цикла время вращения внутреннего цилиндра составляет 2 секунды и остановки также 2 секунды.
Технический результат достигается за счет реализуемого заявляемым устройством гидродинамического процесса течения в зазоре между неконцентрическими цилиндрами. При вращении только внешнего цилиндра возникают две области: с повышенным давлением перед линией минимального зазора Н и пониженным давлением за ней, где создается условие для возникновения цепочки кавитационных пузырьков вдоль образующей внутреннего цилиндра. Кавитационные пузырьки возникают малого размера, около 0.2 мм и их удаление путем естественного всплытия будет малопродуктивным. Однако, при встречном вращении еще внутреннего цилиндра области высокого и низкого давления меняются местами. Теперь перед линией минимального зазора Н наблюдается эффект растяжения жидкости от вращения цилиндров в разные стороны, что приводит к увеличению зоны кавитации и, соответственно, увеличению кавитационных пузырьков. При остановке вращения внутреннего цилиндра, но при вращении внешнего, давление в области кавитационных образований, перед линией минимального зазора Н, снова возрастет и пузырьки этим повышенным давлением будут «выброшены» во внешнюю область потока.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично представлено заявляемое устройство в виде двух неконцентрических цилиндров, расположенных один в другом, выполненных с возможностью вращения вокруг своих осей в противоположных направлениях, а также схема изменения давления жидкости между неконцентрическими цилиндрами при их вращении. Движение жидкости между цилиндрами - внешним и внутренним, например, выполненных с радиусом R2 и R1, соответственно, и расположенных с определенным зазором Н, задается вращением цилиндров со скоростью ɷ - внешнего и Ω - внутреннего. Символами +ΔР и - ΔР обозначены области с повышением давления и понижением, соответственно. При вращении только внешнего цилиндра, Ω = 0, с малым зазором, кавитация возникает за линией минимального зазора Н вниз по потоку в области 1, вдоль образующей внутреннего цилиндра в виде цепочки пузырьков размером около 0.2 мм. При встречном вращении еще и внутреннего цилиндра, кавитация возникает в области растяжения жидкости 2 уже перед линией Н, где раньше было повышенное давление. Область растяжения, а соответственно и область кавитации, возрастает при увеличении отношения радиусов внутреннего и внешнего цилиндров. Внутренний цилиндр выполнен с возможностью циклического вращения во встречном направлении к внешнему цилиндру, при этом цикл характеризуется вращением цилиндра в течение определенного времени, например, 2 сек. с остановкой на такой же период. Величина зазора Н между обоими цилиндрами должна быть не более 0.1 мм. Увеличение зазора уменьшает растягивающее напряжение, как и падение давления, и уменьшает размер кавитационных пузырьков.
На фиг. 2 представлены отдельные кадры возникновения растянутых кавитационных пузырьков и их принудительное удаление повышенным давлением при остановке вращения внутреннего цилиндра. В частности, представлены экспериментальные данные в виде последовательности кадров течения в области кавитации для R1/R2=0.5 (R1=25 мм, R2=50 мм). Кадр 1 выполнен при вращении только внешнего цилиндра с линейной скоростью стенки ω = 25 мм/с. Буквой «К» отмечены кавитационные образования в области понижения давления за линией минимального зазора Н. Справа от кадра показано распределение давления перед линией минимального зазора Н и за ней. Кадры 2-3 выполнены при вращении внутреннего цилиндра в противоположную сторону по отношению к внешнему со скоростью Ω = 10 мм/с. При этом растягивающее напряжение, область 2, увеличивает размер кавитационных образований на порядок. Кадр 4 выполнен в процессе остановки вращения внутреннего цилиндра. Кавитационные пузырьки оказываются в области повышенного давления, как при движении только внешнего цилиндра, и выбрасываются во внешнюю область. Кадр 5 выполнен при вращении только внешнего цилиндра, на поверхности внутреннего цилиндра в области понижения давления, за линией Н возникают кавитационные пузырьки К, а остатки пузырьков удаляются из области повышенного давления. Временной интервал между кадрами 2-4 составляет 0.1 с. Из-за повышенного давления большая часть кавитационных пузырьков удаляется за малый период времени. Поскольку давление при таких скоростях движения цилиндров не может измениться скачком, остальные пузырьки удаляются за больший период времени.
