ГИДРОКАВИТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК B08B3/02 B01F5/00 

Изобретение относится к гидрокавитационному оборудованию и может быть использовано в качестве генератора рабочей жидкости, обогащенной кавитационными пузырьками, для обработки различных сложных поверхностей, в том числе для подводной очистки поверхности судов.

Известно устройство для подводной очистки корпусов судов, содержащее корпус и выполненные в корпусе входной элемент, предназначенный для подсоединения к источнику жидкости повышенного давления, камеру, выполненную с внутренней цилиндрической поверхностью, и диффузор, которые расположены соосно и последовательно по ходу жидкости и сообщены между собой (патент РФ №2123957, В 63 В 59/08, опубл. 1998 г.).

В этом устройстве входной элемент выполнен в виде конфузора, а выходной - в виде рупора, с углом раскрытия 10-20° , между которыми расположена резонансная камера.

Ограничениями этого технического решения являются: сильная зависимость образования кавитационных пузырьков и акустических волн от характеристик рабочей жидкости, расстояния от рупора до обрабатываемой поверхности и его угла наклона к ней, трудность подбора размеров резонансной камеры.

Известен гидрокавитационный генератор, содержащий корпус и выполненные в корпусе входной элемент, предназначенный для подсоединения к источнику жидкости повышенного давления, входной цилиндрический канал, камеру, при этом входной цилиндрический канал по ходу жидкости подсоединен к камере, и диффузор, которые расположены соосно и последовательно по ходу жидкости и сообщены между собой (патент РФ №2034640, В 01 F 5/00, опубл. 1995 г.).

Преимуществом устройства является простота конструкции и обеспечение возможности управления процессом кавитации. В этом техническом решении внутренняя поверхность камеры выполнена в форме поверхности, отличной от цилиндрической, например, выпуклой, вогнутой, конической и т.п., за счет чего удается или увеличить радиус кавитационных пузырьков, или улучшить фокусирование кавитационного потока, или увеличить пятно зоны обработки при равномерном распределении в пятне кавитационных пузырьков и т.д.

Ограничением устройства является недостаточная степень кавитации, особенно при обработке поверхностей под водой, например, при очистке корпусов судов.

Наиболее близким является гидрокавитационное устройство, содержащее корпус и выполненные в корпусе входной элемент, предназначенный для подсоединения к источнику жидкости повышенного давления, входной цилиндрический канал, по меньшей мере, две камеры, выполненные с внутренней цилиндрической поверхностью, и диффузор, которые расположены соосно и последовательно по ходу жидкости и сообщены между собой (свидетельство РФ на полезную модель №16086, В 08 В 3/02, опубл. 2000 г.).

В этой конструкции в проточной кавитационной камере установлен пружинный резонатор, обеспечивающий образование трех камер с внутренней цилиндрической поверхностью. Пружинный резонатор выполнен с возможностью осевого перемещения в виде прорезного цилиндрического стакана с кольцевыми выступами на начальном и конечном участках, которые образуют с входным элементом - конфузором и выходным элементом - диффузором, соответственно, входную и выходную резонансные полости. Кроме того, в этом устройстве выходная полость сообщена с диффузором коническим каналом, переходящим по ходу жидкости в цилиндрический канал, подсоединенный соответственно к отверстию меньшего диаметра диффузора.

Ограничениями устройства являются: малая степень кавитации; недостаточная эффективность и производительность выходящей из диффузора гидродинамической кавитирующей струи, т.к. происходит схлопывание части паровых пузырьков непосредственно в проточной кавитационной камере, недолговечность и сложность конструкции.

Решаемая изобретением задача - повышение эффективности гидродинамической струи, воздействующей на обрабатываемую поверхность.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - увеличение степени кавитации (количества кавитационных пузырьков), повышение надежности и упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном гидрокавитационном устройстве, содержащем корпус и выполненные в корпусе входной элемент, предназначенный для подсоединения к источнику жидкости повышенного давления, входной цилиндрический канал, по меньшей мере, две камеры, выполненные с внутренней цилиндрической поверхностью, и диффузор, которые расположены соосно и последовательно по ходу жидкости и сообщены между собой, согласно изобретению введен, по меньшей мере, один промежуточный цилиндрический канал, расположенный между камерами и длина которого выбрана меньшей, чем длина входного цилиндрического канала, первая камера и следующая за ней камера сообщены промежуточным цилиндрическим каналом, диаметр d_пр и длина l_пр которого выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,0<(d_пр/d₀)<2 и 0,7<(l_пр/d₀)<2, где d₀ - диаметр входного цилиндрического канала, диаметр d_1к и длина l_1к первой камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_1к/d₀)<2 и 0,6<(l_1к/d₀)<0,8, диаметр d*к

