СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ ЖИДКОСТИ И КАВИТАЦИОННЫЙ ДЕГАЗАТОР
LIQUID DEGASSING METHOD AND CAVITATION DEGASSER

Область техники
Изобретение относится к устройствам и способам удаления растворенных газов из жидкости и может быть использовано в различных технологических процессах, где растворенный газ искажает желаемый результат, а также в биологических системах для дозированного уменьшения растворенного газа.
Уровень техники
Известно, что в жидкостях практически всегда имеется растворенный газ, при этом его количество определяется термобарической зависимостью, а также адсорбционными свойствами самой жидкости избирательно растворять газ. Растворенный газ в жидкости характеризуется давлением растворенного газа. При повышении температуры жидкости его количество уменьшается, как и при понижении внешнего давления. При понижении давления в жидкости ниже давления растворенных газов, возникает газовая кавитация в виде газовых пузырьков, которые можно удалить посредством обеспечения их естественного всплытия. Из уровня техники известно достаточное количество 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 раскрытия. Однако данное устройство характеризуется сложностью его изготовления.
Известен также дегазатор (RU 2139120), содержащий трубчатый корпус, два струе формирующих 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является дегазатор по патенту RU 2740451, принцип действия которого основан на образовании газовых кавитационных пузырьков в жидкости, в течении между неконцентрическими цилиндрами при периодическом их вращении. Дегазатор содержит цилиндрическую емкость, выполненную с возможностью вращения с постоянной скоростью относительно своей оси, и расположенный в емкости внутренний цилиндр с эксцентриситетом, также выполненный с возможностью вращения относительно своей оси в направлении, противоположном относительно направления вращения внешнего цилиндра, в циклическом режиме, характеризующемся заданным периодом вращения и остановки. При вращении цилиндров образуются дискретные кавитационные пузырьки, которые удаляются за счет всплытия. Однако при большой высоте цилиндров, которая необходима для увеличения производительности, возрастает и время всплытия газовых пузырьков. В данном решении кавитация происходит только в узкой области зазора между поверхностями цилиндров, где только возникает падение давления.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является создание более эффективного способа дегазации и более простой 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 упрощение процесса дегазации за счет обеспечения генерации в областях течения между внешним и внутренним цилиндрами единого кавитационного образования большого размера, что способствует ускорению удаления растворенного газа из жидкости.
согласно техническому решению
Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для дегазации жидкости, включающем внешнюю цилиндрическую емкость и установленный внутри нее со смещением относительно оси емкости по меньшей мере один внутренний цилиндр с возможностью вращения относительно своей оси в циклическом режиме, характеризующемся заданными временными периодами вращения и остановки, , внешняя цилиндрическая емкость установлена неподвижно, а внутри нее с возможностью однонаправленного синхронного вращения со скоростью до 3-5 см/с установлены с зазором между собой три внутренних цилиндра, при этом цилиндры выполнены с обеспечением соотношения R1/R2 ≤ 0,46, где
R1 - радиус внутреннего цилиндра,
R2 - радиус внешнего цилиндра,
при этом внешняя емкость и каждый внутренний цилиндр установлены с зазором между их боковыми поверхностями от 0,05 мм до 0,15 мм. Технический результат достигается также при реализации способа дегазации жидкости с помощью описанного выше устройства, в соответствии с которым зазор между стенками внешней цилиндрической емкости и внутренних цилиндров заполняют дегазируемой жидкостью, после чего при неподвижной внешней емкости инициируют периодическое вращение и остановку внутренних цилиндров, при этом в процессе вращения внутренних цилиндров в течение времени не более 5 с на боковой поверхности каждого внутреннего цилиндра формируется единое кавитационное образование с неустойчивостью Саффмана-Тейлора, а во время остановки внутренних цилиндров в течение времени не более 1 с сформированные кавитационные образования на поверхности каждого внутреннего цилиндра всплывают к границе раздела жидкость-воздух.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется следующими чертежами, где
На фиг.1 схематично представлено движение жидкости между неконцентрическими цилиндрами с минимальным зазором Н. Внешний цилиндр с радиусом R2=50mm и внутренний R1=23mm, движение жидкости задается вращением внутреннего цилиндра Ω. Символами (+ΔР) и (-ΔР) обозначены области соответственно с повышением и понижением давления. За линией минимального зазора Н, вниз по потоку в области 1, вдоль образующей внутреннего цилиндра возникает газовая кавитация. Величина зазора Н определяется эксцентриситетом δ цилиндров, Н=R2-R1-δ. В области К пониженного давления формируются 2 возвратных течения О1 и О2.
На фиг.2 представлено расположение S неустойчивости Саффмана-Тейлора (Saffman, P. G. & Taylor, G. I. 1958 The penetration of a fluid into a porous medium or Hele-Shaw cell containing a more viscous liquid. Proc. R. Soc. Land. A 245, 312-329), известной в российских публикациях как «пальцевая» неустойчивость https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.d5ec9450-62695bb3-d03d8e80-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Viscous_fingering за счет формы, похожей на растопыренные пальцы ладони, и кавитационных пузырьков «bubbles» при вращении внутреннего цилиндра.
