Кавітаційний апарат

Кавітаційний апарат, що містить послідовно сполучені конфузор потоку вхідного матеріалу, циліндричний корпус, дифузор відведення обробленого матеріалу, вздовж горизонтальної осі корпусу встановлений щонайменше один кавітатор з 3 прорізів, є замалою для активної взаємодії з каверною, утвореною за гострою крайкою кавітатора. Крім цього, очевидно, що кавітатор, який в процесі роботи постійно обертається, має обмежений термін експлуатації і потребує частого ремонту. Відомий також кавітаційний змішувач, що містить корпус з конфузором, дифузором і проточною частиною, в котрій на штоці встановлений кавітатор у вигляді конуса з бічними проточками [патент України № 52855, MПK8: B01F5/00, опубл. 15.01.2003, Бюл. № 1]. В проточній частині розміщений також додатковий кавітаційний елемент у вигляді вставки з центральним осьовим каналом, оснащеної фрагментами, які ініціюють утворення самостійних каверн. Ця установка здатна забезпечити широкий діапазон режимів кавітаційного змішування, але вона має досить складну конструкцію, і так, як і вищезгаданий пристрій, часто виходить з ладу через перевантаження і швидке зношування деталей механізму осьового переміщення кавітатора. За прототип корисної моделі прийнятий кавітаційний апарат, що містить послідовно сполучені конфузор потоку вихідного матеріалу, циліндричний корпус, дифузор відведення обробленого матеріалу, вздовж горизонтальної осі корпусу встановлений, щонайменше, один кавітатор з наскрізними отворами, який має форму зрізаного конусу, зорієнтованого своєю вершиною назустріч потоку [патент України № 20323, MПK6: B01F3/00, D21B1/36, опубл. 27.02.98, Бюл. № 1]. Особливістю цього апарату є те, що він містить декілька однакових за побудовою кавітаторів, які розміщені послідовно один за одним, при цьому розмір кожного наступного кавітатору рівномірно зменшується у порівнянні з попереднім. Завдяки цьому каверни, які утворюють кавітатори, взаємодіють між собою, кожна каверна коливається в режимі резонансу з наступною каверною, що сприяє підвищенню ступеню диспергації та гомогенізації потоку. Недоліком апарату є недостатньо висока ефективність змішування та обмеженість технологічних можливостей, що перш за все виявляється при змішуванні рідин з різними реологічними властивостями. Іншими словами, результати змішування напряму пов'язані зі складом суміші. Наскрізні отвори кавітаторів цього апарату орієнтовані паралельно горизонтальній осі, і за таких умов найбільш ефективно змішуються взаємно розчинні рідини (наприклад, водні розчини різної концентрації - керосин з дизельним паливом). А при необхідності одержання емульсій чи суспензій (наприклад, мазут-вода, вугільний пилвода або інших), де повинна мати місце гідродинамічна кавітація високого ступеню, виникають проблеми. Ці проблеми спричинені як недосконалою формою кавітаторів, так і паралельною спрямованістю наскрізних отворів відносно горизонталі. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ефективності роботи та розширення технологічних можливостей кавітаційного апарату шляхом удосконалення форми кавітатора та оптимізації розмірних співвідношень його конструк 51798 4 тивних складових, зокрема, доповненням конічної частини кавітатора циліндричною, на якій виконані кругові порожнини, та встановленням нахилу наскрізних отворів в інтервалі від 1° до 75°, в результаті чого кругові порожнини на поверхні кавітатору виступають турбулізаторами потоку, їх струмені взаємодіють з основним потоком під кутом і сприяють виникненню пульсацій (нестаціонарності) каверни з мікроподрібненням та гомогенізацією потоку, а також досягається можливість ефективного змішування рідин в широкому діапазоні складу інгредієнтів, Поставлена задача досягається за рахунок того, що в кавітаційному апараті, що містить послідовно сполучені конфузор потоку вихідного матеріалу, циліндричний корпус, дифузор відведення обробленого матеріалу, вздовж горизонтальної осі корпусу встановлений, щонайменше, один