и длина l*к каждой последующей камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d*к/d*пр)<2 и 0,6<(l*к/d*пр)<0,8, где d*пр - диаметр промежуточного цилиндрического канала между последующей и предыдущей камерами, при этом диффузор подсоединен непосредственно к последней камере с образованием между смежными поверхностями диффузора и последней камеры острой кромки.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- количество камер было выбрано равным двум, при этом d*пр

=d_пр, a диаметр d_2к и длина l_2к второй камеры равны соответственно d*к и l*к;

- количество камер было выбрано равным трем, при этом для второй камеры d*пр

=d_пр, а диаметр d_2к и длина l_2к второй камеры равны соответственно d*к и l*к, диаметр d_2к и длина l_2к второй камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_2к/d_пр)<2 и 0,6<(l_1к/d_пр)<0,8, вторая и третья камеры сообщены вторым промежуточным каналом, диаметр d_2пр и длина l_2пр которого выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,0<(d_2пр/d_пр)<2 и 0,7<(l_2пр/d_пр)<2, диаметр d_3к и длина l_3к третьей камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_3к/d_пр)<2 и 0,6<(l_1к/d_пр)<0,8, при этом диффузор подсоединен непосредственно к третьей камере с образованием между смежными поверхностями диффузора и третьей камеры острой кромки;

- входной элемент был выполнен в виде конфузора, который сообщен с входным цилиндрическим каналом;

- входной элемент был выполнен в виде цилиндрического канала, большего диаметра, чем входной цилиндрический канал, и сообщен с ним посредством конфузора;

- угол β _д раскрытия диффузора был выбран β _д=30 (град/мм)· d₀±_{5° , а длина lдиф диффузора - (2-3)d0;}

- в продольном сечении промежуточный канал был сопряжен с камерами под прямым углом;

- длина l₀ входного цилиндрического канала была выбрана более 3 d₀.

За счет исключения из конструкции пружинного резонатора, введения расположенного между камерами промежуточного цилиндрического канала, выполнения размеров промежуточного цилиндрического канала и размеров камер удовлетворяющими упомянутым соотношениям, а также за счет подсоединения диффузора непосредственно к последней камере с образованием между смежными поверхностями диффузора и последней камеры острой кромки удалось решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 изображает продольное сечение заявленного устройства;

фиг.2 - то же, что фиг.1, с тремя камерами.

Гидрокавитационное устройство (фиг.1) содержит корпус 1. В корпусе 1 выполнены: входной элемент 2, входной цилиндрический канал 3, по меньшей мере, две камеры 4 и 5, выполненные с внутренней цилиндрической поверхностью. Входной элемент 2 предназначен для подсоединения к источнику жидкости повышенного давления (на фиг.1 не показан, направление хода жидкости показано стрелкой). Входной цилиндрический канал 3 по ходу жидкости подсоединен к первой из камер 4. Диффузор 6 сообщен с последней камерой 5 (на фиг.1), следующей за камерой 4. Входной элемент 2, входной цилиндрический канал 3, камеры 4 и 5, диффузор 6 расположены соосно и последовательно по ходу жидкости и сообщены между собой.

Введен, по меньшей мере, один промежуточный цилиндрический канал 7, расположенный между камерами 4 и 5. Первая камера 4 и следующая за ней камера 5 сообщены посредством промежуточного цилиндрического канала 7. Диаметр d_пр и длина l_пр промежуточного цилиндрического канала 7 выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,0<(d_пр/d₀)<2 и 0,7<(l_пр/d₀)<2, где d₀ - диаметр входного цилиндрического канала 3. Диаметр d_1к и длина l_1к первой камеры 4 выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_1к/d₀)<2 и 0,6<(l_1к/d₀)<0,8. Диаметр d*к

и длина l*к каждой последующей камеры, например, для камер 5, 8 (фиг.1, 2) выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d*к/d*пр)<2 и 0,6<(l*к/d*пр)<0,8, где d*пр - диаметр промежуточного цилиндрического канала между последующей и предыдущей камерами. Например, d*пр для камер 4 и 5 равен d_пр промежуточного цилиндрического канала 7 (фиг.1), а d*пр для камер 5, 8 (фиг.2) равен d_2пр второго промежуточного цилиндрического канала 9. Диффузор 6 подсоединен непосредственно к последней по ходу жидкости камере 5 (фиг.1) или камере 8 (фиг.2) с образованием между смежными поверхностями диффузора 6 и последней камеры 5 или 8 (фиг.1, 2) острой кромки 10.

