УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к технике создания кавитационных процессов и предназначена для использования в различных отраслях промышленности для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидравлических процессов, нагрева и обеззараживания жидкостей. В частности, полезная модель может быть использована для отопления и горячего водоснабжения, для подогрева технологических жидкостей, а также для обеззараживания воды.
Известно устройство для создания кавитационных процессов (патент РФ на полезную модель №90176, F24J3/00, 2009г.) - ближайший аналог, содержащее неподвижный цилиндрический корпус, жестко связанную с ним крышку, отверстие входного канала, выполненное в крышке, отверстие выходного канала, выполненное в корпусе, цилиндрическую полость корпуса и крышки, внутри которой с зазором установлен с возможностью вращения закрепленный на валу дисковый ротор, при этом на торцах ротора и рабочих поверхностях корпуса и крышки, выполнены глухие рабочие отверстия, расположенные по периферии с равным интервалом между соседними отверстиями по окружности, причем глухие рабочие отверстия корпуса и крышки выполнены цилиндрической формы. Устройство позволяет создать кавитационный процесс.
Недостатком устройства является то, что рабочие отверстия ротора выполнены противолежащими идентичным рабочим отверстиям крышки и корпуса, в результате чего, зона кавитации (площадь перекрытия) определяется диаметром рабочих отверстий, вследствие чего процесс кавитации имеет небольшую длительность, обуславливающую невысокую эффективность тепловыработки, при этом в момент полного перекрытия рабочих отверстий ротора процесс кавитации не происходит, а значит, тепловая энергия не вырабатывается. Кроме того, отсутствует возможность нагнетания жидкости в зону кавитации.
Технический результат заключается в повышении эффективности тепловыработки за счет повышения давления в зоне кавитации, увеличения времени протекания кавитационных процессов, исключения моментов полного перекрытия рабочих отверстий ротора.
Технический результат достигается тем, что устройство для создания кавитационных процессов, содержащее неподвижный цилиндрический корпус, жестко связанную с ним крышку, отверстие входного канала, выполненное в крышке, отверстие выходного канала, выполненное в корпусе, цилиндрическую полость корпуса и крышки, внутри которой с зазором установлен с возможностью вращения закрепленный на валу дисковый ротор, при этом на торцах ротора и рабочих поверхностях корпуса и крышки, выполнены глухие рабочие отверстия, расположенные по периферии с равным интервалом между соседними отверстиями по окружности, глухие рабочие отверстия корпуса и крышки выполнены цилиндрической формы,  новым является то, что рабочие отверстия ротора выполнены продолговатой формы, рабочие отверстия крышки и корпуса выполнены смещенными в направлении к оси вращения вала относительно рабочих отверстий ротора с возможностью частичного перекрытия последних при вращении ротора, при этом с, по крайней мере, одного торца ротора, выполнен, по крайней мере, один глухой паз, ориентированный в направлении от центра ротора к его периферии.
Предпочтительно, чтобы упомянутый глухой паз имел дугообразную форму.
Предпочтительно, упомянутый глухой паз выполнить с торца ротора, обращенного к рабочей поверхности крышки.
Предпочтительно рабочие отверстия ротора расположить от оси вращения вала на расстоянии не менее величины, определяемой отношением линейной скорости в точке с эффективным образованием кавитации к удвоенной угловой скорости вращения ротора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема устройства для создания кавитационных процессов в предпочтительном варианте, на фиг.2 - схема расположения рабочих отверстий и глухих пазов на торце диске, на фиг. 3- вид А на фиг. 1 в увеличенном виде.