кавітатор з наскрізними отворами, який має форму зрізаного конусу, зорієнтованого своєю вершиною назустріч потоку, згідно корисної моделі, конічна форма кавітатора по ходу потоку переходить в циліндричну, на якій виконано, щонайменше, дві кругові порожнини, глибина, ширина та відстань між якими становлять 2-3 мм, наскрізні отвори орієнтовані під кутом 1-75° відносно горизонтальної осі корпусу, відношення величини діаметру наскрізних отворів до величини найбільшого діаметру конусу становить 1:8-1:15, а довжина конусу кавітатора становить 1,2-1,8 величини найбільшого діаметру конусу. Сукупність відмітних ознак запропонованого технічного рішення, як-то конусно-циліндричної форми кавітатора, наявності на його циліндричній частині проточок у вигляді кругових порожнин, розмірних співвідношень останніх та нахилу наскрізних отворів у вибраному інтервалі величин обумовлюють зазначений вище технічний результат, який досягається в процесі експлуатації кавітаційного апарату. Кругові порожнини, розміщені по периметру циліндричної частини кавітатора, фактично є локальними турбулізаторами потоку, які утворюють пульсуючі ударні хвилі («мікровибухи») і кумулятивні мікрострумені, що спричиняють інтенсивну перемішувальну та ерозійну дію на оброблюване середовище. При натіканні рідинного потоку на кавітатор в корпусі кавітаційного пристрою за крайкою кавітатора утворюються кавітаційні каверни. В кільцевому зазорі між поверхнею циліндричного корпусу і циліндричною частиною кавітатора рідина набуває найбільшої (критичної) швидкості через те, що цей зазор є найменшим в порожнині корпусу. Підвищення швидкості супроводжується різким зниженням тиску з генеруванням кавітаційних мікробульбашок. Генерування цих мікробульбашок різко підсилюється в моменти попадання потоку на кругові порожнини. Так, наразившись на першу порожнину, потік зазнає раптового розширення, і, рухаючись далі, зіткається з кільцевою ділянкою циліндричної частини (проміжком між порожнинами), тут потік різко звужується, після чого він попадає в наступну порожнину, в якій знову розширюється. Такі «стрибки» потоку спричиняють 5 утворення пульсуючих каверн на виході кавітатора, виникнення ударних хвиль і коливань високої частоти з мікроподрібненням та гомогенізацією рідини. Ерозійна активність кавітаційного поля додатково підсилюється потоком бульбашок, що генеруються на гострих крайках наскрізних отворів кавітатора, причому вона залежить від кута нахилу отворів. Потоки, які виходять з отворів під кутом до горизонталі, розбивають основний потік за крайкою кавітатора, і тим самим ще більше подрібнюють оброблювану рідину. Шляхом проведення численних дослідів та інженерних розрахунків було встановлено, що найбільша активність кавітаційного поля має місце тоді, коли наскрізні отвори, що пронизують тіло кавітатора, розташовані під кутом 1-75° відносно горизонтальної осі корпусу, а розміри кругових порожнин та відстань між ними є однаковими незалежно від діаметру циліндричної частини кавітатора і становлять 2-3 мм. Так само було встановлено, що для забезпечення ефективного змішування рідин потрібно дотримуватись відношення величини діаметру наскрізних отворів до величини найбільшого діаметру конусу в межах 1:8-1:15, а довжини конусу кавітатора в межах 1,21,8 величини найбільшого діаметру конусу. Вибір конкретної величини кута нахилу наскрізних отворів визначали, виходячи із умов забезпечення ефективного змішування рідин з різними реологічними характеристиками. Так, рідини, що є взаємнорозчинними, ефективно розмішуються при спрямуванні отворів під кутом 0° (тобто, коли осі отворів паралельні горизонталі), а для досягнення задовільного результату при змішуванні важкорозчинних рідин цей кут доцільно збільшувати. У запропонованому кавітаційному апараті передбачено інтервал величин кута нахилу наскрізних отворів у межах 1-75°. При такому позиціонуванні отворів досягається можливість досягнення високого результату в широкому діапазоні