ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ КАВИТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
HYDRAULIC CAVITATING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для создания потоковой гидродинамической кавитации в проточной жидкой среде, смешивания в системах «жидкость - жидкость», «жидкость - твердое тело» и может быть использовано в химической, нефтяной, фармацевтической, машиностроительной, горнодобывающей отраслях промышленности, а также для приготовления органоминеральных удобрений и жидких кормов в сельском хозяйстве. В теплоэнергетике заявляемое устройство может быть использовано для приготовления качественных водоугольных суспензий, а также различных композиций вода-уголь-торф, вода-уголь-мазут, вода-проливы нефти-уголь и.т.д.
Известен роторно-диспергирующий аппарат (варианты), патент России 2208472, состоящий из установленного на вращающемся валу ротора, имеющего лопатки внутри и обечайку с прорезями, выполненными под углом к диаметру и направленными против вращения ротора, а также закрепленного на корпусе между роторными лопатками и роторной обечайкой коаксиально ротору статора, имеющего диаметральное сечение трапецеидальной формы, с прорезями, выполненными под углом к диаметру и направленными по ходу вращения ротора.
Недостатками известного устройства являются:
- размещение в центральной части ротора только лопастей, которые отбрасывают обрабатываемую суспензию в канале статора;
- форма отверстий статора не способствует образованию интенсивной гидродинамической кавитации;
- форма отверстий наружной обечайки ротора-прорези также не способствуют образованию интенсивной гидродинамической кавитации, как, например, круглоцилиндрические насадки Борда или Вентури.
Известен роторно-пульсационный аппарат для получения преимущественных систем «жидкость-жидкость», патент России №2299091, включающий рабочую камеру с устройством ввода контактирующих фаз и патрубком вывода эмульсии, концентрично установленными в ней ротором и статором с радиальными каналами.
Недостатками известного устройства являются:
- прерывистое продвижение эмульсии по каналам ротор-статор (совпадение каналов и их перекрытие), которые вызывают пульсационные колебания, а не устойчивую гидродинамическую кавитацию в жидкости;
- форма отверстий не способствует образованию зон с пониженным давлением, в которых зарождаются кавитационные пузырьки.
Известно устройство, кавитационный термогенератор, патент России №2305819, содержащий циклон с входным и выходным отверстиями, стаканообразный корпус, выходное сопло, каждый из которых жестко и герметично присоединен своей открытой полостью к одной из оппозитных сторон циклона соосно друг другу, тормозной элемент, бак с жидкой средой, в которую погружен термогенертор, выходное отверстие циклона по направлению в камеру корпуса по касательной.
Недостатками известного устройства являются:
- использование вихревой кавитации, которая возникает в закручиваемом потоке жидкости в центре вращения. Но нет зоны с повышенным давлением, в которой кавитационные пузырьки могли бы интенсивно «схлопнуться», исчезнуть;
- основным добытчиком тепловой энергии является внутреннее трение жидкости и трение закрученного потока о периферийную зону устройства.
Известно устройство, гидродинамический диспергатор-излучатель, патент России №2306971, содержащий корпус с внутренней полостью, с боковыми входными трубопроводами и трубопроводом отвода жидкости, подвижную в осевом направлении регулировочную иглу, установленную в корпусе с переменным по длине сечением, и чувствительный элемент механизма регулирования перемещения иглы, установленной в отверстии, выполненном в корпусе в области сужающейся части внутренней полости.
Недостатками известного устройства являются:
- пузырьки воздуха, вводимого в сопло устройства, не «захлопнутся», а будут пульсировать в зонах повышенного давления и покинут жидкость после прохождения отводного отверстия;
- механизм регулирования количества потока (MP) расположен в зоне интенсивного исчезновения кавитационных пузырьков, в зоне повышенного давления, образованной встречным соударением струй сопел, что повлечет его интенсивное разрушение.
Известно устройство, гидродинамический кавитационный реактор, патент России №2305589, включающий конфузор, проточную камеру, содержащую участок, выполненный в виде диффузора, с установленными в ней осевыми и пристеночными кавитаторами.
