ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ КАВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2000 года по МПК F15D1/02 F24J3/00 

Изобретение относится к области технической гидродинамики и может быть использовано в устройствах, предназначенных для интенсивной обработки потоков жидкости с целью повышения их энергии.

Кавитация относится к физическим явлениям, промышленное использование которых в настоящее время активно развивается, не будучи до конца исследованным. В зависимости от конструкции кавитационных аппаратов кавитационное воздействие на жидкую среду может быть различным: кумулятивно-ударным, энергетическим, ионизационным и др.

Известно кавитационное устройство, содержащее ультразвуковой активатор, в котором эффект кавитации возникает за счет создания периодически изменяющегося давления. В результате кинетическая энергия преобразуется в энергию ионизации молекул жидкости (Пат. РФ 2054604, F 24 J 3/00, 1995 г.).

Недостатком данного устройства является сложность его конструкции.

Известно устройство для повышения энергии жидкости с целью облегчения ее перекачивания, содержащее кавитирующую трубку Вентури, в которой генерируются колебания давления жидкости (Авт. Свид. СССР 543824, F 28 F 13/10, 1977 г.).

Недостатком известного устройства является низкая интенсивность кавитации, создаваемой в нем.

Известно устройство для диспергирования жидкости, содержащее корпус, в который через тангенциально расположенный штуцер впрыскивается газожидкостная смесь, и сферическую крышку, расположенную на противоположном торце корпуса. В корпусе формируется закрученный поток, который совершает петлевое движение у сферической крышки, возвращается к началу движения, где его выводят через центральное сопло, в результате чего происходит диспергирование жидкости (Авт. Свид. СССР 1685543, B 05 B 7/10, 1991 г.)
Конструкция данного устройства направлена на получение тонко диспергированной жидкости без изменения ее энергетических характеристик.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является гидродинамический кавитационный аппарат, выполненный в виде трубы, содержащей входное и выходное отверстия, цилиндрическую камеру, кавитационную вставку и конфузорную камеру (Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. Киев. Вища школа, 1984 г., c.12-13, 32).

Недостатком известного аппарата является подверженность эрозии мест кавитации, нестабильность характеристик процесса кавитации, трудность управления аппаратом.

Техническим результатом, достигаемым в аппарате предложенной конструкции является стабилизация характеристик кавитации, повышение интенсивности процесса за счет увеличения количества точек генерирования кавитации, получение энергонасыщенного потока жидкости, упрощение управления аппаратом.

Этот результат достигается за счет того, что гидродинамический кавитационный аппарат, выполненный в виде трубы, содержащей входное и выходное отверстия, цилиндрическую камеру, кавитационную вставку и конфузорную камеру, согласно изобретению снабжен торцевой крышкой, соосной камерой-рубашкой, приемником потока, камерой- глушителем, причем торцевая крышка содержит периферийные тангенциальные каналы для подвода жидкости от насоса в цилиндрическую камеру и каналы для соединения цилиндрической камеры с камерой-рубашкой и расположена во входном отверстии, приемник потока выполнен цилиндроконическим с отверстиями и спиральными каналами, соединяющими цилиндрическую камеру с кавитационной вставкой, и расположен на выходе из цилиндрической камеры, кавитационная вставка выполнена в виде коаксиального сопла и помещена в конфузорную камеру, выполненную в виде кольцевого канала и соединенную каналами с камерой-рубашкой, а камера-глушитель расположена на выходе из аппарата.

Устройство гидродинамического кавитационного аппарата в продольном разрезе изображено на чертеже.

Устройство выполнено в виде трубы, которая на входе ограничена торцевой крышкой 1, играющей роль ускорителя потока, в которой выполнены периферийные тангенциальные каналы 2, через которые жидкость от насоса подается в цилиндрическую камеру 3. С противоположного конца камера ограничена приемником потока 4 с расположенными по цилиндрической поверхности спиральными каналами 6, имеющими вход через отверстия 5 для соединения с кавитационной вставкой-соплом 7, помещенным в конфузорную камеру 8. Кольцевая камера-рубашка 9 соединена с цилиндрической камерой каналами 10, с конфузорной камерой каналами 11. Конфузорная камера переходит в камеру-глушитель 12, из которой жидкость выпускается через выходное отверстие.

Аппарат работает следующим образом.

