КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1995 года по МПК B01F7/04 B01F11/00 

Изобретение относится к устройствам для перемешивания, диспергирования, эмульгирования, гомогенизации, растворения, а также для интенсификации технологических процессов и может найти применение в химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, строительной промышленности.

Известен кавитационный реактор [1] для обработки потока материалов, содержащий корпус, выполненный в виде соединенных между собой проточной камерой конфузора и диффузора с установленным в камере кавитатором, у которого внешним пневмоисточником регулируется раздвижка пластин с целью изменения степени загромождения. Изменением степени загромождения регулируется интенсивность кавитационной обработки.

Недостатками такого устройства являются недостаточно высокие эффективность перемешивания и степень диспергирования перемешиваемых веществ.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для обработки суспензий и эмульсий - кавитационный реактор, содержащий корпус с цилиндрическим участком, в котором расположен кавитатор и на входе в который установлен пpеpыватель потока, выполненный в виде двух, снабженных радиальными окнами дисков, один из которых установлен на приводном валу, а другой укреплен в корпусе неподвижно [2].

Недостатками указанного устройства являются недостаточно высокая энергия диспергирования и сравнительно наибольшие колебания скорости движения потока, чем обуславливаются невысокая степень диспергирования и повышенные энергозатраты на его осуществление.

Цель изобретения - повышение степени диспергирования, увеличение производительности аппарата по диспергируемому материалу, снижение удельных затрат энергии на осуществление диспергирования.

Цель достигается тем, что на выходе из проточной части аппарата установлен генератор гидравлических ударов, представляющий собой задвижку с приводом в виде дискового и червячного вращающегося копира с разомкнутым внезапно профилем, находящегося в кинематическом подпружиненном замыкании с роликом, закрепленным на штанге задвижки, при этом привод обеспечивает периодическое мгновенное закрытие задвижки, создаваемое разрывом профиля копира и действием пружины, и последующее плавное открытие задвижки.

В корпусе кавитатора установлен обратный клапан с пружиной, входное устройство в проточную камеру соединено с уравнительным сосудом и воздушной подушкой в нем, а перед задвижкой генератора гидроударов установлен пружинный или рычажно-грузовой предохранительный клапан с регулируемой посредством изменения натяжения пружины или передвижения груза величиной сбросного давления, сброс жидкости от предохранительного клапана подключен к выходу из проточной камеры аппарата за генератором гидроударов по ходу потока.

На фиг. 1 изображен кавитационный реактор; на фиг.2-4 - генератор гидроударов.

Кавитационный реактор состоит из проточной камеры 1. на выходе которого установлен уравнительный сосуд 2 с краном 4, за уравнительным сосудом по ходу потока размещен кавитатор 5 с обратным клапаном 6, а на выходе из проточной камеры установлен генератор 7 гидравлических ударов с приводом 8, перед генератором 7 гидроударов размещен предохранительный клапан 9, сброс жидкости с которого направлен посредством сливного патрубка 10 в выходное устройство реактора, отводящего поток суспензии от генератора гидроударов. Перед генератором гидроударов проточная камера имеет расширяющуюся часть.

Кавитационный реактор работает следующим образом.

Поток обрабатываемых компонентов поступает в проточную камеру 1 аппарата, жидкая фаза заполняет уравнительный сосуд 2, в верхней части которого сохраняется воздушная подушка 3, объем ее регулируется с помощью крана 4. Поток компонентов в проточной камере обтекает кавитатор 5, в следе за которым образуется каверна, хвостовая часть каверны под действием обратных токов, генерируемых генератором гидроударов, интенсивно распадается на мельчайшие пузырьки, образуя зону схлопывающихся микропузырьков, совпадающую с расширяющейся частью проточной камеры, располагаемой перед генератором гидроударов. При схлопывании микропузырьков возникают высокие локальные давления и высокоскоростные кумулятивные микроструи, оказывающие разрушающее воздействие на твердые частицы, диспеpгируя их и активизируя жидкую среду.

