УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОТОК ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2003 года по МПК F15D1/02 F17D1/20 

Изобретение относится к конструкции устройств для воздействия на поток текучей среды, а более конкретно к конструкции генераторов турбулентного течения и, в особенности, генераторов регулируемой гидродинамической кавитации в потоках текучих сред, которые принудительно пропускают через проточные или рециркуляционные контуры.

Эти устройства могут служить основой:
а) кавитационных теплогенераторов с рециркуляционными контурами для оснащения таких предпочтительно оборудованных теплоаккумуляторами замкнутых автономных систем теплоснабжения (в частности, водяного или парового отопления) и таких частично замкнутых систем горячего водоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, которые работают от сетей электроснабжения в период действия "ночного" тарифа или от источников даровой энергии типа ветродвигателей или малых гидротурбин;
б) таких работающих в интенсивном турбулентном или кавитационном режиме нагревателей-смесителей с проточными контурами, которые предназначены:
для приготовления устойчивых дисперсий из нерастворимых в желаемых дисперсионных средах материалов, например:
- водомазутных эмульсий предпочтительно непосредственно перед впрыском в топки паровых котлов или промышленных печей,
- водных эмульсий антиадгезионных веществ для нанесения покрытий на хлебопекарные формы, литейные формы и формы для изготовления бетонных, железобетонных и иных изделий из липких в исходном состоянии материалов и
- водных суспензий термообработанных для подавления микрофлоры пищевых продуктов, например соевого "молока" и соусов на основе сои;
для гомогенизации и, как правило, одновременной пастеризации или стерилизации:
- таких пищевых продуктов, как молоко, сливки, овощные и фруктовые соки, безалкогольные или слабоалкогольные прохладительные напитки, пиво и т.п.,
- таких лекарственных форм, как растворы медикаментов для инъекций, линименты, мази в виде эмульсий или суспензий медикаментов в подходящих фармацевтических носителях, и
- таких парфюмерных изделий, как лосьоны, питательные кремы и т.п.;
в) таких работающих в интенсивном турбулентном или кавитационном режиме нагревателей-активаторов с проточными или рециркуляционными контурами, которые предназначены для термомеханохимической обработки реакционных смесей, включающих по меньшей мере один твердый инертный материал типа резиновой крошки, перед загрузкой этих смесей в (механо)химические аппараты (например, экструдеры и вулканизационные прессы для формования соответственно погонажных и штучных резинотехнических изделий из смесей, содержащих вторичную резину);
г) преимущественно проточных кавитационных реакторов-нагревателей для термомеханохимической обработки вязких органических материалов, например для термомеханодеструкции отходов нефтепереработки, и
д) преимущественно проточных кавитационных аппаратов для суспендирования твердых хрупких материалов в текучих средах.

Здесь и далее обозначены:
а) термином "текучая среда":
во-первых, такие преимущественно ньютоновские жидкости, как вода, водные и неводные растворы произвольных неорганических и органических веществ, водные эмульсии типа молока, низкоконцентрированные водные и неводные суспензии, пиво и т.д., которые изначально содержат или в которые искусственно вводят примеси растворимых газов (если речь идет о материалах, составляющих основной поток текучей среды, в котором возбуждается турбулентность или кавитация),
во-вторых, такие произвольные материалы, которые вводят в основной поток текучей среды в виде возмущающих струй или примесей при условии, что их расход существенно меньше расхода в основном потоке, и которыми могут служить:
- либо указанные преимущественно ньютоновские жидкости, которые вводят в основной поток обычно в виде возмущающих струй и которые в условиях турбулентности или кавитации полностью совмещаются с основным потоком текучей среды, хотя и могут отличаться от исходного материала основного потока по химическому составу,
- либо вязкие неньютоновские жидкости типа мазута, жидких олигомеров или полимеров, произвольные по составу суспензии и эмульсии, которые обычно в виде примесей принудительно вводят в основной поток текучей среды для обработки в условиях турбулентного или кавитационного течения и которые потом остаются в целевых продуктах,
- либо такие газы, как воздух, кислород, азот, диоксид углерода и т.д., которые практически всегда служат технологическими примесями и которые дозированно вводят в основной поток и выводят из него после завершения желаемой обработки текучих сред в условиях турбулентного течения или кавитации;
б) термином "проточный контур" (устройства для воздействия на поток текучей среды) - набор последовательно связанных средств, который работает в режиме по меньшей мере периодического безвозвратного отбора обработанной текучей среды на потребление и, соответственно, по меньшей мере периодической подпитки свежей текучей средой и который, как минимум, включает такой набор функционально обособленных узлов:
на входе - произвольный насос непрерывного действия, подключенный к источнику текучей среды, подлежащей какой-либо обработке в турбулентном или кавитационном режиме,
после насоса - по меньшей мере одно средство турбулизации потока такой среды и
на выходе - средство подачи обработанной текучей среды к по меньшей мере одному потребителю (обычно в виде отрезка трубы с фланцем или иным соединительным элементом) - и
может иметь средство обратной связи для обеспечения кратковременной рециркуляции текучей среды относительно средства турбулизации ее потока;
в) термином "рециркуляционный контур" (устройства для воздействия на поток текучей среды) - набор функционально обособленных узлов, который:
содержит по меньшей мере три указанных выше средства и обязательно дополнен:
- во-первых, по меньшей мере одним средством обратной связи для обеспечения постоянной рециркуляции текучей среды относительно средства турбулизации ее потока и,
- во-вторых, средствами для первичного заполнения и по меньшей мере периодической подпитки контура текучей средой для компенсации ее потерь;
г) термином "канал (для прокачивания потока обрабатываемой текучей среды)" - обычно сборный трубопровод, который состоит из нескольких жестко связанных между собой частей необязательно круглого и необязательно одинакового по длине поперечного сечения, на вход которого из выходного патрубка насоса под требуемым для турбулизации напором поступает текучая среда, внутри которого происходят обработка такой среды в режиме турбулентного или кавитационного течения и, возможно, ее предварительное успокоение и к выходу из которого подключен по меньшей мере один потребитель обработанной текучей среды;
д) термином "средство турбулизации" - по меньшей мере одно такое подходящее средство, которое способно прерывать ламинарное течение текучей среды и которое выбрано из числа указанных ниже возможных механических и/или гидравлических средств, размещаемых внутри и/или вне канала преимущественно вблизи выхода из нагнетательного патрубка насоса;
е) термином "средство дегазации" - произвольное средство, способное подходящим путем, например механическим удалением выделившихся из жидкости произвольных летучих газов, понижать их концентрацию в турбулизованной текучей среде;
ж) термином "обратная связь" - байпасный трубопровод, который соединяет выбранный участок канала со входом в выбранный функциональный элемент устройства (например, насос, средство турбулизации и т.д.) и который по желанию может быть оснащен подходящим запорно-регулирующим элементом;
з) термином "запорно-регулирующий элемент" - подходящий кран или вентиль с ручным или автоматическим управлением.

Специалистам в области гидравлики и гидротехники известно:
что турбулентное, то есть бурное, характеризуемое неупорядоченными траекториями частиц течение текучей среды в закрытом канале всегда сопровождается тем более интенсивным преобразованием части кинетической энергии потока такой среды в теплоту и ее тем более интенсивным перемешиванием (и гомогенизацией), чем более фактическое число Рейнольдса в потоке превышает критическое значение этого числа для определенной текучей среды;
что турбулентное течение текучей среды в закрытом канале может служить необходимой предпосылкой кавитации;
что кавитация возникает при нарушении сплошности капельной жидкости из-за локальных падений давления ниже такого критического значения, которое практически равно давлению насыщенного пара этой жидкости при конкретной температуре;
что, как подробно пояснено ниже, переход текучей среды из режима турбулентного течения в режим кавитации существенно облегчается, если в этой среде присутствуют примеси растворенных газов, в частности воздуха, и
что турбулентность и кавитация, если они возникают спонтанно, в технике обычно нежелательны.

