УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ С ПОВЫШЕННОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТЬЮ
DEVICE FOR FLUID DISPERSION WITH HIGH KINEMATIC VISCOSITY

Изобретение относится к устройствам для диспергирования жидкостей с различным содержанием загрязняющих веществ как органического, так и минерального содержания и жидкостей, подвергнутых процессам деаэрации, и может найти применение в технологиях очистки, используемых в водоснабжении при удалении загрязнителя - железа из подземных и открытых источников; в очистных сооружениях биологической очистки при аэрации бытовых и близких к ним по составу сточных вод; в контурах промышленного оборотного водоснабжения, оснащенных башенными градирнями; во флотационных процессах для получения гранул концентрата при обогащении измельченных рудных материалов; в литейных производствах для охлаждения оборотной воды после отмывки опок с расплавом от форматирующей земляной смеси и (или) после отвода охлаждаемой жидкости от кристаллизаторов, например: для получения прокатных слябов; при очистке эмульсионных стоков в машиностроении и так далее.
Известно устройство для диспергирования жидкости (патент №2159684, МПК В05В 1/14, приоритет от 07.02.2000 г.), содержащее конфузор, сопло и закрепленный на его наружной поверхности насадок, образующий вакуумную камеру, профилированные кольца нарастающего диаметра и кавитационный стержень с торцевой площадкой на конце, расположенный по оси сопла с возможностью его перемещения в продольном направлении в зоне плоскости выходного сечения сопла против потока жидкости, при этом по краю сопла и насадка выполнены проточки, которые своими гранями в процессе работы устройства образуют вакуумные кольцевые зоны.
Недостатком этого устройства является невысокий коэффициент полезного действия (КПД) вследствие создаваемой недостаточной глубины вакуума - зоны разрежения ниже атмосферного, влияющей на степень диспергирования, поскольку глубина зоны разряжения в устройстве достигается только динамикой жидкостного потока, проходящего через него. Опытно-конструкторское моделирование этого устройства и устройств подобного типа показало их устойчивую работу на объемах до 20 т/час жидкости.
Для решения большого ряда инженерных задач эта производительность просто недостаточна.
При этом очень значимым аргументом является то, что многие технологические процессы идут при значительном загрязнении работающей в контуре, например, оборотной воды. То есть последовательность технологических процессов требует механическую очистку, например, охлаждаемой воды, так как наличие в ней органических и (или) минеральных загрязнений увеличивает кинематическую вязкость жидкости, что влияет на работу устройства, снижая его показатели, рассматриваемые при определенном энергопотреблении. Необходимо отметить, что при нагревании работающей оборотной воды из нее частично удаляется растворенный в ней газ, например: растворенный кислород. Так как работа устройства основана на физико-механическом принципе, основанном на вскипании в жидкости растворенных в ней газов при контакте с зоной разрежения, как основного фактора разрушающего жидкостную структуру изнутри. Сказанное выше является основанием, влияющим на снижение КПД описанного устройства.
Известно устройство для диспергирования жидкости (RU №2530117, В05В 1/14, 09.04.2013), содержащее фланец с расположенными на нем конфузором, переходящим в сопло, кольцевую зону разрежения, насадок, на наружной поверхности которого расположен узел крепления кавитационного стержня, выполненного в виде цельной шпильки с торцевой площадкой на конце, обращенной навстречу потоку жидкости и расположенной по оси устройства с возможностью ее регулирования в продольном направлении в зоне выхода потока из сопла. Устройство снабжено кольцевым коллектором с патрубком, при этом кольцевой коллектор размещен на наружной поверхности насадка, кольцевая зона разрежения образована наружной поверхностью конфузора и сопла, а также внутренней поверхностью цилиндрического насадка, по насадку выполнена перфорация, соединяющая кольцевую зону разрежения с пространством кольцевого коллектора. При этом разрежение создается внешним выносным устройством, соединенным посредством патрубка с кольцевым коллектором. Верхний срез насадка имеет превышение над верхним срезом сопла, что при работе устройства обеспечивает границу условного контакта жидкости и зоны разрежения, создаваемой выносным устройством, например: вакуум-насосом или струйным эжектором.
Недостатком данного устройства является то, что при диспергировании жидкости с большей загрязненностью происходит снижение производительности и качества дисперстности, при этом возрастает энергопотребление. При диспергировании жидкости, прошедшей процесс нагревания, при котором частично происходит удаление растворенных в ней газов, также происходит снижение производительности устройства и качества дисперстности.
Данное устройство выбрано авторами в качестве прототипа.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности диспергирования жидкости с увеличенной кинематической вязкостью вследствие ее загрязнения минеральными и (или) органическими веществами, жидкости, прошедшей стадию деаэрации, а также обеспечение возможности регулирования процесса диспергирования, влияющего на качественные и количественные показатели.
