КАВИТАТОР

Полезная модель относится к устройствам для обработки жидких технологических сред под действием механических эффектов, которые сопровождают кавитацию. Наиболее широкое применение она будет иметь в энергетике, пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической, целлюлозно-бумажной и парфюмерной промышленности.
Кавитационные устройства снижают вязкость углеводного топлива, используются для образования водно-топливных эмульсий и смесей, перемешивания, диспергирования, эмульгирования и гомогенизации жидких сред, очистки поверхностей и деталей и для множества других процессов. Все эти процессы обязаны своим происхождением ударам, которые появляются при схлопывании пузырьков и микропотоков вблизи их, и их эффективность в первую очередь зависит от нюансов конструктивного строения основного рабочего органа кавитационного устройства - кавитатора.
Одним из разновидностей кавитаторов является лопастный завихритель, который придает жидкостному потоку разнонаправленное крутящее вихревое движение. Кавитация возникает на лопастях, которые обтекает жидкость, и зависит от условий подведения и отведения потока, профиля лопастей, особенностей их конструкций и пространственной ориентации в рабочем объеме кавитационного устройства.
8
В патенте Украины №44179 (МПК: B01F 5/00, B01F 7/04, В21В 1/36, опубл. 15.01.2002 г., Бюл. №1) описан проточно-кавитационный смеситель, кавитатор которого выполнен в виде лопасти крыльчатки с направленной в сторону конфузора острой передней кромкой. Кавитатор размещен на движущейся оси. Для усиления кавитационного эффекта внутренняя поверхность проточной камеры кавитатора оснащена винтоподобной лопастью аналогичного профиля. При прохождении жидкостного потока через лопасть крыльчатки за кавитатором образуется присоединенная кавитационная каверна, которая дополняется каверной, генерируемой винтоподобной лопастью. Это позволяет усиливать ударно-волновую активность кавитационного поля, являющуюся безусловным достоинством устройства. Но вместе с тем этот смеситель имеет недостаточно высокую эффективность, а, значит, и ограниченную сферу применения. А возможность осевого передвижения кавитатора, с одной стороны, позволяет регулировать скорость потока в зоне его размещения, но, с другой стороны, усложняет его конструктивно, увеличивает габариты, материалоемкость и стоимость.
6
Кавитатор в виде ротора с радиальными лопастями описан также в патенте Украины №45639 (МПК: B01F 7/16, опубл. 15.04.2002 г., Бюл. №4). Лопасти имеют переднюю острую кромку и клиноподобную или кривую форму, их поперечный профиль ассиметричен и имеет переднюю грань наклоненную таким образом, чтобы при движении лопаток обеспечивался насосный эффект в направлении выходной камеры. Это устройство, как и предыдущее, имеет аналогичные недостатки, основным из которых есть сложное конструктивное устройство, ведь для сообщения ротору крутящего движения устройство должно оснащаться соответствующими конструктивными узлами, обеспечивающими вращение. Кроме того, очевидно, что кавитатор, который в процессе роботы постоянно вращается, имеет ограниченный срок эксплуатации и требует частого ремонту.
6
Известен кавитационный аппарат (реактор), в корпусе которого на приводном валу установлен кавитатор, выполненный в виде крыльчатки с клиновидной формой сечения лопастей и острым передним краем (А.с. №467159, МПК: D21B 1/36, опубл. 15.04.1975 г., Бюл. №14). Работа этого аппарата также связана с применением приводных устройств. Кроме этого, аппарат имеет ограниченную сферу применения, которая в основном охватывает размол волокнистых материалов, и не обеспечивает высокодисперсной обработки выходного сырья.
4
В качестве прототипа полезной модели принят кавитационный аппарат, содержащий последовательно соединенные конфузор потока выходного материала, цилиндрический корпус, диффузор отведения обработанного материала, при этом, вдоль горизонтальной оси корпуса установлен кавитатор в виде крыльчатки с клиновидной формой лопастей со сквозными отверстиями и с направленными в сторону конфузора острыми передними краями (А.с. №1353858, МПК: D21B 1/36, опубл. 23.11.1987 г., Бюл. №43).
При прохождении жидкостного потока за лопастями крыльчатки образуются кавитационные каверны по всему сечению проточной камеры, которые зарождаются на кромках каждой лопасти. Острые кромки сквозных отверстий являются дополнительными турбулизаторами потока. Струи, которые вытекают из отверстий, взаимодействуют с основным потоком, разбивая и тем самым еще больше измельчая его. В этом аппарате отсутствует принудительное вращение кавитатора, благодаря чему он имеет упрощенное конструктивное исполнение по сравнению с представленными выше устройствами.
Очевидно, что для любой области, где применяются кавитационные технологии, оптимальными являются условия, обеспечивающие сочетание высокого качества конечной продукции с использованием недорогого оборудования. В этом смысле кавитационный аппарат, принятый в качестве прототипа, можно отнести к категории недорогого оборудования, но эффективность смешивания аппарата является недостаточно высокой, а диапазон режимов кавитационного смешивания ограничен, что сужает его технологичные возможности.