Действительно, турбулентность и, тем более, кавитация, сопутствующие работе судовых движителей, рабочих колес гидротурбин и рабочих органов насосов или гидромоторов, понижают их к.п.д., порождают сильный гидродинамический шум, вызывают эрозию и нередко приводят к преждевременному и, что особенно опасно, к неожиданному разрушению указанных частей гидромашин.

Именно в таком аспекте спонтанная турбулентность и спонтанная же нерегулируемая кавитация и ее последствия описаны в большинстве энциклопедических справочников (см. , например, статьи "cavitation", "cavitation erosion", "cavitation noise" и "turbulence" в словаре McGrow-Hill, Dictionary of Scientific and Technical Terms, Second Edition).

Поэтому процессы генерирования тепла преобразованием кинетической энергии жидкости в тепловую энергию и химические процессы в потоках жидких сред нередко проводят так, чтобы ослабить, а иногда совсем исключить не только кавитацию, но и турбулентность.

Например, из SU 1627790 А1 известен сугубо фрикционный теплогенератор, в котором нагрев жидкой среды происходит вследствие ее трения о рабочие органы, приводимые во вращение от ветродвигателя.

Этот теплогенератор работает в близком к ламинарному режиме, что исключает кавитацию, и потому весьма надежен в эксплуатации. Однако он по очевидным для специалистов причинам имеет низкую удельную мощность и низкую же теплопроизводительность.

Существенно более мощный и производительный двухконтурный теплогенератор по SU 1703924 А1 имеет внутренний контур рециркуляции жидкого теплоносителя с центробежным насосом как средством разгона и турбулизации потока этого теплоносителя и водо-водяным кожухотрубчатым теплообменником как средством отбора тепла во внешний, потребительский контур. Текучая среда в таком теплогенераторе нагревается вследствие настолько интенсивной турбулизации, что она способна породить кавитацию. Поэтому на центральном входном патрубке внутреннего контура установлен эжектор, который обеспечивает питание насоса жидкостью с повышенным исключающим кавитацию давлением.

Таким образом, целенаправленная турбулизация заметно улучшает теплофизические характеристики теплогенератора, но попутно порождает такую потребность в ослаблении гидродинамического шума, уменьшении вибраций и повышении надежности, которая актуальна для всех устройств, турбулизующих поток текучей среды.

Специалистам понятно, что преднамеренный переход в кавитационный режим, который способен еще более повысить эффективность генерирования тепла или физико-химической обработки каких-либо веществ в потоках текучих сред, существенно усилит и указанную потребность. Поэтому турбулентность и, тем более, кавитацию, возбуждаемые в текучих средах, необходимо эффективно регулировать.

Требуемое регулирование легко обеспечить в относительно малых (до 10 л, а чаще менее 5 л) по объему аппаратах периодического действия, применяемых, например, для очистки произвольных деталей машин от жировых загрязнений перед нанесением лакокрасочных или металлических покрытий и для получения устойчивых суспензий или эмульсий диспергированием твердых или жидких материалов в не растворяющих их жидкостях и т.п.

Эти давно известные процессы обычно проводят с применением ультразвуковых средств локального целенаправленного возбуждения акустической кавитации (см. Политехнический словарь. - М.: Советская Энциклопедия, 1976, статья "Ультразвуковая обработка", с.520).

Действительно, ультразвук:
во-первых, удобен как "турбулизующий" фактор из-за возможности точного и плавного регулирования частоты и амплитуды колебаний и плотности его мощности в жидкой среде и,
во-вторых, практически незаменим, если кавитацию нужно возбуждать в малом объеме вязкой неньютоновской жидкости или в произвольной жидкости в непроточном сосуде.

Однако во многих областях применения устройств для воздействия на поток текучей среды ее общая масса или расход могут быть весьма велики. Например, замкнутые автономные системы теплоснабжения с рециркуляционными контурами могут вмещать от нескольких тонн до нескольких сотен тонн воды, а расход мазута, который перед подачей в форсунки топок мощных паровых котлов теплоэлектростанций подлежит регулируемому обводнению и эмульгированию в проточных контурах для облегчения сжигания и снижения токсичности продуктов сгорания, может составлять от десятков до сотен тонн в час.

Эксплуатация любых устройств с турбулизацией потока и, тем более, устройств, в которых кавитационной обработке подвергают указанные массы текучих сред, неизбежно сопровождается вибрациями и гидродинамическим шумом. Эти вибрации можно подразделить на:
а) регулярные, характерные для установившегося режима турбулентного или кавитационного течения в произвольном устройстве для воздействия на поток текучей среды и
б) иррегулярные, в том числе:
сопутствующие запуску и остановке произвольного устройства для воздействия на поток текучей среды и
апериодически возникающие как "ударные" нарушения установившегося режима турбулентного или кавитационного течения жидкой среды в таком устройстве.

Вредное влияние регулярных вибраций при длительной работе и кратковременных иррегулярных вибраций при запуске-остановке на надежность нетрудно учесть при проектировании и изготовлении устройств для воздействия на потоки текучих сред упрочнением особо нагруженных частей и применением подходящих амортизаторов и шумопоглотителей.

Гораздо сложнее оказывается борьба с иррегулярными вибрациями "ударного" типа.

Их появлению - при некоторых оговоренных ниже условиях - способствуют упомянутые примеси летучих газов в текучих средах. Эти газы:
либо изначально присутствуют в "сырой" водопроводной воде, которую обычно применяют как основу текучих сред в большинстве проточных и рециркуляционных контуров и которая всегда содержит воздух и хлор или озон,
либо постепенно, но неизбежно накапливаются внутри замкнутых рециркуляционных систем теплоснабжения даже при их заправке дегазированными текучими средами, например глубоко деаэрированной водой.

Такое накопление газов в рециркуляционных контурах обусловлено утечками жидкости через уплотнения в зонах высокого давления (после насосов) и подсосом воздуха через уплотнения в зонах низкого давления (перед всасывающими патрубками насосов).

Избыток воздуха, накапливающийся в обычных работающих на твердом, жидком или газообразном топливе сетях теплоснабжения, во избежание газовых пробок в трубопроводах и теплообменниках периодически стравливают в атмосферу.

Однако текучие среды, обрабатываемые в турбулентном и, особенно, в кавитационном режиме, полностью дегазировать нельзя.

Действительно, при турбулизации потоков текучих сред в произвольных устройствах летучие газы "испаряются" в первую очередь, способствуя лавинообразному увеличению количества и размеров таких пузырьков паровой фазы в жидкости, которые служат "ядрами" или "зародышами" кавитации. Вследствие слияния пузырьков в потоке турбулизованной текучей среды появляются крупные полости (каверны) и возникает развитая кавитация.

При схлопывании каверн в дегазированной текучей среде частицы жидкости из "оболочки" каждой каверны движутся к ее "центру" со скоростью, заметно превышающей скорость распространения звука и составляющей несколько сотен метров в секунду. Именно поэтому кавитационное течение сопровождается частыми (микро)ударами, которые сливаются в мощный гидродинамический шум и порождают вибрации и эрозию деталей каналов.

Если же в кавернах присутствуют летучие газы, которые относительно медленно повторно растворяются в жидких основах текучих сред, то скорость схлопывания каверн снижается. Соответственно ослабевают гидродинамический шум, иррегулярные вибрации при запуске-остановке, регулярные вибрации в установившемся режиме турбулентного или кавитационного течения в каналах и эрозия деталей этих каналов.

Такие полезные эффекты возникают тем быстрее и проявляются тем заметнее, чем выше летучесть и концентрация газов, диспергированных в турбулизованной текучей среде.

К сожалению, при переходе через некоторый "концентрационный порог" примеси газов способствуют появлению настолько больших каверн, что их "хвосты" существенно удаляются от зоны турбулизации потока. Схлопывание таких каверн даже с меньшей, чем в дегазированных текучих средах, скоростью происходит в случайных частях канала и сопровождается резкими (обычно апериодическими) ударами и интенсивной эрозией деталей канала.

