ЖИДКОСТНО-ГАЗОВОЕ ЭЖЕКТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК F04F5/02 

Изобретение относится к гидрогазодинамическому оборудованию, а именно к эжекторным установкам, и может быть использовано в теплоэнергетике, нефтеперерабатывающей, химической промышленности, а также в других отраслях промышленности, где необходимо использовать насыщение жидкости газом.

Известен жидкостно-газовый струйный аппарат (RU, патент 2107841, F 04 F 5/02, 1998), содержащий активное жидкостное сопло, камеру смешения и диффузор, причем площадь минимального сечения камеры смешения составляет от 0,1 до 7,98 площадей минимального сечения активного жидкостного сопла.

Известный струйный аппарат имеет невысокий коэффициент полезного действия из-за невысокой организации смешения пассивного газа и потока активной жидкости.

Известен также жидкостно-газовый струйный аппарат (RU, патент 2113629 F 04 F 5/02, 1998), содержащий сопло подвода активной жидкой среды и камеру смешения, причем сопло подвода активной среды выполнено с центральным и периферийным кольцевыми стволами подачи активной жидкой среды, а суммарная площадь выходного сечения сопла подвода активной среды задана соотношением площади выходного сечения центрального ствола сопла и площади минимального сечения камеры смешения.

Известный струйный аппарат имеет невысокий коэффициент полезного действия из-за плохой организации смешения пассивного газа и потока активной жидкости.

Известен также жидкостно-газовый эжектор (US, патент 2382391 F 04 F 5/02, 1945), содержащий распределительную камеру с соплами, приемную камеру, камеры смешения и сбросную камеру, причем каждая камера смешения установлена соосно относительно своего сопла.

Известный струйный аппарат имеет невысокий коэффициент полезного действия из-за плохой организации смешения пассивного газа и потока активной жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является жидкостно-газовый струйный аппарат (US, патент 2632597 F 04 F 5/02, 1953). Известный аппарат содержит корпус, в котором размещены последовательно установленные система подачи жидкости, сопловой блок, приемную камеру, к которой подключен штуцер подачи газа, камеру смешения и диффузор.

Известный струйный аппарат имеет невысокий коэффициент полезного действия из-за плохой организации смешения пассивного газа и потока активной жидкости.

Техническая задача, на решение которой направлено предложенное устройство, состоит в разработке устройства аэрации жидкости.

Технический результат, получаемый при реализации устройства, состоит в уменьшении энергетических затрат на аэрацию жидкости.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать жидкостно-газовое эжектирующее устройство, содержащее последовательно расположенные систему подачи жидкости, сопловой блок, выполненный в виде диска с выполненными в нем отверстиями в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону системы подачи жидкости, приемную камеру, к которой подключен штуцер подачи газа, и камеру смешения, причем поверхности смежных сопел со стороны системы подачи жидкости пересекаются между собой под углом от 10 до 45°, площадь суммарного свободного сечения отверстий составляет от 30 до 80% площади диска, при этом перед диском установлены, по меньшей мере, две винтообразных лопасти с углом наклона к плоскости диска от 60 до 87°. Наличие винтообразных лопастей перед сопловым блоком предварительно турбулизирует подаваемый поток жидкости, что, в конечном счете, увеличивает насыщение жидкостного потока газом. Дополнительную турбулизацию потоку жидкости придают острые углы пересечения смежных сопел. Указанные величина диапазонов углов являются предпочтительными для организации турбулентного движения потока жидкости. При общей площади свободного сечения меньше 30%, а также более 80% от общей площади диска значительно увеличивается удельное энергопотребление на единицу объема аэрируемого потока жидкости. Предпочтительно соотношение диаметров большего и меньшего оснований усеченного конуса отверстий в диске составляет от 1,5:1 до 4:1. Именно этот диапазон соотношений позволяет получить минимальное энергопотребление при аэрации потока жидкости. Обычно указанные отверстия в диске расположены концентрически. Это позволяет наиболее рационально разместить отверстия по площади диска, при этом центры отверстий могут располагаться по нескольким концентрически расположенным окружностям. Наиболее предпочтительно применительно к организации турбулентного потока использовать угол пересечения поверхностей смежных сопел от 12 до 30°. Устройство может дополнительно содержать диффузор, расположенный на выходе камеры смешения.

Обычно отверстия в диске выполнены с плавным переходом от большего диаметра к меньшему диаметру, аналогично известному соплу Лаваля.

Поток подаваемой жидкости, проходя винтообразные лопасти, переходит из ламинарного состояния в турбулентное состояние, степень турбулентности потока жидкости увеличивается при прохождении острых кромок пересечения сопел на входящей поверхности соплового блока. В приемной камере происходит захват газа из штуцера подачи газа турбулентным потоком, причем турбулентность потока облегчает связывание газа.

На на фиг.1 показан вид устройства в продольном разрезе; на фиг.2 - пример применения предложенного устройства для аэрирования жидкости в газожидкостном реакторе большого объема.