Привод задвижки генератора гидравлических ударов, например, от электромотора через редуктор и вариатор вращает дисковый копир или цилиндрический червяк 11, который находится в зацеплении с роликом 12, закрепленным на штанге 13 задвижки. Винтовая линия червяка имеет разрыв, а профиль копира - резкую впадину, при попадании в которые ролик 12 проваливается и штанга 13 под действием пружины 14 приводит в быстрое движение клапан 15 задвижки, захлопывающей выходное отверстие канала в гнезде 16. При дальнейшем вращении копира или червяка 11 ролик 12 входит в контакт с подъемной линией копира или винтовой резьбой линией червяка и, обкатывая их, двигает штангу 13 и постепенно открывает клапан 15 (фиг.2-4).

При периодическом захлопывании клапана генератора гидроударов возникают ударные волны сжатия, перемещающиеся навстречу потоку. Ударная волна воздействует на каверну, содержащиеся в потоке жидкости частицы и саму жидкость, проходит через зазор вокруг кавитатора 5 (фиг.1) и через его обратный клапан 6, сжимает воздушную подушку 3 в уравнительном сосуде 2. В следующий момент с началом плавного открывания клапана генератора 7 гидроударов под действием сжатого в уравнительном сосуде 2 воздуха движущийся поток обрабатываемых компонентов получает ускорение, возникают колебания потока, обтекающего кавитатор 5 между подушкой 3 и клапаном генератора 7 гидроударов. Генерируемые периодическим захлопыванием клапана 15 задвижки продольные колебания потока, обтекающего кавитатор 5, способствуют интенсивному дроблению каверны и схлопыванию кавитационных микропузырьков. Предохранительный клапан 9 со сливным патрубком 10 служит для регулирования степени повышения давления от ударной волны в проточной камере аппарата. Регулирование осуществляется изменением натяжения пружины штока предохранительного клапана, если клапан пружинного типа, или перемещением груза на рычаге клапана, если он рычажного типа.

Эффективность диспергирования определяется величиной удельной энергии кумулятивных струй, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков , возникающих вследствие распада каверны за кавитатором.

Удельная энергия кумулятивных струй пропорциональна квадрату их скорости, а скорость прямым образом зависит от корня квадратного из давления в проточной камере, таким образом энергия диспергирования пропорциональна первой степени давления в камере диспергирования, т.е.

V_k ~ ; Е V_к²; Е Р , где V_к - скорость кумулятивных струй;
Р - давление в проточной пузыpьковой камере;
Е - энергия диспергирования.

Для повышения энергии диспергирования в кавитационных системах предусмотрено расширение потока с помощью диффузора. Максимальное увеличения давления при этом, даже при неограниченно бесконечном расширении потока, будет стремиться к величине скоростного напора до расширения:
P₁= 1 - ~ и при скорости потока в проточной части, например V = 2 м/с, составит Р₁= 0,02 атм, а при V = 10 м/с Р₁ = 0,5 атм максимум.

С целью увеличения энергии диспергирования в предлагаемом кавитационном диспергаторе использован генератор гидроударов, установленный на выходе и представляющий задвижку, снабженную приводом, периодически обеспечивающим мгновенное, резкое ее закрытие и последующее плавное открытие. При мгновенном закрытии генерируется ударная волна, распространяющаяся против движения диспергируемой среды, приблизительно, со скоростью звука в данное среде. Давление на фронте ударной волны определяется по формуле Н.Е.Жуковского
Р₂ = сρV, где с - скорость распространения ударной волны в среде; ρ- ее плотность; V - скорость движения среды.

Учитывая наличие газовых пузырьков в потоке, находят их модуль сжатия
k = · = a² где a - скорость звука в воде, равная 1550 м/c.

Скорость распространения ударной волны в проточной части зависит также от упругости стенок:
c = = a где k - модуль сжатия; ρ- плотность; D - диаметр канала; δ- толщина его стенок; Е - модуль упругости материала стенок.