Недостатками известного устройства являются:
- недостаточно четкое объяснение работы кавитаторов 3, 4, 5, действительно между стеной корпуса и кавитаторами 3, 4 не возникает кавитация из-за сжатия потока жидкости, а возникает она в водоворотных зонах за кавитаторами;
- большие внутренние отверстия в кавитаторах 4, 5, позволяют большому количеству жидкости или суспензии проходить без кавитационного воздействия на ее поток.
Известен диспергатор, патент России №2293599, содержащий корпус с каналом для движения жидкой пищевой смеси, устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их жидкой пищевой смесью, в канале для движения жидкой пищевой смеси расположена по меньшей мере одна перегородка для разделения потока жидкой пищевой смеси и на поверхности перегородки, соприкасающейся с потоком жидкой пищевой смеси, расположены поперечные рифли или чередующиеся выступы и углубления.
Недостатком известного устройства является то, что профили каналов образованных перегородками, недостаточно интенсивно способствуют образованию кавитационных пузырьков.
Известно устройство, форсунка, патент России №2190483, содержащая корпус с диффузорным выходным соплом, вставку с центральным конфузорным каналом, установленную во входном участке корпуса с возможностью осевого перемещения и с образованием с ним кольцевой резонирующей полости, охватывающей выходной участок корпуса с кольцевым зазором, короб, снабженный подводящим патрубком с регулятором его проходного сечения и V образными сопловыми насадками, заведенными одной полкой в выполненные в корпусе в зоне его диффузного сопла отверстия и установленными с примыканием другой полкой к внутренней поверхности диффузного сопла.
Положительным в известном устройстве является наличие регулируемой кольцевой резонирующей полости.
Недостатками известного устройства являются применение конфузорного канала и диффузорного сопла, которые не способствуют образованию гидравлической кавитации в устройстве.
Известен способ гидравлического звукообразования, патент России №2183511,включающий увеличение скорости струи до критической и ее торможение с образованием замкнутой кавитационной области.
Недостатками известного способа являются:
- использование конфузорного перехода в сопле, препятствующего работе цилиндрической части как круглоцилиндрический насадок Борда или Вентури;
- недостаточное углубление лунки в отражателе снижает давление в отражателе, а значит и понижает энергию «схлопывания» кавитационных пузырьков.
Известно устройство (прототип), гидрокавитационное устройство, патент России №2236915, содержащее корпус и выполненный в корпусе входной элемент, предназначенный для подсоединения к источнику жидкости повышенного давления, входной цилиндрический канал, по меньшей мере две камеры, выполненные с внутренней цилиндрической поверхностью, и диффузор, которые расположены соосно и последовательно по ходу жидкости сообщены между собой, при этом введен, по меньшей мере, один промежуточный цилиндрический канал, расположенный между камерами, длина которого выбрана меньшей, чем длина входного цилиндрического канала, первая камера и следующая за ней камера сообщены промежуточным цилиндрическим каналом, диаметром dпр и длина lпр которого выполнены удовлетворяющими соотношениям
1,0<(d/do)<2 и 0,7<(lпр/do)<2, для первой камеры,
где do - диаметр входного цилиндрического канала;
d - диаметр камеры (первой, второй или третьей);
l - длина камеры (первой, второй или третьей).
Диаметр и длина каждой последующей камеры выполнены удовлетворяющими соотношениями
1,6<(d/dпр)<2 и 0,6<(l/dпр)<0,8,
где dпр - диаметр промежуточного цилиндрического канала перед искомой камерой;
l - длина камеры.
Недостатками известного устройства является:
- конфузорный вход в первый цилиндрический канал, препятствующий сжатию струи и образованию кольцевой водоворотной зоны как, например, в круглоцилиндрическом насадке Вентури (Р.Р.Чугаев. Гидравлика. «Энергия», Ленинградское отделение, 1971 г., стр.307);
- недостаточная длина камеры, которая должна работать как внезапно расширяющийся насадок (формула Борда, там же, стр.136);
- недостаточная длина промежуточного цилиндрического канала;
- диффузорное завершение устройства, которое при угле раскрытия 30° не способствует образованию зон, порождающих навигационные пузырьки (там же, стр.139, рис. - 4-30б).
