Смеситель развитой гидродинамической кавитации
MIXER DEVELOPED HYDRODYNAMIC CAVITATION

Изобретение относится к устройствам для смешивания жидкотекучих сред и может быть использовано на объектах нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей, нефтегазодобывающей промышленности.
Из уровня техники известен струйный смеситель, принятый в качестве наиболее близкого решения к предложенному. Известный смеситель содержит камеру смешения с патрубком для ввода компонентов смеси, связанную с камерой гомогенизации полученной смеси, имеющей выходное отверстие, при этом камера смешения в поперечном сечении имеет форму витка спирали и снабжена регулятором скорости потока введенных в нее компонентов смеси, выполненным в виде поворотной лопатки, установленной на входе в камеру смешения с возможностью ее фиксации в заданном положении (см. Патент RU 2309790, опубликован 10.11.2007).
Недостатком известного решения является ограниченный срок службы устройства при увеличении скорости движения жидкости до развитой кавитации, возникает кавитационная эрозия на внутренней поверхности камеры смешения и на выходе из камеры гомогенизации.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является увеличение срока службы и повышение надежности работы.
Техническим результатом изобретения является исключение появления кавитационной эрозии на рабочих поверхностях внутри камеры смешения и камеры гомогенизации и повышение эффективности смешивания компонентов смеси.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что смеситель развитой гидродинамической кавитации содержит камеру смешения с патрубком для ввода компонентов смеси, соединенную с камерой гомогенизации полученной смеси, имеющей выходной патрубок, при этом камера смешения снабжена регулятором скорости потока введенных в нее компонентов смеси, выполненным в виде поворотной лопатки, установленной на входе в камеру смешения с возможностью ее фиксации в заданном положении, при этом в поперечном сечении камера смешения имеет форму двух витков спирали большего и меньшего диаметра, камера гомогенизации соединена с меньшим витком камеры смешения стенкой, имеющей форму шарового слоя, а выходной патрубок соединен с камерой гомогенизации посредством сопла, имеющего форму шарового слоя.
Кроме того, поворотная лопатка может иметь две части, одна из которых установлена на входе большего витка спирали, а другая - на входе меньшего витка спирали, при этом поворотная лопатка закреплена на рычаге, свободный конец которого выведен с наружной стороны донной части камеры смешения.
Кроме того, на боковой стенке камеры смешения могут быть образованы отверстия для подвода дополнительных компонентов и/или реагентов смеси, расположенные на каждом витке спирали.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично изображен смеситель (общий вид), на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1.
Предложенный струйный смеситель представляет собой смеситель развитой гидродинамической кавитации, имеющий стальную конструкцию.
Смеситель содержит камеру 1 смешения, соединенную с камерой 2 гомогенизации полученной смеси. Боковая стенка камеры 1 имеет входной конический патрубок 3 для тангенциального подвода (ввода) компонентов смеси (жидкотекучих сред). Патрубок 3 выполнен в виде конфузора и предназначен для увеличения скорости потока среды на входе в двух витковую камеру 1 смешения. Патрубок 3 может быть выполнен за одно целое с камерой 1 или соединен с ней любым известным способом.
Камера 1 смешения предложенного смесителя выполнена спиралевидной и имеет в поперечном сечении форму двух витковой спирали большего диаметра (виток 4) и меньшего диаметра (виток 5). Стенка меньшего витка 5 спирали камеры 1 имеет форму шарового слоя, при этом меньший виток 5 соединен с камерой 2 гомогенизации. Витки 4 и 5 спиралевидной камеры 1 равномерно сужаются по ходу потока, в результате в двух витковой камере 1 понижается давление вследствие больших скоростей потока среды, вызывая кавитацию потока. Внутри большого витка 4 камеры 1 смешения образуется кавитационная полость, в которой реагенты имеют увеличенный размер капель, а меньший виток 5 камеры 1 за счет формы своей поверхности в виде шарового слоя, обеспечивает уменьшение размера капель и строго направленный кавитационный поток в камеру 2 гомогенизации, повышая тем самым эффективность смешивания, а также исключая образование кавитационной эрозии, и, соответственно, повышая надежность и срок службы смесителя. Таким образом, за счет того, что камера 1 смешения имеет внутри специальный профиль (в частности форма шарового слоя витка 5), обеспечивающий формирование гидродинамического вихревого вида кавитации, исключается появление кавитационной эрозии, поскольку границы кавитационной каверны в потоке жидкотекучей среды стационарны, что в свою очередь также приводит к более эффективному смешению компонентов смеси.
