ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК B01F5/00 

Изобретение относится к смешиванию жидкостей с жидкостями, к гидродинамическим смесителям для получения эмульсий и может быть применено для получения водно-масляных эмульсий.

Известен гидродинамический смеситель, содержащий корпус с входными и выходными патрубками, размещенное в нем сопло, выполненное в виде диффузора с плавно расширяющимся профилем, напротив которого установлен экран [1].

Недостатками данного смесителя являются недостаточно высокая кавитация из-за плавности перехода профиля, вследствие чего и интенсивность перемешивания низкая.

Другим известным смесителем является ультразвуковой гидродинамический излучатель, содержащий корпус, эжектор со стаканом с тангенциальным патрубком, при этом на внутренней поверхности стакана в нижней части выполнена винтовая нарезка, направление которой противоположно направлению нарезки тангенциального вкладыша с многозаходной ленточной резьбой, кольцевого магнита и крышки с соплом.

Недостатками излучателя являются большие гидравлические сопротивления винтовых линий (нарезок); невысокая производительность, ограниченная выходными отверстиями и гидравлическим сопротивлением. Так как большой эффект диспергирования достигается созданием кавитации, эмульгирование жидкости в данном смесителе невысокое, так как оно происходит за счет только вихревых движений.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для эмульгирования смеси, представляющее собой гидродинамический преобразователь, содержащий корпус с размещенными в нем напротив друг другу соплами, причем внутренняя поверхность корпуса выполнена сферической и выходное отверстие камеры смешивания представляет собой кольцевой зазор.

Недостатком прототипа является невысокая эффективность процесса эмульгирования из-за отсутствия в конструкции элементов, способствующих возникновению процесса кавитации.

Цель изобретения - повышение эффективности процесса эмульгирования.

Для этого в гидродинамическом смесителе, содержащем корпус, соcтоящем из двух соосных цилиндроконических тел с осевыми каналами подвода смешиваемых жидкостей, жестко закрепленный цилиндрической поверхностью на параллельных фланцах внутри камеры слива, камеру смешения, сообщенную с каналами подвода, камера смешения образована внутренней и наружной усеченными коническими поверхностями частей корпуса и ее выходное отверстие имеет форму кольцевой щели, ширина которой не превышает величины ,
δ =
где r₀ и r₁ - радиусы каналов подвода смешиваемых жидкостей; r - радиус выходного отверстия кольцевой щели, образующая средней конической поверхности камеры смешения составляет с осью каналов подвода смешиваемых жидкостей угол α= 45-90^о, а поверхности камеры, расположенные около выходного отверстия кольцевой щели, снабжены сопряженными концентрическими выступами и канавками.

Выступы имеют в сечении форму треугольника.

Фланцы снабжены регулировочными прокладками.

В результате использования смесителя данной конструкции достигается такой технический результат, как образование тонкой пелены жидкости (не более 2 мм толщины) и ее разрушение гидродинамической кавитацией.

Сущность изобретения заключается в следующем: во встречном потоке жидкостей в каналах в зоне смешения создается тончайший слой двух жидкостей, далее этот слой кумулятивных струй перемешивается попеременно кавитацией, созданной на поверхности камеры смешения.

На чертеже показан смеситель, продольный разрез.

Смеситель содержит корпус в виде двух соосных цилиндроконических тел 1 и 2, в которых просверлены по оси симметрии осевые каналы 3 и 4 подвода смешиваемых жидкостей с радиусами соответственно r₀ и r₁ (r₀ = 4,5 мм; r₁ = 11 мм). Своими цилиндрическими частями тела 1 и 2 корпуса установлены в отверстиях параллельно расположенных друг другу фланцев 5 и 6 камеры 7 слива эмульсии и жестко закреплены болтовыми соединениями 8 и 9 к приваренным фланцам 10, 11 камеры 7. Внутренняя усеченная коническая поверхность тела 1 и наружная усеченная коническая поверхность тела 2 образуют объем камеры 12 смешения жидкостей. Выходное отверстие камеры 12 имеет форму кольцевой щели 13 с радиусом r(r = 50 мм) у основания конических поверхностей. Ширина щели 13 не превышает
δ = ,, то есть δ = = 1.4 мм..

При δ > кавитационные процессы неэффективны. Образующая ОА средней конической поверхности камеры 12 смешения составляет с осью каналов подвода смешиваемых жидкостей угол α = 45-90^о, так как в оптимальном режиме кавитации
cosα =
где λ = , где ρ_o , ρ₁ - плотности подаваемых жидкостей; r₀, r₁ - радиусы струйных потоков, так как величины λ могут быть различны, и тогда следует изготовлять смесители с определенной величиной угла для каждой пары однородных групп смешиваемых жидкостей, что практически неприемлемо, невыгодно, а тем более λ задается для эффективного образования пелены жидкости, а эта пелена при небольшом отклонении может быть образована из-за наличия направляющих стенок выходных каналов, из-за чего можно поступиться точностью величины и принять λ = 1. А для однородных по плотности смешиваемых жидкостей это допущение точно. То есть
cosα = .

