КАВИТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F15D1/02 

Изобретение относится к области гидродинамики двухфазных (парогазожидкостных) потоков, а именно к струйной технике, к конструкциям, работающим в условиях регулируемой гидродинамической кавитации.

Известен гидродинамический кавитационный аппарат, содержащий камеру-разделитель, камеру-рубашку, кавитационную вставку (сопло) и камеру (глушитель), в котором кавитационные пузырьки зарождаются в осевой части закрученного потока, а развитие кавитации и схлопывание пузырьков происходит при встрече потоков с разными энергиями в узком кольцевом канале, в результате чего поднимается температура жидкости на выходе из аппарата (RU 2144627 С1, 7 F 15 D 1/02, 1998).

Недостатком известной конструкции является невозможность введения в поток рабочей жидкости какой-либо перемещаемой среды (ингибитора коррозии) без наружных устройств (например, насосов).

Известен также кавитационный смеситель, содержащий проточный канал для перекачиваемой среды, камеру для приема вводимой среды, обтекатели для создания зон кавитации, а также большое число раздающих узких каналов (отверстий), сообщающих полости всех указанных элементов с основным каналом и служащих для подачи добавляемой среды в перекачиваемую. Устройство предназначено для смешивания жидкости с жидкостью, либо сатурации перекачиваемой жидкости. (SU 1785115 А1, B 01 F 5/00, 10.05.1996).

Недостатком известной конструкции является низкая интенсивность кавитации и соответственно низкая степень диспергирования и перемешивания сред, а также большое количество мелких отверстий, отрицательно влияющих на стабильность процесса.

Наиболее близким к предлагаемой установке является устройство для воздействия на поток рабочей среды, содержащее осесимметричный проточный канал для основного потока и систему наклонных к оси потока каналов для подачи возмущающих струй идентичной или иной по химическому составу среды, в котором происходит возбуждение гидродинамической кавитации за счет возмущающего воздействия струй на основной поток. При этом происходит диспергирование возмущающей среды и ее перемешивание с основным потоком (RU 2139454 C1, F 15 D 1/02, 10.10.1999).

Недостатком известного устройства является необходимость относительно большого расхода возмущающей среды, что делает невозможным использование в качестве возмущающей среды, например, ингибитора коррозии (потребная концентрация которого в основном потоке - десятки миллиграммов на литр), кроме того для подачи возмущающей среды необходимо наружное устройство (насос).

Техническим результатом изобретения является получение суспензий со сниженной коррозионной активностью.

Это достигается тем, что в кавитационной установке для создания регулируемой гидродинамической кавитации, включающей цилиндрический корпус с проточным каналом для прокачки основного потока текучей среды и отверстия в стенке канала для подачи в основной кавитирующий поток возмущающей струи и управления гидродинамической кавитацией путем инициирования скачка перемешивания, геометрическая ось которых пересекается с геометрической осью проточного канала под углом α , причем входной участок канала подключен к средству нагнетания текучей среды в канал, а упомянутое отверстие в стенке канала выполнено как продолжение байпасного патрубка, входной участок которого подключен к средству нагнетания текучей среды в канал, проточный канал снабжен кавитационной вставкой в виде одно- или многоручьевого сопла, рабочей камерой, имеющей канал подачи в проточный канал ингибитора коррозии, и диффузором, причем упомянутые отверстия выполнены в виде дополнительных сопел в стенках рабочей камеры, установленных с возможностью обеспечения условий формирования скачка перемешивания под углом α =40° -50° к оси камеры, на расстоянии (2-10)D_к от конца рабочей камеры и начала диффузора и связанных с каналом управления, где d_к - диаметр рабочей камеры.

Кроме того, канал подачи ингибитора коррозии снабжен обратным клапаном, дросселем, а также кольцевым каналом для равномерного распределения ингибитора по сечению.

Кроме того, дополнительные сопла связаны с каналом управления через управляющий манометр с задвижками.

Таким образом, технический результат достигается за счет интенсивной - за один разгон - кавитационной обработки потока жидкой рабочей среды, например пластовой воды и/или ее смеси с иной по химическому составу жидкой перемещаемой средой, например с ингибитором коррозии. Гидродинамическая кавитационная обработка потока жидкости производится с целью достижения изменений в той или иной степени значений различных показателей исходных жидкостей: гидробиологических и микробиологических показателей, химического состава, физико-химических параметров, фазово-дисперсионного состояния и ряда других показателей, влияющих в итоге на получение суспензий со сниженной коррозионной агрессивностью. При этом установка дополнительно выполняет такие технологические операции, как подачу той или иной перемещаемой среды (присадки, ингибитора коррозии и т.д.), тонкое диспергирование, перемешивание, процессы тепло-массопереноса, взаимодействие многокомпонентной среды на микроуровне, совмещая при этом функции струйного насоса и волнового статического смесителя, в частности - кавитационного. Причем за счет интенсивной кавитационной обработки коррозионной среды, в частности пластовой воды, достигается использование ингибитора коррозии с уменьшенной дозировкой.