Это явление специалисты обозначают термином "суперкавитация". Ее подавление и, по возможности, предупреждение апериодических кавитационных ударов с соответствующим ослаблением эрозии и иррегулярных вибраций возможно лишь при эффективном управлении концентрацией газа в турбулизованных текучих средах.

Однако по имеющимся у изобретателя данным проблема подавления суперкавитации до сих пор эффективно не решена, ибо создатели устройств для воздействия на потоки текучих сред основное внимание уделяли преимущественно средствам турбулизации и их расположению в каналах и таким средствам успокоения турбулизованного потока, которые ослабляют регулярные вибрации и гидродинамический шум в установившемся режиме.

Известные средства турбулизации можно подразделить на три основных вида:
а) механические, в том числе:
либо в виде так называемых "плохо обтекаемых тел", которые жестко закрепляют внутри каналов для прокачки текучих сред с целью интенсивной турбулизацию таких сред далее по потоку (см., например, UA 8051 А и 17850 A, RU 2131094 и др.),
либо в виде уже упомянутых генераторов ультразвуковых колебаний, звукопроводы которых должны быть акустически связаны со стенками каналов для прокачки текучих сред (см., например, SU 1628994 А1 и UA 25035);
б) гидравлические (струйные), например, в виде по меньшей мере одного отверстия в стенке канала для прокачивания основного потока текучей среды, которое открыто непосредственно в полость этого канала и служит для подачи возмущающей струи той же самой или иной по химическому составу текучей среды под углом к направлению основного потока, выбранным предпочтительно в интервале от -60 до +45 (см., например, фигуры 1-3, 5 и 6 и строки 06-38 на с. 10, с. 11 полностью, с. 12 до строки 37 включительно и строки 02-16 на с. 14 в публикации WO 98/42987 Международной заявки PCT/UA 97/00003 этого же изобретателя), и
в) комбинированные из первых двух, например:
либо в виде имеющего центральное отверстие плохо обтекаемого тела, которое закреплено на полом кронштейне в осесимметричном канале для прокачивания основного потока текучей среды, и внешнего источника текучей среды для формирования возмущающей струи, которую подают через полый кронштейн и выпускают навстречу основному потоку через указанное центральное отверстие (см. , например, Седов Л.И. Механика сплошной среды, т.2, Москва, 1976, с. 82),
либо в виде очевидной для специалистов комбинации по меньшей мере одного отверстия в стенке канала для подачи возмущающей струи и введенного в контакт с этой стенкой звукопровода от генератора ультразвуковых колебаний,
либо в виде также очевидной для специалистов комбинации по меньшей мере одного установленного внутри канала плохо обтекаемого тела и звукопровода от генератора ультразвуковых колебаний, введенного в контакт со стенкой этого канала.

Многообразны и средства, используемые для ослабления регулярных вибраций и гидродинамического шума в установившемся режиме. Примерами таких средств могут служить:
а) плавно сопряженные диффузор и цилиндрический отрезок трубы, заполненные шарами разного, возрастающего по потоку диаметра (US 3866630), или
б) хорошо обтекаемое тело, у которого только передняя по потоку относительно короткая часть окружена набором концентрично расположенных плохо обтекаемых тел, имеющих существенно меньший суммарный мидель, а задняя по потоку существенно более длинная часть плавно сужается (US 4212326), или
в) последовательно чередующиеся секции, состоящие из плавно сопряженных диффузоров и конфузоров (RU 2007660).

К сожалению, эти средства успокоения потока:
во-первых, существенно увеличивают гидросопротивление, потери энергии на его преодоление и материалоемкость устройств для воздействия на поток текучей среды, и
во-вторых, слабо влияют на надежность таких устройств на самых ответственных (из-за возможной суперкавитации) участках каналов вблизи зон турбулизации.

Поэтому весьма желательно использовать такие устройства, которые для принудительного успокоения оснащены средствами регулирования концентрации примесей летучих газов в потоках турбулизованных текучих сред.

Из их числа к предлагаемому по технической сути наиболее близко устройство для воздействия на поток текучей среды, схема которого известна из упомянутой публикации WO 98/42987 (см., например, фигуры 2, 4, 6 и, особенно, 8 и 9, строку 38 на с.12, строки 01-32 на с.13, строки 17-38 на с.14 и строки 01-13 на с.15). Оно имеет последовательно расположенные:
насос для непрерывной подачи текучей среды на обработку,
канал для прокачивания потока обрабатываемой текучей среды, подключенный к нагнетательному патрубку насоса,
средство турбулизации потока обрабатываемой текучей среды, которое, в частности, было выполнено в виде по меньшей мере одного отверстия в стенке указанного канала для подачи турбулизующей ("возмущающей") струи в основной поток текучей среды,
по меньшей мере одно средство для дозированного введения газа-успокоителя в турбулизованный поток текучей среды, которое расположено по потоку ниже средства турбулизации, а именно далее последнего отверстия для подачи турбулизующей струи в основной поток текучей среды, и которое подключено к отверстию в стенке канала для подачи газа в поток, и
средство дегазации успокоенного добавкой газа турбулизованного потока, расположенное после указанного отверстия для дозированного введения газа и выполненное, в частности, в виде проточного бака-теплоаккумулятора, у которого:
- придонная часть подключена к выходу из канала после средства для дозированного введения газа-успокоителя в турбулизованный поток текучей среды и потому во время работы устройства всегда заполнена газированной текучей средой и
- только верхняя часть во время работы устройства служит газовой (воздушной) полостью, к которой подключен сепаратор влаги, связанный байпасным газовым трубопроводом с упомянутым отверстием для дозированного введения газа-успокоителя в турбулизованный поток текучей среды.

По этой схеме были построены экономичные теплогенераторы для систем горячего водоснабжения и водяного отопления, обладающие каналами с приемлемым гидросопротивлением и высокой (в расчете на единицу массы) удельной тепловой мощностью.

Однако длительная эксплуатация этих теплогенераторов показала, что протекающая в гравитационном поле Земли внутри баков-теплоаккумуляторов "естественная" дегазация текучих сред, которые были дополнительно газированы после турбулизации потоков, ослабляет гидродинамический шум и регулярные вибрации лишь при условии стабильно низкой начальной концентрации газа (обычно воздуха) в текучей среде (в частности, в воде), подаваемой на турбулизацию, но никоим образом не исключает возможность неожиданных апериодических суперкавитационных ударов, иррегулярных вибраций и кавитационной эрозии.

Действительно, концентрация газа в потоке поступающей в зону турбулизации текучей среды может случайным образом или вследствие вышеупомянутого подсоса воздуха через уплотнения подниматься выше некоторого оптимального значения, которое можно лишь экспериментально определить для каждого конкретного устройства и каждой конкретной текучей среды. Нежелательными следствиями такого развития событий оказываются тем более интенсивная суперкавитация и, соответственно, тем более мощные апериодические удары, чем больше разность фактической и оптимальной концентраций газа в потоке текучей среды.

В основу изобретения положена задача путем усовершенствования средств управления концентрацией газовых примесей создать такое устройство для турбулентного и, в частности, кавитационного воздействия на поток текучей среды, которое независимо от конкретной формы выполнения средств турбулизации потока вследствие более эффективного регулирования концентрации газовых примесей в турбулизованном потоке обеспечивало бы существенное ослабление опасности суперкавитации и обусловленных ею апериодических ударов внутри канала и эрозии частей канала и, следовательно, было бы более надежным в эксплуатации.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве для воздействия на поток текучей среды, имеющем насос для непрерывной подачи текучей среды на обработку, канал для прокачивания потока обрабатываемой текучей среды, подключенный к нагнетательному патрубку насоса, средство турбулизации потока обрабатываемой текучей среды в этом канале и средство дегазации турбулизованного потока, согласно изобретению средство дегазации расположено непосредственно после средства турбулизации потока и оснащено подходящим запорно-регулирующим элементом для управляемого удаления выделяемого газа.

