КАВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2001 года по МПК B01F7/10 B01F11/02 

Изобретение относится к устройствам для создания искусственной кавитации с целью использования возникающих кавитационных эффектов для интенсификации физико-химических процессов в различных отраслях промышленности: химической, пищевой, биохимической и др.

Устройство может быть использовано для обеззараживания и дезактивации жидкостей, а также в качестве компактного и высокоэффективного источника тепла в любой отрасли народного хозяйства.

Известен активатор физико-химических процессов, использующий эффекты гидродинамической кавитации, создаваемой в замкнутой камере с протекающей через нее жидкой рабочей средой [1]. В катере установлены статор и на приводном валу ротор, при вращении которого в результате взаимодействия статора и ротора с рабочей средой возникают кавитационные явления, сопровождающиеся локальными значительными по величине повышениями температуры и давления, которые являются инициирующими факторами различных физико-химических процессов.

Недостатками указанного устройства являются невысокая производительность и относительно низкая эффективность активации, особенно для энергоемких технологических процессов, обусловленные значительными потерями энергии на диссипативные явления - гидравлическое трение, преодоление гидродинамического сопротивления среды и др.

Известен кавитационный активатор, в котором режим кавитации создается в интенсивном ультразвуковом поле, возбуждаемом в жидкой рабочей среде [2].

Известный активатор состоит, по меньшей мере, из двух рабочих камер, в первой из которых имеется входное отверстие для подачи рабочей среды, во второй - выходное. В каждой камере на приводном валу установлен ротор, представляющий собой рабочее колесо центробежного насоса. По окружности рабочего колеса закреплено кольцо с отверстиями. Статор выполнен в виде концентричного с ротором кольца с отверстиями, расположенными напротив отверстий в кольце ротора.

При вращении ротора рабочая жидкость колесом центробежного насоса подается на его выход и проходит через отверстия в кольцах ротора и статора, которые периодически перекрываются. Когда отверстия закрываются, давление в камере возрастает до некоторого максимального значения, определяемого напором жидкости на входе и напором насоса, т.е. его мощностью, при открывании падает до минимального значения, определяемого требуемым расходом, т.е. производительностью устройства. Таким образом, при работе устройства в рабочей среде возбуждается и распространяется переменное поле давлений, т.е. звук.

В известном устройстве количество отверстий в кольцах ротора и статора, скорость вращения и перепад давлений выбраны таким образом, что в рабочей среде возбуждается ультразвук, интенсивность которого достаточна для того, чтобы в среде возникли кавитационные явления, эффекты которых (локальные повышения давления и температуры, ионизация частиц среды и др.) активируют необходимые физико-химические процессы.

Недостатками известного устройства являются ограниченные эффективность активации физико-химических процессов и производительность устройства, обусловленные следующими причинами.

Известно (см. , например, Л. Д.Ландау, А.И.Ахиезер, Е.М. Лифшиц "Курс общей физики". -М.-1965 г), что кавитация ограничивает интенсивность ультразвука в жидкой среде. В известном устройстве увеличение интенсивности ультразвука связано с повышением перепада давлений p(max)-p(min) в рабочей камере, что, в свою очередь, ведет к увеличению мощности центробежного насоса или количества последовательно работающих устройств (как предложено авторами). Оба указанных способа приводят к увеличению размеров, массы, энергопотребления и стоимости устройства.

Более того, увеличение интенсивности ультразвука в известном устройстве указанными экстенсивными средствами ограничено тем, что при его работе в зазоре между роторными и статорными кольцами уже при относительно малых скоростях вращения ротора возникает гидродинамическая кавитация, которая ограничивает интенсивность генерируемого ультразвука. Указанное ограничение приводит к тому, что интенсивность кавитационных явлений и, соответственно, эффективность активации в известном устройстве не превосходят эффективности гидродинамических активаторов.

Кроме того, в известном устройстве интенсивность ультразвука нестабильна и существенно зависит от напора рабочей жидкости на входе и скоростного режима ротора, что ухудшает качество активации и создает определенные эксплуатационные проблемы, связанные с необходимостью контроля и регулировки режимов работы.

Целью настоящего изобретения является создание высокоэффективного кавитационного аппарата для активации различных физико-химических процессов в жидких средах, лишенного указанных недостатков.

Для этого в известном кавитационном аппарате, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями для рабочей жидкости, образующий рабочую камеру, в которой размещены ротор на приводном валу и статор, последние состоят из чередующихся между собой дисков, установленных перпендикулярно оси симметрии камеры, при этом первый от входа диск ротора имеет, по меньшей мере, две расположенные в его плоскости равномерно по окружности радиальные лопасти, передняя по ходу вращения часть которых выполнена в виде клина, задняя - параллелепипеда с радиальными проточками на его боковых гранях, во втором диске ротора и в дисках статора, установленных между дисками ротора, выполнены радиальные прорези, равномерно расположенные по своим окружностям, последний диск ротора выполнен перфорированным.