Камера 2 гомогенизации имеет выходной патрубок 6, который соединен с камерой 2 гомогенизации посредством сопла 7, имеющего форму шарового слоя. В камере 2 гомогенизации происходит процесс уменьшения неоднородности смесей путем измельчения и равномерного перераспределения их по объему потока за счет гидродинамического вихревого вида кавитации. За счет того, что сопло 7 имеет форму шарового слоя, поток полученной в камере 1 смешения смеси, после ее прохождения через камеру 2 гомогенизации, становится более однородным и строго направляется в выходной патрубок 6, исключая образование на выходе кавитационной эрозии, и, соответственно, повышая надежность и срок службы смесителя.
На боковой стенке камеры 1 смешения образованы отверстия 8 для тангенциального подвода активной среды в виде различных дополнительных компонентов и реагентов смеси. Такие отверстия с учетом технологического процесса могут быть расположены на каждом витке 4, 5 спирали. Выполнение отверстий 8 на каждом витке 4, 5 спирали повышает эффективность смешивания за счет возможности тангенциального подвода активной среды в виде различных компонентов и реагентов в любой из витков спирали камеры 1.
Камера 1 смешения снабжена регулятором скорости потока введенных в нее компонентов смеси, выполненным в виде сдвоенной поворотной лопатки 9, установленной на входе в камеру 1 смешения с возможностью ее фиксации в заданном положении. При этом поворотная лопатка 9 имеет две части, одна из которых установлена на входе большего витка 4 спирали (где тыльная сторона патрубка 3 соединена с боковой стенкой камеры 1), а другая - на входе меньшего витка 5 спирали. Поворотная лопатка жестко закреплена на рычаге 10, свободный конец которого выведен с наружной стороны донной части камеры 1 смешения. Снабжение камеры 1 смешения регулятором скорости потока введенных в нее компонентов смеси позволяет увеличить или уменьшить струю потока, и следовательно, влияет на размер и форму кавитационной каверны, что в свою очередь приводит к уменьшению или увеличению размеров капель реагентов. А за счет того, что лопатка 9 имеет две части, регулирование потока происходит как на входе в камеру 1 смешения, так и внутри камеры 1 в зоне меньшего витка 5 спирали, обеспечивая эффективное смешение компонентов смеси и направление смешенного потока в камеру 2 гомогенизации, что в совокупности с формой витка 5 (форма шарового слоя) также сказывается на исключении кавитационной эрозии, повышении надежности и срока службы смесителя.
Смеситель работает следующим образом.
Соответствующие компоненты и реагенты будущей смеси через патрубок 3 и отверстия 8, образованные в боковой стенке камеры 1, поступают внутрь камеры 1, создавая в ней турбулентное вихревое движение. В результате этого в центральной части камеры 1 в большем витке 4 над донной ее частью образуется кавитационная каверна, в которой создается и поддерживается давление ниже атмосферного.
Расширение или сужение струи входящих в камеру 1 компонентов смеси осуществляется поворотом рычага 10 с лопаткой 9, в результате чего происходит увеличение или уменьшение разрежения в кавитационной каверне, что, в свою очередь, приводит к уменьшению или увеличению размеров капель реагентов.
Спиралевидная форма камеры 1 и режим подачи жидких компонентов, регулируемый лопаткой 9, способствуют тому, что в кавитационной каверне начинается смешение компонентов при локальном воздействии более высокой температуры и более высокого давления, чем у исходных компонентов.
За счет того, что виток 5 имеет форму шарового слоя, внутри него обеспечивается уменьшение размера капель и поток смеси становится стационарным. При этом из камеры 1 смешения по меньшему витку 5 спирали смесь строго направленно поступает в камеру 2 гомогенизации (исключая образование кавитационной эрозии), где процесс смешивания завершается.
За счет того, что сопло 7 имеет форму шарового слоя (обеспечивая стационарный поток смеси), после прохождения через камеру 2 смесь строго направленно поступает в выходной патрубок 6 и вытекает из него.
Таким образом, благодаря особой форме выполнения камеры 1 смешения, в частности наличие двух витков, один из которых (меньший виток 5) имеет форму шарового слоя, а также благодаря выполнению выходного сопла 7 в форме шарового слоя, повышается эффективность смешивания, обеспечивается стационарность потока смеси и строго направленное движение потока смеси как внутри камеры 1, так и на выходе из камеры 2, исключая гидравлические удары и кавитационную эрозию, что существенно повышает срок службы смесителя и надежность его эксплуатации.