Кавитационный аэратор Волкова Российский патент 2020 года по МПК B01F5/02 B01F3/04 C02F1/74 

Заявленное изобретение относится к области смесительной техники для насыщения в различных технологиях с использованием газожидкостных систем посредством активной аэрации газообразной фазой, в частности кислородом, различных жидкостей, в частности воды, с эффектом ускорения диффузионно-кинетических процессов при физическом массообмене, усложненном протеканием химических реакций в фазах, за счет кавитационных явлений.

Известно устройство - аэратор Патент РФ №2292233, предназначенный для принудительной подачи и диспергации воздуха или кислорода в различные аппараты. Он представляет собой воздухоподводящую трубу с эластичными диспергаторами, выполненными из резины. Недостатком этого аэратора является то, что его работа основана на диспергировании газовой фазы в жидкую с активной газовой фазой. Межфазная поверхность, определяющая эффективность насыщения, в данном случае невелика и определяется суммарной поверхность пузырьков, образующихся при диспергировании, а при увеличении напора воздуха в трубу вследствие гидродинамической устойчивости диспергаторов, их колебания будут, сведутся к минимуму, что еще больше сократит газосодержание жидкой фазы и уменьшение межфазной поверхности.

Известен аэратор Патент РФ №2231499 с диспергирующим элементом, изготовленным из полимерного материала с различной пористостью, изменяющейся по профилю сечения элемента - оболочки. При работе аэратора диаметр образующихся пузырьков различен в. центральной части наибольший и уменьшающийся к периферии. Недостатком данного устройства является повышенное гидравлическое сопротивление прохождению газовой среды через оболочку. Неравномерность пористости, приводит к различному сопротивлению для газовой среды по площади поверхности оболочки и различной пропускной способности по газу, что является причиной увеличения количества пузырьков большого диаметра, снижению площади межфазной поверхности. Явление коалесценции пузырьков вследствие захвата большими маленьких, приводит к уменьшению площади активной поверхности соприкосновения фаз, снижающих КПД массообмена.

Известен аэратор Патент РФ №2645141 для подачи воздуха в аэрационный бассейн, состоящий из цельнокерамического пустотелого корпуса со стенками из прессованного однофракционного керамического порошка с центральным отверстием и винтовой нарезкой в корпусе, входящего штуцера, подводящим воздух трубопровода. В корпусе имеются одно или более вертикальные цилиндрические отверстия с непроницаемыми стенками и винтовой нарезкой. Недостатком этого аэратора является достаточно сложная технология его изготовления, малая аэрационная активность, большое гидросопротивление воздуха и малая поверхность массообмена вследствие того, что активной средой его образующей является воздух.

Техническим результатом предлагаемого устройства является то, что применение полоконусной форсунки в аэраторе, с расположенным внутри ее завихрителем, и отбойником появилась возможность создать оптимальный режим перемешивания воды с воздухом. Это достигается тем, что улучшение качества смесеобразования обеспечивается формированием водяного конуса с движением потока жидкости по спирали, возникновением явления кавитации за счет сдвиговых течений в потоке и скачка скоростей в зоне ударения водяных струй в отбойник, где образуется область пониженного давления с образованием пузырьков пара, их схлопывание и через отверстие в отбойнике подсос воздуха, активно перемешивающегося с водой. При схлопывании пузырьков идет локальное повышение давления и температуры, что увеличивает кинетические коэффициенты и скорость протекания диффузионных и химических процессов. Поверхность массообмена в данном случае будет определятся площадью поверхности образующихся капель жидкости, которых в данном устройстве является намного больше, чем когда активной фазой является газовая среда.

На Фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства. Аэратор состоит из корпуса 1, с форсункой 2, представляющей собой полый полоконус с вставленным в нее завихрителем 3 с винтовой нарезкой каналов 4 по внешней его поверхности, отбойником 5 с каналом 6 для подачи - подсоса воздуха, каналом 7 подачи воды и каналом 8 выхода водовоздушной смеси.

Устройство работает следующим образом. Вода или другая жидкая среда из источника (скважина или городской водопровод) под давлением подается в аэратор 1 на форсунку и, двигаясь по каналам завихрителя приобретает кинематическое винтовое движение. При выходе через отверстие конусной части форсунки она образует конусный факел со спиральным движением частиц воды относительно корпуса аэратора. Во внутренней зоне факела 9 за счет кавитационного эффекта, образующегося в зоне ударения струй воды об отбойник, образуется зона пониженного давления. В нее через канал 6 в отбойнике подсасывается воздух, который попадая во внутреннюю зону факела, захватывается водой и активно с ним перемешивается, что в разы усиливает эффект, например, насыщения кислородом воды. Затем газовоздушная смесь через канал 8 направляется в сепаратор для дегазации воды.

Кавитационный аэратор Волкова предназначен для высокопроизводительной аэрации жидких гомогенных и гетерогенных сред с использовании кавитационного эффекта, существенно ускоряющего как физические тепломассообменные процессы, так и усложненные протеканием химических реакций. Устройство для аэрации жидкости включает корпус с каналом подачи жидкости, каналом подачи воздуха и каналом вывода смеси жидкости и воздуха, причём жидкость подают под давлением в установленную в корпусе полоконусную форсунку с расположенным внутри неё завихрителем с винтовой нарезкой каналов на его внешней поверхности, в зоне выхода конусного факела потока жидкости из отверстия конусной части форсунки установлен отбойник, при ударении о который потока жидкости возникает кавитация, воздух поступает во внутреннюю зону факела потока жидкости по каналу в отбойнике и через отверстие в нём. За счет того что активной средой образования межфазной поверхности является жидкая фаза, площадь соприкосновения фаз существенно увеличивается, процессы переноса определяются не только молекулярной диффузией, но и ускоряются турбулизацией фаз. Он может быть использован для процессов обезжелезивания воды, ускорения процессов очистки сточных вод. 1 ил.

Устройство для аэрации жидкости, включающее корпус с каналом подачи жидкости, каналом подачи воздуха и каналом вывода смеси жидкости и воздуха, отличающееся тем, что жидкость подают под давлением в установленную в корпусе полоконусную форсунку с расположенным внутри неё завихрителем с винтовой нарезкой каналов на его внешней поверхности, в зоне выхода конусного факела потока жидкости из отверстия конусной части форсунки установлен отбойник, при ударении о который потока жидкости возникает кавитация, воздух поступает во внутреннюю зону факела потока жидкости по каналу в отбойнике и через отверстие в нём.