Стрелка показывает направление движения жидкости. На границе раздела фаз газ-жидкость образуется электрический заряд, который стабилизирует такое чередование газовых пузырьков и жидкости по всей высоте зазора между цилиндрами.
На фиг.3 представлено покадровое изображение заявляемого способа дегазации. На первом кадре представлено единое кавитационное образование на поверхности внутреннего цилиндра, как единое целое, кавитационных пузырьков и «пальцев». На втором кадре происходит остановка вращения внутреннего цилиндра и кавитационное образование, как единый пузырек, поднимается к поверхности. Временной интервал между кадрами составил 0.16 с.
На фиг.4 представлена схема кавитационного дегазатора жидкости с внешней цилиндрической емкостью радиусом R2 и вставленными 3 вращающимися синхронно в одном направлении цилиндрами радиусом R1=0.46R2. На поверхности каждого внутреннего цилиндра со стороны расширяющейся между ними области формируется единый пузырек газа. Увеличение числа внутренних цилиндров до трех и более приводит к уменьшению области падения давления между отдельным внутренним цилиндром и стенкой внешней цилиндрической емкости, и, соответственно, к увеличению размера образующегося на поверхности внутреннего цилиндра кавитационного пузырька. Основным условием возникновения кавитации на поверхностях внутренних цилиндров является величина зазора Н, которая должна быть не больше 0.2 мм.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство включает цилиндрическую емкость (внешний цилиндр), установленную неподвижно, внутри которой размещены три внутренних цилиндра (представляющих собой цилиндрическое тело или стержень). Цилиндры установлены в емкости с возможностью вращения с эксцентриситетом δ, позволяющим свободное вращение внутренних цилиндров в одном направлении. Внутренний (R1) и внешний (R2) цилиндры выполнены с радиусами, отношение которых в общем случае составляет R1/R2≤0,46. Для трех внутренних цилиндров наиболее оптимальным является максимально возможное соотношение радиусов R1/R2=0,46. При этом в целом работоспособность устройства с обеспечением высокой эффективности дегазации была продемонстрирована на лабораторных образцах при выполнении одного внутреннего цилиндра диаметром от 0.08R2 до 0.87R2. При малых значениях указанного отношения всплывающие кавитационные пузырьки будут небольшими, при большем отношении (>0.46) во внешней емкости не уместится 3 цилиндра, в результате чего эффективность газовыделения не будет высокой. С увеличением соотношения R1/R2 возрастает область растягивающего напряжения, что приводит к увеличению размера кавитационных пузырьков. В случае установки нескольких внутренних цилиндров их размещают таким образом, что минимальный зазор между боковыми поверхностями каждого внутреннего цилиндра и внешнего цилиндра составляет от 0,05 до 0,15 мм, что обеспечивает 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 3-5 см/с. Для исключения трения, внутренние цилиндры расположены также с зазором относительно дна внешней емкости не менее 1 мм. Принципиальная схема течения между такими неконцентрическими цилиндрами представлена на Фиг.1. Движение жидкости в заявляемом решении задается только вращением внутреннего цилиндра. Течение имеет характерные области поджатия потока до линии минимального зазора и его расширения за ней. В области расширения потока давление падает при уменьшении зазора между цилиндрами и образованием газовых пузырьков. Экспериментально было обнаружено, что при вращении только внутреннего цилиндра, еще до возникновения газовой кавитации, в области расширения потока возникает неустойчивость Саффмана-Тейлора (S. Michalland, M. Rabaud, Y. Couder. Instabilities of the upstream meniscus in directional viscous fingering. J.Fluid Mech. Vol 312, pp. 125-148). Установлено, что эта неустойчивость имеет периодическую структуру в виде «пальцев», и вдоль зазора между цилиндрами объединяет возникающие дискретные кавитационные пузырьки в единое целое (фиг.2). Объединение пузырьков по всей высоте зазора между цилиндрами происходит за счет заряда на границе раздела газ-жидкость. На конце каждого «пальца» за счет сил поверхностного натяжения образуются шаровидные утолщения.