Количество камер может быть выбрано равным двум - камеры 4, 5 (фиг.1). d*пр

=d_пр, а диаметр d_2к и длина l_2к второй камеры равны соответственно d*к и l*к.

Количество камер может выбрано равным трем - камеры 4, 5, 8 (фиг.2). Диаметр d_2к и длина l_2к второй камеры 5, а также диаметр d_3к и длина l_3к третьей камеры 8 выбраны, соответственно из указанных соотношений для d*к

и l*к. Диаметр d_2к и длина l_2к второй камеры 5 выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_2к/d_пр)<2 и 0,6< (l_1к/d_пр)<0,8. Вторая камера 5 и третья камера 8 сообщены вторым промежуточным цилиндрическим каналом 9. Диаметр d_2пр и длина l_2пр второго промежуточного цилиндрического канала 9 выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,0<(d_2пр/d_пр)<2 и 0,7<(l_2пр/d_пр)<2. Диаметр d_3к и длина l_3к третьей камеры 8 выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_3к/d_2пр)<2 и 0,6<(l_1к/d_2пр)<0,8. Диффузор 6 подсоединен непосредственно к третьей камере 8 с образованием между смежными поверхностями диффузора 6 и третьей камеры 8 острой кромки 10.

В частном случае диаметр d_2пр и длина l_2пр второго промежуточного цилиндрического канала 9 могут быть выбраны приблизительно равными диаметру d_пр и длине l_пр промежуточного цилиндрического канала 7. А диаметр d_пр промежуточного цилиндрического канала 7 может быть выбран большим диаметра d₀ входного цилиндрического канала 3. Однако длина l_пр промежуточного цилиндрического канала 7, а также длина l_2пр второго промежуточного цилиндрического канала 9 всегда выбирается меньшей, чем длина l₀ входного цилиндрического канала 3. При этом диаметры d_2к, d_3к второй и третьей камер 5, 8, соответственно, всегда выбираются исходя из практически выбранного диаметра промежуточного цилиндрического канала между последующей и предыдущей камерами. Только диаметр первой камеры выбирается исходя из диаметра входного цилиндрического канала 3 в соответствии с ранее указанным соотношением.

Входной элемент 2, как и в ближайшем аналоге, может быть выполнен в виде конфузора 11, который сообщен с входным цилиндрическим каналом 3 (фиг.1).

Входной элемент 2 может быть выполнен в виде цилиндрического канала 12 большего диаметра, чем входной цилиндрический канал 3. Цилиндрический канал 12 в этом случае сообщен с входным цилиндрическим каналом 3 посредством конфузора 11 (фиг.2).

Для повышения эффективности взаимодействия с обрабатываемой поверхностью угол β _д раскрытия диффузора 6 может быть выбран β _д=30 (град/мм)· d₀±_{5° , а длина lдиф диффузора - (2-3)d0. При этом целесообразно, чтобы входное отверстие dд диффузора 6 было выбрано большим, чем диаметр dпр промежуточного цилиндрического канала 7 (фиг.1), или большим, чем диаметр d2пр второго промежуточного цилиндрического канала 9 (фиг.2).}

Кроме того, для увеличения количества кавитационных пузырьков в продольном сечении устройства промежуточный цилиндрический канал 7 (фиг.1), а также второй промежуточный цилиндрический канал 9 (фиг.2) сопряжен с соседними камерами под прямыми углами без образования между ними затупленных кромок.

Длина l₀ входного цилиндрического канала 3 может быть выбрана более 3d₀, т.е., как это следует из приведенных соотношений, большей, что длина l_пр промежуточного цилиндрического канала 7 или длина l_2пр второго промежуточного цилиндрического канала 9 (фиг.1, 2).

Работает гидрокавитационное устройство (фиг.1, 2) следующим образом.

