Спосіб створення кавітаційної течії рідини та пристрій для його здійснення

Взаємозв'язана група винаходів належить до процесів емульгування, диспергування, розчинення, аерації в рідинному середовищі і до пристроїв, які використовуються при цьому, і може бути застосована для економічно доцільної інтенсифікації процесів емульгування, диспергування, розчинення, аерації в харчовій, хімічній, нафтохімічній і інших галузях промисловості. Відомий спосіб створення кавітаційної течії [1], який передбачає витікання затопленого струменя з отвору в діафрагмі, встановленої в трубі, при умовах, що співвідношення тисків P1 перед діафрагмою і Р2 за нею Р1/Р2 £ 9,8 і динамічний напір в струмені повинен бути не менше, ніж 0,15*Р1. При таких умовах в струмені утворюється кавітаційна течія, яка використовується для диспергування суміші рідин до стану емульсії. Цей спосіб енергетично невигідний через те, що для створення кавітаційної течії потрібно розвивати високі швидкості течії, а діафрагма має великий гідравлічний опір і значні місцеві втрати напору. Крім того, при перетіканні рідини через діафрагму при вищевказаних співвідношеннях для тисків і динамічного напору кавітаційна течія нестійка і переходить у різні види зривних і турбулентних течій без виникнення кавітаційних явищ. Також відомий, вибраний як прототип, спосіб створення кавітаційної течії [2], згідно з яким, як і в заявленому способі, витікання затопленого струменю рідини супроводжується коливанням в повздовжній площині, завдяки чому створюються умови для виникнення кавітаційної течії з кавітаційними бульбашками, які мають велику енергію колапсу, що сприяє інтенсифікації процесу емульгування технологічного середовища. Цей спосіб ефективний в дуже вузькому діапазоні швидкостей і тисків рідинного середовища через те, що він пов'язаний з автоколиваннями струменю. Ці коливання опосередковані, не можуть бути регульованими у виробничих умовах і, що найчастіше буває на практиці, вони зовсім не виникають. Відомий генератор кавітації [3], який містить ротор конусоподібної форми, що обертається в статорі такої ж форми, при цьому робочі поверхні статора і ротора виконані шорсткими, наприклад, мікрозубчатими, а кавітаційна течія виникає в зазорі між статором і ротором. Проте цей генератор не забезпечує створення кавітаційної течії з необхідним технологічним ефектом, тому що кавітаційні бульбашки, які виникають в зазорі між статором і ротором, не зносяться в ділянку потоку з підвищеним тиском, а залишаються в зазорі, створюючи порожнини, що не мають технологічного ефекту. В зв'язку з цим більша частина зазору між статором і ротором не використовується, перетворюючись в застійну зону. Крім того, зазначений генератор має значний гідравлічний опір, що веде до недоцільної витрати енергії. Відомий пристрій для створення кавітаційної течії [1], що складається з труби, розділеною діафрагмою на дві камери. На виході труби встановлено запірний клапан. Рідина з першої камери під постійним тиском, проходячи через отвір діафрагми, створює кавітаційну течію, яка диспергує суміш рідин. Практичного застосування цей пристрій не знайшов через нестабільність кавітаційної течії, неможливість регулювання кавітаційної течії за допомогою клапана на виході труби і, як показує практика, при використанні діафрагми в пристроях те хнологічного призначення отвори в них швидко забиваються включеннями або агломератами різноманітного походження, і кавітаційна течія взагалі не виникає. Відомий також пристрій для створення кавітаційної течії [2], який взято за прототип, що містить насос, трубопровід підводу рідини, генератор кавітації з сопловою ділянкою, ділянкою з критичним перерізом та дифузорною і стабілізаційною ділянками, трубопровід відводу рідини, причому соплова ділянка та ділянка з критичним перерізом підвішені на еластичному елементі з регульованою пружністю, що дозволяє ділянці з критичним перерізом коливатися, завдяки чому збільшується інтенсивність кавітаційної течії. Зазначений пристрій має нестійкий характер кавітаційної течії