ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГОМОГЕНИЗАТОР-СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК B01F5/08 

Изобретение относится к устройствам для подготовки эмульсий взаимонерастворимых компонентов с одновременной гомогенизационной обработкой.

Известно устройство для смешения жидкостей, содержащее сопло с конфузорным входом для среды, цилиндрическую камеру для смешения, являющуюся продолжением наименьшего проходного сечения сопла, pадиальное отверстие для подвода подмешиваемой среды, расположенное в месте перехода конфузорной части в цилиндрическую камеру.

Недостатком данного устройства является отсутствие условий для обеспечения развитого кавитационного течения, отсутствие возможности преобразовать скоростной напор на выходе из устройства в статический напор, что снижает КПД устройства.

Известен ультразвуковой диспергатор для измельчения твердых примесей в жидкости, состоящий из корпуса, рабочего сопла, диффузора, выполненного в виде конического резонатора. В известном устройстве имеется сопло, снабженное коническим резонатором, размещенным внутри резонатора рабочего сопла, одно из сопел выполнено установочно-подвижным в осевом направлении.

Недостатком известного устройства является наличие зон кавитации в диффузорной части устройства, что приводит к рассеиванию энергии кавитационного схлопывания пузырьков, наличие нескольких зон кавитационного схлопывания с различными гидродинамическими условиями протекания кавитации, а значит с различными частотными характеристиками зон кавитации на одном резонаторе в одном объеме, что приводит к значительной потере энергии ультразвуковых колебаний, которые не имеют строгой направленности, а рассеиваются по всему объему резонансной камеры, что также снижает эффективность ультразвуковой обработки среды, неспособность работы устройства с повышенными противодавлениями на выходе, что ограничивает использование режима искусственной кавитации.

Известно техническое решение, наиболее близкое к достигаемому результату. Это устройство для гомогенизации под высоким давлением, содержащее сопло с конфузорным входом, цилиндрическую камеру смешения, расположенную после сопла с острым отрывающим краем между соплом и пространством для смешения, причем самый малый диаметр сопла равен 0,5-2,5 мм, а диаметр камеры смешения составляет 1-5 мм, тем самым отношение диаметра сопла к диаметру камеры смешения составляет 0,5.

Недостатком известного устройства является отношение наименьшего диаметра сопла к диаметру цилиндрической камеры смешения, равное 0,5, при ограниченной длине камеры смешения, без наличия диффузора и сопротивления на выходе из устройства, что исключает наличие условий для существования устойчивой зоны кавитационной обработки в камере смешения. Отсутствует возможность дополнительной обработки среды на выходе из устройства за счет ультразвуковых колебаний, генерирующихся в камере смешения, что снижает КПД устройства и ухудшает качество обработки среды. Соотношение диаметров, равное 0,5, и отсутствие диффузора определяют неспособность работы устройства с повышенными противодавлениями на выходе, что ограничивает использование режима искусственной кавитации, эффективность работы которой зависит от растворимости газов в данной среде при данном давлении.

Известен смеситель для текучих сред, содержащий сопло с конфузорным входом для среды, цилиндрическую камеру смешения, выполненную в виде двух ступеней, диаметр первой ступени меньше диаметра второй ступени. В месте перехода конфузорной части в цилиндрическую имеется радиальное отверстие для подвода подмешиваемой среды. На некотором расстоянии от входа во вторую ступень камеры смешения имеются отверстия для подвода среды. Диффузор размещен на входе в камеру смешения.

Недостатком известного устройства является то, что часть потока минует осевое сопло и первую ступень камеры смешения, что значительно снижает гидродинамическое воздействие на подмешиваемую среду. Не исключено образование нескольких зон кавитации в диффузорной части устройства, что приводит к различным гидродинамическим условиям протекания кавитации в каждой зоне и, следовательно, к различным частотным характеристикам зон кавитации, что ухудшает эффект гомогенизации. Известное устройство сложно в изготовлении из-за наличия винтовых каналов во второй ступени камеры смешения.

Цель изобретения - улучшение качества смешения взаимонерастворимых компонентов, повышение КПД установки и уменьшение энергозатрат.

Гидродинамический гомогенизатор-смеситель изображен на фиг.1; на фиг. 2-4 - графические зависимости, на основании которых производят выбор соотношений размеров.