В основу полезной модели поставлена задача увеличения эффективности работы и расширения технологических возможностей кавитационного аппарата путем усовершенствования формы лопастей кавитатора, в частности, выполнения на плоскости гребня лопастей равноудаленных жолобоподобных канавок, в результате чего инициированные канавками кавитационные потоки начинают выполнять функцию дополнительных турбулизаторов, их кавитационные струи, взаимодействуя с основным потоком, разбивают его и способствуют возникновению пульсаций (нестационарности) каверны с микророизмельчением и гомогенизацией потока.
Поставленная задача достигается за счет того, что в кавитационном аппарате, содержащем последовательно соединенные конфузор потока выходного материала, цилиндрический корпус и диффузор отведения обработанного материала, вдоль горизонтальной оси корпуса установлен кавитатор в виде крыльчатки с клиновидной формой лопастей со сквозными отверстиями и с направленными в сторону конфузора острыми передними кромками, а на площади гребня лопастей выполнены канавки в форме желобов, середина донной части которых находится на уровне середины расстояния между сквозными отверстиями.
Предложенная конструкция отличается от описанной в прототипе наличием желобоподобных канавок на гребнях лопастей. Эта отличительная особенность обуславливает отмеченный выше технический результат, который достигается в процессе эксплуатации кавитационного аппарата.
Канавки, размещенные на плоскости гребня каждой лопасти на одинаковом расстоянии одна от другой, являются локальными турбулизаторами потока, образующими в полости корпуса кавитационного аппарата пульсирующие ударные волны («микровзрывы») и кумулятивные микроструи, которые влекут интенсивное перемешивающее и эрозионное действие на обрабатываемую среду.
При натекании жидкостного потока на острые кромки лопастей кавитатора в корпусе кавитационного прибора за кавитатором образуется поток микропузырьков - кавитационные каверны. Их эрозионная активность дополнительно увеличивается потоком пузырьков, который генерируются на острых кромках сквозных отверстий кавитатора. Генерирование этих микропузырьков резко увеличивается в момент прохождения жидкостного потока через гребни лопастей, когда он попадает на желобоподобные канавки. Так, наткнувшись на первую канавку, поток подвергается внезапному расширению, и, двигаясь дальше, натекает на отрезок горизонтальной площади гребня (расстояние между канавками), где резко сужается, после чего он попадает в полость следующей канавки, в которой снова расширяется. Таким «прыжкам» поток подвергается в процессе обтекания гребня лопасти. Такая своеобразная динамика потока вызывает образование пульсирующих каверн на выходе кавитатора, возникновение ударных волн и колебаний высокой частоты с микроизмельчением и гомогенизацией жидкости, являющейся намного выше, чем та, которая достигается при работе кавитатора, лопасти которого имеют только сквозные отверстия. Это позволяет значительно расширять сферу применения кавитационного аппарата и внедрять его в те области, которые нуждаются в наиболее тщательной и особенно мелкодисперсной обработке жидкостной среды. Эрозионная активность кавитационного поля в предложенном кавитационном аппарате является достаточной для эффективной обработки тяжелорастворимых жидкостей, для получения эмульсий, суспензий т.д.
Предложенный кавитационный аппарат объясняют чертежи, где представлено:
- на фиг.1 - схематическое изображение кавитационного аппарата;
- на фиг.2 - кавитирующая крыльчатка.
В состав кавитационного аппарата входят последовательно соединенные конфузор 1 потока выходного материала, цилиндрический корпус 2 и диффузор 3 выведения обрабатываемого материала (фиг.1). Вдоль горизонтальной оси корпуса установлен стержень 4 с кавитатором 5 в виде крыльчатки с клиновидной формой лопастей со сквозными отверстиями 6. На площади гребня лопастей выполнены канавки 7 в форме желобов (фиг.1, 2), середина донной части которых (точка А) находится на уровне середины расстояния b между сквозными отверстиями. Или, другими словами, середина донной части желобоподобных канавок (точка А) находится на воображаемой вертикальной плоскости, которая проходит через середину расстояния b между сквозными отверстиями. Лопасти крыльчатки имеют острые передние края 8, направленные в сторону конфузора (фиг.2).
Кавитационный аппарат работает следующим образом.
Поток жидкости, поступающий к конфузору 1, набегает на кромки 8 лопастей кавитатора 5, повернутые навстречу потоку, и на кромки отверстий 6. В суженном канале между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 2 кавитационного аппарата и кавитатором 5 скорость потока резко увеличивается, при этом происходит резкое снижение давления с генерированием кавитационных микропузырьков - за кавитатором образуются кавитационные каверны по всему сечению корпуса 2 (проточной камеры). В моменты прохождения потока через желобоподобные канавки 7 генерирование микропузырьков еще больше увеличивается. При столкновении с первой канавкой поток резко расширяется, а на отрезке между канавками резко сужается, после чего попадает в следующую канавку, в которой снова расширяется - происходит так называемый «срыв» потока. Кавитационные струи, которые вытекают из отверстий 6, дополнены струями, вытекающими из канавок 7, разбивают общую каверну, образованную передним краем 8, предоставляя ей пульсирующий характер и повышенную эрозионную активность. Каверна, образованная на выходе кавитатора, характеризуется высокой степенью турбулизации, что способствует эффективному измельчению и гомогенизации потока.
Таким образом, особенности формообразования клиновидных лопастей крыльчатки, выраженные в сочетании сквозных отверстий с желобоподобными канавками, позволили создать кавитационный аппарат, имеющий высокие эксплуатационные характеристики без принудительного вращения кавитатора.