УСТРОЙСТВО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК B01F7/26 

Изобретение относится к технологии кавитационной обработки жидкости или смеси жидкостей и диспергированных в них твердых частиц. Может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Предпосылки изобретения и уровень техники.

Известно устройство гидродинамической обработки жидкости, содержащее сосуд для жидкости и установленный в сосуде акустический вибратор (см. RU 2209112, МПК B 01 J 19/10, опубл. 04.06.2004).

Существенным недостатком этого устройства является зависимость энергопередачи акустических колебаний в среду от вязкости среды. Кроме того, устройство имеет низкий коэффициент полезного действия.

Известно устройство кавитационной обработки жидкости, выполненное в виде системы конфузор - диффузор (RU 95120655, МПК B 01 F 5/00, опубл. 27.02.1998).

При прохождении обрабатываемой жидкости через систему конфузор - диффузор, в диффузоре скорость жидкости возрастает, что приводит к падению давления ниже давления насыщенного пара и к возникновению кавитации. Это устройство является более эффективным, чем акустический вибратор. Однако и в этом устройстве не осуществляется управляемое воздействие как на образование кавитационных пузырьков, так и на их схлопывание. Кроме того, область кавитационного воздействия находится в пристеночной зоне диффузора, что снижает эффективность кавитационной обработки жидкости. Во многих случаях в обрабатываемую жидкость необходимо вводить твердые частицы, что для системы конфузор - диффузор неприемлемо.

Известно устройство кавитационной обработки жидкости, выполненное в виде ротора и статора с прорезями для жидкости, известное как роторно - пульсационный аппарат (см. патент РФ № 2178337, МПК⁷ B 01 J 19/00, 20.01.2002). Образование кавитационных пузырьков в этих аппаратах достигается за счет движущихся на периферии с большой скоростью выступов. Однако и в этом случае кавитационные полости и пузырьки образуются на поверхности рабочего инструмента, что резко снижает эффективность кавитационной обработки.

Известно устройство гидродинамической обработки жидкости, содержащее два или более сопловых отверстий, размещенных с возможностью подачи встречных струй жидкости (см. заявку на патент США № 2003/0199595, НКИ 516/20, опубл. 23.10 2003).

В известном устройстве происходит более эффективная обработка жидкости, так как на жидкость первоначально воздействует образующийся при столкновении струй вихрь, а когда скорость на периферии ядра вихря достигает критического значения, то происходит возникновение кавитационных пузырьков. Вторым эффектом является то, что кавитационные пузырьки, образующиеся в зоне ядра вихря, перемещаются к центру ядра вихря и схлопываются.

Однако в этом известном устройстве подача обрабатываемой жидкости происходит вдоль некоторой поверхности, как правило, это внутренняя поверхность трубы или форсунки, то есть всегда на этой поверхности образуется пограничный слой жидкости, а это в свою очередь приводит к потери энергии жидкости на стенках. Это явление очень существенно для вязких жидкостей. Например, для увеличения скорости струи жидкости необходимо уменьшать диаметр сопла, однако этому уменьшению препятствует пограничный слой жидкости вдоль стенок сопла.

Этот недостаток устраняется в известном устройстве гидродинамической обработки жидкости, где возможно воздействие на пограничный слой жидкости центробежной силы, которая приложена непосредственно к пограничному слою на поверхности вращающегося диска, и это устройство является наиболее близким к настоящему изобретению.

Вышеуказанное устройство гидродинамической обработки жидкости содержит корпус, диск, установленный в корпусе, привод, выполненный с возможностью передачи вращательного момента к диску (см. патент США № 6132080, НКИ 366/286, опубл. 17.10.2000 г.).

В этом известном устройстве жидкость подается на поверхность вращающегося диска. При этом пограничный слой жидкости взаимодействует с гладкой поверхностью каждого из вращающихся дисков и под действием центробежной силы перемещается на периферию диска. При перемещении пограничного слоя жидкости происходит турбулизация жидкости на поверхности диска, то есть образование вихрей. Таким образом, возможна гидродинамическая обработка жидкости. Однако образованные в этом случае вихри быстро покидают поверхность диска, приобретая при этом незначительную энергию вращения, что не позволяет осуществить более эффективную гидродинамическую обработку жидкости.