На чертежах использованы следующие обозначения: магистраль 1 подачи жидкости, винтообразные лопасти 2, сопловой блок 3, приемная камера 4, магистраль 5 подачи газа, камера 6 смешения, сопла 7, острые кромки 8 пересечения сопел, диффузор 9, газожидкостный реактор 10, насос 11, жидкостный фильтр 12, воздушный фильтр 13, аэратор (представляющий собой заявленное устройство) 14.

Насос 11 прокачивает жидкость из емкости реактора 10 через жидкостный фильтр 12 и через магистраль подачи жидкости 1 в жидкостно-газовое эжектирующее устройство 1, в котором жидкость проходит через винтообразные лопасти 2 и поступает в сопловый блок 3. Турбулизированный после прохода через винтообразные лопасти 2 и острые кромки 8 пересечения сопел поток жидкости поступает в приемную камеру 4, где захватывает из магистрали 5 прошедший через воздушный фильтр 13 воздух, далее жидкостно-газовый поток проходит камеру смешения 6 и поступает в диффузор 9 и в газожидкостный реактор 10, обеспечивая в нем интенсивное взаимодействие газовой и жидкостной фаз.

Применение предложенного жидкостно-газового эжектирующего устройства, дополненного диффузором, эффективно, в частности, и для использования в качестве погружных аэраторов для интенсификации работы аэротенков на очистных сооружениях. С этой целью несколько таких устройств устанавливают в аэротенке таким образом, чтобы выход диффузора был расположен ниже уровня жидкости в аппарате. В качестве системы подачи жидкости в сопловой блок могут быть использованы, в частности, типовые циркуляционные или осевые низконапорные насосы. Подача воздуха для аэрирования жидкости в аэротенке происходит за счет его эжектирования (подсоса) через штуцер, подключенный к приемной камере устройства. Диаметры и количество отверстий в диске и расположение смежных сопел, а также другие конструктивные параметры заявляемого устройства (в указанном в формуле изобретения диапазоне значений) рассчитывают с учетом требуемой скорости массопередачи кислорода, производительности насоса и числа установленных устройств в аэротенке.

Разработанное жидкостно-газовое эжектирующее устройство может быть также использовано для насыщения воздухом водоемов для выращивания рыбы, особенно рыбной молоди, а также аэрирования водоемов, покрытых льдом. В этом случае побудитель расхода воды (насос) устанавливают на берегу, а жидкостно-газовое эжектирующее устройство погружают в воду, сообщая газовую магистраль с атмосферой.

Предлагаемое жидкостно-газовое эжектирующее устройство может широко использоваться для создания интенсивного массообмена в системе газ - жидкость, а также для диспергирования газа в жидкости и применяться для разнообразных процессов и аппаратов в химической, нефтехимической, пищевой и микробиологической промышленностях. При этом устройство, обеспечивая высокую степень диспергирования газа в жидкости и не менее 50% насыщение жидкости газом, отличается низкими удельными энергозатратами (0,2-0,3 кВт·ч/кг О₂) на передачу кислорода из газа в жидкость, что повышает его экономическую эффективность. Это, а также простота и надежность эксплуатации делают предлагаемое устройство конкурентоспособным различным аэрирующим системам и обуславливают широкие возможности его использования.

Устройство предназначено для насыщения жидкости газом. Устройство содержит последовательно расположенные систему подачи жидкости, сопловой блок, приемную камеру, к которой подключен штуцер подачи газа, и камеру смешения, при этом сопловой блок представляет собой диск с выполненными в нем отверстиями в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону системы подачи жидкости, причем поверхности смежных сопел со стороны системы подачи жидкости пересекаются между собой под углом от 10 до 45°, а площадь суммарного свободного сечения отверстий составляет от 30 до 80% площади диска, при этом перед диском установлены винтообразные лопасти с углом наклона к плоскости диска от 60 до 87°. Технический результат - уменьшение энергетических затрат на аэрацию жидкости. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Жидкостно-газовое эжектирующее устройство, содержащее последовательно расположенные систему подачи жидкости, сопловой блок, приемную камеру, к которой подключен штуцер подачи газа, и камеру смешения, отличающееся тем, что сопловой блок представляет собой диск с выполненными в нем отверстиями в форме усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону системы подачи жидкости, причем поверхности смежных сопел со стороны системы подачи жидкости пересекаются между собой под углом от 10 до 45°, а площадь суммарного свободного сечения отверстий составляет от 30 до 80% от площади диска, при этом перед диском установлены винтообразные лопасти с углом наклона к плоскости диска от 60 до 87°.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение диаметров большего и меньшего оснований усеченного конуса отверстий в диске составляет от 1,5:1 до 4:1.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанные отверстия в диске расположены концентрически.4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что угол пересечения поверхностей смежных сопел составляет от 12 до 30°.5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит диффузор, расположенный на выходе камеры смешения.6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что отверстия в диске выполнены с плавным переходом от большего диаметра к меньшему диаметру.