Гомогенизатор-смеситель состоит из корпуса, в котором размещается сопло 1 в виде конфузора и имеется радиальное отверстие 2 для подвода подмешиваемой среды. Корпус сблокирован с цилиндрической камерой смешения в виде первой ступени 3 и второй ступени 4. В стенке второй ступени камеры выполнена цилиндрическая проточка 5. Выходная часть гомогенизатора-смесителя выполнена в виде диффузора 6. Цилиндрическая проточка 5 соединяется через радиальное отверстие 7 и обратный клапан 8 - с атмосферой.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно подогретую среду подают на гидродинамический гомогенизатор-смеситель. При прохождении через сопловой аппарат, имеющий сужающийся профиль, скорость потока увеличивается, а статическое давление падает до давления насыщенных паров среды при данной температуре. В месте перехода конфузора 1 в цилиндрическую часть 3 первой ступени камеры смешения происходит отрыв потока и его сужение, где наблюдается наибольшее увеличение скорости потока. В место сужения потока через радиальные отверстия 2 подводится подмешиваемая среда, предварительно подогретая до температуры основной среды. При истечении из первой ступени 3 камеры смешения во вторую ступень 4 поток расширяется с образованием парогазовой фазы. При этом режим течения на начальном участке второй ступени 4 будет являться сверхзвуковым. Кавитационное схлопывание парогазовых пузырьков наблюдается в зоне цилиндрической проточки 5, которая соединяется с атмосферой через обратный клапан 8. Расположение цилиндрической проточки 5, во второй ступени 4 камеры смешения шириной 1-2 мм, на расстоянии 5-7 диаметров после первой ступени 3 камеры смешения обеспечивает автоматическую дозировку газовой среды с обязательным максимально возможным и полным растворением ее в рабочей (жидкой) среде при данном противодавлении за аппаратом и данной температуре рабочей среды.

Механизм автоматической дозировки включается следующим образом. Как известно, объем двухфазной (парогазовой) смеси во второй ступени 4 камеры смешения имеет непостоянный объем, что является следствием кавитационного схлопывания паровой и газовой части пространства и последующим заполнением свободного объема пространства парогазовой смесью с набегающим двухфазным потоком. Чередование фаз схлопывания и заполнения в зоне кавитации создает условия для устойчивого колебания этой зоны с ультразвуковой частотой, которые передаются по направлению движения потока и являются основными факторами диспергирующего воздействия на обрабатываемую среду. Таким образом, определяющим условием создания сверхзвукового режима истечения и последующего кавитационного режима обработки потока с ультразвуковой частотой является наличие двухфазной (парогазожидкостной) среды. Механизм образования паровой среды, как известно, связан с большими затратами внутренней энергии (тепла). В то же время выделение газовой среды в однородной жидкости в данном случае с перепадом давления, т.е. выделение газов, растворенных в жидкости, происходит на меньшем энергетическом уровне, чем парообразование. Конечно воздействие паровой и газовой кавитации на диспергирование рабочей среды практически равнозначное. Появление газовой кавитации в подобных устройствах ограничено растворимостью газа в рабочей среде при атмосферном давлении, т. е. при том давлении, когда жидкость подается на всасывание от насосного агрегата.

Теперь же, имея возможность с помощью описываемого устройства растворить газ (воздух) в максимальном количестве при повышенном давлении за сопловым аппаратом, мы тем самым увеличиваем воздействие газовой кавитации на обрабатываемую среду, т.е. создаем условия для искусственной кавитационной обработки, на более низком энергетическом уровне и с большей эффективностью.

Если рассмотреть изменение статического напора по всей длине соплового аппарата, то окажется, что скачок давления, соответствующий переходу двухфазной среды в однофазную (жидкую), изменяется от давления насыщенных паров среды (вакуума) до величины заданного противодавления на некотором протяжении пространства второй ступени 4 камеры смешения и местоположение этого скачка давления будет зависеть от величины заданного противодавления (чем больше противодавление, тем зона скачка давления ближе расположена к месту перехода первой ступени 3 во вторую 4). Цилиндрическая проточка 5, соединяющая вторую ступень 4 камеры смешения с атмосферой, должна находиться как можно ближе к внезапному расширению (к месту перехода первой ступени во вторую), но не должна быть ближе к внезапному расширению, чем граница контакта свободной струи со стенками второй ступени 4 камеры смешения.

Центральный угол раскрытия струи:
α = 2,1 ˙ P_н ˙ d^0,125,
Длина свободной струи до контакта со стенками второй ступени 4 камеры смешения определяется:
l_c = .

Отсюда, цилиндрическая проточка 5 должна находиться не ближе двух диаметров второй ступени 4 камеры смешения от внезапного расширения. Учитывая максимальную растворимость газов при повышенном давлении среды и учитывая зависимость местонахождения скачка давления от противодавления за сопловым аппаратом, окончательно выбираем расположение цилиндрической проточки 5 на расстоянии от внезапного расширения, равного 5-7 диаметрам второй ступени 4 камеры смешения.

При работе устройства зона скачка давления будет находиться в районе цилиндрической проточки 5 и будет автоматически открывать и перекрывать подачу газовой среды на смешение с рабочей средой, обеспечивая максимальную и полную растворимость газа при повышенном давлении среды и обеспечивая необходимое условие кавитационной обработки - полное превращение двухфазной среды до зоны кавитации в однофазную (жидкую) среду за зоной кавитации.