Поставленная техническая задача достигается тем, что устройство для дспергирования жидкости с увеличенной кинематической вязкостью, содержащее фланец, конфузор, переходящий в сопло, кольцевую зону разрежения, цилиндрический насадок, на наружной поверхности которого расположен узел крепления кавитационного стержня, выполненного в виде цельной шпильки с торцевой площадкой на конце, обращенной навстречу потоку жидкости и расположенной по оси устройства с возможностью ее перемещения в продольном направлении в зоне обреза сопла, кольцевой коллектор с патрубком, размещенном на наружной поверхности цилиндрического насадка, кольцевая зона разрежения образована наружной поверхностью конфузора и сопла, а также внутренней поверхностью цилиндрического насадка, по которому выполнена перфорация, соединяющая кольцевую зону разрежения с пространством кольцевого коллектора, при этом разрежение создается внешним выносным устройством, соединенным посредством патрубка с кольцевым коллектором, а верхний срез цилиндрического насадка имеет превышение над верхним срезом сопла, что обеспечивает условную границу контакта жидкости и зоны разрежения, причем оно дополнительно снабжено трубным элементом, динамической газогидравлической камерой, выполненной в виде цилиндрической конструкции, состоящей из диффузора и прямолинейного участка, переходящего в конфузор, при этом между внутренней поверхностью диффузора, нижней зоны прямолинейного участка и наружной частью трубного элемента образована камера избыточного газового давления, которая снабжена патрубком для подвода сжатого газа от внешнего устройства, при этом выход из камеры избыточного газового давления перекрыт перфорированным кольцом, внутренний диаметр которого не превышает внутреннего диаметра трубного элемента, а в цилиндрической части газогидравлической камеры, до входа в конфузор, установлены не менее одной горизонтальные сетки. Прутья, образующие ячейки горизонтальной сетки, выполнены с острыми кромками, а ячейки двух и более сеток размещены со смещением друг относительно друга. В зоне сопряжения конфузора, нижнего торца цилиндрического насадка и верхней торцевой цилиндрической части динамической газогидравлической камеры установлен фланцевый разъем, позволяющий разнести блок динамической газогидравлической камеры и диспергирующую часть устройства на разные горизонты, при этом блок динамической газогидравлической камеры и диспергирующая часть устройства могут быть ориентированы в любом пространственном положении.
Насыщение газом рабочей жидкости происходит при поступлении внутрь динамической газогидравлической камеры сжатого газа через перфорированное кольцо. Установка в верхней части цилиндрической конструкции динамической газогидравлической камеры горизонтальных сеток позволяет получить микрокавитационные процессы, которые происходят при обтекании жидкостным потоком острых граней прутьев горизонтальных сеток. При этом жидкость как бы «взрыхляется» в силу чего увеличивается подвижность ее межмолекулярной структуры, то есть снижается ее первоначальная вязкость.
На Фиг. 1 представлено устройство для диспергирования жидкости с увеличенной кинематической вязкостью.
Устройство состоит из фланца 1, динамической газогидравлической камеры 2, которая включает в себя диффузор 3, цилиндрическую часть 4, конфузор 5 и камеру избыточного газового давления 6, которая образована внутренней поверхностью диффузора 3, нижней зоной цилиндрической части 4 динамической газогидравлической камеры 2 и наружной поверхностью трубного элемента 7. Патрубок подвода сжатого газа от внешнего выносного устройства 8 в камеру избыточного газового давления 6, в верхней части которой горизонтально установлено перфорированое кольцо 9, при этом внутренний диаметр перфорированного кольца 9 не превышает внутреннего диаметра трубного элемента 7. В верхней зоне цилиндрической части 4 динамической газогидравлической камеры 2 установлены не менее одной горизонтальной сетки 10, образующие прутья которой выполнены с острыми кромками. Конфузор 5 переходит в сопло 11 цилиндрического насадка 12, по периметру которого выполнена перфорация 13. На наружной части цилиндрического насадка 12 расположен кольцевой коллектор 14, закрывающий зону перфорации. Патрубок 15 сообщается с внешним устройством, создающим зону разряжения. Внутренняя поверхность цилиндрического насадка 12, наружные поверхности конфузора 5 и сопла 11 образуют внутреннюю кольцевую камеру 16. Кавитационный стержень 17 выполнен в виде изогнутой в двух местах под углом 90° шпильки, имеющей круглое сечение. Торцевая площадка 18 кавитационного стержня 17 размещена на выходе в плоскости верхнего среза сопла 11, а другой его конец ограничен в перемещении узлом фиксации 19, размещенном на наружной поверхности цилиндрического насадка 12. При этом в динамической газогидравлической камере 2 в месте соединения части конфузора 5, цилиндрического насадка 12 и верхней торцевой цилиндрической части 4 динамической газогидравлической камеры 2 выполнен фланцевый разъем 20.
Устройство работает следующим образом.
Устройство состоит из двух автономных блоков, а именно из динамической газогидравлической камеры 2 для дополнительного насыщения диспергируемой жидкости газом перед процессом ее диспергирования и диспергирующей части.