Устройство для создания кавитацинных процессов (далее, устройство) (на фиг. 1) в предпочтительном варианте включает неподвижный цилиндрический корпус, жестко связанную с ним крышку, отверстие 1 входного канала, отверстие 2 выходного канала и цилиндрическую полость 3. Внутри цилиндрической полости 3 корпуса и крышки с зазором установлен с возможностью вращения закрепленный на валу 4 электродвигателя (ЭД) 5 дисковый ротор 6 (далее, ротор) со ступицей 7, предназначенной для установки ротора 6 на вал 4. Ротор 6 и ступица 7 могут быть выполнены как единой деталью, так в виде отдельных деталей (как в данном варианте исполнения), жестко соединенных между собой, в частности, посредством сварки. На торцах ротора 6 и поверхностях корпуса и крышки, обращенных к ротору 6 (рабочих поверхностях) выполнены рабочие отверстия, участвующие в процессе кавитации, расположенные по периферии с равным интервалом между соседними отверстиями по окружности. При этом (фиг.2 ) рабочие отверстия 8 ротора 6 выполнены глухими продолговатой формы, ориентированными по существу вдоль направления линейной скорости в зоне кавитации (по окружности), а рабочие отверстия 9 крышки и корпуса (фиг.3) выполнены глухими цилиндрической формы, смещенными в направлении к оси вращения вала 4 относительно рабочих отверстий 8 ротора 6 (как показано на фиг.3 ) с возможностью их частичного перекрытия при вращении ротора 6 (т.е. оси рабочих отверстий 9 крышки и корпуса смещены относительно осей рабочих отверстий 8 ротора 6). Кроме того, в роторе 6 выполнено, по крайней мере, одно, расположенное вблизи оси вращения вала 4 сквозное отверстие 10, переходящее в глухой паз 11 с, по крайней мере, одного торца ротора 6 (в предпочтительном варианте (на фиг. 1) с торца ротора 6, обращенного к рабочей поверхности крышки). В данном варианте исполнения корпус включает соединенные между собой, например, посредством болтовых соединений, фланцевый диск 12, стакан 13 с торцевым уплотнением 14, расположенным в его полости (при этом стакан 13 служит корпусом торцевого уплотнения 14) и деталь в виде диска 15. Крышка включает деталь в виде кольца 16, деталь в виде диска 17. При этом диск 15 корпуса, кольцо 16 крышки и диск 17 крышки соединены между собой (образуют генератор), например, болтовым соединением через уплотнительные элементы (не показаны), обеспечивающие герметизацию цилиндрической полости 3, которую они совместно образуют. Поверхности диска 15 корпуса и диска 17 крышки, обращенные к ротору 6, являются рабочими поверхностями корпуса и крышки (выполнены с рабочими отверстиями 9). Стакан 13 корпуса вмещает в себя ступицу 7 ротора 6, на которую установлено торцевое уплотнение 14, обеспечивая герметизацию полости стакана 13, препятствуя протеканию жидкости. В качестве торцевого уплотнения 14, может быть использовано любое широкоизвестное торцевое уплотнение, в частности, торцевое уплотнение (производитель John Crane, тип Т2100), включающее упругий сильфон, пружину, кольцо, из нержавеющей стали выполняющее функцию герметичного привода, контркольцо пары трения. Сквозное отверстие 10 через цилиндрическую полость 3 сообщается с полостью стакана 13, обеспечивает подвод жидкости для охлаждения торцевого уплотнения 14. Отверстие 1 входного канала выполнено по центру крышки в диске 17 крышки соосно с валом 4 и снабжено патрубком 18 для подключения к источнику жидкости, в частности, к насосу (не показан). Отверстие 2 выходного канала выполнено в диске 15 корпуса, расположено ниже зоны кавитации параллельно оси вала 4 и, снабжено патрубком 19 для подключения к различным устройствам потребителя (в частности, к системе отопления).
В данной реализации ротор 6 выполнен дисковым. На торцах ротора 6 по периферии с равным интервалом между соседними отверстиями по окружности расположены рабочие отверстия 8, представляющие собой глухие отверстия продолговатой формы. Рабочие отверстия 8 ротора 6 расположены на торце, ориентированными, по существу, вдоль направления линейной скорости в зоне кавитации (по окружности). При этом рабочие отверстия 9 крышки и корпуса (фиг.3) выполнены глухими цилиндрической формы, смещенными в направлении к оси вращения вала относительно рабочих отверстий 8 ротора 6 с возможностью их частичного перекрытия при вращении ротора 6. Длина рабочих отверстий 8 ротора 6, в предпочтительном варианте, выбирается равной не более трех диаметров рабочих отверстий 9 крышки и корпуса, ширина - равной диаметру рабочих отверстий 9, глубина - по существу равной половине диаметра рабочих отверстий 9 (при большей или меньшей глубине наблюдается либо недостаточная тепловыработка либо рассеивание тепла). Количество рабочих отверстий 8 зависит диаметра ротора 6, который выбирается в зависимости от мощности используемого электродвигателя 5. Например, при мощности ЭД 5 в 5 кВт, количество рабочих отверстий 8 составит от 24 до 36, диаметром от 8 до 10 мм. Оптимально рабочие отверстия 8 ротора 6 расположить от оси вращения вала 4 на расстоянии не менее величины, определяемой отношением линейной скорости в точке с эффективным образованием кавитации к удвоенной угловой скорости вращения ротора 6. При этом частичное перекрытие указанных рабочих отверстий 8 ротора 6 рабочими отверстиями 9 будет достигаться расположением последних от оси вращения вала 4 на расстоянии не менее величины, определяемой отношением линейной скорости в точке с эффективным образованием кавитации к удвоенной угловой скорости вращения ротора 6 за вычетом половины диаметра рабочих отверстий 9. Таким образом определяется величина смещения. Продолговатая вытянутая форма глухих рабочих отверстий 8, увеличивает зону кавитации (площадь), в результате чего увеличивается длительность кавитационного процесса, что способствует большей выработке тепловой энергии. Расстояние между продолговатыми отверстиями может выбираться соизмеримым с диаметром встречных глухих цилиндрических рабочих отверстий 9 на крышке и корпусе.