Эффективность работы данного устройства будет зависеть, главным образом, от возможности устройства работать в сверхзвуковом режиме при максимально возможном противодавлении за аппаратом.

Для определения условий (конструктивных) обеспечения работы устройства с максимально возможным противодавлением был проведен эксперимент с применением центрального, композиционного, ортогонального планирования и последующим построением математической модели второго порядка для трех исследуемых параметров (факторов).

Исследовались следующие конструктивные параметры:
l/d - относительная длина первой ступени камеры смешения, (Х₁);
γ - угол конусности конфузора, (Х₂);
d/D - отношение диаметров первой ступени ко второй, (Х₃).

Полученное уравнение регрессии по функции отклика позволяет определять максимальное критическое противодавление (Y), при котором сохраняется сверхзвуковой режим истечения:
Y = 1,685 - 0,071 ˙ Х₁ + 0,098 ˙ Х₃ +
+0,084 ˙ Х₂Х₃ - 0,168 ˙ Х₃²
На фиг. 2 и 3 показано, что функция отклика (Y = Р_с.кр. - критическое противодавление среды) в меньшей степени зависит от угла конфузора (Х₂) и от относительной длины первой ступени камеры смешения (Х₁), но в большей степени зависит от отношения диаметра первой ступени к диаметру второй ступени (Х₃).

Кроме того, в выбранном диапазоне варьирования фактора Х₃ = 0,74 - 0,92 удалось определить оптимальное соотношение. При исследовании данного уравнения регрессии на возможный локальный экстремум было определено, что максимальное значение функции отклика Y = Р_с.кр соответствует значению фактора Х₃ = 0,87.

С целью определения зависимости эффективности обработки среды (по средней размерности фазовых включений воды в водотопливной эмульсии) от изменения тех же факторов и в том же диапазоне варьирования был проведен эксперимент и математическое моделирование. Полученное уравнение регрессии по функции отклика позволяет определять среднюю размерность фазовых включений воды в водотопливной эмульсии для различных конструктивных параметров устройства:
θ= 4,581 + 0,143 cdot<N> Х₁ cdot<N>Х₂ +
+ 0,2 cdot<N> Х₁² + 0,0638 ˙Х₃².

На фиг. 4 показано, что функция отклика ( θ=δ_cp - средний размер включений воды) в меньшей степени зависит от угла конусности конфузора (Х₂) и от относительной длины первой ступени камеры смешения (Х₁), но в большей степени зависит от соотношения диаметров ступеней (Х₃). Кроме того, в выбранном диапазоне варьирования фактора Х₃ = 0,74-0.92 удалось определить оптимальное соотношение. При исследовании данного уравнения регрессии на возможный локальный экстремум было определено, что наилучшее качество обработки среды соответствует значению фактора Х₃ = 0,83.

Обобщая результаты испытаний, приходим к выводу, что соотношение диаметров ступеней должно быть от 0,83 до 0,87, с учетом требований к качеству обработки среды и достижения максимального противодавления за устройством.

Использование: водотопливные эмульсии, пригодные для использования в дизельных двигателях. Сущность изобретения: устройство содержит сопло 1, радиальное отверстие 2 для подвода подмешиваемой среды, цилиндрическую камеру смешения в виде первой ступени 3 и второй ступени 4, цилиндрическую проточку 5, выполненную во второй ступени камеры смешения, радиальное отверстие 7 и обратный клапан 8, соединяющие цилиндрическую проточку 5 с атмосферой. Цилиндрическая камера смешения выполнена с отношением диаметра первой ступени к диаметру второй ступени, равным 0,83 - 0,87, цилиндрическая проточка выполнена шириной 1 - 2 мм и расположена на расстоянии 5 - 7 диаметров второй камеры смешения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГОМОГЕНИЗАТОР-СМЕСИТЕЛЬ, содержащий сопло для среды в виде конфузора, двухступенчатую цилиндрическую камеру смешения, имеющую диаметр первой ступени меньший, чем диаметр второй ступени, радиальные отверстия для подвода подмешиваемой среды, выполненные в стенке цилиндрической камеры смешения на входе в первую ступень, отверстия в стенке второй ступени камеры смешивания и диффузор, отличающийся тем, что , с целью повышения степени диспергирования и эффективности гомогенизации, диффузор размещен на выходе из камеры смешения, отверстия второй ступени камеры смешения выполнены радиальными и сообщены с атмосферой с помощью обратного клапана. 2. Гомогенизатор-смеситель по п.1, отличающийся тем, что камера смешения выполнена с соотношением диаметров первой ступени к второй 0,83:0,87. 3. Гомогенизатор-смеситель по п. 2, отличающийся тем, что радиальные отверстия второй ступени выполнены на расстоянии 5 - 7 ее диаметров от входа во вторую ступень. 4. Гомогенизатор-смеситель по п.3, отличающийся тем, что в стенке второй ступени камеры смешения имеется кольцевая проточка, выполненная в месте расположения радиальных отверстий.