На фиг. 3 представлен временной график движения внутреннего цилиндра. Интервалы движения и покоя определялись вязкостью жидкости, которая влияла на окончательное удаление газовых пузырьков.
Осуществление изобретения
Устройство включает цилиндрическую емкость (внешний цилиндр), выполненную с возможностью вращения с постоянной скоростью относительно своей оси, и расположенный в емкости внутренний цилиндр (цилиндрическое тело или стержень) с эксцентриситетом, также выполненный с возможностью вращения с постоянной скоростью относительно своей оси в направлении, противоположном относительно направления вращения внешнего цилиндра. Цилиндры выполнены с радиусами, отношение которых R1/R2=0,5-0,8. При этом высокая работоспособность устройства с обеспечением высокой эффективности дегазации была продемонстрирована на лабораторных образцах при выполнении цилиндрической емкости (внешнего цилиндра) диаметром от 2 см до 16 см. С увеличением соотношения R1/R2 более 0,8 возрастает область растягивающего напряжения, что приводит к увеличению размера кавитационных пузырьков и их неустойчивости в виде дробления. При уменьшении соотношения R1/R2 менее 0,5 происходит возрастание неустойчивости кавитационных образований в виде их дробления, появления возвратных течений в области минимального зазора. Цилиндры установлены с минимальным зазором между их боковыми стенками от 0,05 до 0,1 мм, обеспечивающим оптимальный эффект. При зазоре более 0,2 мм кавитация не образуется, а при очень малых зазорах (менее 0,05 мм) проявляется шероховатость поверхностей цилиндров и возникает вероятность заклинивания из-за температурного расширения. При этом линейная скорость вращения внутреннего цилиндра Ω должна составлять величину, равную 0,2-0,4 от линейной скорости вращения внешнего цилиндра ω (т.е. Ω=0,2-0,4 ω). В одном из вариантов осуществления изобретения при вращении внешнего цилиндра с линейной скоростью 25 мм/с, линейная скорость вращения внутреннего цилиндра может быть равной от 5 до 10 мм/с. Для исключения трения, внутренний цилиндр расположен также с зазором относительно дна емкости.
Способ реализуют следующим образом.
Для удаления растворенного газа из жидкости, зазор цилиндрической емкости, образованный между стенками емкости и внутреннего цилиндра, заполняют жидкостью. Затем инициируют циклический процесс вращения цилиндров и их остановки (с использованием любых известных из уровня техники средств) до обеспечения необходимой дегазации жидкости. Количество циклов для обеспечения процесса дегазации зависит от необходимой степени очистки жидкости от растворимого газа и может продолжаться в течение часа. За это время давление растворенных газов может быть уменьшено до 17 ммHg. при постоянной скорости движения внешнего цилиндра 25 мм/с, внутреннего - 5 мм/с, с циклом, характеризующимся движением внутреннего цилиндра в течение 2 секунд и его остановкой на 2 секунды. Время вращения внутреннего цилиндра определяется временем, за которое полностью сформируются пузырьки, а время остановки (без вращения цилиндра) - периодом времени, за которое кавитационные пузырьки будут удалены из области образования-перед линией минимального зазора.
