Гідрокавітаційний змішувач-емульгатор

Корисна модель належить до пристроїв для одержання емульсій, суспензій у гідродинамічному кавітаційному полі й може знайти застосування в теплоенергетичній галузі для одержання паливних сумішей, нафтопереробній, хімічній, целюлозно-паперовій й інших галузях промисловості. Відомий генератор кавітації, що містить підвідний трубопровід, загальну камеру з основним струминним випромінювачем, виготовлений у вигляді криволінійних сопел, утворених двома стінками з вихідними крайками, розташованих по формі спіралі Архімеда, додаткового випромінювача, стінки сопел якого виготовлені з направленням спіралі протилежно спіралі основного випромінювача, та сполучену з загальною камерою відвідну трубу [1]. До недоліків відомого генератора кавітації відноситься те, що існуюча конструкція є дуже складною по виготовленню та монтажу конструктивних елементів, а наявність обтічних тіл приводить до кавітаційної ерозії робочих поверхонь випромінювачів і камер. Відомий генератор кавітації, що містить підвідний трубопровід, загальну камеру у вигляді двох з'єднаних циліндричних поверхонь різної кривизни з основним струминним випромінювачем і з'єднану із загальною камерою відвідну трубу [2]. До недоліків відомого генератора кавітації відноситься те, що в конструкції використаний відносно плавний перехід рідини з вхідного каналу в загальну камеру, що обумовлює не таке різке, як бажано, зниження тиску, необхідного для зародження у рідині великий кількості кавітаційних бульбашок. До недоліків відомого генератора кавітації відноситься і те, що існує можливість згину внутрішнього випромінювача у зв'язку з його малою товщиною (і, як слідство, недостатньою жорсткістю). Найбільш близький аналог корисна модель, як по суті, так і по розв'язуваних завданнях, що обрана за прототип, є генератор кавітації, що містить загальну камеру, струминний випромінювач, розташований усередині камери, підвідний трубопровід і відвідну трубу, розміщені зовні корпуса камери й з'єднані із внутрішньою порожниною через отвори, які виконані, відповідно, у бічній стінці корпуса камери й у кришці, при цьому струмовий випромінювач, виконаний у вигляді стінки, причому вільний кінець стінки виконаний у вигляді зовнішніх поверхонь, що сходяться на клин [3]. До недоліків відомого генератора кавітації, обраного прототипом, ставиться те, що наявність обтічних тіл приводить до ерозії робочих поверхонь випромінювачів і камери. До недоліків відомого генератора кавітації, обраного прототипом, ставиться й те, що в конструкції використаний відносно плавний перехід рідини із вхідного каналу в загальну камеру, що обумовлює не таке різке, як бажано, зниження тиску, необхідного для зародження в рідині великої кількості кавітаційних бульбашок. До недоліків відомого генератора кавітації ставиться й те, що існує можливість згину внутрішнього випромінювача у зв'язку з його малою товщиною (і, як наслідок, недостатньою твердістю). В основу корисної моделі покладено завдання шляхом зміни конструкції внутрішнього кавітаційного випромінювача, забезпечити більше різку зміну швидкості й тиску рідини, а також можливість змінювати результуючу площу поперечного переріза вхідних каналів кавітатора шляхом зміни кількість активних насадків, що обумовлює більше інтенсивне зародження кавітаційних бульбашок з можливістю регулювання ступеня кавітаційної обробки рідини. Суть корисної моделі в гідрокавітаційному змішувачі-емульгаторі, що містить загальну камеру, гідродинамічний кавітатор вихрового типу, розташований усередині загальної камери, підвідний трубопровід і відвідну трубу, які розміщені зовні корпуса камери, відповідно, на її торцевій стінці й у кришці загальної камери, полягає в тому, що гідродинамічний кавітатор вихрового типу виконаний у вигляді порожнього циліндра у стінках якого є декілька, наприклад, збіжних конічних насадків, розташованих