Исключение искусственного газирования турбулизуемой текучей среды после выхода из зоны турбулизации, непрерывная регулируемая дегазация турбулизованного потока и по меньшей мере периодическое удаление избытка газа, например в атмосферу или сборник-накопитель, существенно снижают опасность суперкавитации и обусловленных ею апериодических ударов и эрозии даже при питании насоса такой насыщенной воздухом и хлором или озоном и иными летучими газами текучей средой, как обычная водопроводная вода.

Устройства с указанной простейшей гидравлической схемой могут иметь как проточный, так и рециркуляционный контур, а в качестве средств турбулизации потока в них могут быть использованы любые из вышеперечисленных механических, гидравлических и комбинированных средств. Такие устройства наиболее эффективны при подготовке устойчивых водных, в частности водомазутных, эмульсий и диспергировании твердых веществ, которые могут быть введены в поток текучей среды на участке канала от насоса до средства турбулизации.

Более точное регулирование концентрации газовых примесей в изначально насыщенных газами текучих средах можно обеспечить применением указанных ниже обратных связей.

Так, первое дополнительное отличие состоит в том, что устройство имеет обратную связь для возврата по меньшей мере части текучей среды с гидравлического выхода средства дегазации на вход насоса. На первый взгляд может показаться, что этот частный вариант гидравлической схемы повторяет ранее предложенный тем же изобретателем и уже упомянутый кавитационный теплогенератор, показанный на фиг.8 из публикации WO 98/42987. Действительно, в этом известном теплогенераторе придонная часть бака-аккумулятора, в которой скапливается дегазированная нагреваемая вода и которая может считаться "гидравлическим выходом средства дегазации", подключена на вход насоса.

Однако в известном устройстве эта обратная связь служит лишь для рециркуляции текучей среды (воды), в которую с газового выхода сепаратора влаги на выход средства турбулизации подают газ-успокоитель турбулизованного потока, тогда как в устройстве согласно изобретению эта обратная связь служит именно средством снижения концентрации газовых примесей в текучей среде перед ее турбулизацией, поскольку выделенный из текучей среды газ удаляют. Тем самым усиливается указанный выше эффект подавления суперкавитации.

Следует также отметить, что обратная связь, которая указана как первое дополнительное отличие, предпочтительна при использовании оснащенных ею рециркуляционных устройств для воздействия на поток текучей среды при термообработке (стерилизации или пастеризации) таких жидких пищевых продуктов, как молоко, сливки, фруктовые и овощные соки, минеральная вода и негазированные прохладительные напитки на основе воды, соевое "молоко" и т.п. Эти продукты в исходном виде содержат лишь примеси растворенного воздуха. Воздух имеет относительно слабую коррозионную активность, а его подсос всегда происходит до насоса. Поэтому замыкание обратной связи на вход насоса практически не влияет на коррозионный износ его деталей. Специфический дополнительный эффект, достигаемый с помощью такой обратной связи, заключается в дезодорировании термообработанных молочных продуктов.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что устройство имеет обратную связь для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства дегазации на вход средства турбулизации. Такая обратная связь тоже служит средством снижения концентрации газовых примесей в текучей среде перед ее турбулизацией и в этом аспекте практически тождественна выше указанной обратной связи.

Однако оснащенные ею устройства для воздействия на поток текучей среды предпочтительны при нагреве водопроводной воды или технологических жидкостей, приготовленных на ее основе. Действительно, хлор или озон, которые обычно используют для обеззараживания водопроводной воды, в сравнении с воздухом обладают сильной коррозионной активностью. Их полное удаление из воды, безвозвратно используемой для горячего водоснабжения или иных технологических нужд, экономически нецелесообразно. Поэтому исключение насоса из рециркуляционного контура существенно ослабляет его коррозионный износ.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что устройство имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход насоса. Этот частный вариант структуры предпочтителен в таких устройствах согласно изобретению, которые работают на предварительно глубоко дегазированных, в частности деаэрированных, текучих средах, а именно в кавитационных теплогенераторах в составе замкнутых систем теплоснабжения. Действительно, воздух, подсасываемый в рециркуляционные контуры таких систем, желательно удалять лишь по мере его накопления.

Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что полость указанного канала на участке между выходом насоса и входом в средство турбулизации подключена к средству дозированной подачи газа в канал. Тем самым обеспечиваются:
возможность весьма точного регулирования кавитационного процесса путем длительного поддержания таких оптимальных концентраций газовых примесей, которые обеспечивают формирование в потоках турбулизуемых текучих сред колеблющихся газовых пузырьков, повышающих эффективность нагрева,
возможность насыщения текучих сред такими газами, которые хорошо растворимы и, следовательно, легко усваиваются жидкостью после схлопывания кавитационных каверн (например, диоксидом углерода, который хемосорбируется текучими средами на основе воды).

Пятое и шестое отличия, дополнительные к четвертому, соответственно состоят в том, что устройство имеет обратную связь для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства дегазации либо на вход насоса, либо на вход средства дозированной подачи газа в канал. Этим обеспечивается более тонкое регулирование концентрации газовых примесей в потоке, который поступает на вход средства турбулизации, в случаях, когда для питания проточного или для подпитки рециркуляционного контура используют свежую текучую среду, заведомо содержащую примеси растворенных газов. При этом:
пятое дополнительное отличие аналогично первому дополнительному отличию снижает концентрацию газов в текучей среде на входе в насос, а
шестое дополнительное отличие аналогично второму дополнительному отличию способствует защите насоса от коррозии агрессивными газами, используемыми для обезвреживания водопроводной воды, или летучими органическими кислотами, которые могут появляться в молочном сырье, используемом в производстве кефира или кумыса, при его длительном (от нескольких часов до суток) хранении перед переработкой.

Седьмое, восьмое и девятое отличия, дополнительные к четвертому, соответственно состоят в том, что устройство имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации либо на вход насоса, либо на вход средства дозированной подачи газа в канал, либо на вход средства турбулизации. Этим обеспечивается более тонкое регулирование концентрации газовых примесей в потоке, который поступает на вход средства турбулизации, в случаях, когда для питания проточного или для подпитки рециркуляционного контура используют дегазированную свежую текучую среду. При этом:
седьмое дополнительное отличие предпочтительно использовать либо аналогично третьему дополнительному отличию в замкнутых системах теплоснабжения на основе кавитационных теплогенераторов, либо в устройствах для воздействия на такие текучие среды, которые подлежат термохимической обработке с применением дорогих реагентов, например в устройствах для варки свекловичного сока в присутствии высокочистого оксида кальция с последующей сатурацией реакционной смеси также высокочистым диоксидом углерода;
восьмое дополнительное отличие способствует защите насоса от коррозии химически активными реагентами, используемыми для термохимической активации таких материалов, как масляные и, особенно, кислые гудроны, используемые в производстве битумов, и резиновая крошка, полученная измельчением отходов резины; а
девятое дополнительное отличие способствует повышению кратности обработки двух- и трехфазных текучих сред и повышению качества диспергирования вводимых в них эмульгируемых жидких или суспендируемых твердых веществ.

Десятое, дополнительное к четвертому отличие состоит в том, что устройство имеет обратную связь для возврата части текучей среды с выхода средства дозированной подачи газа в канал на вход насоса. Подпитка насоса газированной текучей средой снижает шум в насосе и нагрузку на его привод.

Одиннадцатое, дополнительное к четвертому отличие состоит в том, что устройство имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа средства дозированной подачи газа в канал на вход насоса. Эта структура наиболее удобна:
при использовании газообразных реагентов, которые наряду с инициированием регулируемой кавитации должны химически модифицировать текучую среду, не оказывая корродирующего действия на детали насоса,
при введении таких газов-пенообразователей, необходимых, например для изготовления взбитых сливок, которые нецелесообразно рециркулировать через насос, и
при работе с текучими средами, изначально, то есть перед подачей в насос, нагретыми до высоких (существенно более 100^oС) температур.

Двенадцатое отличие, дополнительное к основному изобретательскому замыслу или к четвертому отличию, состоит в том, что средство дегазации выполнено в виде дросселя турбулизованной текучей среды и по меньшей мере одного сквозного отверстия в стенке канала в задроссельном пространстве, сообщающегося со входом в запорно-регулирующий элемент.