Инициируемый циклический процесс основан на течении жидкости в зазоре между неконцентрическими цилиндрами при вращении внешнего цилиндра с постоянной скоростью и импульсном вращении внутреннего цилиндра в противоположную сторону, при котором происходит образование растянутых кавитационных пузырьков в области понижения давления и удаления их посредством возникающего повышенного давления при остановке вращения внутреннего цилиндра. Увеличение размера кавитационных пузырьков происходит за счет растяжения жидкости при вращении цилиндров в разные стороны. Таким образом, процесс удаления газа из жидкости является поочередной операцией образования кавитационного газа в области понижения давления при встречном вращении внутреннего цилиндра и удаления газа посредством возникновения в этой же области повышенного давления при остановке вращения внутреннего цилиндра.
Эффективность удаления растворенного газа из жидкости с помощью заявляемого устройства была экспериментально проверена на модельных установках для жидкостей с вязкостью от 10 до 1000 Сст. В одном из вариантов осуществления изобретения установка представляла собой цилиндрическую емкость (внешний цилиндр) диаметром 100 мм, выполненную из органического стекла, глубиной (высотой) 50 мм, приводимую во вращение с помощью моторчика постоянного тока (см. фиг. 1). В емкость с жесткой фиксацией, например, через П-образную балку (или кронштейн), был установлен внутренний цилиндр диаметром 50 мм и такой же высоты с параллельным расположением осей (цилиндра и емкости), и также приводимый во вращение с помощью моторчика постоянного тока. Зазор между нижней поверхностью внутреннего цилиндра и дном емкости (внешнего цилиндра) составил 0.1-0.15 мм. Оси цилиндров вертикальны и смещены с образованием зазора между боковыми стенками внутреннего и внешнего цилиндрами около 0.1 мм. Скорости вращения внешнего и внутреннего цилиндров составили ɷ - 25мм/с и Ω - 5 мм/с, соответственно.
В другом варианте реализации изобретения внешний диаметр составил 160 мм, внутренний - 128 мм, зазор между боковыми стенками внутреннего и внешнего цилиндрами - 0,1 мм, вращении внешнего цилиндра осуществлялось с линейной скоростью 25мм/с, внутреннего цилиндра - 10 мм/с.
В третьем варианте реализации изобретения внешний диаметр составил 20 мм, внутренний - 10 мм, зазор между боковыми стенками - 0,05 мм, вращении внешнего цилиндра осуществлялось с линейной скоростью 25 мм/с, внутреннего цилиндра - 5 мм/с.
В проведенных экспериментах в качестве обрабатываемой жидкости были использованы недегазированные силиконовое масло с вязкостью 1000 сСт и трансформаторное масло с вязкостью 80 сСт.
Согласно данным (https://forca.com.ua/transformatori/teoriya/rastvorimost-gazov-v-transformatornom-masle.html), растворимость воздуха в трансформаторном масле в зависимости от давления является линейной. При дегазации с понижением давления в кавитационном пузырьке до 17 ммHg воздуха останется около 4% от первоначального объема. В предлагаемом изобретении давление в области кавитации за счет растяжения жидкости падает до 17 ммHg после 30 минут дегазации, что подтверждается прекращением процесса образования кавитационных пузырьков прекращалось. При этом в процессе дегазации наблюдали не только выделени растворенного газа в виде больших пузырьков до 5 мм, но и удаление примеси воды из жидкости, которая в небольших количествах часто присутствует. Это особенно важно для электроизоляционных жидкостей, которые используются на электроподстанциях.
Таким образом, кавитационные пузырьки, возникающие при вращении только внешнего цилиндра, можно увеличить в размере импульсным вращением внутреннего цилиндра в противоположную сторону. При этом пузырьки возникают перед линией минимального зазора Н, где раньше было повышенное давление. При остановке вращения внутреннего цилиндра растянутые пузырьки оказываются в области повышенного давления перед линией Н и выбрасываются в наружную область потока. Таким образом, с помощью заявляемого изобретения может быть реализован регулярный процесс образования кавитационных пузырьков из растворенного газа, их растяжение и удаление из жидкости. Предлагаемый способ удаления растворенного газа из жидкости по сравнению с прототипом, является наиболее простым, надежным и эффективным.