у ньому по окружності лежачої в площині перпендикулярної осі циліндра, внутрішня утворююча поверхня насадків сполучається по дотичній із внутрішньою циліндричною поверхнею змішувальної камери, відвідною трубою розташованої перпендикулярно площини повороту потоку рідини по осі змішувальної камери й приєднаної до вихідного отвору кришки загальної камери, вихідний отвір виконаний круглого перетину в кришці загальної камери діаметром меншим внутрішнього діаметра змішувальної камери, загальна камера виконана у вигляді двох з'єднаних циліндричних поверхонь різної кривизни, вхідного й звужуючогося каналів, підвідний трубопровід приєднаний до корпуса камери в площині повороту потоку рідини й переходить у вхідний канал лежачий у цій же площині по всій своїй довжині й переходить у звужуючийся канал, що утворений внутрішньою поверхнею загальної камери й зовнішньою циліндричною поверхнею кавітатора. Суть корисної моделі складається й у тім, що у кавітаторі передбачений суцільний сектор без насадків, який по своїй зовнішній циліндричній поверхні сполучається з однаковим з ним сектором внутрішньої циліндричної поверхні загальної камери й може повертати в напрямній циліндричній поверхні, що має з ним загальну вісь, змінюючи тим самим число відкритих насадків, які перекриваються сектором внутрішньою циліндричною поверхнею загальної камери, що приводить до зміни результуючої площі поперечного переріза вхідних каналів кавітатора, напрямна циліндрична поверхня виконана у днище загальної камери, у якому передбачений отвір кріплення й герметизації гідродинамічного кавітатора вихрового типу. Суть корисної моделі складається й у тім, що насадки в змішувальній камері можуть бути будь-якої заданої геометрії. Порівняльний аналіз технічного рішення із прототипом показує, гідрокавітаційний змішувач-емульгатор, який заявляється, відрізняється тим, що загальна камера містить гідродинамічний кавітатор вихрового типу, виконаний у вигляді порожнього циліндра, що перебуває усередині загальної камери й у стінках якого є декілька, наприклад, збіжних конічних насадків, які можуть бути будь-якої заданої геометрії, розташованих у ньому по окружності лежачої в площині перпендикулярної осі порожнього циліндра, де внутрішня утворююча поверхня насадків сполучається по дотичній з внутрішньою циліндричною поверхнею змішувальної камери, суцільного сектора без насадків, що є частиною порожнього циліндра змішувальної камери і який по своїй зовнішній циліндричній поверхні сполучається з однаковим з ним сектором внутрішньої циліндричної поверхні загальної камери й може повертатися в напрямний циліндричній поверхні, що має з ним загальну вісь, змінюючи тим самим число відкритих насадків, які перекриваються сектором внутрішньої циліндричної поверхні загальної камери, що приводить до зміни результуючої площі поперечного переріза вхідних каналів кавітатора, напрямна циліндрична поверхня виконана в днище загальної камери, у якому передбачений отвір кріплення й герметизації гідродинамічного кавітатора вихрового типу. Таким чином, гідрокавітаційний змішувач-емульгатор, який заявляється, відповідає критерію корисної моделі «новизна». Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на Фіг.1 показаний загальний вид гідрокавітаційного змішувача-емульгатора, який заявляється, з піднятою верхньою кришкою, на Фіг.2, 3 показана конструктивнокомпонувальна схема гідрокавітаційного змішувача-емульгатора, який заявляється, на Фіг.4 показаний гідрокавітаційний змішувач-емульгатор, який заявляється, вид зверху зі знятою кришкою, відвідною трубою й кавітатором, на Фіг.5 показаний гідродинамічний кавітатор вихрового типу в поперечному перерізі А-А (див. Фіг.2, 3). Гідрокавітаційний змішувача-емульгатора (як варіант конструктивного виконання) містить (див. Фіг.1-4) корпус 1, кришку 2, гідродинамічний кавітатор вихрового типу 3, розріз якого показаний