Кавитационный смеситель Советский патент 1993 года по МПК B01F5/00 

Изобретение относится к устройствам для смешения жидкостей.

Известен кавитационный смеситель, содержащий конус с проточной камерой, .в которой консольно установлен кавйтирую- щий конус с образованием кольцевого зазора между стенкой, камеры и основанием конуса. ..

Перемешиваемые жидкости подаются в камеру и, обтекая кавитиру ющий конус, перемешиваются за счет кавитацйонных эффектов.

Для интенсификации перемешивания в кавитацйонную полость за конусом подают с переменным давлением воздух/используя для этого полую консоль, обращенную с пр- лостью конуса, основание которого открыто .в кавитацйонную полость. В результате ко-, лебаний давления полость изменяет свои размеры с периодичностью изменения давления подаваемого в нее воздуха, при этом генерируются ударные волны, увеличивающие интенсивность перемешивания жидко-, стей. - .- у..... .

Однако интенсифицирующее воздействие здесь достигается за счет существенного увеличения матери.алоемкости и трудоемкости изготовления устройства, т. ё. за счет ухудшения технологичности устройства вследствие снабжения его автоматикой и воздухоподающим оборудованием. Вместе с тем положительный эффект в значительной мере нейтрализуется, поскольку подачу воздуха Б кавитацйонную полость нейтрализует разрежение (вакуум) в этой полости, а разрежение является сильным стимулятором массообменных процессов. В связи с этим уменьшается качество смешения.. . . .

Прототипом описываемого смесителя является кавитационный смеситель, содержащий корпус с проточной камерой, в которой размещен подпружиненный обтекатель, снабженный лопастями; Лопасти имеют суперкавитирующйй профиль.

Недостатком известного устройства является невысокое качество перемешивания, и низкая надежность в работе, что объясняется следующими причинами.

Основным стимулирующим фактором перемешивания потока жидкости, набегающего на обтекатель, является возбуждение в этом потоке струйно-кавитационного режима течения с помощью лопастей суперка- витирующего профиля, которыми снабжен обтекатель. Однако ширина возбуждаемого кавитационного течения ограничена толщиной суперкавитирующих лопастей, а в областях потока между лопастями обтекателя интенсивность кавитации уменьшается,

Кроме этого, несмотря на создание струйно- кавитационного режима течения, достигаемая степень перемешивания недостаточна, что объясняется следующим. При кавитационном режиме течения жидкость движется в виде высокоскоростных струй, окруженных пузырьками пара и капельками жидкости, поэтому процесс смешения идет, в основном, за счет перемешивания этих пу0 зырькрв и капелек, а в высокоскоростных струях жидкости перемешивание другого компонента ограничено лишь поверхностным пограничным слоем струи, в то время как ядро высокоскоростной струи жидкости

5 пролетает зону смешения без нарушения сплошности и в смешении с другим компонентом не участвует. Описанные факторы в итоге ухудшают качество смешения. Кроме того, низка надежность работы известного

0 устройства, так как в нем-не предусмотрен надежный механизм возвращения обтекателя в исходное положение после сжатия пружины и окончания прямого хода обтекателя. ; : :.. .: . . ;: :.;;. . -

5 Целью изобретения является улучшение качества смешения и повышение надежности устройства в работе.

Указанная цель достигается тем, что в известном кавмтационном смесителе, со0 держащем корпус с проточной камерой, в которой размещен подпружиненный обтекатель, снабженный лопастями, обтекатель выполнен в виде конуса, конец пружины, на котором закреплен конус, размещен сво5 боднб, на расстоянии длины хода от основания конуса по внутренней поверхности лр бт.бчной камеры выполнен кольцевой выступ, высота которого равна ширине кольцевого зазора между стенкой камеры и

0 основанием конуса.

Выполнение обтекателя в виде конуса позволяет охватить обтекающий поток кави- тационным режимом по всему периметру кольцевого сечения между конусом и стен5 кой корпуса, поскольку конус является активным кавитатором. -... ..

Свободное размещение конца пружины, на котором закреплен конус (при защемленном противоположном конце пружины)

0 обеспечивает дополнительное обратное вращение конуса с лопастями при обратном ходе конуса за счет расжатия и раскручивания пружины, которая была сжата и скручена гидродинамическими силами в

5 набегающем потоке жидкости, что способствует дополнительному перемешиванию жидкостей.

Наличие на внутренней поверхности проточной камеры на расстоянии длины хода от основания конуса кольцевого выступа.

высота которого равна ширине кольцевого зазора между стенкой кам.еры и основанием конуса, обусловливает получения ряда эффектов, увеличивающих глубину перемеши- ван ия компонентов и повышающих надежность1 устройства в работе. При прямом ходе конуса одновременно со скручиванием и сжатием в пружине накапливается потенциальная энергия упругого противодействия. По мере приближения основания смещаемого конуса к кольцевому выступу на внутренней поверхности проточной камеры, высота которого равна ширине кольцевого зазора между стенкой камеры и основанием конуса, уменьшается живая площадь потока вплоть до его перекрытия, и гидродинамические усилия на конус резко уменьшаются. В этот момент происходит разжатие и раскручивание пружины, и в итоге конус надежно возвращается в исходное положение, а в силу гидродинамической неустойчивости потока процесс возвратно-по- ступательното движения с вращением конуса принимает автоколебательный характер. Так как с частотой колебания конуса изменяются давление и скорость потока за конусом, то также изменяется во времени и размер кавитационной полости за конусом, что вызывает образованием ударных волн, интенсифицирующих процесс смешения. В значительной степени интенсифицирует и углубляет процесс перемешивания ударное взаимодействие высокоскоростных струй жидкости с кольцеёым выступом, ударяясь о который струи жидкости распыляются, от- ражаясь в кавитационную полость, где в условиях разрежения жидкостная пыль дополйительно испаряется, что в итоге создает идеальные условия смешения. Таким образом достигается улучшение качества смешения и повышается надежность устройства в работе.