Жидкость насосом подается в цилиндрическую камеру 3 через периферийные тангенциальные каналы 2, расположенные в крышке, сечение которых позволяет увеличить окружную скорость потока. При выходе из тангенциальных каналов в цилиндрическую камеру закрученный поток нагревается за счет расширения и совершает дальнейшее вращательно-поступательное движение в направлении приемника потока, имея повышенное давление в области периферии цилиндрической камеры и пониженное давление в осевой части потока. В результате этого часть потока разворачивается и, совершая вращательно-поступательное движение в зоне пониженного давления, направляется в сторону крышки, при этом в зоне пониженного давления образуются кавитационные пузырьки.

Периферийный поток, достигнув приемника потока 4, через отверстия 5 попадает в спиральные каналы 6, проходя которые, увеличивает свою окружную скорость, а далее во внутреннюю полость кавитационной вставки-сопла 7.

Закрученный осевой поток с пониженным давлением, достигнув торцевой крышки цилиндрической камеры, через входное отверстие в центре крышки и радиальные каналы 10 в ней разгоняется и направляется в камеру-рубашку 9. При попадании в камеру-рубашку поток расширяется и происходит частичный нагрев. Из камеры-рубашки поток через каналы 11 попадает в кольцевой канал конфузорной камеры 8. Два потока: вращательно-поступательный, образованный в кавитационной вставке-сопле 7 и поступательный из конфузорной камеры 8 в узкой части кольцевого канала встречаются и смешиваются, имея различную скорость и давление. Это приводит к возникновению максимального количества кавитационных пузырьков определенного размера. При их схлопывании кинетическая энергия переходит в тепловую, в результате чего температура жидкости повышается.

В камере-глушителе 12 гасятся турбулентно-кавитационные процессы, ламинарный поток нагретой жидкости через выходное отверстие поступает в трубопровод, через насос возвращается в аппарат для дальнейшего нагрева. При достижении жидкостью требуемой температуры ее применяют для обогрева.

При использовании в качестве жидкости воды за один проход ее в объеме 12 куб. м/час через кавитационный аппарат диаметром 160 мм температура повышается не менее, чем на 2 град.С. Количество приращенной энергии составляет не менее 26 300 кДж при расходе энергии на перекачку воды 18 000 кДж. Если энергию, израсходованную на перекачку воды, использовать при прямом электрическом нагреве воды, то при одинаковом расходе воды и допущении 100% КПД рост температуры составит не более 0.35 град.С.

Аппарат предназначен для интенсивной обработки потоков жидкости с целью повышения их энергонасыщенности. Цель изобретения - стабилизация характеристик кавитации, снижение эрозии частей аппарата, получение энергонасыщенных потоков жидкости, в том числе воды. Аппарат выполнен в виде трубы, содержащей на входном отверстии торцевую крышку - ускоритель потока, цилиндрическую камеру-разделитель потока, камеру-рубашку, приемник потока, кавитационную вставку-сопло, помещенную в конфузорную камеру, выполненную в виде кольцевого канала, и камеру-глушитель. Поток жидкости, подаваемый через каналы в торцевой крышке, в цилиндрической камере за счет вращения разделяется на периферийный нагретый и осевой, более холодный. Периферийный поток через приемник потока поступает во внутреннюю часть кавитационной вставки-сопла, осевой поток через каналы в торцевой крышке поступает в камеру-рубашку, а из нее через радиальные каналы - в конфузорную камеру. При смешивании двух потоков на выходе из сопла возникает кавитация, в результате чего накопленная при движении кинетическая энергия переходит в тепловую, жидкость нагревается. Техническим результатом, достигаемым в аппарате предложенной конструкции, является стабилизация характеристик кавитации, повышение интенсивности процесса за счет увеличения количества точек генерирования кавитации, получение энергонасыщенного потока жидкости, упрощение управления аппаратом. 1 ил.

Гидродинамический кавитационный аппарат, выполненный в виде трубы, содержащей входные и выходные отверстия, цилиндрическую камеру, кавитационную вставку и конфузорную камеру, отличающийся тем, что он снабжен торцевой крышкой, соосной камерой-рубашкой, приемником потока, камерой-глушителем, причем торцевая крышка содержит периферийные тангенциальные каналы для подвода жидкости от насоса в цилиндрическую камеру и каналы для соединения цилиндрической камеры с камерой-рубашкой и расположена во входном отверстии, приемник потока выполнен цилиндроконическим с отверстиями и спиральными каналами, соединяющими цилиндрическую камеру с кавитационной вставкой, и расположен на выходе из цилиндрической камеры, кавитационная вставка выполнена в виде коаксиального сопла и помещена в конфузорную камеру, выполненную в виде кольцевого канала и соединенную каналами с камерой-рубашкой, а камера-глушитель расположена на выходе из аппарата.