на Фіг.5, підвідний трубопровід 8 з вхідним з'єднуючим фланцем 21 і відвідну трубу 9 з вихідним з'єднуючим фланцем 22, розміщені зовні корпуса 1, ущільнювального кільця 4, ущільнювальної шайби 5, фіксуючий гайки 6 і хвостовика 7. Кавітатор 3 (див. Фіг.1, 2, 3 і 5) складається з порожнього товстостінного циліндра із дном і приєднаного до нього хвостовика 7 із шестигранником на кінці. У циліндричній стінці кавітатора 3 (див. Фіг.5) виконані (наприклад) збіжні конічні насадки 10, внутрішня утворююча поверхня насадків сполучається по дотичній із внутрішньою циліндричною поверхнею змішувальної камери 11 (див. Фіг.1, 2, 3 й 5), у кавітаторі також передбачений суцільний сектор 12 (див. Фіг.5) без насадків. Зовнішня циліндрична поверхня кавітатора 3 сполучається із сектором внутрішньої циліндричної поверхні загальної камери 14 (поверхня а-в-с, див. Фіг.4), які мають загальну вісь симетрії О2, і кавітатор може повертатися щодо цієї осі в напрямний циліндричній поверхні 17 (див. Фіг.1-4), виконаної у вигляді поглиблення в днище загальної камери 14 (див. Фіг.2, 3). Підводний трубопровід 8 (див. Фіг.1-4) з'єднаний із внутрішньою порожниною загальної камери 14 через отвір 16, виконаний в торцевій стінці корпуса 1. Вхідний отвір 16 (див. Фіг.1, 4) виконано круглим і переходить у вхідний канал 15 (див. Фіг.1, 4) з постійним поперечним перерізом по всій своїй довжині. Вхідний канал 15 складається із двох з'єднаних між собою частин - прямолінійної й вигнутої по радіусі щодо осі О0 і плавно переходить у звужуючийся канал 19 (див. Фіг.1, 2, 3), утворений стінкою загальної камери 14 корпуса 1 (див. Фіг.1-4) і зовнішньою стінкою гідродинамічного кавітатора 3 (див. Фіг.1, 3). Висота бічних стінок загальної камери 14, вхідного каналу 15 (див. Фіг.1, 4) і звужуючогося каналу 19 (див. Фіг.1, 2, 3), геометрія якого показана на Фіг.3 (поз. 20), однакова, а зазначені стінки розміщені вертикально щодо площини повороту рідини. Знизу канали обмежені дном загальної камери 14, а зверху кришкою 2 (див. Фіг.1, 3, 2). Відвідна труба 9 (див. Фіг.1, 3, 2) розташована перпендикулярно площини повороту потоку рідини й поверхні кришки 2 й осьосиметрично внутрішньої циліндричної поверхні кавітатора 3 і відвідному отвору кришки 2 (див. Фіг.3, 2). У кришці 2 виконаний вихідний отвір (вихідний канал) круглого перетину діаметром меншим внутрішнього діаметра змішувальної камери 11, до якого приєднується вихідна труба 9 (див. Фіг.3, 2). У днище загальної камери 14 (див. Фіг.4), по осі О2, виконані напрямна циліндрична поверхня 17, що також утворює циліндричну поверхню сектора загальної камери (поверхнею а-в-с, див Фіг.4), і отвір 18 під хвостовик кавітатора 7 (див. Фіг.2, 3). У напрямну циліндричну поверхню 17 (див. Фіг.1, 4), виконану у вигляді поглиблення в днище загальної камери 14, уставляється кавітатор 3 із хвостовиком 7 (див. Фіг.3, 2), що проходить через отвір 18. Напрямна циліндрична поверхня служить для переміщення кавітатора 3 щодо поверхні а-в-с (див. Фіг.4), для фіксації положення кавітатора і його переміщення щодо осі О2. Розділення камери змішання й загальної камери здійснюється по поверхні сполучення камери змішання й кришки 2 (див. Фіг.2), а герметизація корпуса 1 гідрокавітаційного змішувача-емульгатора від зовнішнього середовища здійснюється за допомогою пристрою ущільнення хвостовика 7 і кришкою 2 (див. Фіг.2). Гідрокавітаційний змішувач-емульгатор працює в такий спосіб. Рідина під тиском через вхідний з'єднуючий фланець 21 по підводному трубопроводу 8 (див. Фіг.1-4) надходить у внутрішню порожнину загальної камери 14, а саме через вхідний отвір 16, канал 15 і звужуваючийся канал 19, що дозволяє підтримувати однаковий тиск у загальній камері перед всіма працюючими насадками 10 (див. Фіг.1 й 5). Із загальної камери 14 рідина через насадки 10 (див. Фіг.1 й 5) попадає по дотичній у різко розширену порожнину 11 камери