При α _→ 90^° геометрические размеры устройства увеличиваются, что нерационально, хотя эффективность эмульгирования не уменьшается. При α _→ 0 эффективность смешивания исчезает, так как увеличиваются затраты кинетической энергии на разворот струи.

Конические поверхности в камере 12 на ее выходе снабжены концентрическими сопряженными выступами 14 и канавками 15 так, что выступ 14 на одной поверхности совпадает с канавкой 15 на другой поверхности и т.д. Выступы 14 для цели создания суперкавитации имеют треугольную форму в сечении.

Регулировка размера щели 13 может производиться с помощью стальных регулировочных прокладок 16, устанавливаемых между фланцами 5 и 10, 6 и 11. В дне камеры 7 слива эмульсии сделан сливной патрубок 17.

Устройство работает следующим образом.

При подаче, например, воды с укриналом, предварительно слитых вместе в общий бак (для создания грубой эмульсии), оттуда насосами вода с укриналом подается двумя потоками в каналы 3 и 4 навстречу друг другу. При соударении образуется так называемая пелена, которая асимптотически приближается к некоторому круговому конусу, чему способствует и симметричность конических поверхностей относительно оси каналов. Далее потоки жидкости, перемещаясь с большой скоростью ( ≈ 10 м/с) по коническим поверхностям камеры 12 смешивания, ударяются о выступы 14. При обтекании их поверхностей треугольной формы попеременно за каждым выступом возникает кавитация, способствующая эффективному перемешиванию жидкостей. Толщина пленки образованной эмульсии на выходе достаточно тонка и равна толщине щели 13.

Данный смеситель обеспечивает высокую производительность эмульгирования, так как может работать при любых высоких скоростях смешиваемых потоков. Расход жидкости определяется по известной формуле
Q=μ ˙ S ˙ V , где μ - коэффициент гидравлического сопротивления;
S - площадь поперечного сечения канала;
v - скорость потока жидкости.

Для каждого канала:
Q_o=μ ˙ π ˙ r_o².V_o; Q₁=μ ˙ π ˙r₁².V₁; = :
Задавшись нужным расходом жидкостей и скоростями их потоков, можно определять размеры каналов:
= ,, примем C=
Задавшись размером r₁, можно определить r₀: r₀ = C. r₁ При r₀ = 4,5 мм и r₁=11 мм Q_о = 10,3 м³/ч, Q₁ = 54 м³/ч; V_o = 10,7 м/c, V₁ = 9,2 м/с. Производительность смесителя Q = Q₀ + Q₁ = 10,3 + 54 = 64,3 м³/ч.

По сравнению с прототипом улучшается качество эмульсии за счет эффективного смешивания усиленной кавитацией, происходящей на выходе из кольцевой щели с пилообразной поверхностью и в пленке толщиной ≈ от 0,1 до 2 мм, а не по всей гладкой поверхности кольцевой щели, как у прототипа, смешивание в котором происходит в сферической по форме камере. В последней многократного отражения струй не будет из-за прилипания струй к поверхности сферы, что понижает кавитацию, в итоге, эффективность смешивания. На новом смесителе увеличивается производительность смешивания из-за возможности подачи смешиваемых жидкостей с высокими скоростями подачи и из-за эффективной кавитации.

Сущность изобретения: смеситель содержит корпус, состоящий из двух частей, в каждой из которых неподвижно закреплен канал подвода смешиваемых жидкостей. Каналы сообщены с камерой смешения, образованной между внутренней и наружной коническими поверхностями частей корпуса. Камера смешения выходной канал, выходное отверстие которого выполнено в виде кольцевой щели. Ширина кольцевой щели не превышает величину δ = r20

-r21/2r, где r₀ и r₁ - радиусы каналов подвода смешиваемых жидкостей. Образующая средней конической поверхности выходного канала камеры смешения составляет с осью каналов подвода смешиваемых жидкостей угол α = r21-r20/r20-r21 . Поверхность выходного канала, расположенная около выходного отверстия кольцевой щели, снабжена концентрическими выступами и канавками, имеющими в сечении форму треугольника. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ, содержащий корпус, состоящий из двух соосных цилиндроконических тел с осевыми каналами подвода смешиваемых жидкостей, жестко закрепленный цилиндрической поверхностью на параллельных фланцах в камере слива, камеру смешения, сообщенную с каналами подвода, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса эмульгирования, камера смешения образована внутренней и наружной усеченными коническими поверхностями частей корпуса и ее выходное отверстие имеет форму кольцевой щели, ширина которой не превышает величины
δ = ,
где r₀ и r₁ - радиусы каналов подвода смешиваемых жидкостей;
r - радиус выходного отверстия кольцевой щели,
образующая средней конической поверхности камеры смешения составляет с осью каналов подвода смешиваемых жидкостей угол 45 - 90^o, а поверхности камеры, расположенные около выходного отверстия кольцевой щели, снабжены сопряженными концентрическими выступами и канавками. 2. Смеситель по п. 1, отличающийся тем, что выступы имеют в сечении форму треугольника. 3. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что фланцы снабжены регулировочными прокладками.