Даже при небольшой скорости потока на выходе V = 2 м/с давление на фронте ударной волны составит
Р = 1550˙100˙ 2 = 31 атм
Таким образом, если вместо применяющегося расширения канала и диффузора установить генератор ударных волн на выходе, то удельная энергия диспергирования увеличится в
= = = = 62 раза если Р₂ принимается при V = 2 м/с и Р₁ при V = 10 м/с.

Если же Р₁ принять при V = 2 м/с, то увеличение энергии диспергирования будет
= = = = 1550 раз
Движение ударной волны с высоким давлением на ее фронте навстречу потоку вызывает его сжатие, при этом весьма значительное и локальное.

Для того, чтобы пропустить ударную волну беспрепятственно через кавитатор 5, в его корпусе устанавливается обратный клапан 9. Для гашения ударной волны перед насосом на входе в проточную камеру устанавливается уравнительный сосуд 2 со свободным уровнем жидкости в нем, положение которого регулируется краном 4. Обеспечение определенной жесткости среды регулируется объемом воздуха над свободным уровнем в сосуде, положение которого может изменяться выпусканием воздуха из сосуда через кран 4.

Периодическое сжатие воздуха в уравнительном сосуде ударной волной, возникающей при мгновенном закрытии задвижки на выходе из проточной части аппарата, приводит к возвратно-поступательным колебаниям всех движущихся в проточной части масс, с амплитудой и мощностью, значительно превышающей гидравлические пульсации, генерируемые на входе, например, прерывателем потока в виде вращающегося диска на входе или пульсатором. Эти устройства лишь изменяют величину скорости потока, не изменяя направления его движения, в то время, когда возвратно-поступательное колебание всех движущихся в проточной части масс под действием ударной волны приведенной выше силы вызывает и обратное реверсивное движение среды, сжатие воздушной подушки в несколько десятков раз с таким же повышением давления в ней и с соответствующим этому увеличением скорости потока.

Например, при ΔР = 62 скорость потока увеличивается в
= = 8 раз Здесь V = ϕ = ϕ = ϕ Между тем, самое большее, что могут дать пульсации, - это увеличение скорости лишь вдвое.

Увеличение скорости колебаний потока увеличивает интенсивность дробления каверны, количество кавитационных пузырьков в потоке, уменьшение их размеров и увеличение кумуляции.

Для регулирования интенсивности дробления каверны перед генератором гидроударов на выходе из проточной части устанавливается предохранительный клапан 9, сброс жидкости с которого включен в выходную магистраль аппарата за генератором гидроударов по ходу потока.

В кавитационном реакторе на его выходе установлен генератор гидравлических ударов, представляющий собой периодически захлопывающийся клапан со специальным приводным механизмом. Внутри кавитатора вмонтирован обратный клапан для прохода ударной волны, на входе в реактор установлен уравнительный сосуд для периодического сжатия воздушной подушки при колебаниях потока под действием ударных волн. Перед клапаном генератора гидроударов врезан трубопровод с предохранительным клапаном, натяжение которого регулируется пружиной, а сброс жидкости от него направлен по трубопроводу, подсоединенному за клапаном генератора гидроударов по ходу потока. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР, содержащий проточную камеру с установленным в нем кавитатором, входным и выходным устройствами, отличающийся тем, что, с целью эффективности в работе, увеличения производительности и снижения энергозатрат, реактор снабжен генератором гидравлических ударов, установленным на выходе в виде задвижки с приводом, обеспечивающим периодическое мгновенное закрытие и последующее плавное открытие, уравнительным сосудом с воздушным краном, размещенным на входе в проточную камеру, предохранительным клапаном, подсоединенным к проточной камере перед задвижкой генератора, причем сливной патрубок предохранительного клапана соединен с выходным устройством реактора за задвижкой генератора, а кавитатор снабжен обратным клапаном. 2.Реактор по п.1, отличающийся тем, что привод генератора гидравлических ударов выполнен в виде дискового копира или цилиндрического червяка, находящегося в зацеплении с роликами, закрепленными на штанге клапана, при этом штанга снабжена пружиной, а винтовая линия червяка или профиль копира выполнены соответственно с разрывом или впадиной.