На чертеже изображен кавитационный смеситель.

Смеситель содержит корпус 1 с проточ- ной камерой 2, в которой установлен полый конус 3 на консоли 4. Конус по наружной поверхности снабжен лопастями 5, взаимодействующими с набегаемым потоком жидкости. С помощью пружины 6 конус подпружинен относительно конца консоли, причем пружина расположена навивкой на скручивание в направлении гидродинамического вращения лопастей и защемлена своими концами на конце консоли и в вер- шине конуса. расстоянии длины хода конуса от его основания на внутренней поверхности проточной камеры выполнен кольцевой выступ 7, высота которого равна ширине кольцевого зазора между стенкой

камеры и основанием конуса. Консоль может выполняться полой для подачи реагента в кавитационную полость, в этом случае в стенке консоли выполняют отверстия 8.

Устройство работает следующим образом.

Жидкостный поток, состоящий из перемешиваемых жидкостей, поступает в камеру корпуса 1 со стороны вершины конуса 3. Обтекание конуса 3 сопровождается возникновением кавитационного режима течения, при котором за конусом образуется полость разрежения. Вокруг полости жидкость движется в виде высокоскоростных струй, состоящих из смеси жидкости и пузырьков пара. При соударении струй с кольцевым выступом 7 жидкость переходит в пылеобразное состояние, а затем превращается в пар, поскольку процесс идет в зоне разрежения. Перевод жидкостей в парообразное состояние приводит к их идеальному перемешиванию. При необходимости в кавитационную полость можно подавать реагент с помощью канала в консоли 4 и отверстий 8 в ее стенке.

Взаимодействие с набегающим потоком вызывает вращательное движение лопастей 5 вместе с конусом 3, что обеспечивает предварительное перемешивание жидкостей в потоке перед попаданием в кавйтационный режим течения. Возникший на конусе 3 крутящий момент и сила лобового сопротивления скручивают и сжимают пружину 6, поскольку ее концы защемлены на конце консоли 4 и в вершине конуса 3. При этом расстояние между основанием конуса 3 и кольцевым выступом 7 уменьшается, падает расход жидкости и скорость течения, увеличивается давление за конусом в кавитационной полости, изменяется размер полости. Продолжение некоторого движения конуса по инерции, а также гидродинамическая неустойчивость потока приводят к превышению накоплен- ногчз пружиной раскручивающего момента над скручивающим моментов и силы упругой деформации над гидродинамической силой сжатия пружины, в результате чего пружина раскручивается и удлиняется, отбрасывая конус в исходное положение. В процессе возврата конуса 3 лопасти вращаются в обратную сторону, продолжая перемешивать поток, а давление за конусом вновь уменьшается до вакуумообразования в кавитационной полости, которая теперь увеличивается в размерах. Возникает автоколебательный режим продольных смещений конуса 3 с сопутствующими изменениями размера кавитационной полости, в результате чего возникают ударные

волны, интенсифицирующие смешение жидкостей в потоке. -;./

Как видно, в описываемом .кавитацион- нрм смесителе интенсификация процесса смещения жидкостей, идет на всех участках

прохождения потока: предварительное лопастное пёреМёШИ|зан

участка с последующим перемешиванием в кавитац йонных струях, затем резкое углубление перемешивания при высокоскоростном /соударении кавитацибнных струй с кольцевым выступом и превращением, жидкости в пыль и, наконец, превращение пыли в пар в разреженной кавитационной поло- сти с получением в итоге идеально гомогенной смеси. При этом на все участки смешения стимулирующе действует ударно- волновой процесс, возбуждение которого также обеспечивается в результате изменения размеров кавитационной полости в ко- лебатель йом режиме. у ..: .- ; ..

Так как при работе одного устройства расход жидкости получается Переменным, то при необходимости иметь постоянный

расход в технологическую схему параллельно включают два устройства, в которых режим колебаний конусов устанавливают в противофазе. :

5 Частоту колебаний конуса задают варьированием характеристик конуса, лопастей,

; пружины :.ч -...;:.:- -; -л :-: .

Формул а изобретени я D Кавитационный смеситель, содержащий корпус с проточной камерой, в которой размещен подпружиненный обтекатель, ; снабженный лопастями суперкавитирующе- го профиля, о т ли ч а ю щ и и с я тем, что, 5 с целью улучшения качества смешения и повышения надежности устройства в работе, обтекатель выполнен в виде конуса, конец пружины, на котором закреплен конус, размещен свободно, на внутренней поверх- 0 ности проточной камеры на расстоянии длины хода От Основания конуса выполнен кольцевой выступ высотой, равной ширине кольцевого зазора между стенкой камеры и основанием конуса..

5;

Сущность изобретения: смеситель содержит корпус 1 с проточной камерой 2, в которой установлен полый конус 3 на консоли 4. Конус по наружной поверхности снабжен лопастями 5, взаимодействующими с набегающим потоком жидкости. С помощью пружины 6 конус подпружинен относительно конца консоли. Один конец пружиньГпри- креплен к свободному концу консоли, а другой -к вершгине конуса. На расстоянии длины хода конуса от его основания на внутренней поверхности проточной камеры выполнен к ольцевой выступ 7, высота которого равна ширине кольцевого зазора между стенкой камеры м основанием конуса. Консоль может быть выполнена полой с отверстиями для подачи реагента в кавита- ционную полость. 1 ил.