Таким образом, решаемая настоящим изобретением задача заключена в повышении эффективности гидродинамической обработки жидкости.

Технический результат, который может быть получен при решении поставленной задачи, заключается в существенном увеличении энергии вихря и формировании вихря с кавитационными пузырьками в его ядре.

Поставленная задача с достижением вышеуказанного технического результата решается за счет того, что в известном устройстве гидродинамической обработки жидкости, содержащем корпус, диск, установленный в корпусе, привод, выполненный с возможностью передачи вращательного момента к диску, на торцевой поверхности диска, соосно ему, установлен конический элемент, образующая которого прямая или кривая линия, а над поверхностью диска, соосно ему и коническому элементу, установлена камера, при этом между торцом камеры и торцевой поверхностью диска выполнен зазор, а также за счет того, что

- зазор между торцом камеры и торцевой поверхностью диска выполнен регулируемым;

- образующая конического элемента выполнена с радиусом кривизны, равным 1-10 радиусам его основания;

- образующая конического элемента выполнена в виде гиперболы;

- образующая конического элемента выполнена в виде сегмента окружности;

- число Рейнольдса для конического элемента выбрано в пределах 2000 - 5500 и определяется соотношением R_e=ΩR²/ν, где

Ω - угловая скорость вращения конического элемента (рад/сек);

R - радиус основания конического элемента (метр);

ν - кинематическая вязкость обрабатываемой жидкости (м²/сек);

- безразмерный геометрический фактор камеры выбран в пределах 2 - 3 и определяется соотношением - α₁=H/R, где Н - высота камеры, т. е. расстояние от основания конического элемента до верхнего среза камеры;

- камера выполнена осесимметричной.

Изобретение поясняется фигурами.

На фиг.1 представлен разрез устройства обработки жидкости в вертикальной плоскости с указанием направлений потока жидкости и обозначением зоны образования вихря.

На фиг.2 представлен разрез устройства в горизонтальной плоскости.

В соответствии с фиг.1 устройство гидродинамической обработки жидкости содержит корпус 1, диск 2, установленный в корпусе 1, и привод. Вал 3 соединен с приводом и выполнен с возможностью передачи вращательного момента к диску 2. На торцевой поверхности 4 диска 2 установлен конический элемент 5 соосно диску 2. Образующая 6 конического элемента 5 прямолинейна или криволинейна. Соосно диску 2 над его торцевой поверхностью 4 установлена камера 7, при этом между нижним торцом 8 цилиндрической камеры 7 и торцевой поверхностью 4 диска 2 выполнен зазор 9. Зазор 9 выполнен с возможностью регулирования, то есть с возможностью изменения его ширины. На противоположном торце 10 цилиндрической камеры 7 выполнено отверстие 11 для подачи обрабатываемой жидкости. Для удаления обработанной жидкости предусмотрено выпускное отверстие 12 (фиг.2).

В настоящем изобретении гидродинамическая обработка жидкости, например получение эмульсий, осуществляется следующим образом. Обрабатываемая жидкость поступает в объем устройства через отверстие 11 и заполняет объем осесимметричной камеры 7.