Рабочая жидкость под заданным давлением подается во входной элемент 2, выполненный из конфузора 11 (фиг.1) или из цилиндрического канала 11 и конфузора 11 (фиг.2). Входной элемент 2 служит для ускорения потока рабочей жидкости. В области сужения входного элемента 2 происходит уменьшение гидростатического давления потока и происходит начальное образование ядер кавитации, перемещающихся совместно с потоком. При попадании жидкости в первую камеру 4 (фиг.1) скорость жидкости уменьшается, а гидростатическое давление увеличивается, поэтому на кромках (не затупленных, а острых, расположенных в сечении под прямыми углами) входного канала 3 и первой камеры 4, а также на кромках промежуточного цилиндрического канала 7 образуются газопаровые пузырьки. После первой камеры 4 эти газопаровые пузырьки через промежуточный цилиндрический канал 7 поступают во вторую камеру 5, в которой происходит процесс, аналогичный процессу в камере 4 с дополнительным образованием газопаровых пузырьков на острой кромке 10, т.к. диффузор подсоединен непосредственно к последней камере 5 (фиг.1) или к последней камере 8 (фиг.2) с образованием между смежными поверхностями диффузора и последней камеры 5 или 8 острой кромки 10. Кавитационные пузырьки совместно с потоком выносятся на обрабатываемую поверхность (не показана) через диффузор 6.

Таким образом, за счет введения последовательно расположенных камер 4, 5, 8, связанных через промежуточные цилиндрические каналы 7 и 9 (фиг.1, 2), удается увеличить образование кавитационных пузырьков, а следовательно, и улучшить эффективность воздействия гидродинамической струи на обрабатываемую поверхность. Второй вариант (фиг.2) отличается от первого варианта (фиг.1) использованием большего количества камер (расширительных), что требует увеличения заданного давления рабочей жидкости, поступающей во входной элемент 2.

Как показали исследования, при выходе за указанные диапазоны размеров происходит незначительное увеличение количества кавитационных пузырьков, ~5% от общего числа кавитационных пузырьков, обеспечиваемых применением только одной камеры 4. Диапазоны необходимых размеров камер 4, 5, 8 были установлены экспериментально. Для указанных диапазонов размеров при использовании двух камер по первому варианту (фиг.1) за счет использования второй камеры 5 удается повысить количество кавитационных пузырьков ~ в два раза от общего числа кавитационных пузырьков, обеспечиваемых применением только одной камеры 4. При использовании трех камер по второму варианту (фиг.2) удается повысить эффективность воздействия кавитирующей струи примерно на 8-10% по сравнению с эффективностью струи двухкамерной форсунки.

Расширяющаяся струя рабочей жидкости с повышенным количеством кавитационных пузырьков направляется на обрабатываемую поверхность, при достижении которой кавитационные пузырьки схлопываются. В зоне схлопывания кавитационных пузырьков происходит взрывной характер разрыва жидкости, при этом в зоне микровзрыва резко повышается температура и давление. Это приводит к повышению эффективности обработки поверхности, например, при очистке корпусов судов под водой от биологических обрастаний, отслоившейся краски, ржавчины. Если обычно при существенном увеличении давления рабочей жидкости в генераторе с одной камерой количество кавитационных пузырьков возрастает незначительно, то при использовании заявленного технического решения удалось увеличить количество кавитационных пузырьков (степень кавитации) без увеличения давления (фиг.1) или при незначительном увеличении давления для второго варианта (фиг.2). Кроме того, за счет исключения из заявленного устройства пружинного резонатора достигается упрощение конструкции и повышается ее надежность.

Пример (фиг.1) конструктивного выполнения гидрокавитационного устройства с улучшенными параметрами, d₀=1,5 мм.

d_1к=2,6 мм; l_1к=0,9 мм;

d_пр=2,45 мм; l_пр=1,1 мм;

d_2к=4,6 мм; L₂=1,35 мм;

d_д=3,8 мм; β _д=45° .

При использовании входного элемента в виде цилиндрического канала d_вх выбирается из условия 2<(d_вх/d₀)<4.

Экспериментально установлено:

Использование двух камер 4 и 5 позволяет увеличить образование кавитационных пузырьков приблизительно в два раза.

Воздействие кавитирующей струи резко усиливается в широком диапазоне давлений (40-100) кгс/см².

В связи с повышением эффективности воздействия струи можно перейти на пониженное рабочее давление (80-100) кгс/см².

Воздействие струи при Р = 80 кгс/см² из двухкамерной форсунки по эффективности сравнимо с воздействием струи при Р = 150 кгс/см² от однокамерной форсунки.

Экспериментально установлено, что эффективность воздействия кавитирующей струи от трехкамерной форсунки примерно на 10% больше, чем от струи двухкамерной форсунки.