3
При остановке вращения внутреннего цилиндра давление в области кавитации выравнивается до атмосферного и кавитационное образование в виде уже единого пузырька, по всей высоте внутреннего цилиндра, всплывает к границе раздела жидкость-воздух. Образование кавитации с неустойчивостью Саффмана-Тейлора (1 кадр) и всплытия кавитационного образования (2-5 кадры) как единого образования при остановке вращения внутреннего цилиндра представлены на фиг.3. Временной интервал между кадрами составляет 0.16 с. Размер всплывающего пузырька составляет 4 мм с объемом около 10.6 мм. Объем удаляемого газа из жидкости можно существенно увеличить. Для этого используется конструкция c более чем одним внутренним цилиндром, например, с тремя вставленными цилиндрами, как показано на фиг.4. Цилиндры имеют равные радиусы R1 и установлены с небольшим зазором между собой для синхронного однонаправленного вращения с равными временными периодами вращения и остановки. Величина зазора между внутренними цилиндрами не является определяющей для функциональности устройства и достижения технического результата, и в общем случае выбирается исключительно с учетом отсутствия взаимного влияния вращения внутренних цилиндров друг на друга (например, исключение взаимного торможения). При этом число зон кавитации возрастает до 3 и, соответственно, увеличивается скорость дегазации жидкости. Увеличение зон кавитации существенно для жидкостей с малой вязкостью, около 50 сСт, где для достижения необходимого падения давления нужно уменьшать зазор между цилиндрами. Заявляемый способ реализуют следующим образом.
Для удаления растворенного газа из жидкости, зазор, образованный между стенками емкости и внутренних цилиндров, заполняют жидкостью. Затем инициируют периодическое синхронное однонаправленное вращение внутренних цилиндров и их последующую остановку (с использованием любых известных из уровня техники средств, например, ручного привода, с учетом небольших скоростей вращения), повторяя такой цикл до обеспечения необходимой степени дегазации жидкости. Количество циклов (периодов вращения и остановки цилиндра) для обеспечения процесса дегазации зависит от необходимой степени очистки жидкости от растворимого газа, при этом процесс дегазации может продолжаться в течение часа и более. За это время давление растворенных газов может быть уменьшено как при 0.5 Ратм. При этом будет также проходить обратный медленный процесс диффузии газа из атмосферы в жидкость. При скорости движения внутреннего цилиндра - 5 см/с оптимальный цикл для обеспечения дегазации характеризуется вращением внутреннего цилиндра в течение 5 секунд и его остановкой на 1 секунду. Время вращения внутренних цилиндров соответствует времени, за которое полностью сформируется единое кавитационное образование на поверхности каждого цилиндра, а время остановки (без вращения цилиндра) - периодом времени, за которое сформированное образование будет удалено из области образования - перед линией минимального зазора. Указанные временные промежутки установлены экспериментальным путем.
3
3
Эффективность заявляемого способа удаления растворенного газа из жидкости экспериментально проверялась на установке для дегазации жидкостей с вязкостью от 50 до 200 Сст, выполненной из органического стекла в виде цилиндрической емкости диаметром 100 мм, в которую был вставлены три цилиндра диаметром 46 мм. Оси цилиндров вертикальны и смещены друг относительно друга таким образом, чтобы зазор между каждым внутренним цилиндром и стенкой емкости составлял около 0.15 мм. Вращение внутренних цилиндров обеспечивалось подключенным мотором постоянного тока. Измерения показали, что для жидкости с вязкостью 200 Сст, объем удаляемого газового пузырька составляет 10.6 мм. Объем удаляемого газа из жидкости можно существенно увеличить использованием конструкции c 3 вставленными цилиндрическими поверхностями, как показано на фиг.4. При этом объем удаляемого газа со всех поверхностей внутренних цилиндров составит 31,8 мм за один цикл от начала вращения внутренних цилиндров до момента окончания периода их остановки. Экспериментально установлено, что период вращения внутренних цилиндров должен быть не более 5 с. Такое время необходимо для формирования газового пузырька с «пальцевой» неустойчивостью. Установлено также, что дальнейшее возрастание времени не увеличит размер удаляемого кавитационного образования. При высоте внутреннего цилиндра 15 мм, время покоя внутренних цилиндров в 1 с будет достаточным для полного всплытия кавитационных образований. Согласно фиг.3, кавитационный пузырек после остановки вращения внутреннего цилиндра, всплывает через 0.16 с * 5=0.8 с.
Согласно фиг.4 при толщине внутренних цилиндров 15 мм с радиусом внутреннего цилиндра 23 мм и радиусом внешнего цилиндра 50 мм, объем масла во внешней цилиндрической емкости составит
3
3
3
78.5 см - 49.8 см=28.7 см.
3
3
3
Объемное содержание воздуха в масле при атмосферном давлении 110 кПа, согласно справочным данным, составляет 14,5%. В указанном объеме масла (28.7 см) объем первоначально растворенного воздуха составляет 4,16 см. Предлагаемый способ дегазации за 10 циклов вращения и остановки 3 внутренних цилиндров существенно удалит (до 3.18 см) растворенного газа из жидкости.
Таким образом, без учета обратной диффузии воздуха в масло, заявляемый способ дегазации позволяет удалять значительное (до 25% от первоначального объема) количество растворенного газа из жидкости. Заявляемое устройство в отсутствие необходимости вращения внешнего цилиндра характеризуется меньшим энергопотреблением и простотой конструкции, доступной даже для бытового применения.