ВИХРЕВОЙ КАВИТАТОР Российский патент 2024 года по МПК F24V40/00 

Изобретение относится к устройствам кавитационного типа для использования в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования твердых включений в жидкостях, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств и биологической активности жидкостей, а также имеет возможность применения в системах отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева воды для производственных и бытовых нужд

Известен теплогенератор для нагрева жидкостей(патент RU 2045715, кл.F25B 29/00), содержащий цилиндрический корпус с циклоном и ускорителем потока в его нижней части, тормозное устройство в верхней части, за которым установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком. Рассматриваемое устройство является не только высокоэффективным нагревателем кавитационного типа, а так же высокопроизводительным аппаратом для обработки жидких сред. Наряду с нагревом жидкостей оно может производить гомогенизацию, диспергацию, сепарацию, коагуляцию, дезинфекцию и т.д. При этом вход обрабатываемого продукта может осуществляться через дополнительный транзитный патрубок, установленный на всасывающей линии циркуляционного насоса, а выход обработанного материала может производиться через транзитный выходной патрубок, установленный на выходном патрубке теплогенератора. При этом следует отметить, что принцип действия этого теплогенератора основан на вихревом течении жидкости внутри его, что предполагает проявление в рабочем процессе центробежных сил, следовательно, имеется возможность разделения поучаемого продукта по удельным весам и тем самым производить отбор по физическим свойствам в разных точках рабочего пространства. Однако, в рассматриваемом устройстве это не предусмотрено.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для нагрева жидкостей (Патент №2564730 РФ, МПК F24J3/00), содержащее в виде полого цилиндра корпус с циклоном и ускорителем потока в его нижней части, тормозное устройство в верхней части, за которым установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком, а в верхней части корпуса соосно и с радиальным зазором к выходному отверстию установлена труба, сообщающая полость корпуса с атмосферой.

Рассматриваемая конструкция устройства для нагрева жидкостей так же основана на вихревом течении воды и приспособлена для удаления из рабочего пространства воздуха и включений, имеющих плотность меньшую, чем вода, через центральное отверстие. В этом случае за счет центробежных сил легкая фракция отжимается в центральную область, там улавливается трубой и выводится из рабочего пространства. Это мероприятие, во-первых, обеспечивает благоприятные условия для протекания волновых процессов, и в случае работы устройства в качестве теплогенератора повышает его эффективность на 40-50%. Во-вторых, при выполнении этим устройством различных технологических операций: диспергация, сепарация, коагуляция, дезинфекции и т.д. важно непрерывно производить отбор готового продукта. Для фракций с плотностью меньшей, чем плотность воды, данное мероприятие производится черезсоосную корпусу трубу на выходе.

Однако, удаление готового продукта с плотностью большей плотности воды в рассматриваемой конструкции не предусмотрено, следовательно, оно не может быть применено на операциях с тяжелыми материалами. В этом случае тяжелый материал будет непрерывно накапливаться во внутреннем пространстве устройства до полного его заполнения и устройство прекратит работу.

Целью изобретения является обеспечение работоспособности устройства на материалах любой плотности за счет обеспечения возможности эвакуации тяжелого обработанного материала из устройства.

Для достижения поставленной цели в известном устройстве для нагрева жидкостей, содержащем корпус в виде полого цилиндра с циклоном и ускорителем потока с одной стороны, а с другой его стороны тормозным устройством, за которым установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком, а в выходном отверстии соосно и с радиальным зазором установлена труба, сообщающая полость корпуса с атмосферой, на выходном торце полого цилиндра корпуса соосно и с осевым разрывом устанавливается обойма, заканчивающаяся дном с тормозным устройством, в которой в продолжении полого цилиндра корпуса, с равными корпусу диаметрами, с минимальным радиальным зазором и подвижно в осевом направлении размещена гильза с приводом, который снабжен уплотнением, а вокруг осевого разрыва установлен коллектор с выходным патрубком и запорным краном.

При этом:

- коллектор может быть выполнен в виде спирального отливного канала;

- привод гильзы может быть выполнен в виде тяг, закрепленных на торце стенки гильзы, проходящих сквозь дно, каждая из которых снабжена передачей винт-гайка, размещенной в неподвижной вилке с внешней стороны;

- уплотнение может быть выполнено в виде набивки вокруг каждой тяги в кольцевой проточке с резьбой в дне и поджато резьбовой нажимной втулкой с центральным отверстием.

