ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК B01J19/00 B01J19/24 

Взаимосвязанная группа изобретений относится к конструкции оборудования, применяемого для обработки жидких сред. Каждое изобретение этой группы может быть независимо использовано в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности для гомогенизации молочных продуктов.

Наиболее близким к изобретению является гидродинамический кавитационный реактор содержащий, как и оба заявленных варианта, последовательно расположенные конфузор и проточную камеру, в которой ступенями на расстоянии друг от друга установлены кавитаторы.

В этом реакторе, так же как во втором варианте предлагаемого реактора, кавитаторы установлены на продольном стержне, размещенном в реакторе.

В отличие от обоих предлагаемых вариантов, в известном реакторе полость проточной камеры по всей длине имеет постоянное поперечное сечение, а кавитаторы выполнены в виде отдельных конусов с различными углами конусности.

Кроме этого, в отличие от первого варианта, известный реактор имеет размещенный в проточной камере продольный стержень, к которому на стойках прикреплены кавитаторы.

Установлено, что наибольшая интенсивность кавитационной обработки имеет место при сохранении на всех кавитаторах, расположенных вдоль продольной оси проточной камеры, одинакового соотношения между потенциальной энергией жидкости (которая в первом приближении равна давлению жидкости) и кинетической энергией жидкости (которая пропорциональна квадрату скорости). Практически этот кавитационный эффект зависит от рода жидкости, но для каждой конкретной жидкой среды максимум кавитационного эффекта достигается только при одном определенном значении указанного соотношения.

Кроме того известно, что тела, помещенные в ограниченный стенками поток жидкости (в данном случае кавитаторы), обладают существенным гидравлическим сопротивлением. При течении жидкости через проточную камеру на преодоление гидравлического сопротивления кавитаторов расходуется часть потенциальной энергии жидкости и, следовательно, уменьшается ее давление.

В известном реакторе вследствие постоянного по всей длине поперечного сечения проточной камеры скорость жидкости остается постоянной. Поэтому из-за падения давления нарушается оптимальное соотношение между давлением и скоростью жидкости, что во всех случаях снижает интенсивность кавитационного воздействия. Этот недостаток усугубляется тем, что кавитаторы выполнены в виде отдельных конусов, что приводит к дополнительной неоднородности поля скоростей и тем самым нарушает оптимальное соотношение между давлением и скоростью даже в пределах одной ступени кавитаторов.

Задача изобретения по обоим вариантам в гидродинамическом кавитационном реакторе путем изменения формы проточной камеры уменьшить гидравлическое сопротивление реактора и сохранить оптимальное соотношение между давлением и скоростью обрабатываемой жидкости и, как следствие, обеспечить максимальную интенсивность кавитационной обработки, что позволит сократить время обработки и затраты энергии.

Задача решается тем, что в гидродинамическом кавитационном реакторе как по первому, так и по второму вариантам, содержащем последовательно расположенные конфузор и проточную камеру, в которой на расстоянии друг от друга установлены кавитаторы, согласно изобретению полость проточной камеры выполнена в виде участков, последовательно расширяющихся в зоне установки кавитаторов в направлении от конфузора. При этом площадь поперечного сечения каждого последующего участка больше площади поперечного сечения предыдущего участка в 1,05-1,45 раза.

В отличие от реактора по первому варианту в гидродинамическом кавитационном реакторе по второму варианту кавитаторы установлены на продольно расположенном в проточной камере осевом стержне.

Вне зависимости от варианта исполнения выполнение полости проточной камеры, как указано выше, приводит к уменьшению скорости вследствие увеличения сечения очередного участка и, с учетом падения давления из-за гидравлического сопротивления предшествующего участка, позволяет таким образом сохранить оптимальное соотношение между давлением и скоростью и, соответственно, достичь максимальной интенсивности кавитационной обработки на каждом кавитаторе.

Соотношение между площадями поперечных сечений последующего и предыдущего участков установлено экспериментально. При этом установлено, что при значении этого соотношения ниже, чем 1,05, скорость в последующем участке практически не изменяется и соблюдение оптимального соотношения между давлением и скоростью жидкости невозможно даже при минимальном гидравлическом сопротивлении предыдущего участка. При значении указанного соотношения выше, чем 1,45, происходит резкое падение скорости на каждом последующем участке, что приводит к снижению интенсивности кавитационного воздействия.