рідини, який неможливо регулювати, що на практиці приводить до відсутності задекларованої кавітації, і, як наслідок, недостатню ефективність пристрою у виробничих умовах і середовища х. Крім того, критичний переріз для досягнення потрібної швидкості течії має невеликі розміри і швидко забивається твердими включеннями, які завжди є в технологічних рідинах. В основу першого із групи винаходів покладено задачу удосконалення способу створення кавітаційної течії шляхом формування затопленого плоского струменя, на початку якого створюється кавітаційна зона, що коливається в повздовжній площині з певною частотою. За рахунок цього значно зростає кількість утворюваних кавітаційних бульбашок, що далі в течії колапсують, при менших енергетичних витратах, що підвищує технологічну е фективність кавітаційної течії і ступінь використання енергії, витраченої на формування кавітаційної течії. В основу другого із групи винаходів покладено задачу удосконалення пристрою для створення кавітаційної течії шля хом зміни конструкції ділянки з критичним перерізом, що дозволить керовано змінювати параметри кавітаційної зони струменя та частоту її коливання і тим самим оптимізувати те хнологічну е фективність кавітаційної течії щодо конкретного виробничого рідинного середовища. Перша поставлена задача вирішується тим, що в способі створення кавітаційної течії, згідно з яким витікання затопленого струменя рідини супроводжується його коливанням в повздовжній площині, згідно з винаходом, при витіканні формується плоский струмінь з відношенням ширини до товщини b/h>>1, а умови витікання характеризуються співвідношеннями для числа кавітації R - Rd c= £ 1,1 × 10 - 5 Re + 0 ,74 rV 2 / 2 (1) та для числа Рейнольда h×V Re = > 3 × 10 5 , n (2) де b - ширина струменя; h - товщина струменя; Р - тиск рідини, в яку витікає струмінь; Рd - тиск насиченої пари рідини при температурі рідини; r - густина рідини; V - швидкість рідини в плоскому струмені; n - кінематична в'язкість рідини. Саме такі умови забезпечують утворення кавітаційних бульбашок [4], колапс яких використовується далі з певною технологічною метою. Інтенсивність кавітації в запропонованому способі значною мірою залежить від довжини зони кавітації в струмені, де виконуються умови утворення кавітаційних бульбашок (1) і (2). Визначимо умови існування кавітаційної зони з ненульовою довжиною, використовуючи співвідношенням для падіння швидкості вздовж затопленого струменю [5] 12 × Vп оч , V= 2a × L стр h де а - коефіцієнт, який можна прийняти рівним 0,1; L - відстань від початку стр уменя; DR r / 2 - початкова швидкість затопленого струменю; h - початкова товщина струменя; m - коефіцієнт витрат щілини; DR - різниця тисків по обидва боки щілини. Звідки отримуємо вираз для довжини кавітаційної зони затопленого струменю vпоч = m 2 0,72 × h æ Vп оч ö ÷ ×ç çV ÷ a è кав ø де Vкав - швидкість струменя в кінці кавітаційної зони струменя. Крім того, коливання струменя з частотою w ³ 40Гц збільшує число утворюваних кавітаційних бульбашок, що колапсують. За рахунок формування затопленого плоского струменю при зазначених умовах струмінь легко розпадається на кавітаційні бульбашки, коливання струменя з вказаною частотою сприяє збільшенню кількості утворюваних кавітаційних бульбашок, які колапсують, при менших енергетичних витратах. Це підвищує те хнологічну ефективність кавітаційної течії і ступінь використання енергії, витраченої на формування кавітаційної течії. Друга поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для створення кавітаційної течії, який містить насос, трубопровід підводу рідини, генератор кавітації з сопловою ділянкою, ділянкою з критичним перерізом та дифузорною і стабілізаційною ділянками, трубопровід відводу рідини, згідно з винаходом, критичний переріз виконано у формі щілини довільної форми (прямокутної, хвилястої, колової) з відношенням ширини до товщини b/h>>1, і в критичному перерізі встановлено змінний профільований валик з віссю, приєднаною до регульованого по обертах приводу для її обертання, причому торець змінного