Установка на выходном торце полого цилиндра корпуса соосно и с осевым разрывом обоймы обеспечивает сход тяжелой фракции из корпуса через осевой разрыв с последующим ее удалением. Это происходит вследствие вихревого движения рабочей жидкости, при котором за счет центробежных сил тяжелая фракция скользит по внутренней поверхности цилиндрического корпуса и при прохождении осевого разрыва уходит на большие радиусы.

Размещение гильзы в продолжении полого цилиндра корпуса, с равными корпусу диаметрами, с минимальным радиальным зазором и подвижно в осевом направлении обеспечивает, во-первых, изменение площади проходного сечения разрыва, что обуславливает изменение массового расхода продукта через настраиваемый разрыв. Во-вторых, осевой размер этого разрыва может определять граничное зерно проходящего материала - мелкая фракция извлекается из рабочего процесса, а крупная проходит на повторный цикл. Настройка величины разрыва осуществляется приводом, на пример, в виде тяг, закрепленных на торце стенки гильзы, проходящих сквозь дно корпуса и снабженных передачей винт-гайка, которые перемещают гильзу. В этом случае на противоположном конце каждой тяги имеется резьба, на которую наворачивается гайка, закрепленная в неподвижной вилке. При вращении гайки она упирается в неподвижную вилку и тем самым перемещает тягу.

Установка вокруг осевого разрыва коллектора с выходным патрубком и запорным краном обеспечивает удаление товарного продукта из внутреннего пространства вихревого кавитатора. При этом запорный кран регулирует расход продукта, а исполнение коллектора в виде спирального отливного канала снижает гидравлические потери при этом, поскольку расходный радиальный поток движется по всей длине окружности осевого разрыва и по мере движения к выходному патрубку с каждого линейного элемента разрыва он собирается в суммарное течение. Спиральная его конфигурация обеспечивает постоянство скоростей вдоль потока в направлении выходного патрубка, и тем самым минимальные гидравлические потери в потоке.

Установка уплотнения, а так же выполнение его в виде набивки вокруг каждой тяги в кольцевых резьбовых проточках в дне корпуса обеспечивает перемещение тяг (внутренней гильзы) и управление ими с наружной стороны вихревого кавитатора, что исключает разборку устройства для регулировки местоположения гильзы. Степень поджатия набивки на требуемое противодействие давлению осуществляется резьбовой нажимной втулкой с центральным отверстием, установленной на каждой из тяг и вворачиваемой в резьбу кольцевой проточки дна корпуса с наружной стороны.

Предлагаемое изобретение вписывается в основные тенденции развития техники, поскольку на настоящем этапе развития общества актуальным направлением для техники является использование новых физических принципов действия, как для традиционных технологических процессов, так и для новых - пионерских. Является целесообразным у таких технологических процессов увеличить ширину охвата необходимых полезных функций. В этом случае известные, вводимые в эксплуатацию и перспективные процессы должны стать более производительными, менее дорогими, повышенного качества и т.д. В данном случае на основе кавитационных явлений предложен, во-первых, сам кавитатор для выполнения технологических процессов и нагрева жидкостей, во-вторых, в данном случае расширяются его технологические возможности и повышается качество выполнения процессов.

Изобретение пояснено следующими изображениями:

Фиг.1. Вид общий вихревого кавитатора с эвакуационными устройствами.

Фиг.2. Фотография изготовленного вихревого кавитатора с эвакуационными устройствами.

Вихревой кавитатор содержит корпус 1 в виде полого цилиндра с циклоном 2 и ускорителем потока 3 с одной стороны, а с другой его стороны тормозным устройством 4, за которым установлено дно 5 с выходным отверстием 6, сообщающимся с выходным патрубком 7, а в выходном отверстии соосно и с радиальным зазором установлена труба 8, сообщающая полость корпуса с атмосферой, на выходном торце 9 полого цилиндра корпуса 1 соосно и с осевым разрывом 10 устанавливается обойма 11, заканчивающаяся дном 5 с тормозным устройством 4. В обойме 11 в продолжении полого цилиндра корпуса 1, с равными корпусу диаметрами, с минимальным радиальным зазором и подвижно в осевом направлении размещена гильза 12 с приводом и уплотнением, а вокруг осевого разрыва 10 установлен коллектор 13 с выходным патрубком 14 и запорным краном 15.

Привод гильзы выполнен в виде тяг 16, закрепленных на торце стенки гильзы 12, проходящих сквозь дно 5, каждая из которых снабжена передачей винт 17 - гайка 18, размещенной в неподвижной вилке 19 с внешней стороны.