змішання кавітатора, де прискорюється й закручується. Форма й геометрія порожнини камери змішання 11 забезпечує створення турбулентного вихрового руху рідини з утворенням вихрової порожнини по осі камери змішання й зниження тиску в порожнині до величини тиску насиченого пару, що призводить до зародження й росту кавітаційних мікро бульбашок в об'ємі рідини. При достатній інтенсивності зародження кавітаційних мікро бульбашок вони створюють кавітаційну каверну, що замикається в потоці при підвищенні тиску в трубопроводі 9, далеко від робочих поверхонь камери змішання 11 кавітатора 3. Створена суміш кавітаційних мікро бульбашок в оброблюваній рідині видаляється з камери змішання через посилений відвідний трубопровід 9 (див. Фіг.1 й 2), де відбувається замикання кавітаційних мікро бульбашок при збільшенні тиску в рідині і її обробка, що інтенсифікує процеси змішання, диспергування, тепломассообміну й фізико-хімічних перетворень у рідині за кавітатором. Повертаючи за допомогою хвостовика 7 кавітатор 3 щодо осі О2 на заданий кут щодо циліндричної поверхні сектора загальної камери (див. Фіг.1-4), можна перекривати частину насадків через які проходить рідина. Це дозволяє змінювати результуючу площу поперечного переріза вхідних каналів насадків, міняти параметри потоку рідини й змінювати умови зародження й розвитку кавітації у кавітаторі, що дає можливість задавати оптимальні технологічні умови впливу кавітації на оброблювану рідину. Дослідженнями двофазної системи (вода - мазут) було встановлено, що запропонований гідрокавітаційний змішувач-емульгатор дозволяє одержувати при 25% обводнювання мазуту й заданих вхідних параметрів (температура +55°С и тиск 3,5 атмосфери) зворотну водомазутну емульсію (дисперсна фаза - вода, дисперсійне середовище - мазут) з наступним розподілом розмірів крапель води в мазуті: ~ 85% крапель мають розмір по діаметру в діапазоні 1-3мкм; ~14% крапель в діапазоні 3-5мкм й окремі краплі розміром близько 8мкм. Дослідження двофазної системи (індустріальне масло 40 і водний 40% розчин мінеральних нітратів) при заданих вхідних параметрах (температура +40°С и тиск 3,5 атмосфер) показало, що отримана пряма емульсія (дисперсна фаза - індустріальне масло 40, дисперсійне середовище - водний 40% розчин мінеральних нітратів,) має наступним розподілом розмірів краплі масла у водяному розчині мінеральних нітратів: ~ 90% крапель мають розмір по діаметру в діапазоні 1-2мкм; ~9% крапель в діапазоні 3-5мкм й окремі краплі розміром близько 10мкм. Таким чином, застосування запропонованого гідрокавітаційного змішувача-емульгатора дозволяє одержати гомогенну, високодисперсну, стійку в часі (до одного року) пряму й зворотну емульсії, зменшити витрати на виготовлення встаткування й підвищити надійність його роботи, знизити енерговитрати на процес змішування й диспергування рідин у порівнянні із традиційним способом, наприклад мішалками або ультразвуковими диспергаторами. Підвищення ефективності застосування гідрокавітаційного змішувача-емульгатора, який заявляється, у порівнянні із прототипами, досягається за рахунок того, що здійснюється більше різке зниження тиску рідини до величини тиску насиченого пару, що, у свою чергу, спричиняє виникнення й посилення кавітаційних явищ, які інтенсифікують, наприклад, процеси тепломассообміну й диспергування, а змінюючи кількість працюючих насадків через які проходить рідина в камеру змішування безпосередньо в процесі обробки рідини а також змінюючи геометрію насадків, можна задавати оптимальні умови кавітації й її впливу на оброблювану рідину. Джерела інформації 1. Авторське посвідчення СРСР №316482 «Генератор кавітації», кл. В06V1/20, 1969-аналог. 2. Патент України на винахід №64225А від 16.02.2004р. «Генератор кавітації», МПК 7 F02М33/00 - аналог. 3. Патент України на корисну модель №3181 від 15.10.2004 року „Генератор кавітації", МПК 7 F02М33/00 прототип.