профільованого валика складає одну із сторін щілини. Таке виконання критичного перерізу дозволяє при обертанні профільованого валика змінювати форму щілини, її площу та контур гідравлічного каналу на виході із критичного перерізу, що в свою чергу дозволяє шляхом підбору змінних профільованих валиків контрольовано змінювати в часі форму затопленого плоского струменя в перерізі, напрямок його витікання і величину швидкості витікання струменя, а зміною числа обертів приводу підбирати частоту зміни вказаних характеристик затопленого плоского струменю для досягнення оптимальної технологічної ефективності кавітаційної течії щодо конкретного рідинного середовища. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де зображені - на фіг.1 загальна схема пристрою для створення кавітаційної течії з повздовжнім перерізом генератора кавітації; - на фіг.2 - загальний вид генератора кавітації; - на фіг.3 виріз фіг.2 з показом критичного перерізу (привід 10 для обертання вісі профільованого валика 9 не показано); - на фіг 4 - поперечний переріз фіг.2 (привід 10 для обертання вісі профільованого валика 9 не показано); - на фіг.5 приклади виконання змінного профільованого валика. Заявлений спосіб реалізують таким чином. Затоплений плоский струмінь рідини з відношенням сторін більше 1 витікає із соплової ділянки гідравлічного контуру і поширюється в просторі, зайнятому цією ж рідиною. Тиск і швидкість при витіканні затопленого плоского струменю повинні бути достатніми для утворення в струмені зони кавітації, де виконуються умови виникнення кавітаційних бульбашок (1) і (2), з довжиною не рівною нулю. Для створення сприятливих умов для колапсу утворених кавітаційних бульбашок струмінь коливально з частотою, заявленою в винаході, міняє напрямок і швидкість витікання. Найбільш доцільно для створення затопленого плоского струменю і умов його витікання застосувати описаний нижче пристрій. Як показано на фіг.1, 2 ,3 і 4 пристрій для створення кавітаційної течії містить насос 1, трубопровід підводу рідини 2 генератор кавітації 3 з сопловою ділянкою 4, ділянкою з критичним перерізом 5, дифузорну ділянку 6, стабілізаційну ділянку 7, змінний профільований валик 8, вісь профільованого валика 9, привід вісі профільованого валика з регульованим числом обертів 10, трубопровід відводу рідини 11. L= Пристрій працює таким чином. Насосом 1 рідина подається в трубопровід підводу рідини 2 і далі в соплову ділянку 4 генератора кавітації 3, яка розганяє потік і формує затоплений плоский струмінь в критичному перерізі ділянки 5. Струмінь, що витікає, утворює кавітаційну зону, де виникають кавітаційні бульбашки. Потрапляючи далі в дифузорну ділянку 6 бульбашки колапсують, створюючи необхідний технологічний ефект. На виході із дифузорної ділянки 6 потік стабілізується, кавітаційні бульбашки остаточно зникають і по трубопроводу відводу рідини 11 подається на споживання. При цьому привід 10 обертає змінний профільований валик 8 віссю 9, завдяки чому змінюється площа критичного перерізу та контур ділянки з критичним перерізом 5. Це призводить до коливальної зміни напрямку витікання плоского струменю та величини його початкової швидкості. В результаті коливання струменя по всьому сектору коливання утворюється поле кавітаційних бульбашок, на створення якого завдяки коливанню з певною підібраною частотою іде менше енергетичних витрат. Крім того, при обертанні профільований валик сам очищується, що позитивно впливає на стабільність роботи пристрою. Таким чином у заявленому пристрої відбувається створення кавітаційної течії з контрольованими параметрами, достатніми для досягнення оптимальної технологічної ефективності кавітаційної течії щодо конкретного рідинного середовища. Джерела інформації 1. Патент США №US 5971601, МПК В0IF5/06, 2000. 2. Заявка України №98031606, В06В1/18, 1998. 3. Авторське свідоцтво СРСР №495099, МПК В06В1/16, 1975. 4. Перник А.Д. Проблемы кавитации. -Л.: Судостроение, 1964. -439с. 5. Идельчик И.Б. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Физматгиз, 1977. -708с.