Тринадцатое, дополнительное к двенадцатому отличие состоит в том, что дроссель выполнен в виде промежуточного конфузора, у которого диаметр входного отверстия превышает диаметр выходного отверстия участка канала, в котором установлено средство турбулизации.

Эта форма выполнения дросселя легко реализуема как в частном варианте стыковки отдельно изготовленного дроссельного конфузора с каналом, так и в частном варианте расточки такого конфузора в материале канала.

Четырнадцатое, дополнительное к двенадцатому отличие состоит в том, что дроссель выполнен в виде расширенного цилиндрического продолжения канала, на входе в которое установлена дроссельная решетка. Такая решетка может быть сменной и, соответственно, может служить средством дополнительного регулирования величины падения давления текучей среды и эффективности выделения газа из нее.

Пятнадцатое, дополнительное к двенадцатому отличие состоит в том, что дроссель выполнен в виде резервуара с проницаемой, например перфорированной или неполной, перегородкой, разделяющей полость этого резервуара на придонную часть для текущего запаса по меньшей мере частично дегазированной обработанной текучей среды и верхнюю часть для приема обработанной текучей среды из участка канала, содержащего средство ее турбулизации, причем выходной торец этого участка канала размещен над указанной перегородкой.

Такая форма выполнения дросселя удобна в кавитационных теплогенераторах, поскольку позволяет включить дроссель в состав промежуточного резервуара-теплоаккумулятора нагретой текучей среды, придонная часть которого может быть подключена и к насосу для рециркуляции этой среды с целью нагрева до требуемой температуры, и к выходной магистрали. Принципиальное отличие такого резервуара от резервуара, известного из WO 98/42987, состоит в том, что согласно изобретению выход нагретой текучей среды в газовое пространство резервуара выполнен над перегородкой, а не в его придонную, заполненную жидкостью часть. Именно поэтому удается безударно "отсекать" хвосты суперкаверн, которые могут возникнуть в турбулизованной текучей среде при избыточной концентрации летучих газов.

Шестнадцатое, дополнительное к пятнадцатому отличие состоит в том, что придонная часть резервуара подключена обратной связью на вход насоса, а верхняя часть резервуара подключена к дополнительному средству глубокой дегазации обработанной текучей среды, газовое пространство которого через запорно-регулирующий элемент связано с атмосферой, а заполненное жидкостью пространство также через запорно-регулирующий элемент связано с напорной магистралью.

Такая форма выполнения устройства согласно изобретению предпочтительна при оснащении автономных систем отопления и/или горячего водоснабжения.

Понятно, что при выборе конкретных форм выполнения устройств для воздействия на потоки текучих сред возможны произвольные комбинации указанных дополнительных отличий с основным изобретательским замыслом и что описанные ниже предпочтительные примеры его воплощения никоим образом не ограничивают объем изобретения.

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и работы предлагаемого устройства со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:
фиг.1 - блок-схема такого простейшего устройства для воздействия на поток текучей среды, которое снабжено только средством дегазации, которое расположено непосредственно после средства турбулизации потока;
фиг.2 - блок-схема такого простейшего устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды с выхода средства дегазации на вход насоса;
фиг. 3 - блок-схема такого простейшего устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды с выхода средства дегазации на вход средства турбулизации;
фиг. 4 - блок-схема такого простейшего устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход насоса;
фиг. 5 - блок-схема такого более сложного устройства для воздействия на поток текучей среды, которое в сравнении с устройством, показанным на фиг.1, на входе в средство турбулизации дополнительно снабжено средством дозированной подачи газа в канал для прокачивания обрабатываемой текучей среды;
фиг. 6 - блок-схема такого более сложного устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды с выхода средства дегазации на вход насоса;
фиг. 7 - блок-схема такого более сложного устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды с выхода средства дегазации на вход средства дозированной подачи газа в канал;
фиг. 8 - блок-схема такого более сложного устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход насоса;
фиг. 9 - блок-схема такого более сложного устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход средства дозированной подачи газа в канал;
фиг. 10 - блок-схема такого более сложного устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход средства турбулизации;
фиг. 11 - блок-схема такого более сложного устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды с выхода средства дозированной подачи газа в канал на вход насоса;
фиг. 12 - блок-схема такого более сложного устройства для воздействия на поток текучей среды, которое имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа средства дозированной подачи газа в канал на вход насоса;
фиг.13 - участок канала с последовательно расположенными входным конфузором, средством дозированной подачи газа в канал, струйным средством турбулизации основного потока обрабатываемой текучей среды и дроссельным средством дегазации обработанной текучей среды на основе конфузора (в продольном разрезе диаметральной плоскостью);
фиг.14 - участок канала с последовательно расположенными входным конфузором, средством дозированной подачи газа в канал, средством турбулизации основного потока обрабатываемой текучей среды в виде плохо обтекаемого тела и дроссельным средством дегазации обработанной текучей среды на основе конфузора (в продольном разрезе диаметральной плоскостью);
фиг.15 - участок канала с последовательно расположенными входным конфузором, средством дозированной подачи газа в канал, средством турбулизации основного потока обрабатываемой текучей среды в виде плохо обтекаемого тела и дроссельным средством дегазации обработанной текучей среды на основе решетки (в продольном разрезе диаметральной плоскостью);
фиг.16 - схема рециркуляционного теплогенератора с дроссельным средством дегазации обработанной текучей среды на основе резервуара с проницаемой перегородкой.

Простейшее устройство для воздействия на поток текучей среды как минимум (см. фиг.1) имеет последовательно расположенные в гидравлической цепи:
насос 1 для непрерывной прокачки текучей среды, всасывающий патрубок 2 которого подключен к произвольному источнику такой среды;
произвольное средство 3 турбулизации потока текучей среды в канале 4, отходящем от не обозначенного особо нагнетательного патрубка насоса 1; и
средство 5 дегазации, которое расположено непосредственно после средства 3 турбулизации. Гидравлический выход средства 5 дегазации (непосредственно или через не показанный на этой простейшей схеме накопитель) подключен к произвольному подходящему потребителю текучей дегазированной среды, обработанной по меньшей мере в турбулентном, а предпочтительно в кавитационном режиме, а газовый выход средства 5 через запорно-регулирующий элемент 6 подключен либо к атмосфере, либо к также не показанному на фиг.1 сборнику газа, который выделен из обработанной текучей среды.

В конкретных устройствах для воздействия на потоки текучих сред, построенных по схеме согласно фиг.1, целесообразно использовать:
желательно центробежные (хотя допустимы и иные роторные) механические насосы 1;
предпочтительно струйные (обычно из числа описанных в публикации WO 98/42987 того же изобретателя) и/или выполненные в виде плохо обтекаемых тел средства 3 турбулизации потока текучей среды в каналах 4 (хотя возможны и иные средства нарушения ламинарного течения из числа указанных выше);
предпочтительно активные средства 5 дегазации типа описанных далее разнообразных по форме выполнения дросселей, которые обеспечивают заметное падение давления турбулизованных текучих сред и, соответственно, интенсивное выделение примесей летучих газов; и
каналы 4 с предпочтительно регулируемой шероховатостью внутренней стороны их стенок на участках расположения средств 3 турбулизации потоков текучих сред.

Для достижения особых эффектов, описанных выше в кратком изложении сущности изобретения, целесообразно, чтобы контуры устройств для воздействия на потоки текучих сред были оснащены обратными связями в виде байпасных трубопроводов, каждый из которых может иметь не показанный ради упрощения запорно-регулирующий элемент, а именно:
либо байпасным трубопроводом 7 для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства 5 дегазации во всасывающий патрубок 2 насоса 1 (см. фиг.2);
либо байпасным трубопроводом 8 для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства 5 дегазации на вход средства 3 турбулизации (см. фиг.3);
либо байпасным трубопроводом 9 для возврата части турбулизованной и содержащей примеси летучих газов текучей среды со входа в средство 5 дегазации во всасывающий патрубок 2 насоса 1 (см. фиг.4).