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, в котором жидкость или суспензия, проходя через устройства, последовательно подвергалась воздействию водоворотных зон в круглоцилиндрических отверстиях, подобно насадкам Вентури или Борда, в кольцевых резонирующих полостях и на выходе из устройства - внезапно расширяющийся насадок, и тем самым интенсивно насыщалась кавитационными пузырьками.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения:
- резкое увеличение в непрерывном потоке плотности кавитации, увеличение образования кавитационных пузырьков и обеспечение условий для их «схлопывания», чтобы завершить полный термодинамический цикл жизни кавитационных пузырьков. Простота устройства и ремонта изношенных рабочих органов.
Тем самым решаются две важные задачи, а именно:
- при помощи устройства жидкость, эмульсия, суспензия и.т.д., проходя последовательно через круглоцилиндрические насадки Вентури (1, 3, 5) и кольцевые резонирующие полости (2, 4), а также внезапно расширяющуюся зону 7, интенсивно насыщаются кавитационными пузырьками;
- в связи с тем, что в заявляемом устройстве нет зон с повышенным давлением, значит все коллапсы, сопровождающие «схлопывание» кавитационных пузырьков, будут происходить за зоной внезапного расширения и тем самым оберегать его от кавитационного разрушения. Для замедления абразивного износа проточная часть устройства выполняется сборной из колец разного размера, изготовленных из высокопрочных чугунов (ИЧХ-28Н, ИЧХ-30 и. т.д.), что упрощает ремонт устройства.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в заявляемом гидравлическом устройстве, содержащем корпус и размещенные в нем: входной элемент, изготовленный в виде круглоцилиндрического насадка Вентури, следом за ним размещена кольцевая резонирующая полость (или несколько кольцевых резонирующих полостей), выполненная с внутренней цилиндрической поверхностью и расположенная соосно входному элементу, последовательно по ходу жидкости, за резонирующей полостью расположен промежуточный цилиндрический патрубок в виде круглоцилиндрического насадка Вентури (или несколько патрубков) и завершается устройство внезапно расширяющимся насадком Борда.
Выбор конструктивных решений всех элементов гидравлического кавитационного устройства не случаен:
- струя жидкости, направляясь в отверстие входного элемента и обходя кромку, благодаря силам инерции частиц жидкости, поступающей в насадок, сжимается до определенного круглого сечения в центре насадка. Затем по мере продвижения по насадку струя расширяется и заполняет весь насадок.
При этом между сжатым сечением транзитной струи жидкости и поверхностью насадка образуется кольцевая водоворотная зона. Такое водоворотное движение жидкости в этих зонах носит выраженный неустановившийся характер.
Поверхность раздела бывает выражена нечетко; она носит неустановившийся и неустойчивый характер; периодически эта поверхность получает местные искривления, которые прогрессируют и переходят в отдельные водовороты; эти водовороты попадают в транзитную струю и уносятся ею; поверхность раздела снова восстанавливается с тем, чтобы в последующие моменты опять распасться и свернуться в новые водовороты и.т.д. Постоянное возникновение в районе поверхности раздела новых водоворотов, попадающих в транзитную струю, способствует повышению пульсации скоростей и давлений в ней.
Сама водоворотная зона, равно как и транзитная струя, в пределах этой области, характеризуется наличием вакуума. Максимальный вакуум получается в сечении, где струя имеет наибольшее сжатие и где скорости в транзитной струе оказываются наибольшими. Эта область патрубка является первой зоной образования кавитационных пузырьков.
Переходя из входного элемента в кольцевую резонирующую полость, жидкость подвергается еще более мощному вакуумно-пульсационно колебательному воздействию.
Мощность воздействия обусловлена тем, что из-за резкого расширения между транзитной струей и внутренней цилиндрической поверхностью резонирующей полости образуется более объемная кольцевая водоворотная зона. Более мощные водовороты, постоянно отделяясь от кольцевой зоны, переходят в транзитную струю и разрушают поверхность раздела.
Кольцевая резонирующая полость является вторым, более мощным источником накопления в транзитной струе кавитационных пузырьков.
Последовательно проходя через круглоцилиндрические насадки и кольцевые резонирующие полости, жидкость достигает последнего элемента гидравлического кавитационного устройства - внезапно расширяющегося насадка Борда, в котором также образуется водоворотная зона, способствующая образованию кавитационных пузырьков и насыщению ими транзитной струя жидкости.
С прохождением транзитной жидкости бокового среза - внезапно расширяющегося насадка Борда - завершается первый этап в жизни кавитационных пузырьков, их образование и накопление в жидкости.