Уплотнение выполнено в виде набивки 20 вокруг каждой тяги 16 в кольцевой проточке 21 с резьбой в дне 5 и поджато резьбовой нажимной втулкой 22 с центральным отверстием.

Выходной патрубок 7 соединен через возвратный трубопровод 23 со всасывающим патрубком насоса 24. Напорный патрубок насоса 24 соединен с входом в ускоритель потока 3. В возвратном трубопроводе 23 перед насосом 24 размещен входной транзитный патрубок 25, в который поступает рабочая жидкость и обрабатываемый материал.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы в устройство заливается вода по транзитному входному патрубку 25, далее этот патрубок переключается на подачу в устройство обрабатываемого материала (на пример торфа для его измельчения), труба 8 и осевой разрыв 10 закрыты, включается насос 24. В этом случае насос создает высоконапорный поток с давлением 5 bar. Этот поток из напорного патрубка насоса 24 устремляется в ускоритель потока 3 и в нем дополнительно повышает свою скорость, переходя далее в циклон 2. Циклон 2 представляет из себя вихревую камеру с тангенциальным входом и центральным выходом, в которой генерируются упругие волны в жидкости за счет взаимодействия в ней конкурентных потоков, входного - из ускорителя, и потока - совершившего почти полный оборот в вихревой камере. Далее рабочая жидкость покидает циклон и в виде вихревого потока движется вдоль корпуса 1, проходит прикрытый осевой разрыв 10, гильзу 12 и взаимодействует с тормозным устройством 4, тормозит на нем вихревой компонент движения, вызывая при обтекании колебания консольных лепестков тормозного устройства 4. Внутреннюю полость корпуса жидкость покидает через центральное выходное отверстие 6, попадает в выходной патрубок 7, далее по возвратному трубопроводу 23 приходит во всасывающий патрубок насоса 24 и совершает следующий цикл.

При этом упругие колебания распространяются из циклона 2 вдоль корпуса 1, отражаются от торца спиральной камеры и движутся в обратном направлении. При длине этого участка корпуса равном целому числу полудлин волн, в нем создается стоячая волна с пучностью в середине корпуса 1. В пучности амплитуда изменения давления от манометрических значений до вакуумметрических увеличена в два раза по сравнению с амплитудой проходящей волны - он является резонатором. Колебания от другого источника - тормозного устройства 4, так же участвуют в создании стоячей волны и в еще большей степени увеличивают ее амплитуду.

В итоге, в трех очагах действия упругих колебаний в жидкости: в месте взаимодействия конкурирующих потоков в циклоне 2, в пучности образованной стоячей волны, т.е. в середине корпуса 1, а также в зоне действия тормозного устройства 4 происходят активные технологические процессы, основанные на кавитационных явлениях. В этом случае в вакуумметрическую фазу волны жидкость (вода) разрывается с образованием пустот - каверн, а в манометрическую фазу каждая из этих каверн схлопывается с суммарной скоростью встречного движения стенок 3 км/с.В наноточке схлопывания достигается сверхвысокая плотность энергии, глубокие деформации жидкости, преобразования форм энергии, повышение температуры до 6000° и т.д. Следовательно, за счет сочетания этих факторов и протекают различные технологические процессы: перемешивание, измельчение и т.д. Так, при кавитационной обработке торфа за 12 минут получены результаты, соответствующие двухчасовой обработке на механическом гомогенизаторе.

В естественном состоянии в торфе присутствуют различные компоненты от товарного продукта до всевозможных минеральных примесей, причем с разными удельными весами. В этом случае после определенного времени обработки открывается осевой разрыв 10 и труба 8. Через центральную трубу 8 из полости вихревого кавитатора удаляется легкая фракция и воздух. Через осевой разрыв 10 уходит тяжелый компонент.

Причем, осевой размер этого осевого разрыва 10 может определять граничное зерно проходящего материала - мелкая фракция извлекается из рабочего процесса, а крупная проходит на повторный цикл. Во-вторых, изменение площади проходного сечения разрыва обуславливает изменение массового расхода продукта через настраиваемый разрыв.

Настройка величины разрыва осуществляется тягами 16, закрепленными на торце стенки гильзы 12, проходящими сквозь дно 5 и снабженными передачей винт 17-гайка 18, которые перемещают гильзу. В этом случае на противоположном конце каждой тяги 16 имеется резьба, на которую наворачивается гайка 18, закрепленная в неподвижной вилке 19. При вращении гайки 18 она упирается в неподвижную вилку 19 и тем самым перемещает тягу 16, а последняя приводит в осевое движение гильзу 12, изменяя величину осевого разрыва 10.