Поток рабочей жидкости под избыточным давлением проходит через фланец 1 и трубный элемент 7, внутренний диаметр которого соответствует внутреннему диаметру фланца 1. Поступает в цилиндрическую часть 4 динамической газогидравлической камеры 2, где происходит насыщение жидкости газовой составляющей за счет подачи сжатого газа в цилиндрическую часть 2. Сжатый газ через патрубок 8 от внешнего устройства под давлением попадает в камеру избыточного газового давления 6, образованную внутренней поверхностью диффузора 3, внутренней нижней зоной цилиндрической части 4 динамической газогидравлической камеры 2 и наружной поверхностью трубного элемента 7. Далее сжатый газ проходит через горизонтально установленное перфорированное кольцо 9, при этом при истечении жидкостного потока через перфорацию происходит насыщение потока газовой составляющей. Насыщенный газом поток жидкости проходит через горизонтально установленные сетки 10 в верхней зоне цилиндрической части 4. Прутья горизонтально установленных сеток 10 могут быть выполнены с острыми кромками, при обтекании которых происходят процессы микрокавитации, обусловленные срывами обтекающего жидкостного потока с острых кромок прутьев. Процессы барбатирования и микрокавитации осуществляют «взрыхление» жидкости. Далее жидкость поступает в конфузор 5, где увеличивает свою первоначальную скорость и поступает в сопло 11, где на выходе из сопла 11 попадает под действие торцевой площадки 18 кавитационного стержня 17. Торцевая площадка 18 кавитационного стержня 17 перераспределяет центральную часть потока, обусловленную самой большой динамикой, ближе к периферийной зоне, вовлекая в работу по диспергированию весь рабочий жидкостный поток. При первоначальном раскрытии факела жидкости сразу, после выхода из верхнего среза сопла 11, жидкостный поток перекрывает разновысокие кромки сопла 11 и цилиндрического насадка 12. Верхняя кромка цилиндрического насадка 12 имеет превышение над верхней кромкой сопла 11, тем самым образуется условная граница взаимодействия жидкостной среды с искусственно созданной зоной разрежения, создаваемой во внутренней кольцевой камере 16. Вакуум в камере 16 образуется внешним устройством, которое подключается через патрубок 15 к кольцевому коллектору 14. Цилиндрический насадок 12 имеет перфорацию 13, объединяющую внутреннюю кольцевую зону 16 с внутренним пространством кольцевого коллектора 14.
Наличие кольцевого коллектора 14 и перфорации 13 обеспечивает необходимые условия равномерного создания искусственной зоны разрежения во внутренней кольцевой камере 16. При работе устройства должно соблюдаться условие динамического равновесия, когда не происходит попадания диспергируемой жидкости внутрь кольцевой камеры 16 вследствие образования в ней более глубокого разрежения. При этом конструкция устройства позволяет создавать неглубокое разрежение в камере 16 динамикой собственного проходящего потока при полном отсутствии воздействия внешнего источника искусственного разрежения, например при закрытии любым запорным устройством патрубка 15.
Результатом работы устройства является диспергированный жидкостный поток независимо от степени загрязненности и степени нагрева рабочей жидкости. Работа устройства характеризуется бесструйным разрушением жидкостного потока и созданием калиброванного капельного объема при его работе, дисперстность капель жидкостного потока на выходе из устройства можно получить менее 1 мм в диаметре. При этом резко возрастает суммарная поверхность диспергированного потока, образованного мелкодисперстными каплями по отношению к первоначальной площади поступающей в устройство через внутренний диаметр фланца 1 рабочей жидкости. Процесс разрушения жидкостного потока происходит без механического воздействия на него и требует малую потребляемую энергию. Резкое возрастание суммарной поверхности капельного объема диспергированной жидкости с различной степенью загрязненности и прошедшей условие деаэрации поступающей рабочей жидкости обеспечивает наиболее эффективное прохождение тепломассообмена с контактируемыми средами, например: жидкость - любой растворимый газ (например, воздух) или инертные газы, не дающие необратимой химиической внутренней связи с жидкостью; жидкость - пар. Это повышает производительность работы устройства до практически возможного высокого предела.
Наличие фланцевого разъема 20 позволяет разнести зону газонасыщения и зону диспергирования на разные горизонты.
Устройство позволяет стабильно подвергать диспергированию жидкость с малой, большой и очень большой степенью загрязненности. Также данное устройство позволяет подвергать диспергированию жидкость в широком температурном диапазоне.
Устройство просто в изготовлении. Оно устойчиво работает на всех необходимых расчетных режимах. Кроме того, конструкция устройства позволяет использовать его, ориентируя в любом пространственном положении, без снижения качественных и количественных показателей работы.
Конструкция устройства позволяет эксплуатировать его с большим спектром технических регулировок, которые решают задачи по изменению его рабочих характеристик.
Все вышеперечисленные признаки, характеризующие устройство, обеспечивают достижение поставленной технической задачи.