Для того чтобы заставить кавитационные пузырьки «захлопнуться» и извлечь из этого пользу, необходимо на пути транзитной струи разместить достаточно объемную область из обрабатываемой жидкости или суспензии, находящуюся под повышенным давлением.
Согласно Релею (Л.Бергман «Ультразвук и его применение в науке и технике» - 1957 г., стр.505) на расстоянии r=1,587R от центра пузырька в жидкости при Ро=1 атм возникает давление Р=1260 атм, а при том же давлении при соотношении Ro/R=20, получаем Р=10300 атм,
где R - радиус кавитационного пузырька;
Ro - начальный радиус кавитационного пузырька
Потому все гидравлические ударные волны и температурные всплески, являющиеся следствием исчезновения, «схлопывания» кавитационных пузырьков должны происходить не на поверхностях аппаратов, а в слое обрабатываемой жидкости или суспензии.
Условия, при которых цилиндрический патрубок (короткая) труба работает как насадок Вентури
Не всякий патрубок, присоединенный к отверстию, работает как насадок Вентури. Для того чтобы транзитная струя успевала расшириться и коснуться внутренних стенок патрубка с образованием устойчивой водоворотной зоны, то длина патрубка должна находиться в пределах (3,5-4,0)do≤ln≤(6-7)do, где d - диаметр насадка, l - l длина насадка (Р.Р.Чугаев «Гидравлика», 1971 г., стр.310).
Это условие распространяется на входной и промежуточные круглоцилиндрические патрубки.
Условия, при которых работают кольцевые резонирующие полости.
dк=3d,
lк=3d,
где dк - диаметр резонирующей камеры;
lк1,2 - длина резонирующей камеры;
do - диаметр патрубка входного или промежуточного элементов.
Длина камеры внезапного расширения
lв.р.=5do.
Практические опыты показали, что изготовленное с учетом гидравлических законов гидравлическое кавитационное устройство, а также подбор длин резонирующих камер и камеры внезапного расширения позволило решить поставленную техническую задачу с достижением указанного технического результата.
На Фиг.1 изображено продольное сечение заявленного устройства, включающее:
- 1 - входной элемент (круглоцилиндрический насадок Вентури);
- 3, 5 - промежуточные цилиндрические патрубки;
- 2, 4 - кольцевая резонирующая полость;
- 6 - внезапно-расширяющийся насадок Борда;
- 7 - корпус гидравлического кавитационного устройства;
- а - кромка входного элемента;
- А, Б, Д - кольцевые водоворотные зоны, возникающие в круглоцилиндрических насадках Вентури;
- В, Г - кольцевые водоворотные зоны, возникающие в кольцевых резонирующих полостях;
- Е - кольцевые водоворотные зоны, возникающие во внезапно-расширяющемся круглоцилиндрическом насадке Борда;
На Фиг.2 изображено то же, что и на Фиг.1, только с одной резонирующей полостью.
Работает гидравлическое кавитационное устройство (фиг.1, 2) следующим образом:
- жидкость или суспензия под давлением подается в отверстие входного элемента 1, выполненного из прочной стали или чугуна в форме круглоцилиндрического насадка Вентури. Благодаря силам инерции частиц жидкости или суспензии, поступающей в насадок, жидкость или суспензия сжимается до определенного круглого сечения в центре насадка, а затем постепенно расширяется и заполняет насадок. При этом между сжатым сечением транзитной струи и внутренней поверхностью насадка образуется кольцевая водоворотная зона А. Сама водоворотная зона, ровно как и транзитная струя, в пределах этой области характеризуется наличием вакуума. Эта зона патрубка является первой зоной образования кавитационных пузырьков.
Переходя из входного элемента в кольцевую резонирующую полость 2 жидкость или суспензия подвергается еще более мощному вакуумно-пульсационному колебательному воздействию за счет образования более объемной кольцевой водоворотной зоны Б.
После первой кольцевой резонирующей полости жидкость или суспензия проходит промежуточный патрубок 3 с водоворотной зоной В, вторую резонирующую полость 4 с водоворотной зоной Г.
Затем жидкость или суспензия вновь проходит через промежуточный патрубок 5 с водоворотной зоной Д, а затем попадает во внезапно расширяющийся насадок Борда 6 с кольцевой водоворотной зоной Е.