Устройства согласно фиг.1-4 предназначены для воздействия на потоки таких текучих сред, которые либо изначально содержат достаточные для инициирования развитой кавитации примеси летучих газов типа воздуха, либо могут самопроизвольно быстро насыщаться воздухом вследствие вышеописанного подсоса через уплотнения вплоть до таких концентраций, при которых становится возможной суперкавитация.

Для более точного управления концентрацией летучих газов в потоках текучих сред предпочтительны устройства согласно фиг.5, которые в сравнении с устройствами согласно фиг. 1-4 на входе в средство 3 турбулизации дополнительно снабжены средством 10 дозированной подачи газа в канал 4. Такие устройства, аналогично описанным выше, также могут быть оснащены обратными связями в виде байпасных трубопроводов, каждый из которых может иметь запорно-регулирующий элемент 11, а именно:
либо байпасным трубопроводом 7 для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства 5 дегазации во всасывающий патрубок 2 насоса 1 (см. фиг.6);
либо байпасным трубопроводом 12 для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства 5 дегазации на вход средства 10 дозированной подачи газа в канал 4 (см. фиг.7);
либо байпасным трубопроводом 9 для возврата части турбулизованной и содержащей примеси летучих газов текучей среды со входа в средство 5 дегазации во всасывающий патрубок 2 насоса 1 (см. фиг.8);
либо байпасным трубопроводом 13 для возврата части турбулизованной и содержащей примеси летучих газов текучей среды со входа в средство 5 дегазации на вход средства 10 дозированной подачи газа в канал 4 (см. фиг.9);
либо байпасным трубопроводом 14 для возврата части текучей среды со входа в средство 5 дегазации на вход средства 3 турбулизации (см. фиг.10);
либо байпасным трубопроводом 15 для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства 10 дозированной подачи газа в канал 4 во всасывающий патрубок 2 насоса 1 (см. фиг.11);
либо байпасным трубопроводом 16 для возврата части текучей среды со входа средства 10 дозированной подачи газа в канал 4 во всасывающий патрубок 2 насоса 1 (см. фиг.12).

Активное средство 5 дегазации турбулизованного потока текучей среды (независимо от того, будет ли текучая среда иметь примеси летучих газов изначально, или будет принудительно газирована перед турбулизацией) целесообразно выполнять на основе дросселей. Например, некоторые из множества возможных форм выполнения устройств согласно изобретению, различающиеся конструкцией средств 5 дегазации, показаны на фиг.13-16.

В частности, на фиг.13-15 показан участок канала 4, имеющий входной конфузор 17 и плавно сопряженный с этим конфузором цилиндрический рабочий участок 18, оборудованный средством 10 дозированной подачи газа и средством 3 турбулизации, к выходу которого подключено средство 5 дегазации турбулизованного потока на основе дросселя.

Как видно на фиг.13 и 14, дроссель может быть выполнен в виде промежуточного конфузора 19, у которого диаметр входного отверстия превышает диаметр выходного отверстия цилиндрического рабочего участка 18 канала 4 и который либо жестко связан с каналом 4 (фиг.13), либо сформирован в теле канала 4 расточкой (фиг.14).

В следующем частном варианте реализации изобретательского замысла (фиг. 15) дроссель может быть выполнен в виде расширенного цилиндрического продолжения канала 4, на входе в которое установлена предпочтительно сменная (и, соответственно, имеющая разные суммарные проходные сечения) дроссельная решетка 20.

При этом возможны разные формы выполнения:
а) средств 5 дегазации турбулизованного потока текучей среды путем отбора излишков газа из задроссельного пространства, которые:
могут иметь сборный коллектор 21 (фиг.13), или
быть прямо подключены байпасными газопроводами 22 с запорно-регулирующими элементами 23 к не обозначенным особо отверстиям для возврата по меньшей мере части газа, который выделен из турбулизованной текучей среды, обратно в канал 4 перед средством 3 турбулизации (фиг.13, 14), и/или
иметь указанные байпасные газопроводы 22 и не показанные особо выходы в атмосферу или сборники выделенного газа через также не показанные особо дополнительные запорно-регулирующие элементы;
б) средств 3 турбулизации потока текучей среды, например:
в виде по меньшей мере одного отверстия, а предпочтительно нескольких связанных общим раздаточным коллектором 24, расположенных на равных угловых расстояниях и направленных под острыми углами навстречу потоку отверстий в канале 4 (фиг.13), или
в виде плохо обтекаемого тела 3, жестко закрепленного внутри канала 4 на условно не показанных стержнях, которые, кстати, также могут служить средствами турбулизации потока (фиг.14 и 15), или
в виде комбинации как показанных на фиг.13 и 14 или 15, так и иных выше перечисленных средств;
в) средств 10 дозированной подачи газа в канал 4 перед средством 3 турбулизации, которые предпочтительно (но не обязательно), могут быть выполнены:
в виде указанных байпасных газопроводов 22 с запорно-регулирующими элементами 23 для прямой, как на фиг.14 и 15, или опосредованной коллектором 25, как на фиг.13, обратной связи задроссельного пространства с каналом 4, или
в виде не показанных особо ресивера для хранения возобновляемого запаса сжатого газа и регулятора расхода и давления такого газа на входе в канал 4, или
в виде, который показан на фиг.16 и подробно оговорен ниже.

В частности, на фиг.16 показан такой (один из многих возможных на основе устройств согласно изобретению) рециркуляционный кавитационный теплогенератор (и он же - аппарат для тепловой обработки текучих сред), который имеет промежуточный резервуар 26 с проницаемой (например перфорированной или неполной) перегородкой 27. Эта перегородка 27 может быть как параллельна образующей днища 28, так и наклонена относительно этого днища 28 под острым углом, и над ней должен выступать выходной торец указанного участка канала 4.

Расположенная над перегородкой 27 верхняя часть полости резервуара 26 служит дросселем, который облегчает выделение газа из газированной текучей среды, обработанной в кавитационном или, реже, турбулентном режиме.

Расположенная под перегородкой 27 нижняя, придонная часть полости резервуара 26 предназначена для текущего запаса обработанной текучей среды, которая хотя бы частично дегазирована и которую в существенной части (обычно в пределах 90-99% от общей обрабатываемой массы) через байпасный патрубок 7 возвращают на входной патрубок 2 насоса 1 для многократной рециркуляции относительно средства 3 турбулизации.

Такой теплогенератор (или аппарат) обычно оборудован дополнительным сепаратором 29 газа, который через отводной патрубок 30 с запорно-регулирующим элементом 31 подключен к верхней части полости резервуара 26. Этот сепаратор 29 имеет:
а) газоотводящий патрубок 32 с запорно-регулирующим элементом 33 для отвода выделенного газа:
либо в атмосферу,
либо в подходящий не показанный особо газосборник,
либо через условно показанный штриховой линией байпасный патрубок 22 в коллектор 25 для подачи газа в поток текучей среды, набегающий на средство 3 турбулизации;
б) патрубок 34 с запорно-регулирующим элементом 35 для отбора нагретой или термообработанной текучей среды на потребление (в случаях, когда текучая среда должна быть глубоко дегазирована) и/или
в) патрубок 36 с запорно-регулирующим элементом 37 для разбавления нагретой или термообработанной текучей среды, отбираемой на потребление с выхода насоса 1 через отводной трубопровод 38 с запорно-регулирующими элементами 39 и 40 (в случаях, когда текучая среда может содержать растворенный газ).