Анализ существующего уровня техники в данной области позволяет сделать вывод об отсутствии в известных решениях признаков, сходных с отличающимися в заявляемом устройстве, и о соответствии заявленного устройства условиям патентоспособности "новизна" и "изобретательский уровень". Причем устройство может быть использовано в различных отраслях промышленности, например нефтяной и газовой, с получением указанного технического результата, что делает его "промышленно применимым".

На чертеже изображена кавитационная установка (в разрезе). Кавитационная установка содержит цилиндрический корпус 1 с проточным каналом, кавитационную вставку - сопло 2 на входе проточного канала, рабочую камеру 3 и диффузор 4. Рабочая камера 3 имеет канал 5 подачи в проточный канал ингибитора коррозии. Причем в стенках рабочей камеры выполнены отверстия в виде дополнительных сопел 6, которые являются продолжением байпасного патрубка 7 с задвижками 8 и связаны с каналом управления 9. Канал подачи ингибитора коррозии снабжен обратным клапаном 10, дросселем 11, а также кольцевым каналом 12 для равномерного распределения ингибитора коррозии по сечению. Сопла 6 связаны с каналом управления 9 через управляющий манометр 13 с задвижками 8. Уровень входного давления и его соответствие расчетному контролируется входным манометром (М₁) 14. Давление в зоне скачка перемешивания контролируется управляющим манометром (М₃) 13. Давление на выходе из сопла 2 контролируется манометром (М₂) 15. Давление на выходе установки контролируется манометром (М₄) 16. Рабочая среда через входной патрубок 17 подается питающим насосом 18.

Установка работает следующим образом.

Поток рабочей среды, например пластовой воды, Qp подается питающим насосом 18 через входной патрубок 17 на установку. Уровень входного давления и его соответствие расчетному контролируется входным манометром 14. После прохождения сопла 2, которое при малых сечениях выполняется одноручьевым, а по возможности - многоручьевым, формируется высокоскоростной поток (или потоки), имеющий кавитационный режим в струйном пограничном слое.

Причем число сопел - очагов кавитации необходимо выполнить максимально большим и равномерно распределить их по нормальному сечению потока.

Поток в условиях кавитации можно рассматривать как двухфазный поток, состоящий из парогазовой и жидкой фаз - парогазожидкостной поток.

Рабочий процесс гидродинамических кавитационных аппаратов основан на явлениях, происходящих при совместном течении двух фаз. Зарождение высокоскоростного двухфазного течения осуществляется кавитаторами, обеспечивающими локальное снижение давления до давления насыщенного пара. Поведение двухфазного потока во многом зависит от паросодержания в нем. При этом скорость звука в парожидкостной смеси может быть существенно меньше скорости звука в составляющих смесь компонентах. Поэтому, если создать условия формирования высокоскоростных струй при помощи кавитатора 2, то на выходе последнего можно получить сверхзвуковой парогазожидкостной поток. Течение сверхзвукового двухфазного потока в условиях трения приводит к тому, что в некотором сечении русла формируется скачок перемешивания, и сверхзвуковое течение переходит в дозвуковое с одновременной конденсацией жидких присадок (в нашем случае - ингибитора коррозии) и их диспергированием в несущую среду. Осуществление режима течения парожидкостного потока со скачком перемешивания обеспечивает резкое локальное повышение давления, тем самым взаимопроникновение компонентов смеси будет наиболее полным. Таков механизм влияния скачка перемешивания на диспергирование и перемешивание примесей и присадок, в частности ингибитора коррозии.

В рабочей камере 3 протекают кавитационные процессы в струйных пограничных слоях, сопровождающиеся образованием и схлопыванием пузырьков малого размера, при которых возможны значения давления свыше 10⁶ ати. Практически еще Эллис с помощью фотоупругих материалов получил давления в центрах схлопывания свыше 10⁴ ати или 10³ МПа. При этом мгновенные значения температур превышали 10³°^{С. Воздействие столь высоких значений давлений и температур в микрообъемах приводит к воздействию на одноклеточные организмы, интенсификации процессов тепло- и массопереноса, и следовательно, к изменению химических, физико-химических параметров, фазово-дисперсного состояния.}

Помимо высоких мгновенных значений давлений и температур в микрообъемах, дополняемых ударным воздействием скачка перемешивания, на перечисленные показатели оказывают мощное ударное воздействие такие явления, как высокоскоростные кумулятивные микроструи и электронные микропробои.

Инициируемый в расчетной зоне рабочей камеры скачок перемешивания при кавитационном истечении струек из сопла (сопел) 6 вызывает ударное повышение давления в конце рабочей камеры, что способствует захлопыванию кавитационных пузырьков, т.е. завершению кавитационных процессов в рабочем объеме камеры. Кроме того, воздействие скачка перемешивания является дополнительным фактором интенсификации указанных процессов.