После прохождения всех деталей и зон гидравлического кавитационного устройства транзитная струя жидкости или суспензии насыщается последовательно в 6 зонах кавитационными пузырьками, покидает устройство, направляясь в толщу обрабатываемой жидкости или суспензии, находящейся под избыточным давлением, для завершения второй фазы жизни кавитационных пузырьков - их интенсивного «схлопывания».
Пример №1
Материал-спекулярит, размер частиц - 5÷10 мм.
Цель испытаний - измельчение, определение гранулометрического состава спекулярита после кавитационного диспергирования, определение возможности использования измельченной массы в качестве наполнителя атмосферостойкой краски.
Номер образца
1
2
Время диспергирования, мин
10
20
Номер образца
1 (10 мин.)
2 (20 мин.)
Фракция <5 мкм, %
35,7
44,0
Фракция <10 мкм, %
40,6
47,0
Фракция <20 мкм, %
63,4
78,7
Фракция <30 мкм, %
85,5
91,8
Фракция <40 мкм, %
100
100
Средний размер частицы, мкм
14,1
10,9
Результаты испытаний показывают, что при увеличении времени кавитационного диспергирования с 10 до 20 мин происходит частичное измельчение частиц (≈7%) в основном с уменьшением толщины чешуек, что подтверждает изменение медиального размера частиц с 14 до 11 мкм.
Форма чешуек округлая, хлопьевидная, при диспергировании практически не изменяется.
Годна для применения в качестве наполнителя атмосферостойких красителей.
Пример №2
Материал - уголь - 60%, вода - 40%, размер частиц угля - (0÷10 мм).
Цель испытаний - приготовление водоугольной суспензии. Время обработки - 8 минут.
Размер частиц угля:
<73 мкм - 84,4%,
<100 мкм - 92,0%,
<150 мкм - 98,7%,
<200 мкм - 100,0%.
Полученная водоугольная суспензия устойчива, не расслаивается более 2-х лет.
Пример №3
Материал - зерно пшеницы - 50%, вода - 50%.
Цель испытаний - осуществление «мокрого помола» зерна с приготовлением жидких, обеззараженных кормов для свиней.
Время обработки - 12 минут.
Получена однородная светло-коричневая суспензия с приятным хлебным запахом, которая в процессе остывания клейстеризовалась, не закисала в течение 3-х суток в условиях свинофермы.
Наиболее успешно заявляемое гидравлическое кавитационное устройство может быть применено для обеззараживания жидкостей и жидких пищевых продуктов, приготовления жидких обеззараженных кормовых смесей, измельчения горных пород, приготовления водоугольного топлива и т.д.
Устройство просто в изготовлении и может быть осуществлено любым машиностроительным предприятием. Изготовление деталей с одинаковым размером позволит легко заменять детали, подвергшиеся в процессе эксплуатации абразивному износу.
Список используемой литературы
1. Патент России №2208472 7B01F 7/28.
2. Патент России №2305819 F24J 3/00.
3. Патент России №2306971 B01F 5/00.
4. Патент России №2305589 B01F 5/00.
5. Патент России №2190483 В05В 7/32.
6. Патент России №2183511 В06В 1/20.
7. Патент России №2236915 В08В 3/02, B01F 5/00.
8. Т.М.Башта «Машиностроительная Гидравлика», М., Машиностроение, 1971 г., стр.44…49, 118, 349, 375, 379…381, 509…512.
9. Л.И.Богомолов, К.А. Михайлов «Гидравлика» М., Стройиздат, 1972 г., стр.87…92, 142…150, 398…405.
10. P.P.Чугаев, «Гидравлика», М., Энергия, Ленинградское отделение, 1971 г., стр.14…17, 28…33, 64…74, 85…88, 135…140, 163…167, 277…286, 307…314.
11. И.Пирсол «Кавитация» пер. с английского к.т.п. Ю.Ф.Журавлева М., Мир, 1975 г., стр.9…20, 22…25, 36…50, 69…89.
12. М.А.Лаврентьев, Б.В.Шабат «Проблемы гидродинамики и их математические модели» М. Наука, 1973 г., стр.350, 352…357.
13. В.В.Майер «Кумулятивный эффект в простых опытах» М. 1989 г., стр.44, 47, 92…97, 175…177.