складу рідких сумішей. У разі недодержання встановленого інтервалу величин технологічні можливості кавітаційного апарату різко звузяться: якщо наскрізні отвори будуть спрямовані під кутом, меншим 1°, то вплив потоків, які витікають з них, на основний потік буде незначним. А це означає, що ерозійна активність кавітаційного поля буде недостатньою для ефективної обробки важкорозчинних рідин, для одержання емульсій, суспензій тощо. При куті, більшому 75°, також спостерігатиметься мінімальний вплив витікаючих з наскрізних отворів потоків на основний потік. Однаковий розмір глибини, ширини кругових порожнин та відстані між ними в інтервалі 2-3 мм експериментально встановлений як найбільш оптимальний для даного технічного рішення, і недодержання цього інтервалу призводить до погіршання якості змішування рідин. Так, у разі, коли перелічені розмірні показники будуть меншими 2-х мм, ефект турбулізації в порожнинах буде зведений до мінімуму, що негативно позначиться на результатах змішування. При перевищенні цих 51798 6 розмірів за межі 3-х мм натікаючий потік буде „загальмовуватись" в порожнинах, що також знизить турбулізацію. Стосовно встановленого відношення величини діаметру наскрізних отворів до величини найбільшого діаметру конусу в межах 1:8-1:15, та довжини конусу кавітатора в межах 1,2-1,8 величини найбільшого діаметру конусу, можна також сказати, що будь-яке відхилення в сторону зменшення або збільшення від вказаних інтервалів величин призведе до погіршання умов змішування. Конструктивне рішення запропонованого кавітаційного апарату пояснюють креслення, де представлено: - на фіг. 1 - схематичне зображення кавітаційного апарату; - на фіг. 2 - кавітатор у розрізі. До складу кавітаційного апарату входять послідовно сполучені конфузор 1 потоку вихідного матеріалу, циліндричний корпус 2 та дифузор 3 відведення обробленого матеріалу (фіг. 1). Вздовж горизонтальної осі корпусу встановлений стержень 4 з кавітатором 5, у якому виконані наскрізні отвори 6 (фіг. 1, вид по стрілці А). На циліндричній частині кавітатора виконані кругові порожнини (проточки) 8, глибина а, ширина to та відстань с між якими становлять 2-3 мм (фіг. 2). Наскрізні отвори 6 можуть бути орієнтовані відносно горизонтальної осі корпусу під кутом α, інтервал величин якого становить 1-75°. Відношення величини діаметру наскрізних отворів d до величини найбільшого діаметру конусу D становить 1:8-1:15, а довжина конусу L кавітатора становить 1,2-1,8 величини найбільшого діаметру D конусу. Кількість кругових порожнин 8 на циліндричній частині кавітатора коливається в залежності від конкретних умов технологічного процесу, реологічних характеристик змішуваних інгредієнтів та вимог, яким повинен відповідати кінцевий продукт. Кавітаційний апарат працює наступним чином: Потік рідини, що надходить до конфузора 1, набігає на конусну частину кавітатору 5, який звернений своєю меншою основою назустріч потоку. У звуженому каналі між внутрішньою поверхнею циліндричного корпусу кавітаційного апарата і циліндричною частиною кавітатора швидкість потоку різко зростає, при цьому відбувається різке зниження тиску з генеруванням кавітаційних мікробульбашок. В моменти попадання потоку на кругові порожнини генерування цих мікробульбашок ще більше підсилюється. При зіткненні з першою порожниною потік різко розширюється, а на площині проміжку між порожнинами різко звужується, після чого він попадає в наступну порожнину, в якій знову розширюється - відбувається так званий «зрив» потоку. Потік зазнає таких різких змін протягом всього періоду проходження ним кругових порожнин. Результатом цих змін є нестаціонарна пульсуюча каверна на виході кавітатора, викликана коливаннями високої частоти та ударними хвилями. Ця каверна характеризується високим ступенем турбулізації, що сприяє ефективному подрібненню та гомогенізації потоку. 7 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 51798 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601