Такой теплогенератор (или аппарат) обязательно имеет питающий патрубок 41 с входным запорно-регулирующим элементом 42. И, наконец, он по желанию может быть оснащен:
эжектором 43 для подсоса части обработанной текучей среды из отводного трубопровода 38 в питающий патрубок 41,
трубопроводной обвязкой 44 с запорно-регулирующим элементом 45, которая подключена к верхней части резервуара 26 и замкнута на питающий патрубок 41,
дополнительным перепускным патрубком 46 с запорно-регулирующим элементом 47 для подключения трубопроводной обвязки 44 к отводному трубопроводу 38,
дополнительным перепускным патрубком 48 с запорно-регулирующим элементом 49 для подключения трубопроводной обвязки 44 к начальному участку канала 4 и
дополнительным перепускным патрубком 50 с запорно-регулирующим элементом 51 для подключения начального участка канала 4 к отводному трубопроводу 38.

Устройства согласно изобретению, описанные выше на разных примерах воплощения изобретательского замысла, используют для турбулизации потока текучей среды и, в частности, для возбуждения регулируемой гидродинамической кавитации следующим образом.

Как видно на фиг.1, насос 1 через всасывающий патрубок 2 непрерывно питают текучей средой от произвольного источника. Насос 1 нагнетает эту среду в канал 4, в котором ее кинетическая энергия под влиянием средства 3 турбулизации преобразуется в тепловую энергию. Средство 5 дегазации, которое расположено непосредственно после средства 3 турбулизации, выделяет и через запорно-регулирующий элемент 6 по меньшей мере периодически удаляет из устройства избыток газа, присутствующего в текучей среде. Тем самым отсекаются "хвосты" суперкаверн и существенно снижается опасность апериодических ударов и кавитационной эрозии, которые могли бы возникнуть при схлопывании таких суперкаверн.

Как видно на фиг.2, обратная связь (байпасный трубопровод 7) обеспечивает возврат по меньшей мере части текучей среды с гидравлического выхода средства 5 дегазации на вход насоса 1. Если в качестве текучей среды используют лишь воздухосодержащие текучие материалы типа соков или молока, то тем самым снижается концентрация воздуха еще до подачи в насос и обеспечивается эффективное дезодорирование целевых продуктов.

Байпасный трубопровод 8 (см. фиг.3), который обеспечивает обратную связь между гидравлическим выходом средства 5 дегазации и входом в средство 3 турбулизации, позволяет использовать для заправки замкнутых систем теплоснабжения водопроводную воду, которая была обеззаражена такими коррозионно-активными газами, как хлор или озон или водные дисперсии на ее основе. Действительно, при запуске системы теплоснабжения такие газы не рециркулируют через насос 1, а впоследствии разбавляются подсасываемым воздухом и через запорно-регулирующий элемент 6 удаляются из системы.

Байпасный трубопровод 9 (см. фиг.4), который обеспечивает обратную связь между входом в средство 5 дегазации и входом насоса 1, позволяет эффективно регулировать концентрацию газа даже в таких текучих средах, которые были глубоко дегазированы до заправки ими замкнутых систем теплоснабжения.

Для всех случаев применения средства 10 дозированной подачи газа в канал 4 перед средством 3 турбулизации (см. фиг.5-12) характерно эффективное управление концентрацией летучих газов в потоках турбулизуемых текучих сред.

Действительно, используя разные летучие газы (в особенности такие, которые хорошо растворимы в текучей среде и, следовательно, легко усваиваются ею после схлопывания кавитационных каверн), во всем объеме такой среды при турбулизации удается формировать колеблющиеся газовые пузырьки. Эти пузырьки обеспечивают регулярную кавитацию в потоке и существенно повышают эффективность нагрева или термомеханохимической обработки как ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей.

Использование разнообразных обратных связей между функциональными узлами таких устройств для воздействия на потоки текучих сред, которые снабжены указанным средством 10, создает дополнительные технологические возможности.

Так, байпасный трубопровод 7 в устройстве согласно фиг.6 снижает концентрацию летучих газов в текучей среде на входе в насос 1, а байпасный трубопровод 12 в устройстве согласно фиг.7 способствует защите насоса 1 от коррозии агрессивными газами, используемыми для обеззараживания водопроводной воды, или летучими органическими кислотами, которые могут появляться в молочном сырье, используемом в производстве кефира или кумыса, при его длительном хранении перед переработкой.

Далее, байпасный трубопровод 9 в устройстве согласно фиг.8, байпасный трубопровод 13 в устройстве согласно фиг.9 и байпасный трубопровод 14 в устройстве согласно фиг.10 обеспечивают точное регулирование концентрации газовых примесей в потоках, которые поступают на вход средства 3 турбулизации, в случаях, когда для питания проточного или для подпитки рециркуляционного контура используют дегазированную свежую текучую среду. При этом:
устройство согласно фиг.8 особо эффективно при термохимической обработке текучих сред с применением дорогих реагентов, например, при варке свекловичного сока в присутствии высокочистого оксида кальция с последующей сатурацией реакционной смеси также высокочистым диоксидом углерода;
устройство согласно фиг.9 особо эффективно при защите насоса 1 от коррозии химически активными реагентами, используемыми для термохимической активации таких материалов, как масляные и, особенно, кислые гудроны, используемые в производстве битумов, и резиновая крошка, полученная измельчением отходов резины; а
устройство согласно фиг.10 особо эффективно при многократной обработке двух- и трехфазных текучих сред с целью приготовления устойчивых эмульсий и суспензий.

Байпасный трубопровод 15 в устройстве согласно фиг.11 способствует снижению шума в насосе 1 и нагрузки на его привод вследствие подпитки насоса газированной текучей средой.

И, наконец, байпасный трубопровод 16 в устройстве согласно фиг.12 обеспечивает:
химическое модифицирование текучих сред газообразными реагентами с исключением их коррелирующего действия на детали насоса 1, или
введение газов-пенообразователей, которые не нужно рециркулировать через насос 1,
или работу с текучими средами, которые перед подачей в насос 1 были нагреты до температур существенно более 100^oС.

Во всех указанных случаях запорно-регулирующие элементы 11, которые показаны на фиг. 6-12, позволяют весьма точно регулировать расход рециркулирующих текучих сред и настраивать соответствующие устройства на оптимальные режимы работы с учетом реологических характеристик обрабатываемых сред и допустимого уровня гидродинамического шума.

Наиболее эффективно работает средство 5 дегазации, которое выполнено в виде дросселя турбулизованной текучей среды. Действительно, любое расширение канала 4, будь то раструб конфузора 19, как на фиг.13 и 14, или просто более широкий участок канала 4 с дроссельной решеткой 20 на входе, как на фиг.15, тормозит поток текучей среды, обработанной с помощью средства 3 турбулизации, и создает условия для выделения летучих газов. Далее эти газы, отведенные из задроссельного пространства через байпасный трубопровод 22 и запорно-регулирующий элемент 23, могут быть по меньшей мере частично использованы для подачи через средство 10 на вход в средство 3 турбулизации.

Сходным образом работает как дроссель и расположенная над перегородкой 27 верхняя часть полости резервуара 26 (см. фиг.16) в составе рециркуляционного кавитационного теплогенератора (или аппарата для тепловой обработки текучих сред).

Работу этого теплогенератора (аппарата) следует рассмотреть более подробно.

Перед запуском запорно-регулирующие элементы 35, 37, 39 и 40 закрывают и внутренний объем теплогенератора (аппарата) через входной запорно-регулирующий элемент 42, питающий патрубок 41 и всасывающий патрубок 2 насоса 1 обычно заполняют подлежащей нагреву или термообработке текучей средой так, чтобы внутри промежуточного резервуара 26 она достигла уровня проницаемой перегородки 27 и целиком заполнила байпасный трубопровод 7.

Далее включают насос 1, открывают хотя бы один из запорно-регулирующих элементов 35 и 40, и подачу текучей среды через входной запорно-регулирующий элемент 42, питающий патрубок 41 и всасывающий патрубок 2 продолжают:
либо до заполнения замкнутой системы теплоснабжения используемой в качестве теплоносителя текучей средой, после чего входной запорно-регулирующий элемент 42 переключают на указанную систему теплоснабжения (и затем лишь периодически подключают к внешнему источнику текучей среды для компенсации ее потерь),
либо до достижения баланса прихода и расхода текучей среды, которая подлежит термообработке (например, стерилизации) при постоянно открытых запорно-регулирующем элементе 42 и по меньшей мере одном из запорно-регулирующих элементов 35 и 40.