Задача решается и тем, что в реакторе по первому варианту кавитаторы выполнены в виде трехгранных призм, установленных поперек проточной камеры и направленных ребром в сторону конфузора, что исключает потребность в крепежных элементах и этим снижает гидравлическое сопротивление кавитаторов, а также тем, что в реакторе по второму варианту кавитаторы, установленные на продольном стержне, выполнены в виде охватывающих этот стержень колец, имеющих в сечении форму треугольника, направленного вершиной в сторону конфузора, что повышает надежность и долговечность реактора, предотвращая разрушение его стенок под действием кавитации. Такое выполнение кавитаторов создает в потоке протяженную и равномерно размещенную в поперечном сечении проточной камеры зону кавитации, что позволяет максимально увеличить количество образующихся в хвосте каверны кавитационных микропузырьков, при схлопывании которых образуются высокоскоростные (до сотен метров в секунду) микроструйки, зоны повышенного давления и ударные волны. Эти явления, представляющие собой сущность кавитационного воздействия, и создают эффекты смешивания, диспергирования, эмульгирования и ускорения химических реакций.

Задача решается также и тем, что в реакторах по первому и второму вариантам переход между двумя смежными участками выполнен в виде диффузора, а также тем, что в реакторах по обоим вариантам первый кавитатор установлен непосредственно за конфузором, а каждый последующий в диффузоре, соединяющем два смежных участка. Этим исключается резкое многократное изменение параметров текущей жидкости и снижается гидравлическое сопротивление каждого участка. Такое снижение гидравлического сопротивления каждого участка позволяет, не увеличивая гидравлического сопротивления всего реактора, установить в нем большее число кавитационных участков и тем самым увеличить интенсивность кавитационного воздействия, не увеличивая затрат энергии на прокачивание жидкости через кавитационный реактор.

На фиг. 1 гидродинамический кавитационный реактор по первому варианту, продольный разрез; на фиг. 2 гидродинамический кавитационный реактор во второму варианту, продольный разрез.

Как показано на чертежах, реактор как по первому, так и по второму варианту имеет последовательно расположенные конфузор 1 и проточную камеру 2. В полости проточной камеры 2 вдоль нее на расстоянии друг от друга установлены кавитаторы 3, образующие кавитирующие ступени. Полость проточной камеры 2 выполнена в виде участков 4, 5, 6 с последовательно ступенчато увеличивающимся в направлении от конфузора 1 поперечным сечением. Количество участков зависит от их гидравлического сопротивления и энергетических параметров потока жидкости и определяется, как и длина участков, по известным зависимостям.

Площадь поперечного сечения каждого последующего участка, например 5, больше площади поперечного сечения каждого предшествующего участка, например 4, в 1,05 1,45 раза. Такая же зависимость и между участками 5 и 6. Как указывалось выше, эта зависимость определена экспериментально. Большие значения выбираются при обработке жидкостей с большей плотностью.

Как показано на фиг. 2, в реакторе по второму варианту кавитаторы 3 установлены на закрепленном в полости проточной камеры продольном стержне 7.

Как показано на фиг.1, расширенные участки 5 и 6 в реакторах по обоим вариантам могут быть выполнены путем расточек проточной камеры, при этом стержень 7 в реакторе по второму варианту выполнен с постоянным сечением (на чертеже не показано). Как показано на фиг. 2 в реакторе по второму варианту расширенные участки 5 и 6 могут быть выполнены проточками на стержне 7. В реакторе по второму варианту эти участки могут быть образованы как проточками на стержне, так и расточками проточной камеры (не показано).

В реакторе по первому варианту кавитаторы 3 выполнены в виде трехгранных призм, установленных поперек камеры 2 и направленных одним из ребер в сторону конфузора 1. В реакторе по второму варианту кавитаторы 3 выполнены в виде охватывающих стержень 7 колец, имеющих в сечении форму треугольника, направленного вершиной в сторону конфузора 1. Размеры кавитаторов 3 определяются по известным зависимостям с учетом параметров жидкости и размера реактора.