При вращении диска 2 с коническим элементом 5 его боковая коническая поверхность приводит в движение пограничный слой (условно обозначен знаком С фиг.1). В этом случае на пограничный слой будут действовать две силы: центробежная, направленная вдоль радиуса диска 2, и сила, обусловленная движением элементов пограничного слоя вдоль криволинейной образующей и которая направлена вдоль радиуса кривизны (обозначен как R1 на фиг.1) этой образующей, то есть эта сила создает дополнительное давление на боковую поверхность конического элемента 5. В совокупности это приводит к тому, что энергия, передаваемая пограничному слою, будет большей, чем в случае плоского диска. Линия тока в этом случае обозначена сплошной линией С. В дальнейшем часть жидкости будет направляться в регулируемый зазор 9, а остальная часть жидкости будет направлена вдоль внутренней поверхности камеры 7. Это движение приводит к образованию вихревой зоны между поверхностью конического элемента 5 и внутренней поверхностью осесимметричной камеры 7. Линии тока этих вихрей показаны на фиг.1 (обозначены V). Поскольку в зону образования вихря непрерывно поступает жидкость пограничного слоя, то энергия вращения вихря увеличивается, а это приводит к образованию кавитационной полости на границе ядра вихря, то есть происходит первый такт обработки жидкости - образование полости в жидкости за счет кругового движения. В этом случае происходит разрушение крупных агломератов внутри жидкости. Таким образом, этот процесс обеспечивает образование эмульсий, дисперсий и тому подобное. Образовавшаяся на границе ядра вихря кавитационная полость или пузырек будет втягиваться в центр вихря, что приведет к схлопыванию пузырька. При схлопывании пузырька значительно возрастают давление и температура. Этот рост температуры и давления вызывает механохимические реакции в среде обрабатываемой жидкости. С другой стороны, это приводит к разрушения вихря как организованной структуры и снижению гидродинамического сопротивления в зоне формирования вихря. В результате через отверстие 11 увеличится поступление жидкости, а большая часть продуктов разрушения вихря с помощью диска 2 будет направлена в зазор 9, где под действием центробежной силы будет направлена в выпускное отверстие 12. Таким образом, обработка жидкости происходит с механическим воздействием на жидкость с определенной частотой.

Параметром гидродинамической обработки является число Рейнольдса, которое для нашего случая находится в пределах 2000-5500, определяется соотношением

Rе=ΩR²/ν,

где Re - число Рейнольдса;

Ω - угловая скорость вращения конуса (рад/сек);

R - радиус основания конического элемента (м);

ν - кинематическая вязкость жидкости (м²/сек).

Следующим параметром является безразмерный геометрический фактор камеры - α₁=H/R, где Н - высота камеры 7, т.е. расстояние от основания конического элемента 5 до верхнего среза 10 камеры 11. Этот параметр должен быть заключен в пределах 2-3.

Высота конического элемента 5 может быть выбрана в диапазоне 1 - 2 радиусов основания этого конического элемента 5, а образующая конического элемента выполнена с радиусом кривизны, равным 1-10 радиусам его основания.

Таким образом, в настоящем изобретении реализован путь получения вихревой структуры в жидкости с заранее заданными параметрами, формирование в этой структуре кавитационных явлений, обеспечивающих механохимическую обработку жидкости и выпуск продуктов обработки из реакционной зоны.

Устройство предназначено для кавитационной обработки жидкостей и их смесей и диспергирования в них твердых частиц и может использоваться в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Устройство содержит корпус, в котором установлен вращающийся диск. На диске соосно ему установлен конический элемент. Образующая элемента может быть прямой или кривой линией. Над диском с регулируемым зазором к нему установлена камера. Технический результат состоит в повышении эффективности обработки. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство гидродинамической обработки жидкости, содержащее корпус, диск, установленный в корпусе, привод, выполненный с возможностью передачи вращательного момента к диску, отличающееся тем, что на торцевой поверхности диска соосно с ним, установлен конический элемент, образующая которого прямая или кривая линия, а над поверхностью диска соосно с ним и коническим элементом, установлена камера, при этом между торцом камеры и торцевой поверхностью диска выполнен зазор.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазор между торцом камеры и торцевой поверхностью диска выполнен регулируемым.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что образующая конического элемента выполнена с радиусом кривизны, равным 1-10 радиусам его основания.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что образующая конического элемента выполнена в виде гиперболы.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что образующая конического элемента выполнена в виде сегмента окружности.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число Рейнольдса для конического элемента выбрано в пределах 2000-5500 и определяется соотношением Re=ΩR²/ν, где Ω - угловая скорость вращения конуса (рад/с), R - радиус основания конического элемента (м), ν - кинематическая вязкость обрабатываемой жидкости (м²/с).7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что безразмерный геометрический фактор α₁ камеры выбран в пределах 2-3 и определяется соотношением α₁=H/R, где Н - высота камеры.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера выполнена осесимметричной.