Сквозные отверстия 10 предназначены для подвода жидкости для охлаждения торцевого уплотнения 14, выполнены в роторе 6 вблизи отверстия вала 4. Минимальное расстояние, на котором может быть выполнено сквозное отверстие 10 от центрального отверстия ротора 6 определяется прочностными характеристиками материала ротора 6 и, выбирается таким образом, чтобы при динамических нагрузках на ротор 6 не нарушалась целостность перемычки между сквозным отверстием 10 и центральным отверстием ротора 6. В предпочтительном варианте минимальное расстояние равно диаметру сквозного отверстия 10. Диаметр сквозного отверстия 10 выбирается в зависимости от диаметра ротора 6, например, при диаметре ротора 6 составляющем 270 мм, диаметр сквозного отверстия 10 - 8мм. Количество сквозных отверстий 10 определяется мощностью ЭД 5.
Увеличение зоны кавитационного процесса (выполнение рабочих отверстий 8 продолговатой формы) требует, соответствующего, повышения давления в указанной зоне. Повышение давления обеспечивается выполнением глухого паза 11, отходящего от сквозного отверстия 10, способного нагнетать жидкость в зону кавитации (к периферии ротора 6 в область рабочих отверстий 8). Конфигурация и геометрия, количество глухих пазов 11 продиктованы принципами построения геометрии лопастей насосов. Исходя из угловой скорости вращения ротора 6 и радиуса расположения рабочих зон (рабочие отверстия 8), предпочтительно указанный глухой паз 11 выполнить дугообразной формы, что обеспечит непрерывный поток жидкости, направленный в рабочую зону. Ширина глухого паза 11 равна диаметру сквозного отверстия 10. Глубина глухого паза 11 выбирается не более половины диаметра сквозного отверстия 10.  Длина глухого паза 11 выбирается исходя из того, что расстояние от глухого паза 11 до рабочего отверстия 8 ротора 6 составит не менее половины диаметра рабочего отверстия 9 крышки и корпуса. Для улучшения балансировки, предпочтительно, наличие пары глухих пазов 11, расположенных встречно друг другу.
Наличие дугообразных глухих пазов 11 в центральной части переднего торца ротора 6 наряду с центробежной силой задает дополнительное направление движению жидкости в периферийную область генератора. Ускорение этому движению может придать расположение глухих пазов 11 под определенным углом в сторону вращения ротора 6. При этом оптимальным будет угол в пределах от 30 до 60 градусов. При углах больше или меньше указанного диапазона нагнетание будет менее эффективным. Увеличение скорости притока жидкости в рабочую зону влечет повышение гидравлического давления в этой области и, как следствие, усиление интенсивности кавитационных процессов и выработки тепловой энергии.
Элементы устройства изготавливают известными широкоизвестными способами, например, методом токарной обработки, паз 11 - методом фрезеровки,  с использованием известных материалов, в частности, стали, например, марки 40Х. В качестве жидкости может быть использована вода, смесь, раствор, бензин, нефть и пр.
Устройство работает следующим образом.
