СМЕСИТЕЛЬ Советский патент 1997 года по МПК B01F5/00 

Изобретение относится к технике перемешивания и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Целью изобретения является интенсификация процесса перемешивания.

Поставленная цель достигается тем, что в смесителе, содержащем корпус с патрубками подвода и отвода материалов, проточной камерой с установленным в ней кавитатором и прерывателем потока с приводом, прерыватель потока расположен за кавитатором по ходу потока материалов на расстоянии, равном 1-20 диаметрам поточной камеры.

Другое отличие состоит в том, что он снабжен регулятором и первичным преобразователем шума, при этом преобразователь шума размещен в проточной камере за кавитатором и сообщен через регулятор с приводом прерывателя потока.

Энергия кавитационного воздействия может быть представлена следующей зависимостью:
T = KP(R³ - R3o

),
где
K коэффициент;
P давление в зоне смыкания каверны;
R и R₀-радиусы кавитационных пузырьков, максимальный и минимальный (в момент схлопывания).

Анализ приведенной зависимости с точки зрения достижения наивысшей интенсивности смешения показывает необходимость достижения наибольших величин максимального радиуса образовавшегося и готовящегося к схлопыванию кавитационного пузырька и роста давления в зоне схлопывания. Однако в существующих смесителях это взаимоисключающие условия. При росте давления в зоне схлопывания размер кавитационных пузырьков уменьшается. При снижении давления пузырьки образуются достаточно большими, однако из-за небольшой разности внутри и вне пузырька схлопывание происходит недостаточно энергично.

Установка прерывателя потока за рабочим элементом (кавитатором) позволяет при большом проходном сечении прерывателя обеспечить условия роста микропузырьков большего размера к схлопыванию (при перекрытии прерывателя) при существенно повышенном давлении. Это может быть достигнуто только при установке прерывателя за кавитатором по ходу потока и свойственно только кавитационному смесителю.

Отличительной особенностью данного технического решения является местоположение средства для создания пульсаций, создающее сверхсуммарный эффект и новый результат.

Описание пульсаций при расположении средства для создания пульсаций до лопаток приводит к изменению скорости потока жидкости, натекающей на лопатки. Это приводит к изменению размеров каверны, образующейся за лопатками, за счет изменения количества кавитационных микропузырьков, что и обеспечивает некоторую интенсификацию процесса смешения. Изменения давления за лопатками при этом не происходит, так как давление за лопатками при кавитационном режиме течения постоянно и равно давлению насыщенных паров жидкости, которое не зависит от скорости обтекания лопаток.

Энергия, выделяемая на смешение при кавитационном режиме, может быть представлена следующей зависимостью:
E = K(P-P_нп)×(R3o

-R³),
где
E энергия, выделяемая на смешение;
K коэффициент пропорциональности;
P и P_нп- давление в зоне схлопывания и давление насыщенных паров жидкости;
R₀ и R радиусы кавитационного пузырька, максимальный и в момент схлопывания.

Очевидно, что энергия кавитационного смешения прямо пропорционально зависит от давления в зоне схлопывания. Особенно эта зависимость проявляется при кавитационной обработке жидкостей, находящихся при температуре, приближающейся к температуре кипения. В этом случае разность (P-P_нп) приближается к нулю, а следовательно, никакие изменения скорости, пульсации скорости до лопаток, изменение профиля лопаток и так далее не могут обеспечить условия смешения, т.е. пузырьки будут образовываться хотя и больших размеров, но они либо не схлопнутся, либо энергия будет минимальной (физический смысл происходящего аналогичен кипению воды в чайнике). Данный вопрос в литературе не исследовался, однако чрезвычайно актуален и открывает новые возможности резкой интенсификации процесса кавитационного смешения.

Таким образом, ни одним из известных методов невозможно создать пульсации давления за зоной схлопывания кавитационных микропузырьков. Нами предложено место установки пульсатора, позволяющее создать пульсацию за зоной схлопывания, что позволяет использовать пульсатор для увеличения величины - (P-P_нп). В этом случае достигаются одновременно условия роста пузырьков до максимального размера и максимальная скорость схлопывания за счет увеличения (P-P_нп).