Текучая среда с выхода насоса 1 непрерывно поступает в канал 4, турбулизуется, проходя через средство 3 (в частности, огибая плохо обтекаемое тело, как для упрощения показано на фиг.16), и дросселируется над проницаемой перегородкой 27. При этом часть полости промежуточного резервуара 26 над перегородкой 27 постоянно заполнена существенно газированной текучей средой, а часть указанной полости под перегородкой 27 также постоянно заполнена существенно дегазированной текучей средой, которая большей частью (до 99% от общей массы) через байпасный трубопровод 7 непрерывно рециркулирует через насос 1, канал 4, средство 3 турбулизации и средство 5 дегазации (которым в описываемом случае служат резервуар 26 с перегородкой 27), а в меньшей части через по меньшей мере один из запорно-регулирующих элементов 35 и 40 поступает на потребление как теплоноситель или на расфасовку как термообработанный продукт.

Летучий газ, необходимый для инициирования регулируемой гидродинамической кавитации, иногда поступает в систему в составе подаваемой на (термо)обработку текучей среды. Однако чаще его принудительно подают через коллектор 25 в канал 4 перед средством 3 турбулизации, используя:
либо задорно-регулирующий элемент 47 и непоказанный внешний источник газа,
либо сепаратор 29 газа (и, соответственно, отводной патрубок 30, запорно-регулирующий элемент 31 и дополнительный перепускной патрубок 46, или газоотводящий патрубок 32, запорно-регулирующий элемент 33 и байпасный патрубок 22).

Понятно, что при использовании отводного патрубка 30, запорно-регулирующего элемента 31 и дополнительного перепускного патрубка 46 газ поступает в коллектор 25 в составе существенно газированной текучей среды.

Излишек газа, выделенного из обработанной текучей среды, через газоотводящий патрубок 32 с запорно-регулирующим элементом 33 отводят либо в атмосферу, либо в подходящий не показанный особо газосборник.

В замкнутых рециркуляционных системах теплоснабжения во избежание газовых пробок в трубопроводах и отопительных батареях нагретую текучую среду обычно отбирают через запорно-регулирующий элемент 35 и патрубок 34 после обязательной глубокой дегазации в дополнительном сепараторе 29 газа.

Если же устройство согласно фиг.16 используют как аппарат для термообработки, в том числе с одновременным газированием, то обработанную текучую среду после достаточной рециркуляции через описанную систему обычно отбирают с выхода насоса 1 через дополнительный перепускной патрубок 50 с запорно-регулирующим элементом 51 и отводной трубопровод 38 с запорно-регулирующими элементами 39 и 40, а сепаратор 29 используют для точного регулирования концентрации газа, перепуская дегазированную текучую среду (при закрытом запорно-регулирующем элементе 35) через патрубок 36 с запорно-регулирующим элементом 37 в трубопровод 38.

Для предупреждения кавитации в насосе 1 часть обработанной текучей среды из отводного трубопровода 38 можно, при необходимости, перепускать в питающий патрубок 41 через эжектор 43.

Трубопроводной обвязкой 44 с запорно-регулирующим элементом 45 обычно пользуются при запуске для слабого предварительного газирования текучей среды, поступающей в насос 1 через питающий патрубок 41.

Дополнительным перепускным патрубком 46 с запорно-регулирующим элементом 47 обычно пользуются в системах горячего водоснабжения, поскольку в них в отводной трубопровод 38 можно подавать существенно газированную текучую среду.

Изобретение в любой из форм осуществления изобретательского замысла реализуемо промышленным путем с использованием обычных в машиностроении средств.

Точное регулирование концентрации примесей летучих газов позволяет практически исключить неуправляемую суперкавитацию в потоках турбулизованных текучих сред и обусловленные ею иррегулярные вибрации и апериодические удары.

Тем самым существенно повышается эксплуатационная надежность кавитационных теплогенераторов, стерилизаторов жидких пищевых продуктов, кавитационных химических реакторов и иного оборудования, которое может быть изготовлено на основе изобретения.

Приведенные примеры конструктивного осуществления изобретательского замысла и примеры технологических возможностей не исчерпывают все конкретные конструкции и все возможные аспекты промышленного применения устройства согласно изобретению. Так:
возможно не показанное особо на чертежах частичное "закольцовывание" потока текучей среды только относительно средства 3 турбулизации, что может оказаться полезным для дополнительного регулирования числа Рейнольдса в потоке;
возможны и множественные обратные связи между насосом 1, средством 3 турбулизации, средством 5 дегазации и, по желанию, средством 10 дозированной подачи газа в канал 4, выполненные на основе общего байпасного трубопровода с ответвлениями через известные специалистам и доступные на рынке многоходовые (обычно - трехходовые) краны;
возможны и такие средства активной дегазации турбулизованных потоков текучих сред, которые отличаются от указанных выше дросселей.

Изобретение относится к устройствам для воздействия на поток текучей среды. Устройство имеет насос для непрерывной подачи текучей среды на обработку, канал для прокачивания потока обрабатываемой текучей среды, средство турбулизации потока обрабатываемой текучей среды в этом канале и средство дегазации турбулизованного потока. Причем средство дегазации расположено непосредственно после устройства турбулизации потока и оснащено запорно-регулирующим элементом для управляемого удаления выделяемого газа. Техническим результатом изобретения является уменьшение опасности появления газовых пробок и "суперкавитационных" ударов за счет регулирования концентрации газовых примесей в турбулизуемых текучих средах. 16 з.п.ф-лы, 16 ил.

1. Устройство для воздействия на поток текучей среды, имеющее насос для непрерывной подачи текучей среды на обработку, канал для прокачивания потока обрабатываемой текучей среды, подключенный к нагнетательному патрубку насоса, средство турбулизации потока обрабатываемой текучей среды в этом канале и средство дегазации турбулизованного потока, отличающееся тем, что средство дегазации расположено непосредственно после средства турбулизации потока и оснащен подходящим запорно-регулирующим элементом для управляемого удаления выделяемого газа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства легазации на вход насоса. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства дегазации на вход средства турбулизации. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход насоса. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость указанного канала на участке между выходом насоса и входом в средство турбулизации подключена к средству дозированной подачи газа в канал. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства дегазации на вход насоса. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды с гидравлического выхода средства дегазации на вход средства дозированной подачи газа в канал. 8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход насоса. 9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход средства дозированной подачи газа в канал. 10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа в средство дегазации на вход средства турбулизации. 11. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды с выхода средства дозированной подачи газа в канал на вход насоса. 12. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно имеет обратную связь для возврата части текучей среды со входа средства дозированной подачи газа в канал на вход насоса. 13. Устройство по п.1 или 5, отличающееся тем, что средство дегазации выполнено в виде дросселя турбулизованной текучей среды и по меньшей мере одного сквозного отверстия в стенке канала в задроссельном пространстве, сообщающегося со входом в запорно-регулирующий элемент. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что дроссель выполнен в виде промежуточного конфузора, у которого диаметр входного отверстия превышает диаметр выходного отверстия участка канала, в котором установлено средство турбулизации. 15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что дроссель выполнен в виде расширенного цилиндрического продолжения канала, на входе в которое установлена дроссельная решетка. 16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что дроссель выполнен в виде резервуара с проницаемой перегородкой, разделяющей полость этого резервуара на придонную часть для текущего запаса по меньшей мере частично дегазированной обработанной текучей среды и верхнюю часть для приема обработанной текучей среды из участка канала, содержащего средство ее турбулизации, причем выходной торец этого участка канала размещен над указанной перегородкой. 17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что придонная часть резервуара подключена обратной связью на вход насоса, а верхняя часть резервуара подключена к дополнительному средству глубокой дегазации обработанной текучей среды, газовое пространство которого через запорно-регулирующий элемент связано с атмосферой, а заполненное жидкостью пространство также через запорно-регулирующий элемент связано с напорной магистралью.