Установка уплотнения, а также выполнение его в виде набивки 20 вокруг каждой тяги 16 в кольцевых проточках 21 с резьбой в дне корпуса обеспечивает перемещение тяг 16 (внутренней гильзы) и управление ими с наружной стороны вихревого кавитатора, что исключает разборку устройства для регулировки местоположения гильзы. Степень поджатия набивки на требуемое противодействие давлению осуществляется резьбовой нажимной втулкой 22 с центральным отверстием, установленной на каждой из тяг и вворачиваемой в резьбу кольцевой проточки 21 дна 5 с наружной стороны.

Причем, вихревое течение в полости вихревого кавитатора и высокая турбулентность потока являются дополнительными факторами воздействия на обрабатываемый продукт.

Представленный вихревой кавитатор выгодно отличается от аналогов и существующих устройств по аналогичным функциям.

Во-первых, он является самым высокоэффективным нагревателем, что обуславливает его применение для обогревания объектов и по подготовке воды для поения и технологических нужд.

Во-вторых, он способен выполнять много различных технологических операций: диспергация, гомогенизация, растворение твердых минералов … и отводить продукты операций через различные выходы, что повышает качество проведения операций.

В-третьих, он способен опреснять воду, причем, как непосредственно кавитационным способом, так и проводить более глубокую сепарацию центробежным разделением - на минимально соленую через центральный выход, и посолонее через спиральный отвод.

В-четвертых, рассматриваемое устройство непосредственно является центробежным сепаратором и им можно непосредственно производить разделение твердого компонента в обрабатываемой смеси, как по крупности, так и по плотности. Величина ускорения в поле центробежных сил достигает а=400g, что позволяет производить тонкое разделение разных компонентов и при этом менять баланс по выходу путем управления осевым разрывом за счет перемещения гильзы.

Данная разработка имеет право на жизнь.

Изобретение относится к вихревым кавитаторам. Кавитатор содержит корпус 1 в виде полого цилиндра с циклоном 2 и ускорителем потока 3 с одной стороны, а с другой его стороны тормозным устройством 4, за которым установлено дно 5 с выходным отверстием 6, сообщающимся с выходным патрубком 7. В отверстии 6 соосно и с радиальным зазором установлена труба 8, сообщающая полость корпуса 1 с атмосферой. На выходном торце 9 полого цилиндра корпуса 1 соосно и с осевым разрывом 10 устанавливается обойма 11, заканчивающаяся дном 5 с тормозным устройством 4. В обойме 11 в продолжении полого цилиндра корпуса 1 с равными корпусу диаметрами, с минимальным радиальным зазором и подвижно в осевом направлении размещена гильза 12 с приводом, который снабжен уплотнением. Вокруг осевого разрыва 10 установлен коллектор 13 с выходным патрубком 14 и запорным краном 15. Изобретение направлено на обеспечение работоспособности устройства на материалах любой плотности за счёт обеспечения возможности эвакуации тяжёлого обработанного материала из устройства. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вихревой кавитатор, содержащий корпус в виде полого цилиндра с циклоном и ускорителем потока с одной стороны, а с другой стороны тормозным устройством, за которым установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком, а в выходном отверстии соосно и с радиальным зазором установлена труба, сообщающая полость корпуса с атмосферой, отличающийся тем, что на выходном торце полого цилиндра корпуса соосно и с осевым разрывом установлена обойма, заканчивающаяся дном с тормозным устройством, в которой в продолжении полого цилиндра корпуса с равными корпусу диаметрами, с минимальным радиальным зазором и подвижно в осевом направлении размещена гильза с приводом, который снабжён уплотнением, а вокруг осевого разрыва установлен коллектор с выходным патрубком и запорным краном.

2. Вихревой кавитатор по п.1, отличающийся тем, что коллектор выполнен в виде спиральной камеры.

3. Вихревой кавитатор по п.1, отличающийся тем, что привод гильзы выполнен в виде тяг, закреплённых на торце стенки гильзы, проходящих сквозь дно корпуса, каждая из которых снабжена передачей винт-гайка, размещённой в неподвижной вилке с внешней стороны.

4. Вихревой кавитатор по п.3, отличающийся тем, что уплотнение выполнено в виде набивки вокруг каждой тяги в кольцевой проточке с резьбой в дне и поджато резьбовой нажимной втулкой с центральным отверстием.