Кроме того, известно, что собственная частота пульсаций каверны 300-600 Гц. Предложено установить прерыватель не в зоне каверны, а за кавитатором, за зоной схлопывания каверны, именно в жидкости, где пузырьки схлопнулись. Это и обеспечивает сверхсуммарнный эффект, который не достижим в известных решениях.

На чертеже представлена схема смесителя.

Смеситель содержит патрубок 1 подвода компонента, конфузор 2, проточный участок 3, который по наружной поверхности схвачен кольцевым коллектором 4 с патрубком подвода компонента, диффузор 5 и патрубок 6 вывода смеси. В проточном участке установлен рабочий элемент, содержащий лопатки 7, закрепленные на ступице 8, которая с помощью кронштейнов 9 закреплена в проточном участке. Лопатки 7 охвачены по наружной поверхности цилиндром 10, на наружной поверхности которого расположены суперкавитирующие лопатки 11, которые обеспечивают закручивание потока в направлении, противоположном направлению закручивания лопатками 7. За рабочим участком по ходу потока размещен прерыватель потока, выполненный в виде дисков 12 и 13 с радиальными окнами 15 и 16. Диск 12 установлен неподвижно, а диск 13 установлен на валу 14, который соединен с приводом 17.

На участке потока между рабочим элементом и прерывателем потока установлен первичный преобразователь 18 шума в каверне, выход которого соединен с входом регулятора 19, выход которого подключен на вход привода 17.

Смеситель работает следующим образом. Поток компонента через патрубок 1 подвода поступает через конфузор 2 в проточный участок 3, где происходит разделение потока. Одна часть потока поступает на лопатки 7, где за счет сужения проходного сечения и закручивания скорость потока возрастает, а давление понижается. При достижении величины давления насыщенных паров после лопаток 7 образуется кавитационная каверна, в хвостовой части которой образуется поле микропузырьков. В результате схлопывания кавитационных пузырьков возникают поля кумулятивных микроструй со скоростями порядка 10⁵ м/с и ударными давлениями до 10³ мПа. Кроме того, за счет закручивания потока происходит образование микровихрей, способствующих образованию кавитационных пузырьков. Следует отметить нестационарный характер хвостовой части каверны.

Другая часть потока компонента поступает на суперкавитирующие лопатки 11, за которыми также возникает каверна, причем последняя взаимодействует с каверной, образованной лопатками 7. Ввиду разнонаправленного закручивания потоков происходит взаимное проникновение кавитационных микроструек и их ударное взаимодействие. Кроме того, наблюдается взаимодействие микровихрей. Суммарная каверна характеризуется высокой интенсивностью образования кавитационных пузырьков, микроструек и микровихрей. Хвостовая часть суммарной каверны также имеет нестационарный характер.

Через кольцевой коллектор 4 подается другой компонент, который необходимо смешать с основным компонентом. При этом подмешиваемый компонент поступает в область с высокой интенсивностью перемешивания, т.е. непосредственно к хвостовой части суммарной каверны.

Установлено, что наибольшая интенсивность перемешивания достигается при наложении на кавитационный режим течения пульсационного режима, который обеспечивается пульсатором потока. При вращении диска 13 с окнами 16 происходит поочередное перекрытие радиальных окон 15 диска 12, что приводит к пульсации расхода потока. Наибольший эффект проявляется при совпадении частот пульсаций хвостовой части каверны и пульсаций расхода, т.е. при резонансе частот.

В этом случае значительно повышается интенсивность кавитационных шумов, которые передаются корпусу смесителя и воспринимаются первичным преобразователем 18 (например, пьезоэлектрический гидрофон). Аналоговый выходной сигнал первичного преобразователя 18 поступает на вход вторичного показывающего и регистрирующего прибора (19), имеющего блок регулирования напряжения. В качестве двигателя (привода 17) выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с включенными в сеть статора дросселями насыщения.