Через отверстие входного канала 1 с давлением 0-0,6 МПа со стороны крышки  к центру ротора 6 в цилиндрическую полость 3 подается жидкость, которая через сквозное отверстие 10 поступает в полость стакана 13. После заполнения устройства жидкостью включается электродвигатель 5. Вращение от вала 4 электродвигателя 5 передается на ротор 6. Жидкость под действием центробежных сил движется между рабочими поверхностями крышки и корпуса, торцами ротора 6 и кольцом 16 крышки. Достигнув цилиндрической поверхности крышки (кольца 16), поток жидкости меняет вектор (направление движения меняется на 90°), при достижении рабочей поверхности корпуса  поток жидкости меняет направление движения жидкости (на 90°). Жидкость подвергается более высокому давлению со стороны крышки, в результате чего перемещается к центру ротора 6, подвергаясь кавитационному нагреву в зоне глухих продолговатых отверстий 8. Процесс кавитации возникает при частичном перекрытии рабочих отверстий 8 ротора 6 рабочими отверстиями 9 крышки и корпуса при вращении ротора 6 (крышка и корпус -неподвижны). За счет того, что рабочие отверстия 8 ротора 6 выполнены продолговатой формы, путь прохождения рабочих отверстий 9 крышки и корпуса, при котором происходит частичное перекрытие рабочих отверстий 8 ротора 6, увеличивается. Таким образом увеличивается длительность (время) процесса кавитации, что приводит к повышению нагреву жидкости. При этом глухой паз 11 обеспечивает нагнетание жидкости в зону кавитации. При этом повышается точность и скорость направления потока жидкости к периферии ротора 6, вследствие чего возрастает давление в зоне образования кавитации, увеличивается эффект получения тепловой энергии. Далее нагретая жидкость стремится в отверстие 2 выходного канала.
Для определения эффекта от работы устройства, были проведены измерения  следующих параметров: температуры на входе устройства, температуры на выходе устройства, их разницы, объема пропущенной воды известными средствами (с использованием секундомера, термодатчика фирмы Zenner, тепловизора)  в течение часа с интервалом через каждые 15 минут. Результаты измерения приведены в Таблице 1:
Таблица 1
Время измерения, t
Температура на входе, Т1
Температура навыходе,Т2
Разница температур ΔТ
Объем жидкости, пропущенный через генератор, m, л.
Тепловая энергия Qр, кВт
Коэффициент преобразования энергии КПЭ, %
0
29,2
15
33,06
49,9
16,84
1515
29,67
98,90
30
45,25
61,96
16,71
1471
28,59
95,29
45
55,41
72,41
17
1441
28,49
94,97
60
69,5
88,3
18,8
1436
31,40
104,66
Аналогичные измерения, при равных условиях и теми же средствами измерения были проведены для ближайшего аналога. Результаты измерений приведены в таблице 2:
Таблица 2
Время измерения, t
Температура на входе, Т1
Температура навыходе,Т2
Разница температур ΔТ
Объем жидкости, пропущенный через генератор, m, л.
Тепловая энергия Qр, кВт
Коэффициент преобразования энергии КПЭ, %
0
29,64
15
32,76
49,21
16,45
1505
29
96,67
30
44,48
61,54
17,06
1471
27,2
90,67
45
55,43
72,21
16,78
1441
27,4
91,33
60
69,5
85,4
15,9
1436
26,55
88,50
Сравнение результатов измерений показывает, что при равных условиях тепловыработка при использовании заявляемой полезной модели выше, чем при использовании ближайшего аналога. Это обусловлено одновременным выполнением в устройстве  рабочих отверстий 8 ротора 6 продолговатой формы, рабочих отверстий 9 крышки и корпуса- смещенными в направлении к оси вращения вала 4 относительно рабочих отверстий 8 ротора 6 с возможностью частичного перекрытия последних при вращении ротора 6, а также выполнением, по крайней мере, одного глухого паза 11, с, по -крайней мере, одного торца ротора 6, ориентированного в направлении от центра ротора  6 к его периферии. Таким образом, внедряемые конструктивные изменения работают комплексно, получаемый эффект повышения выработки тепловой энергии обусловлен совокупным результатом  влияния на процесс кавитации.
Таким образом, предлагаемая конструкция устройства позволяет увеличить эффективность тепловыработки и достичь эффекта полного обеззараживания жидкости. Также при использовании полезной модели возможно получение кавитационного процесса при использовании двигателей малых мощностей, менее 2,2 кВт.