Наиболее успешно заявленное гидрокавитационное устройство промышленно применимо для обработки различных поверхностей и может быть использовано для очистки и разрушения поверхностей, для перемешивания, диспергирования и стерилизации растворов рабочих жидкостей, а также очистки поверхностей судов и в других подобных технологических процессах.

Изобретение относится к гидрокавитационному оборудованию и позволяет увеличить степень кавитации (количество кавитационных пузырьков), повысить надежность и упростить конструкцию. Устройство содержит корпус и выполненные в корпусе входной элемент, входной цилиндрический канал, по меньшей мере, две камеры и диффузор, которые расположены соосно и последовательно по ходу жидкости и сообщены между собой. Введен, по меньшей мере, один промежуточный цилиндрический канал, расположенный между камерами. Диаметр d_пр и длина l_пр промежуточного цилиндрического канала выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,0<(d_пр/d₀)< 2 и 0,7< (l_пр/d₀)< 2, где d₀ - диаметр входного цилиндрического канала. Диаметр d_1к и длина l_lк первой камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_1к/d₀)<2 и 0,6<(l_lк/d₀)<0,8. Диаметр d_к*

и длина l_к*каждой последующей камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_к*/d_пр)<2 и 0,6<(l_к*/d_пр)<0,8, где d_пр*-диаметр промежуточного цилиндрического канала между последующей и предыдущей камерами. Диффузор подсоединен непосредственно к последней камере с образованием между смежными поверхностями диффузора и последней камеры острой кромки. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидрокавитационное устройство, содержащее корпус, и выполненные в корпусе входной элемент, предназначенный для подсоединения к источнику жидкости повышенного давления, входной цилиндрический канал, по меньшей мере, две камеры, выполненные с внутренней цилиндрической поверхностью, и диффузор, которые расположены соосно и последовательно по ходу жидкости и сообщены между собой, при этом введен, по меньшей мере, один промежуточный цилиндрический канал, расположенный между камерами и длина которого выбрана меньшей, чем длина входного цилиндрического канала, первая камера и следующая за ней камера сообщены промежуточным цилиндрическим каналом, диаметр d_пр, и длина l_пр которого выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,0<(d_пр/d₀)< 2 и 0,7< (l_пp/d₀)< 2, где d₀ - диаметр входного цилиндрического канала, диаметр d_1к и длина l_lк первой камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_1к/d₀)<2 и 0,6<(l_lк/d₀)<0,8, диаметр d_к*

и длина l_к*каждой последующей камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_к*/d*пp)<2 и 0,6<(l*к/d*пp)<0,8, где d_пр*- диаметр промежуточного цилиндрического канала между последующей и предыдущей камерой, при этом диффузор подсоединен непосредственно к последней камере с образованием между смежными поверхностями диффузора и последней камеры острой кромки.2. Устройство по п.1, в котором количество камер выбрано равным двум, при этом d*пp = d_пp, а диаметр d_2к и длина l_2к второй камеры равны соответственно d_к*и l_к*.3. Устройство по п.1, в котором количество камер выбрано равным трем, диаметр d_2к и длина l_2к второй камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_2к/d_пp)<2 и 0,6<(l_1к/d_пр)<0,8, вторая и третья камеры сообщены вторым промежуточным цилиндрическим каналом, диаметр d_2пр и длина l_2пр которого выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,0<(d_2пp/d_2пp)<2 и 0,7<(l_2пp/d_2пp)<2, диаметр d_3к и длина l_3к третьей камеры выполнены удовлетворяющими соотношениям 1,6<(d_3к/d_2пp)<2 и 0,6<(l_1к/d_2пр)<0,8, при этом диффузор подсоединен непосредственно к третьей камере с образованием между смежными поверхностями диффузора и третьей камеры острой кромки.4. Устройство по п.1, в котором входной элемент выполнен в виде конфузора, который сообщен с входным цилиндрическим каналом.5. Устройство по п.1, в котором входной элемент выполнен в виде цилиндрического канала, большего диаметра, чем входной цилиндрический канал, и сообщен с ним посредством конфузора.6. Устройство по п.1, в котором угол β _д раскрытия диффузора выбран β _д= 30 (град./мм)· d₀ ± 5° , а длина l_диф диффузора - (2÷ 3)d₀.7. Устройство по п.1, в котором в продольном сечении устройства промежуточный цилиндрический канал сопряжен с камерами под прямым углом.8. Устройство по п.1, в котором длина l₀ входного цилиндрического канала выбрана более 3d₀.