Интенсивность шума, измеряемого преобразователем 18, преобразуется в напряжение и с помощью регулятора 19 управляет частотой вращения двигателя (привода) 17, изменяя частоту вращения пульсатора, а значит, и частоту генерируемых пульсаций.

Сравнительные с авт. св. N 1088782 данные испытаний приведены в табл.1.

Зону схлопывания кавитационных микропузырьков определяют непосредственным измерением по уровню кавитационных шумов. В зоне схлопывания интенсивность шумов наивысшая и, перемещая датчик шумомера вдоль проточного участка, определяют местоположение зоны схлопывания. С другой стороны схлопывание кавитационных пузырьков происходит в области изменения сечения потока, а именно в области диффузора 5. В этом месте происходит уменьшение кинетической энергии потока с увеличением потенциальной энергии. Скорость потока снижается, а давление увеличивается, что и определяет энергию и место схлопывания кавитационных пузырьков.

Использование прерывателя приводит к пульсации как расхода, так и давления потока и, что очень важно, после рабочего элемента по ходу потока. Кавитатор и поток несжимаемой жидкости до кавитатора служат демпфером. После кавитатора по ходу потока образуется жидкогазовая среда, которая сжимается. Таким образом пульсации воздействуют на каверну, вызывая увеличение нестационарности каверны, и интенсифицируют схлопывание пузырьков и за счет сжимаемости почти не сказываются во всем сечении потока (каверны).

Пример. Процесс получения жирового солидола, температура смеси 95-105^oC, температура кипения 100^oC, расход смеси 5 м³/ч, смеситель установлен в циркуляционном контуре емкость-насос-смеситель-емкость. Объем емкости 9,4 м³.

Опыт 1. Используют смеситель без пульсатора.

Опыт 2. Пульсатор установлен до лопаток по ходу потока.

Опыт 3. Пульсатор установлен за лопатками по ходу потока.

Частота вращения привода в опытах 2 и 3 установлена одинаковой и равна 680 об/мин. Мерой интенсивности смешения служит длительность процесса приготовления жирового солидола заданного качества. Данные приведены в табл.2.

В табл.3 приведены данные об эффективности данного технического решения в зависимости от отношения расстояния от кавитатора до прерывателя к диаметру проточного участка 3.

Анализ полученных данных показывает высокую эффективность предложенного технического решения, обеспечивающего получение нового результата, характеризующегося сверхсуммарным эффектом.

Приготовленные с помощью прототипа и предлагаемого устройства эмульсии каолина в воде (используемого как наполнитель латекса) показали 10-кратное повышение устойчивости к расслоению, что значительно повышает качество резинотехнических изделий.

В сравнении с базовым объектом, в качестве которого выбран прототип (авт. св. СССР N 1185676), предлагаемое устройство обеспечивает интенсификацию процесса перемешивания в 4-5 раз при простоте и высокой надежности. Устройство прошло испытание на смесях нефтепродуктов для получения технического углерода, для приготовления товарных масел и др. показав высокую надежность и эффективность.

Использование: в технике перемешивания, в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: прерыватель потока расположен за кавитатором по ходу потока материалов на расстоянии, равном 1-20 диаметрам проточной камеры. Смеситель снабжен регулятором и первичным преобразователем шума, при этом преобразователь шума размещен в проточной камере за кавитатором и сообщен через регулятор с приводом прерывателя потока. 1 з. п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Смеситель, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода материалов, проточной камерой с установленным в ней кавитатором и прерывателем потока с приводом, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса перемешивания, прерыватель потока расположен за кавитатором по ходу потока материалов на расстоянии, равном 1 20 диаметрам проточной камеры. 2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен регулятором и первичным преобразователем шума, при этом преобразователь шума размещен в проточной камере за кавитатором и сообщен через регулятор с приводом прерывателя потока.