В результате ударного воздействия всех вышеназванных факторов происходят: частичное подавление жизнеспособности имеющихся в водах одноклеточных организмов, например фитопланктона и сульфатвосстанавливающих бактерий; частичное изменение химического состава воды, например уменьшение количества растворенного кислорода, изменение солевого состава и кислотного баланса; физико-механические процессы, например тонкое диспергирование раствора ингибитора коррозии и перемешивание его с перекачиваемой средой на микроуровне. При этом реагент инжектируется самой установкой. Без подающего насоса.

Из рабочей камеры поток попадает в диффузор 4, где его кинетическая энергия переходит в потенциальную, давление поднимается до выходного, а скорость падает до приемлемой для транспортирования среды в трубопроводе.

Подача раствора ингибитора коррозии осуществляется через обратный клапан 10, игольчатый дроссель 11 по каналу 5. Кольцевой канал 12 служит для равномерного распределения раствора по сечению, откуда через кольцевой зазор 19 раствор распределяется в проточную часть устройства (проточный канал). Давление в этой зоне примерно соответствует давлению насыщенных паров воды (~2,4× 10³ Па для диапазона температур 12-30° С)

Давление подачи ингибитора коррозии - атмосферное (на свободной поверхности в резервуаре) плюс высота столба жидкости над дросселем 11.

Давление на выходе из сопла (сопел) 2 контролируется манометром (М₂) 15. Давление в зоне скачка контролируется управляющим манометром (М₃) 13. При увеличении подачи насосом 18 растет скорость истечения из дополнительных сопел 6, служащих для инициирования скачка перемешивания и установленных с возможностью его обеспечения под углом α =40-50° к оси камеры 3 на расстоянии (2-10)d_к (где d_к - диаметр рабочей камеры) от конца рабочей камеры и начала диффузора 4. Величина разброса (2-10)D_к связана с уровнем входных давлений на установке и с выполняемыми установкой функциями. Геометрические размеры установки определяют расчетным путем по известным зависимостям.

С ростом давления питания наблюдается тенденция к смещению скачка перемешивания по потоку в диффузор, что ведет к падению давления в хвостовой части камеры 3 и, следовательно, - к незавершенности рабочих процессов в расчетном объеме камеры 3. В противодействие этому процессу растет скорость истечения из дополнительных сопел 6. Это обусловлено гидравлической связью сопел 6 с питающим насосом 18 и регулировкой подачи среды на сопла 6 через задвижки 8 посредством канала управления 9, связанного с управляющим манометром (М₃) 13 (регистрирующим давление в зоне скачка). Снижение подачи насоса 18 приводит к снижению скорости истечения из дополнительных сопел 6 по тем же причинам, что в итоге также удерживает скачок перехода в расчетной зоне, предотвращая его смещение по потоку. Этот элемент управления координатой фактического возникновения скачка перемешивания (перехода парогазовой составляющей потока со сверхзвука на дозвук) характеризует сущность заявленного изобретения.

Изобретение относится к области гидродинамики двухфазных (парожидкостных) потоков, а именно к конструкции, работающей в условиях регулируемой гидродинамической кавитации. В кавитационной установке для создания регулируемой гидродинамической кавитации проточный канал снабжен кавитационной вставкой в виде одно- или многоручьевого сопла, рабочей камерой, гидравлически связанной с ним и имеющей канал подачи в проточный канал ингибитора коррозии, и диффузором, причем отверстия в стенке проточного канала выполнены в виде дополнительных сопел в стенках рабочей камеры, установленных с возможностью обеспечения условий формирования скачка перемешивания под углом α=40°-50° к оси камеры, на расстоянии (2-10)D_к от конца рабочей камеры и начала диффузора и связанных с каналом управления, где d_к - диаметр рабочей камеры. Техническим результатом изобретения является получение суспензий со сниженной коррозионной активностью. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кавитационная установка для создания регулируемой гидродинамической кавитации, включающая цилиндрический корпус с проточным каналом для прокачки основного потока текучей среды и отверстия в стенке канала для подачи в основной поток возмущающей струи и управления гидродинамической кавитацией, геометрическая ось которых пересекается с геометрической осью проточного канала под углом α, причем входной участок канала подключен к средству нагнетания текучей среды в канал, а упомянутые отверстия в стенке канала выполнены как продолжение байпасного патрубка, входной участок которого подключен к средству нагнетания текучей среды в канал, отличающаяся тем, что проточный канал снабжен кавитационной вставкой в виде одно или многоручьевого сопла, рабочей камерой, имеющей канал подачи в проточный канал ингибитора коррозии, и диффузором, причем упомянутые отверстия выполнены в виде дополнительных сопел в стенках рабочей камеры, установленных с возможностью обеспечения условий формирования скачка перемешивания под углом α=40÷50° к оси камеры, на расстоянии (2-10)D_к от конца рабочей камеры и начала диффузора и связанных с каналом управления, где D_к - диаметр рабочей камеры.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что канал подачи ингибитора коррозии снабжен обратным клапаном, дросселем, а также кольцевым каналом для равномерного распределения ингибитора по сечению.3. Установка по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительные сопла связаны с каналом управления через управляющий манометр с задвижками.