На фиг. 1 изображено осевое сечение кавитационного аппарата.

На фиг. 2 - ротор кавитационного аппарата.

На фиг.3 - две проекции диска статора.

Заявляемый кавитационный аппарат содержит корпус 1, образующий рабочую камеру 2 с входным 3 и выходным 4 отверстиями, приводной вал 5, первый роторный диск 6 с лопастями 7, первый статорный диск 8, второй роторный диск 9, второй статорный диск 10, прорези 11 в дисках 8, 9, 10, третий роторный диск 12 с перфорацией 13, проточки 14.

Работает устройство следующим образом. При вращении ротора режущие лопасти 7 диска 6 рассекают рабочую жидкость в камере 2. За счет действия клина лопасти напряжения, возникающие в жидкости, значительно превышают предел прочности жидкости, вследствие чего на режущей кромке лопасти 7 происходит разрыв сплошности жидкости и позади лопасти образуется большая кавитационная полость. Одновременно скошенной гранью клина жидкость отбрасывается в направлении выхода 4 из камеры 2, т.е. создается ток жидкости в нужном направлении. Следующей набегающей лопастью образовавшаяся кавитационная полость дробится на более мелкие кавитационные полости, которые с током жидкости через прорези 11 статорного диска 8 проходят к следующей паре кавитатора - роторному диску 9 и статорному диску 10, где процесс образования и дробления кавитационных полостей продолжается. В зоне второго 9 и третьего 12 дисков ротора интенсивно образуются кавитационные пузырьки оптимальных размеров, которые при схлопывании инициируют мощные кавитационные эффекты, активирующие физико-химические процессы в рабочей среде.

Таким образом, режущие лопасти ротора одновременно выполняют две функции: являются инициаторами кавитационных пузырьков и создают необходимый ток рабочей жидкости через камеру. Это позволило исключить из аппарата элементы нагнетательного насоса и уменьшить тем самым непроизводительные затраты энергии, т. е. увеличить КПД кавитационного аппарата. Использование второго диска ротора с прорезями и последнего перфорированного диска позволило интенсифицировать образование кавитационных пузырьков оптимальных размеров в зоне действия этих дисков, т.е. дополнительно повысить эффективность активации. Кроме того, в предлагаемом аппарате возможно использование однотипных статорных дисков с прорезями произвольного сечения, например прямоугольного, что снижает затраты на его изготовление.

Испытания опытного образца кавитационного аппарата показали, что его КПД по сравнению с известным в 4 раза выше. Настоящий аппарат при изготовлении технологичнее прототипа, некритичен к точности сборки и, в конечном счете, требует меньших затрат на его производство и эксплуатацию.

Кавитационный аппарат может быть использован как генератор тепла. В настоящее время опытный образец используется на судах речфлота для обеззараживания воды.

Список литературы:
1. Авторское свидетельство N 1358140, МКИ B 01 F 11/02. Кавитационный смеситель.

2. PCT N 94/09894, МКИ B 01 F 7/00, 11/00. Ультразвуковой активатор.

Кавитационный аппарат относится к устройствам для создания искусственной кавитации в жидких средах с целью интенсификации различных физико-химических процессов. Аппарат содержит корпус с входным и выходным отверстиями, образующий рабочую камеру, в которой установлены на приводном валу ротор и статор. Ротор и статор состоят из чередующихся между собой дисков. Первый диск ротора имеет радиальные лопасти, передняя по ходу вращения часть которых выполнена в виде клина, задняя - параллелепипеда. Второй диск ротора имеет радиальные прорези, третий диск ротора выполнен перфорированным. Диски статора, установленные между дисками ротора, имеют радиальные прорези. Кавитационный аппарат позволяет повысить эффективность и производительность активации физико-химических процессов в различных отраслях промышленности. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Кавитационный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, образующий рабочую камеру, в которой установлены ротор на приводном валу и статор, отличающийся тем, что ротор и статор состоят из чередующихся между собой дисков, при этом первый от входа диск ротора имеет расположенные в его плоскости радиальные лопасти, передняя по ходу вращения часть которых выполнена в виде клина, задняя - параллелепипеда, во втором диске ротора и дисках статора, установленных между дисками ротора, выполнены радиальные прорези, а третий диск ротора выполнен перфорированным. 2. Кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что плоскости дисков ротора и статора установлены перпендикулярно оси симметрии камеры. 3. Кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что первый диск ротора имеет по крайней мере две лопасти. 4. Кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что лопасти ротора, прорези дисков ротора и статора расположены равномерно по окружности своих дисков. 5. Кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что на боковых гранях параллелепипеда выполнены радиальные проточки.