В реакторе по первому и по второму вариантам переходы между двумя смежными участками выполнены в виде диффузоров 8, при этом первый кавитатор 3 установлен непосредственно за конфузором 1, а каждый последующий в диффузоре 8.

Вне зависимости от варианта исполнения заявленный реактор работает следующим образом.

Подлежащая кавитационной обработке жидкая среда подается в конфузор, где она ускоряется и обтекает первый кавитатор 3. При этом выдерживается оптимальное соотношение между давлением и скоростью жидкости, которое определяется по известным зависимостям, исходя из рода жидкости и цели кавитацинной обработки.

За кавитатором образуется каверна определенной длины, при замыкании которой в ее хвосте образуется множество отдельных кавитационных пузырьков. Эти пузырьки схлопываются с образованием высокоскоростных микроструек жидкости, скорость которых достигает сотен метров в секунду, локальных зон повышенного давления и ударных волн. Под действием этих факторов происходит требуемая кавитационная обработка жидкой среды, например при смешивании разнородных жидкостей происходит образование весьма стойких эмульсий, при гомогенизации молока дробление жировых шариков, при растворении твердых тел их дробление и срыв с их поверхности пограничного слоя, что существенно ускоряет процесс растворения.

При прохождении жидкости через первый кавитационный участок часть ее потенциальной энергии затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления кавитатора и стенок кавитационного участка при этом давление жидкости падает и нарушается установленное соотношение между ее давлением и скоростью. При протекании жидкости через диффузор 8, соединяющий участки 4 и 5, скорость жидкости снижается и восстанавливается установленное соотношение между скоростью и давлением. А при обтекании установленного в этом диффузоре кавитатора происходит образование каверны и повторяется указанное выше кавитационное воздействие. Так же происходит обработка жидкости высокоскоростными микроструйками, локальным давлением и ударными волнами, генерируемыми кавитатором 3, установленным в диффузоре между участками 5 и 6.

Таким образом, происходит обработка жидкости на всех кавитационных ступенях, генерирующих высокоскоростные микроструйки, локальные зоны повышенного давления и ударные волны заданной мощности, вследствие чего значительно сокращается время обработки.

Сущность изобретения: вне зависимости от варианта исполнения, гидродинамический кавитационный реактор содержит последовательно расположенные конфузор и проточную камеру. В проточной камере установлены кавитаторы, а ее полость выполнена в виде участков, ступенчато расширяющихся в направлении от конфузора, при этом поперечное сечение каждого последующего участка больше поперечного сечения предшествующего участка в 1,05-1,45 раза. В реакторе по второму варианту кавитаторы установлены на продольном стержне, расположенном по оси реактора. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидродинамический кавитационный реактор, содержащий последовательно расположенные конфузор и проточную камеру, в которой на расстоянии друг от друга установлены кавитаторы, отличающийся тем, что полость проточной камеры выполнена в виде участков, последовательно расширяющихся в зоне установки кавитатора в направлении от конфузора, при этом площадь поперечного сечения каждого последующего участка больше площади поперечного сечения предшествующего участка в 1,05 1,45 раза. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что кавитаторы выполнены в виде трехгранных призм, установленных поперек камеры и направленных одним из ребер в сторону конфузора. 3. Гидродинамический кавитационный реактор, содержащий последовательно расположенные конфузор и проточную камеру, в которой на расстоянии друг от друга на продольно расположенном стержне расположены кавитаторы, отличающийся тем, что полость проточной камеры выполнена в виде участков, последовательно расширяющихся в зоне установки кавитаторов в направлении от конфузора, при этом площадь поперечного сечения каждого последующего участка больше площади поперечного сечения предшествующего участка в 1,05 1,45 раза. 4. Реактор по п. 3, отличающийся тем, что кавитаторы выполнены в виде охватывающих стержень колец, имеющих в сечении форму треугольника, направленного вершиной в сторону конфузора. 5. Реактор по п.1 или 3, отличающийся тем, что каждый переход между двумя смежными участками полости проточной камеры выполнен в виде диффузора. 6. Реактор по п.1 или 3, отличающийся тем, что первый кавитатор установлен непосредственно за конфузором, а каждый последующий в диффузоре, соединяющем два смежных участка.